CN113646108A

CN113646108A - 模制设备

Info

Publication number: CN113646108A
Application number: CN202080026027.1A
Authority: CN
Inventors: 戴维·格兰奇; 拉姆齐·博利
Original assignee: Safran SA
Current assignee: Safran SA
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2021-11-12
Anticipated expiration: 2040-03-24
Also published as: EP3946776B1; EP3946776A1; FR3094248B1; US20220176441A1; CN113646108B; WO2020193574A1; FR3094248A1; US11975383B2

Abstract

本发明涉及一种用于围绕型芯(2)模制材料的模制设备(1)，模制设备包括适于接纳型芯(2)的中空模制外壳(3)以及用于控制中空外壳(3)中的型芯(2)的形状的控制装置，控制装置包括用于使型芯(2)变形的变形装置，控制装置还包括力监测装置和控制单元(8)，控制单元适于根据由所述力控制装置提供的信息来致动变形装置。

Description

模制设备

技术领域

本发明涉及模制设备，更具体地涉及用于制造涡轮机元件的模制设备。

背景技术

传统上，中空涡轮叶片由镍高温合金通过失蜡铸造方法制成。

在模制领域，已知使用型芯来模制中空元件。例如，在制造中空叶片的情况下，通常使用陶瓷型芯，蜡围绕陶瓷型芯注入。然后，由此模制的蜡形状将被用作模型，以建立陶瓷模具(也被称为壳体)，中空叶片将在该陶瓷模具中被模制。

陶瓷型芯的形状必须尽可能接近估计的理论形状，因为这会影响未来的中空叶片的尺寸符合性。

然而，通常情况下，由于型芯制造方法的离差(dispersion)，通常会观察到大约0.2mm数量级的形状变化。

传统上，用坐标测量机(machine de mesure tridimensionnelle，MMT)对型芯的几何形状进行监测。然后，在注射设备中，调整型芯上的支撑件以抵消形状离差并使型芯变形，使得型芯尽可能接近估计的理论形状。该方法使得能够补偿由于型芯的制造引起的变形。然而，在注射方法期间，蜡在型芯上施加很多力，这些力倾向于使型芯变形。然而，用于调节支撑件的已知方法要求使模制设备固定并用CMM对型芯进行监测以重新定位支撑件。

另一解决方案包括在注射设备中，将型芯保持在静态不确定的状态下(即，支撑件的数量大于自由度的数量)。这种技术配置使得能够对型芯施加过度应力以使型芯变形为接近其理论几何形状的几何形状。然而，型芯承受过度应力，并且存在很高的断裂风险。此外，该方法不允许型芯的变形适应于由所注射的蜡施加的应力。

在该技术背景下，有必要提供一种模制设备，该模制设备允许型芯不仅基于其制造离差，而且基于由液态或糊状蜡施加的力而变形，而没有使型芯断裂的风险。

发明内容

根据第一方面，本发明涉及一种用于围绕型芯模制材料的模制设备，该模制设备包括适于接纳型芯的中空模制外壳，以及用于控制中空外壳中的型芯的形状的控制装置。控制装置包括用于使型芯变形的变形装置。此外，控制装置进一步包括力监测装置和控制单元，该控制单元适于基于由力监测装置给出的信息来致动变形装置。

以特别有利的方式，控制装置使得型芯能够基于由监测装置给出的信息进行动态变形。型芯的动态变形使得能够将型芯保持在制造公差内的形状，同时使施加在型芯上的力最小化。换句话说，型芯的动态变形使得能够基于施加在型芯上的力实时修改型芯的形状，以将型芯控制在可接受的尺寸范围内。值得注意的是，动态变形的目的不一定是使型芯达到其理论形状，而是使型芯达到控制在一尺寸范围内的形状。这种差异使得在生产保形模制件时能够减小施加到型芯的力。

