CN115625286B - 单晶空心导向叶片的外型模具及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单晶空心导向叶片的外型模具及其定位方法，该外型模具上设置若干个定位针，用于定位单晶空心导向叶片的前腔型芯和后腔型芯。该定位方法包括以下步骤：外型模具预热处理；取出排气边活块，撬开定位针抽块；沿导轨方向依次打开叶背滑块、叶盆滑块，分别滑动至限位柱处；沿导轨方向依次打开内缘滑块、外缘滑块，分别滑动至限位柱处；复位内缘滑块，放入前腔型芯，复位外缘滑块；沿导轨方向打开外缘上滑块，放入后腔型芯，复位外缘上滑块；依次复位叶盆滑块、叶背滑块、定位针抽块和排气边活块；注射蜡料。本发明能够对前腔型芯和后腔型芯进行精确定位，解决了叶片壁厚一致性差、隔板厚度不可控、芯撑过多、操作复杂等问题。

Description

单晶空心导向叶片的外型模具及其定位方法

技术领域

本发明属于航空发动机涡轮叶片制造技术领域，具体涉及一种单晶空心导向叶片的外型模具及其定位方法。

背景技术

众所周知，航空发动机涡轮叶片的结构复杂，对尺寸精度的要求苛刻。在制造单晶空心导向叶片时，不仅需要叶片具有精确的外形型面轮廓度，同时对叶片内腔尺寸有着极高的精度要求。在单晶空心导向叶片的模具设计过程中，陶瓷型芯在外型模具中的定位是一项核心技术，定位设计的好坏直接决定了型芯与外型的相对位置度、叶片的壁厚、隔板位置与厚度等多项关键尺寸要求，也是模具能否应用于涡轮叶片研制的关键因素。

单晶空心导向叶片外型模具的传统设计对陶瓷型芯的定位精度不高，除了锁模结构、工艺孔定位外，还需要额外粘贴芯撑来保证蜡模的壁厚，这导致了叶片批次稳定性较差，叶片壁厚尺寸波动大，而且无法很好的保证叶片前腔与后腔之间的隔板位置和厚度。因此，急需开发一种单晶空心导向叶片的外型模具及其定位方法，以解决叶片壁厚一致性差、隔板厚度不可控、芯撑过多、操作复杂等问题。

申请公布号为CN105750491A的发明专利公开了一种空心叶片的蜡模成型模具及空心叶片的壁厚控制方法，该模具包括用于提供活块安装位的模具底座，模具底座上装有用于成型空心叶片蜡模的叶尖余量蜡模的叶尖活块以及用于成型空心叶片蜡模的叶根部分的叶根活块；模具底座上处于叶尖活块与叶根活块之间的部位装有用于承插配合装配蜡模型芯的第一活块模，装配有蜡模型芯的第一活块模与叶尖活块配合，用以在蜡模型芯的芯头外表面成型叶尖余量蜡模；或者模具底座上处于叶尖活块与叶根活块之间的部位装有用于成型空心叶片蜡模的叶身部分的第二活块模，第二活块模与叶根活块配合，用以成型空心叶片蜡模的叶身部分。该方法包括通过第一注蜡嘴对蜡模型芯的芯头周围的叶尖余量蜡模所处位置进行第一次压制蜡料，通过第二注蜡嘴对空心叶片蜡模的叶根部分和叶身部分所处位置进行第二次压制蜡料。该技术方案需要两次压注蜡模，模具结构和操作方法都非常复杂，不适用于制造内腔结构复杂且曲率较大的涡轮导向叶片。

申请公布号为CN112517853A的发明专利公开了一种空心涡轮导向叶片陶瓷型芯在模具中的定位方法，设计模具时，在模具中加入控制三维自由度的孔，用于安装定位支撑柱，通过定位支撑柱控制陶瓷型芯的位移和旋动；在压制蜡片的过程中，通过调节定位支撑柱的位置控制陶瓷型芯在模具中的位置，从而实现陶瓷型芯在三维空间内可调，进而达到调节陶瓷型芯位置和壁厚的目的。该定位方法仅适用于前腔和后腔为整体陶瓷型芯的定位。

