CN114799049B - 航天液体发动机变截面叶片铸件用砂芯的加工模具及方法 - Google Patents
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Abstract
一种航天液体发动机变截面叶片铸件用砂芯的加工模具，包括外筒、第一曲面块、第二曲面块、第三曲面块、第四曲面块、内芯、圆环和固定插销。将四个曲面块的通孔与外筒与圆环的通孔对齐，依次通过固定插销固定在外筒与圆环上，将内芯插入四个曲面块围成的中间区域后将圆环通过卡入外筒上部凹槽固定在外筒上，对曲面块起到约束和定位作用。在整个模具围成的空腔中填入混制好的树脂砂，可一次制造出两种叶片砂芯各一个，根据需要的数量再组合成含有叶片曲面形状的完整砂芯，以便整体制造曲面复杂的叶片铸件，也适用于其他圆形阵列结构的铸件。本发明的模具可以简便地制造形状复杂的砂芯，定位精准，尺寸精度高，且容易起模。
Description
技术领域
本发明属于铸造模具技术领域，涉及一种加工模具。
背景技术
液体火箭发动机是运载火箭的核心，其性能和构造决定了运载火箭的使用价值，最终成为航天发展的瓶颈。液体火箭发动机技术先进程度是衡量一个国家空间技术发展水平的重要标志之一。
随着中国航天工业高速发展，新一代液体火箭发动机的关键构件呈复杂、薄壁、整体化特点，对一些复杂工况铸件成形精度提出更高要求，有时需要制造形状非常复杂的砂芯。尤其当要整体铸造含变截面叶片铸件，如图1所示，某液氧煤油发动机预压泵出口管，对诱导轮后的煤油进行整流，降低主泵入口预旋的同时进一步增压，为关键零部件。存在7个长叶片11和7个短叶片12，长叶片11的尺寸为径向长度70mm，轴向长度150mm，两端厚度3mm，中部厚度4mm；短叶片12的尺寸为径向长度70mm，轴向长度120mm，两端厚度3mm，中部厚度4mm；长叶片11和短叶片12均呈空间三维扭曲变截面状，由于叶片为复杂曲面，常规铸造方法很难起模，且难以保证叶形精度及相对位置尺寸。因此，此类砂芯不能用常规成型方法制造，需要制造专用叶片砂芯模具。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对液体火箭发动机中某些典型铸件叶片部位沿圆柱区域均匀阵列分布的特点，本发明提出一种航天液体发动机变截面叶片铸件用砂芯的加工模具及加工方法，用于叶片砂芯，叶片砂芯用于整体制造曲面复杂的叶片铸件。
本发明上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种航天液体发动机变截面叶片铸件用砂芯的加工模具，包括外筒、第一曲面块、第二曲面块、第三曲面块、第四曲面块、内芯、圆环和固定插销；
其中，外筒用于第一曲面块、第二曲面块、第三曲面块、第四曲面块的外圆及底部的定位和固定；第一曲面块、第二曲面块、第三曲面块、第四曲面块用于叶片砂芯工作面成形，第一曲面块、第二曲面块、第三曲面块、第四曲面块沿外筒的周向依次安装在外筒的中心孔中，内芯安装在第一曲面块、第二曲面块、第三曲面块、第四曲面块安装后形成的中心孔中，内芯用于第一曲面块、第二曲面块、第三曲面块、第四曲面块的中部定位和固定；圆环安装在外筒的一端，套在第一曲面块、第二曲面块、第三曲面块、第四曲面块的外侧，用于第一曲面块、第二曲面块、第三曲面块、第四曲面块上部芯头定位和固定；固定插销沿径向安装，将第一曲面块、第二曲面块、第三曲面块、第四曲面块分别与外筒和圆环固定。
