CN1693014B - 用于确定熔模铸造中芯生成的构件的位置的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用于确定熔模铸造中芯生成的构件的位置的方法和设备第二基准方案用于确定空心熔模铸造金属部件的芯生成的内部几何形状的位置，使用自由浮动的芯设计来制造该金属部件，从而实现复杂的内部结构构件(504)。在芯印相的可去除部分(505)上铸造一套基准片(501、502、503)，以提供第二参照系。此第二参照系精确地确定了部件的芯生成的内部几何形状的位置，但不包括任何固定的外部主基准结构/系统，由此例如可在随后操作中在该内部构件上实现精密加工和测量。

Description

用于确定熔模铸造中芯生成的构件的位置的方法和设备

技术领域

[0001] 本发明涉及用于确定熔模铸造中芯生成的构件的位置的方法和设备。

背景技术

许多燃气轮机的制造商现在使用先进的熔模铸造技术来生产铸造金属涡轮喷嘴或机翼(如用于燃气轮机叶片或桨叶)，其包括复杂的空气冷却通道，以改善机翼冷却效率。使用一个或多个放置在陶瓷壳模中的复杂机翼成形的陶瓷芯，在铸造机翼中形成内部冷却通道；在壳模内，熔融金属在芯周围铸造。陶瓷芯用于生成机翼内部的结构构件，例如内部空腔和肋。 

典型的陶瓷芯用可塑陶瓷化合物制成，在芯冲模或模子内，在升高的温度下注模或传递模制该化合物。随后通过焙烧或烘烤使芯变硬。完成焙烧的芯随后放置于模型冲模空腔中，其中，将挥发性制模材料(如蜡或塑胶)引入到芯周围，以形成芯/模型的组件，该组件用于公知的失蜡熔模铸造过程中。然后，将芯/模型的组件反复浸入陶瓷浆中，排干多余的浆体，涂上粗粒陶瓷灰泥或沙粒并且干燥，从而形成若干陶瓷层，这些陶瓷层共同围绕组件形成壳模。随后选择性地去除模型，留下其中具有陶瓷芯的壳模，并将熔融金属注入模子中。在熔融金属凝固后，移开模子和芯，从而给铸造机翼在原先芯的位置留下一个或多个内部通道。 

在空心金属机器部件的生产中，例如燃气轮机喷嘴和机翼，通常根据自由浮动芯设计来实现以上熔模铸造过程。至少由于下列原因以及其他原因，由于内部几何形状设计很复杂并且包括很多总的3维机翼或喷嘴形状，所以铸件必须能够进行“平衡”，以便允许内部几何形状与部件的主基准方案得到最佳配合--因此在设计中要求芯为“自由浮动”元件。然而，在随后的生产加工部件期间，自由浮动芯设计的使用导致了一些问题。尤其是，相对于部件固定的外部基准结构，自由浮动芯设计的使用导致了铸造内部构件的某种程度的位置变化。当对这些芯生成的内部构件试图进行精确测量或精度加工操作时， 这样的变化是非常不理想的。 

通常，相对于包括主基准方案的固定外部基准，只可能使用壁厚和外部布置部分，以近似特定铸造机翼/喷嘴部件的内部几何形状的位置。为此，即使可行，内部芯生成的构件的自动加工经常也是不精确的。这是至少部分地由以下事实引起的：在加工/测量操作期间，常规自动加工方法依靠部件的固定外基准方案/结构来定位和/或保持部件，而由于使用自由浮动芯导致的构件位置变化，此固定的“主”基准方案相对于内部芯生成的铸造构件是不精确的。(市场上买得到的用来控制大多数自动测量和加工仪器的常规成套应用软件，通常利用此固定的外部基准方案，并且为特殊部件计算出与所有基准的最佳配合确定。) 

在如今复杂的机翼设计中，燃气轮机的机翼形状必须用这样的方式允许外部机翼构件的“最佳配合”，以便实现和优化特殊需求的涡轮喉部区域。在铸造过程期间，通过利用芯来产生机翼的内部构件。在铸造过程期间，芯能够相对于外机翼几何形状而浮动、扭曲、偏移等等。芯的该运动导致了内部芯生成的构件位于相对于外机翼形状未知的位置。许多这些内部芯生成的构件要求精密加工，以允许通过焊接或铜焊而安装和/或接附其他组件。需要非常紧密的加工公差来保持精密配合或允许附加组件的成功铜焊和/或焊接的配合。如果根据外部构件固定来进行加工这些在铸造过程中相对于外部构件已发生移动的内部芯生成的构件，则加工公差将过大。因此，存在一种需要，即：需要用来确定芯生成的几何形状的位置的方法和/或装置，以便相对于芯位置而不是外部机翼构件，对形成的铸件内部芯生成的构件进行加工。 

