制造用于铸造的型芯中的改进特征部的方法与流程

1.技术领域

本发明涉及一种制造用于铸造的型芯中的改进特征部的方法。

2.相关技术描述

在燃气涡轮发动机中，从压缩机部分排出的压缩空气和从燃料源引入的燃料混合在一起并在燃烧部分中燃烧，从而产生限定高温工作气体的燃烧产物。工作气体被引导通过发动机的涡轮部分中的热气路径，在热气路径中，工作气体膨胀以使涡轮转子旋转。涡轮转子可以连接至发电机，其中，涡轮转子的旋转可以用于在发电机中发电。

鉴于现代发动机中实现的高压比和高发动机点火温度，某些部件——例如翼型件，例如涡轮部分内的固定叶片和旋转叶片——必须用冷却流体——例如从压缩机部分中的压缩机排出的空气——冷却以防止部件过热。

涡轮翼型件的有效冷却需要将相对较冷的空气输送到关键区域，例如沿着涡轮叶片或固定叶片的后缘。相关联的冷却孔例如可以在翼型件内的上游压力相对较高的腔与涡轮叶片的外表面中的一者之间延伸。叶片腔通常相对于机器的转子和定子沿径向方向延伸。

翼型件通常包括内部冷却通道，其从压力侧壁和吸力侧壁除去热量以最小化热应力。为了最小化从压缩机转移的用于冷却的冷却剂空气的量，基于传热率实现高冷却效率是重要的设计考虑因素。然而，燃气涡轮翼型件的相对较窄的后缘部分可以包括例如高达总翼型件外部表面面积的大约三分之一。为了气动效率，后缘做得相对较薄。因此，随着后缘在彼此相对靠近的两个相对的壁表面上接收热量输入，需要相对较高的冷却剂流量以提供必要的热传递速率用以保持机械完整性。

制造涡轮翼型件的当前方法，例如电力工业中的那些方法，包括提供用于铸造过程的型芯。用于铸造——通常为熔模铸造——的型芯涉及对模腔的填充，其中考虑到处理期间过量的模具填充以及消除截留的气泡而使模腔微微打开。此处理导致烧制部件上的过多的飞边(flash)，这需要大量的清理工作(去飞边)，并且占整个型芯成本的很大一部分。

某些部件设计可以包括双壁结构，其中，两个金属区域被中空空间隔开，如通常可用于燃气涡轮发动机的内部冷却热气体路径部件。在横截面中，部件包括围绕内杆(壁)的外管壁，由此于其间限定出开放容积。金属合金部件可以使用空心陶瓷型芯铸造。当部件在外部铸造壳体内被铸造时，陶瓷型芯限定开放容积的形状。

形成陶瓷型芯需要首先产生可消耗预制件或内模几何结构。然后将蜡制预制件放入模具中，并在预制件周围注入陶瓷浆料。将陶瓷浆料干燥至生坯状态(greenstate)，然后从模具中取出并放入用于烧制生坯的炉中以形成陶瓷型芯。陶瓷模具通常难以生产并且由于干燥但未烧制的陶瓷浆料的生坯强度较低而易于变形、破裂和产率低，并且一旦蜡制预制件熔化，陶瓷模具在其内表面上保持无支撑。

随着后缘变得更进一步改进和基于精细特征部，由于越来越多的小特征部，这种除去过多飞边的问题进一步恶化。目前的制造方法涉及硅树脂基模具材料的两个表面的封闭，其限定型芯的整个表面几何结构。两个较弱的模具部件可能会发生错位。清理型芯的成本可能高达生产型芯的成本的百分之五十。

尽管在一些情况下，cnc铣削可用于一般的型芯表面清理，但是对改进特征部而言，通常手动进行型芯清理。cnc铣削通常不能成功清理非常精细的特征部。图4示出了具有改进后缘的型芯的示例。与手动清理精细特征部相关的另一个负面影响是由于操作员错误导致的良好型芯的固有损耗。

