CN114160758B - 双层双向整体导向器铸件的浇注系统及其铸造成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双层双向整体导向器铸件的浇注系统及其铸造成形方法，所述双层双向整体导向器铸件的浇注系统通过采用钳形浇冒口和定向传热装置，实现了铸造工艺难度极大的双层双向整体精密铸造导向器的顺序凝固和同时凝固相结合的复合凝固精密铸造成形。经实际生产验证，本发明的浇注系统可有效解决双层双向导向器精密整体铸件的缩松缺陷问题，避免欠铸或冷隔缺陷的产生，减少铸件夹杂缺陷，减轻铸件变形，显著提升整体铸造合格率，可为类似双层双向结构的整体精密导向器生产制造提供技术支撑和实践指导。
Description
技术领域
本发明涉及精密铸造技术领域，特别地，涉及一种双层双向整体导向器铸件的精密铸造成形方法。
背景技术
导向器是航空发动机的重要部件，常规导向器主要有双层单向和双层双向两种结构。如图1所示，双层单向导向器由内、外环双层流道及水平叶片组成，工作气流由进气边进入，再由排气边单向排出，实现单向流通。如图2所示，双层双向导向器由内、外环双层流道及竖直叶片组成，工作时通过L形内、外流道及竖直叶片转向导流作用，实现气流由-Z方向进入，再由Z方向排出的双向流通。现阶段，对于结构相对较简单的双层单向结构导向器，一般采用整体铸造方式成形，专利CN201810493597.6公开了在内、外环安装边设置直接浇冒口，即可实现由叶片至内、外环再到浇冒口的顺序凝固补缩。而对于结构复杂的双层双向结构导向器，专利CN201810663928.6公开了由多个简单铸造单件通过铆接或焊接方式组装成形。随着航空发动机对性能和寿命要求的不断提升，精密铸件逐渐向集成化方向发展，总体呈现复杂、无余量等特点，铸造工艺难度急剧提升。如图3所示，某航空发动机用导向器为一种典型的双层双向大型复杂整体精密铸件，内、外环双层流道均呈L形变截面，通过厚大竖直叶片连接形成双层双向整体结构，该铸件集成化程度高，结构紧凑，对冶金缺陷的控制要求异常严苛。目前，该铸件采用熔模精密铸造工艺一次性成型，主要存在的铸造工艺难点如下：
(1)铸件L型内环厚大，与竖直厚大叶片连接的流道部位存在密集大尺寸热节，凝固过程中金属液补缩行程远，补缩需求量大，常规直接浇冒口设计无法满足内环凝固补缩需求；
(2)铸件外环呈多变截面薄壁L型结构，两端厚，中间薄，热节数量多，且在中间最大外圆弧处分布有多处实心凸台，液态收缩与凝固收缩阶段难以形成有利的顺序凝固补缩条件，固态收缩阶段则容易产生尺寸变形；
(3)内、外环与叶片之间空间结构紧凑，严重限制浇冒口尺寸和形状的设计，如果浇冒口设计过于复杂，会导致壳型干燥和铸件凝固过程中散热困难，加剧缩松和夹杂缺陷的产生；
(4)竖直叶片进气边厚度大于10mm，排气厚度却不足1mm，金属液充型过程中在排气边极易产生欠铸或冷隔缺陷，而在凝固过程中容易形成由排气边至进气边生长的柱状晶；
(5)内、外环及叶片之间干涉严重，存在大面积的视觉盲区，现有抛修工具与方法无法将该区域超标冶金缩松、夹杂等缺陷打磨至合格或排除进行补焊修复，对冶金缺陷的控制要求极为严格。
发明内容