发明内容

本发明的目的在于设计一种单晶空心导向叶片的外型模具及其定位方法，以解决现有技术的单晶空心导向叶片外型模具制备的叶片壁厚一致性差、隔板厚度不可控、芯撑过多、操作复杂等问题。

为实现上述目的，本发明提供一种单晶空心导向叶片的外型模具，包括底座、外壳、上盖板和外型模具组件，所述外型模具组件设置在所述底座上，所述外壳设置在所述外型模具组件的外侧，所述上盖板设置在所述外壳的上方；所述外型模具组件上设置若干个定位针，用于定位单晶空心导向叶片蜡模的前腔型芯和后腔型芯。

前腔型芯和后腔型芯为两个独立的不同形状的陶瓷型芯，前腔型芯近似于棒状，后腔型芯近似于片状；前腔型芯与后腔型芯之间设置隔板。外型模具组件上设置了若干个定位针，全部定位针或者部分定位针上安装了弹簧，弹簧起到调节尺寸、定位和缓冲的作用。

优选的是，所述外型模具组件包括叶盆滑块、叶背滑块、内缘滑块、外缘滑块和外缘上滑块；所述叶盆滑块上设置定位针抽块，所述叶背滑块上设置排气边活块。

在上述任一方案中优选的是，所述单晶空心导向叶片蜡模的前腔设置两个定位针和一个定位柱，其中前腔型芯的一端设置定位针Ⅰ、另一端设置定位针Ⅱ，前腔的前缘处设置定位柱。定位针Ⅰ和定位针Ⅱ与棒状结构的前腔型芯的中心轴平行；定位柱与前腔的前缘处垂直，且于定位针Ⅰ和定位针Ⅱ垂直。

在上述任一方案中优选的是，所述单晶空心导向叶片蜡模的后腔设置七个定位针，其中叶盆部位设置定位针Ⅲ、定位针Ⅳ和定位针Ⅴ，叶背部位设置定位针Ⅵ和定位针Ⅶ，叶尖处设置定位针Ⅷ，叶尖相对端设置定位针Ⅸ。定位针Ⅲ、定位针Ⅳ、定位针Ⅴ之间相互平行，且与片状结构的后腔型芯的叶盆部位垂直；定位针Ⅵ和定位针Ⅶ相互平行，且与片状结构的后腔型芯的叶背部位垂直；叶盆部位的三个定位针与叶背部位的两个定位针之间相互平行；定位针Ⅷ和定位针Ⅸ与片状结构的后腔型芯平行。

在上述任一方案中优选的是，所述前腔型芯与所述后腔型芯之间的隔板上设置两个定位针，即定位针Ⅹ和定位针Ⅺ。隔板上的两个定位针，既控制前腔型芯的定位，又控制后腔型芯的定位。定位针Ⅹ和定位针Ⅺ相互平行，且与隔板垂直。

在上述任一方案中优选的是，所述定位针Ⅰ与所述外缘滑块连接，所述定位针Ⅱ与所述内缘滑块连接，所述定位柱与所述底座连接。

在上述任一方案中优选的是，所述定位针Ⅲ、定位针Ⅳ和定位针Ⅴ均与所述叶盆滑块连接，所述定位针Ⅵ和定位针Ⅶ均与所述叶背滑块连接，所述定位针Ⅷ与所述外缘上滑块连接，所述定位针Ⅸ与所述内缘滑块连接。

在上述任一方案中优选的是，所述定位针Ⅹ和定位针Ⅺ均与所述定位针抽块连接。

在上述任一方案中优选的是，所述底座顶面的四条边上分别设置一个限位柱；所述外型模具组件上设置一个注料嘴。

本发明还提供一种单晶空心导向叶片外型模具的定位方法，应用于上述任一项单晶空心导向叶片的外型模具，按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：将外型模具水平放置在下工作台上，用上工作台把外型模具压紧；通过上工作台和下工作台的控温系统对外型模具进行预热处理；