技术实现要素：

在本发明的一个方面中，用于制造用于铸造工艺的陶瓷型芯中的改进特征部的硬质工具构型包括：第一平台，其包括面向中心侧；第二平台，其包括面向中心侧，其中，第二平台大致与第一平台相对；多个可拆卸的耙元件，其包括第一端部和第二端部，其中，第一端部可拆卸地附接至第一平台和/或第二平台的面向中心侧；以及在第一平台的面向中心侧和第二平台的面向中心侧之间的间隔中的内模几何结构。

在本发明的另一方面中，一种制造用于铸造工艺的陶瓷型芯中的改进特征部的方法包括以下步骤：提供包括第一平台和第二平台的硬质工具构型，每个平台具有面向中心侧；将多个可拆卸的耙元件的第一端部可拆卸地附接至第一平台和/或第二平台的面向中心侧，其中，所述多个可拆卸的耙元件包括第一端部和第二端部；将第一平台的面向中心侧放置成面向第二平台的面向中心侧16，并且二者间隔开；在第一平台和第二平台之间的间隔中形成内模几何结构；朝向内模几何结构移动第一平台和/或第二平台，直到所述多个可拆卸的耙元件的第二端部延伸穿过并穿出内模几何结构；将浆料注入内模几何结构中；固化浆料；沿远离和离开内模几何结构的方向升高第一平台和/或第二平台；以及去除处于生坯状态的固化浆料。

附图说明

借助附图更详细地示出了本发明。附图示出了优选的构造并且不限制本发明的范围。

图1是本发明的示例性实施方式的工具装置的侧视图；

图2是本发明的示例性实施方式的注浆之后的工具装置的侧视图；

图3是本发明的示例性实施方式的工具装置的抽出状态的侧视图；

图4是本发明的示例性实施方式的工具装置的侧视图；

图5是本发明的示例性实施方式的接合的工具装置的侧视图；

图6是本发明的示例性实施方式的注浆之后的工具装置的侧视图；

图7是在固化后本发明的示例性实施方式去除模具后的工具装置的侧视图；

图8是本发明的示例性实施方式的工具装置的抽出件的侧视图；

图9是用于熔模铸造的型芯的后缘部分的实施方式的正视图；以及

图10是本发明的示例性实施方式的多个可移除的耙元件的立体图。

具体实施方式

在下面对优选实施方式的详细描述中，参照了附图，附图形成详细描述的一部分，并且通过说明而非限制的方式示出了可以实施本发明的具体实施方式。应该理解的是，可以使用其他实施方式，并且可以在不背离本发明的主旨和范围的情况下进行改变。

广义上，本发明的实施方式提供了一种硬质工具构型和在用于铸造的型芯中制造改进的精细后缘特征部的方法。硬质工具构型至少包括至少第一平台和第二平台。硬质工具构型还包括可拆卸地附接至第一平台和第二平台中的至少一者的多个可拆卸的耙元件的第一端部。硬质工具构型还包括在第一平台的面向中心侧和第二平台的面向中心侧之间的间隔中的内模几何结构。

随着涡轮叶片上的后缘变得更进一步改进和基于精细特征部，这些翼型件的制造和所涉及的成本变得更加重要。生产叶片可能需要首先生产模具。在更传统的模具中，模腔微微打开，多余的模具填充物和截留的气泡可以从模腔排出。最后烧制部件，而烧制的部件产生过多的飞边。模具的烧制部件上的过多的飞边需要大量的清理工作(去飞边)，并且占整个型芯成本的很大一部分。由于叶片的更进一步改进的后缘中越来越多的小特征部，过多的飞边变得更严重。

零清理或接近零清理后置处理的飞边较少的后缘是理想的。本发明的实施方式提供了一种制造方法，其可以允许减少型芯的飞边和清理后置处理工作。下面使用涡轮叶片和翼型件作为该方法的示例；然而，该方法可用于需要沿着用于铸造目的的型芯的精细特征部的任何部件。涡轮叶片可以是发电行业内的。

