摘要
蜡型壁厚精确控制是保证精铸空心涡轮叶片壁厚精度的首要前提。目前国内
空心涡轮叶片壁厚超差严重，合格率低下，主要原因之一是由于精铸蜡型压制过
程中，陶芯位置漂移以及个态化型面制造误差改变陶芯-模腔型面匹配关系，进
而造成蜡型壁厚超差。为解决该问题，本文提出从压蜡工艺过程入手，模拟空心
涡轮叶片精铸压蜡过程，获取蜡料流场与凝固场分布及其在陶芯型面形成的冲压
载荷，构造压蜡过程陶芯漂移运动仿真模型，揭示了压蜡过程陶芯漂移规律；于
此同时，开展蜡型模具内部陶芯型面在位感知及自适应定位补偿方法研究，最终
通过逆向调整个体陶芯在蜡型模具内的空间位姿，使其在压蜡漂移后与模腔形成
最佳型面匹配关系，从而减小陶芯位置漂移以及个态化型面制造误差对叶片蜡型
壁厚精度影响。论文主要研究内容如下：
（1）压蜡过程数值模拟及陶芯漂移预测方法：首先，对空心涡轮叶片精铸
压蜡过程进行了数值仿真，获取了压蜡过程陶芯表面压力场分布，之后利用陶芯
型面信息，建立了压蜡过程蜡料对陶芯型面的冲压载荷函数；接下来，根据陶芯
在蜡型模具内的装夹方式，构建了压蜡过程陶芯漂移运动仿真模型，同时以蜡料
对陶芯型面的冲压载荷函数为驱动，计算了压蜡过程陶芯漂移量，同时也为后续
陶芯逆向位姿调控提供数据支撑。
（2）模具内部陶芯型面在位感知及位姿优化：首先，考虑陶芯在蜡型模具
内装夹时会与定位夹持元件直接形成接触关系，建立了基于定位夹持元件位置反
馈的蜡型模具内部陶芯型面在位采样策略；之后，基于计算几何知识，构建了陶
芯位置变化量与采样点壁厚变化量之间映射模型，并以减小采样点壁厚误差为目
标，建立了蜡型模具内部实际陶芯空间位姿优化方法。
（3）基于定位补偿的模具内部陶芯位姿自适应调控方法：首先，考虑到陶
芯位置与型面偏差对蜡型壁厚精度的叠加影响，提出了一种蜡型模具内部陶芯位
姿逆向调整方法；之后，通过对实际陶芯在位采样点临近区域进行曲面重建，并
将实际陶芯位置逆向调整量映射至陶芯定位元件尺寸补偿量上，最终形成了基于
定位补偿的模具内部陶芯位姿自适应调控策略，该策略可以保证压蜡漂移后的实
际陶芯能够达到模具内部陶芯最佳位置，从而减小陶芯位置漂移及型面制造误差
对叶片壁厚精度的影响。
I
（4）蜡型模具内部陶芯自适应位姿调控原型系统设计及实验验证：首先，
设计并开发了具备陶芯自适应位姿调控功能的空心涡轮叶片蜡型模具原理样机；
接下来，利用该系统开展了空心涡轮叶片压蜡实验，实验结果表明通过对蜡型模
具内部陶芯位姿逆向调整可有效减小空心涡轮叶片精铸蜡型壁厚偏差。
关键词：空心涡轮叶片；蜡型壁厚；陶芯漂移；型面误差；位置调控
II
目录
摘要I
ABSTRACTIII
1绪论1
1.1研究背景及意义1
1.2国内外研究现状1
1.2.1型芯偏移分析技术3
1.2.2工件定位补偿技术5
1.3论文研究内容与章节安排6
1.3.1研究内容与章节安排6
1.4本章小结8
2压蜡过程数值模拟及陶芯漂移预测方法9
2.1引言9
2.2蜡料充型过程数值模拟9
2.2.1基于Moldflow的压蜡仿真模型构建9
2.2.2基于Moldflow的压蜡过程数值模拟13
2.3压蜡过程陶芯型面载荷计算16
2.3.1陶芯型面载荷计算模型17
2.3.2陶芯型面载荷计算结果18
2.4压蜡过程陶芯漂移运动仿真计算19
2.4.1基于运动分析的陶芯模型构建19
2.4.2陶芯漂移运动计算结果分析20
2.5本章小结21
3模具内部陶芯型面在位感知及位姿优化方法22
3.1引言22
3.2蜡型模具内部陶芯型面