CN117733104A - 钛合金叶轮的离心铸造系统的设计方法及离心铸造系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于铸造技术领域，具体涉及一种钛合金叶轮的离心铸造系统的设计方法及离心铸造系统，设计方法包括前置参数设计步骤、浇注系统设计步骤、铸件型腔设计步骤以及铸造系统设计步骤，其中，铸件型腔设计包括将铸件模型连接于浇注系统的横浇道的端部，并基于前置参数调节铸件模型的位置以使其中心轴线与离心力‑重力的合力方向重合，铸件模型位置即为铸件型腔位置。上述方法能够消除重力和离心力对缩孔偏心的影响，将缩孔控制在叶轮轴线上，有利于叶轮尺寸的均匀一致性，在实现叶轮薄壁叶片完整成形的同时，确保铸件热等静压后尺寸均匀性，避免常规组模方案导致的变形，从而提高产品尺寸和动平衡合格率。

Description

钛合金叶轮的离心铸造系统的设计方法及离心铸造系统

技术领域

本发明属于铸造技术领域，具体涉及一种钛合金叶轮的离心铸造系统的设计方法及离心铸造系统。

背景技术

叶轮常用于发动机涡轮增压器等场景，作为转动件，叶轮的工作转速往往达到每分钟几千到几十万转，因此要求叶轮尺寸均匀一致，内部致密无缺陷，确保叶轮可实现良好的动平衡，以满足使用要求。相关技术中，工业生产上通常采用离心铸造的方式进行钛合金叶轮铸件的批量生产，即将金属液浇注到正在旋转的铸型中，在离心力的作用下金属液在铸型转动的过程中充填铸型，最后凝固成型。由于叶轮两端细中间大的特点，轮毂部位在铸造凝固过程中会形成较大的热节，并因此在铸件的内部形成缩孔，该缩孔只能通过热等静压进行压合处理。但常规的离心铸造系统中，制备得到的叶轮铸件存在缩孔偏心的现象，因此导致热等静压后铸件表面会出现不均匀的凹坑，导致叶片偏心，从而影响叶轮的动平衡。

发明内容

本发明的目的在于提供钛合金叶轮的离心铸造系统的设计方法及离心铸造系统，以解决现有技术叶轮铸件缩孔存在偏心的问题。

本发明第一方面提供了一种钛合金叶轮的离心铸造系统设计方法，包括以下步骤：

步骤1：前置参数设计

针对钛合金叶轮进行铸件模型设计并获取前置参数，所述前置参数包括离心设备的转速及钛合金叶轮的高度参数和质量参数；

步骤2：浇注系统设计

针对钛合金叶轮进行浇注系统设计，得到浇注系统模型，所述浇注系统模型包括直浇道、连接于所述直浇道端部并与所述直浇道位于同一平面的横浇道以及连接于直浇道中部且分别与所述直浇道、所述横浇道垂直的中心浇道；

步骤3：铸件型腔设计

将铸件模型连接于浇注系统的横浇道的端部，并基于前置参数调节铸件模型的位置以使其中心轴线与离心力-重力的合力方向重合，铸件模型位置即为铸件型腔位置；

步骤4：铸造系统设计

基于步骤2和步骤3得到的浇注系统和铸件型腔位置进行铸造系统设计，得到包括浇注系统型壳和铸件型壳的铸造系统。

本发明提供的钛合金叶轮的离心铸造系统设计方法还可具有如下附加技术特征：

本发明的一个实施例中，步骤2中针对钛合金叶轮进行浇注系统设计，得到浇注系统模型具体包括：

步骤21：设定所述中心浇道、所述直浇道和所述横浇道的直径以使其满足开放式浇注系统的要求；

步骤22：设定所述直浇道和所述横浇道的形状以及横浇道的内浇口位置；

步骤23：设定所述直浇道和所述横浇道的尺寸，以使所述铸件模型的中心轴线与所述内浇口位置处的向心力同轴时，所述铸件模型的投影与所述直浇道、所述横浇道以及相邻的所述铸件模型投影不重合。