步骤二：拔出注料嘴，抬起上盖板和外壳；取出排气边活块；撬开定位针抽块；

步骤三：沿着导轨方向依次打开叶背滑块、叶盆滑块，分别滑动至相应的限位柱处；

步骤四：沿着导轨方向依次打开内缘滑块、外缘滑块，分别滑动至相应的限位柱处；

步骤五：复位内缘滑块，将前腔型芯放入相应位置，使定位柱与前腔的前缘处固定，然后复位外缘滑块，使定位针Ⅰ和定位针Ⅱ分别与前腔型芯的两端固定；

步骤六：沿着导轨方向打开外缘上滑块，将后腔型芯放入相应位置，然后复位外缘上滑块，使定位针Ⅷ和定位针Ⅸ分别与后腔型芯的叶尖处和叶尖相对端固定；

步骤七：依次复位叶盆滑块、叶背滑块和定位针抽块，使定位针Ⅲ、定位针Ⅳ和定位针Ⅴ均与后腔的叶盆部位固定，使定位针Ⅵ和定位针Ⅶ均与后腔的叶背部位固定，使定位针Ⅹ和定位针Ⅺ均与隔板固定；复位排气边活块；

步骤八：复位外壳和上盖板，复位注料嘴；

步骤九：从注料嘴向外型模具内注射蜡料，即可制得单晶空心导向叶片蜡模。

步骤一中，上工作台和下工作台连接有控温系统，控温系统对外型模具进行预热处理，预热温度为22-25℃，预热时间为10-15min。

步骤二中，定位针抽块被撬开的高度不小于12mm。

步骤九中，注射蜡模材料时，注料嘴的温度为65-75℃，注射压力为3-5MPa，注射时间为15-30s；注射结束后，需要保压30-60s，然后再开模。

完成步骤九后，重复步骤二至步骤四的开模过程，取出已经制备好的单晶空心导向叶片蜡模。取出单晶空心导向叶片蜡模后，可以对外型模具进行常规检查和维护。合模前，可以在型腔内喷涂脱模剂。制得单晶空心导向叶片蜡模后，取出蜡模内部的前腔型芯和后腔型芯，进一步制备单晶空心导向叶片铸件。

本发明的单晶空心导向叶片的外型模具及其定位方法，结构简单，操作便捷，适用于前腔和后腔均为空心结构的导向叶片，且前腔和后腔分别使用不同形状的陶瓷型芯。本发明能够对前腔型芯和后腔型芯进行精确定位，解决了空心导向叶片在压制蜡模过程中的偏芯问题，同时解决了分体式型芯隔板的位置和尺寸的控制问题；在整个蜡模的压制过程中，不需要使用芯撑，极大地提高了叶片壁厚和隔板尺寸的一致性，且压制出的蜡模表面没有任何破损现象，大幅度提高了叶片的质量。

