CN104325080B - 一种多叶组导叶精铸模具的收缩率设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多叶组导叶精铸模具的收缩率设计方法，通过假设参数、假定收缩方向、收缩率大小选定最终设定收缩率；在设计制造蜡模模具时，在尺寸相差悬殊的L、D、R(见假定的收缩方向)三个方向上设定相应收缩率，解决了因以往只采用单一收缩率而导致的多叶组导向叶片铸件通道面积超差问题。本发明适用于所有的多叶组导叶。通过计算的方法获得偏置角Δα1、Δα2，解决了通道面积超差问题，设计理念和方法更加合理。设计制作模具“一步到位”，极大的减少了产品研制费用，缩短了产品试制周期。且工程应用中可以推广使用。

Description

一种多叶组导叶精铸模具的收缩率设计方法

技术领域

本发明属于熔模精密铸造技术领域，特别涉及一种多叶组导叶精铸模具的收缩率设计方法。

背景技术

以往多叶组导叶精铸模具收缩率的设定方法都是在不同的方向上采用统一的综合收缩率。实际生产过程中，不同长度的蜡料对应的收缩率是不同的，传统方法只适用于在各个方向上尺寸结构相差不大的铸件。

对于超细长的多叶组导向叶片，在不同方向上尺寸结构相差悬殊，采用单一综合收缩率的方法是不合理的，导致铸件尺寸超差。在保证流道面尺寸和叶身型面尺寸的前提下，会引起铸件通道面积偏大。所做的模具无法返修，只能通过慢慢调试的方法重新设计模具模块或重新设计模具来解决该种超差问题，延长了模具定型和产品研制周期并且增加了研制费用。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种多叶组导叶精铸模具的收缩率设计方法，采用该方法设计制造蜡模模具时，在尺寸相差悬殊的L、D、R(见假定的收缩方向)三个方向上设定相应收缩率，解决了因以往只采用单一收缩率而导致的多叶组导向叶片铸件通道面积超差问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：

1)假设参数

假设，一种多叶组导向叶片有K个叶片，上缘板和下缘板所在圆周的半径分别为R₂和R₁，上缘板和下缘板的宽度均为D，两叶片间的夹角为α，且(K-1)α＜45°；

2)假定收缩方向

根据多叶组导向叶片的尺寸结构特征，假定多叶组导向叶片的收缩方向分为L方向、D方向和R方向，其中，L方向为上、下缘板的弧度方向，D方向为上、下缘板的宽度方向，R方向为叶片的长度方向；

3)收缩率大小的选定

根据实际生产过程中现场蜡料的特性，不同长度选用相对应的收缩率；

4)收缩率设定

在设计制作多叶组导叶精铸模具时，各方向上的收缩分别按以下方式设定：

D方向上：上、下缘板宽度方向上放大ψ4；

R方向上：叶身长度方向上放大ψ₁，即R₁变为(1+ψ₁)R₁，R₂变为(1+ψ₁)R₂，叶片间的夹角α不变；

L方向上：放大之前使多叶组导向叶片的中心轴线与坐标轴Z轴重合，上缘板弧度方向上放大ψ₂，下缘板弧度方向上放大ψ₃；

设AB表示多叶组导向叶片的中心轴线，与坐标轴Z轴重合；A₁B₁表示R方向上放大后的多叶组导向叶片中的一个叶片；β表示A₁B₁方向上的叶片与多叶组导向叶片中心轴线的夹角；A₁′B₁′表示叶片A₁B₁在L方向上放大后的尺寸形状；计算下缘板A₁点在L方向上放大后，从A₁到A₁′的偏置角度Δα₁以及上缘板B₁点在L方向上放大后，从B₁到B₁′的偏置角度Δα₂。

所述的步骤3)中，不同长度相对应的收缩率为：

叶片长度L＝R₂－R₁，对应收缩率为ψ₁；

上缘板弧长L₂＝KαR₂,对应收缩率为ψ₂；

下缘板弧长L₁＝KαR₁,对应收缩率为ψ₃；

上、下缘板宽度为D，对应收缩率为ψ₄。

所述的步骤4)中，计算和的具体方法是：

计算Δα₁和Δα₂，由

$\frac{(\mathrm{\β}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_1)\×(1+{\mathrm{\ψ}}_1)\×R_1-\mathrm{\β}\×R_1}{\mathrm{\β}{R}_1}={\mathrm{\ψ}}_3---\left(1\right)$

