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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Bohren eines Loches mit einem Energiestrahl (8a) durch ein Werkstück (2), das eine Eintrittsfläche (4) hat, zu der hin sich der Strahl fortpflanzt und durch die er zuerst hindurchdringt, und eine Austrittsfläche (6), die der Strahl zuletzt durchdringt, bei dem zuerst die Austrittsfläche (6) des Werkstücks (2) mit einer Unterlage (10), die durch ein Bindemittel (1 Ob) miteinander verbundene Teilchen (l0a) enthält, in innige Berührung gebracht wird, wobei die Teilchen und das Bindemittel Eigenschaften haben, welche die Bildung von für das Werkstück nachteiligen Reaktionsprodukten während des Lochbohrens verhindern, ein Energiestrahl (8a) auf einen Teil der Eintrittsfläche (4) gerichtet wird mit einer Intensität, die ausreicht, um ein Loch in dem Werkstück zu erzeugen,
die Austrittsfläche zu durchdringen und innerhalb der Unterlage gasförmige Produkte zu erzeugen, die ausreichen, um schmelzflüssiges Werkstückmaterial aus dem Loch in der Eintrittsfläche in einer zu der Strahlfortpflanzungsrichtung entgegengesetzten Richtung auszustossen; und dann die Unterlage (10) entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlage eine solche ist, die nach dem Bohren, wenigstens zum Teil, als Flüssigkeit entfernt werden kann, und, dass das Entfernen der Unterlage, dadurch geschieht, dass sie durch eine Massnahme, welche das Werkstück nicht nachteilig beeinflusst, in wenigstens einen teilflüssigen Zustand überführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlage schmelzbar ist und dass die Massnahme zu ihrer Entfernung in einer Erhitzung besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlage durch Auslaugen als Flüssigkeit von der Werkstückoberfläche entfernt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen anorganische, nichtmetallische Teilchen sind und dass das Bindemittel ein Polymer ist, das bei einer Temperatur von weniger als 150 0C verflüssigbar ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Werkstück aus einem ersten Element, durch welches das Loch zu bohren ist, und einem zweiten Element, welches mit Abstand von der Austrittsfläche des ersten Elements angeordnet ist, besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen den Elementen wenigstens teilweise mit einem Unterlagsmaterial gefüllt ist derart, dass es mit der Austrittsfläche in innigen Kontakt gebracht wird und, dass das Unterlagematerial ein solches ist, das wenigstens in einem teilflüssigen Zustand vorliegt, wenn es zwischen die Elemente eingebracht wird, während es fest ist, wenn das Loch gebohrt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Werkstück ein hohler Gasturbinenschaufelprofilteilge- genstand ist, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Hohlraum des Gasturbinenschaufelprofilteilgegenstandes mit dem Unterlagematerial gefüllt ist, wodurch ein Auftreffen des Strahls auf die der zu durchbohrenden Wand gegenüberliegende Wand durch Absorption der Uberschussenergie in der Unterlage verhindert wird.
7. Unterlagematerial zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch: Teilchen (10a), die beim Auftreffen eines Energiestrahles (8a) wärmeabsorbierend wirken und dabei verdampfen, und ein Bindemittel (1 Ob), das mit den Teilchen vermischt ist und diese innig umgibt, so dass diese aneinander haften, wobei das Bindemittel unter der Einwirkung des Strahls verdampft und wobei dieses Unterlagematerial wenigstens zum Teil in eine Flüssigkeit umwandelbar ist.
8. Unterlagematerial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen (lOa) aus nichtmetallischem Pulver bestehen, wie beispielsweise Keramik oder Glas, und in derartiger Menge vorhanden sind, dass eine das Unterlagematerial enthaltende Unterlage (10) von dem Strahl (8a) nicht durchdrungen wird und die Unterlage die darin durch den Strahl erzeugten Gasdrücke beim Verdampfen der Teilchen (los) aushält.
9. Unterlagematerial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel (1 Ob) ein solches ist, das durch Wärmezufuhr in eine Schmelze überführbar ist.
10. Unterlagematerial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel (1 Ob) ein solches ist, das durch Auslaugen in eine Flüssigkeit überführbar ist.
11. Unterlagematerial nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel (1 Ob) ein Polymer ist.
12. Unterlagematerial nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen 50-90 Gew. % des Unterlagematerials ausmachen.
Die Erfindung bezieht sich auf das Bohren von Löchern durch ein Werkstück mittels Energiestrahlen.
Die Verwendung der Elektronenstrahlenergie zum Boh- ren von einem oder mehreren Löchern in ein metallisches oder nichtmetallisches Werkstück ist erst in jüngerer Zeit untersucht worden. Anhand von experimentellen Elektronenstrahlbohrtests ist festgestellt worden, dass zum Erzeugen eines Loches, das über seiner Länge in dem Werkstück symmetrisch ist, der Elektronenstrahl ein gewisses Ausmass an Überschussenergie haben muss, d.h. mehr Energie als lediglich zum Hindurchdringen durch das Werkstück erforderlich ist.
Wenn diese überschüssige Strahlenergie nicht bereitgestellt wird, wird ein Loch mit unsymmetrischem Querschnitt oder konischer Gestalt oder beides erzeugt. Als Ergebnis des Erfordernisses von Überschusselektronenstrahlenergie ist ein Material oder eine sogenannte Unterlage (backer) an der von dem Strahl abgewandten Oberfläche des Werkstückes erforderlich, d.h. an derjenigen Oberfläche, die von dem Strahl zuletzt durchdrungen wird, wenn dieser durch das Werkstück hindurchgeht. Im folgenden wird diese Oberfläche als Austrittsfläche bezeichnet.
Der Zweck des Unterlagsmaterials ist es, die Überschusselektronenstrahlenergie zu absorbieren oder abzuführen, wenn der Strahl die Austrittsfläche durchdringt, und durch die örtliche Wirkung des Strahls einen ausreichenden Gasdruck zu erzeugen, damit das schmelzflüssige Werkstückmaterial aus dem Loch, das gebohrt wird, ausgestossen wird. Das schmelzflüssige Material wird typischerweise in der zu der Fortpflanzung der Strahls entgegengesetzten Richtung ausgestossen, d. h. in der zu dem Eingang des Loches in der zuerst durchdrungenen Fläche oder Eintrittsfläche des Werkstückes entgegengesetzten Richtung. Wenn der Ausstoss unzulänglich ist, wird um den Eingang des Loches herum ein Grat gebildet. Das ist häufig mit einer umgeschmolzenen Schicht oder einem Teil geschmolzenen und erstarrten Metalls innerhalb des Loches gekoppelt.
Unterlagen aus Metallen, wie Messing oder Zink, sind bei der Entwicklung des Elektronenstrahlbohrens benutzt worden. Diese sind verwendbar, wenn sie einen höheren Dampfdruck als das Werkstück haben, was bei Stahl der Fall ist. Metallische Unterlagen sind auch in Verbindung mit sich verflüchtigenden Filmen benutzt worden, die das gasförmige Medium zum Austreiben des schmelzflüssigen Metalles aus dem gebohrten Loch in dem Werkstück liefern, wie es in der US-PS 3 649 806 beschrieben ist. Viele Werkstücke, die für Hochleistungszwecke benutzt werden, bestehen je
doch aus Materialien, die für eine Verunreinigung empfindlich sind. Hier wird die Verwendung von metallischen Unterlagen die Materialeigenschaften wegen einer Legierungsbildung im Bereich des Loches in nachteiliger Weise verschlechtern. Das passiert beispielsweise, wenn Zinkunterlagen in Verbindung mit warmfesten und ermündungsbeständigen Nickellegierungen benutzt werden. Es kommt zu einem vorzeitigen Ausfall an den Löchern aufgrund von Verunreinigung. Andere Unterlagsmaterialien können ebenso eine Verschlechterung durch Verschlechtern von Eigenschaften oder durch Hervorrufen von Korrosion im Betrieb verursachen.
Kombinationen von Metallpulvern und verschiedenen organischen Matrizen sind ebenfalls bereits benutzt worden.
Die Verwendung von Unterlagen, welche Metallpulver enthalten, hat den potentiellen Verunreinigungsnachteil, der oben für metallische Filme erwähnt worden ist. Darüber hinaus kann ein teilchenförmiger Rückstand, der im Inneren eines hohlen gebohrten Bauteils zurückbleibt, mit dem Bauteil bei Erhitzung desselben im Betrieb mit nachteiligem Ergebnis reagieren. Bei Metallpulvern umfassen die bislang benutzten organischen Bindemittel im allgemeinen Materialien wie Silicongummi und Epoxidharze. Diese werden nur durch mechanische Massnahmen oder durch Verbrennung beseitigt, da sie nicht ohne weiteres in kommerziellen Lösungsmitteln, die nicht auch das Werkstück angreifen, löslich sind.