附图说明

图1为按照本发明单晶空心导向叶片的外型模具的一优选实施例的结构示意图；

图2为图1所示实施例中外型模具组件的结构示意图；

图3为图1所示实施例中外型模具组件的俯视图；

图4为图1所示实施例中外型模具组件的叶盆滑块、叶背滑块打开后的结构示意图；

图5为图1所示实施例中外型模具组件的内缘滑块、外缘滑块、外缘上滑块打开后的结构示意图；

图6为图1所示实施例中单晶空心导向叶片蜡模的结构示意图；

图7为图1所示实施例中单晶空心导向叶片蜡模沿A-A方向的剖视图；

图8为图1所示实施例中前腔型芯和后腔型芯的结构示意图；

图9为图1所示实施例中单晶空心导向叶片蜡模前腔定位针的位置设计图；

图10为图1所示实施例中单晶空心导向叶片蜡模后腔定位针的位置设计图。

图中标注说明：

1-底座，2-外壳，3-上盖板；

4-外型模具组件，41-叶盆滑块，42-叶背滑块，43-内缘滑块，44-外缘滑块，45-外缘上滑块，46-定位针抽块，47-排气边活块；

5-单晶空心导向叶片蜡模；

6-前腔，61-定位针Ⅰ，62-定位针Ⅱ，63-定位柱；

7-后腔，71-定位针Ⅲ，72-定位针Ⅳ，73-定位针Ⅴ，74-定位针Ⅵ，75-定位针Ⅶ，76-定位针Ⅷ，77-定位针Ⅸ；

8-隔板，81-定位针Ⅹ，82-定位针Ⅺ；

9-前腔型芯，10-后腔型芯，11-注料嘴，12-限位柱。

具体实施方式

为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。

如图1-10所示，按照本发明单晶空心导向叶片的外型模具的一优选实施例，其包括底座1、外壳2、上盖板3和外型模具组件4，所述外型模具组件4设置在所述底座1上，所述外壳2设置在所述外型模具组件4的外侧，所述上盖板3设置在所述外壳2的上方；所述外型模具组件4上设置若干个定位针，用于定位单晶空心导向叶片蜡模5的前腔型芯9和后腔型芯10。所述底座1顶面的四条边上分别设置一个限位柱12；所述外型模具组件4上设置一个注料嘴11。

前腔型芯和后腔型芯为两个独立的不同形状的陶瓷型芯，前腔型芯近似于棒状，后腔型芯近似于片状；前腔型芯与后腔型芯之间设置隔板。外型模具组件上设置了诸多定位针，可以在部分定位针上安装弹簧，弹簧起到调节尺寸、定位和缓冲的作用。

所述外型模具组件4包括叶盆滑块41、叶背滑块42、内缘滑块43、外缘滑块44和外缘上滑块45；所述叶盆滑块41上设置定位针抽块46，所述叶背滑块42上设置排气边活块47。

所述单晶空心导向叶片蜡模5的前腔6设置两个定位针和一个定位柱，其中前腔型芯9的一端设置定位针Ⅰ61、另一端设置定位针Ⅱ62，前腔6的前缘处设置定位柱63。定位针Ⅰ和定位针Ⅱ与棒状结构的前腔型芯的中心轴平行；定位柱与前腔的前缘处垂直，且于定位针Ⅰ和定位针Ⅱ垂直。

所述单晶空心导向叶片蜡模5的后腔7设置七个定位针，其中叶盆部位设置定位针Ⅲ71、定位针Ⅳ72和定位针Ⅴ73，叶背部位设置定位针Ⅵ74和定位针Ⅶ75，叶尖处设置定位针Ⅷ76，叶尖相对端设置定位针Ⅸ77。定位针Ⅲ、定位针Ⅳ、定位针Ⅴ之间相互平行，且与片状结构的后腔型芯的叶盆部位垂直；定位针Ⅵ和定位针Ⅶ相互平行，且与片状结构的后腔型芯的叶背部位垂直；叶盆部位的三个定位针与叶背部位的两个定位针之间相互平行；定位针Ⅷ和定位针Ⅸ与片状结构的后腔型芯平行。

所述前腔型芯9与所述后腔型芯10之间的隔板8上设置两个定位针，即定位针Ⅹ81和定位针Ⅺ82。隔板上的两个定位针，既控制前腔型芯的定位，又控制后腔型芯的定位。定位针Ⅹ和定位针Ⅺ相互平行，且与隔板垂直。

所述定位针Ⅰ61与所述外缘滑块44连接，所述定位针Ⅱ62与所述内缘滑块43连接，所述定位柱63与所述底座1连接。所述定位针Ⅲ71、定位针Ⅳ72和定位针Ⅴ73均与所述叶盆滑块42连接，所述定位针Ⅵ74和定位针Ⅶ75均与所述叶背滑块42连接，所述定位针Ⅷ76与所述外缘上滑块45连接，所述定位针Ⅸ77与所述内缘滑块43连接。所述定位针Ⅹ81和定位针Ⅺ82均与所述定位针抽块46连接。