本发明提供了一种双层双向整体导向器铸件的精密铸造成形方法，以解决现有的浇注系统采用常规直接浇冒口设计无法满足内环凝固补缩需求的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种双层双向整体导向器铸件的浇注系统，包括常规浇注系统和钳形浇冒口，所述钳形浇冒口的上端与常规浇注系统连接，下端分别与双层双向整体导向器铸件的内环内浇口、外环内浇口连接，所述钳形浇冒口用于将常规浇注系统浇入的充型金属液分别引入内环内浇口和外环内浇口中，使得充型金属液先将竖直叶片和外环充填完整，再由下至上对内环型腔进行充填，并在凝固过程中实现对双层双向整体导向器铸件的内、外环进行双向顺序凝固补缩。
进一步地，所述钳形浇冒口采用鱼嘴型钳口设计，其中，内环内浇口设置在内环水平截面热节上方，外环内浇口设置在外环竖直截面壁厚最厚的部位。
进一步地，还包括设置在外环下方并用于对外环进行导热的定向传热装置。
进一步地，所述定向传热装置为环形托盘状，外环的外端面与定向传热装置的上端面接触，以对外环水平端面型壳起到激冷作用，使得外环水平截面和外环凸台内的金属液实现同时凝固。
进一步地，所述定向传热装置采用高导热率的合金材料制成。
另外，本发明还提供一种双层双向整体导向器铸件的铸造成形方法，包括以下内容：
采用钳形浇冒口与常规浇注系统进行组树，其中，钳形浇冒口的上端与常规浇注系统连接，下端分别与双层双向整体导向器铸件的内环内浇口、外环内浇口连接；
从常规浇注系统的浇口杯中浇入充型金属液，充型金属液在钳形浇冒口分流和引流作用下分别流入内环内浇口和外环内浇口中，使得充型金属液先将竖直叶片和外环充填完整，再由下至上对内环型腔进行充填，并在凝固过程中实现对双层双向整体导向器铸件的内、外环进行双向顺序凝固补缩。
进一步地，在进行充型金属液浇注之前还包括以下内容：
在外环下方设置定向传热装置，以在充型过程中对外环进行导热。
进一步地，所述定向传热装置为环形托盘状，外环的外端面与定向传热装置的上端面接触，以对外环水平端面型壳起到激冷作用，使得外环水平截面和外环凸台内的金属液实现同时凝固。
进一步地，所述定向传热装置采用高导热率的合金材料制成。
进一步地，所述钳形浇冒口采用鱼嘴型钳口设计，其中，内环内浇口设置在内环水平截面热节上方，外环内浇口设置在外环竖直截面壁厚最厚的部位。
本发明具有以下效果：
本发明的双层双向整体导向器铸件的浇注系统，在钳形浇冒口的分流和引流作用下，金属液将由内、外环内浇口分别充填进入铸件型腔，进入内环型腔的前沿金属液在重力作用下会先将竖直叶片型腔充满，并与外环内浇口进入的金属液汇聚于L形薄壁外环的水平截面，有效提升金属液在竖直叶片型腔中的充型能力，避免内、外环充型前沿冷端金属液汇聚于竖直叶片薄壁排气边而导致产生欠铸或冷隔缺陷，同时使充型金属液先将竖直叶片和多变截面薄壁外环充填完整，再由下至上对厚大内环型腔进行充填，并在凝固过程中实现对双层双向整体导向器铸件结构紧凑的内、外环进行双向顺序凝固补缩。其中，L形厚大内环在凝固过程中，依靠竖直截面到水平截面再至钳形浇冒口截面壁厚增大的结构，建立了温度逐步上升的温度梯度，始终保持补缩通道通畅，形成有利的顺序凝固补缩条件，解决铸件内环缩松缺陷问题，对不溶解于金属液的小密度夹杂物可最后上浮到浇冒口中更容易去除，或保留在铸件厚大L形内环上表面，便于排除和补焊修复。并且，由于钳形浇冒口的型壳容量大，其中高温金属液压头高、散热慢，在重力作用下极大提升浇冒口对紧凑空间结构铸件的补缩液量与补缩距离，同时实现对双层双向整体导向器铸件的内环、外环及竖直叶片凝固过程中液体收缩的双向持续补偿。而且，铸件进入固态收缩阶段后容易产生尺寸变形，但在钳形浇冒口的钳制作用下，可有效减轻双层双向整体导向器多变截面薄外环的固态收缩变形，保证了铸件的尺寸精度。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是常规的双层单向整体导向器铸件的结构示意图。
