（航空宇航制造工程专业论文）闭式叶盘类零件分体式精铸模具cad技术研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 闭式叶盘类零件精铸模具的设计是采用精密铸造方式制造航空发动机核心 部件一闭式叶盘类零件的关键，其设计过程中繁琐性及设计理论的不完备性 使得采用现行通用的c a d 系统进行模具设计变得十分困难，严重影响了航空发 动机的制造周期。为此，本文通过对闭式叶盘类零件分体式精铸模具结构进行 分析、总结设计专家的设计经验，以u g 为开发平台、v c + + 为二次开发工具开 发了较为实用的闭式叶盘类零件分体式精铸模具c a d 系统，初步实现了基于知 识的闭式叶盘类零件分体式精铸模具参数化设计，缩短了精铸模具的设计周期， 增强了产品研制的经济性。 本文以航空发动机闭式叶盘类零件分体式精铸模具为研究对象，重点研究 了闭式叶盘类零件分体式精铸模具c a d 系统的关键技术，完成了如下工作： 研究了闭式叶盘类零件分体式精铸模具的结构及其设计方法 研究了叶盘类零件分体式精铸模具的参数化设计方法，闭式叶盘的基于 知识的分割过程，实现了闭式叶盘的导向分割。详细分析了叶盘类零件 内外环精铸模具的设计过程，总结了内环精铸模具各零部件的设计经验 及参数关联关系。 建立了闭式叶盘类零件内外环精铸模具的特征信息模型，该模型将叶盘 类零件内外环精铸模具的设计信息和几何信息有机的结合在一起，它保 存了闭式叶盘类零件精铸模具设计数据和几何实体的信息。 以u g 为c a d 平台，进行二次开发开发了叶盘类零件分体式精铸模具c a d 系统的型腔体分割子系统、内外环精铸模具设计子系统，并完成了其与 闭式叶盘类零件参数化c a d 系统、叶片精铸模具c a d 子系统及组合夹具 c a d 系统的集成。 关键字：分体式精铸模具设计，基于知识，导向分割，特征信息模型 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e s i g no fi n v e s t m e n tc a s t i n gm o u l dt oc l o s e db l i s ki st h ek e ys t e po f m a n u f a c t u r i n ga e r o e n g i n ec o r ep a r t ，c l o s e db l i s ku s i n gi n v e s t m e n tc a s t i n g m e t h o l d b e c a u s eo ft h em i s c e l l a n e i t yi nd e s i g np r o c e s sa n dd e f i c i e n c yi n d e s i g nt h e o r y ，i t i sh a r dt od e s i g nt h em o u l dw i t hm o r m a lc a ds o f t w a r e ， a f f e c t i n gt h ep e r i o do fa e r o e n g i n em a n u f a c t u r e t h es t r u c t u r eo fd i v i d u a l l y d e s i g n e dc a s t i n gm o u l dt oc l o s e db l i s k i sa n a l y s e da n dd e s i g ne x p e r i e n c e f r o me x p e r t si ss u m m a r i z e di nt h i sp a p e r ac a ds o f t w a r ep r o t o t y p ef o r i n v e s t m e n tc a s t i n gm o u l di nd i v i d u a i d e s i g nm e t h o l dt oc l o s e d b l i s ki s d e v e l o p e dt oa c c o m p l i s hp a r a m e t e r i z e dd e a s i g n ，s h o r t e n i n gd e s i g nc i r c l e ， m a k i n gc l o s e db l i s km a n u f a c t u r i n gm o r ee c o n o m i c a l i n v e s t m e n tc a s t i n gm o u l dt oc l o s e db l i s ki st h eo b j e c tf o rr e s e a r c hi nt h i s p a p e r t h ek e yt e c h n o l o g i e sa b o u tc a ds o f t w a r eo fi n v e s t m e n tc a s t i n gm o u l d i nd i v i d u a id e s i g nm e t h o l dt oc l o s e db l i s ka