空心涡轮叶片精铸蜡型壁厚控制方法研究

发布时间：2020-03-27 18:41

【摘要】：空心涡轮叶片是航空发动机的核心零件,目前主要采用熔模精密铸造工艺辅以机械加工方法制造。空心涡轮叶片壁厚精度是保证叶片强度以及冷却效率的重要指标,对叶片寿命具有决定性影响。根据精铸工艺流程,涡轮叶片壁厚精度主要由精铸蜡型壁厚精度进行保证。现阶段,国内空心涡轮叶片的壁厚严重超差、质量不稳定,已成为影响无余量空心涡轮叶片精铸合格率主要原因之一。因此,深入开展精铸蜡型壁厚控制方法研究,对于提升空心涡轮叶片的成型质量,保障高性能航空发动机的研制和批产,具有重要的理论意义和实际应用价值。本文围绕航空发动机空心涡轮叶片精铸蜡型壁厚精度控制难题,从蜡型模具陶芯定位夹紧工艺过程入手,综合运用刚体运动学、接触力学、计算几何以及有限元仿真等相关知识,对陶芯定位夹紧布局设计、定位元件尺寸补偿以及夹持工艺实现等问题展开深入研究,最终通过改善陶芯-蜡型位置的匹配关系,实现了空心涡轮叶片精铸蜡型壁厚的精确控制。论文主要研究内容如下:(1)陶芯定位布局优化:为揭示定位误差对陶芯定位精度的影响机制,首先基于刚体运动学知识,建立了陶芯定位误差传递模型;之后,根据静力平衡原理,建立了基于力平衡约束的陶芯定位布局优化模型;最后针对陶芯表面定位候选点离散分布特性,给出了基于遗传算法的陶芯定位布局优化求解策略。验证结果表明:基于上述方法优化得到的陶芯定位布局方案能够在确保陶芯定位稳定性的同时,进一步减小定位误差对陶芯定位精度的影响。(2)蜡型充型数值模拟以及陶芯载荷预测:结合有限元仿真技术,提出了蜡料充型物理过程数值模拟方法;并基于充型过程中蜡型与陶芯接触面节点压强场,建立了蜡料冲压载荷数值预测模型;最后,通过开发相关实验平台对上述预测模型进行实例验证,验证结果发现:上述模型能够有效预测蜡料充型时对陶芯的冲压载荷,且预测结果可用于陶芯表面夹紧点布局方案优化设计。(3)陶芯夹紧布局优化:基于刚体运动学知识,建立了陶芯限位充分性判定方法;并结合接触力学相关理论,建立了充型过程陶芯与限位元件接触压力求解模型;最终,综合运用充型过程陶芯载荷预测结果、陶芯与限位元件接触压力求解模型以及粒子群算法,给出了陶芯夹紧点布局优化求解策略。验证结果证明:基于上述方法获得的陶芯夹紧布局方案能够在确保陶芯充分限位的同时限制陶芯与限位元件之间接触压力,从而有效防止了蜡料充填过程中由于限位元件挤压而导造成的陶芯开裂现象。(4)陶芯定位补偿:利用工业CT测量技术以及B样条造型理论,建立了空心涡轮叶片精铸蜡型内外型面三维重建方法;并以消除蜡型关键位置壁厚偏差为目标,提出了陶芯空间位姿优化模型以及定位元件尺寸补偿量计算方法;对比定位补偿前后蜡型壁厚误差发现某实验叶片的壁厚误差最大值下降了89.9%,该结果表明:上述陶芯定位元件尺寸补偿策略可以有效减小由定位误差引起的蜡型壁厚偏差。(5)陶芯自动化夹持系统开发:综合运用上述理论研究成果,设计开发了具有力反馈功能的空心涡轮叶片精铸蜡型模具陶芯自动夹持系统,并通过改进陶芯装夹工艺流程,消除了传统蜡型模具中陶芯与夹紧元件之间的预留缓冲间隙。实验结果表明:利用本文所提方法设计的陶芯定位夹持系统可将精铸蜡型壁厚公差控制在±0.05mm,满足空心涡轮叶片精铸蜡型壁厚精度要求。
【图文】：

如图1-3 所示，相关学者[11]对熔模精密铸件跟踪测量发现铸件尺与蜡型尺寸波动情况一致。图 1-3 铸件尺寸随蜡型尺寸波动情况[11]综合上述分析可以得出如下结论：确保精铸蜡型满足壁厚精度要求是制备壁厚合格空心涡轮叶片的首要前提。1.2 蜡型制备工艺过程目前，空心涡轮叶片精铸蜡型主要通过模压成型工艺制造[12][13]，如图 1-4 所示，具体流程包括：首先将反映叶片内部结构的陶瓷型芯置于模具内；之后经过合模、锁模、压蜡以及冷却等工艺环节获取最终精铸蜡型。基于上述工艺流程可知：在模具型腔稳定的前提下，即：精铸蜡型外形轮廓精度满足容差要求，蜡型壁厚精度主要取决于陶瓷型芯与模具型腔的空间位置关系[14]。目前，为实现陶芯空间定位以及限制蜡料充

图 1-4 空心涡轮叶片精铸蜡型陶芯定位夹持系统分析目前工程中普遍采用的陶芯定位及夹紧元件空间布局发现如下问题：位元件存在制造及装配误差，该误差会导致的陶芯实际位姿一步引起蜡型壁厚超差，如图 1-5（a）[17]。（在后续论文中被统一称为定位误差。）合理的陶芯夹紧点布局方案可能无法限制压蜡时陶芯位姿漂[18]，如图 1-5（b）。芯材料具有脆硬性，为防止合模时陶芯在定位及夹紧元件与陶芯之间需要预留一定装配间隙（通常为 0.1mm 左右）相对夹紧元件具备适度退让性[19]；而正是由于该装配间隙，，从而影响蜡型壁厚精度，如图 1-5（c）。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V263

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本文编号：2603240