本发明的一个实施例中，步骤21中开放式浇注系统的要求包括所述中心浇道的总截面积小于所述直浇道的总截面积小于所述横浇道的总截面积。

本发明的一个实施例中，所述中心浇道、所述直浇道和所述横浇道的截面为圆形或多边形。

本发明的一个实施例中，所述横浇道呈环形，或所述横浇道呈树枝状，或所述横浇道与所述直浇道组合呈工字型。

本发明的一个实施例中，步骤3中，基于前置参数调节铸件模型的位置以使其中心轴线与离心力-重力的合力方向重合具体包括：

步骤31：将铸件模型连接至内浇口处，同时分析铸件模型的离心力，并使其中心轴线与内浇口位置处的离心力方向同轴；

步骤32：分析铸件模型的重力和离心力，同时调节铸件模型，并使其中心轴线与内浇口位置处的离心力-重力的合力方向重合。

本发明的一个实施例中，所述离心铸造系统可以是熔模精密铸造系统、石墨型铸造系统或砂型铸造系统。

本发明的一个实施例中，步骤4中，基于步骤2和步骤3得到的浇注系统和铸件型腔位置进行铸造系统设计包括根据离心铸造系统的类型进行型壳设计和冒口设计。

本发明第二方面提供了一种钛合金叶轮的离心铸造系统，包括至少一个铸件型腔，且每个所述铸件型腔的中心轴线均与对应位置处浇注成型的钛合金叶轮铸件于成型过程中所受的离心力与重力的合力方向重合。

本发明第三方面提供了一种钛合金叶轮，采用上述钛合金叶轮的离心铸造系统制备得到的铸件热等静压压合而成。

本申请实施例提出的设计方法基于对钛合金叶轮类铸件的尺寸结构特点及其离心浇注凝固规律的分析，考虑离心力和重力双重作用对叶轮缩孔位置的影响，科学合理地推导出叶轮组模的角度，消除重力和离心力对缩孔偏心的影响，将缩孔控制在叶轮轴线上，有利于叶轮尺寸的均匀一致性，在实现叶轮薄壁叶片完整成形的同时，确保铸件热等静压后尺寸均匀性，避免常规组模方案导致的变形，从而提高产品尺寸和动平衡合格率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个具体实施例中钛合金叶轮的结构示意图；

图2为相关技术中钛合金叶轮的离心铸造系统的部分结构示意图；

图3为图2中离心浇注系统制备得到的钛合金叶轮的剖面结构示意图；

图4为本发明一个具体实施例中钛合金叶轮的离心铸造系统的部分结构的俯视图；

图5为本发明一个具体实施例中钛合金叶轮的离心铸造系统的部分结构的主视图；

图6为图4中离心浇注系统制备得到的钛合金叶轮的剖面结构示意图。

附图标记说明：

10-钛合金叶轮，10’-叶轮铸件，11’-缩孔；

21’-中心浇道，22’-直浇道，23’-横浇道，30’-铸件模型；

21-中心浇道，22-直浇道，23-横浇道，30-铸件模型。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

如图1所示，钛合金叶轮10常用于发动机涡轮增压器等场景，其结构为变曲率薄壁回转体，两端细中间大，叶片和轮毂连接部位厚度变化大，叶片数量往往6-14片，叶片壁厚0.5-2mm，直径Φ60～Φ200mm。

钛合金叶轮作为转动件，工作转速往往达到每分钟几千到几十万转，因此要求钛合金叶轮尺寸均匀一致，内部致密无缺陷，确保钛合金叶轮可实现良好的动平衡，以满足使用要求。但由于钛合金叶轮两端细中间大的特点，轮毂部位在铸造凝固过程中会形成较大的热节，在不破坏铸件结构的前提下，难以通过冒口消除钛合金叶轮轮毂内部的缩孔，该缩孔只能通过热等静压进行压合；但缩孔在被热等静压压合的同时，在铸件表面会出现压坑或变形，为了防止热等静压后叶轮发生不均匀变形进而影响铸件动平衡，必须保证铸件内部缩孔处于中轴线上。

