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大型涡轮叶片精密铸造尺寸精度控制研究反变形技术

文档作者：韩伟，于望生，孔胜国，吴剑涛，李俊涛，马章林，赵明汉文档来源：钢铁研究总院高温材料研究所		点击数：	更新时间： 2026年01月25日
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铸 造
FOUNDRY
Nov．2o09
VO1．58 NO．11
大型涡轮叶片精密铸造尺寸精度控制研究
反变形技术
韩伟，于望生，孔胜国，吴剑涛，李俊涛，马章林，赵明汉
(钢铁研究总院高温材料研究所。北京100081)
摘要：针对大型涡轮叶片精密铸造变形问题，提出了一种简单高效的变形补偿方法——基于测量与统计的逆向校正蜡
模法。采用三坐标测量机进行模型的测量，设计特征参数来表征模型，并通过统计测量的特征参数平均值与理论值的
比较进行模型的反变形重构，然后，根据反变形后的模型设计蜡模校正模，对蜡模实施逆向校正，补偿涡轮叶片在铸
造过程中的变形。试验结果表明，基于测量的反变形技术对解决铸件尺寸超差是有效的，可以提高铸件尺寸合格率，
具有实用价值。
关键词：大型涡轮叶片；无余量精密铸造；反变形；蜡模校正模
中图分类号：TG249．5 文献标识码：A 文章编号：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
从生产过程来说，铸件的尺寸精度包含尺寸稳定
性和尺寸准确度两部分。尺寸稳定性是指铸件尺寸波
动或分散的程度，通常以标准差来衡量。尺寸准确度
是指对铸件上某个尺寸而言，众多测量值的平均值偏
离名义尺寸的程度，即平均偏差的大小。尺寸不稳定
的主要原因是工艺控制不严，它属于随机误差；而尺
寸准确度差的原因主要是模具设计不当，是一个系统
误差[1]。由于无余量熔模精密铸造流程复杂，要通过制
模、制壳、浇注、后处理等工序后得到最终的铸件，
所以模具要对铸造过程中的尺寸变化进行补偿以保证
最终铸件的尺寸精度。目前国内涡轮叶片类模具型面
设计主要采用型面放缩法进行补偿[2_3】，如：均匀放缩
法、弦长放缩法、中弧线放缩法、收缩中心放缩法、
非均匀放缩法(沿 ，y和z方向上给出不同的收缩
率)等。这类方法虽简便，但存在着明显的不足：忽
略叶片弯扭变形及叶身曲率等几何特征。
涡轮叶片类无余量精铸件，在从蜡模到铸件的过
程中，不仅发生了体积收缩，而且其几何特征也存在
一定的变化规律，引起铸件尺寸超差的主要原因正是
铸件的变形 。所以，如何解决铸件在铸造过程中的
变形问题，是控制铸件尺寸精度的关键之一。本文中
以某重型燃气轮机第四级透平动叶片(四涡动叶片)
为例，采用基于测量与统计的反变形方案，解决由于
铸件变形，引起叶身截面和上、下缘板出现尺寸超差
问题。
1 反变形方案
四涡动叶片(图1)总长达605 mm，是目前国内
收稿日期：2009—06—15收到初稿，2009—07—28收到修订稿。
作者简介：韩伟(1980一)，男，辽宁鞍山人，硕士，主要研究方向为无余量精密铸造。E-mail：hanwei333@tom．corn
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铸造 韩伟等：大型涡轮叶片精密铸造尺寸精度控制研究——反变形技术
生产的最大的高温合金无余量精铸涡轮叶片。由于叶
片结构及浇注系统设置等方面的原因，凝固和冷却过
程中产生较大的热应力，导致叶片型面变形，叶型严
重超差，叶片报废率高，无法满足四级涡轮叶片生产
的需求。反变形技术就是在原设计模型(即理论模型)
上设计一定的反变形量形成具有反变形形状的模型，
再按照反变形后的模型进行工艺设计，使得最终铸件
与理论模型有更好的吻合度，达到减少尺寸超差的目
的。基于测量与统计的四涡动叶片反变形方案就是基
于三坐标测量，对四涡动叶片型面进行参数化设计，
