用于减小涡轮叶片及类似部件中的工作应力的装置和方法制造方法及图纸

一种用于铸造金属部件的模芯，该模芯具有一本体，该本体具有实心部分，该实心部分同归一空心部分分离开。该本体包括至少一个支撑部件，该支撑部件在相邻的实心部分之间延伸。该该至少一个支撑部件为该铸造模芯在铸造过程中加强和强度。该支撑部件的形状优化成防止该模芯在铸造过程中破裂并且使得金属零件中的由该支撑部件形成的区域内的工作机械应力最小。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于设计和制造一种铸造部件，以便使得部件的机械工作应力最小化，并且尤其是使得涡轮叶片中的工作应力最小化。
技术介绍
在进行大量生产相同的产品的时候或者设计规格要求具有一些象磨床、钻床、和/或车床等加工机械不能进入的复杂内部几何形状时，通常采用铸造方式来形成这些部件。象燃气轮发动机中的涡轮叶片这种承受较高应力的部件要求使得由于内部几何特征所导致的局部应力减小到最小。涡轮叶片等都具有内部中空部分以便减小该叶片的重量并且为冷却空气流提供通道。因为排气流的外部工作温度超过了燃气轮发动机中所使用的金属合金的熔化温度，因此需要有冷却空气流。具有冷却通道并采用了减小应力方法的涡轮叶片在现有技术中已经存在。例如，于2003年3月18日授予Anding等人的美国专利US6533547就披露了一种涡轮叶片，该叶片具有内部空间，冷却流体引导通过该内部空间，并且在该空间内形成有加强肋，以便增强和支撑该外壁。一些冷却剂滤网(coolant screen)布置在该加强肋的前面以便减小热应力，而该冷却剂滤网会降低对该加强肋的冷却。用于铸造涡轮叶片的模芯通常采用陶瓷组合物或类似物制成。铸造模芯具有由空心部分分开的实心部分。该模芯的实心部分形成最终产品的空心部分，同样，该模芯的空心部分就是在最终产品中金属部分所占据的位置。该铸造模芯的实心部分在制造过程中如果没有足够的支撑将会破裂。为了防止破裂，就需要在该模芯中设置一些支撑部件或“连接特征(tie feature)”以便在相邻的实心部分之间延伸。这些支撑部件的形成必不可少地要在涡轮叶片的内壁中中形成一些通孔。比较理想的是设计这些部件以便为该模芯提供足够的机械支撑，同时使得由最终形成的通孔在涡轮叶片中所产生的工作应力最小化。
技术实现思路
一种用于铸造金属部件的模芯，该模芯包括一本体，该本体具有实心部分，该实心部分同归一空心部分分离开；至少一个支撑部件，该支撑部件在相邻的实心部分之间延伸，该至少一个支撑部件的形状优化成防止该模芯在铸造过程中破裂并且使得金属零件中的由该支撑部件形成的区域内的工作机械应力最小。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种构成制造模芯的方法。该方法通过相对于一中心点和一圆周弧确定第一半径来确定支撑部件的横断面。随后，相对于一中心点和一与第一中心点相距第一距离的圆周弧来确定第二半径。相对于一中心点和一与第二半径的中心点相距第二距离的圆周弧来确定第三半径。该构成方法还确定了第四半径，该第四半径具有一中心点和布置成与第一、第二以及第三半径的各圆周弧相切的圆周弧。该方法形成的模芯支撑结构特征足以在铸造过程中支撑该模芯并且可以使得该铸造零件中的应力最小化。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种用于制造铸造模芯的方法。该方法包括，提供一种陶瓷泥浆，用于输送到一模芯模头内并形成湿型芯。该湿型芯包括由相应的空心部分分离开的实心部分。从该模头中去掉该铸造模芯并使其干燥，随后将其加热到一预定温度以便增加材料强度。通过确定第一半径以及与该第一半径相距第一距离的第二半径二形成该支撑部件。第三半径的圆周布置在距离第二半径一第二距离的位置处。而第四半径的、布置成与第一、第二以及第三半径的圆周相切的圆周形成横断面的一侧。而第五半径的、布置成与第一、第二以及第三半径的圆周相切的圆周形成该横断面的相对一侧。第一和第二半径基本上长度相等，而第四和第五半径的长度也基本上相等。第一和第二距离的长度也基本上相等。根据本专利技术的另一个方面，披露了一种形成铸造零件的方法。该方法包括，形成一种陶瓷模芯，该模芯具有至少一个在该模芯的相邻实心部分之间延伸的支撑部件。该支撑部件形成为，使其横断面能使得该铸造零件的工作应力最小。形成一种蜡模头，以便确定该铸造零件的外部几何形状。然后将蜡注入蜡模头内形成该铸造零件的蜡模。