CN115041630A - 一种分截面可调式涡轮叶片蜡模校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种分截面可调式涡轮叶片蜡模校正方法，属于精密铸造领域。本发明在模具设计初期无需考虑铸件型面弯扭变形补偿，在蜡模校正阶段通过校正模各截面角度调整满足实心涡轮叶片弯扭尺寸要求，调整校正模角度使蜡模在校正时形成一定角度的反变形，且保证调整后叶片排气边的直线度，通过截面反变形来补偿蜡模及后续铸件的弯扭变形，实现了涡轮工作叶片型面尺寸高效控制的目的。本发明解决了涡轮叶片弯扭变形引起的型面超差的问题。

Description

一种分截面可调式涡轮叶片蜡模校正方法

技术领域

本发明属于精密铸造领域，尤其是一种分截面可调式涡轮叶片蜡模校正方法。

背景技术

涡轮叶片是航空发动机及燃气轮机的关键核心部件，结构十分复杂，叶片承受的离心力达到15～20吨，因此，涡轮叶片的设计和制造质量直接关系到发动机的性能、可靠性和寿命。涡轮叶片尤其是叶身整体尺寸较大、壁厚相差悬殊的燃机涡轮叶片，以及叶身较为细长的航机低压涡轮叶片，在精密铸造成型过程中，由于蜡模冷却过程、凝固成型时受力不均，易产生弯曲扭转变形,使叶片叶型偏离设计要求。

为保证叶片尺寸精度，进而确保叶片的气动性能，熔模精铸采用的模具型腔需考虑对铸件收缩变形的补偿，模拟反变形量过程异常复杂，模具定型周期长。中国发明专利申请(CN102169518A)提出一种精铸涡轮叶片模具型腔精确定型方法，采用数值模拟精铸过程获得模具的定量反变形补偿量。该方法需在浇注试验基础上确定浇注过程参数(包含浇注及凝固过程中叶片前后缘、叶盆及叶背处的实际温度)，测量过程较难实现。而另一个中国专利申请(CN101767185A)公开了一种基于定量设置反变形量的设计铸件模型的方法，通过有限元法模拟凝固、冷却、打箱、切除浇注系统和热处理等工序的热应力模型，得到铸件各部位的反变形量，再对添加反变形量的铸件模型进行模拟，最终得到添加反变形量的铸件模型，模拟过程较为复杂。一种无余量叶片蜡模状态校正检测工装(CN109465385B)提出了利用叶身渐近形原理设计制造蜡模校正胎具，并利用校正胎具对叶片蜡模尺寸进行测量监控。蜡模校正工装(CN109465385B)为提出了一种可调蜡模校正工装，主要解决模具由于加工工艺因素引起的变形以及在压制出蜡模后蜡模自身的变形，未提及通过蜡模校正模为蜡模预设反变形，以满足铸件尺寸精度要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种分截面可调式涡轮叶片蜡模校正方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种分截面可调式涡轮叶片蜡模校正方法包括以下步骤：

(1)、采用三坐标检测蜡模校正模各个截面为0位时生产铸件的型面尺寸，得到与理论型线在排气边处的偏差值；

(2)、采用CAD模拟型面变形最严重的截面，围绕所述截面坐标原点旋转角度与位移的关系，确定型线围绕坐标原点旋转θ时，排气边处的预设反变形量d；

(3)、设定叶根处截面旋转位移为0，且预设反变形前后排气边均为一条直线，则各个截面旋转位移与截面高度成正比，d_N＝H_N*d/H，其中，N为正整数；d_N，d分别是A_N，A截面对应排气边R与型线切点的旋转位移；H_N，H分别是A_N，A截面与A₀截面的距离；A₀截面为旋转角度为0°的叶根截面；