r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e ra s b e l o w ： t h es t r u c t u r ea n dd e s i g np r o c e s so fi n v e s t m e n tc a s t i n gm o u l di n d i v i d u a ld e s i g nm e t h o dt oc l o s e db l i s ki ss t u d i e di nt h i sp a p e r p a r a m e t e r i z e dd e s i g no fi n v e s t m e n tc a s t i n gm o u l di nd i v i d u a id e s i g n m e t h o dt ob l i s ka n dk n o w l e d g e b a s e do r i e n t e dp a r t i t i o np r o c e s so f c l o s e db l i s kj s g i v e n i nm u c hd e v i l i n c l u d i n gt h ee x p e r i e n c e k n o w l e d g ef r o me x p e r t sa n dt h er e l a t i o n s h i pd u r i n gt h er e l a t e dp a r t s o ft h ei n v e s t m e n tc a s t i n gm o u l d f e a t u r ei n f o r m a t i o nm o d e lo fi n v e s t m e n tc a s t i n gm o u l dt oi n n e ra n d o u t e rr i n g si nc l o s e db l i s ki sp r e s e n t e d i ts a v e sb o t ht h ed e s i g nd a t a a n dg e o m e t r i cs o l i di n f o r m a t i o no ft h em o u l d d e v e l o pt h ec a ds y s t e m sf o rp a r t i t i o n i n gm o u l di n n e rs h a p es o l i d a n dd e s i g n i n gi n v e s t m e n tc a s t i n gm o u l dt oi n n e rr i n go fc l o s e db l i s k ， u s i n g t h eu n i g r a p h i c s ( u g ) a sd e v e l o p i n gf l a f f o r m f i n i s ht h e i n t e g r a t i o n o ft h e s u b - s y s t e m sb e l o n g e d t oc a ds y s t e mo f i n v e s t m e n tc a s t i n gm o u l dt oc l o s e db l i s k k e y w o r d s ：c l o s e db l i s kk n o w l e d g e b a s e d o r i e n t e dp a r t i o n f e a t u r ei n f o r m a t i o nm o d e ii n v e s t m e n tc a s t i n gm o u l dd e s i g n i i 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 随着航空动力技术的发展和国防建设的要求，航空发动机必须满足超高速、 高空、超长航时、超远航程、大推重比的新一代机种的需求，航空发动机的结构 将越来越复杂，精度要求越来越高，精密复杂的零部件将大幅增加。主要包括： 压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管及附件系统。压气机是由转动的工作轮盘与叶片 组成的转予和静止不动的机匣与整流叶片组成的静子两部分所构成的。燃烧室装 在压气机与涡轮之间，由传力的内、外壳体( 机匣) 及火焰筒组成。涡轮是由转 予和静子两部分组成。涡轮转子由涡轮盘、涡轮轴、工作叶片及连接零件等所组 成：涡轮静子由涡轮机匣、导向器等部分组成f i 】。 目前普遍认为，发动机推重比和燃油消耗率是衡量航空喷气涡轮发动机技术 水平和工作能力的综合性指标，航空涡轮发动机的技术进步主要体现在推重比的 提高和燃油消耗率的降低上。其中，航空发动机推重比已经成为各国航空动力工 业发展的首要目标。提高航空发动机性能的技术途径之一是提高发动机的气动热 力参数，提高发动机单位流量推力，但这方面的提高是有限的。另一方面，利用 简捷、高效的发动机结构设计，减轻发动机重量，是提高发动机推重比的一个有 效途径。 