用于在熔模铸造中使用的模具和坩锅的无损评估的系统和方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及可用于熔模铸造过程(包括不限于用于生产飞机发动机、陆基涡轮发动机等)中使用的模具和坩锅的无损评估(NDE)的系统和方法。
【背景技术】
[0002]模具和坩锅通常用于制作高性能装置(例如飞机和陆基涡轮发动机)的组件和部件中。这类模具和坩锅的均匀性和结构完整性在保持熔模铸造过程中的质量控制方面是重要的。熔模铸造模具和坩锅的全体积几何结构和壁厚度的控制对确保模具和坩锅的结构完整性并且防止泄漏在熔融和铸造期间发生是重要的。X射线技术已用来分析模具和坩锅的结构完整性。但是，这类X射线技术要求高度专业化人员和设备，并且一般要求比制造环境可准许的更加费时。因此，仍然存在用于在熔融和铸造之前按照无损方式来检查模具或坩锅的全体积几何结构或者壁厚度的实用技术的需要。
[0003]因为壁厚度对陶瓷外壳组件的强度具有主要影响，它是重要的。例如，如果陶瓷外壳组件的壁厚度下降到低于最小阈值，则组件的强度下降到低于最小可接受强度，并且液态金属能够从坩锅或模具泄漏。在一些情况下，这个泄漏能够引起铸造故障。相应地，因为小于规格极限的厚度增加铸造操作期间的部件损耗的可能性，壁厚度是熔融坩锅和铸造模具的关键参数。
[0004]存在用来检查坩锅的壁厚度的现行实践。一个现行实践是要以低频率为基础对坩锅进行取样。测量过程涉及将坩锅安装到具有内表面上的点接触的固定设备中。测量采用表面上点上或者点周围的千分表进行。在进行这些测量之后，因为点接触损坏坩锅的接触表面，必须丢弃坩锅。
[0005]感应熔融一般涉及在由非导电难熔合金氧化物所制成的坩锅中加热金属，直到坩锅中的金属料熔融成液体形式(参见例如授予Bewlay等人的美国专利N0.8048365)。当熔融高活性金属、例如钛或钛合金时，使用冷壁或石墨坩锅的真空感应熔融能够用来代替基于氧化物的陶瓷坩锅。当熔融高活性合金、例如钛合金时，因在用于熔融的温度下的合金中的元素的反应性而会出现困难。虽然大多数感应熔融系统将难熔氧化物用于感应炉中的坩锅，但是合金、例如铝化钛是如此高的活性，以致于它们能够侵袭坩锅中存在的难熔氧化物，并且钛合金被污染。例如，因为高活性金属能够与坩锅发生反应并且采用例如氧污染合金，所以通常避免陶瓷坩锅。类似地，如果采用石墨坩锅，则钛和铝化钛基合金均能够把来自坩锅的碳溶解到钛合金中，由此引起所产生产品的机械性质的污染和损失。
[0006]冷坩锅熔融提供用于处理高活性合金的优点，但是它也具有多个技术和经济限制，包括低过热、因渣壳形成引起的产率损失、高功率要求和受限熔融容量。熔融合金和坩锅之间的任何反应将倾向于使铸造的性质退化。退化能够就是因气泡引起的那么简单的不良表面抛光，或者更糟的是能够损害铸造的化学、微结构和性质。
[0007]相应地，重要的是具有适当的检查技术，以确保供熔融金属或金属合金中使用的高质量坩锅的生产。在一个示例中，因为陶瓷坩锅不易受到污染，并且施加比现行技术要低的技术和经济限制，将检查技术应用于用于高活性合金的陶瓷坩锅。例如，不是基于有损取样的检查技术，存在无损以便保存产率并且有效地实现快速有效检查的检查技术的需要。
[0008]本系统和方法针对于克服现有技术中的这些和其他缺陷。
【发明内容】
[0009]本公开涉及可用于熔模铸造过程中使用(包括不限于供生产飞机发动机、陆基涡轮发动机等的组件中使用)的模具和坩锅的无损评估(NDE)的系统和方法。
