專利名稱：熔模鑄造的制作方法
技術領域：
本發明涉及熔模鑄造。更具體地說，本發明涉及形成熔模鑄造用模具。
背景技術：
對于要形成具有復雜幾何結構的金屬部件尤其是空心部件來說，熔模鑄造是一項常用技術，其可在耐熱合金燃氣渦輪發動機部件的制造中使用。
關于渦輪發動機零件如葉片和槳葉的熔模鑄造的領域已經發展得很成熟了。在一種示例性工藝中，制備具有一個或多個模腔的模具，各模腔具有與待鑄零件大致對應的形狀。制備模具的示例性工藝包括使用零件的一個或多個蠟模。通過在與零件內冷卻通道的正像基本上相對應的陶瓷型芯上模制蠟來形成蠟模。蠟模安裝在結殼夾具上。夾具在安裝前已準備好以便容納蠟模。例如可將夾具浸入在蠟中，以便至少在夾具的底板上進行涂覆。蠟模可放在底板蠟層和熔接于其上的蠟之上。
在結殼工序中，在一個或多個這種蠟模的周圍例如通過在固定住的蠟模上進行噴涂和/或浸漬陶瓷涂層材料來形成陶瓷殼型。例如可通過在高壓釜內熔融來將蠟除去。殼型還可通過例如對底面進行修整和噴砂以修平底面來進一步處理。可焙燒該殼型以使其硬化。這就留下了包括有殼型的模具，該殼型具有一個或多個由零件形成的隔腔，而隔腔又包括限定了冷卻通道的陶瓷型芯。可對殼型施晶種以便限定最終零件的晶體取向，并將殼型的底面放在鑄造爐的冷卻板上。然后向模具中引入熔融合金以鑄造出零件。在合金冷卻和凝固后，就可將殼型和型芯機械地和/或化學式地從模制件上除去。然后可在一個或多個階段中對這些模制件進行機加工和/或處理。
然而，在本領域中仍然存在可改善的空間。
發明內容
因此，本發明的一個方面涉及用于形成熔模鑄造的結殼夾具部件的方法。夾板相對于壓模進行定位。在壓模和夾板的至少第一表面部分之間對第一材料進行模制。
在各種實施例中，第一表面部分可沿著夾板的上表面。第一材料主要包括一種或多種蠟。模制可提供用于第一材料的大部分基本上平坦的暴露面。模制可為該暴露面提供用來定位蠟模的機構。該機構可包括平坦的抬高區域。模制可留下板的下表面基本上未被覆蓋。預模制好的第二材料固定在第一材料之上。第一和第二材料主要包括一種或多種蠟。第一和第二材料可具有基本上類似的成分。
本發明的另一方面涉及用于形成熔模鑄造用模具的方法。如上所述地形成結殼夾具部件。在夾板上固定一個或多個蠟模。所述一個或多個蠟模包括第二材料。在所述一個或多個蠟模的至少一些部分上以及在第一材料的至少一部分上涂覆一個或多個涂層。然后去除夾板。基本上除去第一材料和第二材料，從而留下由涂層形成的殼型。
在各種實施方式中，夾板可以是第一夾板，本方法可包括相對于第一夾板來裝配第二夾板。所述一個或多個蠟模可固定在第一和第二夾板之間。本方法可用來制造燃氣渦輪發動機翼型件的模具。
本發明的另一方面涉及用于熔模鑄造的方法。如上所述地形成熔模鑄造用模具。將熔融金屬引入到該熔模鑄造用模具中。使熔融金屬凝固。破壞性地去除該熔模鑄造用模具。
本發明的另一方面涉及用于結殼夾具的底板。底板具有相對的第一和第二表面。在第一和第二表面之間延伸有多個孔，它們具有不同于垂直于第一表面的直柱面的形狀，從而提供了反向鎖定。蠟材料主要設置在第一表面的至少一部分上，并延伸到孔內。
在各種實施方式中，蠟材料可包括用于使多個蠟模對齊的機構。孔具有處于第一和第二表面之間并比第一和第二表面處的截面積更小的截面積。第一和第二表面具有主平坦部分。在第二表面的主平坦部分上基本上沒有這種蠟材料。蠟材料可覆蓋第一表面的主平坦部分的絕大部分。
本發明的另一方面涉及用于形成位于熔模鑄造結殼夾具的底板的至少第一部分之上的層的壓模。壓模具有一個或多個可與底板的至少第一表面協同操作的表面，從而限定了模制材料容納空間。壓模具有用于將模制材料引入到模制材料容納空間中的通道。
