CN101980820B - 用于通过在铣削精加工步骤之后去除的临时保持叶片的环制造整体式叶片盘的改进方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造整体式叶片盘的方法，包括：-使用磨料水射流来切割材料块(100)的步骤，以产生从圆盘径向延伸的叶片预型件，同时保留在至少两个直接连续的叶片预型件之间形成连接装置(112)的材料；然后-叶片预型件的铣削步骤，以获得定型的叶片毛坯(202)；然后-通过铣削叶片毛坯(202)而进行的精加工步骤，以获得具有最终轮廓的叶片(2)；然后-去除所述连接装置(112)的步骤。

Description

用于通过在铣削精加工步骤之后去除的临时保持叶片的环制造整体式叶片盘的改进方法
技术领域
本发明通常涉及优选地用于飞行器涡轮发动机的整体式叶片盘的制造领域。
背景技术
为制造整体式叶片盘(也称“DAM”或“整体叶盘”)，可使用通过磨料水射流(jet d’eau abrasif)切割材料块的步骤，之后进行一个或多个铣削步骤。
相对于仅进行铣削的方法，铣削前使用通过磨料水射流切割的步骤允许大幅减少制造时间和成本。这一点可特别根据该制造方法要求约移除75％的初始块材料以获得DAM这一事实解释。通过磨料射流切割移除大部分材料允许减少制造时间，且减少了铣床的磨损。
然而，不认为该方法是完全优化的。实际上，一缺点在于在该制造方法过程中存在叶片变形和振动，且叶片越长，该缺点越大。为限制对所制造DAM质量的影响，该变形和振动要求降低前进速度不同类型加工，这不利于制造时间。振动及制造时间延长也造成工具高度磨损，对制造成本不利。
发明内容
因此，本发明的目的是至少部分地消除与现有技术的实施方式相关的上述缺点。
为此，本发明的目的是提供一种用于制造整体式叶片盘的方法，包括：
-使用磨料水射流来切割材料块的步骤，执行该步骤以产生从圆盘径向延伸的叶片预型件，同时保留在至少两个直接连续的叶片预型件之间形成连接装置的材料，所述连接装置与所述圆盘径向隔开；然后
-叶片预型件的铣削步骤，以获得定型的叶片毛坯；然后
-通过铣削叶片毛坯而进行的精加工步骤，以获得具有最终轮廓的叶片；然后
-去除所述连接装置的步骤。
因此，本发明的值得注意之处在于，在通过磨料水射流切割的步骤中，在至少两个叶片预型件间且优选地在所有叶片预型件间形成连接装置。这大幅限制了或者甚至消除了在制造期间叶片的变形和振动，这是因为叶片仍然是通过初始块材料保持相互机械连接。
有利地，该特征允许对不同类型加工施加高前进速度，减少制造时间，且不影响制造的DAM的质量。另外，制造时间的减少及制造过程中叶片振动的减少使得工具的磨损程度(尤其是铣床的磨损)降低，这有利地限制了制造成本。
优选地，执行通过磨料水射流进行切割的步骤，使得所述连接装置优选地将直接连续的多个叶片预型件彼此连接，所述多个叶片预型件的数量严格地大于3。但也可考虑具有相互连接的直接连续的预型件的多个组，但各组间不相互连接。尽管如此，根据所遇到的要求，通过连接装置相互保持的叶片预型件的数量和预型件上的连接装置的布置是适当的。
根据优选实施例，执行通过磨料水射流进行切割的步骤，使得所述连接装置基本形成环，该环优选地定中心于圆盘的轴线处。该环优选地延展360°，仅由其连接的叶片预型件中断。但如上所述，该环可不完全闭合，即不连接特定的直接连续预型件。
然而，执行通过磨料水射流进行切割的步骤，使得所述环将所有叶片预型件彼此连接，且其后每个叶片预型件构成DAM的叶片。在此情况下，优选地，执行通过磨料水射流进行切割的步骤，使得所述环将叶片预型件的叶尖彼此连接。之后环形成切块的外周环状部分，叶片预型件朝圆盘方向从该环径向向内延伸。
然而，一可替换的解决方案可包括执行通过磨料水射流进行切割的步骤，使得所述环在距叶片预型件的叶尖径向向内的一定距离处将所述叶片预型件彼此连接。在此情况下，例如，可认为该环大致在预型件长度中点处将预型件彼此连接。