因此，本发明提出一种模制设备，该模制设备允许型芯不仅基于其制造离差，而且还基于由液态蜡施加的力而变形，而没有使型芯断裂的风险。

监测装置可以包括至少一个力传感器，该力传感器适于测量施加在型芯上的力。

变形装置可以使型芯能够沿着空间中的三个正交方向变形。

变形装置可以使型芯能够沿着多个组合方向变形。

控制单元可以适于致动变形装置，使得只要型芯成形为在预定制造公差内的位置和形状，型芯中的应力就最小。

变形装置可以包括在型芯上的支撑部分，该支撑部分用作阻挡型芯的止动件。

变形装置可以包括在型芯上的可移动的支撑元件，该可移动的支撑元件使得能够施加压力以使型芯变形。

变形装置可以包括在型芯上的至少两个可移动的支撑元件，该至少两个可移动的支撑元件使得每个可移动的支撑元件能够在相反方向上施加压力以使型芯变形。

根据另一方面，本发明涉及一种使用根据本发明的模制设备的模制方法。

该模制方法可以包括使型芯动态变形以将型芯成形为在制造公差内的位置和形状，同时使施加在型芯上的应力最小化的步骤。

该模制方法可包括以下步骤：

-对型芯建立模型，

-将支撑部分定位在型芯上以保持型芯，

-对在将材料注射到包括型芯的中空外壳中的阶段期间施加在型芯上的力以及型芯的任何变形和移位进行数值模拟，

-在控制单元中执行数值模拟的结果，

-将材料注射到中空外壳中，并通过可移动的支撑元件使型芯进行动态变形。

使型芯进行动态变形的步骤可以重复地包括以下阶段：

-基于在型芯上测量的力来确定型芯的应力，

-基于所确定的应力使型芯变形。

对型芯建立模型的步骤可以包括测量型芯的尺寸以获得型芯的具有所述尺寸的模型的阶段。

附图说明

本发明的其他特征和优点将从仅为说明性而非限制性的并且应当参照附图阅读的以下描述中显现出来，在附图中：

图1是根据本发明的设备的示意图；

图2是型芯的动态变形的示意图。

具体实施方式

设备的整体构造

参照图1，本发明涉及用于围绕型芯2模制材料的模制设备1。

应指出，型芯2是位于设备1外部的元件。以常规的方式，所使用的型芯2可以由陶瓷制成并且具有将被失蜡模制的最终部件的腔体的形状和尺寸。

作为提醒，回想起来失蜡模制首先包括获得具有待模制的最终部件的形状的蜡模型(应当理解，可以使用其他液体材料，但为了在描述的其余部分中方便起见，将采用蜡的优选示例)。传统上，该操作是通过在铝制模具中围绕陶瓷型芯过度注射蜡来实现的。

其次，将蜡模型模制在陶瓷壳体中(即，陶瓷壳体是围绕蜡模型成型的)。然后，将蜡移除，以便替代地铸造熔融的金属(在壳体中，围绕型芯)。然后破坏陶瓷模具并提取陶瓷型芯以回收模制部件。

本设备1是用于获得蜡模型的设备，该设备包括中空模制外壳3和用于控制中空外壳3中的型芯的形状的装置。

中空外壳

以已知的方式，中空外壳3可以具有至少两个半壳体，每个半壳体具有适于接纳型芯2的外壳。中空外壳3可以由铝或钢或者适于模制蜡模型的任何其他材料制成。

中空外壳3的形状被限定为待模制的最终部件的外部形状。

控制装置

控制装置包括型芯变形装置、力监测装置和控制单元8，该控制单元适于基于由力监测装置给出的信息并通过植入控制单元8的计算模型来致动变形装置。

如稍后将描述地，以特别有利的方式，控制装置使得型芯能够基于由监测装置给出的信息进行动态变形。

变形装置使得能够有利地沿着空间的两个或三个正交方向保持型芯2并使型芯变形，这两个或三个正交方向在适当的情况下结合。换句话说，变形装置使得能够沿着空间中的一个方向或多个方向施加压缩力，也使得能够施加弯曲力和扭转力。

根据特定配置，变形装置包括多个支撑部分4。应当理解，根据优选配置，支撑部分4将型芯2保持在均衡状态下，以阻挡型芯从而使型芯能够变形。然而，根据另一配置，支撑部分4可以确保型芯2的实体保持，然后由于由可移动支撑元件6(将在下文中介绍)确保的额外保持而预期均衡。

根据示意性实施例，在二维中，图1示出了设备1的六个支撑部分4。

然而，设备1(在三维中延伸)优选地具有成对的12个支撑部分4，以阻挡中空外壳3中的型芯2的6个自由度。应能回想到，传统上，六个自由度在正交参考系中对应于沿着参考系的每个轴线的三个平移方向，并且对应于围绕所述参考系的每个轴线的三个可能的旋转。

