用于铸造部件的包括预定泡沫块的阴模及生产阴模的方法 |
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申请号 | CN201110196770.4 | 申请日 | 2011-07-14 | 公开(公告)号 | CN102335982B | 公开(公告)日 | 2015-05-20 |
申请人 | 西门子公司; | 发明人 | J.斯特格; | ||||
摘要 | 本 发明 涉及用于 铸造 部件的包括预定 泡沫 块 的阴模及生产阴模的方法。描述了用于铸造部件的阴模(100,200),该部件例如是 风 力 涡轮 机的 叶片 。该阴模(100,200)包括 支撑 结构(205)和多个泡沫块(152,154),所述泡沫块被安装到所述支撑结构(205),使得所述多个泡沫块(152,154)的公共表面轮廓(160)限定要被铸造的所述部件的外表面。所述多个泡沫块中的每个泡沫块(152,154)取自预定数量的不同泡沫块类型,其中每种泡沫块类型由预定的泡沫块尺寸和泡沫块形状所限定。还描述了用于生产这种阴模(100,200)的方法。 | ||||||
权利要求 | 1.一种用于铸造部件的阴模,该阴模(100,200)包括 |
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说明书全文 | 用于铸造部件的包括预定泡沫块的阴模及生产阴模的方法技术领域背景技术[0002] 通常借助于铸造过程来生产风力涡轮机转子的叶片。新型风力涡轮机叶片的铸造过程包括(a)产生阳模,该阳模表现为要被产生的叶片的设计模型,(b)产生表现为阳模的阴复本的阴模,以及(c)通过将适当叶片材料浇注到阴模内来产生叶片。从而,每一步必须在下一步开始之前被完成。 [0003] 在本文中,阳模也被称为公模具、阳造型和/或凸模(plug)。阴模也被称为母模具、阴造型和/或铸模。 [0004] 阳模,相应地凸模,通常借助于铣削工艺被产生,其借助于大型计算机数字控制(CNC)铣床来实现。因而,由于材料性质的原因,阳模的子框架需要具有阳模的大体几何形状。在子框架上,较软的复合材料层被铺设在例如玻璃纤维的较硬可固化材料之间。较软复合材料层可以通过铣削过程被处理。由于阳模具有大型尺寸,所以这样的铣削工艺通常持续8至10周。 [0005] US 2009/0084932 A1公开了用于铸造风力涡轮机叶片的阴模。该阴模包括多个间隔开的托梁,其中每个托梁均具有大致对应于叶片造型的边缘构造。该阴模还包括柔性框架,其由托梁的边缘支撑且用于成形叶片的外部表面。在柔性框架上形成不同涂层。(A)第一涂层包括刚性、半刚性和/或柔性喷涂泡沫,例如聚氨酯泡沫。用于第一涂层的这些低密度膨胀材料(a)将填充柔性框架中的任意开孔,(b)在重量很少增加的情况下提供改善的结构刚性,以及(c)相对容易机加工。一旦第一涂层被施加且固化,则第一层的表面可以被切割、打磨、抛砂和/或以其他方式被形成为更加近似地对应于叶片的计划外部形状的形状。具体而言,可以使用计算机控制的设备来机加工第一层从而精确地提供所需形状。(B)第二涂层可以被施加成由较高密度材料形成的保护层,该较高密度材料例如是填充或未填充塑料树脂。除了增加阴模的耐用性之外,第二涂层还提供了形成叶片所抵靠的平滑表面。 [0006] 当使用US 2009/0084932 A1所公开的阴模来生产风力涡轮机叶片时,不必首先产生阳模。能够基于代表要被铸造的风力涡轮机叶片的几何构造的三维数据来直接生产所公开的阴模。