DE2164612A1

DE2164612A1 - Elastomere Formauskleidung

Info

Publication number: DE2164612A1
Application number: DE19712164612
Authority: DE
Inventors: Paul Harriman Scotia N.Y. Kydd (V.StA.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-12-28
Filing date: 1971-12-24
Publication date: 1972-07-13
Also published as: FR2120017A1; FR2120017B1; US3678987A; GB1376933A; NL7113909A; IT944189B

Description

Elastomere Pormauskleidung

Das übliche Verfahren, Wachsabdrücke für den Präzisionsformguß von Turbinenschaufeln zu schaffen, besteht darin, ein Metallwerkzeug oder eine Form herzustellen, deren innere Oberfläche die Konfiguration des zu gießenden Teiles nachbildet. Dann wird das Werkzeug unter Druck mit Wachs gefüllt und die Werkzeugteile werden voneinander getrennt, um die Wachsnachbildung des Teiles freizugeben. Dann wird von dem Teil eine Keramikform hergestellt, welche die Produktion des nachgebildeten Metallteiles gestattet.

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Dieses Verfahren war für die meisten Konstruktionen brauchbar, doch hat es sich als unmöglich erwiesen, die umschließenden Werkzeugteile von dem Wachsabdruck wegzunehmen, ohne die feinen Details zu zerstören, wenn das Teil, von dem ein Wachsabdruck herzustellen ist, stark gebogen und verdrillt ist und außerdem feine Details in seine Oberfläche eingeprägt sind, es sei denn, dass die die komplexen Bereiche bedeckenden Werkzeugoberflächen ihrerseits aus mehreren Teilen hergestellt sind, wobei in manchen Fällen mehr als 6 Teile erforderlich sind, um die komplexen Oberflächen aufzunehmen.

Es wäre daher sehr wünschenswert, wenn man in der Lage wäre, ein einfaches Werkzeug zu verwenden, d. h. ein solches, bei dem nur 2 Stücke erforderlich sind, um die konplexen Bereiche abzuformen., um Wachsabdrücke von komplexen Teilen mit feinen Oberflächendetails herzustellen.

Dies wird, kurz gesagt, durch die vorliegende Erfindung ermöglicht, bei der das Herstellen des Wachsabdruckes eines komplexen Teiles als Vorbereitung für die Herstellung einer Kerainikschalenform für das Gießen des Teiles aus Metall mit einem übergroßen Werkzeug ermöglicht wird, welches ein vorgeformbes elastomeres Auskleidungselement enthält, das auf seiner inneren Fläche ein negativ der Oberfläche dec komplexen Teiles trägt.

nachfolgend wird die Erfindung mib Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind.
Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine dreidimensionale, beilweise weggeschnibtene Darsbellung de.-s komplexen Leitungs- und Auslaßsystems in einer flüsnigkeibsgekühlben Turbinenschaufel mib einem offenen Kreislauf, welche die Anwendung der vorliegenden Erfindung für die Herstellung des Wachsabdruckes erforderb,

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Fig. 2 eine auseinandergezogene Ansicht der offenen Form, bei der die Muster- Turbinenschaufel und der dazwischen angeordnete elastomere Einsatz der vorliegenden Erfindung teilweise weggeschnitten sind und

Fig. 3 eine dreidimensionale Darstellung der elastomeren Formauskleidung gemäß der vorliegenden Erfindung für das Gießen des Wachsabdruckes einer flüssigkeitsgekühlten Schaufel.

Die Turbinenschaufel 1O₅ die in Fig. 1 dargestellt ist, ist ein Beispiel einer Schaufel für eine flüssigkeitsgekühlte Turbine, wie sie in der eigenen US-Patentanmeldung Serial-Nr. 93·057, vom 27. Nov. 1970 beschrieben ist, auf die hiermit Bezug genommen wird.