(4)、各个截面选取点旋转前后与对应截面坐标原点构成等腰三角形，其中sin(θ_N/2)＝d_N/2R_N；

(5)、根据步骤(2)～(4)，计算sin(θ_N/2)＝H_N*R*sin(θ/2)/(H*R_N)，得到各个截面的旋转角度；

(6)、根据CAD模拟及计算结果调整叶片蜡模校正模各截面角度；

步骤(6)中蜡模校正模各截面的坐标原点与步骤(2)、(4)中的坐标原点一致；

(7)、压制涡轮叶片蜡模，取出蜡模放入蜡模校正模，将缘板流道面紧贴校正模对应面定位，由榫头至叶尖依次合上模，依次锁紧保持预设时间段取出；

(8)、对叶片蜡模直线度进行检测，若型面尺寸不符合要求，则将叶片蜡模在水中进行浸泡，取出浸泡好的蜡模重复步骤(7)中的校正过程；

循环步骤(8)-(7)，直至叶片蜡模直线度达到要求，完成校正。

进一步的，还包括步骤(9)、修整与组合蜡模，进行制壳，经真空炉浇注和后处理工序，得到叶片铸件。

进一步的，步骤(5)中，各个截面为叶片上从叶根到叶尖的A₀～A_N共(N+1)个的截面。

进一步的，步骤(6)中调整的过程为：

松开各截面角度固定装置，调整各截面角度至步骤(6)计算角度值并锁紧各截面角度固定装置。

进一步的，步骤(9)之后还包括：

采用三坐标检测以及六点定位综合测具对叶片型面尺寸进行测量，得到一致的测量结果；

进一步的，步骤(9)之后还包括：

采用六点定位综合测具对型面尺寸进行检测，得到型面透光一次合格率高的涡轮工作叶片。

进一步的，步骤(7)中，预设时间段为2min～4min。

进一步的，步骤(8)中采用刀刃尺及塞尺对叶片蜡模直线度进行检测。

进一步的，步骤(8)中浸泡过程为：

将蜡模竖直放置在45℃～55℃水中浸泡，整个叶身浸泡在水中。

进一步的，在水中浸泡时间为3min以上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出一种分截面可调式涡轮叶片蜡模校正方法，为一种通用涡轮工作叶片型面尺寸控制技术，在模具设计初期无需考虑铸件型面弯扭变形补偿，在蜡模校正阶段通过校正模各截面角度调整满足实心涡轮叶片弯扭尺寸要求，调整校正模角度使蜡模在校正时形成一定角度的反变形，且保证调整后叶片排气边的直线度，通过截面反变形来补偿蜡模及后续铸件的弯扭变形，实现了涡轮工作叶片型面尺寸高效控制的目的。本发明解决了涡轮叶片弯扭变形引起的型面超差的问题。本发明无需繁冗的数值模拟模具反变形量过程且重新在蜡模模具中设置反变形，很大程度上缩短了叶片研制生产周期，降低了叶片生产成本。该技术已在三型燃机涡轮工作叶片及航机低压涡轮叶片上得到批量验证，截面角度调整后型面尺寸一次合格率平均达到70％，最高可保证型面100％合格。

进一步的，在尺寸验证阶段，通过三坐标及六点定位综合测具对型面尺寸进行检测，得到一致的测量结果，验证测量结果的准确性。。

进一步的，为提高铸件检测效率，在批生产时采用六点定位综合测具对型面透光进行检测。

附图说明

图1为CAD模拟涡轮工作叶片截面围绕原点旋转前后扭转位移图；

图2为本发明的涡轮工作叶片叶型各截面预设反变形示意图；

图3为分截面蜡模校形模俯视图；

图4为分截面蜡模校形模B-B视图。

其中：1-A截面；2-A_N截面；3-A₁截面；4-A₀截面；5-涡轮叶片蜡模；6-截面校正锁紧装置；7-截面角度固定装置；8-角度刻度；R-切点(叶背型线与排气边R的切点)与该截面原点的距离；θ-截面型线围绕原点顺时针旋转角度；d-R对应切点围绕原点旋转θ后的位移；A₀截面为旋转角度为0°的叶根截面；H₁，H_N，H分别是A₁，A_N，A截面与A₀截面的距离；θ₁，θ_N，θ分别是A₁，A_N，A截面围绕对应原点的旋转角度；d₁，d_N，d分别是A₁，A_N，A截面对应排气边R与型线切点的旋转位移；R₀，R₁，R_N，R分别是A₀，A₁，A_N，A截面对应排气边R与型线切点的旋转半径。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，图1为CAD模拟涡轮工作叶片截面围绕原点旋转前后扭转位移图：根据预设反变形量d，采用CAD模拟其型线需围绕该截面坐标原点的旋转角度为θ。

