CN117483665A - 一种发动机叶片陶瓷型芯的偏芯和变形修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发动机叶片陶瓷型芯的偏芯和变形修正方法，包括在铸件的叶型上取若干壁厚检测截面，指定壁厚检测点并测量其位置壁厚，采用切圆法确定壁厚检测点处的壁厚偏差；复制抽取叶片截面轮廓的内腔结构轮廓并胶合，将胶合的内腔结构轮廓与偏差最大的三处实测壁厚圆相切约束；对比内腔轮廓曲线前后差，分析出在铸造过程中陶瓷型芯是否有变形，并测量出变形趋势和变形量，设计出反变形参数并修正模具；本发明逆向分析陶瓷型芯变形和偏芯的具体尺寸和趋势，将修正值量化，降低了铸件内腔尺寸分析的难度，实现对内腔尺寸的精确控制，提高了铸件的精密度，减少铸件的试制次数，降低了研发成本。
Description
技术领域
本发明涉及精密铸造技术领域，特别涉及一种发动机叶片陶瓷型芯的偏芯和变形修正方法。
背景技术
航空航天、燃机、能源等行业的快速发展离不开发动机研发技术的提高。在发动机研发技术中，对各类型发动机叶片的服役性能要求极其严格。特别是航空航天发动机中很多叶片必须要求是空心结构，而且内部结构复杂、壁厚尺寸控制严格，需保证其尺寸、气流量、水流量合格。
对于结构复杂、尺寸精密的空腔叶片，其铸造难度大、工艺成本高。复杂精密的内腔结构一般通过陶瓷型芯固定在金属模具中采用熔模铸造实现铸造成形。在熔模铸造过程中极高的温度使陶瓷型芯产生较大的应力，叶片成形时也会有避免不了的应力变形，又因为其内腔结构的尺寸本来就非常精细，在固定陶瓷型芯和模具中支撑陶瓷型芯的顶针结构都有使陶芯摆放产生尺寸偏差的风险。陶瓷型芯出现过量的偏芯或变形，就会造成叶片的壁厚尺寸超差，直接导致叶片报废。所以在这类叶片铸造研发过程中，陶瓷型芯的偏芯和变形是需要克服的重要尺寸问题。
现有的复杂空腔叶片的铸造是通过模具设置支撑陶芯的顶针固定陶瓷型芯，再经过熔模铸造工艺制造出复杂空腔的叶片。对叶片内腔尺寸的控制是采用在叶型上设置指定壁厚检测点，通过超声波检测技术对叶型壁厚进行检测，从而实现对内腔尺寸的控制。
如果在铸造过程中陶瓷型芯出现变形或偏芯等情况，最终在对成品叶片的壁厚检测会出现尺寸偏差，根据各位置检测点的尺寸偏差可以判断出陶芯变形量或偏芯的方向和程度，进而对蜡模模具中支撑陶芯的顶针进行调节，进行再次试制和改进。
上述传统的修正方法虽然可以分析出叶型各位置陶芯偏离的量，但由于叶型轮廓形状不规则，变形和偏芯问题常常同时存在，往往不能对铸造过程中陶瓷型芯整体变形和偏芯的程度进行量化，也难以确定陶瓷型芯偏芯的角度。蜡模模具中支撑顶针和壁厚检测点并不是对应的，通过壁厚检测点的尺寸偏差无法精确的确定支撑顶针需要修正多少，这对尺寸的控制带来了很大的难度。
为此，本申请提出了一种发动机叶片陶瓷型芯的偏芯和变形修正方法，在已有的超声波测量壁厚尺寸技术的基础上，对复杂空腔叶片铸造中出现陶瓷型芯变形和偏芯问题进行具体的量化分析，并计算出陶芯应增加的反变形量和支撑顶针处的修正量，实现对内腔尺寸的精确控制，减少工艺试制次数，节省研制成本。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种发动机叶片陶瓷型芯的偏芯和变形修正方法，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种发动机叶片陶瓷型芯的偏芯和变形修正方法，包括如下步骤：
S1、根据叶片铸件壁厚检测方案，在铸件的叶型上取若干壁厚检测截面，并在每个检测截面的指定位置设计若干壁厚检测点，采用超声波检测技术对所有壁厚检测点进行测量，并记录所测壁厚值；
S2、通过3D建模软件对叶片铸件模型的每个壁厚检测截面进行分析，做出壁厚检测截面的叶片截面轮廓，采用切圆法将实际所测检测点的壁厚值以实测壁厚圆表示出来，同时将理论壁厚尺寸也按照切圆法绘制出理论壁厚圆，对比实测壁厚圆和理论壁厚圆，确定壁厚检测点处的实测壁厚尺寸和理论壁厚尺寸的偏差；
S3、将叶片截面轮廓的内腔结构轮廓复制抽取出来，并把内腔结构轮廓的线条约束为一个胶合整体，选取实测壁厚圆和理论壁厚圆偏差最大的三个壁厚检测点，将胶合的内腔结构轮廓与偏差最大的三处实测壁厚圆相切约束，通过三处约束固定胶合的内腔结构轮廓；
