精铸空心涡轮叶片模具虚拟修模方法

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMar．252011V01．32No．3538—545ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．crl文章编号：1000—6893(2011)03—0538-08精铸空心涡轮叶片模具虚拟修模方法卜昆*，王虹，周桐，李世峰，沈翔鸿西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，陕西西安710072摘要：针对精铸空心涡轮叶片的精确控形问题，开展模具型腔优化设计中的虚拟修模技术研究。以某型号空心涡轮叶片为研究对象，采用数值模

2、拟的方法，通过使用ProCAST软件对有限元模型进行计算，获得空心涡轮叶片的精铸位移场，基于位移场的反变形虚拟修模方法对模具型腔进行优化设计。经修模后的模具型腔仿真验证及模具型腔型号鉴定，结果表明，按此方法可得到良好的修模效果，由修模后模具加工的产品误差平均值大幅降低，合格率提高了20％，并与实心模型修模后的结果进行对比，证明空心模型能有效提高模具修模精度及可靠性。关键词：空心涡轮叶片；精铸模具；位移场；虚拟修模；ProCAST中图分类号：V260．5文献标识码：A复杂空心涡轮叶片是高推重比航空发动机的核心部件，被发动机行业誉为“皇冠上的明珠”[1]，其形状和尺寸精度直接影响发

3、动机的性能。目前，为提高发动机空心涡轮叶片的使用性能和1=作寿命，国内外一直采用近净形熔模铸造技术，通过定向凝固T艺制造定向柱晶和单晶叶片[2。3]。由于空心涡轮叶片是大量自由血面和复杂内腔组成的复杂结构，所以在精铸成形过程中，易受到有关材料各向异性、陶瓷型芯和壳型热变形等不稳定因素的影响，致使其成形精度偏低、质量不稳定、产品合格率不高[4]。为有效防止叶片铸件变形，提高叶片尺寸精度，除了控制铸造过程工艺参数外，精铸模具型腔优化设计也起到了极为关键的作用F州。模具型腔优化设计是基于型腔反变形技术，采用数值模拟或经验方法获得铸件变形量，在与其变形相反的方向预留一定的补偿量，以抵消

4、铸件在凝固冷却过程中的收缩变形，使成形铸件与设计模型相一致[7-8]。近年来，精铸数值模拟技术在预测铸造尺寸变形、铸造缺陷、优化铸造工艺等方面发挥越来越大的作用[9。11。。西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室针对精确控形问题，在基于精铸涡轮叶片位移场分析的模具反变形设计和精度控制技术等方面取得了重要进展。但以往的研究长期停留在实心叶片，针对结构复杂的空心涡轮叶片，通常简化为实心模型进行仿真计算，忽略陶芯对其变形的影响，结果必然存在较大误差，直接导致铸件变形量计算准确性低，模具型面设计可靠性不高。针对以上问题，本文以空心涡轮叶片精铸模具型腔为研究对象，基于叶片铸件

5、位移场的反变形补偿技术，通过虚拟修模的方法，实现精铸模具型腔的优化，有效提高了模具型腔的可靠性及修模精度。收稿日期：2010-05-24：退修日期：2010-08-30；录用日期：2010—12-15；网络出版时问：2010．12-2813：33：56网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20101228．1333．000．htmlDOI：CNKI：11-1929／V．20101228．1333．000基金项目：航空科学基金(2008ZE53042)；国家科技支撑计划(2006BAF04即2)-X-通讯作者．Tel．：029-884

6、93232E-mail：pukun89@nwpu．e由．∞引甩罄武l}琵．王虹。周橱．等．耩铸空心涡轮叶片横具虚拟侈模方法￡J]．航空学报。201I。32C3)：538-545．BuKun．WangHong．ZhouTong。eta1．Methodofvirtualmode-repairforhollowturbineblade

7、-j]．ActaAeronautJcaetAstronauticaSinica．20¨．32(3)：538．545．_'*≈#镕4t№#计1H《j}mⅢ镕ⅨA*反变形虚拟修模原理反变形补偿法摹本思想为“对叶H的变形醋及变形分布对模且形状进行修正，使⋯片

8、在凝崮收缩后的膨状％设i【模刊基本一致+且瞒址儿何精度要求⋯’1．虚拟修模小意图如阿1所不其中圈“a)为叶H辟件模型某戴面，D为设计截面线；罔1fh)巾0为经过铸造过程仿真后得到的截嘶线．△D为仿真l}算得到的收缩变形钻；闭1(c)一l-P为下一次仿真的型腔截面线，它是在对D经过一个△D反变彤后得到的⋯～。’"f¨“vlty—s。5*I】⋯mmⅢnE目I女m仕摸m意目Flq1&．hemallcdla{4～【】fⅥr‘ualmodPrepair据此，虚拟修模的基奉数学模型可以描述如F．修模后目