下面提到的方法和工具组件可以与以待产生的部件的3d计算机模型开始的过程相结合。基于模型产生固体表面，基于固体表面可以产生柔性模具，使用柔性模具与第二配合柔性模具来形成模腔。该柔性模具由机加工的基础工具产生，其大致相当于待产生型芯的表面几何结构的百分之五十。通过这样的工具，可以产生柔性压铸模具。为了形成模腔，可以将基础工具的产生第二柔性压铸模具的后半部分与第一柔性压铸模具结合以形成模腔。通过这样的模腔，可以施加可固化的浆料以产生三维部件模式。这种模式的示例可以是用于熔模铸造的陶瓷型芯。

型芯的构造材料具体选择为与铸造和烧制工艺配合工作以提供克服现有技术型芯的已知问题的型芯。本发明的材料和工艺产生适用于常规金属合金铸造工艺的陶瓷体。

如图1至图10所示，在用于铸造的型芯中制造改进的精细后缘特征部的方法可以包括硬质工具构型28。铸造可以是熔模铸造等。型芯可以是陶瓷，正如将要提到的那样，或者可以是其他材料例如粉末金属、聚合物和复合材料。模具也可以是陶瓷的或其他材料的。硬质工具构型28可以包括至少第一平台10和第二平台12。第一平台10和第二平台12在处于硬质工具构型28时彼此面对。第一平台10和第二平台12各自具有面向中心侧16。第一平台10和第二平台12各自的面向中心侧16彼此面对。在第一平台10与第二平台12的面向中心侧16之间定位有用于陶瓷模具的内模几何结构18。内模几何结构18为型芯提供基本形状而没有精细特征部。硬质工具构型28可以沿着任何轴线例如x、y、z对齐，其中，第一平台10定位成沿轴线基本上与第二平台12相对。图1至图3示出了沿着竖向轴线的第一平台10和第二平台12；然而，在不同的实施方式中，这些位置不限于竖向轴线。第一平台10和第二平台12各自提供表面，在所述表面之间将形成内模几何结构18。

沿着第一平台10和第二平台12中的至少一者的面向中心侧16可以具有多个可拆卸的耙元件14。所述多个可拆卸的耙元件14中的每一者可以包括附接至面向中心侧16的第一端部22。所述多个可拆卸的耙元件14中的每一者的第二端部24可以沿着与第一端部22相反的一侧用于接合。所述多个可拆卸的耙元件14的第一端部22可以可拆卸地附接至硬质工具构造28的第一平台10和第二平台12中的至少一者的面向中心侧16。所述多个可拆卸的耙元件14可以由金属等制成。所述多个可拆卸的耙元件14的数量以待应用于型芯的预定精细特征部为基础。基于精细特征部的设计将确定所述多个可拆卸的耙元件14的数量、尺寸和形状。

一旦所述多个可拆卸的耙元件14沿着至少一个面向中心侧16固定，第一平台10、第二平台12、或者第一平台10和第二平台12的组合可以沿着朝向内模几何结构18的方向移动。

制造改进的精细后缘特征部的方法包括提供如上所述的硬质工具构型28。硬质工具构型28可以包括第一平台10和第二平台12，第一平台10和第二平台12各自具有面向中心侧16。多个可拆卸的耙元件14中的每一者的第一端部22可以可拆卸地附接至第一平台10和第二平台12中的至少一者的面向中心侧16。第一平台10和第二平台12的面向中心侧16最初设置为面向所形成的内模几何结构18。模具可以具有用于制造陶瓷型芯的任何几何结构。为了更好地观察方法步骤，已经从图中去除了作为内模几何结构18的一部分的平行侧壁。

一旦已经设置了硬质工具构型28，则第一平台10和/或第二平台12各自朝向内模几何结构18移动，直到所述多个可拆卸的耙元件14穿过并离开内模几何结构18。如图2所示，然后可以将浆料20注入穿过内模几何结构18以填充在所述多个可拆除的耙元件14周围。开始固化过程并持续特定的时间量并且完成固化过程以产生生坯状态的固化的浆料20。一旦固化过程完成，则第一平台10和第二平台12被从固化的浆料20和内模几何结构18中抽出，如图3所示。所述多个可拆卸的耙元件14限定内模几何结构18的例如在后缘区域26内的部分的形状。在固化之后从固化的浆料20中抽出所述多个可拆卸的耙元件14之后，模具留有平坦的表面并且最少具有零飞边。将模具放入用于烧制生坯的炉中以形成陶瓷型芯。

