空心涡轮叶片精铸蜡型壁厚偏差形成机制及控制方法研究

Wall thickness is one of the most important factors to ensure the strength and cooling efficiency of aero-engine hollow turbine blade. For turbine blades, wall thickness has emerged as the most common retirement cause. Therefore, the over error and instability wall thickness of turbine blade is one of the bottle neck which restricts the development of high performance aero-engine in China. The wall thickness of wax pattern is one of the major causes to result in the unqualified wall thickness of turbine blade. Hence, the current project intends to reveal the inherent mechanism which causes unqualified wall thickness based on physical process of wax pattern preparation. The shifting mechanism and displacement field of ceramic core under the coupling influence of locators and wax rheological will be investigated numerically. The manufacturing error model of ceramic cores will be established based on the research of measurement method and high precision measuring. Moreover, the error fusion method will be proposed to fuse the shifting displacement field and manufacturing error. The error transfer mechanism of locators will be studied, and error mapping model and matching model of ceramic core and die profile will be built. Finally, the layout and structure optimization methods of locator will be developed to control the error distribution of wall thickness of wax pattern by changing the error transfer chain. Conclusions should be able to provide the basic theoretical support and technical reserves to the investment casting of turbine blade.

航空发动机空心涡轮叶片壁厚是保证叶片强度及冷却效率的重要指标，对叶片寿命具有决定性影响。我国空心涡轮叶片壁厚超差严重、质量不稳定，已成为限制高性能航空发动机研制的瓶颈之一。精铸蜡型壁厚超差是造成叶片壁厚超差的主要因素之一。针对此问题，本项目拟从蜡型制备的基本物理过程入手，揭示造成蜡型壁厚超差的内在机制。通过数值计算揭示定位元件及蜡料流变行为耦合作用下陶芯的漂移机理，定量刻画其充型过程位移场。通过对实际陶芯样本进行高精度测量分析，构建其制造误差统计模型。在此基础上发展陶芯漂移位移场与制造误差融合方法，研究误差通过定位元件的传递机制，建立误差映射模型及壁厚容差约束的陶芯-模具型面匹配模型。最后，提出定位元件布局及优化方法，通过定位元件改变误差传递路径，实现蜡型壁厚偏差分布的控制。研究结论可为空心涡轮叶片精确成形提供最基本的理论支持和技术储备。

航空发动机空心涡轮叶片壁厚是保证叶片强度及冷却效率的重要指标，对叶片寿命具有决定性影响。我国空心涡轮叶片壁厚超差严重、质量不稳定，已成为限制高性能航空发动机研制的瓶颈之一。精铸蜡型壁厚超差是造成叶片壁厚超差的主要因素之一。针对涡轮叶片精铸蜡型壁厚控制问题，项目揭示了造成蜡型壁厚偏差的内在物理机制，从而通过优化壁厚偏差传递路径，实现了蜡型壁厚控制。项目取得的成果主要包括：（1）建立了蜡料冲压载荷数值预测模型，通过计算陶芯在定位元件和夹紧元件不完全约束下的受力运动模型，得到了陶芯在蜡料流动作用力下的运动漂移量；进而分析了陶芯的运动漂移对蜡模壁厚的影响。（2）面向实际陶芯，研究了陶芯自由曲面的三坐标测量规划方法，并对不完全数据的重建方法进行了研究，重构了陶芯三维模型；在此基础上，提出了陶芯多样本检测数据融合处理方法，构建了批次陶芯制造误差模型。（3）结合刚体运动学相关原理，分析定位误差对工件位姿偏移量的影响机制；在此基础上，以减小定位误差引起的陶芯位姿偏移量为目标，建立多约束作用下的陶芯定位布局优化模型；基于D优化理论，通过最大化接触信息矩阵行列式，从而达到优化陶芯定位误差传递路径的目的，得到优化的定位方案。（4）提出了陶芯定位逆向补偿方法。基于实际蜡型三维模型，定义了蜡型壁厚误差评估方法，并利用实际蜡型关键位置壁厚误差，建立了陶芯空间最优位姿求解模型；最后，基于计算几何相关知识，建立了陶芯定位元件尺寸补偿量计算方法，达到精确控制蜡型壁厚的目的。（5）综合运用陶芯定位布局优化结果以及陶芯定位补偿相关计算结果，设计开发了一套具有力反馈功能的空心涡轮叶片精铸模具陶芯自动夹持系统，提高了陶芯夹持稳定性，从而有效控制了涡轮叶片精铸蜡型壁厚。