不过,所公开的阴模具有如下缺点,即构建阴模是非常复杂的过程。 [0007] 需要用于铸造例如风力涡轮机叶片的部件的阴模,其中该阴模能够以简单且有效的方式被构建。 发明内容[0009] 根据本发明的第一方面,提供了用于铸造部件的阴模,具体是用于铸造风力涡轮机叶片的阴模。所提供的阴模包括(a)支撑结构和(b)多个泡沫块,所述泡沫块被安装到所述支撑结构,使得所述多个泡沫块的公共表面轮廓限定要被铸造的所述部件的外表面。所述多个泡沫块中的每个泡沫块取自预定数量的不同泡沫块类型,从而每种泡沫块类型由预定的泡沫块尺寸和泡沫块形状所限定。 [0010] 所述阴模是基于如下构思,即对于构建阴模而言,不必使用适合于要被铸造的部件的几何构造的单独成形的泡沫块。根据本发明,泡沫块是从有限数量的标准泡沫块类型中选择的,所述标准泡沫块类型是分别关于其尺寸和形状相对于其几何构造被限定的。这可以提供如下优点,即当构建所述阴模时,仅需要储备有限数量的不同泡沫块类型,这使得部件的铸造非常有效率。 [0011] 大体而言,以模块化方式来构建所述阴模,其中每个模块取自有限数量的不同泡沫块类型。 [0012] 支撑结构可以是框架并且具体地是金属框架。泡沫块可以例如通过使用适当胶黏剂被安装或附连到支撑结构。 [0013] 根据本发明的一种实施例,预定数量不超过数量八,具体地不超过数量五,并且优选地不超过数量三。这可以提供如下优点,即能够以非常有效率的方式产生阴模。大体而言,预定数量越小,则具体关于在支撑结构处将泡沫块组装在一起之前存储或贮藏泡沫块的工作就越有效率。 [0014] 例如,如果被铸造部件是风力涡轮机的叶片,则认为不同的成形泡沫块的数量能够被限制为3、4或5。 [0015] 根据本发明的另一实施例,每个泡沫块包括具有三维轮廓的至少一个横向侧表面,从而不同泡沫块的邻接横向侧表面具有互补轮廓。这可以提供如下优点,即泡沫块能够以紧密连接且两个相邻泡沫块之间存在最小间隙的方式被设置在彼此旁边。 [0016] 轮廓可以具有任何任意的三维形状。第一轮廓可以是例如突起,并且互补的第二轮廓可以例如是凹槽。 [0017] 根据本发明的另一实施例,第一三维轮廓包括凸几何构造,并且第二三维轮廓包括互补凹轮廓。 [0018] 凹和/或凸几何构造可以例如是圆筒的一段。这意味着在相应泡沫块的横截面图中,凸的和相应凹的几何构造呈现为圆的一段。优选地,凸的和相应凹的几何构造呈现为半圆。这可以提供如下优点,即能够容易地形成三维轮廓。此外,能够实现相邻泡沫块之间非常紧密的连接或最小化的间隙。 [0019] 根据本发明的另一实施例,所述多个泡沫块中的至少一个泡沫块是切割泡沫块,其是通过切割预定数量的不同泡沫块类型中的一种类型的泡沫块而产生的。 [0020] 这可以提供如下优点,即阴模的几何构造能够容易地适合于要被铸造的部件的几何构造。因而,不必增加不同泡沫块类型的预定数量以便实现阴模的几何构造与要被铸造的部件之间的精确适配。 [0021] 根据本发明的另一实施例,阴模还包括多个泡沫件,其中在阴模的横截面图内,第一泡沫件位于阴模的一端且第二泡沫件位于阴模的相对的另一端。从而,泡沫件由密度大于泡沫块所用泡沫材料的密度的泡沫材料所制成。这可以提供如下优点,即阴模的端部泡沫件比中间泡沫块机械上更加稳定。因此,端部泡沫件可以用作安装结构,其用于将阴模安装到支撑结构。 [0022] 泡沫件可以具有凸缘的形状,这样具有有助于将泡沫件安装到支撑结构的优点。 [0023] 用于泡沫块的泡沫材料可以具有在250 kg/m3至400 kg/m3之间范围内的密度。