Vorgeformte Metall- und Keramikzellgebilde, die flüchtige Materialien enthalten, sind ebenfalls bereits benutzt worden, wie es in der oben erwähnten US-PS 3 649 806 beschrieben ist. Diese haben jedoch den Nachteil, ebenso wie ihn metallische Platten zu einem geringeren Grad haben, dass sie nicht so hergestellt werden können, dass sie sich unregelmässigen Oberflächen eng anpassen, und dass sie im allgemeinen nicht geeignet sind, um in kompliziert geformte Innenhohlräume eingebracht oder aus diesen entfernt werden zu können. Wenn ein enger Kontakt mit dem Werkstück nicht aufrechterhalten wird, funktionieren die Unterlagen schlecht und es kann weiter ein unerwünschter Grat in der Austrittsfläche gebildet werden.
Unterlagen werden, wie erwähnt, benutzt, um die Masshaltigkeit des Loches, das gebohrt wird, zu verbessern. Bislang gibt es aber wenig mehr als ein allgemeines Wissen über die spezifische Korrelation zwischen den physikalischen Eigenschaften des Unterlagsmaterials und den Eigenschaften des bebohrten Loches. Deshalb kann der Fachmann dem Stand der Technik keinen Hinweis über die Auswahl eines Unterlagsmaterials zur Überwindung von Problemen bei den besonderen Lochkonfigurationen oder Werkstückmaterialien entnehmen. Es können beispielsweise senkrechte Löcher in gewisse Legierungen auf Nickelbasis gebohrt werden, indem bekannte Unterlagsmaterialien oder -gebilde benutzt werden. Bei Verwendung derselben Materialien treten jedoch unregelmässige und unerwünschte Formen auf, wenn schräge Löcher in andere Gusssuperlegierungen auf Nickel- basis gebohrt werden.
Weiter sind beispielsweise die zu absorbierende Energie und die durch die Unterlage zu berücksichtigenden Auswirkungen bei tieferen Löchern beträchtlich grösser als bei flachen Löchern. Infolgedessen arbeiten einige Unterlagen in dem zweiten Fall gut, aber in dem ersten Fall schlecht.
Ziel der Erfindung ist ein verbessertes Verfahren zum Bohren eines Loches mit einem Energiestrahl durch ein Werkstück, sowie ein Unterlagematerial zur Ausführung des Verfahrens zu schaffen. Beim Verfahren nach der Erfindung zum Bohren eines Loches mit einem Energiestrahl, durch ein Werkstück, das eine Eintrittsfläche hat, zu der hin sich der Strahl fortpflanzt und durch die er zuerst hindurchdringt, und eipe Austrittsfläches die der Strahl zuletzt durchdringt.
wird zuerst die Austrittsfläche des Werkstücks mit einer Unterlage, die durch ein Bindemittel miteinander verbundene Teilchen enthält, in innige Berührung gebracht, wobei die Teilchen und das Bindemittel Eigenschaften haben, welche die Bildung vom für das Werkstück nachteiligen Reaktionsprodukten während des Lochbohrens verhindern, ein Energiestrahl auf einen Teil der Eintrittsfläche gerichtet mit einer Intensität, die ausreicht, um ein Loch in dem Werkstück zu erzeugen, die Austrittsfläche zu durchdringen und innerhalb der Unterlage gasförmige Produkte zu erzeugen, die ausreichen, um schmelzflüssiges Werkstückmaterial aus dem Loch in die Eintrittsfläche in einer zu der Strahlfortpflanzungsrichtungen entgegengesetzten Richtung auszustossen, und dann die Unterlage entfernt, wobei die Unterlage eine solche ist,
die nach dem Bohren wenigstens zum Teil als Flüssigkeit entfernt werden kann und beim Entfernen der Unterlage dieselbe durch eine Massnahme, welche das Werkstück nicht nachteilig beeinflusst, in wenigstens einen teilflüssigen Zustand überführt wird.
Weitere Ausführungsformen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Nach der Erfindung umfasst das Unterlagematerial zur Ausführung des oben genannten Verfahrens Teilchen, die beim Auftreffen eines Energiestrahles wärmeabsorbierend wirken und dabei verdampfen, und ein Bindemittel, das mit den Teilchen vermischt ist und diese innig umgibt, so dass diese aneinander haften, wobei das Bindemittel unter Einwirkung des Strahles verdampft und wobei dieses Unterlagematerial wenigstens zum Teil in eine Flüssigkeit umwandelbar ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Unterlagematerials sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung schafft folgende Eigenschaften, die von einem in kommerzieller Massenproduktion hergestellten Unterlagematerial gefordert werden: a) niedrig im Preis; b) leicht auf komplexe Formstücke aufbringbar; c) Aufrechterhaltung eines innigen Kontaktes mit der Werkstückoberfläche; d) leichte Entfernbarkeit von dem Werkstück nach dem Bohren; e) einfaches Absorbieren oder Abführen der überschüssigen Strahlenenergie; 1) Ausstossen von schmelzflüssigem Werkstückmaterial aus dem Loch, das gebohrt wird; g) Erzeugen eines metallurgisch akzeptablen Umschmelzgefüges in dem Loch; h) keine nachteiligen Auswirkungen auf die Lebensdauer eines Elektronenstrahlerzeugers; i) Minimieren des Grates an dem Umfang des Loches in der zuletzt durchdrungenen Fläche; und j) Unschädlichkeit für metallurgische und andere Eigenschaften und für das Gefüge des Werkstückes.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 schematisch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung an einer Werkstückwand, an der die Unterlagsschicht angebracht ist,
Fig. 2 im Querschnitt das Bohren eines hohlen Gasturbi nenflügelprofilteils, dessen Hohlraum mit einem Unterlagsmaterial gefüllt ist.
Fig. 1 zeigt schematisch eine typische Anordnung zur Durchführung des Bohrverfahrens nach der Erfindung. Gezeigt ist eine zu durchbohrende Werkstückwand 2 mit einer Eintrittsfläche 4 und einer Austrittsfläche 6, wobei die Ein trittsfläche dem Elektronenstrahlerzeuger 8 zugewandt ist, der einen Elektronenstrahl 8a erzeugt und auf die Eintrittsfläche richtet. Gezeigt ist als eine Schicht auf der Austrittsfläche die Unterlage 10 zum Absorbieren der Überschussenergie aus dem Strahl, wenn dieser in die Oberfläche eindringt, und zum Erzeugen von ausreichendem Gasdruck unter der lokalen Einwirkungszone des Strahls, um schmelzflüssiges Werkstückmaterial 14 aus dem Eingang des Loches 12 in der Oberfläche 4 in einer zu der Strahlfortpflanzungsrichtung entgegengesetzten Richtung auszustossen.
Gemäss der Erfindung umfasst die Unterlage Teilchen 10a, die mit einander und mit der Fläche 6 durch ein Bindemittel 10b verbunden sind. Viele Arten von Teilchen oder Teilchenmaterial sind für die Verwendung in der Unterlagsschicht geeignet. Typische Beispiele sind, ohne dass darunter eine Beschränkung zu verstehen ist, Metallegierungen, feine Glasperlen, Glasfritte, Quarzglasteilchen sowie Aluminiumoxid-, Calciumoxid-, Magnesiumoxid-, Siliciumdioxid- und Zirkoniumdioxidpulver. Die Teilchenmenge kann variiert werden, damit die besonderen Zwecke in Verbindung mit dem Typ des benutzten Bindemittels und der Tiefe des zu bohrenden Loches erzielt werden, was im folgenden noch näher erläutert ist.
Die Teilchen haben bei dem Verfahren nach der Erfindung die Aufgabe, einen grossen Teil der Überschusselektronenstrahlenergie zu absorbieren, wenn der Elektronenstrahl die Austrittsfläche 6 durchdringt.