长叶片砂芯和短叶片砂芯为整个模具生产的叶片砂芯。
第二曲面块和第三曲面块贴合，第一曲面块和第四曲面块贴合；第一曲面块与第二曲面块之间存在间隙，第一曲面块与第二曲面块之间的间隙与长叶片砂芯的形状一致；第三曲面块、第四曲面块之间存在间隙，第三曲面块、第四曲面块之间的间隙与短叶片砂芯的形状一致；
长叶片砂芯和短叶片砂芯依次交替安装，形成环形结构，用于生产叶片；长叶片砂芯与其两侧的短叶片砂芯贴合，贴合后，长叶片砂芯与其两侧的短叶片砂芯之间分别存在空腔，空腔的形状分别与长叶片的叶形和短叶片的叶形一致；
长叶片砂芯与短叶片砂芯交替组合，用于加工长叶片和短叶片；长叶片和短叶片沿周向依次交错分布，长叶片和短叶片数量相等。长叶片砂芯的数量等于长叶片的数量，短叶片砂芯的数量等于短叶片的数量。
外筒内壁的底部制作一圈阶梯状台阶，用于定位和固定第一曲面块、第二曲面块、第三曲面块、第四曲面块的底部，阶梯状台阶与第一曲面块、第二曲面块、第三曲面块、第四曲面块的底部相对台阶位置预留0.2mm间隙，确保合模顺利。
外筒的顶部端面设置凹槽，用于与圆环底部端面上的凸起结构咬合，将圆环准确地安装在外筒上，用于模具上部的定位与固定。圆环与外筒顶部凹槽的装配间隙为0.2mm。
使用上述模具实际工作中，可一次制造两种叶片砂芯各一个。将七个长叶片砂芯与七个短叶片砂芯交替组合，即可组成一个上细下粗的圆筒状砂芯。
外筒、内芯、圆环、第一曲面块、第二曲面块、第三曲面块、第四曲面块材质采用聚氨酯树脂，生产铸件尺寸精度可达GB6414 CT8，表面粗糙度可达Ra12.5μm，可满足航天液体发动机对铸件表面质量及尺寸精度的要求。
固定插销的材质采用不锈钢。
每个曲面块上部和下部分别设置固定插销定位孔，定位孔与固定插销直径间隙为0.1mm，防止模具组合时由于曲面块应力变形而无法装配。
圆环和外筒上设置若干个固定插销的定位孔，安装后，圆环和外筒上的固定插销的定位孔分别与每个曲面块的定位孔位置一致，孔与固定插销直径间隙为0.1mm，防止模具组合时由于曲面块应力变形而无法装配。
七个长叶片砂芯与七个短叶片砂芯交替组合时，在接头部位设置0.2mm间隙，防止由于材料本身应力及受力情况导致变形后无法组合。
使用上述航天液体发动机变截面叶片铸件用砂芯的加工模具加工叶片铸件的方法，包括步骤如下：
步骤一、将第一曲面块、第二曲面块、第三曲面块、第四曲面块按顺序依次放入外筒的中心孔中，使第二曲面块和第三曲面块贴合，第一曲面块和第四曲面块贴合；并将第一曲面块、第二曲面块、第三曲面块、第四曲面块底部阶梯台阶与外筒底部阶梯台阶对齐；将第一曲面块、第二曲面块、第三曲面块、第四曲面块和外筒中部的四个定位孔对齐，各插入一根固定插销，使第一曲面块、第二曲面块、第三曲面块、第四曲面块和外筒定位和固定；
步骤二、将圆环放置于外筒上部，使圆环底部端面上凸起结构与外筒顶部凹槽结构对齐，将第一曲面块、第二曲面块、第三曲面块、第四曲面块上部定位孔与圆环上四个定位孔对齐，各插入一根固定插销，使步骤组合的模具与圆环定位和固定；
步骤三、将内芯插入第一曲面块、第二曲面块、第三曲面块、第四曲面块围成的中部孔中，使内芯两个平面分别与第一曲面块、第二曲面块、第三曲面块、第四曲面块上下底面对齐，保证第一曲面块、第二曲面块、第三曲面块、第四曲面块不会径向晃动，确保整个模具的定位和固定。