3 3 相比之下,用于泡沫件的泡沫材料可以具有在500 kg/m至700 kg/m 之间范围内的密度。 3 具体而言,用于泡沫件的泡沫材料可以具有近似600 kg/m的密度。 [0024] 除了具有较小重量之外,泡沫块具有减小的密度还可以具有如下优点,即有助于泡沫块的表面精整及具体地泡沫块的铣削。 [0025] 根据本发明的另一实施例,通过精整过程来产生公共表面轮廓,该精整过程包括铣削至少一些泡沫块。这可以提供如下优点,即容易去除过量泡沫材料从而留下精确成形的公共表面轮廓。 [0026] 可以使用铣床来实现铣削,该铣床具体地是计算机数字控制(CNC)铣床。因而,铣削过程可以基于阴模的三维数据。能够使用具有大型门架、大型轨道和/或大型机器人臂的CNC铣床来直接铣削阴模或至少部分阴模。如果要被铸造的部件是非常大型的部件,例如风力涡轮机的叶片,则这是特别有利的。 [0027] 通过直接铣削阴模,能够完全省去用于产生要被铸造的部件的阳模的耗时、复杂且高成本的工艺。 [0028] 根据本发明的又一实施例,精整过程包括在被铣削的公共表面轮廓上形成表面层。这可以提供如下优点,即能够填充可能仍存在于被铣削的公共表面轮廓内的即使微小的裂纹和/或孔。能够例如通过将表面层喷涂到公共表面轮廓上来施加或形成表面层。 [0029] 表面层可以包括如下特征构成的组中的至少一者:(a)半永久性脱模剂,(b)特氟龙(Teflon)和(c)塑料袋材料,例如聚丙烯或任意其他热塑性材料。这可以提供如下优点,即在铸造工艺中,阴模和被铸部件彼此分离。因此,阴模和铸件之间不存在直接接触,从而不需要制备阴模的特殊内表面。所述表面层还可以提供如下优点,即在铸件已经被精整之后,能够容易地从阴模移除被铸造的风力涡轮机叶片。 [0030] 与公知脱模剂相比,半永久性脱模剂具有如下优点,即其将至少针对一些铸件而保留在阴模内或阴模的内表面上。因此,在新的半永久性脱模剂必须被添加以便更换同时被消耗掉的半永久性脱模剂之前能够制造多个铸件。 [0031] 在此方面,应该被提及的是,在表面层的顶部上当然可以施加常规脱模剂。这样的脱模剂还可以有助于在精整铸件的工艺之后,能够容易地从阴模移除被铸造的风力涡轮机叶片。 [0032] 可以例如借助于涂层喷涂和/或例如特氟龙的粉末涂层从而将表面层施加到代表模具表面的合成材料上。用于涂覆模具的喷涂材料可以在正确温度下熔合于铸件。应该提及的是,还可以使用其他适当材料来涂覆模具。 [0033] 根据本发明的又一实施例,泡沫块由下述材料制成,该材料在尺寸上稳定达到至少100℃的温度,优选地达到至少120℃的温度,并且具体地达到至少140℃的温度。这可以提供如下优点,即各种新型工艺和过程可以用于生产用来铸造风力涡轮机叶片的阴模。 [0035] 该材料,具体地是可浇注环氧泡沫,能够被直接铸造成块形状。从而,模具可以由多个不同块所构建,所述多个不同块在空间上相对彼此被设置成如下方式,即由风力涡轮机叶片的形状所限定。所述块可以具体地通过将较大的挤压材料型材切割成适当块形状而被制成。当使用具有达到大于100℃的温度的高尺寸稳定性的所述材料时,块材料内且之后整个模具内的张力能够被显著减小。 [0036] 使用适当成形块来构建模具可以提供如下优点,即能够容易地实现上文提到的铣削。 [0037] 应该提及的是,当使用上述温度稳定材料时,当模具能够承受大于至少100℃的温度时,各种不同工艺均是可用的。 [0038] 根据本发明的又一方面,提供生产用于铸造部件的阴模的方法,该部件具体是风力涡轮机的叶片。所提供的方法包括(a)提供支撑结构,(b)将多个泡沫块安装于所述支撑结构,使得所述多个泡沫块的公共表面轮廓限定要被铸造的部件的外表面。