整体叶盘c b l i s k ) 是航空发动机的一种新型结构部件，它是将叶片和叶盘通 过先进的工艺做成一体，省去常规叶盘连接的榫头和榫槽，使结构大大简化。( 如 图1 一1 ) ，它与常规叶盘连接相比有以下优点： ( 1 ) 不需要叶片榫头的榫槽连接的自重和支撑这些重量的结构，因此大大减轻 了风扇转子和压气机转子的重量； ( 2 ) 没有榫槽泄漏通道，确保叶根处的流路不中断，并减少级间的风阻损失， 使性能提高： ( 3 ) 无榫槽泄漏，使压气机转子温度较低，从而提高了转子的寿命： ( 4 ) 省去了安装边和螺栓、螺母和锁片等连接件，大大减少了零部件，同时也 避免了榫槽损伤和断裂等潜在故障，大大提高了可靠性。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 ( a ) 开式叶盘( b ) 闭式叶盘 图1 1 航空发动机整体叶盘 目前该结构已应用在国外很多先进的军用发动机上，如美国惠普公司f 1 1 9 和 f l o o 发动机，欧共体的e j 2 0 0 0 发动机，宝马罗一罗公司研制的b r 7 1 5 发动机。 整体叶盘结构将来必然会用于推重比1 5 2 0 的航空发动机上1 2 4 j 。 由于整体叶盘是高速旋转部件，既要达到减重和精确平衡要求，又要提高疲 劳强度，因而其设计、制造技术难度特别大。整体叶盘毛坯一般采用钛合金、高 温合金等难加工材料，不允许有裂纹和缺陷，必须经过严格无损探伤检验；整体 叶盘叶片薄、扭曲度大、叶展长、受力易变形，且叶片问的通道深而窄、丌敞性 很差。因此，整体叶盘的制造和维修都特别困难，是国外严密封锁的核，i s , 技术。 如何提高整体叶盘的制造工艺水平，缩短制造周期，不仅是一个影响我国新 机研制水平的核心问题；同时对于批量生产而言，也是影响我国航空工业的发展 和国防安全建设的一个关键问题。对单件整体叶盘类零件，可采用五坐标n c 加工 方法制造| 7 。8j ，虽然成本很高，但可通过缩短生产周期来弥补。现在还有采用电脉冲 ( e d m ) 方法加工制造的p 1 虽然电极的加工制造受电极进出的限制导致零件制造工 期较长，但可避免使用昂贵的五坐标加工中心和特殊专用刀具。 随着发动机性能的提高，整体叶盘类零件结构越来越复杂，无法用上述方法制 造，同时整体时盘类零件具有一定的批量，采用数控和电脉冲加工也不经济。由于整 体叶盘类零件是航空发动机上的部件，对其气动性能要求较高，采用精密铸造方法 既可满足气动性能要求又有利于批量生产，所以对上批量或结构复杂无法用上述两 种方法加工的整体叶盘类零件只能用精密铸造方法制造，精密铸造整体叶盘类零件 蜡型的设计和制造定型则必然成为重中之重。 整体叶盘类零件蜡型的获得目前还可采用计算机三维实体模型，通过激光快速 立体成型设备( s l a ) 得到蜡型，然后制壳浇铸，最终得到精铸件。但此类方法受设 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 备昂贵、精度不高、铸件内腔太小无法用涂料方法直接获取铸件等条件的限制，还 不适于批量生产叶盘类精铸件。目前厂家大多采用传统方法制造模具压制蜡模， 蜡模模具的设计与制造是其关键技术，决定着整体叶盘类零件的铸造精度和制造 周期。 整体叶盘可分为闭式叶盘与开式叶盘( 如图1 - 1 所示) ，本文重点讨论闭式叶 盘类零件精铸模具设计。闭式叶盘类零件精铸模具设计可分为分体式设计及整体 式设计。整体式精密铸造是根据叶盘类零件形状直接设计和制造出蜡模模具体， 通过压制蜡型，得到叶盘类零件制壳用蜡型。分体式精密铸造就是设计之初，根 据叶盘类零件内外轮毂为回转面，中间由叶片连接的特点，将其分割为内环体、 外环体和叶片单元体3 部分：所得到的内外环和叶片单元模型就是作为叶盘模具 分体式模具设计制造的基础，制作好的模具分别压制内外环和叶片蜡型，再由组 合夹具将这些分体蜡模焊接在一起，得到叶盘类零件制壳用蜡型，其框架图如图 1 - 2 所示。 _ 丙面_ 一内环精铸模具卜 丙面霹活i 卜一 组合 _ 厂两面_ h 外环精铸模具卜_ _ r 歼丽霹愿卜 夹具 进行 焊接 _ r 可弭_ _ _ | 叶片精铸模具卜1 可蛋翌耍团一 国1 - 2 闭式叶盘类零件分体式精铸模具设计框架图 影响叶盘类零件工作效率的主要因素是叶片形状及其角向的均匀眭。然而， 采用整体式精密铸造方法，其模具体中要加工叶片型腔的数量多，从而不能保证 叶片形状的一致性，进一步影响航空发动机的性能。采用分体式精密铸造能够保 证叶片形状的一致性，并且分割后得到叶片单元体的模具容易制造、定形，其周 向定位可通过机加工的分度孔确定，精度远高于整体模具；而且还可以根据试模 结果灵活调整流道内径尺寸，以满足设计要求。由此可见，对于闭式叶盘类零件 分体式精铸模具设计通常应优先考虑分体式的设计方法( 其具体设计方法在本文 2 2 节有详细介绍) 。 闭式叶盘类零件分体式精铸模具的设计过程是一种系统化技术性极强同时也 极繁琐的工作。它的难度主要表现在设计理论的不完备性以及专家经验的表达和 利用上。同手工设计一样，在利用c a d 软件进行模具设计时，在很大程度上必须 3 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 依赖于设计人员的干预，极大影响了设计速度。