$\frac{(\mathrm{\β}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_2)\×(1+{\mathrm{\ψ}}_1)\×R_2-\mathrm{\β}\×R_2}{\mathrm{\β}{R}_2}={\mathrm{\ψ}}_2---\left(2\right)$

得

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_1=\frac{{\mathrm{\ψ}}_3-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}\mathrm{\β}---\left(3\right)$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_2=\frac{{\mathrm{\ψ}}_2-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}\mathrm{\β}---\left(4\right)$

当K为奇数时，A₁′B₁′表示相邻AB的第一个叶片，则β＝α

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_1=\frac{{\mathrm{\ψ}}_3-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}\mathrm{\α}---\left(5\right)$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_2=\frac{{\mathrm{\ψ}}_2-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}\mathrm{\α}---\left(6\right)$

A₁′B₁′表示相邻AB的第N个叶片时，β＝Nα

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_1=\frac{{\mathrm{\ψ}}_3-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}\mathrm{N\α}---\left(7\right)$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_2=\frac{{\mathrm{\ψ}}_2-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}\mathrm{N\α}---\left(8\right)$

当K为偶数时，A₁′B₁′表示相邻AB的第N个叶片，则β＝Nα－α/2

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_1=\frac{{\mathrm{\ψ}}_3-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}(\mathrm{N\α}-\frac{\mathrm{\α}}{2})---\left(9\right)$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_2=\frac{{\mathrm{\ψ}}_2-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}(\mathrm{N\α}-\frac{\mathrm{\α}}{2})---\left(10\right)$

由公式(7)、(8)、(9)和(10)可得：

当ψ₁＝ψ₂＝ψ₃时，即按整体统一的综合收缩率设定模具，△α₁＝△α₂＝0，这时叶片角度不会出现偏置；

当ψ₂＝ψ₃时，△α₁＝△α₂，所做模具的叶片长度等长。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

采用本发明方法设计制造蜡模模具时，在尺寸相差悬殊的L、D、R(见假定的收缩方向)三个方向上设定相应收缩率，解决了因以往只采用单一收缩率而导致的多叶组导向叶片铸件通道面积超差问题。本发明适用于所有的多叶组导叶。通过计算的方法获得偏置角Δα₁、Δα₂，解决了通道面积超差问题，设计理念和方法更加合理。设计制作模具“一步到位”，极大的减少了产品研制费用，缩短了产品试制周期。且工程应用中可以推广使用。

附图说明

图1为本发明假定的收缩方向示意图；

图2为本发明L方向上按不同收缩率放大后上缘板和下缘板的偏置情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明：

