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一种双辐板涡轮盘结构及其熔模铸造定心方法

文献发布时间:2023-06-19 18:37:28


一种双辐板涡轮盘结构及其熔模铸造定心方法

技术领域

本发明涉及航空发动机涡轮领域,特别涉及一种双辐板涡轮盘结构及其熔模铸造定心方法。

背景技术

在轴流式叶轮机械中,涡轮盘是发动机的关键部件。公开号为US5961287A,公开日期为1999-10-05的美国专利申请中提到一种新型的、区别于以前单辐板的双辐板涡轮盘。这种涡轮盘由轴向上前后两个辐板组成,两个辐板围成一个中心盘腔。相比传统的单辐板涡轮盘,该结构形式具有承载能力强,热惯量和机械惯量小,重量轻的特点,可以有效实现发动机涡轮部件结构的减重。

在已有公开的专利技术(CN202111310661.0,CN202011106872.8,CN202011114296.1)中,双辐板盘的主要成型工艺为:采用锻造方式制造两个单独的半盘结构,然后再机械加工盘体表面和一些重要的结构,譬如内部流道、冷却管路等,最后将两个半盘焊接到一起,再整体加工。但是这种方式有以下几个缺陷:对接焊为一体的两个半盘,通常较厚,为确保可以将全部接触部位焊接为一体,所需的焊接能量往往大,产生极高的工艺高温,破坏组织结构,不仅焊缝的性能低于原材料,而且会影响原基体材料的性能;焊接高温容易造成零件的变形,尤其是盘体内部。当焊接为一体后,盘体内部无法再精密加工,必然影响盘体内部精密结构的设计使用效果。采用精密机械加工方式制造的对半涡轮盘,受限于加工设备与工艺,一些复杂或异形的局部冷却结构难以实现。

发明内容

有鉴于此,本发明提供了一种双辐板涡轮盘的熔模铸造定心方法,以解决现有技术中双辐板盘的主要成型工艺采用分开锻造导致缺陷较大,盘体内部精密结构的设计使用效果较差的技术问题。

本发明的技术方案具体如下:一种双辐板涡轮盘结构的熔模铸造定心方法,包括:将陶瓷型芯通过夹持外端圆柱和内端肋的方式进行固定,外端圆柱穿过双辐板涡轮盘结构的外缘,内端肋穿过双辐板涡轮盘结构的盘心处冷气进气孔;分别根据轴向定位基准、径向定位基准和周向定位基准外端圆柱将陶瓷型芯的夹持结构通过双辐板涡轮盘结构的夹持机构进行固定,以完成陶瓷型芯的定心过程。

进一步的,陶瓷型芯定心后,以周向定位基准外端圆柱和径向定位基准为基准,检查周向定位基准外端圆柱,型芯主体、内端肋的尺寸公差,使得型面轮廓度、位置度偏差小于或等于0.02。

进一步的,完成陶瓷型芯的定心过程之后,所述熔模铸造定心方法还包括:根据定心处理完成后的陶瓷型芯进行熔模铸造,获得浇铸模型;使用所述浇铸模型进行浇铸,浇铸完成后进行冷却处理,获得双辐板涡轮盘结构的毛坯结构;对所述毛坯结构的铸造质量进行检验,对检验合格的所述毛坯结构进行固溶处理,并通过机械加工进行外部设计结构,获得双辐板涡轮盘结构。

本发明还提供了一种双辐板涡轮盘结构,双辐板涡轮盘结构通过一种双辐板涡轮盘结构的熔模铸造定心方法定心浇铸而成,双辐板涡轮盘结构包括:榫槽,位于双辐板涡轮盘的盘缘,沿双辐板涡轮盘的周向方向间隔均匀分布,每个榫槽的槽底处均对应连接一离散孔,离散孔沿双辐板涡轮盘的径向方向延伸;辐板结构,包括第一辐板和第二辐板,第一辐板和第二辐板分别与榫槽的根部连接,第一辐板和第二辐板之间设置有间隔均匀分布的加强肋形成盘心结构,各加强肋之间设置有冷气进气孔,第一辐板、第二辐板和加强肋形成内部空腔结构。