为了改革这种现状，“八五”、“九 五”期间西北工业大学与沈阳黎明航空发动机公司、成都航空发动机集团、西安 航空发动机公司联合开发了航空发动机涡轮叶片精铸模具c a d c a m 系统。此系 统在实际应用中大大缩短了涡轮叶片( 包括闭式叶盘叶片) 精铸模具的生产周期， 取得了不错的效果。但此系统仅限于叶片精铸模具设计，不包含闭式叶盘类零件 分体式精铸模具设计过程中内外环精铸模具的设计，且随着网络技术、信息技术 以及计算机水平的不断发展，此系统在信息集成方面逐渐凸显不足【1 1 - 1 3 o 因此开发闭式叶盘类零件分体式精铸模具c a d 系统，扩大系统产品的涵盖范 围、整合重复性工作、增加模具设计知识、寻找设计规律、简化设计过程、提高 信息集成，对于降低设计人员的工作强度、提高设计速度、缩短设计周期、增强 航空产品的经济性、时效性具有重要意义。 本文以闭式叶盘类零件精铸模具为研究对象，重点研究精铸模具的几何造型 技术，走通零件 结构分解 参数化设计- 模型整合的技术路线。本论文的研究有 助于提高闭式叶盘类零件精铸模具结构的设计效率，简化设计过程，特别是参数 化功能，使模具几何模型具有可修改性，进而提高典型零件精铸模具模型的可重 用性，为后期的工艺分析研究工作奠定了基础。因此，研究航空发动机闭式叶盘 精铸模具的参数化设计技术将对缩短发动机的制造周期具有重要意义。 1 2 课题来源 本课题源于中航二集团的“中小型航空发动机信息技术应用研究”中的“叶 盘类零件精铸模具参数化设计平台”部分，该项目还包括“叶盘类零件参数化设 计平台”。 1 3 国内外相关技术研究现状 1 3 1 国外相关技术概况 国外从上世纪5 0 年代末期就开始了对冲模c a d 的研究和开发，7 0 年代初陆 续出现了一批实用的模具c a d c a m 系统，8 0 年代己进入普及阶段。源于7 0 年代 的c i m 技术在工业发达国家已被模具工业界所重视，并在许多大型模具企业中得 以研究、开发和应用，取得在模具产品质量( q ) 、模具生产周期( t ) 和成本( c ) 4 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 等方面在市场竞争上的优势。 在航空产品方面，普惠( p w ) 公司早在1 9 6 8 年就开始把c a d c a m 技术应 用于航空发动机的研究工作中，并于1 9 8 6 年研制成功第一个t a d s y s 涡轮叶型设 计c a d 系统。1 9 7 3 年成功研制了c m s p w a 图像仪的涡轮交互设计系统。1 9 7 4 年完成了包括气动设计在内的涡轮交互式设计系统。p w 公司的c a d c a m 系统可 用图1 3 表示。 i 性写规格l1 最竿构il 三堇产到i 工具产 f 公用数据库 壶卤 初步磊f n 嘉n i 榆骑l 一 图1 3p w 公司c a d c a m 系统结构 p w 公司的c a d c 舢系统包含涡轮叶片、叶盘类零件、燃烧室火焰桶、机匣 等零件的设计和制造，尤其在涡轮叶片方面，各个步骤已全部完成。这些设计和 制造技术早在f 一1 0 0 发动机改型上得到应用，使改型工作加快好几年。同时在f 一1 1 9 和p w 4 0 0 0 设计和制造中，p w 的c a d c a m 系统都发挥了重要的作用。 通用电气( g e ) 公司，早在上世纪7 0 年代就开发了t d d d 程序应用于涡轮 设计。1 9 8 0 年以后，g e 公司采用了通用电气公司研究与发展中心( g e c r d ) 开 发的人工智能工程应用软件系统e n g l n e o u s ，与叶片分析程序结合，用于离心压 气机、轴流压气机和涡轮的初步设计。后来开发的面向生产的e n g l n e o u s 2 0 ， 融合了叶片流道的详细设计，进一步加强了系统的智能化。 罗罗公司的c a d c a m 工作也是从叶片开始的，而且进展很快，叶片的叶型、 叶根、叶冠、冷却孑l 以及减震凸台等都是用c a d 系统完成的。叶片制造方面，已 开发了复杂外型的三坐标铣削程序，用于控制数控铣床加工标准叶片型面、叶片 锻、铸模具型腔。其系统己成功应用于r b 2 1 1 5 2 4 发动机的精铸涡轮叶片。 法国的s n e c m a 设计的系统已成功应用于叶轮机部件设计上：前苏联中央航空 发动机研究院( c i a m ) 及莫斯科航空学院也研究出叶片、叶轮、转子、机匣等自 动设计系统 1 3 - 1 8 1 。 由此可见，国外先进的航空发动机厂商c a d c a m 应用水平很高，但主要集 中在航空发动机产品本身的设计及其相关模具的数控加工领域，专门针对航空产 品精密模具的c a d 系统相对较少。而且由于航空产品精密模具c a d 技术与国家 5 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 安全息息相关，因此各国对这一技术进行了严密的封锁。 1 3 2 国内相关技术概况 我国由于计算机技术发展起步较晚等原因，模具c a d 技术的研究与开发于上 世纪7 0 年代未才开始，并相继在国家的“六五”、“七五”、“八五”、“九五”规划 中均列为重要的技术攻关项目。通过几十年的努力，模具c a d 技术的研究和开发 已取得了很大的进展。 