相关技术中，工业生产上通常采用离心铸造的方式进行钛合金叶轮铸件的批量生产，即将金属液浇注到正在旋转的铸型中，在离心力的作用下金属液在铸型转动的过程中充填铸型，最后凝固成型。具体的，如图2示出了相关技术中离心铸造系统的设计时浇注系统与铸件模型的连接状态，其中，铸件模型30’的中心轴线与横浇道23’呈90°，横浇道23’与直浇道22’呈90°，中间为中心浇道21’，但如图3所示，浇注得到的叶轮铸件10’的缩孔11’存在偏心现象，热等静压后叶轮铸件10’表面会出现不均匀的凹坑，导致叶片偏心，从而影响叶轮铸件10’的动平衡。

为解决上述技术问题，本发明实施例公开的钛合金叶轮的离心铸造系统的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：前置参数设计，针对钛合金叶轮进行铸件模型设计并获取前置参数，前置参数包括离心设备的转速及钛合金叶轮的高度参数和质量参数。

前置参数设计包括选定离心浇注系统的类型，可选的，本实施例中，离心浇注系统可以为熔模精密铸造系统、石墨型铸造系统或砂型铸造系统。

前置参数设计还包括获取铸件模型30的参数，具体的，铸件模型30的参数包括高度参数和质量参数。

前置参数设计还包括设定离心浇注系统的转速，转速影响着浇注过程中铸件所受到的离心力，进而影响铸件中缩孔的位置，因此发明实施例需要在前置设计中根据钛合金叶轮铸件的规格定好所需的转速。

步骤2：浇注系统设计，针对钛合金叶轮进行浇注系统设计，得到浇注系统模型，浇注系统模型包括直浇道22、连接于直浇道22端部并与直浇道22位于同一平面的横浇道23以及连接于直浇道22中部且分别与直浇道22、横浇道23垂直的中心浇道21。

步骤2中针对钛合金叶轮进行浇注系统设计可依以下步骤进行：

步骤21：设定直浇道22和横浇道23的形状以及横浇道23的内浇口位置。

浇注系统一般包括相连接的中心浇道21、直浇道22和横浇道23，其中中心浇道21上设有用于承接物料的中心浇杯，横浇道23上设有内浇口，物料经中心浇道21依次流入直浇道22和横浇道23，最后经内浇口进入铸件型腔中。浇注系统中，横浇道23的设置方式有多种，直浇道22依横浇道23结构对应设置，例如，横浇道23呈环形，如此，直浇道22呈径向放射性设置，横浇道23可成树枝状设计，如此，直浇道22呈线型设置，或横浇道23与直浇道22组配呈工型设计。当然横浇道23和直浇道22也可以采用其他形状，此处不做限定。

浇注系统中，中心浇道21、直浇道22和横浇道23的截面形状可以相同，也可以不同，具体的，其截面可以呈圆形、矩形或其他多边形。此处不做限定。

步骤22：设定中心浇道21、直浇道22和横浇道23的直径以使其满足开放式浇注系统的要求；开放式浇注系统的要求包括中心浇道21的总截面积小于直浇道22的总截面积小于横浇道23的总截面积，横浇道23的总截面积还小于内浇口的总截面积，如此可确保浇注过程中物料能够在重力作用下平稳充型，有利于叶轮表面质量和尺寸一致性控制，还有利于保证冒口的补缩效果。

步骤23：设定直浇道22和横浇道23的尺寸，以使铸件模型30的中心轴线与内浇口位置处的向心力同轴时，铸件模型30的投影与直浇道22、横浇道23以及相邻的铸件模型30投影不重合。如此可避免后续制壳时不同结构相互干扰，进而保证结构能够顺利进行。

步骤3：铸件型腔设计，将铸件模型30连接于浇注系统的横浇道23的端部，并基于前置参数调节铸件模型30的位置以使其中心轴线与离心力-重力的合力方向重合，铸件模型30位置即为铸件型腔位置。