本发明收缩率的具体设定原理和方法如下

(1)多叶组导叶基本情况

假设，一种多叶组导向叶片有K个叶片，上、下缘板所在圆周的半径分别为R₂、R₁，上、下缘板宽度为D，两叶片间的夹角为α，且(K-1)α＜45°。

(2)假定收缩方向

如图1所示，根据多叶组导向叶片的尺寸结构特征，假定多叶组导向叶片的收缩方向分为三个方向：L(上、下缘板弧度方向)、D(上、下缘板宽度方向)、R(叶片长度方向)。

图1假定的收缩方向示意图

(3)收缩率大小的选定

根据实际生产过程中现场蜡料的特性，不同长度选用不同收缩率：

叶片长度L＝R₂-R₁，对应收缩率为ψ₁；

上缘板弧长L₂＝KαR₂,对应收缩率为ψ₂；

下缘板弧长L₁＝KαR₁,对应收缩率为ψ₃；

上、下缘板宽度为D，对应收缩率为ψ4。

(4)缩率设定方法：

以往收缩率设定方法：

对于超细长的多叶组导向叶片，即ψ₁＞ψ₂，ψ₁＞ψ₃，ψ₁＞ψ₄。

1)以ψ₂、ψ₃或ψ₄作为整体综合收缩率时，铸件R方向尺寸偏小，无法保证叶片流道面V点尺寸及通道面积。

2)以最大ψ₁作为综合收缩率设定，可以满足R方向尺寸要求，L方向尺寸偏大，铸件通道面积偏大。

解决方法：

重新制作模具，根据浇注出来铸件的通道面积偏大情况，偏置叶片，将α值偏小一点。

现行收缩率设定方法：

在设计制作多叶组导叶精铸模具时，各方向上的收缩分别按以下方式实施：

D方向上：上、下缘板宽度方向上放大ψ₄。

R方向上：叶身长度方向上放大ψ₁，即R₁变为(1+ψ₁)R₁，R₂变为(1+ψ₁)R₂，叶片间的夹角α不变。

L方向上：

如图2所示，放大之前必须保证多叶组导向叶片的中心轴线与坐标轴Z轴重合，上缘板弧度方向上放大ψ₂，下缘板弧度方向上放大ψ₃，放大的结果是通过叶片夹角的偏置表现出来的。

设AB表示多叶组导向叶片的中心轴线，与坐标轴Z轴重合。A₁B₁表示R方向上放大后的多叶组导向叶片中的一个叶片。β表示A₁B₁方向上的叶片与多叶组导向叶片中心轴线的夹角。A₁′B₁′表示叶片A₁B₁在L方向上放大后的尺寸形状。Δα₁表示下缘板A₁点在L方向上放大后，从A₁到A₁′的偏置角度。Δα₂表示上缘板B₁点在L方向上放大后，从B₁到B₁′的偏置角度。

由图2可以看出，Δα₁、Δα₂是需要计算的值，且当ψ₂与ψ₃值不相同时，所做模具的叶片长度不等长，叶片距AB越远，偏置越大，叶片越长。

计算Δα₁、Δα₂，由

$\frac{(\mathrm{\β}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_1)\×(1+{\mathrm{\ψ}}_1)\×R_1-\mathrm{\β}\×R_1}{\mathrm{\β}{R}_1}={\mathrm{\ψ}}_3---\left(1\right)$

$\frac{(\mathrm{\β}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_2)\×(1+{\mathrm{\ψ}}_1)\×R_2-\mathrm{\β}\×R_2}{\mathrm{\β}{R}_2}={\mathrm{\ψ}}_2---\left(2\right)$

得

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_1=\frac{{\mathrm{\ψ}}_3-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}\mathrm{\β}---\left(3\right)$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_2=\frac{{\mathrm{\ψ}}_2-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}\mathrm{\β}---\left(4\right)$

当K为奇数时，A₁′B₁′表示相邻AB的第一个叶片，则β＝α

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_1=\frac{{\mathrm{\ψ}}_3-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}\mathrm{\α}---\left(5\right)$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_2=\frac{{\mathrm{\ψ}}_2-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}\mathrm{\α}---\left(6\right)$

A₁′B₁′表示相邻AB的第N个叶片时，β＝Nα

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_1=\frac{{\mathrm{\ψ}}_3-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}\mathrm{N\α}---\left(7\right)$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_2=\frac{{\mathrm{\ψ}}_2-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}\mathrm{N\α}---\left(8\right)$

当K为偶数时，A₁′B₁′表示相邻AB的第N个叶片，则β＝Nα－α/2

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_1=\frac{{\mathrm{\ψ}}_3-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}(\mathrm{N\α}-\frac{\mathrm{\α}}{2})---\left(9\right)$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_2=\frac{{\mathrm{\ψ}}_2-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}(\mathrm{N\α}-\frac{\mathrm{\α}}{2})---\left(10\right)$

由公式(7)、(8)、(9)和(10)可得：

当ψ₁＝ψ₂＝ψ₃时，即按整体统一的综合收缩率设定模具，△α₁＝△α₂＝0，这时叶片角度不会出现偏置；

当ψ₂＝ψ₃时，△α₁＝△α₂，所做模具的叶片长度等长。

(5)以往收缩率设定方法和现行收缩率设定方法的优缺点对比，参见表1：

表1以往收缩率设定方法和现行收缩率设定方法的优缺点对比表

实施例1：五叶组五级导向叶片

(1)某五叶组导向叶片轮廓尺寸：

上缘板弧长L₂大约为140mm，下缘板弧长L1大约为90mm，上、下缘板宽度D约为30mm～40mm，叶身长度L＝R₂－R₁大约为220mm，叶片组总弧度4α＝16.3636°。