S4、对比叶片壁厚检测截面中原来的内腔轮廓曲线和抽取重新约束固定的内腔结构轮廓，分析出在铸造过程中陶瓷型芯是否有变形，并测量出变形趋势和变形量；
S5、对每个壁厚检测截面进行分析后，统筹整体尺寸差异，通过工艺理论分析，设计出反变形参数并修正模具，修正后，进行新一轮试制分析。
优选的，所述步骤S4中通过对比叶片壁厚检测截面中原来的内腔轮廓曲线和抽取重新约束固定的内腔结构轮廓的弦长夹角和位移尺寸，分析出铸造过程中陶瓷型芯在壁厚检测截面中的偏芯方向和偏芯位移，并测量具体偏芯尺寸，量化分析结果。
优选的，所述步骤S5中对每个壁厚检测截面进行分析后，将纵向尺寸对应的实测壁厚圆连线和理论壁厚圆连线并对比，测量出陶瓷型芯在纵向上的偏芯角度。
优选的，所述步骤5中根据所测量的偏芯角度和位移尺寸，将陶芯模型按照所测偏芯角度和偏芯位移进行偏转和移动，将其移到偏芯后的位置，测量支撑顶针的修正尺寸，并调整蜡模模具中的顶针。
与传统技术相比，本发明产生的有益效果是：本发明应用于复杂内腔高精密叶片的铸造工艺，采用试制工艺中壁厚实测值通过3D建模软件进行逆向分析陶瓷型芯变形和偏芯的具体尺寸和趋势，将修正值量化，降低了铸件内腔尺寸分析的难度，实现对内腔尺寸的精确控制，提高了铸件的精密度，减少铸件的试制次数；对复杂空腔叶片的铸造过程中的热应力变形和陶瓷型芯的偏芯问题均能具体的量化分析，采用计算机理论计算分析，大大降低了研发成本；
对各壁厚检测截面的实测壁厚连线分析，测量出陶瓷型芯纵向偏芯角度，使陶芯偏芯的分析不局限在一个截面内，从而分析出纵向角度偏芯带来的误差。
本发明结合超声波测量实际铸造结果，通过陶瓷型芯模型的偏转和移动，将壁厚值偏差和支撑顶针的修正值结合起来，以实践与理论结合，分析的修正结果具有较高的实用价值。
附图说明
图1为本发明中叶片铸件壁厚检测方案布置图；
图2为本发明中叶片截面轮廓分析示意图；
图3为本发明中叶片截面轮廓的内腔结构轮廓约束示意图；
图4为本发明中叶片截面轮廓纵向连线示意图。
图中：1、叶片铸件；2、壁厚检测截面；3、壁厚检测点；4、叶片截面轮廓；5、实测壁厚圆；6、理论壁厚圆；7、内腔结构轮廓；8、实测壁厚圆连线；9、理论壁厚圆连线。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
一种发动机叶片陶瓷型芯的偏芯和变形修正方法，包括如下步骤：
根据叶片铸件1壁厚检测方案(如图1所示)，在铸件的叶型上取若干壁厚检测截面2，并在每个检测截面的指定位置设计若干壁厚检测点3，采用超声波检测技术对所有壁厚检测点3进行测量，并记录所测壁厚值；
通过3D建模软件对叶片铸件1模型的每个壁厚检测截面2进行分析，做出壁厚检测截面2的叶片截面轮廓4，如图2所示，采用切圆法将实际所测检测点的壁厚值以实测壁厚圆5表示出来，所谓切圆法是指绘制一个圆通过所测的壁厚检测点3，并与叶型外轮廓曲线相切，该圆以所测壁厚值为直径，同理，将理论壁厚尺寸也按照切圆法绘制出理论壁厚圆6，对比实测壁厚圆5和理论壁厚圆6，此时壁厚检测点3处的实测壁厚尺寸和理论壁厚尺寸可进行清晰对比，从而确定壁厚检测点3处的实测壁厚尺寸和理论壁厚尺寸的偏差；
此时，将叶片截面轮廓4的内腔结构轮廓7复制抽取出来，并把内腔结构轮廓7的线条约束为一个胶合整体，选取实测壁厚圆5和理论壁厚圆6偏差最大的三个壁厚检测点3，将胶合的内腔结构轮廓7与偏差最大的三处实测壁厚圆5相切约束，通过三处约束固定胶合的内腔结构轮廓7，如图3所示。
此时约束固定的内腔结构轮廓7可近似为实际陶芯偏心后的状态截面轮廓，对比叶片壁厚检测截面2中原来的内腔轮廓曲线和抽取重新约束固定的内腔结构轮廓7，可以分析出在铸造过程中陶瓷型芯是否有变形，并测量出变形趋势和变形量，具体的，通过对比叶片壁厚检测截面2中原来的内腔轮廓曲线和抽取重新约束固定的内腔结构轮廓7的弦长夹角和位移尺寸，分析出铸造过程中陶瓷型芯在壁厚检测截面2中的偏芯方向和偏芯位移，并测量具体偏芯尺寸，从而量化分析结果；