确定地，可结合上述两种解决方案，即同时设置外周保持环及相对外周环径向向内定位的内保持环。更一般地，在不超出本发明的范围的情况下，当设置外周保持环时，在叶片预型件之间可设置附加连接装置，不必为环形。
因此，保留制造连接装置的材料，直到铣削精加工步骤结束为止，并且然后去除此材料。
当然，在根据本发明的方法中可执行其它传统的步骤，例如：
-在通过磨料水射流进行切割的步骤之前，车削材料块；
-在精加工步骤之后，抛光和/或喷砂处理叶片；
-将叶片切割至一定长度；
-以及平衡DAM。
优选地，所述整体式叶片盘的直径大于或等于800mm。因此，确定地，制造期间相互保持叶片的连接装置的存在，允许考虑制造具较长叶片的较大直径DAM，因为减小或甚至消除了叶片的变形和振动。优选地，叶片的最小长度为150mm。
优选地，所述整体式叶片盘具有厚度大于或等于100mm的圆盘。然而，因磨料水射流切割技术可获得的性能规格较高，厚度可为约160mm或更大。该厚度也大致对应于各叶片在前缘和尾缘间相对DAM轴线延伸的距离。
优选地，整体式叶片盘的叶片是扭曲的，扭曲角可达45°或甚至更大。
优选地，所使用的所述材料块由钛或其合金之一制成。
优选地，所述整体式叶片盘为用于飞行器涡轮发动机的整体式叶片盘。
更优选地，所述整体式叶片盘为飞行器涡轮发动机中的涡轮机或压缩机的转子的整体式叶片盘。
在阅读以下详细的非限制性描述之后，本发明的其它优点和特征将变得显而易见。
附图说明
将参照附图进行此描述，在附图中：
-图1示出了用于涡轮发动机的整体式叶片盘的局部透视图，其可通过实施根据本发明的制造方法来获得；以及
-图2a至图2d示意性示出了当采用一个优选实施方式的制造方法时，整体式叶片盘在其制造过程中的不同步骤的视图。
具体实施方式
首先参照图1，可以看到通过使用根据本发明的制造方法获得的整体式叶片盘1。其优选用于组成飞行器的涡轮机的压缩机或涡轮的转子。
通过本发明的方法获得的整体式叶片盘(下文简称DAM)具有较大尺寸，即其直径大于或等于800mm，叶片2的长度至少等于150mm，且圆盘4厚度“e”大于或等于130mm。另外，具有中心轴5的圆盘4所携带的叶片强烈扭曲，扭曲角可达45°或更大。作为说明，已知地，该角度相当于给定叶片2的叶根6和叶尖8之间的虚拟角度。
现在将参照图2a至图2d描述用于制造叶片盘(DAM)1的方法的优选实施方式。
首先，对钛合金制成的且优选预加工的材料块(也称为“单块毛坯”)执行第一车削步骤，其目的是例如加工该材料块至距最终尺寸1mm。
下一步骤包括通过磨料水射流切割实心块，以形成叶片预型件。
为此，使用超高压(如3000巴压力)和超高精度(如六轴)水射流切割机执行。超高水压使得磨料传输，优化其材料切割效果。已知方式中，使用金刚石或蓝宝石喷嘴产生水射流。另外，混合室允许添加诸如砂粒等磨料。因此，聚焦喷枪(canon de focalisation)使水和砂粒均匀，并使水和砂粒混合物聚焦于切割区。
磨料水射流切割技术允许获得较高的材料移除率及满意的重复精度。因此，非常适合移除材料以形成沿轴线5穿过材料块整个深度“e”的内叶片空间(inter-aubes)。
因此，图2a示出了磨料水射流切割步骤完成时材料块100的上部。因此该材料块具有从圆盘4径向延伸(即垂直于中心轴线5)的叶片预型件102。通常，在材料块100的厚度中实现切割以在外周直接连续的叶片预型件102之间形成内叶片空间110。
另外，执行该步骤以在预型件102间形成连接装置，连接装置此处采用环112的形式，该环定中心于轴线5，且优选连接叶片预型件102的所有叶尖108。因此，环112组成被切割的材料块100的外周环状部分，并因此创建内叶片空间110的外部径向界限。
磨料水射流切割步骤可通过执行以下操作实现：移除以大致扭曲或螺旋方式从圆盘径向延伸的第一部分材料的第一切割操作、且随后移除也以大致扭曲或螺旋方式径向延伸的体积较小的第二部分材料的第二切割操作实施。
