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      用于確定熔模鑄造中芯生成的構(gòu)件的位置的方法和設(shè)備的制作方法

      文檔序號:3399917閱讀:173來源:國知局
      專利名稱:用于確定熔模鑄造中芯生成的構(gòu)件的位置的方法和設(shè)備的制作方法
      背景技術(shù)
      許多燃氣輪機的制造商現(xiàn)在使用先進的熔模鑄造技術(shù)來生產(chǎn)鑄造金屬渦輪噴嘴或機翼(如用于燃氣輪機葉片或槳葉),其包括復(fù)雜的空氣冷卻通道,以改善機翼冷卻效率。使用一個或多個放置在陶瓷殼模中的復(fù)雜機翼成形的陶瓷芯,在鑄造機翼中形成內(nèi)部冷卻通道;在殼模內(nèi),熔融金屬在芯周圍鑄造。陶瓷芯用于生成機翼內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,例如內(nèi)部空腔和肋。
      典型的陶瓷芯用可塑陶瓷化合物制成,在芯沖模或模子內(nèi),在升高的溫度下注模或傳遞模制該化合物。隨后通過焙燒或烘烤使芯變硬。完成焙燒的芯隨后放置于模型沖??涨恢?,其中,將揮發(fā)性制模材料(如蠟或塑膠)引入到芯周圍,以形成芯/模型的組件,該組件用于公知的失蠟熔模鑄造過程中。然后,將芯/模型的組件反復(fù)浸入陶瓷漿中,排干多余的漿體,涂上粗粒陶瓷灰泥或沙粒并且干燥,從而形成若干陶瓷層,這些陶瓷層共同圍繞組件形成殼模。隨后選擇性地去除模型,留下其中具有陶瓷芯的殼模,并將熔融金屬注入模子中。在熔融金屬凝固后,移開模子和芯,從而給鑄造機翼在原先芯的位置留下一個或多個內(nèi)部通道。
      在空心金屬機器部件的生產(chǎn)中,例如燃氣輪機噴嘴和機翼,通常根據(jù)自由浮動芯設(shè)計來實現(xiàn)以上熔模鑄造過程。至少由于下列原因以及其他原因,由于內(nèi)部幾何形狀設(shè)計很復(fù)雜并且包括很多總的3維機翼或噴嘴形狀,所以鑄件必須能夠進行“平衡”,以便允許內(nèi)部幾何形狀與部件的主基準(zhǔn)方案得到最佳配合——因此在設(shè)計中要求芯為“自由浮動”元件。然而,在隨后的生產(chǎn)加工部件期間,自由浮動芯設(shè)計的使用導(dǎo)致了一些問題。尤其是,相對于部件固定的外部基準(zhǔn)結(jié)構(gòu),自由浮動芯設(shè)計的使用導(dǎo)致了鑄造內(nèi)部構(gòu)件的某種程度的位置變化。當(dāng)對這些芯生成的內(nèi)部構(gòu)件試圖進行精確測量或精度加工操作時,這樣的變化是非常不理想的。
      通常,相對于包括主基準(zhǔn)方案的固定外部基準(zhǔn),只可能使用壁厚和外部布置部分,以近似特定鑄造機翼/噴嘴部件的內(nèi)部幾何形狀的位置。為此,即使可行,內(nèi)部芯生成的構(gòu)件的自動加工經(jīng)常也是不精確的。這是至少部分地由以下事實引起的在加工/測量操作期間,常規(guī)自動加工方法依靠部件的固定外基準(zhǔn)方案/結(jié)構(gòu)來定位和/或保持部件,而由于使用自由浮動芯導(dǎo)致的構(gòu)件位置變化,此固定的“主”基準(zhǔn)方案相對于內(nèi)部芯生成的鑄造構(gòu)件是不精確的。(市場上買得到的用來控制大多數(shù)自動測量和加工儀器的常規(guī)成套應(yīng)用軟件,通常利用此固定的外部基準(zhǔn)方案,并且為特殊部件計算出與所有基準(zhǔn)的最佳配合確定。)在如今復(fù)雜的機翼設(shè)計中,燃氣輪機的機翼形狀必須用這樣的方式允許外部機翼構(gòu)件的“最佳配合”,以便實現(xiàn)和優(yōu)化特殊需求的渦輪喉部區(qū)域。在鑄造過程期間,通過利用芯來產(chǎn)生機翼的內(nèi)部構(gòu)件。在鑄造過程期間,芯能夠相對于外機翼幾何形狀而浮動、扭曲、偏移等等。芯的該運動導(dǎo)致了內(nèi)部芯生成的構(gòu)件位于相對于外機翼形狀未知的位置。許多這些內(nèi)部芯生成的構(gòu)件要求精密加工,以允許通過焊接或銅焊而安裝和/或接附其他組件。需要非常緊密的加工公差來保持精密配合或允許附加組件的成功銅焊和/或焊接的配合。如果根據(jù)外部構(gòu)件固定來進行加工這些在鑄造過程中相對于外部構(gòu)件已發(fā)生移動的內(nèi)部芯生成的構(gòu)件,則加工公差將過大。因此,存在一種需要,即需要用來確定芯生成的幾何形狀的位置的方法和/或裝置,以便相對于芯位置而不是外部機翼構(gòu)件,對形成的鑄件內(nèi)部芯生成的構(gòu)件進行加工。

      發(fā)明內(nèi)容