对每个壁厚检测截面2进行分析后，统筹整体尺寸差异，具体的，将纵向尺寸对应的实测壁厚圆连线8和理论壁厚圆连线9并对比，如图4所示，测量出陶瓷型芯在纵向上的偏芯角度，通过工艺理论分析，根据所测量的偏芯角度和位移尺寸，将陶芯模型按照所测偏芯角度和偏芯位移进行偏转和移动，将其移到偏芯后的位置，测量支撑顶针的修正尺寸，并调整蜡模模具中的顶针，从而设计出反变形参数并修正模具，修正后，进行新一轮试制分析。
本发明的工作原理为：通过切圆法对比理论壁厚值和实测壁厚值，并通过三处最大壁厚偏差来确定实测的陶芯内腔轮廓，通过各壁厚检测截面2的对应实测壁厚圆连线8测量陶瓷型芯的纵向偏芯角度，通过偏转和移动确定实际生产陶芯的真实位置，从而逆向分析得到支撑顶针的修正值，针对传统的修正方法，本发明将陶瓷型芯的变形和偏芯问题量化，从角度、位移、方向多方面分析，结合了3D建模分析和试制超声波壁厚实测，整体对复杂精密内腔的尺寸进行修正控制。
本发明应用于复杂内腔高精密叶片的铸造工艺，采用试制工艺中壁厚实测值通过3D建模软件进行逆向分析陶瓷型芯变形和偏芯的具体尺寸和趋势，将修正值量化，降低了铸件内腔尺寸分析的难度，实现对内腔尺寸的精确控制，提高了铸件的精密度，减少铸件的试制次数；对复杂空腔叶片的铸造过程中的热应力变形和陶瓷型芯的偏芯问题均能具体的量化分析，采用计算机理论计算分析，大大降低了研发成本；
对各壁厚检测截面2的实测壁厚连线分析，测量出陶瓷型芯纵向偏芯角度，使陶芯偏芯的分析不局限在一个截面内，从而分析出纵向角度偏芯带来的误差。
本发明结合超声波测量实际铸造结果，通过陶瓷型芯模型的偏转和移动，将壁厚值偏差和支撑顶针的修正值结合起来，以实践与理论结合，分析的修正结果具有较高的实用价值。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (4)
1.一种发动机叶片陶瓷型芯的偏芯和变形修正方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、根据叶片铸件壁厚检测方案，在铸件的叶型上取若干壁厚检测截面，并在每个检测截面的指定位置设计若干壁厚检测点，对所有壁厚检测点进行测量，并记录所测壁厚值；
S2、通过3D建模软件对叶片铸件模型的每个壁厚检测截面进行分析，做出壁厚检测截面的叶片截面轮廓，采用切圆法将实际所测检测点的壁厚值以实测壁厚圆表示出来，同时将理论壁厚尺寸也按照切圆法绘制出理论壁厚圆，对比实测壁厚圆和理论壁厚圆，确定壁厚检测点处的实测壁厚尺寸和理论壁厚尺寸的偏差；
S3、将叶片截面轮廓的内腔结构轮廓复制抽取出来，并把内腔结构轮廓的线条约束为一个胶合整体，选取实测壁厚圆和理论壁厚圆偏差最大的三个壁厚检测点，将胶合的内腔结构轮廓与偏差最大的三处实测壁厚圆相切约束，通过三处约束固定胶合的内腔结构轮廓；
S4、对比叶片壁厚检测截面中原来的内腔轮廓曲线和抽取重新约束固定的内腔结构轮廓，分析出在铸造过程中陶瓷型芯是否有变形，并测量出变形趋势和变形量；
S5、对每个壁厚检测截面进行分析后，统筹整体尺寸差异，通过工艺理论分析，设计出反变形参数并修正模具，修正后，进行新一轮试制分析。
2.根据权利要求1所述的一种发动机叶片陶瓷型芯的偏芯和变形修正方法，其特征在于：所述步骤S4中通过对比叶片壁厚检测截面中原来的内腔轮廓曲线和抽取重新约束固定的内腔结构轮廓的弦长夹角和位移尺寸，分析出铸造过程中陶瓷型芯在壁厚检测截面中的偏芯方向和偏芯位移，并测量具体偏芯尺寸，量化分析结果。
3.根据权利要求1所述的一种发动机叶片陶瓷型芯的偏芯和变形修正方法，其特征在于：所述步骤S5中对每个壁厚检测截面进行分析后，将纵向尺寸对应的实测壁厚圆连线和理论壁厚圆连线并对比，测量出陶瓷型芯在纵向上的偏芯角度。
4.根据权利要求3所述的一种发动机叶片陶瓷型芯的偏芯和变形修正方法，其特征在于：所述步骤5中根据所测量的偏芯角度和位移尺寸，将陶芯模型按照所测偏芯角度和偏芯位移进行偏转和移动，将其移到偏芯后的位置，测量支撑顶针的修正尺寸，并调整蜡模模具中的顶针。
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