在民品方面，“一汽”、“二汽”、“上海大众”等大型企业均能利用模具c a d c a m 系统设计制造汽车车身大型覆盖件模具。1 9 9 5 年北京艾克斯特c 订技术公司开发 出模具c a d c a m 系统，1 9 9 6 年北京宇思机电公司开发的工程化机械c a d c a m 软件y s m c a d 。青岛海尔模具有限公司、铜陵三佳模具股份有限公司、无锡市国 盛精密模具制造有限公司等也纷纷引进了c a d 技术开发了自己的模具设计系统， 极大的提高产品的设计水平和市场竞争力。国内开发的自主版权的模具c a d c a m 软件也正在模具行业推广与普及，并在应用中不断的得到改进和完善，其代表有： 华中理工大学( 现为华中科技大学) 模具技术国家重点实验室开发的塑料注射模 c a d c a e c a m 系统h c s 2 0 、上海交通大学模具c a d 工程中心开发的冷冲模 c a d 系统、北京航空航天大学华正模具所开发的c a d c a m 系统c a x a 、广州中 科联公司的冷冲模c a d c a m 系统1 1 9 “j 。 在航空产品方面，“八五”、“九五”期间西北工业大学与沈阳黎明航空发动 机公司、成都航空发动机集团、西安航空发动机公司联合开发了航空发动机涡轮 叶片精铸模具c a d c a m 系统。该系统实现了精铸模具零件的特征造型、实体造 型、零件装配尺寸协调和二维工程图绘制，达到了提高精铸模具设计质量和效率 的目的。在实际应用中极大的缩短了涡轮叶片的生产周期，取得不错的效果。 总的来讲，我国的c a d c a m 技术还处在高技术集成、产业化及商业化过渡 的时期，自主版权c a d c a m 软件的稳定性和可靠性与国外c a d c a m 工程软件 如u g 、p r o 月e 、c a t l a 等软件相比仍有很大的差距 2 3 1 l 。 专用模具c a d 系统主要集中在民用结构相对简单、规律性较强的冲模、注射 模及部分锻模领域。至于航空产品的精密模具由于其结构复杂、c a d 实现难度大， 这方面的专用模具c a d 系统相对较少。因此，在引进国外先进的c a d c a m 软件 的基础上，利用二次开发技术，针对航空产品的特点，开发专用的模具c a d c a m 系统以加快产品的制造速度是一个经济可行的方案。 6 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 论文内容和章节安排 1 4 1 论文内容 本文以几种常见的闭式叶盘类零件为对象，研究了基于特征的闭式叶盘类零 件分体式精铸模具参数化c a d 建模方法，结合加工制造的需要，旨在实现闭式叶 盘类零件分体式精铸模具设计的三维设计方法，以缩短闭式叶盘精铸模具的设计 制造周期：同时在商用c a d 软件的基础上开发了适用于闭式叶盘类零件分体式精 铸模具设计的专用系统。研究工作内容包括： 1 闭式叶盘类零件分体式精铸模具可参数化分析：对闭式叶盘类零件分体式 精铸模具的设计过程及模具结构进行了可参数化分析，为实现其参数化奠 定了基础。 2 闭式叶盘类零件分体式精铸模具实体造型： 闭式叶盘类零件模具型腔体的分割：研究闭式叶盘类零件模具型腔体 分割过程，实现了其智能化分割。 闭式叶盘类零件内外环精铸模具实体造型：完成内外环精铸模具参数 化造型技术研究。完成参数化设计需要解决的几何相关性设计问题。 3 闭式叶盘类零件内外环精铸模具特征描述模型：对于内外环精铸模具的各 部分结构，结合内外环精铸模具的几何信息，设计信息和造型方法建立了 内外环精铸模具的特征描述模型。并以此模型为基础构建了内外环精铸模 具造型c a d 系统。 4 以u g i i 为开发平台初步完成了闭式叶盘类零件模具型腔体分割系统及内 外环精铸模具的参数化设计系统的开发工作，初步完成闭式叶盘类零件分 体式精铸模具c a d 系统各子系统间的集成。 1 4 2 章节安排 论文全文共分为五章，各章节内容安排简单介绍如下： 第一章绪论 介绍论文的研究背景、研究意义和课题来源。介绍了论文相关研究领域，对 研究现状做出分析，指出当前研究的不足之处，并提出论文的研究内容和研究方 7 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 向。最后介绍了论文的章节安排。 第二章闭式叶盘类零件分体式精铸模具结构和设计方法研究 详细说明了闭式叶盘类零件分体式精铸模具的结构，在此基础上对闭式叶盘 类零件分体式精铸模具的各部分结构作了可参数化分析。介绍了闭式叶盘类零件 精铸模具的设计基准和设计流程。本章是后续章节研究内容的依据和基础。 第三章闭式叶盘类零件分体式精铸模具参数化设计研究 本章重点讨论了闭式叶盘类零件分体式精铸模具结构参数化设计技术的难 点。包括闭式叶盘类零件模具型腔体的分割及模具各零部件的参数化造型方法。 第四章闭式叶盘类零件分体式精铸模具特征信息模型建立 本章在引入了广义工程语义特征概念的基础上建立了闭式叶盘类零件分体式 精铸模具特征信息模型。分析了闭式叶盘类零件分体式精铸模具特征信息模型的 两类特征：复合特征和整体特征。并用面向对象的知识表达给出了闭式叶盘类零 件分体式精铸模具特征信息模型的描述和实现。 