另一个实施方式可以包括可拆卸地附接至第一平台10和第二平台12中的一者的多个可拆卸的耙元件14。相对的平台，即，未可拆卸地附接所述多个可拆卸的耙元件14的第一平台10或第二平台12可以包括具有密封表面30的面向中心侧16，密封表面30与所述多个可拆卸的耙元件14的第二端部24镜像并接合。制造改进的精细后缘特征部的方法可以包括第一平台10和/或第二平台12各自朝向内模几何结构18移动，直到所述多个可拆卸的耙元件14穿过并离开内模几何结构18并且与相对的平台的面向中心侧16的密封表面30接合。第一平台10和第二平台12围绕内模几何结构，所述多个可拆卸的耙元件14与密封表面30接合。内模几何结构填充有浆料20并被固化。在固化后，第一平台10和第二平台12可以从固化的浆料20移除，留下所述多个可拆卸的耙元件14在适当的位置处。然后可以分别移除所述多个可拆卸的耙元件14，留下零飞边的生坯，如图8所示。

图9示出了在硬质工具抽出之后具有改进的精细后缘26的型芯的示例。小特征部与型芯的后缘对齐。小特征部的形状由所述多个可拆卸的耙元件14中的每一者的第二端部24的形状确定。

在硬质工具构型28和方法的某些实施方式中，如图10所示，硬质工具构型28可以包括多个可拆卸的耙元件14，所述可拆卸的耙元件14可以在第一端部22处具有销或类似的连接特征，沿着第一平台10和/或第二平台12的面向中心侧16具有匹配的接合部分。所述多个可拆卸的耙元件14还具有用于与内模几何结构18和浆料20接合的第二端部24。如上所述，所述多个可拆卸的耙元件14中的每一者的第二端部24的形状和尺寸可以确定最终的模具和陶瓷型芯的小特征部的细节。

在某些实施方式中，所述多个可拆卸的耙元件14可以涂覆有诸如聚四氟乙烯(ptfe)等的涂层。涂层可以允许在固化之后干净、有效、线性地抽出所述多个可拆卸的耙元件14。在干燥时，浆料20可以围绕所述多个可拆卸的耙元件14而形成，而不结合至所述多个可拆卸的耙元件14，从而允许所述多个可拆卸的耙元件14从模具顺利释放。可以控制涂层以便设定最大厚度。在某些实施方式中，可以使用大致50微米或更小的范围来保持流路几何结构。

所述多个可拆卸的耙元件14可以以阵列的形式布置。根据可拆卸的耙元件14的数量和耙阵列的尺寸，各个耙元件14可以是单侧的或双侧的。

由于使用这种制造方法的实施方式，因此形成型芯的时间可以显著减少。由于所使用的方法，由于飞边减少，成本也可以显著减小。从固化的浆料中释放所述多个可拆卸的耙元件14允许无飞边的干净的平坦表面。

可以产生高清晰度特征或细节的工艺的示例是托莫光刻成型(tomolithographicmolding)。与传统的型芯形成工艺相比，托莫光刻成型可以提供关于高清晰度特征的更大的几何结构和尺寸控制。这种性能可以与本发明结合起来通过清洁无飞边的模具生产具有改进的内部通道几何结构和公差的金属部件。

在制造工艺中提供可拆卸的耙元件14以限定模具内的通道几何结构，从而在通道几何结构周围提供干净的无飞边区域，从而允许更快和更便宜的型芯的清理和制备。通过所述多个可拆卸的耙元件14的接合而不是使用多个模具消除了未对齐的问题。

尽管已经详细描述了具体实施方式，但是本领域普通技术人员将认识到，根据本公开的总体教示可以开发对这些细节的各种改型和替代方案。因此，所公开的特定布置仅意在说明而不是限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求的全部范围以及其任何和所有等同物给出。