图中：R-切点(叶背型线与排气边R的切点)与该截面原点的距离；θ-截面型线围绕原点顺时针旋转角度；d-R对应切点围绕原点旋转θ后的位移。

参见图2，图2为本发明的涡轮工作叶片叶型各截面预设反变形示意图：在保证预设反变形后叶片排气边仍为一条直线的前提下，设定叶根处截面旋转位移为0，各截面旋转位移与截面高度成正比，d_N＝H_N*d/H，其中，N为正整数。各个截面选取点旋转前后与对应截面坐标原点构成等腰三角形，其中sin(θ_N/2)＝d_N/2R_N。通过推理可得出其他截面的旋转角度值，sin(θ_N/2)＝H_N*R*sin(θ/2)/(H*R_N)。

其中：1-A截面；2-A_N截面；3-A₁截面；4-A₀截面；5-涡轮叶片蜡模；6-截面校正锁紧装置；7-截面角度固定装置；8-角度刻度；R-切点(叶背型线与排气边R的切点)与该截面原点的距离；θ-截面型线围绕原点顺时针旋转角度；d-R对应切点围绕原点旋转θ后的位移；A₀截面为旋转角度为0°的叶根截面；H₁，H_N，H分别是A₁，A_N，A截面与A₀截面的距离；θ₁，θ_N，θ分别是A₁，A_N，A截面围绕对应原点的旋转角度；d₁，d_N，d分别是A₁，A_N，A截面对应排气边R与型线切点的旋转位移；R₀，R₁，R_N，R分别是A₀，A₁，A_N，A截面对应排气边R与型线切点的旋转半径。

参见图3，图3为分截面蜡模校形模俯视图：蜡模校形模的上模为独立的截面校形模及锁紧装置。图中：1-A截面；2-A_N截面；3-A₁截面；4-A₀截面；5-涡轮叶片蜡模。

参见图4，图4为分截面蜡模校形模B-B视图：每个校形截面均可围绕该截面原点单独调整角度，可实现不同截面调整不同角度的目的。图中：6-截面校正锁紧装置；7-截面角度固定装置；8-角度刻度。

实施例1

本实施例以某燃机第3级涡轮叶片为例，叶身高约200mm，弦宽76～80mm，从叶根到叶尖依次为A₀、A₁、A₂截面且相邻截面间距相等，实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：

(1)三坐标检测蜡模校正模各截面为0位时生产铸件的型面尺寸，得到其与理论型线在排气边处的偏差值。铸件叶尖附近发生扭转变形，排气边向叶盆方向，进气边朝叶背方向扭转。叶背侧A₂截面排气边超差0.4～0.5mm；

(2)采用CAD模拟型面变形最严重的A₂截面，围绕该截面坐标原点旋转角度与位移的关系，其型线围绕坐标原点旋转0.5°时，排气边处的预设反变形量为0.39mm，见附图1，θ＝0.5°，d＝0.39mm，即该截面预设反变形量为0.39mm时，需型线围绕坐标原点旋转0.5°。

(3)为保证旋转后排气边的直线度，根据sin(θ_N/2)＝H_N*R*sin(θ/2)/(H*R_N)，计算得到A1截面对应旋转角度为0.25°。各截面的旋转角度见表1。

表1蜡模校形模截面角度调整参数

(4)根据CAD模拟及计算结果调整叶片蜡模校正模各截面角度：松开各截面角度固定装置，调整截面角度，并锁紧角度固定装置。(注：蜡模校正模各截面的坐标原点与步骤(2)、(3)中提到的坐标原点一致)

(5)压制蜡模冷蜡芯，并对其进行校正，以充分减小叶片蜡模榫头和叶身蜡模由于压制后的尺寸收缩引起的变形。

(6)压制涡轮叶片蜡模，取出的蜡模应立即放入蜡模校正模，将缘板流道面紧贴校正模对应面定位，由榫头至叶尖依次合上模，依次锁紧并保持4分钟后取出，叶盆朝上放置在带海绵的专用托盘中。

(7)采用刀刃尺及塞尺对叶片蜡模直线度进行检测，若型面尺寸超差，按照以下方法对叶片蜡模进行重新校正，将蜡模竖直放置在45～55℃水中浸泡不小于3分钟，在此过程需保证整个叶身浸泡在热水中，取出浸泡好的蜡模重复步骤(6)中的校正过程。