(2)选定收缩大小

根据实际生产过程中现场蜡料的特性，尺寸长度为90mm～140mm铸件模具收缩率采用2.1％，长度为30mm～40mm采用2％，长度为220mm采用2.4％。

即，ψ₁＝2.4％，ψ₂＝ψ₃＝2.1％，ψ₄＝2％。

(3)模具收缩率设计

D方向上：上、下缘板宽度方向上放大2％。

R方向上：叶身长度方向上放大2.4％，即R₁变为1.024R₁，R₂变为1.024R₂，叶片间的夹角4.0909°不变。

L方向上：放大之前保证多叶组导向叶片的中心轴线与坐标轴Z轴重合。通过计算，偏置角N为1时，△α＝－43″，N为2时，△α＝－86″。即，位于中心轴两侧的叶片，分别向中轴方向依次偏置43″、86″。

为了便于理解，上述收缩率放大过程可以这样描述：保证多叶组导向叶片的中心轴线与坐标轴Z轴重合的前提下，整体放大2.4％，然后中轴两侧叶片依次向中轴方向偏置43″、86″。最后，在上、下缘板宽度方向上缩小2.4％－2％＝0.4％。

实施例2：五叶组三级导向叶片

(1)某五叶组三级导向叶片轮廓尺寸

上缘板弧长L₂大约为145mm，下缘板弧长L1大约为90mm，上、下缘板宽度D约为20mm～40mm，叶身长度L＝R₂－R₁大约为180mm，叶片组总弧度4α＝17.1429°。

(2)选定收缩大小

根据实际生产过程中现场蜡料的特性，尺寸长度为90mm～145mm铸件模具收缩率采用2.1％，长度为20mm～40mm采用2％，长度为180mm采用2.3％。

即，ψ₁＝2.3％，ψ₂＝ψ₃＝2.1％，ψ₄＝2％。

(3)模具收缩率设计

通过计算，偏置角N为1时，△α＝－30″，N为2时，△α＝－60″。

收缩率放大过程：保证多叶组导向叶片的中心轴线与坐标轴Z轴重合的前提下，整体放大2.3％，然后中轴两侧叶片依次向中轴方向偏置30″、60″。最后，在上、下缘板宽度方向上缩小0.3％。

实施例3：五叶组四级导向叶片

(1)某五叶组四级导向叶片轮廓尺寸

上缘板弧长L₂大约为145mm，下缘板弧长L₁大约为85mm，上、下缘板宽度D约为20mm～40mm，叶身长度L＝R₂－R₁大约为200mm，叶片组总弧度4α＝16.3636°。

(2)选定收缩大小

根据实际生产过程中现场蜡料的特性，尺寸长度为85mm～145mm铸件模具收缩率采用2.1％，长度为20mm～40mm采用2％，长度为200mm采用2.4％。

即，ψ₁＝2.4％，ψ₂＝ψ₃＝2.1％，ψ₄＝2％。

(3)模具收缩率设计

通过计算，偏置角N为1时，△α＝－43″，N为2时，△α＝－86″。

收缩率放大过程：保证多叶组导向叶片的中心轴线与坐标轴Z轴重合的前提下，整体放大2.4％，然后中轴两侧叶片依次向中轴方向偏置43″、86″。最后，在上、下缘板宽度方向上缩小0.4％。

采用上述三个实施例对五叶组三、四、五级导向叶片的模具收缩率进行设定，通道面积尺寸超差问题都得到了解决，模具设计制作“一步到位”，极大的减少了产品研制费用，缩短了产品试制周期。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种多叶组导叶精铸模具的收缩率设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)假设参数

假设，一种多叶组导向叶片有K个叶片，上缘板和下缘板所在圆周的半径分别为R₂和R₁，上缘板和下缘板的宽度均为D，两叶片间的夹角为α，且(K-1)α＜45°；

2)假定收缩方向

根据多叶组导向叶片的尺寸结构特征，假定多叶组导向叶片的收缩方向分为L方向、D方向和R方向，其中，L方向为上、下缘板的弧度方向，D方向为上、下缘板的宽度方向，R方向为叶片的长度方向；