Organische Bindemittel
Das Bindemittel, das in der Unterlagsschicht benutzt wird, wird bis zu einem gewissen Ausmass von der Tiefe des zu bohrenden Loches abhängig sein. Für flache Löcher, d. h.
für Löcher mit einer Tiefe von weniger als 2,54 mm wird ein Bindemittel aus thermoplastischem Polymer bevorzugt. Verschiedene Arten von thermoplastischen Polymeren sind in der Unterlagsschicht verwendbar und zu ihnen gehören, ohne dass darunter eine Beschränkung zu verstehen ist, Elastomere, Harze und Wachse sowie natürliche und synthetische Polymere. Bevorzugte thermoplastische Polymerbindemittel sind Polyvinylchlorid, Polyäthylenglykol, Polyvinylalkohol und Wachs. Aushärtbare Polymere können, obwohl sie nicht bevorzugt werden, in einigen Fällen in der Unterlagsschicht Verwendung finden.
Die Erweichungs- und Schmelztemperaturen des benutzten Polymers müssen ausreichend hoch sein, so dass während des Bohrens die Überschussenergie, die durch das Bindemittel absorbiert wird, es im allgemeinen nicht oder nicht in grossem Ausmass übermässig erweicht oder schmilzt und dadurch einen Verlust an Adhäsion oder Ablösung der Unterlagsschicht verursacht.
Selbstverständlich wird derjenige Teil der Unterlage, der örtlich von dem Elektronenstrahl getroffen wird, geschmolzen und verdampft. Nachdem das Bohren des Loches abgeschlossen ist, wird die Unterlagsschicht von der Fläche 6 des Werkstückes entfernt. Zu diesem Zweck muss das Polymerbindemittel die Möglichkeit bieten, dass die Unterlagsschicht entfernt werden kann, beispielsweise durch Erhitzen, Auflösen, Abschälen und dergleichen.
Besonders bevorzugte Polymerbindemittel für die Verwendung bei der Herstellung einer flexiblen Unterlagsschicht sind ein flexibles, gesetzlich geschütztes Wachs, das als Cerita 1003 Dipping Wax bekannt ist und von der Fa. Argueso Corporation, Mamaroneck, New York, hergestellt wird, und ein plastiziertes Polyvinylchloridpolymer. Andererseits kann eine halbstarre Unterlagsschicht vorzugsweise aus einem thermoplastischen Harz gebildet werden, das als WINF bekannt ist und ebenfalls von der Fa. Argueso Corporation hergestellt wird.
Bezüglich der Wichtigkeit der Erweichungs- oder Schmelztemperatur bei der Auswahl des Bindemittels haben die Erfinder festgestellt, dass, wenn Gebilde mit hohen Lochdichten gebohrt werden, das WINF-Harz gegenüber dem Cerita 1003-Wachs bevorzugt wird, da letzteres bälder insgesamt einem Erweichen und Schmelzen durch angesammelte Wärme während des wiederholten Bohrens ausgesetzt ist.
Ein zweckmässiges Verfahren zum Herstellen der polymergebundenen Unterlagsschicht auf der Austrittsfläche besteht darin, die Teilchen mit dem Polymer im flüssigen Zustand zu vermischen und dann das Gemisch auf die Fläche in Form einer Aufschlämmung mittels einer Kelle, durch Bürsten, Aufsprühen, Spritzen oder ähnliche Verfahren aufzubringen und anschliessend zu einer festen Unterlagsschicht auszuhärten.
Nachdem das erfolgt ist, wird das Bindemittel mit einer sauberen Werkstückoberfläche in innigem Kontakt sein und an dieser haften. (Selbstverständlich kann die Haftfestigkeit durch ein atypisch schmutziges Werkstück oder durch das Vorhandensein eines nichtaufnahmefähigen Films auf dem Werkstück verhindert werden.)
Die bevorzugteste Ausführungsform bei der in-situ Unterlagsbildung, die hier angegeben wird, umfasst das Haften der Unterlage an dem Werkstück, wobei es im Rahmen der Erfindung aber nicht notwendig ist, dass dieses Haften erzielt wird.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass es notwendig ist, einen guten Grad an Gasdruckabdichtung zwischen der Unterlage und dem Werkstück zu erzielen, so dass die verdampften oder vergasten Unterlagsbestandteile durch das gebohrte Loch gedrückt werden, statt durch eine durchlässige Unterlage hindurch oder in einem Zwischenraum zwischen dem Werkstück und der Unterlage freigesetzt zu werden. Gemäss einer im folgenden angegebenen Erläuterung kann das durch die Verwendung einer gesondert hergestellten Unterlage mit ausreichender Biegsamkeit zur Anpassung an Unregelmässigkeiten auf der Werkstückoberfläche in Verbindung mit einer Einrichtung zum Zusammendrükken des Werkstückes und der Unterlage erreicht werden.
Als weitere Wahlmöglichkeit kann eine gesondert hergestellte Unterlage mit einem Werkstück durch Verwendung eines Klebstoffilms, der in seiner Art dem Bindemittel gleicht, verbunden werden.
Die notwendige Dicke der Unterlage wird sich mit dem Bindemittel und dem Teilchenmaterial, der Dicke des zu bohrenden Werkstückes und den Strahlkenndaten ändern.
Die Erfinder haben festgestellt, dass Dicken zwischen 1,52 und 6,35 mm zufriedenstellend sind, wobei die grösseren Dicken kleineren Prozentsätzen an Teilchenmaterial, dickeren Werkstücken und höheren Strahldichten zugeordnet sind.
Flexible Bindemittel sind besonders wichtig, wenn flexible Werkstücke in Form von Bändern, Folien und dgl. zum Bohren auf eine Vorrichtung in Form einer zylindrischen Trommel aufzubringen sind. In diesem Fall wird ein Block des flexiblen Bindemittels zusammen mit darin dispergierten Teilchen in Plattenform extrudiert. Die flexible Unterlagsplatte wird dann auf die Austrittsfläche eines flexiblen, ebenen, metallischen Werkstückbandes aufgebracht und beide gemeinsam werden anschliessend um eine Trommelvorrichtung gewickelt, wobei die freie Oberfläche der Unterlagsplatte mit der Trommel in Berührung ist. Die Anordnung wird dann in eine Elektronenstrahlbohrmaschine eingebracht und gebohrt. Nach dem Lochbohren wird die benutzte Unterlagsschicht von dem metallischen Werkstück zweckmässig abgeschält, abgestreift oder abgelöst.
Dann kann gemäss dem durch die Erfindung geschaffenen Vorteil das Unter lagsmaterial leicht zu Zusatzunterlagsmaterial für weiteren gleichen Gebrauch aufbereitet werden.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Entfernen der Unterlage besteht darin, die Unterlage, wenigstens teilweise, in flüssigen Zustand zu überführen. Der hier verwendete Begriff flüssig bezieht sich auf einen Zustand, in welchem sich die Unterlage im wesentlichen wie eine Flüssigkeit verhält, es ist jedoch klar, dass weder das Teilchenmaterial noch sämtliches Bindemittel für die Zwecke der Erfindung flüssig zu sein brauchen. Wenn die Unterlage in eine Form überführt wird, in der sie sich wie eine Flüssigkeit verhält, ist sie von dem Werkstück durch die Wirkung der Schwerkraft oder durch andere Massnahmen, die ein Fliessen hervorrufen, frei entfernbar.
Bei den vorgenannten Polymerunterlagsmaterialien hat es sich gezeigt, dass das Erhitzen des WINF- oder des Cerita 1003-Materials bis in den Bereich von 79-149 0C ausreicht, um diese Unterlagsmaterialien frei von dem Werkstück herunterfliessen zu lassen. Das Beseitigen erfolgt leicht durch Eintauchen in heisses Wasser, aus welche die unvermischbaren schmelzflüssigen Polymere sowie das darin enthaltene Teilchenmaterial durch Abschöpfen oder Abkühlen und Erstarren leicht wiedergewonnen werden können. Weitere Massnahmen zum Entfernen mittels Erwärmung durch Konvektion, Leitung und Strahlung bieten sich an. Beispiele sind das Erhitzen im Ofen sowie die Mikrowellenstrahlung.
Stattdessen kann ein Lösungsmittel benutzt werden, um das Bindemittel aufzulösen. Das Teilchenmaterial der Unterlage wird in dem Gelösten suspendiert oder setzt sich in diesem ab. Das Entfernen des Gelösten, beispielsweise durch Destillation, gibt dem Unterlagsmaterial seine ursprüngliche Form wieder. Beispiele dafür sind die Auflösung von Polyvinylaf- kohol in Wasser oder eines Wachses auf Paraffinbasis in Trichloräthylen. ein Dampfentfettungsverfahren ist bei dem letztgenannten Beispiel zweckmässig. Ausserdem können Unterlagsmaterialien durch Einwirkung einer Säure oder eines Alkalis in den flüssigen Zustand zerlegt werden. Alle diese Auflösungsprozesse können als Auslaugung gekennzeichnet werden.