Die Turbinenschaufel Io besteht aus einer Außenhaut 11 aus einem Metallblech, das z. B. durch Schweißen an einem durch Präzisionsformguß hergestellten hohlen Zentralstück 12 befestigt ist, welches integrale Nuten 13a aufweist, die sich über die Spannweite (spanwise) erstrecken. Die rechteckfürmigen Kühlkanäle oder Durchgänge 13, welche durch die Außenhaut 11 und die Nuten 13a gebildet werden, führen die Kühlflüssigkeit mit einer gleichmäßigen Tiefe unterhalb der Außenhaut 11. An den oberen Endstücken stehen die rechteckförmigen Kühlkanäle 13 auf der Druckseite der Schaufel 10 in Strömungsverbindung mit und enden an der Leitung l4, die in das Zentralstück eingearbeitet ist. Auf der Ansaugseite der Schaufel Io stehen die rechteckförmigen Kühlkanäle 13 in Strömungsverbindung mit einer zweiten Leitung l4a (siehe Fig. 2), die ebenfalls in das Zentralstück eingearbeitet ist und enden dort. Nahe der Austrittskante (trailing edge) der Schaufel 10 verbindet ein nicht dargestellter Querkanal die beiden vorgenannten Leitungen. Die erforderliche Kühlung mit offenem Kreislauf von diesen beiden miteinander verbundenen Leitungen aus wird durch deren Strömungsverbindungen mit der öffnung 16 ermöglicht, von der aus die erhitzten Kühlströmungsmittel (Gas oder Dampf oder über-

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schüssiges flüssiges Kühlmittel) an der Austrittskante der Schaufel 1O₃ wie dargestellt, austreten.

Das Wurzelendstück des Zentralstückes 12 besteht aus einer Anzahl fingerähnlicher Projektionen oder Zinken 19 verschiedener Länge. Der Randbereich des nicht dargestellten Turbinenläufers (turbine disk), an dem die Schaufel 10 befestigt wird, weist eingearbeitete Nuten auf, die verschiedene Tiefen und Breiten haben, welche den verschiedenen Längen und Breiten der Schaufelzinken 19 entsprechen, so daß die Zinken 19 ineinandergreifend in die Nuten eingepaßt werden können. Nachdem ein guter Sitz erzielt worden ist, werden die Zinken 19 mit den Wänden der Nuten im Randbereich des Turbinenläufers verschweißt.

Vorzugsweise werden die Zinken 19 während des Gießens des hohlen-Zentralstückes 12 gebildet, so daß diese Elemente nicht unmittelbar von der Beschreibung der vorliegenden Erfindung betroffen sind und sie können durch eine nachfolgende Bearbeitung hergestellt werden. Die Bereiche des hohlen Zentralstückes 12, welche das Problem schaffen, auf das sich die Erfindung im Zusammenhang mit der Formung von Wachsabdrücken bezieht, sind der Bereich der Blattsteigung (pitsch section) und der Bereich der Schaufelspitse (tip sec-tion) des hohlen Zentralstückes 12.

Die Probleme bei der Herstellung von Wachsabdrücken sind im vorliegenden Falle besonders schwerwiegend, da das hohle Zentralstück 12 stark gebogen und verdrillt sit und die Kühlkanäle 13, mit denen die Oberfläche bedeckt ist, sehr fein sind und ungefähr 5 mm (0,20 inches) Tiefe und etwa 6 mm (0,25 inches) Breite haben. Eine weitere Erschwerung wird dadurch verursacht, daß die Rohrleitungen auf der Druck- und der Ansaugseite quer zu den Nuten 13 a verlaufen.

Die vorliegende Erfindung macht es möglich, eine einfachere Werkzeuganordnung für die Herstellung von Wachsabdrücken kom-

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plexer Oberflächen, welche feine Details aufweisen, zu verwenden. Ein Beispiel ist in den Pig. 2 und 3 gezeigt. Das Werkzeug 20 umfaßt die beiden Teile 21a und 21b, welche ein Volumen von etwa 0,25 bis etwa 0,50 mm (0,010 bis 0,020 inches) Übergröße umfassen, mit Bezug auf die äußeren Oberflächen der Seitenwände des Metallmuster-Zentralstückes 22 der Schaufel, welches darin angeordnet ist. Auf diese Weise wird ein freier Raum relativ gleichmäßiger Dicke über die gesamten komplexen Bereiche der Schaufeloberfläche verfügbar. Das Musterzentralstück 22 der Schaufel ist mit Blöcken 22a und 22b dargestellt, die einstückig damit am Spitzen- und Würzelendstück ausgebildet sind. Diese Blöcke sind in Aussparungen angeordnet, welche in den Werkzeugteilen 23, 24 (und in den Teilen 26,und 27) vorgesehen sind, um die Anordnung des Musterzentralstückes 22 der Schaufel in dem richtigen Abstand zur Wand der Aussparung in den Formteilen 21a und 21b sicherzustellen. Auch können die Spitzen- und Wurzelblöcke , die an den gegossenen Schaufeln gebildet sind, die Anordnung der Schaufeln für die Durchführung von Bearbeitungsschritten an den gegossenen Schaufeln erleichtern, wie das Drillen der nicht dargestellten Querverbindung, welche die Leitungen 14 und l4a miteinander verbindet. Es körinen selbstverständlich auch andere Mittel gewählt werden, um das Musterzenbralstück 22 in dem Hohlraum, der die¹ zusammengehörenden Teile 21a und 21b des Werkzeugs gebildet wird, in der richtigen Weise anzuordnen und dadurch die Blöcke 22a und 22b zu eliminieren.

