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大型渦輪葉片精密鑄造尺寸精度控制研究反變形技術(shù)

文檔作者：韓偉，于望生，孔勝?lài)?guó)，吳劍濤，李俊濤，馬章林，趙明漢文檔來(lái)源：鋼鐵研究總院高溫材料研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2026年01月25日
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鑄 造
FOUNDRY
Nov．2o09
VO1．58 NO．11
大型渦輪葉片精密鑄造尺寸精度控制研究
反變形技術(shù)
韓偉，于望生，孔勝?lài)?guó)，吳劍濤，李俊濤，馬章林，趙明漢
(鋼鐵研究總院高溫材料研究所。北京100081)
摘要：針對(duì)大型渦輪葉片精密鑄造變形問(wèn)題，提出了一種簡(jiǎn)單高效的變形補(bǔ)償方法——基于測(cè)量與統(tǒng)計(jì)的逆向校正蠟
模法。采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行模型的測(cè)量，設(shè)計(jì)特征參數(shù)來(lái)表征模型，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)測(cè)量的特征參數(shù)平均值與理論值的
比較進(jìn)行模型的反變形重構(gòu)，然后，根據(jù)反變形后的模型設(shè)計(jì)蠟?zāi)ＰＵ＃瑢?duì)蠟?zāi)?shí)施逆向校正，補(bǔ)償渦輪葉片在鑄
造過(guò)程中的變形。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于測(cè)量的反變形技術(shù)對(duì)解決鑄件尺寸超差是有效的，可以提高鑄件尺寸合格率，
具有實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：大型渦輪葉片；無(wú)余量精密鑄造；反變形；蠟?zāi)ＰＵ?
中圖分類(lèi)號(hào)：TG249．5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001—4977(2009)l1一l 108—04
Dimensional Accuracy Control of Large—Size Turbine Blade：
The Reverse Deformation Technology
HAN W ei，YU W ang—sheng，KONG Sheng—guo，W U Jian—tao，
LI Jun-tao，MA Zhang-lin，ZHAO Ming-han
(Central Iron and Steel Research Institute，Beijing 1 00081，China)
Abstract：A simple and efficient reversing methodology of adjusting wax-pa~ern was proposed for
compensating the deformation of turbine blade in investment casting．Basing on measured data bV
3D coordinate measuring machine．the characteristic parameters were designed to characterize the
mode1．The average deviations of parameters between theo~-modeI and measure—modeI of blade
were calculated and then the reverse deformation mode1 was restructured according to the average
deviations．Finally，the adjusting mould of wax pattern was designed and fabricated．The research
indicates that adopting reverse deformation technology based on the measure and the statistic data
to solve the size-of-tolerance problem of 4 turbine blade casting iS efective．
Key words：large．size turbine blades；investment casting；reverse deformation；adjusting mould of
wax patern
從生產(chǎn)過(guò)程來(lái)說(shuō)，鑄件的尺寸精度包含尺寸穩(wěn)定
性和尺寸準(zhǔn)確度兩部分。尺寸穩(wěn)定性是指鑄件尺寸波
動(dòng)或分散的程度，通常以標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)衡量。尺寸準(zhǔn)確度
是指對(duì)鑄件上某個(gè)尺寸而言，眾多測(cè)量值的平均值偏