参照图2b示意性所示，更具体地，在图2b左侧可以看出，第一切割操作的目的是切割沿轴线5在材料块100整个厚度延伸的第一部分材料114。为此，沿图2a下部所示闭合线118，从叶根4开始移动聚焦喷枪116的轴，径向延伸至块外部径向端附近，未达到外部径向端，以形成环，其中线118沿环的圆周延伸，在再次径向向内延伸至叶根4之前，接着延伸直至返回初始点。
沿上述线118的路径移动时，喷枪116的轴相对于优选保持固定的轴线5执行适当的附加移动，其中该附加移动基本采用径向枢转喷枪轴的形式，并且确保形成径向形状大致扭曲的第一部分114。更一般地，应当注意，喷枪116相对于轴线5移动的轨迹是称为“五轴”轨迹的轨迹，其由同时进行两种旋转获得。第一部分114优选由操作人员手动移除，如图2b中心部分示意性所示。如该图所示，该方法完成时，在垂直径向的任何剖面内，第一部分114为四边形，其相对的两侧沿着材料块的厚度延伸，各自尽可能在获得的两个直接连续叶片2附近通过。
如以上进行的切割，第一部分114的每次移除形成两个直接连续叶片预型件102的表面。优选地，首先切割所有第一部分114，其数量取决于DAM所需叶片数量，接着手动移除该部分114，之后执行第二切割操作。
第二操作的执行使得所得叶片预型件尽可能接近最终叶片的反向曲线扭曲形状，与叶片剖面的曲形不同，考虑到磨料水射流以大致直线方式横穿块，这很难通过单次简单切割来接近。
参照图2b示意性所示，在右侧部分可以看出，第二切割操作的目的实际是切割仅沿材料块100的一部分厚度延伸的第二部分材料120，即仅穿过通过移除第一部分114形成的径向构件122的部分厚度。另外，部分120也仅在相关构件122的径向部分上延伸，即从叶根延伸，未达到环，如图2a所示。
为此，聚焦喷枪116的轴沿径向线124移动，其一部分如图2a所示。该线从叶根4开始，大致径向延伸，未达到移除第一部分114时出现的环112。例如，磨料水射流横穿的线124大约位于径向构件122中间厚度处，且超过径向构件的径向中间高度停止。
沿上述线124的路径移动时，喷枪116的轴相对于优选保持固定的轴线5执行适当的附加移动，其中该附加移动基本采用径向枢转喷枪轴的形式，并且确保形成径向形状大致扭曲的第二部分120。更一般地，应当注意，喷枪116相对于轴线5移动的轨迹是称为“五轴”轨迹的轨迹，其通过同时进行两种旋转获得。第二部分120通过使用磨料水射流从叶根4整体移除时，优选在自身重量作用下分离，无需操作人员任何动作，如图2b右侧部分示意性所示。
为此，应注意，喷枪116不仅沿大致径向的线124移动，也沿从线124内径向端沿叶根4延伸的圆形部分形状的线(未示出)移动，以使部分120从叶根完全分离。
如图2b所示，该方法完成后，在垂直于径向的任何剖面内，部分120为三角形形状，其一侧尽可能在由相关径向构件122获得的叶片2附近通过。
所有第二部分120已移除后，块仅示出叶尖108处通过环112彼此连接的叶片预型件102。磨料水射流步骤完成。
然后，执行叶片预型件102的铣削步骤，以便获得定型叶片毛坯202。换句话说，例如使用五轴铣削工具执行该步骤，移除叶片预型件102上的剩余材料，以尽可能接近最终尺寸，如至0.6mm。
在此情况中，优选逐一地加工这些预型件102，并且每个均形成定型的叶片毛坯202，如图2c的左部上所示。
该方法继续执行另一铣削步骤，该步骤称为精加工步骤，其目的是通过铣削从毛坯202获得最终成型叶片2。使用的工具允许更精密地加工，以达到最终尺寸，并由此获得如图2c的右部中所示的叶片2。此图还示出了由环112彼此连接的叶片2的叶尖8，该环还形成块100的外围环形部分。
该方法继续执行去除连接这些叶片预型件2的环112的步骤。以本领域技术人员认为适当的任何方式来完成此步骤，例如线切割或铣削。在这方面，图2d示意性示出了通过此环112与叶片叶尖之间的连接的断裂，将环112从块100的剩余部分分离。一旦已经获得所有这些大致圆周断裂328，环可通过沿轴线5相对于块移动与块实际分离。于是环112视为被去除。而且，在此情况中，可替代地，通过去除此环的位于叶片2之间的部分，可简单地去除环112，于是将位于这些叶片的径向端的其它部分保留，例如以便在之后的阶段形成叶片叶尖的部分。于是所需断裂不再是类似图2d中的断裂328的大致圆周断裂，而是大致径向断裂并仍在块的厚度内。