进一步的,双辐板涡轮盘通过陶瓷型芯进行固定,陶瓷型芯包括:外端圆柱,外端圆柱位于型芯主体的外缘,沿陶瓷型芯的周向间隔均匀分布,外端圆柱与离散孔对应设置;型芯主体,型芯主体一端与外端圆柱连接,且沿着外端圆柱向陶瓷型芯的轴心方向厚度递增,外端圆柱与型芯主体之间具有过渡倒圆;定位结构,定位结构通过内端肋与型芯主体连接,内端肋沿着陶瓷型芯的周向间隔均匀设置,内端肋根部具有第一倒圆和第二倒圆;夹持结构,夹持结构与定位结构连接构成台阶式结构,其中,夹持结构与定位结构连接处具有第三倒圆。

进一步的,外端圆柱的直径大于或等于1mm。

进一步的,内端肋的厚度大于或等于1mm。

进一步的,夹持结构的端面直径大于或等于5mm,长度大于或等于5mm。

与现有技术相比,本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括:本发明提供一种双辐板涡轮盘结构的熔模铸造定心方法,将陶瓷型芯通过夹持外端圆柱和内端肋的方式进行固定,外端圆柱穿过双辐板涡轮盘结构的外缘,内端肋穿过双辐板涡轮盘结构的盘心处冷气进气孔;将陶瓷型芯的夹持结构分别根据轴向定位基准、径向定位基准和周向定位基准外端圆柱,通过双辐板涡轮盘结构的夹持机构进行固定,完成陶瓷型芯的定心过程。通过对陶瓷型芯进行精准定位,确保了双辐板涡轮盘在熔模铸造过程中毛坯的性能,避免了焊接等特殊工艺带来的局部缺陷,确保整体涡轮盘的力学性能均匀,并且实现了极大地提高生产效率的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例的一种双辐板涡轮盘的熔模铸造定心示意图;

图2是本发明实施例的双辐板涡轮盘结构示意图;

图3是本发明实施例的陶瓷型芯结构示意图;

图4为本发明实施例的陶瓷型芯局部放大示意图。

图中附图标记:1、双辐板涡轮盘结构;101、榫槽;102、离散孔;103、内部空腔结构;104、加强肋;105、盘心孔;106、冷气进气孔;107、压紧端面;108、第一辐板;109、第二辐板;2、陶瓷型芯;201、外端圆柱;202、型芯主体;203、内端肋;204、定位结构;205、夹持结构;206、过渡倒圆;207、第一倒圆;208、第二倒圆;209、第三倒圆;210、轴向定位基准;211、径向定位基准。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。

在本发明实施例中,提供了一种双辐板涡轮盘结构的熔模铸造定心方法,如图1所示,所述方法包括:将陶瓷型芯2通过夹持外端圆柱201和内端肋203的方式进行固定,其中,外端圆柱201穿过双辐板涡轮盘结构1的外缘,内端肋203穿过双辐板涡轮盘结构1的盘心处冷气进气孔106;分别根据轴向定位基准210、径向定位基准211和周向定位基准外端圆柱201将陶瓷型芯2的夹持结构205通过双辐板涡轮盘结构1的夹持机构进行固定,以完成陶瓷型芯2的定心过程。

本发明提供一种双辐板涡轮盘结构的熔模铸造定心方法,将陶瓷型芯通过夹持外端圆柱和内端肋的方式进行固定,外端圆柱穿过双辐板涡轮盘结构的外缘,内端肋穿过双辐板涡轮盘结构的盘心处冷气进气孔;将陶瓷型芯的夹持结构分别根据轴向定位基准、径向定位基准和周向定位基准外端圆柱,通过双辐板涡轮盘结构的夹持机构进行固定,完成陶瓷型芯的定心过程。通过对陶瓷型芯进行精准定位,确保了双辐板涡轮盘在熔模铸造过程中毛坯的性能,避免了焊接等特殊工艺带来的局部缺陷,确保整体涡轮盘的力学性能均匀,并且实现了极大地提高生产效率的技术效果。

如图1和图2所示,本发明第一实施例所提供的一种双辐板涡轮盘结构的熔模铸造定心方法具体包括:将陶瓷型芯2通过夹持外端圆柱201和内端肋203的方式进行固定,其中,外端圆柱201穿过双辐板涡轮盘结构1的外缘,内端肋203穿过双辐板涡轮盘结构1的盘心处冷气进气孔106;将分别根据轴向定位基准210、径向定位基准211和周向定位基准外端圆柱201将陶瓷型芯2的夹持结构205通过双辐板涡轮盘结构1的夹持机构进行固定,以完成陶瓷型芯2的定心过程。

