用于涡轮机叶片的铸件陶瓷型芯的制造方法

摘要

本发明涉及一种制造铸件陶瓷型芯(10)的方法，该型芯尤其用于涡轮机叶片的制造，它至少包含一个凹槽，用于形成分隔物，该方法包括：在模具中把含陶瓷颗粒填料和有机粘合物的混合物成形、从模具中取出型芯、除去粘合物和热处理强化型芯。该方法的特征为：在所述模具中形成没有所述凹槽的型芯粗铸件(10)，当粗铸件从模具中取出后，在热处理操作前，对所述凹槽(10AB，10BC，10CD，10DE，10EF，10FG)进行机械加工。尤其是机械加工操作通过铣销方式伴随着切下的屑片机械完成。本发明还涉及一种适于执行本方法的刀具。

权利要求

一种制造铸件陶瓷型芯的方法，该型芯用于使用失蜡法制造涡轮机叶片，该型芯至少包含一个凹槽，用于形成分隔物，该方法包括：在模具中把含陶瓷颗粒填料和有机粘合物的混合物成形，从模具中取出型芯，除去粘合物和热处理强化型芯，其特征在于在所述模具中形成没有所述凹槽的型芯粗铸件(10)，当粗铸件从模具中取出后，在除去粘合物和热处理操作前，对所述型芯进行机械加工，形成凹槽(10AB，10BC，...，10FG)。

2.如权利要求1所述的方法，其中机械加工操作通过铣销方式，伴随着屑片的切除。

3.如权利要求2所述的方法，其中机械加工连续走刀完成，加工厚度为0. 1到2mm。

4.如权利要求1、2或3所述的方法，其中机械加工操作在一个三轴的铣床上由铣刀铣 去用料来完成。

5.如权利要求1、2或3所述的方法，其中机械加工操作在一个四轴或五轴的铣床上由 铣刀铣去用料来完成。

6.如权利要求1所述的方法，其中机械加工操作包括一个在粗铸件表面和凹槽之间部 分导圆角的步骤。

7.如权利要求1、2、3或6所述的方法，其中制造包含多个凹槽的型芯时，用于该型芯的 模具包括许多移动子元件，但移动子元件的数量比型芯上凹槽的数量要少。

8.如权利要求1、2、3或6所述的方法，其中凹槽是贯通开口，浇铸后在涡轮机叶片冷却 回路形成起分隔作用的隔离物。

9.如权利要求1、2、3或6所述的方法，其中凹槽是贯通开口，浇铸后在涡轮机叶片拖尾 缘的两个冷却液体排放钻孔间形成起分隔作用的隔离物。

10.如权利要求1、2、3或6所述的方法，其中凹槽是非贯通开口，浇铸后构成打碎气流 的特征。

11.如权利要求1或2所述的方法，其中铣削使用一种铣销刀具，该铣销刀具包含一直 径在0. 3到0. 8mm范围内的刀头（IOOA)和螺旋切削槽（IOOB)，螺旋倾角范围在40到60度 之间。

说明书

用于涡轮机叶片的铸件陶瓷型芯的制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及使用蜡模铸造技术进行元件制造，如涡轮机金属叶片制造，该叶片具 有复杂几何形状的内部空腔，专门构成冷却回路。

背景技术

[0002] 这种叶片装置的制造包括用蜡或其他一些等价物制成包含内部元件的模型的步 骤，该内部元件构成铸件型芯并形成叶片上的空腔特征。使用蜡用注模来形成模型，型芯置 于模具中，把蜡注进去。然后，蜡质模型在含有陶瓷颗粒悬浊液中浸数次形成外壳模具。除 去蜡质，对外壳模具进行烘焙。熔化的金属倒入模具中，充满外壳模具内壁与型芯之间的空 间，得到叶片装置。使用添加剂或适当的选择器和控制冷却，金属以希望的结构凝固。视合 金的性质和铸造操作中生成的元件的期望属性，可以是柱状结构的定向凝固（DS)，可以是 单晶结构的定向凝固（SX)，或是等轴凝固（EX)。前两族元件与超耐热合金有关，超耐热合 金用于高强度元件，热强度和机械强度，用在飞机引擎上，如HP涡轮引擎。

