專利名稱：精鑄渦輪葉片模具型腔精確定型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模具型腔的定型方法。
背景技術(shù)：
復(fù)雜空心渦輪葉片是高推重比發(fā)動機(jī)的核心技術(shù)，這一類渦輪葉片由于內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣動外形和葉片壁厚尺寸精度要求嚴(yán)格，工作條件苛刻，是航空發(fā)動機(jī)研制的關(guān)鍵。目前，空心渦輪葉片一般采用單晶或定向結(jié)晶無余量精密鑄造，當(dāng)高溫合金注入模殼后，隨溫度降低會產(chǎn)生收縮變形。熔模精鑄采用的模具型腔須考慮對鑄件收縮變形的補(bǔ)償。 由于渦輪葉片為大量自由曲面和復(fù)雜內(nèi)腔組成的病態(tài)結(jié)構(gòu)，因此冷卻時散熱不均導(dǎo)致鑄件的收縮是非線性，非均勻的。由此，制造渦輪葉片所用的精鑄模具成為發(fā)動機(jī)研制生產(chǎn)準(zhǔn)備中設(shè)計制造周期最長、技術(shù)難度最大的葉片工裝，而精鑄模具的型腔設(shè)計是解決精確控形的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。模具型腔的設(shè)計原則是在變形部位賦予適量反變形量以抵消鑄件在凝固和冷卻過程中的收縮變形。鑄件的收縮變形是非線性的，且以位移場(葉片鑄件變形量的分布) 的方式體現(xiàn)出來。如何得到鑄件的位移場，并以之為依據(jù)優(yōu)化模具的型腔，是保證葉片精鑄尺寸精度的一個關(guān)鍵。目前，模具型腔的設(shè)計仍采用在X、Y、Z三個方向按照線性方法簡單給出的綜合收縮率計算型面。顯然這種方法有不合理之處，由于葉片的形狀復(fù)雜，導(dǎo)致鑄件冷卻時散熱不均，因而葉片各點的變形并不一致，必須經(jīng)過多次的反復(fù)修模試模后，才能獲得符合精度要求的產(chǎn)品。故這種不精確的反變形處理設(shè)計模具型腔試模次數(shù)多，模具的制造周期長，不能滿足模具生產(chǎn)短周期、高精度的要求。隨著大型有限元分析軟件用于實際加工生產(chǎn)，目前已有利用數(shù)值模擬手段定量化反變形處理的模具型腔設(shè)計方法(中國專利申請?zhí)?00710(^8749. 7，申請日2007年6月22日)，對于提高模具設(shè)計效率，減少制造周期起到一定的作用。但反變形算法所使用的松弛因子仍采用經(jīng)驗確定，此種方法仍然難以有效直接用于生產(chǎn)加工過程中。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)不能精確設(shè)計模具型腔的不足，本發(fā)明提供一種基于數(shù)值模擬的精鑄模具型腔設(shè)計方法，其結(jié)果可直接用于渦輪葉片精鑄模具型腔的設(shè)計，解決目前同類模具設(shè)計的周期長、效率低、精度低的問題。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟步驟1按照渦輪葉片的澆注工藝設(shè)計渦輪葉片的澆注系統(tǒng)模型。步驟2采用有限元分析方法對步驟1建立的澆注系統(tǒng)模型進(jìn)行單元劃分。步驟3采用步驟1建立的澆注系統(tǒng)模型進(jìn)行澆注實驗。采用熱電偶測量在澆注及凝固過程中葉片前后緣、葉背及葉盆處的實際溫度，引入公式
權(quán)利要求
