精铸涡轮叶片模具型腔精确定型方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN102169518A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN102169518A(43)申请公布日2011.08.31(21)申请号201110072878.2(22)申请日2011.03.24(71)申请人西北工业大学地址710072陕西省西安市友谊西路127号(72)发明人卜昆张定华董一巍程云勇黄魁东窦杨青窦杨柳张现东刘金钢杨小宁袁帅傅蒋威周丽敏乔燕张亮(74)专利代理机构西北工业大学专利中心61204代理人顾潮琪(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)B22C9/00(2006.01)B22C9/22(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图3页(54)发明名称精铸涡轮叶片模具型腔精确定型方法(57)摘要本发明公开了一种精铸涡轮叶片模具型腔精确定型方法，按照涡轮叶片的浇注工艺设计涡轮叶片的浇注系统模型并进行浇注实验；采用热电偶测量在浇注及凝固过程中叶片前后缘、叶背及叶盆处的实际温度，确定界面换热系数，进行浇注过程的数值模拟，获取浇注过程中的涡轮叶片铸件变形情况，对铸件模型反变形处理后进行精铸过程的数值模拟；最终判断型面偏差量是否符合铸件尺寸公差的精度要求。本发明大幅提高了涡轮叶片的成品率；减少了试模的周期与次数。CN1026958ACCNN110216951802169523A权利要求书1/1页1.一种精铸涡轮叶片模具型腔精确定型方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1按照涡轮叶片的浇注工艺设计涡轮叶片的浇注系统模型；步骤2采用有限元分析方法对步骤1建立的浇注系统模型进行单元划分；步骤3采用步骤1建立的浇注系统模型进行浇注实验；采用热电偶测量在浇注及凝固过程中叶片前后缘、叶背及叶盆处的实际温度，引入公式作为求解界面换热系数的数学模型，式中：T(hc)为仿真温度值，T′为与T(hc)对应的测量温度值，n为布置的热点偶个数；建立迭代关系式Tk+1＝Tk+ΔT，式中：Tk+1为第k+1次迭代结果，Tk为第k次迭代的结果，ΔT为第k次迭代时的修正值，当数值模拟的计算温度值T(hc)与测量温度值之差的绝对值|Tk-T′|小于指定的精度要求时，有Tk+1＝T′，则认为此时数值模拟中的换热情况与实际相符，进而确定界面换热系数hc；步骤4通过步骤3得到精确的界面换热系数，然后进行浇注过程的数值模拟，以获取浇注过程中的涡轮叶片铸件变形情况：首先施加数值模拟边界条件，包括合金材料与模壳材料的热物性参数、初始浇注的合金温度、中止数值计算的合金温度、合金材料与精铸模壳间的界面换热系数、模型位移的约束条件；通过精铸过程应力场的求解，得出精铸过程涡轮叶片网格模型各节点的应力分布，进而导出各节点的位移量，即可建立位移场模型。步骤5基于反变形迭代公式对铸件模型进行反变形处理，公式中P0(x0，y0)表示初始叶片表面上任意离散点的坐标，表示模具型腔上的任意一个离散点坐标，K表示离散点对应的收缩率，取K为1.012，表示浇注方向的铸件同一高度的剖面上两个离散点的坐标差比值，Wxy(x1，y1)表示两个离散点之间的位移变化量；步骤6在步骤5中得到对铸件模型离散点进行反变形处理后的离散点，进行曲面重构后得到模具型腔模型；在与步骤4相同的工艺条件和模具结构的前提下，进行精铸过程的数值模拟；步骤7将步骤6得到的反变形模型与铸件设计模型配准后获取反变形模型的型面偏差量，判断型面偏差量是否符合铸件尺寸公差的精度要求；如符合精度要求，则最终反变形模型即为精铸模具的型腔；如不符合精度要求，则重复步骤4～步骤7，直到最终的反变形模型变形后的模型符合精度要求。2CCNN110216951802169523A说明书1/4页精铸涡轮叶片模具型腔精确定型方法技术领域[0001]本发明涉及一种模具型腔的定型方法。背景技术[0002]复杂空心涡轮叶片是高推重比发动机的核心技术，这一类涡轮叶片由于内部冷却结构复杂，气动外形和叶片壁厚尺寸精度要求严格，工作条件苛刻，是航空发动机研制的关键。目前，空心涡轮叶片一般采用单晶或定向结晶无余量精密铸造，当高温合金注入模壳后，随温度降低会产生收缩变形。熔模精铸采用的模具型腔须考虑对铸件收缩变形的补偿。由于涡轮叶片为大量自由曲面和复杂内腔组成的病态结构，因此冷却时散热不均导致铸件的收缩是非线性，非均匀的。由此，制造涡轮叶片所用的精铸模具成为发动机研制生产准备中设计制造周期最长、技术难度最大的叶片工装，而精铸模具的型腔设计是解决精确控形的关键环节。[0003]模具型腔的设计原则是在变形部位赋予适量反变形量以抵消铸件在凝固和冷却过程中的收缩变形。铸件的收缩变形是非线性的，且以位移场(叶片铸件变形量的分布)的方式体现出来。如何得到铸件的位移场，并以之为依据优化模具的型腔，是保证叶片精铸尺寸精度的