Anorganische Bindemittel
Zum Bohren von tiefen Löchern, beispielsweise mit einer Tiefe von mehr als 2,54 mm, insbesondere in Nickelknetlegierungen, enthält die Unterlage vorzugsweise ein anorganisches Bindemittel mit einem oder ohne einen verdampfbaren flüssigen Verdünner. Die anorganischen Bindemittel haben die gleiche Funktion wie die oben erwähnten organischen Mittel, d. h. beide verbinden die Teilchen miteinander, damit die Unterlage gebildet wird, und, wenn diese in situ gebildet wird, die Unterlage mit der Werkstückaustrittsfläche. Es ist nicht notwendig, die Unterlagsschichten, die das anorganische Bindemittel enthalten, bei sehr hohen Temperaturen zu brennen, um eine nutzbare Unterlage oder deren Haftung an dem Werkstück zu erzielen, wenn geeignete Bindemittel benutzt werden, wie beispielsweise Natriumsilicat, -aluminat oder -phosphat und dgl.
Diese werden mit Teilchenmaterial, typischerweise mit einem Wasserverdünner, vermischt. Das vorgenannte Natriumsilicat ist für ein anorganisches Polymer typisch. Andere in einem Lösungsmittel lösliche Verbindungen bieten sich dem Fachmann an. Es ist selbstverständlich erforderlich, dass das anorganische Bindemittel nicht nachteilig mit dem Teilchenmaterial beim Vermischen oder mit dem Werkstück während des Lochbohrens reagiert.
Weiter sollte das Bindemittel das Entfernen der Unterlage durch Verflüssigung gestatten. Anorganisches Bindemittel enthaltende Unterlagen werden in gleicher Weise aufgebracht, wie es für die Unterlagen mit Polymerbindemitteln beschrieben worden ist.
Das Bindemittel wird in Mengen zugesetzt, die erforderlich sind, um eine innige Verbindung der Teilchen mit einander und mit der Werkstückoberfläche zu erzielen. Beispielsweise wird in einem Gemisch aus einem flüssigen Bindemittel in Form von Natriumsilicat und Keramikteilchen, wie Aluminiumoxid oder Zirkoniumdioxid, das Natriumsilical mit einem Anteil von etwa 25 bis 40 Gew.-% der Aufschlämmung, so wie sie gemischt worden ist, vorhanden sein. Natriumsilical ist ein bevorzugtes Bindemittel, da eine dieses Bindemittel enthaltende Unterlagsschicht leicht von der zuletzt durchdrungenen Fläche nach dem Bohren durch Auflösen in heissem Wasser entfernt werden kann.
Unterlagsschichten, bei denen andere Bindemittel benutzt werden, beispielsweise kolloidales Siliciumdioxid, können leicht durch Auflösung in geeigneten Säuren oder Alkalien entfernt werden, bei denen es sich selbstverständlich um Materialien handeln wird, die einen pH-Wert haben der von 7 wesentlich verschieden ist, und die so gewählt werden müssen, dass sie keine nachteilige Auswirkung auf das Werkstück haben.
Alle vorgenannten Auflösungen können als Auslaugung charakterisiert werden.
Der flüssige Verdünner, der bei der Herstellung der Aufschlämmung oder des Breis benutzt werden kann, kann irgendein kompatibler Verdünner sein, einschliesslich Wasser oder organischer Flüssigkeiten oder Gemischen derselben.
Die Hauptforderung an den flüchtigen Verdünner ist, dass er ausreichend sicher zu benutzen, billig und bei gewöhnlichen Temperaturen ausreichend flüssig ist, um als Dispergens für das Teilchenmaterial zu dienen, so dass die Aufschlämmung als geeigneter Überzug auf die Werkstückoberfläche aufgebracht werden kann, und dass er gleichzeitig ausreichend flüchtig ist, um zu verdampfen, wenn er der Trocknung in der Atmosphäre oder im Ofen ausgesetzt ist. Selbstverständlich kann der Typ oder de Menge des flüssigen Verdünners, der zum Herstellen der Aufschlämmung oder des Breis benutzt wird, so eingestellt werden, dass sie bzw. er der besonderen Aufbringtechnik, beispielsweise durch Bürsten, mittels Kelle, durch Sprühen, Tauchen oder andere geeignete Massnahmen, angepasst ist, um die Aufschlämmungsschicht auf der Austrittsfläche zu verteilen.
In dem Fall eines hohlen Teils oder eines Teils, das eine unzugängliche Austrittsfläche hat, kann das Unterlagsmaterial durch Giessen, Stampfen, Spritzformen od. dgl. aufgebracht werden. Weitere Verfahren zum Aufbringen der Aufschlämmung auf die Werk stückoberfläche bieten sich dem Fachmann ohne weiteres von selbst an. Ausserdem können die Unterlagen gesondert hergestellt werden, wie es oben beschrieben worden ist.
Die Unterlagsschicht, kann, wie oben erwähnt, gesondert hergestellt oder auf die Austrittsoberfläche aufgebracht werden, und zwar als ein fester Film, beispielsweise als ein extrudierter Film, oder als eine Flüssigkeit oder ein Aufschlämmungsüberzug, der anschliessend in situ zum Erstarren gebracht wird. Die Dicke der Unterlagsschicht wird sich selbstverständlich mit der Tiefe des Loches, das hergestellt wird, und mit der Energie des auftreffenden Elektronenstrahls ändern. Für Löcher mit einer Tiefe von weniger als 2,54 mm hat sich eine Dicke in dem Bereich von etwa 1,52 bis 3,18 mm als zufriedenstellend erwiesen. Für tiefere Löcher werden Dicken in der Grössenordnung von 1,52 bis 6,35 mm benutzt.
Selbstverständlich wird die erforderliche Dicke von dem Typ und der Menge des benutzten Teilchenmaterials, von dem Typ des benutzten Bindemittels sowie von der Strahlenergie, die zum Erzeugen eines bestimmten Loches in einem besonderen Werkstück erforderlich ist, abhängig sein.
Die Menge an Teilchenmaterial kann verändert werden, damit das gewünschte Energieabsorptions- und Verdampfungsvermögen erzielt wird. Bei einem anorganischen Bindemittel, die Natriumsilicat, kann ein Teilchenmaterial, wie Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid oder Glas, in Mengen von etwa 60 bis 75 Gew.-% in der Aufschlämmung, so wie sie gemischt worden ist, vorhanden sein.
Teilchenmaterialien
Die Unterlagsschichten nach der Erfindung finden spezielle Verwendung beim Bohren von einem oder mehreren Löchern in Hohlteilen oder mehrwandigen Teilen, bei denen der Strahl, nachdem er eine Wand durchdrungen hat, weitergehen und unerwünschtermassen auf die andere gegenüberliegende Wand auftreffen kann. In solchen Fällen wird die Unterlage geeignet in der Lage sein, sich der Durchdringung zu widersetzen, wobei der erforderliche Grad durch den auszufüllenden Zwischenraum bestimmt wird.
Viele unterschiedliche Zusammensetzungen von Teilchenmaterialien können benutzt werden. Metallpulver sind, wie erwähnt, zu vermeiden, weil die Gefahr einer Legierungsbildung mit dem Werkstück besteht: sie sind aber für unkritische Anwendungsfälle völlig geeignet. Keramikteilchen, wie Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid und Siliciumdioxid, haben sich im Vergleich zu Metallen als besonders geeignet erwiesen. Glasteilchen haben sich ebenfalls als besonders nütztlich herausgestellt. Die besondere Eigenschaft und die Grösse wird gemäss der kommerziellen Verfügbarkeit, gemäss den Forderungen einer ausreichenden Viskosität der flüssigen Aufschlämmung, die zum Bilden der Unterlage benutzt wird, und gemäss dem Teilchenmaterial gewählt. Runde und unregelmässige Kornformen sind ohne besondere Unterscheidung verwendbar.
Teilchen, die kleiner als 175 m sind, sind meistens verwendet worden, während einige feine Teilchen mit einer mittleren Teilchengrösse bis zu 5 llm ebenfalls verwendbar sind. Es ist selbstverständlich bekannt, dass der Gewichtsprozentsatz an Teilchenmaterial, das mit einem Bindemittel in ein dichtes Gefüge eingeschlossen werden kann, von der Teilchengrössenverteilung abhängig ist. Die Erfinder haben diesen Aspekt aber nicht besonders ausgewertet.