Darüber hinaus stehen die Aussparungen 28 und 29 in dem Werkzeugteil 21a und ein Paar übereinstimmender Aussparungen in dem Werk-, zeugteil 21b, von denen lediglich die Aussparung 30 gezeigt ist, In Verbindung mit dem Raum, welcher das Muster des Schaufelzentralstückes 22 umgibt. Diese offen miteinander verbundenen Volumen in dem zusammengebaufcen Werkzeug dienen als Form für ein elastomeres Auskleidungsstück 40, welches, wie nachfolgend beschrieben, hergestellt und verwendet wird.

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Um die Auskleidung 40 zu bilden, wird das Muster des Schaufelzentralstückes 22 mit einer oder mehreren dünnen Schichten unvollständig gehärteten Silikongummis bedeckt, welche ausreichen, den Raum zwischen den Blatt-Spitzen- und Wurzelbereichen des Schaufelzentralstückes 22 und den Werkzeugteilen 22a und 21b etwas mehr als auszufüllen. Die Aussparungen 28, 29, 30 und die nicht dargestellte,weitere Aussparung in dem Werkzeugteil 21b werden ebenfalls etwas mit dem teilweise gehärteten Silikongummi überfüllt. Dieser teilweise gehärtete Silikongummi sollte in einen vollständig gehärteten, festen, elastischen Zustand überführbar sein.

Unter der Bezeichnung "Silikongummi" sind im vorliegendem Falle Organopolys'iloxane sowdilnit als auch ohne Füllstoffe zu verstehen, welche Härtungsbeschleuniger enthalten, wie organische Peroxide und die durch Erhitzen bei erhöhten Temperaturen in den gehärteten, festen,elastischen Zustand überführt werden können. In vollständig ausgehärteten Zustand können diese Materialien leicht verformfc und gepreßt werden. Es lconnen auch andere feste oder flüssige elastomere Materialien, wie Haturgummi, die geformt und zu einem festen, elastischen Zustand gehärtet werden können, im Rahmen der vorliegenden Erfindung Anwendung finden.

Die Herstellung von unvollständig gehärteten Silikongummi- Filmen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet v/erden können, ist in dem US-Patent 3.325-330 beschrieben, auf das hiermit Bezug genommen wird.

Wenn das Werkzeug 20 mit dem Musber des Schaufelzentralstückes 22, welches mit dem teilweise gehärteten Silikongummi bedeckt ist, zusammengebaut ist, dann wird dadurch der Silikongummi in alle Nuten (13a, l^l\ und l4a) in der Oberfläche des Musters des Schaufelzentralstückes 22 sowie in alle Aussparungen 28, 29, und die weitere, nicht dargestellte, Aussparung gedrückt. Der teilweise gehärtete Silikongummi wird auch in eine Zahl enger ·

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Löcher 31 gedrückt, die von den vorgenannten Aussparungen wegführen und schafft nippelartige Ansätze (nibs) 32 auf den Planschen 33 und Jth des Auskleidungsstückes 40. Die abgeschrägten Oberflächen 36, 37 die auf den Seitenwänden der Werkzeugteile 2k, 27 gebildet sind, stehen im Eingriff mit den abgeschrägten Oberflächen auf einem Verschlußelement 38 (ζ. B. die Oberfläche 39) und ermöglichen die Anwendung einer Kraft, um einen festen Oberfläche-zu-OberflächeeKontakt zwischen allen Teilen des Werkzeuges, bei denen ein solcher Kontakt erforderlich ist, zu erreichen, wenn das Verschlußelement 38 in Richtung auf das Basiselement kl gedrückt wird. Andererseits könnte die elastomere Verbindung auch in den Raum zwischen den Teilen 21a und 21b eingespritzt werden und dabei die Auskleidung 40 in der gleichen Weise bilden, in der die Wachsteile später in der mit Auskleidung versehenen Form hergestellt werden.