      為了充分解決前述問題,將獨立的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)/設(shè)計加入到芯中。布置此附加的(第二)基準(zhǔn)結(jié)構(gòu),從而方便由例如坐標(biāo)測量機(CMM)這樣的常規(guī)現(xiàn)代測量設(shè)備接近和檢驗。在測量和加工芯生成的內(nèi)部構(gòu)件期間,已知的常規(guī)鑄造/制造方法通常僅僅采用單一固定的基于外部的主基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)來定位和/或保持渦輪機翼或噴嘴部件。因為芯設(shè)計是自由浮動的,所以內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件可最終在鑄件的外形限制內(nèi)和鑄造過程中發(fā)生移動/偏移。因此,使用第二套與芯成一整體的基準(zhǔn),從而提供針對芯生成的內(nèi)部鑄造構(gòu)件的參照系。此基于芯的參照系提供了一種方法,來確保芯幾何形狀的正確定向和配準(zhǔn),并且能夠?qū)梢允翘厥鈾C翼或噴嘴設(shè)計的一部分的復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行精確測量和精密加工。
      本發(fā)明的一個方面是建立與芯成一整體的第二基準(zhǔn)方案,此方案確定了除外熔模殼和/或其他蠟生成的構(gòu)件以外的芯生成的幾何形狀(如空心熔模鑄造物件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件)的位置。基于芯的獨立基準(zhǔn)系統(tǒng)的使用允許校正或補償外鑄造殼和芯之間的位置變化。這也允許設(shè)計變化,例如,芯幾何形狀的位置定位的改變,從而獲得芯與外部機翼形狀的“最佳配合”,同時實現(xiàn)特定的理想喉部區(qū)域。另一方面是在空心熔模鑄造渦輪部件的內(nèi)部提供一種芯生成的基準(zhǔn)片裝置,常規(guī)測量設(shè)備很容易到達該片并且通過加工很容易去除此片。再一個方面是提供用來生產(chǎn)空心熔模鑄造物件(例如渦輪機翼、葉片或噴嘴)的裝置,其消除了由于芯生成的構(gòu)件位置變化而導(dǎo)致的加工/測量錯誤的可能,或至少使該可能減為最小,并且允許相對于任何芯偏移而在芯生成的構(gòu)件上進行精密加工;這些偏移可發(fā)生于鑄造期間,或作為設(shè)計變化/改動的結(jié)果而需要進行偏移。


      通過結(jié)合附圖來閱讀以下現(xiàn)有優(yōu)選典型實施例的詳細描述,將更好地理解本發(fā)明的這些和其他特征和優(yōu)勢,附圖中相同的參考數(shù)字代表相同的元件圖1是用來生產(chǎn)空心熔模鑄造金屬物件的示例工藝流程圖的示意圖,金屬物件具有基于芯的基準(zhǔn)參照系,以確立內(nèi)部芯生成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位置;圖2是空心機翼渦輪部件的示例熔模鑄件的側(cè)視圖;圖3是沿圖2的a’-a’線截取的渦輪機翼鑄件的頂部剖視圖;圖4是渦輪機翼鑄件的透視圖,說明了示例主基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和基于芯的示例基準(zhǔn)片;以及圖5是圖4的渦輪機翼特寫的剖視頂視圖,說明了示例渦輪機翼的鑄件內(nèi)部結(jié)構(gòu),該渦輪機翼具有一套芯生成的示例基準(zhǔn)片。
      具體實施例方式
      在下列描述中,僅出于解釋而不是限制的目的,對于自由浮動陶瓷芯的特定細節(jié)進行闡述,該陶瓷芯用于鑄造燃氣渦輪發(fā)動機的部件,其中當(dāng)芯移走后,芯在鑄造物件內(nèi)形成冷卻通道。本發(fā)明不限于在此說明的特定實例,可利用其他熔模鑄造芯來實施本發(fā)明,從而制成用于多種金屬和合金的其他應(yīng)用的多種鑄件。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解此后討論的非限定性實例可以應(yīng)用到偏離這些特定細節(jié)的其他實施例中。
      圖1中說明了熔模鑄造空心金屬物件的示例工藝流程圖,金屬物件如渦輪機翼,其具有基于芯的基準(zhǔn)參照系,用于確定內(nèi)部芯生成的幾何形狀的位置,以便隨后的測量或加工操作。最初,設(shè)計陶瓷芯件,其將產(chǎn)生空心渦輪機翼的理想內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件。如在101塊所示,特定基準(zhǔn)區(qū)域(如具有正或負位移的小的人造物品/結(jié)構(gòu))包括在芯設(shè)計中,從而產(chǎn)生基準(zhǔn)片,該基準(zhǔn)片與芯生成的鑄件內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件成為一體。芯基準(zhǔn)片最好合并入鑄件的芯印相(print-out)或映射(flash)部分,該部分可在隨后的加工階段去除。接下來,如在塊102中所示,將具有整體式基準(zhǔn)片區(qū)域的芯件放置到機翼的模型模子中,并且將揮發(fā)性模型材料(如塑膠或蠟)圍繞芯注入模型模子中。接下來,如在程序塊103-107中所示,執(zhí)行常規(guī)失蠟熔模鑄造工藝來生成空心金屬物件。在去除殼和芯后(塊106和107),鑄造金屬部件具有基于芯的基準(zhǔn)片的裝置,該片可作為精確參照系,用來定位內(nèi)部幾何形狀和由去除的芯件產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位置,如在塊108所示。