多个泡沫块中的每个泡沫块取自预定数量的不同泡沫块类型,从而每种泡沫块类型由预定的泡沫块尺寸和泡沫形状来限定。 [0039] 而且,所述方法基于如下构思,即为了构建阴模,能够使用模块化构造套件,其包括有限数量的标准化泡沫块类型,所述标准化泡沫块类型是相对于其几何构造分别关于其尺寸和形状被限定的。当构建所述阴模时,需要仅存储有限数量的不同泡沫块类型,这使得部件的铸造非常有效率。 [0040] 根据本发明的一种实施例,方法还包括,在将多个泡沫块安装到支撑结构之前,以预定次序的方式设置多个泡沫块,其中同一种类型的泡沫块被存储在同一存储区域内。这可以提供如下优点,即将泡沫块安装到支撑结构的工人能够在适当、有次序且/或不凌乱的环境中工作。具体而言,当外部供应方被用于提供泡沫块时,相应泡沫块能够已经被外部供应方输送到相应存储区域。 [0041] 换言之,泡沫块的预定次序的设置使得工人的工作非常容易。具体而言,能够通过使用传统手工技术来执行将适当泡沫件安装到支撑结构和/或修整不同泡沫块之间的边缘。 [0042] 应该注意到,已经参考不同主题描述了本发明的实施例。具体而言,已经参考产品权利要求描述了一些实施例,而参考方法权利要求描述了另一些实施例。不过,除非另有提示,本领域的技术人员将从上述描述中得出,除了属于一种主题类型的特征的任意组合之外,涉及不同主题的特征之间的任意组合,具体是产品权利要求的特征和方法权利要求的特征之间的任意组合,也被认为被本申请所公开。 [0044] 图1a以横截面图示出了用于铸造风力涡轮机叶片的阴模,其中阴模包括多个泡沫块,所述泡沫块取自预定的有限数量的不同泡沫块类型。 [0045] 图1b示出了不同泡沫块类型,其用于构建图1a所示的阴模。 [0046] 图2a示出了根据本发明的第一实施例的阴模的一部分的截面图。 [0047] 图2b示出了根据本发明的第二实施例的阴模的一部分的截面图。 具体实施方式[0048] 附图中的图释是示意性的。应该注意到,在不同附图中,类似或相同元件具有相同附图标记或者具有仅第一位与对应附图标记不同的附图标记。 [0049] 图1a以横截面图示出了用于铸造风力涡轮机叶片的阴模100。阴模100已经被构建在支撑结构或框架上,该支撑结构或框架为了清晰目的而在图1a中未被示出。阴模100包括多个泡沫块。根据这里描述的实施例,各泡沫块是第一类型的泡沫块152,或第二类型的泡沫块154,或第三类型的泡沫块158a、158b。此外,阴模包括切割泡沫块156,通过切除第一类型泡沫块的一部分来产生该切割泡沫块156。 [0050] 与内泡沫块152、154b和156相比,外泡沫块158a、158b必须承受较大机械载荷。因此,根据这里描述的实施例,外泡沫块158a和158b由密度大于内泡沫块152、154和156所用泡沫材料的密度的泡沫材料制成。在本文中,被称为泡沫件或泡沫端部件的外泡沫块 3 158a和158b由具有600 kg/m密度的泡沫材料制成。相比之下,内泡沫块152、154和156 3 3 由密度在250 kg/m至400 kg/m 之间的材料制成。 [0051] 当产生阴模100时,所有泡沫块和泡沫端部件以适当方式被置于未示出的框架上。因而,泡沫块和泡沫端部件以如下方式彼此连接,即使得横向侧表面的互补三维轮廓彼此邻接。具体地,如图1b能看出的,泡沫块152包括具有凹形的第一横向侧表面152a和具有凸形的相对的第二横向侧表面152b。因此,泡沫块154包括具有凹形的第一横向侧表面154a和具有凸形的相对的第二横向侧表面154b。 [0052] 在已经将所有泡沫块和泡沫端部件均放置在框架处之后,开始铣削过程来精整阴模100的表面。因而,位于公共表面轮廓160上方的所有材料被铣削掉。通过使用所述铣削过程,能够获得公共表面轮廓160,其非常均一或平坦并且精确地匹配将要被铸造在阴模100内的部件的外表面。 [0053] 应该提及的是,在所述铣削之后,还能够实施其他精整过程,以便可以进一步改进阴模100的表面质量。将参考图2a和图2b在下文中给出进一步细节。 [0054] 在此方面,应该提及的是,图1a没有示出完整阴模的截面。图1a仅示出了用于铸造风力涡轮机的叶片的阴模的下半部100。因而,叶片的纵向尺度(从根部到尖端)被定向为垂直于图1a的绘图平面。 [0055] 图2a以放大截面图示出了阴模100的一部分,其现在以附图标记200标识。阴模200包括框架结构205,该框架结构205由金属制成并且已经具有阴模200的基础形状。在框架结构205的顶部或上方形成玻璃纤维层215。 [0056] 玻璃纤维层215包括能够承受在铸造工艺期间可能出现的高温的复合材料。在玻璃纤维层215的顶部或上方形成环氧泡沫250,根据这里描述的实施例该环氧泡沫250是高3 3 密度的并且是具有在250 kg/m至400 kg/m 之间密度的高温环氧泡沫。如已经在上文中描述的,已经借助于表面精整部275产生了环氧泡沫250的精确成形的上表面,其中已经通过对环氧泡沫250的精密铣削过程来实现所述表面精整部275。 [0057] 应该提及的是,在表面精整部275下方或代替表面精整部275,可以引入任选地一个或更多个环氧层。这样的环氧层可以为阴模提供密封。这可以防止湿气进入阴模。因此,能够有效地避免由湿气导致的阴模的不良收缩或膨胀。 [0058] 还应该提及的是,在表面精整部275上或在(代替表面精整部的)环氧泡沫上可以施加半永久性脱模剂,该脱模剂至少针对一些铸件将保留在阴模内和/或阴模的内表面上。半永久性脱模剂可以允许在新的半永久性脱模剂必须被添加以便更换同时被消耗掉的半永久性脱模剂之前能够制造多个铸件。 [0060] 此外,应该提及的是,在表面精整部275上或代替表面精整部275,可以形成特氟龙层或诸如聚丙烯的塑料袋材料。 [0061] 根据这里描述的实施例,临时模具,即已经被预铸造成正确高度和造型的环氧泡沫块152、154和156(参见图1a)被胶粘到玻璃纤维层215上。环氧泡沫之后被浇注在表面之上并且之后涂覆有刚硬且柔性的材料,例如聚丙烯。之后,泡沫膨胀到正确高度,并且能够去除阴模的柔性部分。 [0062] 在下文中,将提到同样可以使用以便实现阴模的公共表面轮廓的平滑内表面的一些处理方法: [0063] (a)能够在不同涂层之间砂磨一个或更多个喷涂环氧层。 [0065] (c)通过使用喷涂胶来涂覆内表面。 [0066] 如上面已经提到的,在这种平滑内表面的顶部上,可以施加半永久性脱模剂,且之后任选地施加特氟龙层。 [0067] 为了实现阴模的平滑内表面的另一方法是简单地使用直接在环氧泡沫顶部上的“塑料袋”。可以通过被放置在阴模的内表面上的连续聚丙烯板或连续的一些其他热塑性材料板,来实现“塑料袋方法”。在这种情况下,在阴模和铸件(即,被铸造的风力涡轮机叶片)之间将不存在直接接触,从而不需要特殊的表面处理。 [0068] 在下文中,将描述用于实现阴模200的可能工艺(工作描述): [0069] -在第一步中,框架205被制备成具有一表面,该表面所具有的形状近似相同于被精整阴模减去环氧泡沫250和玻璃纤维层215的预期厚度。 [0070] -在第二步中,玻璃纤维层215被添加到框架205的顶部上。 [0071] -在第三步中,(被浇注在适当块内的)环氧泡沫250被胶粘到玻璃纤维层215上。 [0072] -在第四步中,环氧泡沫250被铣削成正确且最终的形状。 [0073] 图2b以放大截面图示出了根据本发明第二实施例的阴模200。根据图2a所示的阴模200,阴模200也包括(金属)框架205、在框架205上形成的玻璃纤维层215以及环氧泡沫250。 [0074] 然而与图2a所示阴模200相比,阴模200,相应地阴模200的泡沫块,额外地包括另一层环氧泡沫220和在环氧泡沫220上形成的另一玻璃纤维层235。额外的环氧泡沫层220和额外的玻璃纤维层235可以提供如下优点,即可以为图2b所示阴模200的结构提供额外的稳定性。因为提供了另一玻璃纤维层235,所以最终的阴模200能够承受的铸件数量将会增加。 [0075] 在下文中,将描述由于使用本文中所述的阴模100、200所产生的一些优点。 [0076] (A)通过使用使得形成阳模且相应地形成凸模的传统过程变得不必要的被直接铣削的阴模,新型风力涡轮机叶片能够被铸造且能够准备好用于测试,其占用传统生产风力涡轮机叶片(的原型)所需的时间的近似一半。 [0077] (B)在被直接铣削的阴模中铸造叶片产生了更紧密匹配原件的模具几何构造。此外,与阳模的角相比能更精确地铣削阴模的角,因为铣床的铣刀头具有更多余隙。这导致了对阴模的几何构造进行更少的手工精整。 [0078] (C)阴模可以是高温阴模,其能够承受传统生产的阴模所能够承受的温度的近似两倍。 [0079] (D)通过再现包括3D数据的文件可精确地重复直接生产的阴模的生产过程。 [0080] (E)相比于用于生产阴模的传统工艺,阴模的所述单步生产工艺节省了时间和资金。 [0081] (F)不需要专门储存阳模。 [0082] (G)所述阴模的所有部件均耐受潮湿。 [0083] (H)能够仅使用较少原材料使用简化复合层来实现直接生产的阴模。 [0084] (I)在固化工艺中,如果使用上述材料则在阴模中仅存在非常小的机械张力。因而,能够使用简化的框架结构。 [0085] 最后但同样重要的,应该提及的是,通过铣削上表面并且浇注新环氧泡沫层,被磨损的阴模能够被容易地重整成准确几何构造。相比于现有技术的阴模(其中一个需求是通过铸造来构建新阴模是从底部开始的)这是一个重大改进,在现有技术中在开始时必须使用阳模,即相应地使用凸模。 [0086] 应该注意到,术语“包括”不排除其他元件或步骤,并且冠词“一”或“一种”的使用不排除多个。而且,与不同实施例相关的元件可以相组合。还应该注意到,权利要求中的附图标记不意味着限制权利要求的范围。 [0087] 附图标记: [0088] 100 阴模(下半部) [0089] 152 泡沫块(第一类型) [0090] 152a 横向侧表面/凹形 [0091] 152b 横向侧表面/凸形 [0092] 154 泡沫块(第二类型) [0093] 154a 横向侧表面/凹形 [0094] 154b 横向侧表面/凸形 [0095] 156 切割泡沫块 [0096] 158a 泡沫端部件(第三类型) [0097] 158b 泡沫端部件(第三类型) [0098] 160 公共表面轮廓 [0099] 200 阴模 [0100] 205 框架 [0101] 215 玻璃纤维层 [0102] 220 环氧泡沫 [0103] 235 玻璃纤维层 [0104] 250 环氧泡沫 [0105] 275 表面精整部。 |