图2是常规的双层双向整体导向器铸件的结构示意图。
图3是某型双层双向整体导向器铸件的结构示意图。
图4是本发明优选实施例的双层双向整体导向器铸件的浇注系统与铸件型腔连接的结构示意图。
图5是本发明另一实施例的双层双向整体导向器铸件的铸造成形方法的流程示意图。
图6是本发明又一实施例的双层双向整体导向器铸件的铸造成形方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图4所示，本发明的优选实施例提供一种双层双向整体导向器铸件的浇注系统，包括常规浇注系统和钳形浇冒口，所述钳形浇冒口的上端与常规浇注系统连接，下端分别与双层双向整体导向器铸件的内环内浇口、外环内浇口连接，所述钳形浇冒口用于将常规浇注系统浇入的充型金属液分别引入内环内浇口和外环内浇口中，使得充型金属液先将竖直叶片和外环充填完整，再由下至上对内环型腔进行充填，并在凝固过程中实现对双层双向整体导向器铸件的内、外环进行双向顺序凝固补缩。另外，为了重点突出本方案的技术创新点，图4中除了钳形浇冒口以外的常规浇注系统及整个外层模壳未画出，其中，常规浇注系统采用现有的浇注系统结构，在此不再赘述，例如包括浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道等结构。
可以理解，本实施例的双层双向整体导向器铸件的浇注系统，在钳形浇冒口的分流和引流作用下，金属液将由内、外环内浇口分别充填进入铸件型腔，进入内环型腔的前沿金属液在重力作用下会先将竖直叶片型腔充满，并与外环内浇口进入的金属液汇聚于L形薄壁外环的水平截面，有效提升金属液在竖直叶片型腔中的充型能力，避免内、外环充型前沿冷端金属液汇聚于竖直叶片薄壁排气边而导致产生欠铸或冷隔缺陷，同时使充型金属液先将竖直叶片和多变截面薄壁外环充填完整，再由下至上对厚大内环型腔进行充填，并在凝固过程中实现对双层双向整体导向器铸件结构紧凑的内、外环进行双向顺序凝固补缩。其中，L形厚大内环在凝固过程中，依靠竖直截面到水平截面再至钳形浇冒口截面壁厚增大的结构，建立了温度逐步上升的温度梯度，始终保持补缩通道通畅，形成有利的顺序凝固补缩条件，解决铸件内环缩松缺陷问题，对不溶解于金属液的小密度夹杂物可最后上浮到浇冒口中更容易去除，或保留在铸件厚大L形内环上表面，便于排除和补焊修复。并且，由于钳形浇冒口的型壳容量大，其中高温金属液压头高、散热慢，在重力作用下极大提升浇冒口对紧凑空间结构铸件的补缩液量与补缩距离，同时实现对双层双向整体导向器铸件的内环、外环及竖直叶片凝固过程中液体收缩的双向持续补偿。而且，铸件进入固态收缩阶段后容易产生尺寸变形，但在钳形浇冒口的钳制作用下，可有效减轻双层双向整体导向器多变截面薄外环的固态收缩变形，保证了铸件的尺寸精度。
可选地，所述钳形浇冒口采用鱼嘴型钳口设计，其中，内环内浇口设置在内环水平截面热节上方，外环内浇口设置在外环竖直截面壁厚最厚的部位。其中，外环内浇口的位置与外环实心凸台的中心位置对应，内环内浇口的尺寸要大于外环内浇口的尺寸，从而实现流入内环的金属液流量要大于流入外环的金属液流量，因为内环的型腔结构相比于外环的型腔结构更厚大，这样才能保证进入内环型腔的前沿金属液可以与进入外环型腔的金属液在外环的水平截面汇聚。