在各種實施方式中，壓模還可包括至少一個用于使底板對齊的機構。所述一個或多個表面包括用于使模制材料形成蠟模對齊特征的機構。壓模可包括用于在模制期間容納底板把手的機構。壓模可包括用于容納底板下表面的第一半體，以及用于模制該模制材料的上表面的第二半體。
在附圖和下文的描述中闡明了本發明的一個或多個實施例的細節。從描述、附圖以及從權利要求中可以清楚本發明其它的特點、目的和優點。
圖1是根據本發明原理的結殼夾具的局部剖視圖。
圖2是圖1所示夾具的底板的頂視圖。
圖3是用于在圖2所示的底板上模制蠟層的壓模的圖。
圖4是在模制期間圖3所示壓模的局部剖視圖。
圖5是備選半模的視圖。
圖6是由圖5所示備選半模所模制的層的截面圖。
圖7是第二備選半模的視圖。
圖8是根據本發明原理的熔模鑄造工藝的流程圖。
在各幅圖中采用類似的標號和標記來表示類似的元件。
具體實施例方式
圖1顯示了用于在蠟模上涂覆殼型涂層24的期間支撐多個蠟模22的夾具20。夾具20包括頂板組件26和底板組件28。頂板組件26包括示例性的圓板30，其具有頂(上)表面31、底(下/下側)表面32以及圓柱形的側周面33。頂板組件26還包括圓柱形的柄軸34，其具有上端35、下端36以及側面37，并通過雙頭螺栓38和螺母40固定在頂板30上，并且從上表面31中突出來。
類似地，底板組件28包括板42，其具有上表面43、下表面44以及周向面45。圓柱形的底板把手46具有上端47、下端48以及側面49，并通過雙頭螺栓50和螺母52而固定在底板42上，從而從下表面43中懸垂下來。
為了完成基本的機械夾具20，一組連桿60通過跨置于頂板下表面32和底板上表面43之間而將頂板組件和底板組件連接起來。在該示例性實施例中，桿60具有大體圓形的截面，并具有上螺紋端部62A和下螺紋端部62B，它們延伸穿過板孔63A和63B，并通過貼靠在相關板端面上的環形臺肩64A而與主體部分隔開。螺母66A和66B將桿固定在相關的端板上。
在該示例性實施例中，在底板上表面43上模制了一層易揮發的犧牲材料的層70。層70通常具有暴露的上表面71、下表面72以及周向面73。多個鉚接部分76從下表面或底面72中懸垂下來，延伸穿過底板42中的孔78。該示例性的孔形成了不同于直圓柱體的截面輪廓，使其可與突起部分相接合，并固定住突起部分而不會被抽出。該示例性的截面輪廓包括中央的直圓柱體部分80以及上倒角部分82和下倒角部分83，這兩個倒角部分分別從中央部分的上、下端延伸到相關的上表面43和下表面44上。有多種其它的形狀可實現類似的互鎖。類似的互鎖可通過盲孔而非通孔或者通過燕尾槽來實現。示例性的易揮發材料是易于熔化的，或者是可以熱分解的。例如可使用天然蠟或合成蠟，或者其它的烴基材料。
上表面71包括多個突起在主平面部分88之上的抬高區域86。該示例性的抬高區域86具有大致矩形的平面圖形，并具有尺寸適合于容納蠟模22的底座92的平坦上表面90，并且當將蠟模裝配到夾具中時，其可促進蠟模的對齊。也可以使用其它的對齊機構。這些機構可包括用于容納蠟模底座部分的略微下凹的區域和壁結構。這種對齊機構也有助于在固定蠟模(例如通過蠟熔接)時將蠟模側向地保持住。在蠟模的旁邊，上表面71為涂層24的底座部分98的底面或下表面96的成型提供了模型。
澆蠟用錐形件100從頂板30的下表面32中懸垂下來。輸送部分102在錐體100和蠟模22之間延伸，形成了位于模具中的模具澆注用錐體和零件形成模腔之間的輸送通道，該模腔在從蠟模中去除蠟時形成。
該示例性的蠟模22顯示為具有翼型104和葉根106的渦輪發動機葉片。在該示例性實施例中，型芯(如陶瓷型芯)108在蠟模的蠟中延伸，并具有從蠟中突出到涂層24中的耳部110和112。在最終去除蠟時，在通過耳部而保持住的涂層的空腔中將留下型芯108。