(8)修整、组合蜡模，并对其进行制壳，经真空炉浇注，切割，热处理等工序，采用三坐标检测以及六点定位综合测具，得到一致的测量结果，叶片型面尺寸均符合设计图要求。

(9)为提高铸件检测效率，在批生产时采用六点定位综合测具对型面透光进行检测，得到型面透光一次合格率高的涡轮工作叶片。

实施例2

本实施例以某燃机第4级涡轮叶片为例，叶身高约250mm，弦宽76～82mm，从叶根到叶尖依次为A₀、A₁、A₂、A₃截面且A₀、A₁、A₂相邻截面间距相等，A₂、A₃截面间距是其余间距的一半，实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：

(1)三坐标检测蜡模校正模各截面为0位时生产铸件的型面尺寸，得到其与理论型线在排气边处的偏差值。铸件叶尖附近发生扭转变形，排气边向叶盆方向，进气边朝叶背方向扭转。型面尺寸均存在超差，主要为A₂及A₃截面超差。其中，A₂截面超差最为严重，其叶背侧排气边超差0.4～0.5mm。

(2)采用CAD模拟型面变形最严重的A₂截面，围绕该截面坐标原点旋转角度与位移的关系，其型线围绕坐标原点旋转0.5°时，排气边处的预设反变形量为0.39mm。

(3)为保证旋转后排气边的直线度，根据sin(θ_N/2)＝H_N*R*sin(θ/2)/(H*R_N)，计算得到其余截面对应旋转角度，见表2。

表2蜡模校形模截面角度调整参数

(4)根据CAD模拟及计算结果调整叶片蜡模校正模各截面角度：松开各截面角度固定装置，调整截面角度，并锁紧角度固定装置。(注：蜡模校正模各截面的坐标原点与步骤(2)、(3)中提到的坐标原点一致)。

(5)压制蜡模冷蜡芯，并对其进行校正，以充分减小叶片蜡模榫头和叶身蜡模由于压制后的尺寸收缩引起的变形。

(6)压制涡轮叶片蜡模，取出的蜡模应立即放入蜡模校正模，将缘板流道面紧贴校正模对应面定位，由榫头至叶尖依次合上模，依次锁紧并保持4分钟后取出，叶盆朝上放置在带海绵的专用托盘中。

(7)采用刀刃尺及塞尺对叶片蜡模直线度进行检测，若型面尺寸超差，则按照以下方法对叶片蜡模进行重新校正，将蜡模竖直放置在45～55℃水中浸泡不小于3分钟，在此过程需保证整个叶身浸泡在热水中，取出浸泡好的蜡模重复步骤(6)中的校正过程。

(8)修整、组合蜡模，并对其进行制壳，经真空炉浇注，切割，热处理等工序，采用三坐标检测以及六点定位综合测具，得到一致的测量结果，叶片型面尺寸均符合设计图要求。

(9)为提高铸件检测效率，在批生产时采用六点定位综合测具对型面透光进行检测，得到型面透光一次合格率高的涡轮工作叶片。

实施例3

本实施例以某航机低压涡轮四级工作叶片为例，叶身高约160mm，弦宽24～25mm，从叶根到叶尖依次为A₀、A₁、A₂、A₃、A₄截面且相邻截面间距相等，实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：

(1)三坐标检测蜡模校正模各截面为0位时生产铸件的型面尺寸，得到其与理论型线在排气边处的偏差值。铸件叶尖附近发生扭转变形，排气边向叶盆方向，进气边朝叶背方向扭转。叶背侧A₄截面排气边超差0.15～0.20mm。

(2)采用CAD模拟型面变形最严重的A₄截面，围绕该截面坐标原点旋转角度与位移的关系，其型线围绕坐标原点旋转0.5°时，排气边处的预设反变形量为0.15mm。

(3)为保证旋转后排气边的直线度，根据sin(θ_N/2)＝H_N*R*sin(θ/2)/(H*R_N)，计算得到各截面的旋转角度见表3。

表3蜡模校形模截面角度调整参数

(4)根据CAD模拟及计算结果调整叶片蜡模校正模各截面角度：松开各截面角度固定装置，调整截面角度，并锁紧角度固定装置。(注：蜡模校正模各截面的坐标原点与步骤(2)、(3)中提到的坐标原点一致)

(5)压制涡轮叶片蜡模，取出的蜡模应立即放入蜡模校正模，将缘板流道面紧贴校正模对应面定位，由榫头至叶尖依次合上模，依次锁紧并保持2分钟后取出，叶盆朝上放置在带海绵的专用托盘中。