在该方法的此阶段，材料的剩余体积小于磨料水射流切割步骤开始之前(即，就在上述车削步骤之后)此块体积的25％。
然后，该工序后可继续一个或多个传统步骤，如上所述包括抛光步骤、喷砂步骤、切割至叶片长度的步骤和/或平衡DAM的步骤。
虽然将上述实施方式描述为具有形成于叶片叶尖的保持环112，但是可替代地，该保持环可以形成于这些叶片的从叶尖径向向内的更中心部分处。
显而易见地，本领域技术人员可以对如上所述的仅作为非限制性实例的本发明进行各种修改。

Claims (12)

1.一种用于制造整体式叶片盘(1)的方法，包括：
-使用磨料水射流来切割材料块(100)的步骤，执行该步骤以产生从圆盘(4)径向延伸的叶片预型件(102)，同时保留用于在至少两个直接连续的叶片预型件之间形成连接装置(112)的材料，所述连接装置与所述圆盘径向隔开；然后
-对所述叶片预型件(102)的铣削步骤，以获得定型的叶片毛坯(202)；然后
-通过铣削所述叶片毛坯(202)而进行的精加工步骤，以获得具有最终轮廓的叶片(2)；然后
-去除所述连接装置(112)的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，执行所述通过磨料水射流进行切割的步骤，使得所述连接装置(112)将直接连续的多个叶片预型件(102)彼此连接，所述多个叶片预型件的数量严格地大于3。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，执行所述通过磨料水射流进行切割的步骤，使得所述连接装置基本形成环(112)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，执行所述通过磨料水射流进行切割的步骤，使得所述环(112)将所有叶片预型件(102)彼此连接。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，执行所述通过磨料水射流进行切割的步骤，使得所述环(112)将所述叶片预型件(102)的叶尖(108)彼此连接。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，执行所述通过磨料水射流进行切割的步骤，使得所述环(112)将所述叶片预型件(102)的叶尖(108)彼此连接。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述整体式叶片盘的直径大于或等于800mm。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述整体式叶片盘具有厚度(e)大于或等于100mm的圆盘(4)。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述整体式叶片盘的叶片(2)是扭曲的。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所使用的所述材料块(100)由钛或钛的一种合金制成。
11.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述整体式叶片盘是用于飞行器涡轮发动机的整体式叶片盘。
12.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述整体式叶片盘是用于飞行器涡轮发动机中的涡轮机或压缩机的转子的整体式叶片盘。
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