[0010]按照一个方面，本公开提供一种用于模具或坩锅的无损评估的系统。该系统包括支承、三维(3D)扫描装置和计算机组件。支承包括用于将感兴趣模具或坩锅固定在适当的位置供无损评估的固定设备，其中固定设备包括安装部分，模具或坩锅固定到其上。3D扫描装置对扫描模具或坩锅的目标区的外表面以便生成目标区的所扫描外表面的3D结构是有效的。计算机组件在操作上连接到3D扫描装置，并且有效地创建模具或坩锅的目标区的所扫描外表面的3D结构和与模具或;t甘锅的相同目标区的标称模型的内表面对应的参考对象的3D结构之间的差异图(difference map)。差异图指示模具或坩锅是落在预期结构完整性参数范围之内还是之外。在一个实施例中，支承还包括定位机构，用于将模具或坩锅按照可重复取向安置在支承上并且在扫描模具或坩锅的目标区的外表面期间将模具或坩锅保持在那个取向。在另一个实施例中，该系统还包括机器人设备，用于将模具或坩锅放置在支承上以及用于从支承移开模具或坩锅。
[0011]按照另一个方面，本公开提供一种用于模具或坩锅的无损评估的方法。这种方法涉及下列步骤:提供一种按照本公开、用于无损评估的系统；将模具或坩锅固定到系统的支承；以及与系统的计算机组件结合操作3D扫描装置，以便创建3D结构差异图，其指示模具或坩锅是落在预期结构完整性参数范围之内还是之外。3D结构差异图示出通过在固定于系统的支承的同时扫描模具或坩锅的目标区的外表面所生成的3D结构和与模具或坩锅的相同目标区的标称模型的内表面对应的参考对象的3D结构之间的偏差。在一个实施例中，系统的支承还包括定位机构，用于将模具或坩锅按照可重复取向安置在支承上并且在扫描模具或坩锅的目标区的外表面期间将模具或坩锅保持在那个取向。在另一个实施例中，该方法还包括将机器人设备用于将模具或坩锅放置在支承上以及用于从支承移开模具或坩锅。
[0012]如本文所提供，本公开提供用于测量供铸造应用中使用的陶瓷外壳模具和坩锅组件的壁厚度的独特系统和方法。因为模具或坩锅的壁厚度对陶瓷外壳组件的强度具有主要影响，它是重要的。例如，如果陶瓷外壳组件的壁厚度下降到低于最小临界值，则组件的强度下降到低于最小可接受强度，并且液态金属能够从坩锅或模具泄漏；泄漏引起铸造故障。如果陶瓷外壳组件的厚度落在最大临界值以上，则组件可能不正确地定位在铸造设备中，并且要求有损后处理方法、例如外部研磨来使外几何结构恢复到规格。这种步骤是制造过程中的非增值步骤，并且促成浪费和附加成本。此外，较大壁厚度可引起提供外壳组件的较大热质量，其可引起铸造过程的熔融或凝固动态的变化。
[0013]因此，在铸造应用中使用之前按照无损方式来检查陶瓷外壳组件的壁厚度的能力通过消除实际铸造操作中的潜在故障来提供增加铸造产率的能力。NDE能力允许检查陶瓷组件的全体积，与仅提供几何结构的有限部分的数据的其他技术(例如分段或者使用坐标测量机(CMM)技术)不同。
[0014]通过以下结合附图对本公开的各个方面的详细描述，本公开的系统和方法的这些及其他目的、特征和优点将变得显而易见。
【附图说明】
[0015]图1是按照本公开、用于模具或坩锅(例如壁厚度)的无损评估的系统的一个实施例的示意图。示意图示出包括两个激光扫描头、中央数据参考几何结构(即，安装部分24)和感兴趣几何结构(即坩锅50)的一个实施例的基本组件。在该图的情况下，坩锅50示为用于感兴趣几何结构，但是这个几何结构可具有任何类型。此外，该系统可包括一个或多个激光扫描头，以执行操作。这类细节通过感兴趣陶瓷外壳组件的几何结构和质量要求来确定。