[0003] 当合金凝固后，敲出外壳和型芯。得到希望的叶片装置。

[0004] 所用的铸件型芯由孔状结构的陶瓷制成。它们由一种混合物制成，这种混合物 包含耐火填料和或多或少的合成有机部分，合成有机部分构成粘合物。专利EP328452、FR 2371257或FR 1785836给出了成分样例。众所周知，铸件型芯使用注铸机浇铸形成。成形 后接下来的是粘合物除去操作，在该过程中，型芯的有机部分视用料通过升华和热降解的 方式除去。这就形成孔状结构。然后铸件型芯在炉中进行热处理强化。为了除去和修补分 界线痕迹，获得最终的型芯几何体，还需要完成步骤。为了完成此目的需要使用研磨工具。 还可能需要强化型芯，避免型芯在以后的循环使用中损坏。如果这样，那么要在型芯中注入 有机树脂。

[0005] 由于型芯的复杂几何形状，尤其是由于凹槽，该凹槽当合金浇铸后形成分隔物，用 于成形型芯的模具有时需要大量的活动子元件。这些子元件的分隔物关于工具主开口方向 具有凹割。这些是相对于保护铸件不被取出的模具壁稍微倾斜的区域。但是，与分隔物相 应的子元件允许通过直接注入形成整个型芯。

[0006] 这种技术通常用于需要制造大量型芯的场合。这是引擎元件制造中连续制造的情 形。但是，当只制备数量有限的型芯时这种技术就有缺点了，例如在引擎开发程序中。制造 具有大量子元件的注模工艺装置很耗时间，这对于简单开发来说太过了。此外，手工完成操 作耗时而且耗工。

[0007] 因此，开发飞机引擎时，向包含多个子元件的箱体中注入的方法不能快速经济地 跟上型芯设计的变化。此外，型芯拖尾缘要求的厚度越来越薄。通过已知方法很难获得这 样的型芯。

[0008] 为了解决这些问题，一个已知的技术是使用没有凹割分隔物的简化模具来制造陶 瓷型芯。型芯在烘焙后进行机械加工以成形凹槽，该凹槽形成隔离物、气流打碎特征和拖尾 缘钻孔。但是，这种技术也有缺陷。因为陶瓷没有塑性域，机械加工要通过磨损来完成。为了达到这个目的，需要使用钻石头工具，这种工具非常昂贵。不仅如此，工具很快就磨损了， 型芯的尺寸要求得不到保证。此外，型芯彼此收缩不均勻，这意味着如果要保证上述的尺寸 公差，需要使用自适应机器。自适应机器使用适当的测量手段测量每个型芯的尺寸，然后用 测量数据与记录在有关期望型芯尺寸的数字文件的数据比较。根据型芯实测值和数字文件 中的值之间的差值，软件计算工具的轨线。这些操作需要每个型芯都进行一次。

[0009] 还有一种适用于引擎开发程序的方法，包括使用机器激光烧结陶瓷颗粒，连续增 加陶瓷层，一层一层构成型芯，或是另外一种选择，使用机器激光固化载有陶瓷颗粒的树 脂，在陶瓷烧结之前，粘合物就被从该树脂中去除。尽管这些技术不使用注模工具，型芯形 成时间还是相当长。此外，尺寸很难控制，尤其是生产用于拖尾缘非常薄的移动叶片的型-I-H心。

[0010] 发明专利内容

[0011] 根据本发明，通过使用一种制造铸件型芯的方法，这些问题得到了解决，该型芯包 含至少一个凹槽，如分隔物凹槽，尤其用于涡轮机叶片。该方法包括：在模具中把含陶瓷颗 粒填料和有机粘合物的混合物成形、从模具中取出型芯、除去粘合物和热处理强化型芯。该 方法的特征为：在所述模具中形成没有所述凹槽的型芯粗铸件，当粗铸件从模具中取出后， 在热处理操作前，对所述凹槽进行机械加工。