通过参数的偏差表征型面的变形量，统计一定批量的
铸件来确定铸件平均变形量，根据平均变形量设计反
变形模型，然后设计制造校形模具，按照反变形后的
模型进行工艺验证，再通过铸件的测量结果对反变形
模型进行修正，具体工艺流程如图2所示。
图1 四涡动叶片铸件
Fig．1 The casting ofthe 4 turbine blade
I箜 里卜叫垫堡竺堡卜叫型量 型卜叫查壑些卜叫笙 堡茎l
未达要求[一-[三夏至至 —] I
图2 反变形工艺流程
Fig．2 The reverse deformation process
2 四涡动叶片型面的三坐标测量及其
数据处理
涡轮叶片型面常用的检测方法主要有样板测量法、
三坐标机测量法。样板测量法简便、省时、直观，批
量生产中对铸件尺寸进行合格性的检验，无法得到精
确的叶型数据；三坐标机测量法【7】是采用三坐标测量机
对铸件表面进行接触式点的采集，可精确重构叶型，
本文采用的测量方法是三坐标机测量法。四涡动叶片
型面测量的定位方式应与四涡动叶片测具匹配；测量
内容是与理论位置对应的截面轮廓线，采用自动点的
采集；将所得的离散点经过噪声点处理、测头半径补
偿以及定位点的配准，所得结果如图3所示。
3 特征参数设计及变形量表征·
由于测量数据点与理论型面控制点无直接对应关
系，可以通过将截面叶型参数化的方法来比较测量的
截面叶型与理论截面叶型的偏差，进而通过参数比较
的结果来表征变形量。一般常用参数化方法[8q0]是根据
叶片设计时的参数，如通过参数化中弧线和叶片厚度
实现叶型的调整(中弧线是指叶型内切圆圆心的连线，
叶片厚度是指内切圆的半径)，由于中弧线的提取和模
型的重构过程复杂、计算量大、而且精度不高。为了
简化过程、提高精度，从叶片的设计参数着手，建立
以内弦线为基准的参数表示方法，即前缘圆心PI表示
叶片的弯曲度，控制整个截面叶型在其截平面内的平
移；弦倾角 (前缘圆心JPl和后缘圆心P2的连线与
轴的夹角)表示叶片的扭转度，控制整个截面叶型在
其截平面内的绕前缘圆心Pl的旋转；型线控制参数是
一系列叶盆、叶背的控制点，以JPl为原点，内弦线方
向为 轴建立控制点提取坐标系通过内弦长6的比例
实现叶盆、叶背曲线的对应控制点的提取与重构。截
面叶型控制参数如表1，其相对位置如图4、图5。
托
图3 四涡动叶片叶身测量数据
Fig．3 The measuring data of4 turbine blade boay
表1 截面控制参数
Table 1 List of characteristic parameters
图4 位置参数示意图
Fig．4 Sketch ofposition parameters
图5 构造参数示意图
Fig．5 Ske~h ofstructure param eters
单个铸件的变形量是通过测量数据所提取的特征
参数与理论数据所提取的特征参数进行比较来量化表
2 3 4 5 6 7 8 9 0 A A A A A A A A ¨
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· 11l0· FOUNDRY
NOV．2O09
VOI．58 NO．1 1
征的。由于单个铸件的变形量受其尺寸稳定性的影响，
所以通过统计一定量的铸件变形量取其算术平均值作
为铸件变形量 以此为依据进行反变形设计。四涡动叶
片铸件的变形量。如表2、图6所示，四涡动叶片型面
铸造过程中的变化规律为(厚度偏差D产(G—Ki)测量一
(c广 )理论；形位偏差 (c— )测量／2一(C— )理论／2)：
弯曲度—— 叶片呈现向叶盆方向弯曲的趋势，从
A10截面△只开始逐步增大，在A6达到最大值，然后
逐渐减小A3为0，A2为反方向增大。
扭转角度——从A10截面 开始逐渐增大，在
A5达到最大值，然后有所回落。
内弦长——截面叶型包裹叶盆收缩使内弦长减小，
△6为负值，且较均匀。