进一步的,陶瓷型芯2成型后,以周向定位基准外端圆柱201和径向定位基准211为基准,检查周向定位基准外端圆柱201,型芯主体202、内端肋203的尺寸公差,使得型面轮廓度、位置度偏差小于或等于0.02。

具体而言,针对具有中心孔的涡轮盘,采用等轴晶熔模铸造方式生产涡轮盘毛坯,主要步骤包括:定心、注蜡、脱模、沾浆、脱蜡、浇铸、保温、脱芯、检验,检验合格的涡轮盘毛坯再通过精密机械加工,实现榫齿、中心孔等外部设计结构。涡轮盘定心过程为陶瓷型芯基于双辐板涡轮盘结构,在外部浇铸模具中进行的固定,如图1和图2所示,涡轮盘毛坯铸造时,涡轮盘外缘无榫槽结构。为确保陶瓷型芯2的精确定位,采用两端加持方式:陶瓷型芯2的外端圆柱201穿过双辐板涡轮盘结构1外缘,内端肋203穿过盘心处冷气进气孔106;夹持结构205通过双辐板涡轮盘结构1上的其他夹持机构进行固定,其中210为轴向定位基准,211为径向定位基准,外端圆柱201为周向定位基准。陶瓷型芯成型后,必须以外端圆柱201以及径向定位基准211为基准,检查外端圆柱201,型芯主体202以及内端肋203以及陶瓷型芯2其他部位的尺寸公差,确保型面轮廓度、位置度偏差不超过0.02。通过两端夹持以及多个定位基准对陶瓷型芯2进行精确定位,保证了涡轮盘毛坯的浇铸质量和性能。

进一步的,完成陶瓷型芯2的定心过程之后,包括:根据定心处理完成后的陶瓷型芯2进行熔模铸造,获得浇铸模型;使用所述浇铸模型进行浇铸,浇铸完成后进行冷却处理,获得双辐板涡轮盘结构1的毛坯结构;对所述毛坯结构的铸造质量进行检验,对检验合格的所述毛坯结构进行固溶处理,并通过机械加工进行外部设计结构,获得双辐板涡轮盘结构1。

具体而言,完成陶瓷型芯2的定心过程之后,按照熔模铸造的步骤:定心、注蜡、脱模、沾浆、脱蜡、浇铸、保温、脱芯、检验对双辐板涡轮盘结构进行浇铸。优选的,浇铸完成后,高温涡轮盘毛坯采用保温自然冷却的方式进行冷却;

优选的,采用X光与荧光等无损探伤方式,检验毛坯的铸造质量;

优选的,检验合格的毛坯需进行固溶热处理,消除铸造过程中的热应力,然后方可进行机械加工;

优选的,优选的,机械加工完成的双辐板涡轮盘结构1,需进行固溶-时效热处理,确保零件组织稳定,提高性能。

进一步而言,对检验合格的所述毛坯结构进行固溶处理,并通过机械加工进行榫槽、中心孔等外部结构的设计加工,从而获得双辐板涡轮盘结构1。通过采用整体铸造方式,避免了焊接等特殊工艺带来的局部,尤其是榫齿关键部位的力学性能下降的缺陷,确保整体涡轮盘的力学性能均匀,且保证了双辐板涡轮盘结构1内部结构设计、加工的精度。

此外,如图2所示,本发明实施例还提供了一种双辐板涡轮盘结构1,双辐板涡轮盘结构1通过本发明实施例所提供的一种双辐板涡轮盘结构的熔模铸造定心方法定心浇铸而成,双辐板涡轮盘结构1包括:榫槽101,位于双辐板涡轮盘结构1的盘缘,沿双辐板涡轮盘结构1的周向方向间隔均匀分布,每个榫槽101的槽底处均对应连接一离散孔102,离散孔102沿双辐板涡轮盘结构1的径向方向延伸;辐板结构,包括第一辐板108和第二辐板109,第一辐板108和第二辐板109分别与榫槽101的根部连接,第一辐板108和第二辐板109之间设置有间隔均匀分布的加强肋104形成盘心结构,各加强肋104之间设置有冷气进气孔106,第一辐板108、第二辐板109和加强肋104形成内部空腔结构103。