发明内容

为了充分解决前述问题，将独立的基准结构/设计加入到芯中。布置此附加的(第二)基准结构，从而方便由例如坐标测量机(CMM)这样的常规现代测量设备接近和检验。在测量和加工芯生成的内部构件期间，已知的常规铸造/制造方法通常仅仅采用单一固定的基于外部的主基准结构来定位和/或保持涡轮机翼或喷嘴部件。因为芯设计是自由浮动的，所以内部结构构件可最终在铸件的外形限制内和铸造过程中发生移动/偏移。因此，使用第二套与芯成一整体的基准，从而提供针对芯生成的内部铸造构件的参照系。此基于芯的参照系提供了一种方法，来确保芯几何形状的正确定向和配准，并且能够对可以是特殊机翼或喷嘴设计的一部分的复杂的内部结构构件进行精确测量和精密加 工。 

本发明的一个方面是建立与芯成一整体的第二基准方案，此方案确定了除外熔模壳和/或其他蜡生成的构件以外的芯生成的几何形状(如空心熔模铸造物件的内部结构构件)的位置。基于芯的独立基准系统的使用允许校正或补偿外铸造壳和芯之间的位置变化。这也允许设计变化，例如，芯几何形状的位置定位的改变，从而获得芯与外部机翼形状的“最佳配合”，同时实现特定的理想喉部区域。另一方面是在空心熔模铸造涡轮部件的内部提供一种芯生成的基准片装置，常规测量设备很容易到达该片并且通过加工很容易去除此片。再一个方面是提供用来生产空心熔模铸造物件(例如涡轮机翼、叶片或喷嘴)的装置，其消除了由于芯生成的构件位置变化而导致的加工/测量错误的可能，或至少使该可能减为最小，并且允许相对于任何芯偏移而在芯生成的构件上进行精密加工；这些偏移可发生于铸造期间，或作为设计变化/改动的结果而需要进行偏移。 

附图说明

通过结合附图来阅读以下现有优选典型实施例的详细描述，将更好地理解本发明的这些和其他特征和优势，附图中相同的参考数字代表相同的元件： 

图1是用来生产空心熔模铸造金属物件的示例工艺流程图的示意图，金属物件具有基于芯的基准参照系，以确立内部芯生成的结构构件的位置； 

图2是空心机翼涡轮部件的示例熔模铸件的侧视图； 

图3是沿图2的a’-a’线截取的涡轮机翼铸件的顶部剖视图； 

图4是涡轮机翼铸件的透视图，说明了示例主基准结构和基于芯的示例基准片；以及 

图5是图4的涡轮机翼特写的剖视顶视图，说明了示例涡轮机翼的铸件内部结构，该涡轮机翼具有一套芯生成的示例基准片。 

具体实施方式

在下列描述中，仅出于解释而不是限制的目的，对于自由浮动陶瓷芯的特定细节进行阐述，该陶瓷芯用于铸造燃气涡轮发动机的部件，其中当芯移走后，芯在铸造物件内形成冷却通道。本发明不限于在此说明的特定实例，可利用其他熔模铸造芯来实施本发明，从而制 成用于多种金属和合金的其他应用的多种铸件。本领域的普通技术人员可以理解：此后讨论的非限定性实例可以应用到偏离这些特定细节的其他实施例中。 

图1中说明了熔模铸造空心金属物件的示例工艺流程图，金属物件如涡轮机翼，其具有基于芯的基准参照系，用于确定内部芯生成的几何形状的位置，以便随后的测量或加工操作。最初，设计陶瓷芯件，其将产生空心涡轮机翼的理想内部结构构件。如在101块所示，特定基准区域(如具有正或负位移的小的人造物品/结构)包括在芯设计中，从而产生基准片，该基准片与芯生成的铸件内部结构构件成为一体。芯基准片最好合并入铸件的芯印相(print-out)或映射(flash)部分，该部分可在随后的加工阶段去除。接下来，如在块102中所示，将具有整体式基准片区域的芯件放置到机翼的模型模子中，并且将挥发性模型材料(如塑胶或蜡)围绕芯注入模型模子中。接下来，如在程序块103-107中所示，执行常规失蜡熔模铸造工艺来生成空心金属物件。在去除壳和芯后(块106和107)，铸造金属部件具有基于芯的基准片的装置，该片可作为精确参照系，用来定位内部几何形状和由去除的芯件产生的结构构件的位置，如在块108所示。 

图2和3显示了燃气涡轮机翼部件的典型熔模铸造的各自侧视图和剖视图。在图2中，显示了机翼主体铸件200以及芯件201，芯件用于产生机翼部件的空腔和内部结构构件。机翼主体200的外部凸起部分203用来提供主基准系统203。同时显示的是芯件201的典型区域202，其用于产生基于芯的(第二)基准系统。此区域易于到达，并且通过随后的加工，很容易去除位于此处的芯印相或映射部分。在此实例中，由芯部分202产生的芯印相部分(或映射部分)最好包括两个或更多基准片的基于芯的基准结构。图3显示了图2在线a’-a’处的剖面图，其说明了芯生成的示例结构构件，如可以形成涡轮机翼部件的内部空气冷却通道的肋301以及空腔部分302。 