Die Erfindung ist zwar in den Zeichnungen als zum Bohren eines Loches verwendbar dargestellt, dessen Längsachse zu den Werkstückoberflächen normal ist, es ist jedoch kar, dass ein oder mehrere Löcher, deren Längsachsen gegen die Werkstückoberflächen geneigt sind, ebenfalls hergestellt werden können. Solche Löcher müssen selbstverständlich durch eine grössere wirksame Dicke an Material hindurchgehen. Darüber hinaus erzeugt der spitze Winkel, der durch das Loch und die Austrittsfläche, die sich schneiden, gebildet wird, einen ungewöhnlich Umstand, der das Herstellen solcher Löcher offenbar schwieriger macht.
Bis heute haben sich die Unterlagsmaterialien nach der Erfindung, insbesondere diejenigen, die Keramikteilchen enthalten, welche mit einander und mit der Werkstückoberfläche durch ein Bindemittel, wie Natriumsilicat oder WINF verbunden sind, als zum Bohren von solchen geneigten Löchern mit im wesentlichen gleichmässiger Symmetrie durch eine Wand eines Werkstückes aus einer Legierung auf Nickel- oder Kobaltbasis, wobei die Lochtiefe grösser als 2,54 mm ist, geeignet erwiesen.
Beispiele
Die Bindemittel- und Teilchenkombinationen, die oben erwähnt sind und viele gleichartige mehr, sind ausgewertet worden. Zur weiteren Beschreibung der Anwendung der Erfindung dienen die folgende Beispiele.
Eine Stiegerwald-Elektronenstrahllochbohrmaschine, Modell G-10P-K6, wird mit einer Beschleunigungsspannung von 120 kV, einem Strahlstrom von 50 mA und einer Einzelimpulsdauer von 1 ms benutzt, um ein Loch mit einem Durchmesser von 0,64 mm in ein 0,56 mm dickes Blech aus der Nickelknetlegierung AMS 5544 Waspaloy zu bohren.
In einem Beispiel ist ein ebenes Blech mit einer Grösse von etwa 122 cm x 7,6 cm zu bohren. Vor dem Anbringen zum Bohren werden 100 Gewichtsteile Cerita 1003-Wachs auf etwa 60 CC erhitzt und 110 Gewichtsteile Natron-Kalk Glasteilchen mit einer Nenngrösse unter 175 llm werden eingerührt, während die Viskosität über die Temperatur gesteuert wird, damit sich eine gleichmässige Suspension ergibt. Das Gemisch wird abgekühlt, um einen Block zu bilden, der anschliessend durch ein 35 CC aufweisendes rechtekkiges Werkzeug in Raumluft extrudiert wird, um eine Unterlagsplatte mit einer Dicke von 1,57 mm und einer nominellen Länge herzustellen, die gleich der des zu bohrenden Metallbleches ist.
Die Unterlage wird fest um eine Aluminiumtrommelbohrvorrichtung herumgewickelt, und das Metallblech wird dann auf die Unterlage gewickelt und fest angezogen, damit sich ein inniger Kontakt ergibt. Die Anordnung wird in die Lochbohrmaschine eingebracht und die gewünschte Anzahl Löcher wird gebohrt. Nach der Entnahme aus der Maschine werden die Spannvorrichtungen gelöst und das Blech wird von der Trommel abgenommen. Gewöhnlich haftet das Unterlagsmaterial leicht an dem Blech und wird durch Abschälen entfernt; es kann stattdessen auch mit einem Werkzeug abgekratzt werden. Das Unterlagsmaterial wird dann zur weiteren Extrusion und Wiederverwendung zu einem Block umgeschmolzen.
In einem weiteren Beispiel hat das zu bohrende Metall die Form eines an einem Ende geschlossenen Rohres. Ein thermoplastisches Polymer, WINF, mit einer Temperatur von 121 bis 135 CC wird mit einer Menge an Natron-Kalk Glas, das eine Teilchengrösse unter 175 um hat, in einem Verhältnis gemischt, das 60 Gew.-% Glas ergibt. Das Pulver wird in das flüssige WINF eingeführt und das sich ergebende Gemisch wird unter Druck in das Rohr eingespritzt, das auf 149 CC erhitzt worden ist. Abschliessend kann ein Vakuum benutzt werden, um das Entfernen von eingeschlossener Luft zu gewährleisten.
Dem Unterlagsmaterial wird gestattet, in Luft abzukühlen, damit wenigstens seine Oberfläche erstarrt, und das Rohr wird dann in kaltes Wasser getaucht, um das Abkühlen zu beschleunigen; Nach dem Bohren wird das Rohr in Luft auf 149 0C erhitzt, damit das Unterlagsmaterial von dem Rohr herunter in einen Sammler fliesst, um wiederbenutzt zu werden. Ein Unterlagsmaterialrest, der in dem Rohr verbleibt, wird mittels eines Dampfentfetters, der Perchloräthylen enthält, unterstützt durch Spülen in flüssiger Phase, entfernt.
Ein weiteres, spezifischeres Beispiel ist das Bohren eines hohlen Gasturbinenflügelprofilteils. Der Innenhohlraum ist mit einem Unterlagsmaterial 18 (vgl. Fig. 2) gefüllt, das ein anorganisches, nichtmetallisches Teilchenmaterial enthält, welches mit einem Polymer gebunden ist, beispielsweise die weiter oben erwähnte Kombination aus Glas und Wachs. Soweit der Innenraum gefüllt ist, ist das Unterlagsmaterial mit der Innenhohlraumoberfläche 20 in innigem Kontakt. Es kann somit ein Loch 21 an irgendeinem Punkt des Flügelprofilteils durch einen auf die Aussenoberfläche 24 auftreffenden Strahl 22 gebohrt werden.
Wenn der Strahl durch das Flügelprofilteil hindurchdringt und in die Unterlage eindringt, wird von dem Bindemittel ein Dampfdruck erzeugt, durch den schmelzflüssiges Flügelprofilteilmaterial aus der Locheintrittsfläche an der Flügelprofilaussenseite ausgestossen wird. Überschussenergie wird durch das den Hohlraum füllende Unterlagsmaterial absorbiert und der Strahl wird dadurch daran gehindert, auf die gegenüberliegende Wand 26 des Flügelprofilteils aufzutreffen und diese zu beschädigen. In gleicher Weise können mehrere Löcher in ein hohles Flügelprofilteil gebohrt werden, um ein bekanntes schwitzgekühltes Gasturbinenteil herzustellen.
In noch einem weiteren Beispiel wird ein Nickelsuperlegierungsgussstück gebohrt, indem Bohrparameter benutzt werden, die den für das Blech benutzten analog sind, wobei irgendeine Dickendifferenz berücksichtigt wird.
Vor dem Bohren wird ein Unterlagsmaterial mit einem Polyvinylalkoholbindemittel in situ hergestellt. Ein Pulver von etwas hydrolysiertem Polyvinylalkohol von kommerzieller Qualität wird mit 9 Teilen kaltem Wasser vermischt. Das Gemisch wird auf etwa 88 CC erhitzt, um das Pulver vollständig aufzulösen. Diesem wird Natron-Kalk Glas mit einer Teilchengrösse von 150-175 um in einer Menge zugesetzt, die ausreicht, um das Gewicht der Teilchen in der Aufschlämmung auf 70% zu bringen. Die sich ergebende Aufschlämmung wird dann auf die Austrittsseite des Werkstückes mittels Kelle bis zu einer Dicke von etwa 5,1 mm aufgebracht und an Luft trocknen gelassen.
In noch einem weiteren Beispiel hat das Unterlagsmaterial ein Natriumsilicatbindemittel, dem eine Menge an Natron-Kalk-Glaspulver mit einer Teilchengrösse unter 175 um zugesetzt wird, um eine Aufschlämmung zu bilden, in der das Pulvergewicht etwa 60% ausmacht. Die Aufschlämmung wird dann um das Werkstück gegossen und an Luft trocknen gelassen.
Nach dem Bohren wird in beiden Fällen das Werkstück in 88 'C heisses Wasser eingebracht, das Bindemittel löst sich auf, das Teilchenmaterial fällt frei herunter und das Unter lagsmaterial wird entfernt.
Für den Fachmann ist ausserdem zu erkennen, dass die Unterlagsmaterialien nach der Erfindung auch bei anderen maschinellen Bearbeitungsprozessen benutzt werden können, bei denen ein Energiestrahl zur Materialabtragung durch das Werkstück hindurch benutzt werden kann, beispielsweise das Laser- oder Ionenbohren. Er wird weiter erkennen, dass die hier beschriebene Erfindung beim Bohren von anderen Materialien als Metallen, die zum Veranschaulichen der bevorzugten Ausführungsform benutzt worden sind, verwendbar ist. Ebenso wird er erkennen, dass unter speziellen Umständen Material der Unterlagsmasse auf die Eintrittsfläche des Werkstückes aufgebracht werden kann, um das Haften von Spritzern und anderen Graten zu vermeiden, und zwar in der in der US-PS 4 156 807 beschriebenen Weise.