以特别有利的方式，支撑部分4为点支撑。

此外，变形装置包括可移动的支撑元件6，该支撑元件使得能够在型芯2上施加可变的和受控的力以使型芯变形。

优选地，可移动的支撑元件6为点支撑。

监测装置包括多个力传感器61，该力传感器适于测量型芯2上的力(即，型芯2“施加”在力传感器61上的力。测得的力源于由可移动的支撑元件6施加的力以及在注射期间由蜡状液体材料施加的力引起的内应力)。以已知的方式，力传感器例如可以是压电电池或测力计。

以特别有利的方式，力传感器61可以集成到可移动的支撑元件6中。

监测装置和变形装置由控制单元8控制。如图1示意性所示，控制单元8包括处理单元81和显示单元82。控制单元8可以是个人计算机或人机界面，该个人计算机或人机界面至少包括：处理器、显示装置和致动器(按钮、旋钮等)。

控制单元8有利地被配置成根据由力传感器61提供的信息计算型芯2中的所述应力(由施加在型芯2上的力引起的)。

这种配置使得能够通过变形装置调节施加在型芯2上的力以避免任何断裂的风险。更具体地，控制单元8优选地适于致动变形装置，使得型芯2中的应力低于预定阈值(通常是断裂阈值减去裕度)或者甚至使得型芯中的应力是最小的，只要型芯2成形为位置和形状在预定的制造公差内(参见下文)。

方法

本发明还涉及一种使用根据本发明的模制设备1的模制方法。

根据特定配置，该模制方法可包括以下步骤：

-对型芯2建立模型，

-将支撑部分4定位在型芯2上以保持型芯，

-对在将材料注射到包括型芯2的中空外壳中的阶段期间施加在型芯2上的力以及型芯2的任何变形和移位进行数值模拟，

-在控制单元8中执行数值模拟的结果，

-将材料(蜡类型的材料)注射到中空外壳3中，并通过可移动的支撑元件6使型芯2进行动态变形。

以特别有利的方式，对型芯2建立模型的步骤可以包括测量型芯2的尺寸以获得型芯2的具有所述尺寸的模型的阶段。型芯2的尺寸的测量例如可以使用坐标测量机(MMT)来执行。

施加到型芯2的力的数值模拟是使用计算模型执行的，该计算模型使得能够通过计算应力场σ_i来预测与变形相关联的应力，其中，i从1变化到n(其中，n为可移动的支撑元件6的数量)。

优选地，所述模型的主要假设是型芯具有线性的弹性行为，这非常接近陶瓷材料在断裂前的实际情况。还假设不同的可移动支撑元件6与型芯2接触。

在这样的假设下，力学问题被认为是线性的。这可以反映如下：

设σ(x)为陶瓷型芯2中的应力张量场。

设F₁,…,F_n为在可移动接触点的不同传感器处测得的力的值。

对于单位值F_i，设σ_i(x)为应力张量场的值，对于不同于i的j，值F_j＝0。

然后，对于组合(F₁,…,F_n)，应力场的值为：σ(x)＝∑_if_iσ_i(x)

在这些条件下，可以遵循以下过程。在设计型芯2时，通过计算机辅助设计(CAD)软件对型芯建立模型，并且冻结型芯2(支撑点4和可移动支撑元件6)与中空外壳3之间的接触点的位置。然后，可以在使用该设备的上游进行多个弹性计算来计算应力场σ_i。在有六个可移动支撑元件6的一个示例中，这相当于执行六个计算。然后，可以将结果σ_i的应力场加载到控制单元8的处理单元81上。当使用该设备时，通过力传感器61测量值F_i，并实时地将该值F_i传输到处理单元81。为了获知应力场，处理单元81只需要执行可以实时完成的求和(上面的等式)，并用显示单元82显示结果。这种操作可以通过可在市场上购买的工具来完成，也可以通过专门为该应用程序开发的可视化显示工具来完成。