[0012] 通过本发明，减小了获得铸件型芯所需的成本和时间。使用注模铸造在具有呈现 凹割的分隔物的模具中获得型芯的时间是三到四个月，使用本发明时间减少至三到四个星 期。本方法还大大增加了应对设计中的改变的灵活性和应变性，而且在获得更薄的拖尾缘 方面作出贡献，能够比现有技术获得更薄的拖尾缘，达0. 1-0. 3mm。而且，通过本发明，型芯 的加工量减小了，从而减小了废品率。

[0013] 有利的是，机械加工操作通过铣销方式伴随着屑片的切除机械完成。实际上，有一 个惊人的发现，在铸造后、热处理强化前型芯能够进行加工。在这种状态时，型芯具有塑性 连续性，可以进行加工处理同时保持形状不变。此外，在铸造操作后（它们具有几何尺寸相 等），型芯彼此间具有同一的收缩。因此与先前的方法相反，不需要对型芯进行测量并与记 录在数字文件中的尺寸进行比较。在本发明中，不需要自适应机器。

[0014] 更为具体来说，型芯包括80% -85%的无机填料和15% -20%的有机粘合物。该 组成依照所介绍的专利申请中一个专利EP 328452。

[0015] 至于另一特征，机械加工通过刀具切除一定厚度的用料，切除厚度在0. 1到2mm之 间，连续走刀完成。尤其是机械加工操作在一个至少三轴最好四轴或五轴的铣床上由铣刀 铣去用料来完成。通过这种方法，机械加工可是自动化的。

[0016] 该技术允许不经过烘焙的型芯可从存在的CAD_CAM(计算机辅助设计/计算机辅 助制造）文件机械加工，不需要补偿在烘焙步骤造成的型芯收缩，此步骤中型芯收缩程度 彼此总是不同。不经过烘焙的型芯具与制造它的模具的尺寸一样。有利的是，在烘焙前的 型芯几何尺寸相同。

[0017] 至于另一特征，机械加工操作包括把粗铸件和凹槽间的部分导圆角的步骤。

[0018] 通过这种方法，可以制造与不同型芯结构元素对应的不同形状的凹槽。尤其是可 能制造一种贯通开口，一旦金属合金浇入，贯通开口形成在涡轮机叶片冷却回路上起分隔 作用的隔离物。同样有可能在浇铸后，形成在涡轮机叶片拖尾缘的两个冷却液排放钻孔间起分隔作用的隔离物。同样有可能形成不是贯通开口的凹槽，浇铸后形成打碎气流的特征。 其他形式也有可能。

[0019] 为了实现这种方法，使用一种铣销刀具，该包含一直径在0. 3到0. 8mm范围内的刀 头(100A)和螺旋切削槽（100B)，螺旋倾角范围在40到60度之间。

附图说明

[0020] 其他特征和优点通过阅读本发明方法结合附图的实施例描述将会变得一目了然。

[0021] 图1是冷却的涡轮机叶片的截面图。

[0022] 图2是从简化模具中取出后的型芯粗铸件立体图。

[0023] 图3是图2中的型芯依照本发明机械加工凹槽后的示意图。

[0024] 图4是图3的IV-IV向剖面图。

[0025] 图5所示为使用铣刀机械加工的方法。

具体实施方式

[0026] 接下来的描述依照本发明用于形成铸件型芯的应用，该型芯用于航空或陆地基地 使用的喷气式涡轮引擎高压涡轮机叶片。该实施例不受限制。

[0027] 如图1所示，涡轮机叶片1包括压力面表面IN，吸入面表面EX，引导缘BA和拖尾缘 BF，在航空用喷气式涡轮引擎高压涡轮机叶片的情况，叶片包含有内腔，该实例中是7个： IA到1G。拖尾缘包含一由最后一个腔体IG进给的开口，以使由于空气作用从压缩机中漏 出的冷却液能排走。