Im Rahmen der Erfindung sind weitere Änderungen, Zusätze und Fortlassungen bei den bevorzugten Ausführungsformen möglich.
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PATENT CLAIMS
1. Method for drilling a hole with an energy beam (8a) through a workpiece (2) which has an entry surface (4) to which the beam propagates and through which it first penetrates, and an exit surface (6) which the beam last penetrates, in which the exit surface (6) of the workpiece (2) is brought into intimate contact with a base (10) which contains particles (l0a) connected to one another by a binder (1 Ob), the particles and the Binder have properties which prevent the formation of reaction products which are disadvantageous for the workpiece during hole drilling, an energy beam (8a) is directed onto a part of the entry surface (4) with an intensity which is sufficient to produce a hole in the workpiece,
penetrate the exit surface and produce gaseous products within the pad sufficient to expel molten workpiece material from the hole in the entry surface in a direction opposite to the beam propagation direction; and then the underlay (10) is removed, characterized in that the underlay is one that can be removed, at least in part, as a liquid after drilling, and that the removal of the underlay occurs by being carried out by a Measure that does not adversely affect the workpiece is converted into at least a partially fluid state.
2nd A method according to claim 1, characterized in that the base is meltable and that the measure to remove it consists in heating.
3rd A method according to claim 1, characterized in that the base is removed from the workpiece surface by leaching as a liquid.
4th A method according to claim 1, characterized in that the particles are inorganic, non-metallic particles and that the binder is a polymer which is liquefiable at a temperature of less than 150 0C.
5. Method according to one of claims 1 to 4, wherein the workpiece consists of a first element, through which the hole is to be drilled, and a second element, which is arranged at a distance from the exit surface of the first element, characterized in that the intermediate space between the elements is at least partially filled with a backing material such that it is brought into intimate contact with the exit surface and that the backing material is one that is at least in a partially fluid state when inserted between the elements while it is solid is when the hole is drilled.
6. Method according to one of claims 1 to 4, wherein the workpiece is a hollow gas turbine blade profile part object, characterized in that the inner cavity of the gas turbine blade profile part object is filled with the base material, whereby an impact of the jet on the wall opposite the wall to be drilled through absorption of the Excess energy in the pad is prevented.
7. Underlay material for carrying out the method according to one of claims 1 to 6, characterized by: particles (10a) which have a heat-absorbing effect upon the impact of an energy beam (8a) and thereby evaporate, and a binder (1 Ob) which is mixed with the particles and surrounds them intimately so that they adhere to one another, the binder evaporating under the action of the jet and this base material being at least partly convertible into a liquid.
8th. Base material according to claim 7, characterized in that the particles (10a) consist of non-metallic powder, such as ceramic or glass, and are present in such an amount that a base (10) containing the base material is not penetrated by the beam (8a) and the support withstands the gas pressures generated therein by the jet as the particles evaporate (los).
9. Backing material according to claim 7, characterized in that the binder (1 Ob) is one which can be converted into a melt by the application of heat.
10th Base material according to claim 7, characterized in that the binder (1 Ob) is one which can be converted into a liquid by leaching.
11. Backing material according to claim 9 or 10, characterized in that the binder (1 Ob) is a polymer.
12. Underlay material according to one of claims 7 to 11, characterized in that the particles 50-90 wt. Make up% of the document material.
The invention relates to drilling holes through a workpiece by means of energy beams.
The use of electron beam energy to drill one or more holes in a metallic or non-metallic workpiece has only recently been investigated. Experimental electron beam drilling tests have found that in order to create a hole that is symmetrical along its length in the workpiece, the electron beam must have some excess energy, i. H. more energy than is simply required to penetrate the workpiece.
If this excess beam energy is not provided, a hole with an asymmetrical cross section or conical shape or both will be created. As a result of the requirement for excess electron beam energy, a material or a so-called backer is required on the surface of the workpiece facing away from the beam, i. H. on the surface that is last penetrated by the beam as it passes through the workpiece. This surface is referred to below as the exit surface.
The purpose of the backing material is to absorb or dissipate the excess electron beam energy as the beam penetrates the exit surface and to generate sufficient gas pressure through the local action of the beam to expel the molten workpiece material from the hole being drilled. The molten material is typically ejected in the direction opposite to the propagation of the jet, i. H. in the direction opposite to the entrance of the hole in the first penetrated surface or entry surface of the workpiece. If the discharge is insufficient, a ridge is formed around the entrance of the hole. This is often coupled with a remelted layer or part of molten and solidified metal within the hole.
Metal bases, such as brass or zinc, have been used in the development of electron beam drilling. These can be used if they have a higher vapor pressure than the workpiece, which is the case with steel. Metallic pads have also been used in connection with volatilizing films that provide the gaseous medium for driving the molten metal out of the drilled hole in the workpiece, as described in U.S. Patent No. 3,649,806. Many workpieces that are used for high-performance purposes ever exist
but from materials that are sensitive to contamination. Here the use of metallic bases will disadvantageously degrade the material properties due to the formation of alloys in the area of the hole. This happens, for example, when zinc pads are used in conjunction with heat-resistant and fatigue-resistant nickel alloys. The holes prematurely fail due to contamination. Other underlay materials can also cause deterioration by deteriorating properties or by causing corrosion in operation.
Combinations of metal powders and various organic matrices have also been used.
The use of backings containing metal powder has the potential contaminant disadvantage mentioned above for metallic films. In addition, a particulate residue that remains inside a hollow drilled component can react with the component when heated while in operation with an adverse result. In the case of metal powders, the organic binders used hitherto generally include materials such as silicone rubber and epoxy resins. These are only eliminated by mechanical measures or by incineration, since they are not readily soluble in commercial solvents that do not attack the workpiece.
Preformed metal and ceramic cell structures containing volatile materials have also been used, as described in the aforementioned U.S. Patent 3,649,806. However, these have the disadvantage, just as metallic plates have to a lesser degree, that they cannot be made to closely conform to irregular surfaces and are generally not suitable for being inserted or removed from intricately shaped interior cavities to be able to remove them. If close contact with the workpiece is not maintained, the pads will function poorly and an undesirable burr may continue to be formed in the exit surface.
As mentioned, underlays are used to improve the dimensional accuracy of the hole being drilled. So far, however, there is little more than a general knowledge of the specific correlation between the physical properties of the underlay material and the properties of the drilled hole. Therefore, the person skilled in the art cannot derive any information from the prior art regarding the selection of a base material to overcome problems with the special hole configurations or workpiece materials. For example, vertical holes can be drilled in certain nickel-based alloys using known backing materials or structures. However, when using the same materials, irregular and undesirable shapes occur when drilling oblique holes in other cast superalloys based on nickel.
Furthermore, for example, the energy to be absorbed and the effects to be taken into account by the support are considerably larger for deeper holes than for flat holes. As a result, some documents work well in the second case, but poorly in the first case.
The aim of the invention is to provide an improved method for drilling a hole with an energy beam through a workpiece, and a backing material for carrying out the method. In the method according to the invention for drilling a hole with an energy beam, through a workpiece which has an entry surface to which the beam propagates and through which it first penetrates, and an exit surface which the beam last penetrates.
the exit surface of the workpiece is first brought into intimate contact with a base containing particles bonded together by a binder, the particles and the binder having properties which prevent the formation of reaction products which are disadvantageous for the workpiece during the drilling, an energy beam a portion of the entry surface directed with an intensity sufficient to create a hole in the workpiece, penetrate the exit surface and generate gaseous products within the pad sufficient to move molten workpiece material from the hole into the entry surface in one of the Ejecting beam propagation directions in the opposite direction and then removing the pad, the pad being one
which can be at least partially removed as a liquid after drilling and when the base is removed the same is converted into at least a partially liquid state by a measure which does not adversely affect the workpiece.
Further embodiments of the method are characterized in the dependent claims.
According to the invention, the backing material for carrying out the above-mentioned method comprises particles which have a heat-absorbing effect on the impact of an energy beam and thereby evaporate, and a binder which is mixed with the particles and surrounds them intimately so that they adhere to one another, the binder being below Exposure to the beam evaporates and this base material is at least partially convertible into a liquid.