步骤四、配制树脂砂，选用的树脂为酚醛树脂、聚异氰酸酯，树脂和砂的重量比为2：100；将混制好的树脂砂填入第一曲面块与第二曲面块之间存在的间隙和第三曲面块与第四曲面块之间存在的间隙中；
步骤五、待树脂砂硬化后，依次取出八根固定插销、内芯、圆环和外筒；分开第一曲面块与第二曲面块后形成一个长叶片砂芯，分开第三曲面块与第四曲面块后形成一个短叶片砂芯；
步骤六、分别加工若干个长叶片砂芯和短叶片砂芯，并在叶片砂芯表面涂刷涂料，依次将若干个长叶片砂芯和短叶片砂芯交替组合，即可组成一个上细下粗的圆筒状砂芯，形成了整体含变截面叶片铸件所需的叶片砂芯；
步骤七、将砂芯和所需砂型组合好后浇注入合金液，即可得到所需要的叶片铸件。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明将具有多个相同变截面复杂叶片铸件的砂芯改变了制作方式，将难易成形及起模的砂芯分成多个相应的单个砂芯，根据需要的数量再组合成含有叶片曲面形状的完整砂芯，以便整体制造曲面复杂的叶片铸件，也适用于其他圆形阵列结构的铸件；
(2)本发明的模具具有非常高的定位精度，将可形成叶形尺寸的四个曲面块各方位固定，外筒固定外圆及底部、内芯固定中部、圆环固定上部、固定插销固定整体模具，保证整个模具不会在各个方向移动，生产的砂芯尺寸一致性非常高。
附图说明
图1为具有变截面叶片铸件示意图；
图2为本发明的铸造模具结构的三维示意图；
图3为本发明的铸造模具整体结构的爆炸示意图；
图4为本发明制造的叶片砂芯组成的整体砂芯示意图。
附图标记：1、外筒；2、第一曲面块；3、第二曲面块；4、第三曲面块；5、第四曲面块；6、内芯；7、圆环；8、固定插销；9、长叶片砂芯；10、短叶片砂芯；11、长叶片；12、短叶片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
实施例
如图1所示，为航天液体火箭发动机煤油预压泵特有的具有典型变截面复杂结构叶片的铸件，为生产该叶片需要本发明的加工模具。叶片铸件中具有长叶片11和短叶片12各7个。
如图2、图3所示，一种航天液体发动机变截面叶片铸件用砂芯的加工模具，包括外筒1、第一曲面块2、第二曲面块3、第三曲面块4、第四曲面块5、内芯6、圆环7和八根固定插销8；
其中，外筒1用于四个曲面块外圆及底部的定位和固定；四个曲面块用于叶片砂芯工作面成形，第一曲面块2、第二曲面块3、第三曲面块4、第四曲面块5沿外筒1的周向依次安装在外筒1的中心孔中，内芯6安装在四个曲面块安装后形成的中心孔中，内芯6用于四个曲面块的中部定位和固定；圆环7安装在外筒1的一端，套在四个曲面块的外侧，用于四个曲面块上部芯头定位和固定；固定插销8沿径向安装，将四个曲面块分别与外筒1和圆环7固定。
如图3所示，第二曲面块3和第三曲面块4贴合，第一曲面块2和第四曲面块5贴合；第一曲面块2与第二曲面块3之间存在间隙，第一曲面块2与第二曲面块3之间的间隙与长叶片砂芯9的形状一致；第三曲面块4、第四曲面块5之间存在间隙，第三曲面块4、第四曲面块5之间的间隙与短叶片砂芯10的形状一致；
长叶片砂芯9和短叶片砂芯10依次交替安装，形成环形结构，用于生产叶片；长叶片砂芯9与其两侧的短叶片砂芯10贴合，贴合后，长叶片砂芯9与其两侧的短叶片砂芯10之间分别存在空腔，空腔的形状分别与长叶片11的叶形和短叶片12的叶形一致；
如图4所示，为最终制作叶片砂芯示意图。七个长叶片砂芯9与七个短叶片砂芯10交替组合，用于生产七个长叶片11和七个短叶片12，长叶片11和短叶片12沿周向依次交错分布。