[0028] 腔体由分隔物IABUBC等彼此间隔。当这些叶片通过浇铸熔化的金属制造时，外 壳模具与型芯成为一体，型芯占据了在叶片上将要形成的腔体的空间。如图1所确定的那 样，型芯很复杂。尤其是它包含与分隔物相对应的凹槽，凹槽制造起来很困难。具体而言， 型芯通过在模具中注模铸造完成，模具中需要有凹割，以形成这些凹槽。传统技术是把模具 设计为具有子元件，子元件具有一定程度的活动性，以保证一旦用料注入模具后，型芯能被 取出。如上解释的那样，制造这种带有活动子元件的模具是一个非常漫长且耗资巨大的过 程。本发明的目的是制造象这样复杂结构的型芯但却不需要制造这样复杂的模具。

[0029] 依照本发明，可制造一种简化模具，也就是说制造一种没有子元件或至少含有较 少的子元件的模具。在本发明的意图中，如果模具至少含有一个凹槽，如分隔物凹槽，不包 含相应子元件，如果此凹槽通过机械加工成形，那么就说这个模具被简化了。图2所示为从 这种简化模具形成的型芯10。该型芯10包含与曲面体上腔体相对应的部分10A，与叶片根 部腔体相对应的部分IOB和构成在制造中处理时用到的手柄的部分10C。在曲面体顶端，还 可能看到部分10D，部分IOD与熟知的本领域的技术用语为“浴缸形突出物”相对应。本实 例中此部分与部分IOA由一横向凹槽分开。浇铸后，该凹槽形成“浴缸形突出物”的端壁。

[0030] 为生产该型芯粗铸件，制造一种适当的混合物。它尤其是一种与一无机填料结合 的有机粘合物。例如，该混合物依照专利申请EP 328452的教导制造。型芯妥善处理，它的 构成允许它使用铣刀加工铣去屑片。

[0031] 下一步是在粗铸件10上机械加工出没有通过铸造形成的凹槽。机械加工通过使 用图5所示的刀具完成。这是一个铣刀100，包含刀头100A和螺旋切削槽或沿刀杆的刃口IOOB0要加工的凹槽例如宽1mm。铣刀从合适的角度移到要机械加工的表面，在涡轮机叶片 的情况时，加工深度相对于表面在0. 1到0. 5mm之间。刀具转速和前进速率是固定的。因此 用料上的负载是有限的，避免了刀具挠曲。根据型芯上加工的凹槽的宽度，刀头直径在0.3 到0. 8mm之间。这种方式的机械加工过程中，连续几步铣销掉一定厚度的用料，直到型芯穿 透。在这个阶段中最好保持一定余量，当型芯完全穿透，以刀杆走刀，再获得精确的轮廓。

[0032] 最好是使用五轴数控机床，例如，三轴作铣刀空间定位，两轴作型芯定位。此机床 很容易编程来自动机械加工凹槽。

[0033] 通过导圆角操作，凹槽完成。刀具的切削速度、转速、路径和直径参数是确定的。

[0034] 现在，叶片装置型芯拖尾缘越来越薄。使用现有技术的注模铸造方法很难获得这 样的型芯。本发明方法允许制造拖尾缘相对较厚的粗铸件，然后把拖尾缘部分机械加工至 0. 15mm获得希望的厚度。

[0035] 图3和图4所示为机械加工后的型芯。凹槽10ABU0BC等为长形、或多或少轴向 贯穿、具有与它们形成的隔离物IABUBC等相等的宽度，一旦熔化的金属浇入外壳模具中 凹槽10ABU0BC等在元件上收缩。

[0036] 当型芯机械加工完成后，该方法到了铸件生产过程的另一步处理上。该过程包括 粘合物去除，也就是说除去有机粘合物。为了达到此目的，型芯加热到足以降解它所含的有 机成份的高温。然后其他步骤包括加热型芯至烧结制成它的陶瓷颗粒需要的温度。如果需 要另外的强化，则在它里面注入有机树脂。

[0037] 因为该方法是对成形型芯的模具的几何形状作了大大简化，所以本描述主要限于 分隔物凹槽。但是，它可延伸至型芯任何部分的机械加工。例如，本技术使生产非常薄的型 芯部分成为可能，如位于拖尾缘、包含通过从叶片冷却回路末尾里边排出的气体并注入到 气雾的排泄管的型芯部分。