Further advantageous embodiments of the backing material are described in the dependent claims.
The invention provides the following properties that are required by a mass-produced backing material: a) low in price; b) easy to apply to complex fittings; c) maintaining intimate contact with the workpiece surface; d) easy removal from the workpiece after drilling; e) simply absorbing or removing the excess radiation energy; 1) ejecting molten workpiece material from the hole being drilled; g) creating a metallurgically acceptable remelt structure in the hole; h) no adverse effects on the lifespan of an electron gun; i) minimizing the burr on the perimeter of the hole in the last penetrated area; and j) harmlessness for metallurgical and other properties and for the structure of the workpiece.
The invention will now be described, for example, with reference to the accompanying drawings. It shows:
Fig. 1 schematically shows an arrangement for carrying out the method according to the invention on a workpiece wall on which the underlayer is attached,
Fig. 2 in cross section the drilling of a hollow Gasturbi nenflügelprofilteil, the cavity is filled with a backing material.
Fig. 1 schematically shows a typical arrangement for carrying out the drilling method according to the invention. Shown is a workpiece wall 2 to be drilled through with an entry surface 4 and an exit surface 6, the entry surface facing the electron beam generator 8, which generates an electron beam 8a and directs it onto the entry surface. Shown as a layer on the exit surface is the pad 10 for absorbing the excess energy from the jet as it penetrates the surface and for generating sufficient gas pressure under the local area of impact of the jet to remove molten workpiece material 14 from the entrance of the hole 12 in eject the surface 4 in a direction opposite to the beam propagation direction.
According to the invention, the base comprises particles 10a which are connected to one another and to the surface 6 by a binder 10b. Many types of particles or particulate material are suitable for use in the backing. Typical examples include, but are not limited to, metal alloys, fine glass beads, glass frits, quartz glass particles and aluminum oxide, calcium oxide, magnesium oxide, silicon dioxide and zirconium dioxide powders. The amount of particles can be varied in order to achieve the special purposes in connection with the type of binder used and the depth of the hole to be drilled, which is explained in more detail below.
In the method according to the invention, the particles have the task of absorbing a large part of the excess electron beam energy when the electron beam penetrates the exit surface 6.
Organic binders
The binder used in the underlayer will depend to some extent on the depth of the hole to be drilled. For shallow holes, i.e. H.
for holes less than 2.54 mm deep, a thermoplastic polymer binder is preferred. Various types of thermoplastic polymers can be used in the backing layer, and include, without limitation, elastomers, resins and waxes, and natural and synthetic polymers. Preferred thermoplastic polymer binders are polyvinyl chloride, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol and wax. Curable polymers, although not preferred, can be used in the backing in some cases.
The softening and melting temperatures of the polymer used must be sufficiently high that, during drilling, the excess energy which is absorbed by the binder generally does not soften or not excessively soften or melt it to a great extent, and thereby a loss of adhesion or detachment of the Underlay layer caused.
Of course, the part of the support that is hit locally by the electron beam is melted and vaporized. After drilling of the hole is completed, the underlayer is removed from the surface 6 of the workpiece. For this purpose, the polymer binder must offer the possibility that the backing layer can be removed, for example by heating, dissolving, peeling and the like.
Particularly preferred polymer binders for use in the production of a flexible underlayer are a flexible, legally protected wax which is known as Cerita 1003 Dipping Wax and is available from Fa. Argueso Corporation, Mamaroneck, New York, and a plasticized polyvinyl chloride polymer. On the other hand, a semi-rigid backing layer may preferably be formed from a thermoplastic resin known as WINF, also from the company Argueso Corporation is manufactured.
Regarding the importance of the softening or melting temperature when selecting the binder, the inventors have found that when drilling holes with high hole densities, the WINF resin is preferred over the Cerita 1003 wax, since the latter generally softens and melts accumulated heat is exposed during repeated drilling.
A convenient method of making the polymer-bonded backing on the exit surface is to mix the particles with the polymer in the liquid state and then apply the mixture to the surface in the form of a slurry using a trowel, brushing, spraying, spraying, or the like, and then harden to a solid underlayer.
After this has been done, the binder will be in intimate contact with and adhere to a clean workpiece surface. (Of course, the adhesive strength can be prevented by an atypically dirty workpiece or by the presence of a non-receptive film on the workpiece. )
The most preferred embodiment in the in-situ formation of underlay, which is specified here, comprises adhering the underlay to the workpiece, but it is not necessary within the scope of the invention for this adhesion to be achieved.
The inventors have found that it is necessary to achieve a good degree of gas pressure sealing between the pad and the workpiece so that the vaporized or gasified pad components are forced through the drilled hole, rather than through a permeable pad or in a space between them Workpiece and the base to be released. According to an explanation given below, this can be achieved by using a separately manufactured base with sufficient flexibility to adapt to irregularities on the workpiece surface in connection with a device for compressing the workpiece and the base.
As a further option, a separately manufactured underlay can be connected to a workpiece by using an adhesive film which is similar in type to the binder.
The necessary thickness of the base will change with the binder and the particle material, the thickness of the workpiece to be drilled and the beam characteristics.
The inventors have found that thicknesses between 1.52 and 6.35 mm are satisfactory, the larger thicknesses being associated with smaller percentages of particulate material, thicker workpieces and higher radiance.
Flexible binders are particularly important when flexible workpieces in the form of tapes, foils and the like. for drilling onto a device in the form of a cylindrical drum. In this case, a block of the flexible binder is extruded together with particles dispersed therein in sheet form. The flexible base plate is then applied to the exit surface of a flexible, flat, metallic workpiece band and both are then subsequently wound around a drum device, the free surface of the base plate being in contact with the drum. The assembly is then placed in an electron beam drilling machine and drilled. After the holes have been drilled, the backing layer used is expediently peeled off, stripped or detached from the metallic workpiece.
Then, according to the advantage created by the invention, the underlay material can easily be processed into additional underlay material for further same use.
A preferred method of removing the pad is to at least partially transfer the pad to a liquid state. The term liquid as used herein refers to a condition in which the backing behaves essentially like a liquid, but it is clear that neither the particulate material nor any binder need be liquid for the purposes of the invention. If the support is converted into a form in which it behaves like a liquid, it can be removed freely from the workpiece by the action of gravity or by other measures which cause it to flow.
In the case of the aforementioned polymer underlay materials, it has been shown that the heating of the WINF or Cerita 1003 material is sufficient in the range of 79-149 ° C. to allow these underlay materials to flow down freely from the workpiece. Removal is easily accomplished by immersion in hot water, from which the immiscible molten polymers and the particle material contained therein can be easily recovered by skimming or cooling and solidification. Further measures for removal by means of heating by convection, conduction and radiation are available. Examples are heating in the oven and microwave radiation.
Instead, a solvent can be used to dissolve the binder. The particulate material of the support is suspended or settles in the solution. The removal of the dissolved, for example by distillation, gives the backing material its original shape. Examples include the dissolution of polyvinyl alcohol in water or a wax based on paraffin in trichlorethylene. a steam degreasing process is useful in the latter example. In addition, underlay materials can be broken down into the liquid state by the action of an acid or an alkali. All of these dissolution processes can be characterized as leaching.
Inorganic binders
For drilling deep holes, for example with a depth of more than 2.54 mm, in particular in wrought nickel alloys, the base preferably contains an inorganic binder with or without an evaporable liquid thinner. The inorganic binders have the same function as the above-mentioned organic agents, i.e. H. both bond the particles together to form the pad and, if formed in situ, the pad to the workpiece exit surface. It is not necessary to bake the backing layers containing the inorganic binder at very high temperatures in order to achieve a useful backing or its adhesion to the workpiece if suitable binders are used, such as sodium silicate, aluminate or phosphate and the like
These are mixed with particulate matter, typically a water thinner. The aforementioned sodium silicate is typical of an inorganic polymer. Other compounds soluble in a solvent are available to the person skilled in the art. It is, of course, required that the inorganic binder not react adversely with the particulate material during mixing or with the workpiece during hole drilling.
The binder should also allow the base to be removed by liquefaction. Underlays containing inorganic binders are applied in the same way as described for the underlays with polymer binders.
The binder is added in amounts necessary to achieve an intimate connection of the particles with one another and with the workpiece surface. For example, in a mixture of a liquid binder in the form of sodium silicate and ceramic particles, such as aluminum oxide or zirconium dioxide, the sodium silical with a proportion of about 25 to 40 wt. -% of the slurry as it is mixed is present. Sodium silical is a preferred binder because an underlayer containing this binder can easily be removed from the last penetrated surface after drilling by dissolving it in hot water.