将陶瓷模芯放置在该蜡模头内形成该铸造零件的内部几何形状。将陶瓷泥浆引入该蜡模内形成一模具壳(moldshell)。将该该模具干燥并在对该模具进行加热到一预定温度时使得蜡熔化。随后将该模具冷却到预定温度并预先至少加热到该铸造材料的熔化温度。将熔化后的铸造材料浇铸到该模具中，随后在一受到控制的环境中冷却。将该铸造模具壳体从该铸造零件上取下来。随后采用化学溶剂对该铸件进行浸漂以便去掉该铸造零件上的陶瓷模芯。采用N射线对该铸造零件进行探测以便检查该模芯是否已经被去掉。对该铸件的表面蚀刻并采用一种laue’ding过程对该铸造零件的晶粒结构进行探测。采用荧光渗透对该铸造零件的表面进行探测以便确定是否存在表面裂纹。该铸造零件的内部特征采用X射线进行探测。对该铸造零件进行加工以便满足该规格，随后检测该铸造零件的尺寸质量。最后，对该铸造零件进行流动测试检查该内部通道。根据本专利技术的另一个方面，可以根据上述方法来制造涡轮叶片，从而生产一种具有实心部分的气翼，其中通过该铸造模芯形成有至少一个通孔。该通孔的形状优化成使得在该通孔周围的局部区域内的工作机械应力最小化。该铸造金属零件采用一种铸造模芯形成，该铸造模芯包括一本体，该本体具有被空心部分分离开的实心部分；以及至少一支撑部件，该支撑部件在相邻的实心部分之间延伸，该至少一个支撑部件在该铸造金属零件中形成一通孔。通过结合附图阅读下面的详细描述，可以对本专利技术的上述以及其他方面更为清楚。附图简要说明附图说明图1是时普通燃气轮发动机的剖视图；图2是一种涡轮转子的主视图；图3A是用于涡轮叶片的铸造模芯的侧视图；图3B是图3A的一部分的放大视图，表示出了一支撑部件；图4是图3A的支撑部件的剖视图；图5是转子叶片的透视图，其中局部被切走，以便显示出图3A所示的铸造模芯；图6所示的是在模芯已经被取走后的铸造涡轮叶片的一部分，以便显示出该涡轮叶片的内部通道；图7A所示的是该涡轮叶片的一部分，表示出由一种不确定的制造支撑部件所形成的孔；图7B所示的是该涡轮叶片的一部分，表示出由一种具有圆形断面的铸造支撑部件所形成的圆形孔；图7C所示的是该涡轮叶片的一部分，表示出由具有本专利技术所限定断面的铸造支撑部件所形成的孔。尽管本专利技术可以有各种变化和可替换的结构，但是在这些附图种表示处了其某种示例性实施例。不过应该理解的是，其并不是为了将本专利技术限定在所披露的具体实施方式种，而恰恰相反，本专利技术将覆盖所有的变化形式，可替换结构、以及落入附后的权利要求书所限定的本专利技术的构思和范围之内的等效方式。具体实施例方式本专利技术提供了使得采用铸造工艺制造的零件上的工作应力最小的装置结构和方法。在本专利技术的一个实施例种，该铸造零件是一种用于燃气轮发动机的涡轮叶片，不过，该铸造零件也可以是任何具有复杂内部几何形状并且在工作过程中承受较高应力的铸造零件。该结构和方法可以用于运动几何形状(moving geometry)和静态几何形状(static geometry)中。现在参见图1，其中所示的是普通燃气轮发动机的剖视图。该燃气轮发动机10包括一外壳12，以便容纳该内部涡轮机械部件以及将该发动机10连接到一宇航飞行器(未示出)上。该燃气轮发动机10包括一转子14，该转子包括从该发动机的前部延伸到该发动机的后部的轴15。该外壳12形成一入口18，空气在该入口内经过一头锥(nosecone)16进入发动机10内。该转子包括一轴向压缩机20，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于铸造金属部件的模芯，该模芯包括：一本体，该本体具有实心部分，该实心部分同归一空心部分分离开；至少一个支撑部件，该支撑部件在相邻的实心部分之间延伸，该至少一个支撑部件的形状优化成防止该模芯在铸造过程中破裂并且使得金属零 件中的由该支撑部件形成的区域内的工作机械应力最小。

【技术特征摘要】
