[发明专利]精铸涡轮叶片模具型腔精确定型方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种模具型腔的定型方法。

背景技术

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。

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一个关键。目前，模具型腔的设计仍采用在X、Y、Z三个方向按照线性方法简单给出的综合收缩率计算型面。显然这种方法有不合理之处，由于叶片的形状复杂，导致铸件冷却时散热不均，因而叶片各点的变形并不一致，必须经过多次的反复修模试模后，才能获得符合精度要求的产品。故这种不精确的反变形处理设计模具型腔试模次数多，模具的制造周期长，不能满足模具生产短周期、高精度的要求。随着大型有限元分析软件用于实际加工生产，目前已有利用数值模拟手段定量化反变形处理的模具型腔设计方法(中国专利申请号：200710028749.7，申请日2007年6月22日)，对于提高模具设计效率，减少制造周期起到一定的作用。但反变形算法所使用的松弛因子仍采用经验确定，此种方法仍然难以有效直接用于生产加工过程中。

发明内容

为了克服现有技术不能精确设计模具型腔的不足，本发明提供一种基于数值模拟的精铸模具型腔设计方法，其结果可直接用于涡轮叶片精铸模具型腔的设计，解决目前同类模具设计的周期长、效率低、精度低的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

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(h_c)为仿真温度值，_T′为与T(h_c)对应的测量温度值，n为布置的热点偶个数，即未知界面换热系数个数。建立迭代关系式T^k+1＝T^k+ΔT。式中：T^k+1为第k+1次迭代结果，T^k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(h_c)与测量温度值之差的绝对值|T^k-T′|小于指定的精度要求(可以取为10^-3)时，即迭代结果趋近于测温点温度时，有，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h_c。

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，这里可以取为涡轮叶片模具型腔修模时所用的经验收缩率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，W_xy(x₁，y₁)表示两个离散点之间的位移变化量。

步骤6