本实施例还提供一种单晶空心导向叶片外型模具的定位方法，该定位方法应用于本实施例的单晶空心导向叶片的外型模具，按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：将外型模具水平放置在下工作台上，用上工作台把外型模具压紧；通过上工作台和下工作台的控温系统对外型模具进行预热处理；

步骤二：拔出注料嘴，抬起上盖板和外壳；取出排气边活块；撬开定位针抽块；

步骤三：沿着导轨方向依次打开叶背滑块、叶盆滑块，分别滑动至相应的限位柱处；

步骤四：沿着导轨方向依次打开内缘滑块、外缘滑块，分别滑动至相应的限位柱处；

步骤五：复位内缘滑块，将前腔型芯放入相应位置，使定位柱与前腔的前缘处固定，然后复位外缘滑块，使定位针Ⅰ和定位针Ⅱ分别与前腔型芯的两端固定；

步骤六：沿着导轨方向打开外缘上滑块，将后腔型芯放入相应位置，然后复位外缘上滑块，使定位针Ⅷ和定位针Ⅸ分别与后腔型芯的叶尖处和叶尖相对端固定；

步骤七：依次复位叶盆滑块、叶背滑块和定位针抽块，使定位针Ⅲ、定位针Ⅳ和定位针Ⅴ均与后腔的叶盆部位固定，使定位针Ⅵ和定位针Ⅶ均与后腔的叶背部位固定，使定位针Ⅹ和定位针Ⅺ均与隔板固定；复位排气边活块；

步骤八：复位外壳和上盖板，复位注料嘴；

步骤九：从注料嘴向外型模具内注射蜡料，即可制得单晶空心导向叶片蜡模。

步骤一中，上工作台和下工作台连接有控温系统，控温系统对外型模具进行预热处理，预热温度为22-25℃，预热时间为10-15min。

步骤二中，定位针抽块被撬开的高度不小于12mm。

步骤九中，注射蜡模材料时，注料嘴的温度为65-75℃，注射压力为3-5MPa，注射时间为15-30s；注射结束后，需要保压30-60s，然后再开模。

完成步骤九后，重复步骤二至步骤四的开模过程，取出已经制备好的单晶空心导向叶片蜡模。取出单晶空心导向叶片蜡模后，可以对外型模具进行常规检查和维护。合模前，可以在型腔内喷涂脱模剂。制得单晶空心导向叶片蜡模后，取出蜡模内部的前腔型芯和后腔型芯，进一步制备单晶空心导向叶片铸件。

本实施例的单晶空心导向叶片的外型模具及其定位方法，结构简单，操作便捷，适用于前腔和后腔均为空心结构的导向叶片，且前腔和后腔分别使用不同形状的陶瓷型芯。本实施例能够对前腔型芯和后腔型芯进行精确定位，解决了空心导向叶片在压制蜡模过程中的偏芯问题，同时解决了分体式型芯隔板的位置和尺寸的控制问题；在整个蜡模的压制过程中，不需要使用芯撑，极大地提高了叶片壁厚和隔板尺寸的一致性，且压制出的蜡模表面没有任何破损现象，大幅度提高了叶片的质量。

采用本实施例的外型模具所制得的叶片壁厚的偏差值与采用传统的外型模具制得的叶片壁厚的偏差值进行对比，可以看出，采用本实施例的外型模具，在不使用芯撑的情况下，叶片壁厚的偏差值明显小于采用传统外型模具制得的叶片壁厚的偏差值，部分壁厚点的具体数据如表1所示。

表1 采用本实施例和传统的外型模具制得的叶片壁厚的偏差值对比数据

关于壁厚测量点的描述：将叶身部分划分为5个截面，分别标记为S1、S2、S3、S4和S5，每个截面上对应5个壁厚测量点，分别标记为V1、V2、V3、V4和V5。S1V1指S1截面、V1位置点，S2V2指S2截面、V2位置点，以此类推。其中各截面的V1和V5位置点的偏差要求±0.1mm，其他位置点的偏差要求±0.15mm。