可以理解，钳形浇冒口采用鱼嘴形钳口设计，通过鱼嘴形钳口对进入钳形浇冒口的金属液进行分流和引流，持续控制进入内、外环金属液的流量和流入方向，保证工艺稳定性和可靠性。此外，充型金属液流经鱼嘴钳口后，部分垂直下落金属液在钳口型壁的作用下，虽然流动方向会发生一定改变，但又极大避免了金属液流动方向的急剧转变，相当一部分动能会被转变为压力能，并被钳形浇冒口的型壁吸收，在减轻金属液对铸件型腔壁冲击的同时，避免了金属液发生极度湍流和搅动，可有效降低氧化夹杂物的产生。当然，在本发明的其它实施例中，所述钳形浇冒口也可以采用其它形状设计，例如树枝分叉状等。
可选地，所述浇注系统还包括设置在外环下方并用于对外环进行导热的定向传热装置。在熔炼浇注前，先对型壳进行加热，将加热后的高温型壳至于定向传热装置上，以对外环起到快速导热作用，实现外环型腔内的金属液同时凝固。具体地，所述定向传热装置采用高导热率的合金材料制成，所述定向传热装置为环形托盘状，外环的外端面与定向传热装置的上端面接触，以对外环水平端面型壳起到激冷作用，使得外环水平截面和外环凸台内的金属液实现同时凝固。
可以理解，L形多变截面薄壁外环的凝固过程中，在高导热率的环形定向传热装置的激冷作用下，外环水平端面部位高温型壳的热量将快速被定向传热装置吸收，使外环水平薄壁截面和外环凸台部位的金属液快速冷却，实现同时凝固。与此同时，也将增大外环竖直截面和竖直叶片至钳形浇冒口的温度梯度，实现外环竖直截面和竖直叶片至钳形浇冒口的顺序凝固补缩，并阻断晶粒沿排气边至进气边柱状晶的生长。
可以理解，本实施例的双层双向整体导向器铸件的浇注系统，通过采用钳形浇冒口和定向传热装置，实现了铸造工艺难度极大的双层双向整体精密铸造导向器的顺序凝固和同时凝固相结合的复合凝固精密铸造成形。经实际生产验证，本发明的浇注系统可有效解决双层双向导向器精密整体铸件的缩松缺陷问题，避免欠铸或冷隔缺陷的产生，减少铸件夹杂缺陷，减轻铸件变形，显著提升整体铸造合格率，可为类似双层双向结构的整体精密导向器生产制造提供技术支撑和实践指导。
另外，如图5所示，本发明的另一实施例还提供一种双层双向整体导向器铸件的铸造成形方法，优选采用上述实施例的浇注系统，所述铸造成形方法包括以下内容：
步骤S1：采用钳形浇冒口与常规浇注系统进行组树，其中，钳形浇冒口的上端与常规浇注系统连接，下端分别与双层双向整体导向器铸件的内环内浇口、外环内浇口连接；
步骤S2：从常规浇注系统的浇口杯中浇入充型金属液，充型金属液在钳形浇冒口分流和引流作用下分别流入内环内浇口和外环内浇口中，使得充型金属液先将竖直叶片和外环充填完整，再由下至上对内环型腔进行充填，并在凝固过程中实现对双层双向整体导向器铸件的内、外环进行双向顺序凝固补缩。