離名義尺寸的程度，即平均偏差的大小。尺寸不穩(wěn)定
的主要原因是工藝控制不嚴(yán)，它屬于隨機(jī)誤差；而尺
寸準(zhǔn)確度差的原因主要是模具設(shè)計(jì)不當(dāng)，是一個(gè)系統(tǒng)
誤差[1]。由于無(wú)余量熔模精密鑄造流程復(fù)雜，要通過(guò)制
模、制殼、澆注、后處理等工序后得到最終的鑄件，
所以模具要對(duì)鑄造過(guò)程中的尺寸變化進(jìn)行補(bǔ)償以保證
最終鑄件的尺寸精度。目前國(guó)內(nèi)渦輪葉片類(lèi)模具型面
設(shè)計(jì)主要采用型面放縮法進(jìn)行補(bǔ)償[2_3】，如：均勻放縮
法、弦長(zhǎng)放縮法、中弧線放縮法、收縮中心放縮法、
非均勻放縮法(沿 ，y和z方向上給出不同的收縮
率)等。這類(lèi)方法雖簡(jiǎn)便，但存在著明顯的不足：忽
略葉片彎扭變形及葉身曲率等幾何特征。
渦輪葉片類(lèi)無(wú)余量精鑄件，在從蠟?zāi)５借T件的過(guò)
程中，不僅發(fā)生了體積收縮，而且其幾何特征也存在
一定的變化規(guī)律，引起鑄件尺寸超差的主要原因正是
鑄件的變形 。所以，如何解決鑄件在鑄造過(guò)程中的
變形問(wèn)題，是控制鑄件尺寸精度的關(guān)鍵之一。本文中
以某重型燃?xì)廨啓C(jī)第四級(jí)透平動(dòng)葉片(四渦動(dòng)葉片)
為例，采用基于測(cè)量與統(tǒng)計(jì)的反變形方案，解決由于
鑄件變形，引起葉身截面和上、下緣板出現(xiàn)尺寸超差
問(wèn)題。
1 反變形方案
四渦動(dòng)葉片(圖1)總長(zhǎng)達(dá)605 mm，是目前國(guó)內(nèi)
收稿日期：2009—06—15收到初稿，2009—07—28收到修訂稿。
作者簡(jiǎn)介：韓偉(1980一)，男，遼寧鞍山人，碩士，主要研究方向?yàn)闊o(wú)余量精密鑄造。E-mail：hanwei333@tom．corn
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鑄造 韓偉等：大型渦輪葉片精密鑄造尺寸精度控制研究——反變形技術(shù)
生產(chǎn)的最大的高溫合金無(wú)余量精鑄渦輪葉片。由于葉
片結(jié)構(gòu)及澆注系統(tǒng)設(shè)置等方面的原因，凝固和冷卻過(guò)
程中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致葉片型面變形，葉型嚴(yán)
重超差，葉片報(bào)廢率高，無(wú)法滿(mǎn)足四級(jí)渦輪葉片生產(chǎn)
的需求。反變形技術(shù)就是在原設(shè)計(jì)模型(即理論模型)
上設(shè)計(jì)一定的反變形量形成具有反變形形狀的模型，
再按照反變形后的模型進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，使得最終鑄件
與理論模型有更好的吻合度，達(dá)到減少尺寸超差的目
的。基于測(cè)量與統(tǒng)計(jì)的四渦動(dòng)葉片反變形方案就是基
于三坐標(biāo)測(cè)量，對(duì)四渦動(dòng)葉片型面進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，
通過(guò)參數(shù)的偏差表征型面的變形量，統(tǒng)計(jì)一定批量的
鑄件來(lái)確定鑄件平均變形量，根據(jù)平均變形量設(shè)計(jì)反
變形模型，然后設(shè)計(jì)制造校形模具，按照反變形后的
模型進(jìn)行工藝驗(yàn)證，再通過(guò)鑄件的測(cè)量結(jié)果對(duì)反變形
模型進(jìn)行修正，具體工藝流程如圖2所示。
圖1 四渦動(dòng)葉片鑄件
Fig．1 The casting ofthe 4 turbine blade
I箜 里卜叫墊堡竺堡卜叫型量 型卜叫查壑些卜叫笙 堡莖l
未達(dá)要求[一-[三夏至至 —] I
圖2 反變形工藝流程
Fig．2 The reverse deformation process
2 四渦動(dòng)葉片型面的三坐標(biāo)測(cè)量及其
數(shù)據(jù)處理
渦輪葉片型面常用的檢測(cè)方法主要有樣板測(cè)量法、
三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量法。樣板測(cè)量法簡(jiǎn)便、省時(shí)、直觀，批
量生產(chǎn)中對(duì)鑄件尺寸進(jìn)行合格性的檢驗(yàn)，無(wú)法得到精
確的葉型數(shù)據(jù)；三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量法【7】是采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)
對(duì)鑄件表面進(jìn)行接觸式點(diǎn)的采集，可精確重構(gòu)葉型，
本文采用的測(cè)量方法是三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量法。四渦動(dòng)葉片