本领域技术人员不难理解，本发明的单晶空心导向叶片的外型模具及其定位方法包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种单晶空心导向叶片的外型模具，包括底座、外壳、上盖板和外型模具组件，所述外型模具组件设置在所述底座上，所述外壳设置在所述外型模具组件的外侧，所述上盖板设置在所述外壳的上方，其特征在于：所述外型模具组件上设置若干个定位针，用于定位单晶空心导向叶片蜡模的前腔型芯和后腔型芯；所述外型模具组件包括叶盆滑块、叶背滑块、内缘滑块、外缘滑块和外缘上滑块，所述叶盆滑块上设置定位针抽块，所述叶背滑块上设置排气边活块；所述单晶空心导向叶片蜡模的前腔设置两个定位针和一个定位柱，其中前腔型芯的一端设置定位针Ⅰ、另一端设置定位针Ⅱ，前腔的前缘处设置定位柱；所述单晶空心导向叶片蜡模的后腔设置七个定位针，其中叶盆部位设置定位针Ⅲ、定位针Ⅳ和定位针Ⅴ，叶背部位设置定位针Ⅵ和定位针Ⅶ，叶尖处设置定位针Ⅷ，叶尖相对端设置定位针Ⅸ；所述前腔型芯与所述后腔型芯之间的隔板上设置两个定位针，即定位针Ⅹ和定位针Ⅺ。

2.根据权利要求1所述的单晶空心导向叶片的外型模具，其特征在于：所述定位针Ⅰ与所述外缘滑块连接，所述定位针Ⅱ与所述内缘滑块连接，所述定位柱与所述底座连接。

3.根据权利要求1所述的单晶空心导向叶片的外型模具，其特征在于：所述定位针Ⅲ、定位针Ⅳ和定位针Ⅴ均与所述叶盆滑块连接，所述定位针Ⅵ和定位针Ⅶ均与所述叶背滑块连接，所述定位针Ⅷ与所述外缘上滑块连接，所述定位针Ⅸ与所述内缘滑块连接。

4.根据权利要求1所述的单晶空心导向叶片的外型模具，其特征在于：所述定位针Ⅹ和定位针Ⅺ均与所述定位针抽块连接。

5.根据权利要求1所述的单晶空心导向叶片的外型模具，其特征在于：所述底座顶面的四条边上分别设置一个限位柱；所述外型模具组件上设置一个注料嘴。

6.一种单晶空心导向叶片外型模具的定位方法，使用上述权利要求1-5中任一项所述的单晶空心导向叶片的外型模具，按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：将外型模具水平放置在下工作台上，用上工作台把外型模具压紧；通过上工作台和下工作台的控温系统对外型模具进行预热处理；

步骤二：拔出注料嘴，抬起上盖板和外壳；取出排气边活块；撬开定位针抽块；

步骤三：沿着导轨方向依次打开叶背滑块、叶盆滑块，分别滑动至相应的限位柱处；

步骤四：沿着导轨方向依次打开内缘滑块、外缘滑块，分别滑动至相应的限位柱处；

步骤五：复位内缘滑块，将前腔型芯放入相应位置，使定位柱与前腔的前缘处固定，然后复位外缘滑块，使定位针Ⅰ和定位针Ⅱ分别与前腔型芯的两端固定；

步骤六：沿着导轨方向打开外缘上滑块，将后腔型芯放入相应位置，然后复位外缘上滑块，使定位针Ⅷ和定位针Ⅸ分别与后腔型芯的叶尖处和叶尖相对端固定；

步骤七：依次复位叶盆滑块、叶背滑块和定位针抽块，使定位针Ⅲ、定位针Ⅳ和定位针Ⅴ均与后腔的叶盆部位固定，使定位针Ⅵ和定位针Ⅶ均与后腔的叶背部位固定，使定位针Ⅹ和定位针Ⅺ均与隔板固定；复位排气边活块；

步骤八：复位外壳和上盖板，复位注料嘴；

步骤九：从注料嘴向外型模具内注射蜡料，即可制得单晶空心导向叶片蜡模。

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