Backing layers that use other binders, such as colloidal silica, can be easily removed by dissolving them in suitable acids or alkalis, which will of course be materials that have a pH that is significantly different from 7, and that must be chosen so that they have no adverse effect on the workpiece.
All of the above resolutions can be characterized as leaching.
The liquid diluent that can be used in making the slurry or slurry can be any compatible diluent, including water or organic liquids or mixtures thereof.
The main requirement for the volatile diluent is that it be sufficiently safe to use, cheap and liquid at ordinary temperatures to serve as a dispersant for the particulate material so that the slurry can be applied as a suitable coating on the workpiece surface and that it at the same time is sufficiently volatile to evaporate when exposed to drying in the atmosphere or in the oven. Of course, the type or amount of liquid diluent used to make the slurry or slurry can be adjusted to it is adapted to the special application technique, for example by brushing, using a trowel, by spraying, dipping or other suitable measures, in order to distribute the slurry layer on the exit surface.
In the case of a hollow part or a part that has an inaccessible exit surface, the underlay material can be cast, stamped, injection molded or the like be applied. Other methods of applying the slurry to the workpiece surface are readily available to those skilled in the art. In addition, the documents can be prepared separately, as described above.
The backing, as mentioned above, can be made separately or applied to the exit surface as a solid film, such as an extruded film, or as a liquid or slurry coating which is then solidified in situ. The thickness of the backing will of course change with the depth of the hole being made and with the energy of the incident electron beam. For holes less than 2.54 mm deep, a thickness in the range of about 1.52 to 3.18 mm has been found to be satisfactory. Thicknesses of the order of 1.52 to 6.35 mm are used for deeper holes.
Of course, the thickness required will depend on the type and amount of particulate material used, the type of binder used, and the beam energy required to create a particular hole in a particular workpiece.
The amount of particulate material can be changed to achieve the desired energy absorption and evaporation capacity. In the case of an inorganic binder, the sodium silicate, a particle material such as aluminum oxide, zirconium dioxide or glass can be present in amounts of about 60 to 75% by weight. % present in the slurry as it was mixed.
Particle materials
The backing layers according to the invention find particular use in drilling one or more holes in hollow parts or multi-walled parts, in which the beam, after having penetrated one wall, can continue and undesirably strike the other opposite wall. In such cases, the pad will be able to resist penetration, the degree required being determined by the space to be filled.
Many different compositions of particulate materials can be used. As mentioned, metal powders should be avoided because there is a risk of alloying with the workpiece: however, they are completely suitable for non-critical applications. Ceramic particles, such as aluminum oxide, zirconium dioxide and silicon dioxide, have proven to be particularly suitable compared to metals. Glass particles have also been found to be particularly useful. The particular property and size is selected based on commercial availability, the requirements for sufficient viscosity of the liquid slurry used to form the backing, and the particle material. Round and irregular grain shapes can be used without special distinction.
Particles smaller than 175 m have mostly been used, while some fine particles with an average particle size up to 5 llm can also be used. It is of course known that the weight percentage of particle material which can be enclosed in a dense structure with a binder depends on the particle size distribution. However, the inventors did not particularly evaluate this aspect.
While the invention is shown in the drawings as being usable for drilling a hole the longitudinal axis of which is normal to the workpiece surfaces, it is clear that one or more holes whose longitudinal axes are inclined against the workpiece surfaces can also be made. Such holes must of course pass through a larger effective thickness of material. In addition, the acute angle formed by the hole and the exit surface that intersect creates an unusual circumstance that apparently makes such holes more difficult.
To date, the backing materials of the invention, particularly those containing ceramic particles which are bonded to each other and to the workpiece surface by a binder such as sodium silicate or WINF, have been used to drill such inclined holes with a substantially uniform symmetry through a wall a workpiece made of an alloy based on nickel or cobalt, the depth of the hole being greater than 2.54 mm, has been found to be suitable.
Examples
The binder and particle combinations mentioned above and many more of the same type have been evaluated. The following examples serve to further describe the application of the invention.
A Stiegerwald electron beam hole drilling machine, model G-10P-K6, is used with an acceleration voltage of 120 kV, a beam current of 50 mA and a single pulse duration of 1 ms to make a hole with a diameter of 0.64 mm in a 0.56 mm to drill thick sheet of wrought nickel alloy AMS 5544 Waspaloy.
In one example, a flat sheet of approximately 122 cm x 7.6 cm is to be drilled. Before drilling, 100 parts by weight of Cerita 1003 wax are heated to about 60 CC and 110 parts by weight of soda-lime glass particles with a nominal size of less than 175 llm are stirred in, while the viscosity is controlled by temperature, so that a uniform suspension results. The mixture is cooled to form a block, which is then extruded in ambient air through a 35 CC rectangular die to produce a base plate 1.57 mm thick and nominally the same length as the metal sheet to be drilled .
The pad is tightly wrapped around an aluminum drum borer, and the metal sheet is then wrapped and tightened on the pad to provide intimate contact. The assembly is placed in the hole drilling machine and the desired number of holes are drilled. After removal from the machine, the clamping devices are released and the sheet is removed from the drum. Usually the backing material sticks easily to the sheet and is removed by peeling; it can also be scraped off with a tool instead. The backing material is then remelted into a block for further extrusion and reuse.
In another example, the metal to be drilled is in the form of a tube closed at one end. A thermoplastic polymer, WINF, with a temperature of 121 to 135 CC is mixed with an amount of soda-lime glass, which has a particle size below 175 microns, in a ratio that 60 wt. -% glass results. The powder is introduced into the liquid WINF and the resulting mixture is injected under pressure into the tube which has been heated to 149 CC. Finally, a vacuum can be used to ensure the removal of trapped air.
The backing material is allowed to cool in air to at least solidify its surface and the tube is then immersed in cold water to accelerate the cooling; After drilling, the tube is heated to 149 ° C in air so that the backing material flows from the tube down into a collector for reuse. A backing material residue remaining in the tube is removed by means of a steam degreaser containing perchlorethylene, assisted by rinsing in the liquid phase.
Another more specific example is drilling a hollow gas turbine airfoil section. The inner cavity is covered with a backing material 18 (cf. Fig. 2) filled, which contains an inorganic, non-metallic particle material which is bound with a polymer, for example the combination of glass and wax mentioned above. As far as the interior is filled, the underlay material is in intimate contact with the interior cavity surface 20. A hole 21 can thus be drilled at any point on the wing profile part by a beam 22 striking the outer surface 24.
When the jet penetrates through the wing profile part and penetrates into the base, a vapor pressure is generated by the binder, by means of which molten wing profile part material is expelled from the hole entry surface on the outside of the wing profile. Excess energy is absorbed by the underlay material filling the cavity and the beam is thereby prevented from hitting the opposite wall 26 of the wing profile part and damaging it. In the same way, several holes can be drilled in a hollow airfoil part to produce a known sweat-cooled gas turbine part.
In yet another example, a nickel super alloy casting is drilled using drilling parameters that are analogous to those used for the sheet, taking into account any thickness difference.
Before drilling, a backing material is made in situ with a polyvinyl alcohol binder. A powder of some hydrolyzed commercial grade polyvinyl alcohol is mixed with 9 parts of cold water. The mixture is heated to about 88 CC to completely dissolve the powder. Soda-lime glass with a particle size of 150-175 µm is added to this in an amount sufficient to bring the weight of the particles in the slurry to 70%. The resulting slurry is then applied to the exit side of the workpiece using a trowel to a thickness of about 5.1 mm and allowed to air dry.
In yet another example, the backing material has a sodium silicate binder to which an amount of soda-lime glass powder with a particle size below 175 µm is added to form a slurry in which the powder weight is about 60%. The slurry is then poured around the workpiece and allowed to air dry.
After drilling, the workpiece is placed in 88 ° C hot water in both cases, the binder dissolves, the particle material falls freely and the underlay material is removed.
It will also be apparent to those skilled in the art that the backing materials according to the invention can also be used in other machining processes in which an energy beam can be used to remove material through the workpiece, for example laser or ion drilling. He will further recognize that the invention described herein is useful in drilling materials other than metals that have been used to illustrate the preferred embodiment. He will also recognize that under special circumstances material of the underlay can be applied to the entry surface of the workpiece in order to avoid the adhesion of splashes and other burrs, in the manner described in US Pat. No. 4,156,807.
Further changes, additions and omissions in the preferred embodiments are possible within the scope of the invention.