圖2顯示了示例性底板組件的細節。示例性的孔78布置在三個圓環上八個均勻分隔開的孔的內環140、八個均勻分隔開的孔的中環142，以及四組每組三個均勻分隔開的孔的外環144。大致在這四組中的每組之間設有一個桿安裝孔63B。示例性底板的直徑處于10厘米到1米之間，更精確地說為30-70厘米。示例性底板的厚度是1-3厘米。示例性底板的材料是鋁合金或不銹鋼。
圖3顯示了用于模制層70的壓模的細節。壓模具有第一半模150和第二半模152。在該示例性實施例中，層70在底板處于顛倒的方位下時被模制在底板42上。根據這一方位，第一半模150用作下半模。半模150具有帶圓柱形周向面154和上/底表面156的隔腔。底表面156具有用于模制該層的平坦部分88的主平坦部分158，以及用于模制抬高區域86的凹槽160的陣列。四個凸耳162向上延伸到表面部分158之上，并與孔63B對齊。圖4顯示了凸耳162具有較寬的近端部分164和較窄的遠端部分166，以及處于它們之間的臺肩168。遠端部分166容納在相關的孔63B中，軸肩168靠在周圍的底板頂面上，從而通過沿著部分88的蠟層所需厚度T而使頂面與壓模的表面部分158隔離開來。圖4還顯示了上半模152，其具有用于容納把手46的中心孔170。上半模152具有帶圓柱形側壁部分172和底面部分174的隔腔。在該示例性實施例中，緊密結合的表面部分154和172提供了周向面73，并可防止圍繞該表面產生顯著的蠟滲透，而留下周向面45大部分免受蠟的浸漬。類似的，上半模152的底面部分174緊密地包容并優選接觸到底板的下表面44，從而可填充孔78而不會在底面72的其余未接觸部分上形成明顯的蠟積聚。凸耳的近端部分164形成了層70中的相關圓孔，其與孔63B對齊，以容納相關的桿主體部分的端部。在一個或兩個半模中可設有用于引入蠟的通道180(圖3)。
圖5顯示了備選的下半模，在其隔腔中包含有臺階式深槽202的環。這些凹槽202形成了如下將更詳細描述的更顯著的蠟模定位特征。這些示例性凹槽具有較寬的圓柱形近端部分204和較窄的遠端環形部分206。為了提供所需的蠟的增大體積，蠟的歧管210部分地包圍了模腔，并具有用于接受蠟的入口212以及多個用于將蠟輸送到模腔中的出口214。
圖6顯示了該示例性的備選蠟模定位特征220的詳細細節。各特征220具有大直徑的底座部分222，以及從中向上延伸出來的較窄的環形套筒狀部分224。套筒狀部分224中的隔腔226可接受蠟模230的突出部分228。示例性蠟模230形成了用于鑄造燃燒室面板的最終殼型中的模腔。特征220可形成用于接受晶種的最終殼型中的容積體，以形成最終鑄造面板的晶體取向。
圖7顯示了利用基本上完全平坦的暴露上表面來模制蠟層的第二備選的下半模240。
圖8顯示了在熔模鑄造工藝中使用夾具的示例性的步驟順序。將底板定位400在下半模中，并裝配402半模。注入404蠟或類似材料以形成層70。使蠟冷卻406。分開408半模，并在底板上去除410附帶在其上的層70。
制備412頂板和桿件，這可與底板的制備并行進行。這種制備涉及將澆注錐體固定在頂板上，并將一層薄蠟或其它脫模劑涂覆在頂板和桿件的剩余表面部分上，以便最終促進從涂層中脫離。桿件可預裝在頂板上，或者這一過程可在后續的夾具裝配階段414中進行，在其中可將桿固定到底板上。如果沒有被預先模制成層70的一部分，那么可通過例如蠟熔來將蠟隔離結構(例如類似于特征220)或其它蠟模定位特征固定416在該層上。然后定位和固定418蠟模(例如通過蠟熔以及輸送結構和任何其它的蠟部件)。在一個或多個涉及濕式或干式浸漬以及濕式或干式噴涂的組合的步驟中施加420涂層。在涂覆期間，通過擦拭件(未示出)來使頂板周向面33和底板周向面45保持干凈。這便于后續的頂板和底板從殼型中的脫離。在涂覆步驟之間可采用干燥步驟。