步骤3中，基于前置参数调节铸件模型30的位置以使其中心轴线与离心力-重力的合力方向重合可依以下步骤进行：

步骤31：将铸件模型30连接至内浇口处，同时分析铸件模型30的离心力，并使其中心轴线与内浇口位置处的离心力方向同轴；

步骤32：分析铸件模型30的重力和离心力，同时调节铸件模型30，并使其中心轴线与内浇口位置处的离心力-重力的合力方向重合。

步骤4：铸造系统设计，基于步骤2和步骤3得到的浇注系统和铸件型腔位置进行铸造系统设计，得到包括浇注系统型壳和铸件型壳的离心铸造系统。

具体的，基于步骤2和步骤3得到的浇注系统和铸件型腔位置进行铸造系统设计包括根据离心铸造系统的类型进行型壳设计和冒口设计。

本申请实施例提出的设计方法基于对钛合金叶轮类铸件的尺寸结构特点及其离心浇注凝固规律的分析，考虑离心力和重力双重作用对叶轮缩孔位置的影响，科学合理地推导出叶轮组模的角度，消除重力和离心力对缩孔偏心的影响，将缩孔控制在叶轮轴线上，如图6所示，有利于叶轮尺寸的均匀一致性，在实现叶轮薄壁叶片完整成形的同时，确保铸件热等静压后尺寸均匀性，避免常规组模方案导致的变形，从而提高产品尺寸和动平衡合格率。

本发明实施例还提供了一种钛合金叶轮的离心铸造系统，包括至少一个铸件型腔，且每个所述铸件型腔的中心轴线均与对应位置处浇注成型的钛合金叶轮铸件于成型过程中所受的离心力与重力的合力方向重合。由于本实施例中离心铸造系统主要采用上述实施例所提出的钛合金叶轮的离心铸造系统的设计方法设计而成，即两者出于同一发明构思，具有相同的技术效果。

本发明实施例还提供了一种钛合金叶轮，该钛合金叶轮由上述钛合金叶轮的离心铸造系统制备得到的铸件热等静压压合而成。如此，可消除叶轮中心的缩孔，确保铸件的尺寸均匀性，提高产品尺寸和动平衡合格率。

实施例1：

如图4-5所示，本实施例以直浇道22和横浇道23呈工型设置的离心铸造系统为例说明上述设计步骤中铸件型腔设计步骤。

如图所示，经前置参数设置和浇注系统设计，钛合金叶轮铸件的高度为H，重量为m；离心铸造系统的转速为p；浇注系统中，横浇道23的数量为两个，并与直浇道22呈工型，中心浇道21以垂直于工型结构的方式连接于直浇道22的中心，并且横浇道23的长度为2a，直浇道22的长度为2b。

之后进行铸件型腔设计步骤：

1)分析钛合金叶轮铸件离心铸造凝固过程中缩孔在X-Y平面(直浇道22和横浇道23所在的平面)的受力情况，在X-Y平面，叶轮铸件主要受到离心力的影响，因此为消除离心力对缩孔位置的影响，将叶轮轴向中心线与离心力方向(即浇口与中心浇道21中心轴线的连线)重合，这样可确保在X-Y平面，缩孔位于叶轮轴线上。定义叶轮轴线与X方向夹角为A，横浇道23长度的一半为a(m)，横浇道23底部与中心浇杯中轴线的距离为b(m)，则角度A的计算公式为：

2)分析钛合金叶轮铸件离心铸造凝固过程中缩孔在X-Z平面的受力情况，主要受到重力和离心力的影响，因此为消除离心力和重力对缩孔位置的影响，将叶轮轴向与离心力-重力的合力方向重合，这样可确保在X-Z平面，缩孔位于叶轮轴线上。定义叶轮轴线与X方向夹角为B，离心力为F＝mω²r，重力为G＝mg，其中m为叶轮质量(kg)，ω为角速度(rad/s)(角速度与每分钟转速的换算公式为H为叶轮高度(m)，r为离心半径(可近似为/>则B的计算方法为：