外筒1内壁的底部制作一圈阶梯状台阶，用于定位和固定四个曲面块的底部，阶梯状台阶与四个曲面块的底部相对台阶位置预留0.2mm间隙，确保合模顺利。
外筒1的顶部端面设置凹槽，用于与圆环7底部端面上的凸起结构咬合，将圆环7准确地安装在外筒1上，用于模具上部的定位与固定。圆环7与外筒1顶部凹槽的装配间隙为0.2mm。
使用上述模具实际工作中，可一次制造两种叶片砂芯各一个。将七个长叶片砂芯与七个短叶片砂芯交替组合，即可组成一个上细下粗的圆筒状砂芯。
外筒1、内芯6、圆环7、四个曲面块材质采用聚氨酯树脂，生产铸件尺寸精度可达GB6414 CT8，表面粗糙度可达Ra12.5μm，可满足航天液体发动机对铸件表面质量及尺寸精度的要求。
固定插销8的材质采用不锈钢。
每个曲面块上部和下部分别设置1个固定插销定位孔，定位孔与固定插销8直径间隙为0.1mm，防止模具组合时由于曲面块应力变形而无法装配。
圆环7和外筒1上设置4个固定插销的定位孔，安装后，圆环7和外筒1上的固定插销的定位孔分别与每个曲面块的定位孔位置一致，孔与固定插销8直径间隙为0.1mm，防止模具组合时由于曲面块应力变形而无法装配。
七个长叶片砂芯与七个短叶片砂芯交替组合时，在接头部位设置0.2mm间隙，防止由于材料本身应力及受力情况导致变形后无法组合。
使用上述航天液体发动机变截面叶片铸件用砂芯的加工模具加工叶片铸件的方法，包括步骤如下：
步骤1、将第一曲面块2、第二曲面块3、第三曲面块4、第四曲面块5按顺序依次放入外筒1的中心孔中，使第二曲面块3和第三曲面块4贴合，第一曲面块2和第四曲面块5贴合；并将四个曲面块底部阶梯台阶与外筒1底部阶梯台阶对齐。将四个曲面块和外筒中部的四个定位孔对齐，各插入一根固定插销8，使四个曲面块和外筒定位和固定。
步骤2、在步骤1组合模具的基础上，将圆环7放置于外筒1上部，使圆环7底部端面上凸起结构与外筒1顶部凹槽结构对齐，将四个曲面块上部定位孔与圆环7上四个定位孔对齐，各插入一根固定插销8，使步骤1组合的模具与圆环7定位和固定。
步骤3、在步骤2组合模具的基础上，将内芯6插入组合模具中部孔中，使内芯两个平面分别与组合模具上下底面对齐，保证四个曲面块不会径向晃动，确保整个模具的定位和固定。
步骤4、配置树脂砂
酚醛树脂、聚异氰酸酯以及目数为50/100的内蒙古大林砂以1：1：100的重量比例进行混合，通过固化反应形成具有一定强度的树脂砂，终强度要求值为1.0～2.3MPa，设备为5T/H型连续式自动混砂机。
步骤5、将混制好的树脂砂填入第一曲面块2与第二曲面块3之间存在的间隙与第三曲面块4与第四曲面块5之间存在的间隙中。
步骤6、待树脂砂硬化后，依次取出八根固定插销、内芯6、圆环7和外筒1。分开第一曲面块2与第二曲面块3后形成一个长叶片砂芯9，分开第三曲面块4与第四曲面块5后形成一个短叶片砂芯10。
步骤7、分别生产七个长叶片砂芯9和七个短叶片砂芯10，并在叶片砂芯表面涂刷醇基涂料，涂刷前，应确保涂料充分搅拌，并用50目过滤网过滤。用涂-4型粘度杯测量并控制醇基涂料流速，要求值为16～18s；第一遍采用软质毛刷刷涂，点燃、干燥后修光；第二遍采用SATA型喷枪喷涂，喷枪移动速度保持在约40mm/s；检查涂层表面质量，涂层表面要求均匀光洁、无漏涂和凸起点、无起皮现象。
步骤8、依次将七个长叶片砂芯9和七个短叶片砂芯10交替组合，即可组成一个上细下粗的圆筒状砂芯，形成了叶片砂芯，如图4所示。