型面測(cè)量的定位方式應(yīng)與四渦動(dòng)葉片測(cè)具匹配；測(cè)量
內(nèi)容是與理論位置對(duì)應(yīng)的截面輪廓線，采用自動(dòng)點(diǎn)的
采集；將所得的離散點(diǎn)經(jīng)過(guò)噪聲點(diǎn)處理、測(cè)頭半徑補(bǔ)
償以及定位點(diǎn)的配準(zhǔn)，所得結(jié)果如圖3所示。
3 特征參數(shù)設(shè)計(jì)及變形量表征·
由于測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)與理論型面控制點(diǎn)無(wú)直接對(duì)應(yīng)關(guān)
系，可以通過(guò)將截面葉型參數(shù)化的方法來(lái)比較測(cè)量的
截面葉型與理論截面葉型的偏差，進(jìn)而通過(guò)參數(shù)比較
的結(jié)果來(lái)表征變形量。一般常用參數(shù)化方法[8q0]是根據(jù)
葉片設(shè)計(jì)時(shí)的參數(shù)，如通過(guò)參數(shù)化中弧線和葉片厚度
實(shí)現(xiàn)葉型的調(diào)整(中弧線是指葉型內(nèi)切圓圓心的連線，
葉片厚度是指內(nèi)切圓的半徑)，由于中弧線的提取和模
型的重構(gòu)過(guò)程復(fù)雜、計(jì)算量大、而且精度不高。為了
簡(jiǎn)化過(guò)程、提高精度，從葉片的設(shè)計(jì)參數(shù)著手，建立
以?xún)?nèi)弦線為基準(zhǔn)的參數(shù)表示方法，即前緣圓心PI表示
葉片的彎曲度，控制整個(gè)截面葉型在其截平面內(nèi)的平
移；弦傾角 (前緣圓心JPl和后緣圓心P2的連線與
軸的夾角)表示葉片的扭轉(zhuǎn)度，控制整個(gè)截面葉型在
其截平面內(nèi)的繞前緣圓心Pl的旋轉(zhuǎn)；型線控制參數(shù)是
一系列葉盆、葉背的控制點(diǎn)，以JPl為原點(diǎn)，內(nèi)弦線方
向?yàn)?軸建立控制點(diǎn)提取坐標(biāo)系通過(guò)內(nèi)弦長(zhǎng)6的比例
實(shí)現(xiàn)葉盆、葉背曲線的對(duì)應(yīng)控制點(diǎn)的提取與重構(gòu)。截
面葉型控制參數(shù)如表1，其相對(duì)位置如圖4、圖5。
托
圖3 四渦動(dòng)葉片葉身測(cè)量數(shù)據(jù)
Fig．3 The measuring data of4 turbine blade boay
表1 截面控制參數(shù)
Table 1 List of characteristic parameters
圖4 位置參數(shù)示意圖
Fig．4 Sketch ofposition parameters
圖5 構(gòu)造參數(shù)示意圖
Fig．5 Ske~h ofstructure param eters
單個(gè)鑄件的變形量是通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)所提取的特征
參數(shù)與理論數(shù)據(jù)所提取的特征參數(shù)進(jìn)行比較來(lái)量化表
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NOV．2O09
VOI．58 NO．1 1
征的。由于單個(gè)鑄件的變形量受其尺寸穩(wěn)定性的影響，
所以通過(guò)統(tǒng)計(jì)一定量的鑄件變形量取其算術(shù)平均值作
為鑄件變形量 以此為依據(jù)進(jìn)行反變形設(shè)計(jì)。四渦動(dòng)葉
片鑄件的變形量。如表2、圖6所示，四渦動(dòng)葉片型面
鑄造過(guò)程中的變化規(guī)律為(厚度偏差D產(chǎn)(G—Ki)測(cè)量一
(c廣 )理論；形位偏差 (c— )測(cè)量／2一(C— )理論／2)：
彎曲度—— 葉片呈現(xiàn)向葉盆方向彎曲的趨勢(shì)，從
A10截面△只開(kāi)始逐步增大，在A6達(dá)到最大值，然后
逐漸減小A3為0，A2為反方向增大。
扭轉(zhuǎn)角度——從A10截面 開(kāi)始逐漸增大，在
A5達(dá)到最大值，然后有所回落。
內(nèi)弦長(zhǎng)——截面葉型包裹葉盆收縮使內(nèi)弦長(zhǎng)減小，
△6為負(fù)值，且較均勻。
葉片厚度—— 葉盆厚度與理論值吻合較好，M)i在
0．1 mlTl以?xún)?nèi)變化。
上述結(jié)果表明四渦型面尺寸超差的主要原因是葉
片的變形，即截面葉型的位置偏差(△ 、△ )和構(gòu)造
偏差(Ab、△ )，厚度偏差(△ )可以忽略不計(jì)。
表2 四渦動(dòng)葉片截面葉型變形量參數(shù)化表征
Table 2 The deformation value of 4 turbine blade body
圖6 四渦動(dòng)葉片鑄件變形量造型圖
Fig．6 The modeling ofdeformation of4 turbine blade body
4 反變形工藝設(shè)計(jì)及驗(yàn)證
控制蠟?zāi)Ｗ冃蔚耐緩接袃煞N：一種是通過(guò)設(shè)計(jì)反變
形模具直接壓制出具有反變形補(bǔ)償?shù)乃臏u動(dòng)葉片蠟?zāi)＃?