1. 一種精鑄渦輪葉片模具型腔精確定型方法，其特征在于包括下述步驟 步驟1按照渦輪葉片的澆注工藝設(shè)計渦輪葉片的澆注系統(tǒng)模型； 步驟2采用有限元分析方法對步驟1建立的澆注系統(tǒng)模型進(jìn)行單元劃分； 步驟3采用步驟1建立的澆注系統(tǒng)模型進(jìn)行澆注實驗；采用熱電偶測量在澆注及凝固過程中葉片前后緣、葉背及葉盆處的實際溫度，引入公式tif7"—7"(弋I^min作為求解界面換熱/=1系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，式中T(h。)為仿真溫度值，r為與TOO對應(yīng)的測量溫度值，η為布置的熱點偶個數(shù)；建立迭代關(guān)系式Tk+1 = Tk+Δ Τ，式中Tk+1為第k+Ι次迭代結(jié)果，Tk為第k次迭代的結(jié)果，Δ T為第k次迭代時的修正值，當(dāng)數(shù)值模擬的計算溫度值TQO與測量溫度值之差的絕對值ITk-T' I小于指定的精度要求時，有Tk+1 = T'，則認(rèn)為此時數(shù)值模擬中的換熱情況與實際相符，進(jìn)而確定界面換熱系數(shù)h。； 步驟4通過步驟3得到精確的界面換熱系數(shù)，然后進(jìn)行澆注過程的數(shù)值模擬，以獲取澆注過程中的渦輪葉片鑄件變形情況首先施加數(shù)值模擬邊界條件，包括合金材料與模殼材料的熱物性參數(shù)、初始澆注的合金溫度、中止數(shù)值計算的合金溫度、合金材料與精鑄模殼間的界面換熱系數(shù)、模型位移的約束條件；通過精鑄過程應(yīng)力場的求解，得出精鑄過程渦輪葉片網(wǎng)格模型各節(jié)點的應(yīng)力分布，進(jìn)而導(dǎo)出各節(jié)點的位移量，即可建立位移場模型。 步驟5基于反變形迭代公式CxWi) 二—(1 +火)(1 + ^^) (Wi) + PQ(x。，凡)，對鑄件模型進(jìn)行反變形處理，公式中Ptl(Xt), Yo)表示初始葉片表面上任意離散點的坐標(biāo)，&(々』)表示y2 -y\模具型腔上的任意一個離散點坐標(biāo)，K表示離散點對應(yīng)的收縮率，取K為1.012，表示澆注方向的鑄件同一高度的剖面上兩個離散點的坐標(biāo)差比值，Wxy(X1, Y1)表示兩個離散點之間的位移變化量； 步驟6在步驟5中得到對鑄件模型離散點進(jìn)行反變形處理后的離散點，進(jìn)行曲面重構(gòu)后得到模具型腔模型；在與步驟4相同的工藝條件和模具結(jié)構(gòu)的前提下，進(jìn)行精鑄過程的數(shù)值模擬；步驟7將步驟6得到的反變形模型與鑄件設(shè)計模型配準(zhǔn)后獲取反變形模型的型面偏差量，判斷型面偏差量是否符合鑄件尺寸公差的精度要求；如符合精度要求，則最終反變形模型即為精鑄模具的型腔；如不符合精度要求，則重復(fù)步驟4 步驟7，直到最終的反變形模型變形后的模型符合精度要求。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種精鑄渦輪葉片模具型腔精確定型方法，按照渦輪葉片的澆注工藝設(shè)計渦輪葉片的澆注系統(tǒng)模型并進(jìn)行澆注實驗；采用熱電偶測量在澆注及凝固過程中葉片前后緣、葉背及葉盆處的實際溫度，確定界面換熱系數(shù)，進(jìn)行澆注過程的數(shù)值模擬，獲取澆注過程中的渦輪葉片鑄件變形情況，對鑄件模型反變形處理后進(jìn)行精鑄過程的數(shù)值模擬；最終判斷型面偏差量是否符合鑄件尺寸公差的精度要求。本發(fā)明大幅提高了渦輪葉片的成品率；減少了試模的周期與次數(shù)。
文檔編號B22C9/00GK102169518SQ201110072878
公開日2011年8月31日 申請日期2011年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月24日
發(fā)明者喬燕, 傅蔣威, 劉金鋼, 卜昆, 周麗敏, 張亮, 張定華, 張現(xiàn)東, 楊小寧, 程云勇, 竇楊柳, 竇楊青, 董一巍, 袁帥, 黃魁東 申請人:西北工業(yè)大學(xué)