3)基于夹角A和夹角B确定铸件模型30的组模角度并组模，之后基于组模后的浇注系统和铸件模型30进行浇注系统的后续设计，从而得到完整的离心浇注系统。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种钛合金叶轮的离心铸造系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：前置参数设计

针对钛合金叶轮进行铸件模型设计并获取前置参数，所述前置参数包括离心设备的转速及钛合金叶轮的高度参数和质量参数；

步骤2：浇注系统设计

针对钛合金叶轮进行浇注系统设计，得到浇注系统模型，所述浇注系统模型包括直浇道、连接于所述直浇道端部并与所述直浇道位于同一平面的横浇道以及连接于直浇道中部且分别与所述直浇道、所述横浇道垂直的中心浇道；

步骤3：铸件型腔设计

将铸件模型连接于浇注系统的横浇道的端部，并基于前置参数调节铸件模型的位置以使其中心轴线与离心力-重力的合力方向重合，铸件模型位置即为铸件型腔位置；

步骤4：铸造系统设计

基于步骤2和步骤3得到的浇注系统和铸件型腔位置进行铸造系统设计，得到包括浇注系统型壳和铸件型壳的铸造系统。

2.根据权利要求1所述的钛合金叶轮的离心铸造系统的设计方法，其特征在于，步骤2中针对钛合金叶轮进行浇注系统设计，得到浇注系统模型具体包括：

步骤21：设定所述直浇道和所述横浇道的形状以及横浇道的内浇口位置；

步骤22：设定所述中心浇道、所述直浇道和所述横浇道的直径以使其满足开放式浇注系统的要求；

步骤23：设定所述直浇道和所述横浇道的尺寸，以使所述铸件模型的中心轴线与所述内浇口位置处的向心力同轴时，所述铸件模型的投影与所述直浇道、所述横浇道以及相邻的所述铸件模型投影不重合。

3.根据权利要求2所述的钛合金叶轮的离心铸造系统的设计方法，其特征在于，步骤21中开放式浇注系统的要求包括所述中心浇道的总截面积小于所述直浇道的总截面积小于所述横浇道的总截面积。

4.根据权利要求2所述的钛合金叶轮的离心铸造系统的设计方法，其特征在于，所述中心浇道、所述直浇道和所述横浇道的截面为圆形或多边形。

5.根据权利要求2所述的钛合金叶轮的离心铸造系统的设计方法，其特征在于，所述横浇道呈环形，或所述横浇道呈树枝状，或所述横浇道呈矩形，或所述横浇道与所述直浇道组合呈工字型。

6.根据权利要求1所述的钛合金叶轮的离心铸造系统的设计方法，其特征在于，步骤3中，基于前置参数调节铸件模型的位置以使其中心轴线与离心力-重力的合力方向重合具体包括：

步骤31：将铸件模型连接至内浇口处，同时分析铸件模型的离心力，并使其中心轴线与内浇口位置处的离心力方向同轴；

步骤32：分析铸件模型的重力和离心力，同时调节铸件模型，并使其中心轴线与内浇口位置处的离心力-重力的合力方向重合。

7.根据权利要求1所述的钛合金叶轮的离心铸造系统的设计方法，其特征在于，所述离心铸造系统可以是熔模精密铸造系统、石墨型铸造系统或砂型铸造系统。

8.根据权利要求7所述的钛合金叶轮的离心铸造系统的设计方法，其特征在于，步骤4中，基于步骤2和步骤3得到的浇注系统和铸件型腔位置进行铸造系统设计包括根据离心铸造系统的类型进行型壳设计和冒口设计。

9.一种钛合金叶轮的离心铸造系统，其特征在于，包括至少一个铸件型腔，且每个所述铸件型腔的中心轴线均与对应位置处浇注成型的钛合金叶轮铸件于成型过程中所受的离心力与重力的合力方向重合。

10.一种钛合金叶轮，其特征在于，采用权利要求9中所述钛合金叶轮的离心铸造系统制备得到的铸件热等静压压合而成。