叶片厚度—— 叶盆厚度与理论值吻合较好，M)i在
0．1 mlTl以内变化。
上述结果表明四涡型面尺寸超差的主要原因是叶
片的变形，即截面叶型的位置偏差(△ 、△ )和构造
偏差(Ab、△ )，厚度偏差(△ )可以忽略不计。
表2 四涡动叶片截面叶型变形量参数化表征
Table 2 The deformation value of 4 turbine blade body
图6 四涡动叶片铸件变形量造型图
Fig．6 The modeling ofdeformation of4 turbine blade body
4 反变形工艺设计及验证
控制蜡模变形的途径有两种：一种是通过设计反变
形模具直接压制出具有反变形补偿的四涡动叶片蜡模；
另一种是使用原有模具压制四涡动叶片蜡模，反变形蜡
模校形模进行蜡模的校形。如果要在模具上实现反变形
调整，必须对整套模具进行重新的设计、加工，难度大、
成本高；一旦变形达不到要求，需重新设计制造，工期
长。设计反变形蜡模校形模难度小、成本低，本文中采
用的是后者，四涡动叶片蜡模采用反变形蜡模校形模校
正。如图7所示，通过蜡模校正工序，可以完全消除模
具所压制蜡模与反变形蜡模校形模间2～3 mm的形状差
异，从而使得四涡动叶片蜡模具有反变形形状。
(a)校形前 (b)校形后
图7 四涡蜡模反变形效果
Fig．7 Shape modification of4 turbine blade body
为验证反变形实施的效果，将经反变形补偿蜡模
按定型工艺进行精密铸造试验，按同一测量方法进行
测量，比较经过反变形工艺调整后所浇注铸件与原工
艺所浇注的铸件在尺寸上的差别，结果如图8所示
(以A2截面为例)。采用反变形补偿控制技术浇注的4
片叶片(08．1～08．4)比未采用反变形补偿控制技术浇
08-5(A2)
(a)原工艺
带
(b)反变形工艺
图8 工艺改进前、后的铸件叶型对比
Fig．8 Contrast ofmeasuring result ofthe turbine blade before and after
process improvement
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铸造 韩伟等：大型涡轮叶片精密铸造尺寸精度控制研究——反变形技术
注的叶片(08—5)的尺寸精度有较大的提高，A2截面
尺寸超差问题有明显改善。
5 结论
采用基于测量、统计的反变形技术设计和制造了
四涡动叶片反变形蜡模校形模，进行工艺验证，研究
结果表明：利用反变形蜡模校形模对蜡模进行反变形
校正可减小叶片型面尺寸超差，实现叶片型面控制，
简单易行，成本低；基于测量、统计的反变形叶片型
面控制技术是有效的，合理可行，可用于生产。
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(编辑：潘继勇，pjy@foundryworld．tom)
(上接第1107页)物质，苯乙烯和丙酮为溶剂，二氯乙
烷为稀释剂，通过正交试验，优化了转移涂料配方，
当按质量比1：1：1：2配制时，转移涂料具有较好的成膜
性和转移性。
(2)转移涂料的室温风干时间在1 h左右，软化温
度为80～100℃ ，在蒸汽压为0．2 iVIPa，发泡时间3 min
时可以实现较好的转移，转移涂料从发泡模具完整的
转移到泡沫模样表面。
(3)针对有转移涂料的发泡模样进行浇注试验，
试验表明，表面有转移涂料的泡沫模样，铸件表面质
量得到大大改善，但整个的工艺需要进一步优化，包
括涂料的配方、发泡转移和浇注试验参数。
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(编辑：潘继勇，PJY@foundryworld．com)
《铸造循环

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