第五章闭式叶盘类零件分体式精铸模具参数化c a d 系统 本章详细介绍了闭式叶盘类零件分体式精铸模具参数化c a d 系统的设计流 程、主要功能模块、各模块件的接口设计及基于u g i i 二次开发实现的闭式叶盘类 零件精铸模具参数化c a d 系统的运行实例：重点介绍了闭式叶盘类零件模具型腔 体分割子系统及内外环精铸模具设计子系统。 第六章总结 总结本论文的研究工作内容，并提出关于下一步研究方向的几点思考。 8 西北工业大学硕士学位论文 第二章闭式叶盘类零件分体式精铸模具结构和设计方法研究 第二章闭式叶盘类零件分体式精铸模具结 构和设计方法研究 闭式叶盘类零件分体式精铸模具结构复杂，形状各异。尺寸大小变化很大， 设计过程繁琐，要完成对闭式叶盘类零件分体式精铸模具的设计，必须对其结构 做详细分析，充分了解这些结构的设计方法。 本章首先介绍了常用的闭式叶盘的结构。分析比较了闭式叶盘精铸模具的整 体设计及分体式设计两种设计方法，介绍了闭式叶盘分体式精铸模具的结构及设 计流程。 本章还就闭式叶盘类零件分体式精铸模具的建模规范进行了讨论，说明了闭 式叶盘分体式精铸模具设计基准，坐标系，闭式叶盘分体式精铸模具的设计要求。 2 1 闭式叶盘类零件结构分析 图2 - 1 闭式叶盘1图2 - 2 闭式叶盘2 闭式叶盘( 结构见图2 1 、2 2 所示) 用在发动机中起导向或整流作用。从结 构上看一般分为内环、叶片和外环三个部分。 1 内环结构 内环结构是闭式叶盘中传递叶片气动离心力的重要部分，它一般和轴相联结。 内环结构一般形状不太固定，轮廓参数尺寸也有不同，但是可以进行参数化设计 和快速修改。 2 外环结构 叶盘外部的环，通过叶片和内环相连。 9 西北工业大学硕士学位论文第二章闭式叶盘类零件分体式精铸模具结构和设计方法研究 外环结构相对于内环来说结构简单，轮廓参数数目少，形状也易于修改。 3 叶片结构 叶片是闭式叶盘结构中最重要的部分，叶片是由若干基元叶型截面按一定的 规律积叠而成的空间曲面。 晶 图2 - 3 叶片结构图 叶片截面由叶盆，叶背，前缘和后缘四条曲线组成，叶盆，叶背是样条曲线， 前缘，后缘是圆弧。 前缘! 竽冀；最。 叶背曲线 图2 - 4 叶片截面图 后缘 2 2 闭式叶盘类零件分体式精铸模具设计 在模具制造过程中的叶盘模具设计阶段的大致步骤如图2 5 所示： 1 0 西北工业大学硕士学位论文 第二章闭式叶盘类零件分体式精铸模具结构和设计方法研究 图2 5 分体式叶盘模具设计流程 1 叶盘毛坯设计 模具设计人员的工作是以叶盘3 d 实体为基础的。基于叶盘的制造工艺，叶盘 毛坯的设计需要考虑后续机械加工中的加工余量。同时由于叶盘结构的复杂性， 因此为了避免浇铸时产生欠铸，在可能出现欠铸处增加引流系统，在结构薄弱处 增加加强筋是必须的。叶盘毛坯设计作为模具设计的第一步，其设计结果很大程 度上决定了最终叶盘产品的制造成品率。 2 模具型腔体设计 模具型腔的设计精度决定了叶盘非机加部分的零件精度和铸件的成品率，因 此它是设计过程的核心工作。对于模具型腔设计首先考虑的是铸造收缩率的设定。 通常收缩率的设定有两种方式：一是在x 、y 、z 方向设定同一收缩率；二是在x 、 y 、z 方向分别设定收缩率。近年来，由于铸造仿真技术的不断发展p j ，实现了点 到点的收缩设定，极大地提高了型腔的设计精度。同时，在叶片结构的模具型腔 设计中还必须解决两个问题，一是铸造工艺要求的定位机构，即芯头的设计；二 是开模方式的确定，即分模面的设计。 3 分割模具型腔体 导向器类零件一般可分为三部分，内部，外部和中间部分，其中内外部轮毂 一般为回转面，中间通过叶片把它们连接在一块。因此，通过一些分割面可以将 导向器分割成内环体，外环体和叶片3 部分。由于铸造凝固综合收缩率已精确得 到，为保证流道的径向尺寸，在叶片分割体和内环体之间径向留有适当间隙，以 便于调整径向尺寸，如图2 - 6 所示。( 具体的分割办法在第三章中会有详细介绍) 西北工业大学硕士学位论文 第二章闭式叶盘类零件分体式精铸模具结构和设计方法研究 幽2 - 6 叶盘的组成及蜡模分割体 4 各分割体的精铸模具设计 叶片单元体精铸模具的设计 1 ) 首先根据计算了收缩率后的叶片型腔尺寸确定出叶片外部包裹的模具毛 坯b l o c k 的三维尺寸大小： 2 ) 根据设计目的确定模具结构，考虑开模方式，确定模具毛坯的分模面，对 模具毛坯进行划分； 3 ) 进行模具典型结构、标准件和非标常用件的设计； 4 ) 设计定位孔、安装孔和槽腔结构实体，并与模具毛坯进行布尔差运算； 5 ) 将第3 步得到的零件装配至模具毛坯的各活块上，完成模具设计。 内外环精铸模具设计 1 ) 首先根据计算了收缩率后的叶片型腔尺寸确定出内环外部包裹的模具毛 坯从c y l i n d e r 的三维尺寸大小如图2 7 所示； 2 ) 根据设计目的确定模具结构，考虑开模方式，确定模具毛坯的分模面，对 模具毛坯进行划分： 3 ) 进行模具功能活块( 上模，模芯，下模) 及起模机构及锁紧机构的设计( 起 模环，垫板，底板，盖板) 设计 4 ) 设计定位孔、安装孔和槽腔结构实体，并与模具毛坯进行布尔差运算； 5 ) 将第3 步得到的零件装配至模具毛坯的各活块上，完成模具设计。 目2 - 7 内环零件图2 - 8 内环型腔体圆柱包络体 西北工业大学硕士学位论文第二章闭式叶盘类零件分体式精铸模具结构和设计方法研究 组合夹具设计 组合夹具的作用就是将单元分割体模具成型 的蜡型焊接组合为导向器零件蜡型，见图2 - 9 。 