可以理解，本实施例的双层双向整体导向器铸件的铸造成形方法，在常规浇注系统的基础上新增了钳形浇冒口，在钳形浇冒口的分流和引流作用下，金属液将由内、外环内浇口分别充填进入铸件型腔，进入内环型腔的前沿金属液在重力作用下会先将竖直叶片型腔充满，并与外环内浇口进入的金属液汇聚于L形薄壁外环的水平截面，有效提升金属液在竖直叶片型腔中的充型能力，避免内、外环充型前沿冷端金属液汇聚于竖直叶片薄壁排气边而导致产生欠铸或冷隔缺陷，同时使充型金属液先将竖直叶片和多变截面薄壁外环充填完整，再由下至上对厚大内环型腔进行充填，并在凝固过程中实现对双层双向整体导向器铸件结构紧凑的内、外环进行双向顺序凝固补缩。其中，L形厚大内环在凝固过程中，依靠竖直截面到水平截面再至钳形浇冒口截面壁厚增大的结构，建立了温度逐步上升的温度梯度，始终保持补缩通道通畅，形成有利的顺序凝固补缩条件，解决铸件内环缩松缺陷问题，对不溶解于金属液的小密度夹杂物可最后上浮到浇冒口中更容易去除，或保留在铸件厚大L形内环上表面，便于排除和补焊修复。并且，由于钳形浇冒口的型壳容量大，其中高温金属液压头高、散热慢，在重力作用下极大提升浇冒口对紧凑空间结构铸件的补缩液量与补缩距离，同时实现对双层双向整体导向器铸件的内环、外环及竖直叶片凝固过程中液体收缩的双向持续补偿。而且，铸件进入固态收缩阶段后容易产生尺寸变形，但在钳形浇冒口的钳制作用下，可有效减轻双层双向整体导向器多变截面薄外环的固态收缩变形，保证了铸件的尺寸精度。
可选地，如图6所示，所述铸造成形方法在进行充型金属液浇注之前还包括以下内容：
步骤S12：在外环下方设置定向传热装置，以在充型过程中对外环进行导热。
具体地，在熔炼浇注前，先对型壳进行加热，将加热后的高温型壳至于定向传热装置上，以对外环起到快速导热作用，实现外环型腔内的金属液同时凝固。其中，所述定向传热装置采用高导热率的合金材料制成，所述定向传热装置为环形托盘状，外环的外端面与定向传热装置的上端面接触，以对外环水平端面型壳起到激冷作用，使得外环水平截面和外环凸台内的金属液实现同时凝固。
可以理解，L形多变截面薄壁外环的凝固过程中，在高导热率的环形定向传热装置的激冷作用下，外环水平端面部位高温型壳的热量将快速被定向传热装置吸收，使外环水平薄壁截面和外环凸台部位的金属液快速冷却，实现同时凝固。与此同时，也将增大外环竖直截面和竖直叶片至钳形浇冒口的温度梯度，实现外环竖直截面和竖直叶片至钳形浇冒口的顺序凝固补缩，并阻断晶粒沿排气边至进气边柱状晶的生长。
可选地，所述钳形浇冒口采用鱼嘴型钳口设计，其中，内环内浇口设置在内环水平截面热节上方，外环内浇口设置在外环竖直截面壁厚最厚的部位。其中，外环内浇口的位置与外环实心凸台的中心位置对应，内环内浇口的尺寸要大于外环内浇口的尺寸，从而实现流入内环的金属液流量要大于流入外环的金属液流量，因为内环的型腔结构相比于外环的型腔结构更厚大，这样才能保证进入内环型腔的前沿金属液可以与进入外环型腔的金属液在外环的水平截面汇聚。
可以理解，钳形浇冒口采用鱼嘴形钳口设计，通过鱼嘴形钳口对进入钳形浇冒口的金属液进行分流和引流，持续控制进入内、外环金属液的流量和流入方向，保证工艺稳定性和可靠性。此外，充型金属液流经鱼嘴钳口后，部分垂直下落金属液在钳口型壁的作用下，虽然流动方向会发生一定改变，但又极大避免了金属液流动方向的急剧转变，相当一部分动能会被转变为压力能，并被钳形浇冒口的型壁吸收，在减轻金属液对铸件型腔壁冲击的同时，避免了金属液发生极度湍流和搅动，可有效降低氧化夹杂物的产生。当然，在本发明的其它实施例中，所述钳形浇冒口也可以采用其它形状设计，例如树枝分叉状等。