现在参考图4，显示了示例机翼铸件400的透视图，其既说明了包括如片401和402的外部固定主基准结构，也说明了包括基准片404、405和406的第二芯生成的基准结构。在此实例中，芯生成的基准片404、405和406与机翼铸件400的芯印相部分403为一整体，并且位于其内部。虽然在此没有明确显示或说明芯件的详细结构，该芯件用 于产生图4中说明的特殊内部构件以及基准片，但普通技术人员可以理解：生产该芯件的工艺在本技术领域中是通常已知的，并且使用公知的技术和材料能够很容易地制作合适的陶瓷芯件；该芯件将在生成的铸件中产生特殊构件。在本实例中，该芯必然被制作得包括这样的部分，其为图4中显示的机翼内部结构和基准片的反面或负面部分。 

在图5中，更详细地显示了图4的基于芯的示例基准系统。在本实例中，若干形成机翼500的基于芯的基准结构的基准片501、502和503位于芯的印相或映射部分505内，并且与其成为一体，而芯印相或映射部分连接到机翼空腔内的内部结构构件504上，并且从内结构构件上504延伸出去。虽然在此讨论的非限定实例装置中，基准片显示为正区域，本领域的普通技术人员可以理解：根据如空间约束、合金类型以及最佳铸件特性等因素，可使用芯的正区域或负区域来产生基准片。 

虽然对本发明结合目前被认为是最实际和优选的实施例一起进行了描述，但可以理解：本发明不限于公开的实施例，相反，其应包括在后附权利要求书的精神和范围内的各种变动和等价的装置。 

部件列表 

程序块         101-108 

机翼主体铸件   200 

芯件           201 

芯基准区域     202 

主基准系统     203 

芯剖面         300 

肋             301 

空腔部分       302 

机翼铸件       400 

主基准片       401，402 

第二基准片     404，405，406 

机翼           500 

芯(第二)基准片 501，502，503 

芯内部结构构件 504 

映射部分       505 

Claims (9)

1.一种用于确定空心熔模铸造物件(400)中芯产生的内部结构构件的位置以便测量和/或加工所述构件的方法，所述物件利用自由浮动芯铸造，该方法包括：

提供自由浮动芯，该自由浮动芯具有整体式的基于芯的基准结构，所述基准结构包括多个基准片产生部分，使得在铸造物件的芯生成印相或映射部分产生多个基准片，其中所述基于芯的基准结构不包括任何基于所述铸造物件(400)的非芯生成的外部构件的基准结构(401、402)；以及

使用在所述空心物件的所述印相或映射部分上产生的所述基准片(404、405、406)作为空间参照系，以便确定所述熔模铸造物件(400)的内部芯产生构件的相对位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述多个基准片(404、405、406)形成在所述铸造物件的芯生成的印相或映射部分上，在随后的加工操作期间，该印相或映射部分被去除。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述熔模铸造物件是具有内部空气冷却通道的燃气涡轮机翼或喷嘴部件，且所述多个基准片(404、405、406)形成在所述部件的内部空腔部分上。

4.一种用于涡轮机翼部件(400)的熔模铸造的自由浮动芯(201)，所述机翼部件具有至少一个内部空腔，所述芯(201)包括至少一个部分，其产生形成所述内部空腔至少一部分的印相区域(403)，所述自由浮动芯包括：

自由浮动芯件，其具有多个基准片(404、405、406)，所述基准片产生与所述芯件成一整体的区域，以便在所述铸造机翼部件的所述印相区域上形成基准结构，所述基准结构独立于壳模构件，其中所述多个基准片用作相对位置参照系，以便对所述自由浮动芯在所述内部空腔中产生的其它作为产物得到的铸造构件进行空间定位，所述参照系用于加工或测量所述机翼部件的芯生成的内部空腔构件，

其中在所述铸造机翼部件的所述印相区域上的所述基准结构不包括任何基于所述涡轮机翼部件(400)的非芯生成的外部构件的基准结构。

5.根据权利要求4所述的自由浮动芯(201)，其特征在于：所述多个基准片(404、405、406)位于所述芯印相的伸出所述外部空腔之外的部分上，并且适于通过加工或其它方式去除。

6.一种制造空心铸造物件(200，500)的方法，所述空心铸造物件具有多个用作空间参照系的基准片，以便能够对所述铸造物件进行精确的机加工，所述方法至少部分基于使用了自由浮动芯件的熔模铸造工艺，所述方法包括：

形成自由浮动芯结构(201)，其具有多个整体式的正或负基准区域，用于在熔模铸造物件(200、500)上产生基准片(501、502、503)，其中，所述多个基准区域与芯结构的一部分成一整体，该芯结构的这一部分负责产生所述铸造物件的芯印相区域或映射区域(202、505)，其中在空心铸造物件(200，500)上的所述基准片(501、502、503)不包括任何基于所述空心铸造物件(200，500)的非芯生成的外部构件的基准结构；

围绕所述芯结构，模制所述物件的挥发材料模型；

产生所述挥发材料模型和芯结构的熔模铸件；

从铸件中去除芯结构；

在铸造物件的内部芯生成的构件上进行加工操作，其中基准片(501、502、503)用来作为空间参照系，以精确定位所述内部芯生成的构件(504)。

7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：去除所述包含所述基准片(501、502、503)的芯印相或映射区域(505)。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：该芯是陶瓷的。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：基准区域位于芯的形成铸件的内部空腔部分的一部分上。

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