Nach dem Zusammenbau wird das Werkzeug 20 in einem Ofen angeordnet und auf eine für das spezielle, verwendete Silikonharz geeignete Härtetemperatur erhitzt. Nach der Beendigung der Aushärtung wird das Werkzeug aus dem Ofen genommen und auseinandergebaut. Das Muster des Schaufelzentralstückes 22 wird zusammen mit der Auskleidung 40, die sich darum mit einstückig ausgebildeten Flanschen 33 und 3*1, benachbart den entsprechenden Oberflächen der Blöcke 22a und 22b, gebildet hat, entfernt. Es wird dann eine Teilungslinie *J2 von der Spitze bis zum Boden des Auskleidungselementes UO geschnitten, wonach das Auskleidungselement 40 von dem Schaufelzentralstück 22 abgezogen werden kann. Die innere Oberfläche des ausgehärteten elastomeren Auskleidungsstückes zeigt eine vollständige und genaue Reproduktion aller Details der äußeren Oberfläche des Musters des Schaufelzentralstückes 22, z. B. die Nuten für die Kühlkahäle · und die Leitungen, ebenso wie die Krümmung des Schaufelzentralstückes.

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Um im Anschluß daran eine Anzahl von Wachsabdrücken des Schaufelzentralstückes 22 zu gießen,, ist es lediglich erforderlich, das elastomere Auskleidungselement 40 wieder in die Form 20 einzuführen, wobei ein nicht dargestellter Keramikstreifen verwendet wird j der imerhalb des Auskle idungs elemente s in Längsrichtung angeordnet ist, um die hohle Natur des herzustellenden Zentralstückes 12 zu sichern. Es sind Vorkehrungen zu treffen, um den Keramikstreifen an der richtigen Stelle anzuordnen, wobei sich dieser über die Flansche 33, 34 und über die Räume hinaus erstreckt, die ursprünglich von den Blöcken 22a und 22b eingenommen wurden und sich gegen die Oberflächen 43, 44 stützt, die so gestaltet sind, daß sie mit der Unterseite des Keramikstreifens zusammenpassen. Wenn das Werkzeug 20 zusammengebaut ist, sind die Oberfläche 46 und eine ähnliche Oberfläche im Teil 24 dicht oberhalb und nahezu der oberen Seite des Keramikstreifens angepaßt. Auf diese Weise kann der Keramikstreifen in der richtigen Weise ausgerichtet und festgehalten werden, und so Bereiche bilden, die von dem Wachsabdruck hervorragen.

Nach dem Zusammenbau der Form 20, welche die Auskleidung 40 und den Keramikstreifen enthält, iiird sie in ein Vakuumgehäuse eingebaut, um die Luft aus.dem Inneren der Form zu entfernen. Wachs wird durch den Ansatz 47 gegossen und dringt in den Raum ein, der einmal durch den Block 22b ausgefüllt war und passiert um den Keramikstreifen herum das hohle Zentrum des Auskleidungselementes 40 und läuft dann in den Raum, der ursprünglich durch den Block 22a ausgefüllt war. Nachdem alle diese Volumina mit Wachs gefüllt sind, läßt man das Wachs hart werden, öffnet die Form und nimmt den Wachsabdruck des Schaufelzentralstückes 22, zusammen mit der Auskleidung 40 darum, aus der Form. Das Auskleidungselement 40 wird von dem Wachsabdruck abgezogen, und läßt dabei alle Oberflächendetails unbeschädigt. Das Auskleidungselement 40 kann .,dann wie oben beschrieben, erneut verwendet v/erden.