可以理解，本实施例的双层双向整体导向器铸件的铸造成形方法，通过采用钳形浇冒口和定向传热装置，实现了铸造工艺难度极大的双层双向整体精密铸造导向器的顺序凝固和同时凝固相结合的复合凝固精密铸造成形。经实际生产验证，本发明的铸造成形方法可有效解决双层双向导向器精密整体铸件的缩松缺陷问题，避免欠铸或冷隔缺陷的产生，减少铸件夹杂缺陷，减轻铸件变形，显著提升整体铸造合格率，可为类似双层双向结构的整体精密导向器生产制造提供技术支撑和实践指导。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双层双向整体导向器铸件的浇注系统，其特征在于，包括常规浇注系统和钳形浇冒口，所述钳形浇冒口的上端与常规浇注系统连接，下端分别与双层双向整体导向器铸件的内环内浇口、外环内浇口连接，所述钳形浇冒口用于将常规浇注系统浇入的充型金属液分别引入内环内浇口和外环内浇口中，使得充型金属液先将竖直叶片和外环充填完整，再由下至上对内环型腔进行充填，并在凝固过程中实现对双层双向整体导向器铸件的内、外环进行双向顺序凝固补缩；其中，内环内浇口设置在内环水平截面热节上方，外环内浇口设置在外环竖直截面壁厚最厚的部位，外环内浇口的位置与外环实心凸台的中心位置对应，内环内浇口的尺寸大于外环内浇口的尺寸。
2.如权利要求1所述的双层双向整体导向器铸件的浇注系统，其特征在于，所述钳形浇冒口采用鱼嘴型钳口设计。
3.如权利要求1所述的双层双向整体导向器铸件的浇注系统，其特征在于，还包括设置在外环下方并用于对外环进行导热的定向传热装置。
4.如权利要求3所述的双层双向整体导向器铸件的浇注系统，其特征在于，所述定向传热装置为环形托盘状，外环的外端面与定向传热装置的上端面接触，以对外环水平端面型壳起到激冷作用，使得外环水平截面和外环凸台内的金属液实现同时凝固。
5.如权利要求4所述的双层双向整体导向器铸件的浇注系统，其特征在于，所述定向传热装置采用高导热率的合金材料制成。
6.一种双层双向整体导向器铸件的铸造成形方法，其特征在于，包括以下内容：
采用钳形浇冒口与常规浇注系统进行组树，其中，钳形浇冒口的上端与常规浇注系统连接，下端分别与双层双向整体导向器铸件的内环内浇口、外环内浇口连接；
从常规浇注系统的浇口杯中浇入充型金属液，充型金属液在钳形浇冒口分流和引流作用下分别流入内环内浇口和外环内浇口中，使得充型金属液先将竖直叶片和外环充填完整，再由下至上对内环型腔进行充填，并在凝固过程中实现对双层双向整体导向器铸件的内、外环进行双向顺序凝固补缩，其中，内环内浇口设置在内环水平截面热节上方，外环内浇口设置在外环竖直截面壁厚最厚的部位，外环内浇口的位置与外环实心凸台的中心位置对应，内环内浇口的尺寸大于外环内浇口的尺寸。
7.如权利要求6所述的双层双向整体导向器铸件的铸造成形方法，其特征在于，在进行充型金属液浇注之前还包括以下内容：
在外环下方设置定向传热装置，以在充型过程中对外环进行导热。
8.如权利要求7所述的双层双向整体导向器铸件的铸造成形方法，其特征在于，所述定向传热装置为环形托盘状，外环的外端面与定向传热装置的上端面接触，以对外环水平端面型壳起到激冷作用，使得外环水平截面和外环凸台内的金属液实现同时凝固。
9.如权利要求8所述的双层双向整体导向器铸件的铸造成形方法，其特征在于，所述定向传热装置采用高导热率的合金材料制成。
10.如权利要求6所述的双层双向整体导向器铸件的铸造成形方法，其特征在于，所述钳形浇冒口采用鱼嘴型钳口设计。
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