[0016]图2是按照本公开、用于模具或坩锅(例如壁厚度)的无损评估的系统的一个实施例的示意图。示意图示出包括刚性支承框架、两个激光扫描头、中央数据参考几何结构(即，安装部分24)和感兴趣几何结构(即坩锅50)的实施例的基本组件。在该图的情况下，坩锅50示为用于感兴趣几何结构，但是这个几何结构可具有任何类型。此外，该系统可包括一个或多个激光扫描头，以执行操作。这类细节通过感兴趣陶瓷外壳组件的几何结构和质量要求来确定。
[0017]图3A-3C是本公开的系统的一个实施例的各个方面的图示及其在坩锅的壁厚度的无损评估方面的使用。图3A示出在放置于本公开的系统的支承的固定设备之前的坩锅。图3B示出在将坩锅固定到支承之前的支承的固定设备和定位机构。图3C示出安装在固定设备上并且由支承的定位机构保持在适当的位置的坩锅。
[0018]图4是示出按照本公开、用于坩锅的无损评估的方法的一个实施例的流程图。
[0019]图5是示出与计算机组件结合操作本公开的系统的3D扫描装置以便确定坩锅的结构完整性的步骤的一个实施例的流程图。
[0020]图6是示出按照本公开、用于模具的无损评估的方法的一个实施例的流程图。
[0021]图7是示出与计算机组件结合操作本公开的系统的3D扫描装置以便确定模具的结构完整性的步骤的一个实施例的流程图。
[0022]图8A-8E是示出按照本公开的系统和方法的实施例、被分析壁厚度的坩锅圆顶的行或不行设置的图示。这些图示通过计算机组件或者对操作员的直接反馈的结果的打印输出来提供。
[0023]图9A-9D是示出扫描的可重复性、按照本公开的系统和方法的实施例所产生的坩锅扫描的图示。这种类型的检查示出在使用系统的开始时采用并且对测量的可重复性并且因而对统计确定性设置初始极限的校准例程的示例。
[0024]图10A-10B是用作使用本公开的系统或方法的实施例坩锅的无损评估的标称模型的坩锅蜡(一般又称作短效型模(fugitive pattern))的图像。坩锅蜡标称模型的外表面能够从坩锅的外表面扫描中减去，以计算坩锅的壁厚度。
[0025]图11是制作具有两个空腔馈送通道和灌注杯以铸造两个叶片的模具、具有两个叶片蜡(一般又称作短效型模)的蜡组合件的图像。蜡组合件的外表面能够从模具的外表面扫描中减去，以计算模具的壁厚度。
[0026]图12A-12B是展现如通过本公开的系统和方法的实施例所确定的可接受(图12A)壁厚度和所拒绝(图12B)壁厚度的坩锅的图像。
[0027]图13A-13B是展现如通过本公开的系统和方法的实施例所确定的所拒绝壁厚度的坩锅的图像。
[0028]图14A-14C是展现如通过本公开的系统和方法的实施例所确定的可接受(图14A)壁厚度和所拒绝(图14B和图14C)壁厚度的坩锅的图像。
[0029]图15是按照本公开的一个实施例的坩锅的标称模型。标称模型能够从点云数据来构成。
【具体实施方式】
[0030]一般来说，本公开的系统和方法对模具和坩锅无损评估(NDE)、例如确定其壁厚度均匀性、对标称模型要求的一致性等是有效的。例如，在某些实施例中，本公开提供一种组合电子和机械系统，其执行外壳模具和坩锅部件的表面计量，以无损测量壁厚度。此外，本公开提供能够用来改进铸造产率的新系统和方法。在具体实施例中，