US 2004-1-23 10/763,6111.一种用于铸造金属部件的模芯，该模芯包括一本体，该本体具有实心部分，该实心部分同归一空心部分分离开；至少一个支撑部件，该支撑部件在相邻的实心部分之间延伸，该至少一个支撑部件的形状优化成防止该模芯在铸造过程中破裂并且使得金属零件中的由该支撑部件形成的区域内的工作机械应力最小。2.如权利要求1所述的模芯，其中，该至少一个支撑部件包括一断面，该断面具有第一半径、第二半径、第三半径、第四半径以及第五半径，每个半径由一中心点和一圆周弧确定；第一距离，由第一半径的中心点和第二半径的中心点之间的长度确定；以及第二距离，由第二半径的中心点和第三半径的中心点之间的长度确定。3.如权利要求2所述的模芯，其中，该第一半径和第三半径的长度基本上相等。4.如权利要求2所述的模芯，其中，第四和第五半径的长度基本上相等。5.如权利要求2所述的模芯，其中，该第一距离基本上等于第二距离。6.如权利要求2所述的模芯，其中，第四半径的中心点布置成使得由第四半径确定的圆周弧同时与第一、第二、以及第三半径确定的圆周弧相切。7.如权利要求2所述的模芯，其中，第五半径的中心点布置成使得由第四半径确定的圆周弧同时与第一、第二、以及第三半径确定的圆周弧相切。8.如权利要求2所述的模芯，其中，第四和第五半径的圆周弧构成该模型断面的相对侧面。9.如权利要求2所述的模芯，其中，每个圆周弧都由与由一半径确定的圆周弧近似的高次曲线确定。10.如权利要求9所述的模芯，其中，该高次曲线为条样曲线(splinecurve)。11.如权利要求9所述的模芯，其中，该高次曲线为B条样曲线(B-splinecurve)。12.如权利要求2所述的模芯，其中，该金属零件为一运动零件。13.如权利要求12所述的模芯，其中，该运动零件为涡轮叶片。14.如权利要求1所述的模芯，其中，该金属零件为一静止零件。15.如权利要求14所述的模芯，其中，该静止零件为涡轮涡轮叶轮(turbine vane)。16.如权利要求1所述的模芯，其中，该模芯采用陶瓷复合材料制成。17.一种构成模芯的方法，包括一下步骤相对于一中心点和一圆周弧确定第一半径；相对于一中心点和一圆周弧来确定第二半径；使第二半径的中心点与第一半径的中心点相距第一距离相对于一中心点和一圆周弧来确定第三半径；使第三半径的中心点与第二半径的中心点相距第二距离确定第四半径，该第四半径具有一中心点和一圆周弧，该圆周弧布置成与第一、第二以及第三半径的各圆周弧相切；以及确定第五半径，该第五半径具有一中心点和一圆周弧，该圆周弧布置成与第一、第二以及第三半径的各圆周弧相切。18.如权利要求17所述的方法，其中，该第一半径和第三半径的长度基本上相等。19.如权利要求17所述的方法，其中，第四和第五半径的长度基本上相等。20.如权利要求17所述的方法，其中，第四半径和第五半径的中心点彼此分别位于相对两侧。21.如权利要求17所述的方法，其中，该第一距离的长度基本上等于第二距离。22.如权利要求17所述的方法，其中，每个圆周弧都由与由一半径确定的圆周弧近似的高次曲线确定。。23.如权利要求22所述的方法，其中，该高次曲线为条样曲线(splinecurve)。24.如权利要求22所述的方法，其中，该高次曲线为B条样曲线(B-splinecurve)。25.一种用于制造模芯的方法，该模芯用于铸造一种金属零件，该方法包括一下步骤提供一种陶瓷泥浆；将该陶瓷泥浆注射到一模芯模头内并形成湿型芯，该湿型芯包括由相应的空心部分分离开的实心部分；以及形成至少一个在相邻的实心模芯部分之间延伸的支撑部件，该至少一个支撑部件的形状优化成防止该模芯在铸造过程中破裂并使得该金属零件中的由该支撑部件形成的区域中的工作机械应力最小化。26.如权利要求25所述的方法，还包括以下步骤将模芯从该模头中取出；使该模芯干燥；以及在一预定温度下加热该模芯以便增加模芯材料的强度。27.如权利要求25所述的方法，还包括以下步骤对该模芯的表面进行处理以增加模芯的强度；以及对该模芯进行机械加工以满足规定的尺寸。28.如权利要求25所述的方法，其中，该至少一个支撑部件的断面通过以下步骤形成确定第一半径；相距第一半径一第一距离确定第二半径；相距第二半径一第二距离确定第三半径；确定第四半径，该第四半径确定的圆周弧布置成与第一半径、第二半径以及第三半径分别确定的圆周弧相切；并且还确定第五半径，该第五半径确定的圆周弧布置成与第一半径、第二半径以及第三半径分别确定的圆周弧相切。29.如权利要求28所述的方法，其中，该第一半径和第三半径的长度基本上相等。30.如权利要求28所述的方法，其中，第四和第五半径的长度基本上相等。31.如权利要求28所述的方法，其中，该第一距离的长度基本上等于第二距离。32.如权利要求28所述的方法，其中，第四半径和第五半径布置在支撑部件的断面的相对两侧。33.一种形成铸造零件的方法，该...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃德温奥特罗，帕特里克斯特朗，
申请(专利权)人：联合技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]