步骤9、将砂芯和所需砂型组合好后浇注入合金液，即可得到所需要的航天液体火箭发动机煤油预压泵具有变截面叶片的铸件。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。所述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的人员可以对所述的具体实施例做不同的修改或补充或采用类似的方式代替，但不偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (9)
1.一种航天液体发动机变截面叶片铸件用砂芯的加工模具，其特征在于，包括外筒(1)、第一曲面块(2)、第二曲面块(3)、第三曲面块(4)、第四曲面块(5)、内芯(6)、圆环(7)和若干固定插销(8)；
第一曲面块(2)、第二曲面块(3)、第三曲面块(4)、第四曲面块(5)用于叶片砂芯工作面成形，第一曲面块(2)、第二曲面块(3)、第三曲面块(4)、第四曲面块(5)沿外筒(1)的周向依次安装在外筒(1)的中心孔中；内芯(6)安装在第一曲面块(2)、第二曲面块(3)、第三曲面块(4)、第四曲面块(5)安装后形成的中心孔中；圆环(7)安装在外筒(1)的一端，套在第一曲面块(2)、第二曲面块(3)、第三曲面块(4)、第四曲面块(5)的外侧；固定插销(8)沿径向安装，将第一曲面块(2)、第二曲面块(3)、第三曲面块(4)、第四曲面块(5)分别与外筒(1)和圆环(7)固定；
第二曲面块(3)和第三曲面块(4)贴合，第一曲面块(2)和第四曲面块(5)贴合；第一曲面块(2)与第二曲面块(3)之间存在间隙，第一曲面块(2)与第二曲面块(3)之间的间隙与长叶片砂芯(9)的形状一致；第三曲面块(4)、第四曲面块(5)之间存在间隙，第三曲面块(4)、第四曲面块(5)之间的间隙与短叶片砂芯(10)的形状一致；
所述外筒(1)用于第一曲面块(2)、第二曲面块(3)、第三曲面块(4)、第四曲面块(5)的外圆及底部的定位和固定；外筒(1)内壁的底部设置一圈阶梯状台阶，用于定位和固定第一曲面块(2)、第二曲面块(3)、第三曲面块(4)、第四曲面块(5)的底部，阶梯状台阶与第一曲面块(2)、第二曲面块(3)、第三曲面块(4)、第四曲面块(5)的底部相对台阶位置预留间隙；
所述外筒(1)上设置若干个固定插销的定位孔，安装后，外筒(1)上的固定插销的定位孔分别与第一曲面块(2)、第二曲面块(3)、第三曲面块(4)、第四曲面块(5)下部的定位孔位置一致，孔与固定插销(8)直径之间存在间隙。
2.根据权利要求1所述的一种航天液体发动机变截面叶片铸件用砂芯的加工模具，其特征在于，所述长叶片砂芯(9)和短叶片砂芯(10)依次交替安装，形成环形砂芯结构，用于加工所述变截面叶片；长叶片砂芯(9)与其两侧的短叶片砂芯(10)贴合，贴合后，长叶片砂芯(9)与其两侧的短叶片砂芯(10)之间分别存在空腔，空腔的形状分别与长叶片(11)的叶形和短叶片(12)的叶形一致；所述长叶片(11)和短叶片(12)数量相等，长叶片砂芯(9)的数量等于长叶片(11)的数量，短叶片砂芯(10)的数量等于短叶片(12)的数量。
3.根据权利要求1所述的一种航天液体发动机变截面叶片铸件用砂芯的加工模具，其特征在于，所述外筒(1)的顶部端面设置凹槽，用于与圆环(7)底部端面上的凸起结构咬合，圆环(7)与外筒(1)顶部凹槽之间存在装配间隙。