在最后的干燥之后，可去除422頂板。通過脫蠟工藝424例如在高壓釜內去除蠟。在脫蠟工藝之后，可以整體的方式來去除426底板和桿件，并將桿件從底板中拆下來以便于兩者的再利用。然后修整428殼型(例如，去除包括覆蓋了桿件的部分的底面周邊部分，以及修整澆注錐體周圍的上部)。如果在殼型中存在小瑕疵，那么可對其進行修補430。殼型的下表面可進行噴砂處理432。在給定了由相對較精確的注射上表面71所提供的較高初始平面度時，這種噴砂處理可能相對輕微，并可能完全省略掉。這與浸漬的底板蠟層不同，后者需要大量的噴砂處理，以使蠟模的底面變得平坦。殼型可經過焙燒434以強化殼型，并根據需要施晶種436，以便形成預定的結晶取向。然后可將殼型安裝448在鑄造爐中，并引入440熔融金屬。在金屬冷卻442之后，可對金屬件進行去殼444。通過機加工446使零件彼此分離，去除額外的多余材料，并提供所需的外部和內部的零件輪廓。后機加工處理448可包括熱處理或化學處理、噴鍍等。
在上文中已經對本發明的一個或多個實施例進行了描述。然而可以理解，在不脫離本發明的精神和范圍的前提下，可以進行多種修改。例如，如果將上述技術應用于現有的制造設備中或應用于現有部件的制造中，那么這些設備或部件的細節可能影響任何具體實施方式
的細節。因此，其它的實施例也屬于所附權利要求的范圍之內。
權利要求
1.一種用于形成熔模鑄造的結殼夾具部件的方法，包括使夾板(42)相對于壓模(150，152；200，152；240，152)定位；和在所述壓模和所述夾板的至少第一表面部分之間對第一材料(70)進行模制。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一表面部分沿著所述夾板的上表面(43)。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一材料(70)主要包括一種或多種蠟。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述模制提供了用于所述第一材料的大部分基本上平坦的暴露面(86)。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述模制提供了帶有用來定位蠟模的機構(86；220)的暴露面。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述機構包括平坦的抬高區域(86)。
7.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述模制留下了所述夾板的下表面(44)基本上未被覆蓋。
8.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括將預模制的第二材料(220)固定在所述第一材料之上。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一和第二材料主要包括一種或多種蠟。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一和第二材料具有基本上相似的成分。