Eine große Zahl (36 oder 48) solcher Wachsabdrücke wird dann in

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einer Baumkonfiguration (tree configuration) angeordnet, wie sie beim Präzisionsformguß üblicherweise verwendet wird und die Bildung von Keramikschalenformen und das Vakuumgießen werden in bekannter Weise ausgeführt, um Metallschaufeln herzustellen. Die gegossenen Schaufelzentralstücke enthalten die Keramikstreifen, die sich durch öle hindurch erstrecken und die in jeden der Wachsabdrücke eingebettet waren. Die Schaufelzentralstücke werden darnach in geschmolzenes Salz getaucht, welches den Keramikstreifen auslaugt und den erforderlichen Hohlraum 48 schafft, der sich durch jedes Schaufelzentralstück erstreckt.

Die vorliegende Erfindung isb insbesondere auf die Herstellung von Abdrücken mit einer Krümmung versehene» Körper (warped bodies) anwendbar, welche viele Oberflächendetails aufweisen, die durch Gießen reproduziert werden sollen, sei es, daß der Abdruck aus Wachs, thermoplastischem Material oder anderem für die Herstellung von Abdrücken geeignetem Material hergestellt wurde. Die in dieser Anmeldung verwendete Bezeichnung "Wachs" soll alle Materialien umfassen, die für die Herstellung von Abdrücken geeignet sind. Solche Materialien sind ebenso wie die keramischen Pulver, die zur Herstellung der Keramikschalenformen zur Aufnahme des geschmolzenen Metalles verwendet werden, ohne weiteres käuflich erhältlich.

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Claims

Pa bentansprüche

1. Form für die Herstellung eines Wachsabdruckes eines gekrümmten Körpers, dessen Oberfläche Details aufweist und wobei der Wachsabdruck den schmelzbaren Kern einer Keramikschalenform bilden soll, dadurch gekennzeichnet, daß die Form eine herausnehmbare, dreidimensionale, elastomere Auskleidung (40) aufweist, deren innere Oberfläche eine exakte Nachbildung der Gestalt und der äußeren Oberflächendetails des zu gießenden Körpers aufweist.

2. Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Auskleidung (40) aus gehärtetem Silikongummi hergestellt ist.

3. Form nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Auskleidung (40) mit einer Vorrichtung versehen ist, welche die exakte Anordnung der Auskleidung in der Form für das Gießen des Wachsabdruckes ermöglicht.

4. Farm nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichne t, daß die innere Oberfläche der elastomeren Auskleidung (40) die Oberfläche des Zentralstückes (22) eines Turbinenflügels wiedergibt.

5. Form nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel solche für eine flüssiglreitsgekühlte Turbine sind.

6. Verfahren zur Herstellung eines Wachsabdruckes eines gekrümmten Körpers mit feinen Oberflächendetails zur Herstellung einer Keramikschalenform des gekrümmten Körpers, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

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a) Verwenden einer trennbaren Form mit einem Hohlraum, der gegenüber dem Körper, von dem e'er .-.'achsabdruck herzustellen ist, ο!;v.^raG r;r'3/jer is'jj

'}) Anordnen eines '-lusters, aas identisch in der Gestalt und hinsichtlich uoinor "-.u'oren Pberflächenretails nit dem au '-io"errlcrι ""ΐ'"3Γ3 ist, in uer Hohlraum mit Abstand zu dessen Tinden,

c) Anordnen eines I'aterials .welches durch Ilitzehärtun.^ in einen festen-elastischen Zustand überführbar ist, in dem Raum zwischen dem !luster und den Wänden des Hohlraumes ₃

d) Einschließen des Musters und des hitzehärtbaren Materials innerhalb der Form,

e) Härten des hitzehärtbaren Iiaterials ,

f) offnen der Form und Herausnehmen des Musters zusammen mit dem dreidimensionalen, gehärteten, elastomeren Körper,, der sich darauf gebildet hat,

g) Trennen des Küsters und des elastomeren Körpers

h) Wiedereinsetzen des elastomeren Körpers als Auskleidung in den Hohlraum,

i) Schließen der Form

j) Einführen von :,^Tachs unter Druck in den ausgekleideten Hohlraum,

lc) öffnen der Form,

1) Herausnehmen des festgewordenen Wachsabdruckes und des diesen umnebenden elastomeren Körpers und

m) Trennen des 'iachsabdruckes und des elastomeren Körpers.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das hitzehärtbare Material Silikongummi ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichne t, daß der Silikongummi teilweise gehärtet ist.

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