另一種是使用原有模具壓制四渦動(dòng)葉片蠟?zāi)＃醋冃蜗?
模校形模進(jìn)行蠟?zāi)５男Ｐ巍Ｈ绻谀＞呱蠈?shí)現(xiàn)反變形
調(diào)整，必須對(duì)整套模具進(jìn)行重新的設(shè)計(jì)、加工，難度大、
成本高；一旦變形達(dá)不到要求，需重新設(shè)計(jì)制造，工期
長(zhǎng)。設(shè)計(jì)反變形蠟?zāi)ＰＰ文ｋy度小、成本低，本文中采
用的是后者，四渦動(dòng)葉片蠟?zāi)２捎梅醋冃蜗災(zāi)ＰＰ文Ｐ?
正。如圖7所示，通過(guò)蠟?zāi)ＰＵば颍梢酝耆?
具所壓制蠟?zāi)Ｅc反變形蠟?zāi)ＰＰ文ｉg2～3 mm的形狀差
異，從而使得四渦動(dòng)葉片蠟?zāi)＞哂蟹醋冃涡螤睢?
(a)校形前 (b)校形后
圖7 四渦蠟?zāi)７醋冃涡Ч?
Fig．7 Shape modification of4 turbine blade body
為驗(yàn)證反變形實(shí)施的效果，將經(jīng)反變形補(bǔ)償蠟?zāi)?
按定型工藝進(jìn)行精密鑄造試驗(yàn)，按同一測(cè)量方法進(jìn)行
測(cè)量，比較經(jīng)過(guò)反變形工藝調(diào)整后所澆注鑄件與原工
藝所澆注的鑄件在尺寸上的差別，結(jié)果如圖8所示
(以A2截面為例)。采用反變形補(bǔ)償控制技術(shù)澆注的4
片葉片(08．1～08．4)比未采用反變形補(bǔ)償控制技術(shù)澆
08-5(A2)
(a)原工藝
帶
(b)反變形工藝
圖8 工藝改進(jìn)前、后的鑄件葉型對(duì)比
Fig．8 Contrast ofmeasuring result ofthe turbine blade before and after
process improvement
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鑄造 韓偉等：大型渦輪葉片精密鑄造尺寸精度控制研究——反變形技術(shù)
注的葉片(08—5)的尺寸精度有較大的提高，A2截面
尺寸超差問(wèn)題有明顯改善。
5 結(jié)論
采用基于測(cè)量、統(tǒng)計(jì)的反變形技術(shù)設(shè)計(jì)和制造了
四渦動(dòng)葉片反變形蠟?zāi)ＰＰ文＃M(jìn)行工藝驗(yàn)證，研究
結(jié)果表明：利用反變形蠟?zāi)ＰＰ文?duì)蠟?zāi)＿M(jìn)行反變形
校正可減小葉片型面尺寸超差，實(shí)現(xiàn)葉片型面控制，
簡(jiǎn)單易行，成本低；基于測(cè)量、統(tǒng)計(jì)的反變形葉片型
面控制技術(shù)是有效的，合理可行，可用于生產(chǎn)。
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(編輯：潘繼勇，pjy@foundryworld．tom)
(上接第1107頁(yè))物質(zhì)，苯乙烯和丙酮為溶劑，二氯乙
烷為稀釋劑，通過(guò)正交試驗(yàn)，優(yōu)化了轉(zhuǎn)移涂料配方，
當(dāng)按質(zhì)量比1：1：1：2配制時(shí)，轉(zhuǎn)移涂料具有較好的成膜
性和轉(zhuǎn)移性。
(2)轉(zhuǎn)移涂料的室溫風(fēng)干時(shí)間在1 h左右，軟化溫
度為80～100℃ ，在蒸汽壓為0．2 iVIPa，發(fā)泡時(shí)間3 min
時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較好的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移涂料從發(fā)泡模具完整的
轉(zhuǎn)移到泡沫模樣表面。
(3)針對(duì)有轉(zhuǎn)移涂料的發(fā)泡模樣進(jìn)行澆注試驗(yàn)，
試驗(yàn)表明，表面有轉(zhuǎn)移涂料的泡沫模樣，鑄件表面質(zhì)
量得到大大改善，但整個(gè)的工藝需要進(jìn)一步優(yōu)化，包
括涂料的配方、發(fā)泡轉(zhuǎn)移和澆注試驗(yàn)參數(shù)。
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(編輯：潘繼勇，PJY@foundryworld．com)
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