3)收缩率大小的选定

根据实际生产过程中现场蜡料的特性，不同长度选用相对应的收缩率；

4)收缩率设定

在设计制作多叶组导叶精铸模具时，各方向上的收缩分别按以下方式设定：

D方向上：上、下缘板宽度方向上放大ψ₄；

R方向上：叶身长度方向上放大ψ₁，即R₁变为(1+ψ₁)R₁，R₂变为(1+ψ₁)R₂，叶片间的夹角α不变；

L方向上：放大之前使多叶组导向叶片的中心轴线与坐标轴Z轴重合，上缘板弧度方向上放大ψ₂，下缘板弧度方向上放大ψ₃；

设AB表示多叶组导向叶片的中心轴线，与坐标轴Z轴重合；A₁B₁表示R方向上放大后的多叶组导向叶片中的一个叶片；β表示A₁B₁方向上的叶片与多叶组导向叶片中心轴线的夹角；A₁′B₁′表示叶片A₁B₁在L方向上放大后的尺寸形状；计算下缘板A₁点在L方向上放大后，从A₁到A₁′的偏置角度Δα₁以及上缘板B₁点在L方向上放大后，从B₁到B₁′的偏置角度Δα₂；

计算Δα₁和Δα₂的具体方法是：

Δα₁和Δα₂，由

$\frac{(\mathrm{\β}+{\mathrm{\Δ\α}}_1)\×(1+{\mathrm{\ψ}}_1)\×R_1-\mathrm{\β}\×R_1}{{\mathrm{\βR}}_1}={\mathrm{\ψ}}_3---\left(1\right)$

$\frac{(\mathrm{\β}+{\mathrm{\Δ\α}}_2)\×(1+{\mathrm{\ψ}}_1)\×R_2-\mathrm{\β}\×R_2}{{\mathrm{\βR}}_2}={\mathrm{\ψ}}_2---\left(2\right)$

得

${\mathrm{\Δ\α}}_1=\frac{{\mathrm{\ψ}}_3-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}\mathrm{\β}---\left(3\right)$

${\mathrm{\Δ\α}}_2=\frac{{\mathrm{\ψ}}_2-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}\mathrm{\β}---\left(4\right)$

当K为奇数时，A₁′B₁′表示相邻AB的第一个叶片，则β＝α

${\mathrm{\Δ\α}}_1=\frac{{\mathrm{\ψ}}_3-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}\mathrm{\α}---\left(5\right)$

${\mathrm{\Δ\α}}_2=\frac{{\mathrm{\ψ}}_2-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}\mathrm{\α}---\left(6\right)$

A₁′B₁′表示相邻AB的第N个叶片时，β＝Nα

${\mathrm{\Δ\α}}_1=\frac{{\mathrm{\ψ}}_3-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}N\mathrm{\α}---\left(7\right)$

${\mathrm{\Δ\α}}_2=\frac{{\mathrm{\ψ}}_2-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}N\mathrm{\α}---\left(8\right)$

当K为偶数时，A₁′B₁′表示相邻AB的第N个叶片，则β＝Nα－α/2

${\mathrm{\Δ\α}}_1=\frac{{\mathrm{\ψ}}_3-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}(N\mathrm{\α}-\frac{\mathrm{\α}}{2})---\left(9\right)$

${\mathrm{\Δ\α}}_2=\frac{{\mathrm{\ψ}}_2-{\mathrm{\ψ}}_1}{1+{\mathrm{\ψ}}_1}(N\mathrm{\α}-\frac{\mathrm{\α}}{2})---\left(10\right)$

由公式(7)、(8)、(9)和(10)可得：

当ψ₁＝ψ₂＝ψ₃时，即按整体统一的综合收缩率设定模具，Δα₁＝Δα₂＝0，这时叶片角度不会出现偏置；

当ψ₂＝ψ₃时，Δα₁＝Δα₂，所做模具的叶片长度等长。

2.根据权利要求1所述的多叶组导叶精铸模具的收缩率设计方法，其特征在于：所述的步骤3)中，不同长度相对应的收缩率为：

叶片长度L＝R₂－R₁，对应收缩率为ψ₁；

上缘板弧长L₂＝KαR₂,对应收缩率为ψ₂；

下缘板弧长L₁＝KαR₁,对应收缩率为ψ₃；

上、下缘板宽度为D，对应收缩率为ψ₄。