组合夹具主要包括：定位件、支撑件、基体、盖 扳、插销、分度环、叶片定位件、手柄、直角等。 组合夹具的设计不是本文研究的重点，在此只做 简单介绍。 图2 - 9 组合夹具 2 3 闭式叶盘类零件分体式精铸模具结构 2 3 1 叶片精铸模具的结构 闭式叶盘类零件叶片模具通常有两种结构，分别是旋转支架结构和上下盖板 结构分别如图2 1 0 ，2 1 1 所示。通过对大量的模具进行分析可以获得模具设计中 通用的结构知识如下：1 、上下盖板模具均由上盖板、底板、锁紧块、注蜡口、直 滑榫、弧形滑榫等构成。2 、旋转支架模具均由上盖板、底板、锁紧块、注蜡口、 旋转支架、直滑榫等构成，其中也可能会随叶片不同而有用于定位叶片陶芯和控 制空腔壁厚的顶杆、销、球等标准件。同时还伴随着相应的槽腔结构设计。但不 论叶片类型如何变化，这类模具通常均内型锁紧机构、外型上盖板、底板、锁紧 块、注蜡口、直滑榫、弧形滑榫或者旋转支架【3 9 】。 柏北上业大学硕十学位论文第二章闭式叶盘类零件分体式精铸模具结构和设计方法研究 2 3 2 内环精铸模具的结构 由于闭式叶盘类零件内外环零件一般是回转体结构，因此它们的模具结构大 致相同，都是由回转体结构的构件组成，普通内环模具的结构大致可分为以下部 分：模芯、外模( 包括左半模、右半模) 、上模、顶出环、底板、定位销以及紧固 用的内六方螺钉等。其中，芯子和左右半模控制和决定内外环的形状及尺寸，其 他部件一般是定位、锁紧及取模作用，同它们组装到一起便形成了一个完整的可 工作模具，内坏模具的结构如图2 1 2 所示。 图2 1 2 内环精铸模具 西北工业大学硕士学位论文第二章闭式叶盘类零件分体式精铸模具结构和设计方法研究 2 3 3 外环精铸模具的结构 外环模具所包含的零部件与内环模具基本相同( 如图2 一1 3 所示) ，主要包括 盖板、模芯、外模( 左半模、右半模) 、下模、底板、锁紧机构。 图2 - 1 3 外环精铸模具 2 4 闭式叶盘类零件精铸模具设计规范 2 4 1 坐标系的确定 在模具设计中坐标系的选择也同样很重要，尤其是在以u g 为平台进行二次开 发时，坐标系的选择对于降低编程难度至关重要。下面先对u g 中的坐标系作以简 单介绍，u g 中存在绝对坐标系( a b s o l u t ec s y s ) 和相对坐标系( w c s ) 两种坐标 系。 绝对坐标系是u g 规定的固定的不变的坐标系，u g 建模空间中所有对象的位置 和方向都与它相关联。它为零件文件间提供了一个共同的不变的参考系，不同零 件文件中的绝对坐标系都是相同的。相对坐标系是建模空间中u g 提供的以绝对坐 标系为参考坐标系可由用户设定的坐标系，用户可根据自己的需要随时改变其圆 点位置及其方向相对坐标系的灵活性为用户建模提供了方便。 系统输入的内环零件通常都存在两个坐标系，相对坐标系和绝对坐标系，且 西北工业大学硕士学位论文第二章闭式叶盘类零件分体式精铸模具结构和设计方法研究 其不重合。而u g o p e na p i 函数的参数都是绝对坐标值，而我们在设计过程中一般 都习惯使用相对坐标系，为了解决参数化造型中的这个矛盾，我们规定相对坐标 与绝对坐标重合，既相对坐标系中的原点( 0 ，0 ，0 ) 在绝对坐标系中的坐标值为( 0 o ，0 ) 。为了设计方便我们对内环零件通过平移、旋转等t r a n s f o r m 操作从而使绝 对坐标系满足以下要求： 1 坐标系的z 轴通过内环零件的中心轴，且其正方向为其径向尺寸增大的方 向。 2 以通过发动机轴心线的水平面作为x o y 平面。 3 坐标原点与下环面的圆心重合。 其坐标系的最终选择如图2 ，1 4 所示： 2 4 2 设计基准面的确定 图2 1 4 坐标系的选择 进行模具设计，应确定合适的基准面。基准面选择直接影响了模具其他尺寸 的表达，对于参数化设计而言也直接影响了其造型过程的难易程度。以内环模具 为例，内环模具的设计是建立在内环零件的基础上的，其模具型腔通常由内环包 络体与内环零件进行布尔差操作得到。因此在设计过程中，确定内环模具的基准 面必须考虑内环零件。 本文通过研究内环模具的设计过程、c a d 软件( 本文指u g ) 所提供的内部函 数功能，参考了内环模具设计专家的设计经验，对其设计基准规定如下： 以过内环零件下环面的平面作为z 向基准面。在内环模具的设计过程中，内 环零件的下环面将是整个模具的分水岭，下环面以上的部分通常是模具的功能活 块( 上模，模芯，下模，外模) ，下环面以下的部分通常包括垫板和底板。因此以 下环面作为z 向基准面对于各部分功能活块的轴向尺寸的表达最为方便。以垂直 于z 向基准面且过内环零件中心轴的相互垂直的两个平面做为x 向基准面和y 向 基准面。 6 西北工业大学硕士学位论文第三章闭式叶盘类零件分体式精铸模具参数化设计 第三章闭式叶盘类零件分体式精铸模具参 数化设计研究 本章详细介绍了闭式叶盘类零件模具型腔体的基于知识的分割过程。分析了 闭式叶盘类零件分体式精铸模具的设计过程，重点介绍了内外环模具各零部件的 设计流程、设计专家经验及一些重要参数间的关联关系( 其中所涉及的位置及几 何参数均是以本文2 4 1 节所提及的坐标系为参考) 。 