具体而言,双辐板涡轮盘结构1如图2所示,双辐板涡轮盘结构1通过本发明实施例提供的一种双辐板涡轮盘结构的熔模铸造定心方法进行定心并铸造而成,其中,榫槽101用于装配涡轮叶片,离散孔102与榫槽101一一对应,冷气进气孔106位于相邻两个加强肋104之间,内部空腔结构103两侧为双辐板结构,包括第一辐板108和第二辐板109,加强肋104通过盘心结构,盘心处具有盘心孔105,盘心孔105连通第一辐板108和第二辐板109,位于第二辐板109一侧的结构为压紧端面107,在对涡轮盘进行端面压紧时,加强肋104可以确保涡轮盘的刚度,避免涡轮盘的左右辐板盘被压断。

优选的,离散孔102孔径小于榫槽101的最小宽度。

进一步的,双辐板涡轮盘结构1通过陶瓷型芯2进行固定,如图3和图4所示,陶瓷型芯2包括:外端圆柱201,外端圆柱201位于型芯主体202的外缘,沿陶瓷型芯2的周向间隔均匀分布,外端圆柱201与离散孔102对应设置;型芯主体202,型芯主体202一端与外端圆柱201连接,且沿着外端圆柱201向陶瓷型芯2的轴心方向厚度递增,外端圆柱201与型芯主体202之间具有过渡倒圆206;定位结构204,定位结构204通过内端肋203与型芯主体202连接,内端肋203沿着陶瓷型芯2的周向间隔均匀设置,内端肋203根部具有第一倒圆207和第二倒圆208;夹持结构205,夹持结构205与定位结构204连接构成台阶式结构,其中,夹持结构205与定位结构204连接处具有第三倒圆209。

优选的,外端圆柱201的直径大于或等于1mm。

优选的,内端肋203的厚度大于或等于1mm。

优选的,夹持结构205的端面直径大于或等于5mm,长度大于或等于5mm。

具体而言,双辐板涡轮盘结构1通过陶瓷型芯2进行定位,如图3和图4所示,陶瓷型芯2结构中,外端圆柱201用于构成盘缘处涡轮叶片内部冷气通道的离散孔102;型芯主体202构成涡轮盘内部空腔结构103,此外还是陶瓷型芯2的辅助定位结构;内端肋203构成涡轮盘中心处的冷气进气孔106;定位结构204为陶瓷型芯2与涡轮盘中心孔配合的定位结构。通过双辐板涡轮盘结构1与夹持结构205之间的精确定位,再由型芯主体202进行辅助定位,可以保证涡轮盘内部结构的尺寸精度。在图4陶瓷型芯2的局部放大图中,过渡倒圆206为外端圆柱201与型芯主体202之间的倒圆,以避免局部尖角导致的涡轮盘局部应力集中,另外可以避免铸造过程中的局部浇铸不足;同时在构成离散孔102的部位增加倒圆,可以避免入口处流动分离,显著改善进入叶片内的冷气流量。第一倒圆207与第二倒圆208为内端肋203的根部倒圆,用于避免涡轮盘局部应力集中以及铸造过程中局部浇铸不足。此外,夹持结构205与定位结构204连接处具有第三倒圆209。

优选的,过渡倒圆206与第一倒圆207的尺寸不小于R1。

本发明实施例实现了如下技术效果:

1.采用整体铸造方式,避免了焊接等特殊工艺带来的局部,尤其是榫齿关键部位的力学性能下降缺陷,确保整体涡轮盘的力学性能均匀。采用整体熔模铸造,由于可以同步进行多个涡轮盘毛坯的制备,能够极大地提高生产效率,避免原焊接方式带来的工序繁多、生产周期较长的问题,同时可以降低生产成本;

2.采用双辐板方案,可以极大降低整体涡轮盘的重量,提高发动机性能;

3.通过对陶瓷型芯进行精准定位,确保了双辐板涡轮盘在熔模铸造过程中毛坯的性能,从而进一步提高了双辐板涡轮盘的性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

技术分类

06120115630821