      圖2和3顯示了燃氣渦輪機翼部件的典型熔模鑄造的各自側(cè)視圖和剖視圖。在圖2中,顯示了機翼主體鑄件200以及芯件201,芯件用于產(chǎn)生機翼部件的空腔和內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件。機翼主體200的外部凸起部分203用來提供主基準(zhǔn)系統(tǒng)203。同時顯示的是芯件201的典型區(qū)域202,其用于產(chǎn)生基于芯的(第二)基準(zhǔn)系統(tǒng)。此區(qū)域易于到達,并且通過隨后的加工,很容易去除位于此處的芯印相或映射部分。在此實例中,由芯部分202產(chǎn)生的芯印相部分(或映射部分)最好包括兩個或更多基準(zhǔn)片的基于芯的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。圖3顯示了圖2在線a’-a’處的剖面圖,其說明了芯生成的示例結(jié)構(gòu)構(gòu)件,如可以形成渦輪機翼部件的內(nèi)部空氣冷卻通道的肋301以及空腔部分302。
      現(xiàn)在參考圖4,顯示了示例機翼鑄件400的透視圖,其既說明了包括如片401和402的外部固定主基準(zhǔn)結(jié)構(gòu),也說明了包括基準(zhǔn)片404、405和406的第二芯生成的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。在此實例中,芯生成的基準(zhǔn)片404、405和406與機翼鑄件400的芯印相部分403為一整體,并且位于其內(nèi)部。雖然在此沒有明確顯示或說明芯件的詳細結(jié)構(gòu),該芯件用于產(chǎn)生圖4中說明的特殊內(nèi)部構(gòu)件以及基準(zhǔn)片,但普通技術(shù)人員可以理解生產(chǎn)該芯件的工藝在本技術(shù)領(lǐng)域中是通常已知的,并且使用公知的技術(shù)和材料能夠很容易地制作合適的陶瓷芯件;該芯件將在生成的鑄件中產(chǎn)生特殊構(gòu)件。在本實例中,該芯必然被制作得包括這樣的部分,其為圖4中顯示的機翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基準(zhǔn)片的反面或負面部分。
      在圖5中,更詳細地顯示了圖4的基于芯的示例基準(zhǔn)系統(tǒng)。在本實例中,若干形成機翼500的基于芯的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)片501、502和503位于芯的印相或映射部分505內(nèi),并且與其成為一體,而芯印相或映射部分連接到機翼空腔內(nèi)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件504上,并且從內(nèi)結(jié)構(gòu)構(gòu)件上504延伸出去。雖然在此討論的非限定實例裝置中,基準(zhǔn)片顯示為正區(qū)域,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解根據(jù)如空間約束、合金類型以及最佳鑄件特性等因素,可使用芯的正區(qū)域或負區(qū)域來產(chǎn)生基準(zhǔn)片。
      雖然對本發(fā)明結(jié)合目前被認為是最實際和優(yōu)選的實施例一起進行了描述,但可以理解本發(fā)明不限于公開的實施例,相反,其應(yīng)包括在后附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的各種變動和等價的裝置。
      部件列表程序塊101-108機翼主體鑄件 200芯件 201芯基準(zhǔn)區(qū)域202主基準(zhǔn)系統(tǒng)203芯剖面300肋301空腔部分 302機翼鑄件 400主基準(zhǔn)片 401,402第二基準(zhǔn)片404,405,406機翼 500芯(第二)基準(zhǔn)片501,502,503芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件 504映射部分 50權(quán)利要求
      1.一種用于確定如燃氣渦輪機翼或噴嘴部件之類的空心熔模鑄造物件(400)中芯產(chǎn)生的構(gòu)件的位置的方法,所述熔模鑄造物件至少部分基于自由浮動芯設(shè)計,該方法包括提供包括若干基準(zhǔn)片(404、405、406)的基于芯的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu),基準(zhǔn)片由芯產(chǎn)生,并且與芯生成的印相或映射部分(403)的一部分成為一體,所述基于芯的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)不包括任何與所述鑄造物件(400)的外部成一整體的固定基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(401、402);以及在鑄造所述物件后,使用所述多個基準(zhǔn)片(404、405、406)作為內(nèi)部芯生成的構(gòu)件的幾何參照系。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于多個片(404、405、406)與芯生成的印相或映射部分(403)的一部分成一整體,在隨后的加工操作期間,將去除該部分。