3 - 1 闭式叶盘类零件模具型腔体生成 模具型腔的设计精度决定了叶片非机加部分的零件精度和铸件的成品率，因 此它是设计过程的核心工作。对于模具型腔设计首先考虑的是铸造收缩率的设定。 通常收缩率的设定有两种方式：一是在x 、y 、z 方向设定同一收缩率：二是在x 、 y 、z 方向分别设定收缩率。引入铸造位移场信息是为了利用不断发展的铸造仿真 技术，实现收缩率点到点的对应，提高模具型腔的设计精度，从而实现模具型腔 体的优化设计。 3 2 闭式叶盘类零件模具型腔体的分割 闭式精密铸造是根据叶盘类零件形状直接设计和制造出模具体，通过压制蜡 型，得到叶盘类零件制壳用蜡型。然而，采用此方法，其模具体中要加工叶片型 腔的数量多，从而不能保证叶片形状的一致性，进一步影响航空发动机的性能。 分体式精密铸造就是根据叶盘类零件内外轮毂为回转面，中间由叶片连接的特点， 将其分割为内环体、外环体和叶片单元体3 部分，如图3 1 所示；所得到的内外环 和叶片单元模型，如图3 2 所示。内外环和叶片单元模型作为整个叶盘模具分体式 模具设计、制造的基础，制造好的模具分别压制内外环和叶片蜡型，再由组合夹 具将这些分体蜡模焊接在一起，得到叶盘类零件制壳用蜡型。采用分体式精密铸 造方法把叶盘类零件分割为内环体、外环体和叶片单元体三部分后，考虑到铸造 综合收缩率难以精确得到，为保证流道的径向尺寸在叶片分割体和内外环单元 体之间径向留有适当间隙，以便调整径向尺寸如图3 3 所示。采用此方法能够保证 1 7 西北工业犬学硕士学位论文第三章闭式叶盘类零件分体式精铸模具参数化设计 叶片形状的一致性，分割后得到叶片单元体的模具容易制造、定型，其周向定位 可通过机加工的分度孔确定，精度远高于整体模具；而且还可以根据试模结果灵 活调整流道内径尺寸，以满足设计流量要求。 分体式精铸模具制造的关键是：如何把叶盘类零件分割成内、外环和叶片单 元体，也就是要解决分割面生成问题。传统的分割方法是采用手工选取分割关键 点，然后依据经验知识反复调试得到分割面。本文依据分体式分割的具体要求， 结合叶盘类零件的特点，把经验知识应用数学推理表达，利用空间解析几何和向 量代数的方法生成所需的分割面。采用此方法，可以极大的提高设计效率，从而 实现叶盘类零件从三维实体造型到内外环单元体和叶片单元体模只的一体化设 计。 图3 - 】叫盘图3 - 2 叶盘分割结果 叶盘类零件基于知识推理的分割流程为：( 如图3 - 4 所示) 叶片分 j 体自；i 势割鞘自环单元 图3 - 3 内外环单元体分割面 q 局澈大 1 ：1 0 西北工业大学硕士学位论文 第三章闭式叶盘类零件分体式精铸模具参数化设计 _ _ _ _ i i - - - _ _ 目- l 口_ e _ _ _ _ - _ _ i - _ - j - _ 日，l _ - - - l - - | _ _ _ _ - - _ _ i _ _ _ _ _ l e | _ _ e 自_ 目- _ 自! - - - _ e 导向 嚣类 零件 前 母线 推理 规财 生成1 i 藿嚣 母线广1 环分割 ll 面 嗍障 引攀忖蓁 蒌帐 周向 调整 尺寸 图3 - 4 叶盘类零件分割流程图 1 内环单元体分割面 如图3 3 示，规定叶盘类零件的坐标原点o 定位于内环下表面圆心处，根据 内环上下表面的外径巾1 和中2 ，以及内环的高度值b ，可确定内环分割的关键点 p 1 和p 2 的值。由两点p l 和p 2 得到一条直线，此直线偏移h 2 ( 壁厚h ) 可得到 分割面的母线，母线绕回转轴y 旋转，可得到内环分割面。 2 外环单元体分割面 如图3 4 示，规定坐标原点定位于内环下表面圆心处，根据经验距离值t ( 4 6 c m ) ，外环下表面内外径中3 和0 4 ，可得到分割关键点p 3 、p 4 、p 5 和p 6 的 值；把点p 3 和p 4 的连线，点p 5 和p 6 的连线，分别均分为3 段。得到p 3 和p 4 连线三等分的第一个等分点p 8 ，p 5 和p 6 连线三等分的第二个等分点p 7 。由点p 5 、 p 7 、p 8 、p 3 的连线作为母线，绕回转轴y 旋转，生成外环分割面。 3 叶片单元体分割面 叶片单元体分割是模县型腔体分割过程中的难点，也是整个分割过程成败的 关键。分离出内环和外环单元体后，剩下包含一组叶片的实体，要把实体分割成 单个叶片体；叶片单元体分割往往依靠设计者的经验进行分割，有时需要反复实 验。 叶身截面线包括叶盆，叶背，前缘和后缘四条曲线，通过叶身截面线放样就 得到叶身型面。 1 9 环翻母推点 外分面 两北工业大学硕士学位论文第三章闭式叶盘类零件分体式精铸模具参数化设计 幽3 5 叫片生成削 因此，叶片曲面与内外环曲面的交线可以理解分为四部分：叶盆面、叶背面、 前缘面和后缘面与内外环曲面的交线( 如图3 ，5 所示) 。 分割面选取准则 选取叶片与内外环的交线，可以得到沿叶盘类零件轴向上的最大值和最小值， 如图3 - 6 示p 1 、p 2 、p 3 、p 4 点。在最大值p 3 、p 4 和最小值p 1 、p 2 之间，应用等 距推理得到与叶背面的交点p l l ，与叶盆面的交点p 1 2 ；分别得到这三条直线的中 点m 3 、m 4 和m 5 。根据点之间的相互关系来决定叶片单元的分模面是采用平面还 是v 型面。当中点m 3 和m 4 的连线与叶片叶