11.一種用于形成熔模鑄造用模具的方法，包括形成根據權利要求1所述的熔模鑄造的結殼夾具部件；將一個或多個蠟模(22；230)固定在所述夾板上，所述一個或多個蠟模包括第二材料(104，106)；在所述一個或多個蠟模的至少一些部分和所述第一材料的至少一部分上涂覆一層或多層涂層(24)；去除所述夾板(42)；和基本上去除所述第一材料(70)和所述第二材料(104，106)，從而留下由所述涂層(24)形成的殼型。
12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述夾板(42)是第一夾板；將第二夾板(30)相對于所述第一夾板進行固定；和所述一個或多個蠟模(22；230)的固定使所述一個或多個蠟模固定在所述第一和第二夾板之間。
13.根據權利要求11所述的方法在制造燃氣渦輪發動機翼型件的模具中的應用。
14.一種用于熔模鑄造的方法，包括形成根據權利要求11所述的熔模鑄造用模具；將熔融金屬引入到所述熔模鑄造用模具中；使熔融金屬凝固；和破壞性地去除所述熔模鑄造用模具。
15.根據權利要求14所述的方法在制造燃氣渦輪發動機部件中的應用。
16.一種用于結殼夾具的底板(42)，包括第一表面(43)；與所述第一表面相對的第二表面(44)；在所述第一和第二表面之間延伸的多個孔(78)，它們成形為不同于垂直于所述第一表面的直圓柱表面；和主要位于所述第一表面的至少一部分之上并延伸到所述多個孔中的蠟材料(70)。
17.根據權利要求16所述的底板，其特征在于，所述蠟材料包括用于對齊多個蠟模的機構(86；220)。
18.根據權利要求16所述的底板，其特征在于，所述多個孔具有介于所述第一和第二表面之間并且比所述第一和第二表面處的截面積更小的截面積。
19.根據權利要求16所述的底板，其特征在于，所述第一和第二表面具有主平坦部分；在所述第二表面(44)的主平坦部分上基本上沒有所述蠟材料；和所述蠟材料覆蓋了所述第一表面主部分的絕大部分。
20.一種用于在熔模鑄造的結殼夾具的底板的至少第一部分上形成層的壓模(150，152；200，152；240，152)，包括一個或多個與所述底板的至少第一表面協同操作以限定模制材料接受空間的表面；和用于將模制材料引入到所述模制材料接受空間內的通道(180；212，214)。
21.根據權利要求20所述的壓模，其特征在于，所述壓模還包括至少一個用于使所述底板對齊的機構(162)。
22.根據權利要求20所述的壓模，其特征在于，所述一個或多個表面包括用于使被模制好的模制材料形成蠟模對齊特征(86；220)的的機構(160；202)。
23.根據權利要求20所述的壓模，其特征在于，所述壓模還包括用于在模制期間容納所述底板的把手(46)的機構(170)。
24.根據權利要求23所述的壓模，其特征在于，所述壓模還包括用于接受所述底板的下表面的第一半模(152)；和用于模制所述模制材料的上表面的第二半模(150；200；240)。
25.一種熔模鑄造的結殼夾具，包括基底(42)；和模制在所述基底上的犧牲材料(70)，其具有直接或間接地與一個或多個熔模鑄造蠟模(22；230)相接合的表面部分(90；226)。
26.根據權利要求25所述的夾具，其特征在于，所述犧牲材料是烴基的；所述基底是可再利用的；和所述表面部分包括用于直接或間接地與所述一個或多個蠟模對齊的機構。
全文摘要
將蠟或類似材料(70)模制到熔模鑄造的結殼夾具的底板(42)上。模制過程可提高蠟模(22；230)的定位，或者提供殼型(24)的精確表面形狀。
文檔編號B22C7/04GK1693005SQ200510071429
公開日2005年11月9日 申請日期2005年5月6日 優先權日2004年5月6日
發明者M·K·特金頓, D·E·羅頓, S·J·布利德 申請人:聯合工藝公司