4.根据权利要求1所述的一种航天液体发动机变截面叶片铸件用砂芯的加工模具，其特征在于，内芯(6)用于第一曲面块(2)、第二曲面块(3)、第三曲面块(4)、第四曲面块(5)的中部定位和固定。
5.根据权利要求1所述的一种航天液体发动机变截面叶片铸件用砂芯的加工模具，其特征在于，圆环(7)用于第一曲面块(2)、第二曲面块(3)、第三曲面块(4)、第四曲面块(5)的上部芯头定位和固定；所述圆环(7)上设置若干个固定插销的定位孔，安装后，圆环(7)上的固定插销的定位孔分别与第一曲面块(2)、第二曲面块(3)、第三曲面块(4)、第四曲面块(5)的定位孔位置一致，孔与固定插销(8)直径之间存在间隙。
6.根据权利要求1所述的一种航天液体发动机变截面叶片铸件用砂芯的加工模具，其特征在于，所述外筒(1)、内芯(6)、圆环(7)、第一曲面块(2)、第二曲面块(3)、第三曲面块(4)和第四曲面块(5)采用聚氨酯树脂。
7.根据权利要求1所述的一种航天液体发动机变截面叶片铸件用砂芯的加工模具，其特征在于，所述固定插销(8)的材质采用不锈钢。
8.根据权利要求1所述的一种航天液体发动机变截面叶片铸件用砂芯的加工模具，其特征在于，所述第一曲面块(2)、第二曲面块(3)、第三曲面块(4)和第四曲面块(5)的上部和下部分别设置固定插销定位孔，定位孔与固定插销(8)直径之间存在间隙。
9.使用如权利要求1～8任一所述航天液体发动机变截面叶片铸件用砂芯的加工模具加工叶片铸件的方法，其特征在于，包括：
将第一曲面块(2)、第二曲面块(3)、第三曲面块(4)、第四曲面块(5)按顺序依次放入外筒(1)的中心孔中，使第二曲面块(3)和第三曲面块(4)贴合，第一曲面块(2)和第四曲面块(5)贴合；并将第一曲面块(2)、第二曲面块(3)、第三曲面块(4)、第四曲面块(5)底部阶梯台阶与外筒(1)底部阶梯台阶对齐；将第一曲面块(2)、第二曲面块(3)、第三曲面块(4)、第四曲面块(5)和外筒(1)中部的定位孔对齐，各插入一根固定插销(8)；
将圆环(7)放置于外筒(1)上部，使圆环(7)底部端面上凸起结构与外筒(1)顶部凹槽结构对齐，将第一曲面块(2)、第二曲面块(3)、第三曲面块(4)、第四曲面块(5)上部定位孔与圆环(7)上的定位孔对齐，各插入一根固定插销(8)；
将内芯(6)插入第一曲面块(2)、第二曲面块(3)、第三曲面块(4)、第四曲面块(5)围成的中部孔中，使内芯(6)两个平面分别与第一曲面块(2)、第二曲面块(3)、第三曲面块(4)和第四曲面块(5)的上下底面对齐；
配制树脂砂，使用的树脂为酚醛树脂、聚异氰酸酯，将树脂和砂按设定的重量比混合；将混制后的树脂砂填入第一曲面块(2)与第二曲面块(3)之间存在的间隙和第三曲面块(4)与第四曲面块(5)之间存在的间隙中；
待树脂砂硬化后，依次取出固定插销(8)、内芯(6)、圆环(7)和外筒(1)；分开第一曲面块(2)与第二曲面块(3)后形成一个长叶片砂芯(9)，分开第三曲面块(4)与第四曲面块(5)后形成一个短叶片砂芯(10)；
分别加工若干个长叶片砂芯(9)和短叶片砂芯(10)，并在长叶片砂芯(9)和短叶片砂芯(10)表面涂刷涂料，依次将若干个长叶片砂芯(9)和短叶片砂芯(10)交替组合，组成环形砂芯；
将环形砂芯和所需砂型组合后浇注入合金液，得到叶片铸件。
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