应指出，“动态”是指在材料注射期间变形可以实时变化，以调节施加在型芯2上的力(所注射的材料改变这些力)。

如图2示意性所示，使型芯2动态变形的步骤使得型芯2能够成形为在制造公差内的位置和形状，同时使型芯中的应力最小化。换句话说，动态变形步骤的目的不是使型芯2返回其理想的理论形状，而是使其变形，以便将型芯控制在可接受的尺寸范围内。这是一种特别有利的技术配置，该技术配置使得能够实现保形模制，同时使型芯2具有最小疲劳。

总之，控制单元8没有被配置成将型芯2成形为其理想的理论位置和形状，而是成形为在制造公差范围内的位置和形状，这使型芯2中的应力最小化。

值得注意的是，使型芯2动态变形的步骤可以迭代地包括以下阶段：

-基于在型芯2上测量的力来确定型芯2中的应力，

-基于所确定的应力使型芯2变形。

因此，动态变形步骤可以在中空外壳3中的整个蜡注射步骤中连续地进行。

换言之，在将蜡注射到中空外壳3的整个步骤中，监测装置发出施加在型芯2上的力的信号，并且控制单元8连续地控制变形装置以连续地调节型芯2的形状。与不允许通过力传感器61利用监测回路进行连续控制的已知设备相比，这是一个特别有利的技术配置。

因此，本发明提出一种模制设备1，该模制设备允许型芯2不仅基于其制造离差，而且基于由液态蜡施加的力而变形，而没有使型芯2断裂的风险。

Claims

1.用于围绕型芯(2)模制材料的模制设备(1)，所述模制设备包括适于接纳所述型芯(2)的中空模制外壳(3)以及用于控制所述中空外壳(3)中的所述型芯(2)的形状的控制装置，所述控制装置包括用于使所述型芯(2)变形的变形装置，所述模制设备(1)的特征在于，所述控制装置还包括力监测装置和控制单元(8)，所述控制单元适于基于由所述力监测装置给出的信息来致动所述变形装置。

2.根据权利要求1所述的模制设备(1)，其中，所述监测装置包括至少一个力传感器(6)，所述力传感器适于测量施加在所述型芯(2)上的力。

3.根据权利要求1或2所述的模制设备(1)，其中，所述变形装置使得所述型芯(2)能够沿着空间中的三个正交方向变形。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的模制设备(1)，其中，所述控制单元8适于致动所述变形装置，使得只要所述型芯2成形为在预定制造公差内的位置和形状，所述型芯2中的应力就最小。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的模制设备(1)，其中，所述变形装置包括在所述型芯(2)上的支撑部分(4)，所述支撑部分用作阻挡所述型芯(2)的止动件。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的模制设备(1)，其中，所述变形装置包括在所述型芯(2)上的可移动的支撑元件(6)，所述可移动的支撑元件使得能够施加压力以使所述型芯(2)变形。

7.根据权利要求6所述的模制设备(1)，其中，所述变形装置包括在所述型芯(2)上的至少两个可移动的支撑元件(6)，所述至少两个可移动的支撑元件使得每个可移动的支撑元件能够在相反方向上施加压力以使所述型芯(2)变形。

8.模制方法，所述模制方法使用根据权利要求1至7中任一项所述设备(1)。

9.根据权利要求8所述的模制方法，所述模制方法包括使型芯(2)动态变形以将所述型芯(2)成形为在预定制造公差内的位置和形状，同时使施加在所述型芯(2)上的应力最小化的步骤。

10.根据权利要求8或9所述的模制方法，所述模制方法包括以下步骤：

-对所述型芯(2)建立模型，

-将支撑部分(4)定位在所述型芯(2)上以保持所述型芯(2)，

-对在将材料注射到包括所述型芯(2)的中空外壳(3)中的阶段期间施加在所述型芯(2)上的力以及所述型芯(2)的任何变形和移位进行数值模拟，

-在控制单元(8)中执行所述数值模拟的结果，

-将材料注射到所述中空外壳(3)中，并通过可移动的支撑元件(6)使所述型芯(2)进行动态变形。

11.根据权利要求8或9所述的模制方法，其中，使所述型芯(2)动态变形的步骤迭代地包括以下阶段：

-基于在所述型芯(2)上测量的力来确定所述型芯(2)的应力，

-基于所确定的应力使所述型芯(2)变形。

12.根据权利要求9或10所述的模制方法，其中，对所述型芯(2)建立模型的步骤包括测量所述型芯(2)的尺寸以获得所述型芯(2)的具有所述尺寸的模型的阶段。