      3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其特征在于在燃氣渦輪機翼(400)或噴嘴部件的內(nèi)部空腔部分上,形成多個基準(zhǔn)片(404、405、406)。
      4.一種用于至少具有一個內(nèi)空腔的渦輪機翼部件(400)的熔模鑄造的陶瓷芯(201),所述芯(201)包括至少一個部分,其產(chǎn)生印相區(qū)域(403),該區(qū)域可通過隨后的加工而從鑄造機翼部件(400)上去除,該區(qū)域包括若干基準(zhǔn)片(404、405、406),該基準(zhǔn)片位于形成所述可去除印相區(qū)域的芯的部分上,其中,所述多個基準(zhǔn)片(404、405、406)提供了參照系,用來定位機翼部件(400)的芯生成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件。
      5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的陶瓷芯(201),其特征在于所述多個基準(zhǔn)片(404、405、406)位于芯的形成了鑄造機翼部件(400)的內(nèi)部空腔部分的部分上。
      6.一種制造如渦輪機翼或噴嘴部件之類的空心鑄造物件(200,500)的方法,其使用至少部分基于自由浮動芯設(shè)計的熔模鑄造工藝,該方法包括形成芯結(jié)構(gòu)(201),其具有若干整體式的正或負基準(zhǔn)區(qū)域,用于在熔模鑄造物件(200、500)上產(chǎn)生基準(zhǔn)片(501、502、503),其中,所述多個基準(zhǔn)區(qū)域與芯結(jié)構(gòu)的一部分成一整體,該芯結(jié)構(gòu)的一部分產(chǎn)生可通過隨后的加工從鑄造物件去除的芯印相或映射區(qū)域(202、505);圍繞所述芯結(jié)構(gòu),模制所述物件的揮發(fā)材料模型;產(chǎn)生所述揮發(fā)材料模型和芯結(jié)構(gòu)的熔模鑄件;從鑄件中去除芯結(jié)構(gòu);在鑄造物件的內(nèi)部芯生成的構(gòu)件上進行加工操作,其中基準(zhǔn)片(501、502、503)用來作為幾何參照系,以精確定位所述內(nèi)部芯生成的構(gòu)件(504)。
      7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,進一步包括去除所述包含所述基準(zhǔn)片(501、502、503)的芯印相或映射區(qū)域(505)。
      8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其特征在于該芯是陶瓷的。
      9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其特征在于基準(zhǔn)區(qū)域位于芯的形成鑄件的內(nèi)部空腔部分的一部分上。
      10.一種空心渦輪機翼(200、500)或噴嘴部件的熔模鑄造方法,其使得能夠精密加工和/或測量所述部件的內(nèi)部芯生成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件(504),該方法包括形成芯結(jié)構(gòu)(201),其具有若干整體式基準(zhǔn)區(qū)域,用于在鑄造物件(200)上產(chǎn)生基準(zhǔn)片,其中,基準(zhǔn)片(501,502,503)用來作為幾何參照系,用來精確定位所述內(nèi)部芯生成的構(gòu)件。
      全文摘要
      第二基準(zhǔn)方案用于確定空心熔模鑄造金屬部件的芯生成的內(nèi)部幾何形狀的位置,使用自由浮動的芯設(shè)計來制造該金屬部件,從而實現(xiàn)復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件(504)。在芯印相的可去除部分(505)上鑄造一套基準(zhǔn)片(501、502、503),以提供第二參照系。此第二參照系精確地確定了部件的芯生成的內(nèi)部幾何形狀的位置,但不包括任何固定的外部主基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)/系統(tǒng),由此例如可在隨后操作中在該內(nèi)部構(gòu)件上實現(xiàn)精密加工和測量。
      文檔編號B22D25/02GK1693014SQ20051006678
      公開日2005年11月9日 申請日期2005年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月6日
      發(fā)明者R·H·迪瓦恩二世, G·M·伊特澤 申請人:通用電氣公司
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