(6)采用刀刃尺及塞尺对叶片蜡模直线度进行检测，若型面尺寸超差，鹅按照以下方法对叶片蜡模进行重新校正，将蜡模竖直放置在45～55℃水中浸泡不小于3分钟，在此过程需保证整个叶身浸泡在热水中，取出浸泡好的蜡模重复步骤(6)。

(7)修整、组合蜡模，并对其进行制壳，经真空炉浇注，切割，热处理等工序，采用三坐标检测以及六点定位综合测具，得到一致的测量结果，叶片型面尺寸均符合设计图要求。

(8)为提高铸件检测效率，在批生产时采用六点定位综合测具对型面透光进行检测，得到型面透光一次合格率高的涡轮工作叶片。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分截面可调式涡轮叶片蜡模校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、采用三坐标检测蜡模校正模各个截面为0位时生产铸件的型面尺寸，得到与理论型线在排气边处的偏差值；

(2)、采用CAD模拟型面变形最严重的截面，围绕所述截面坐标原点旋转角度与位移的关系，确定型线围绕坐标原点旋转θ时，排气边处的预设反变形量d；

(3)、设定叶根处截面旋转位移为0，且预设反变形前后排气边均为一条直线，则各个截面旋转位移与截面高度成正比，d_N＝H_N*d/H，其中，N为正整数；d_N，d分别是A_N，A截面对应排气边R与型线切点的旋转位移；H_N，H分别是A_N，A截面与A₀截面的距离；A₀截面为旋转角度为0°的叶根截面；

(4)、各个截面选取点旋转前后与对应截面坐标原点构成等腰三角形，其中sin(θ_N/2)＝d_N/2R_N；

(5)、根据步骤(2)～(4)，计算sin(θ_N/2)＝H_N*R*sin(θ/2)/(H*R_N)，得到各个截面的旋转角度；

(6)、根据CAD模拟及计算结果调整叶片蜡模校正模各截面角度；

步骤(6)中蜡模校正模各截面的坐标原点与步骤(2)、(4)中的坐标原点一致；

(7)、压制涡轮叶片蜡模，取出蜡模放入蜡模校正模，将缘板流道面紧贴校正模对应面定位，由榫头至叶尖依次合上模，依次锁紧保持预设时间段取出；

(8)、对叶片蜡模直线度进行检测，若型面尺寸不符合要求，则将叶片蜡模在水中进行浸泡，取出浸泡好的蜡模重复步骤(7)中的校正过程；

循环步骤(8)-(7)，直至叶片蜡模直线度达到要求，完成校正。

2.根据权利要求1所述的分截面可调式涡轮叶片蜡模校正方法，其特征在于，还包括步骤(9)、修整与组合蜡模，进行制壳，经真空炉浇注和后处理工序，得到叶片铸件。

3.根据权利要求1所述的分截面可调式涡轮叶片蜡模校正方法，其特征在于，步骤(5)中，各个截面为叶片上从叶根到叶尖的A₀～A_N共(N+1)个的截面。

4.根据权利要求1所述的分截面可调式涡轮叶片蜡模校正方法，其特征在于，步骤(6)中调整的过程为：

松开各截面角度固定装置，调整各截面角度至步骤(6)计算角度值并锁紧各截面角度固定装置。

5.根据权利要求1所述的分截面可调式涡轮叶片蜡模校正方法，其特征在于，步骤(9)之后还包括：

采用三坐标检测以及六点定位综合测具对叶片型面尺寸进行测量，得到一致的测量结果。

6.根据权利要求1所述的分截面可调式涡轮叶片蜡模校正方法，其特征在于，步骤(9)之后还包括：

采用六点定位综合测具对型面尺寸进行检测。

7.根据权利要求1所述的分截面可调式涡轮叶片蜡模校正方法，其特征在于，步骤(7)中，预设时间段为2min～4min。

8.根据权利要求1所述的分截面可调式涡轮叶片蜡模校正方法，其特征在于，步骤(8)中采用刀刃尺及塞尺对叶片蜡模直线度进行检测。

9.根据权利要求1所述的分截面可调式涡轮叶片蜡模校正方法，其特征在于，步骤(8)中浸泡过程为：

将蜡模竖直放置在45～55℃水中浸泡，整个叶身浸泡在水中。

10.根据权利要求8所述的分截面可调式涡轮叶片蜡模校正方法，其特征在于，在水中浸泡时间为3min以上。

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