CN101980823B - 利用磨料水射流切割来制造整体式叶片盘的方法 - 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(4)径向延伸的叶片预型件(102)；然后-叶片预型件(102)的铣削步骤。

Description

利用磨料水射流切割来制造整体式叶片盘的方法
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
整体式叶片盘(也叫做DAM或整体叶盘)，通常通过铣削材料块制成，该材料块通常由钛制成。
不过，虽然该技术已被掌握，但也不能就认为是最佳的，这是因为制造时间非常长，这很大程度上是由于要去除大量的材料，也就是要去除高达初始材料块的75％的重量，甚至更多。
生产成本也会由于这种长的制造时间而增加，这首先意味着操作者要长久地呆在铣床边，并且其次造成工具的快速磨损，并且尤其是铣床的相对昂贵的铣头(
Figure BPA00001232372800011
)的磨损。
发明内容
因此，本发明的目的是至少部分地克服与现有技术的实施例相关的上述缺点。
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；然后
-该叶片预型件的铣削步骤。
因此，本发明的原理是基于在对材料块实施一个或若干个铣削步骤之前，先实施通过磨料水射流切割材料块的预备步骤。
鉴于磨料水射流切割技术能够在相对短的时间内去除大量材料，因而与单靠铣削实心块的方法相比，这大大减少了制造时间和成本。作为说明，使用现有技术获得DAM所需的310小时的加工时间将被缩短至仅约140小时，再加上用磨料水射流进行切割的非常少的小时数。
铣削时间的减少意味着由操作者在铣床上工作来完成的工作大幅减少，使得他们可以操作多台铣床和/或还控制确保通过磨料水射流进行切割的工具。
最后，铣削时间的减少还有利地显著减少了工具磨损，尤其是铣床铣头的磨损，这更进一步降低了生产成本。
因此，该方法的使用尤其适用于初始料块的75％或更多的材料被去除的情况，因为这种去除的大部分都可以利用磨料水射流进行切割来快速完成。为此，优选地，使得所述磨料水射流切割步骤导致去除所述材料块重量的至少50％。换句话说，优选地，在磨料水射流切割步骤时的料块的重量与该步骤结束且形成叶片预型件时的同一料块的重量之间的比率大于2。
为此，应当注意，磨料水射流切割步骤后面跟随的是铣削叶片预型件的步骤，优选地，执行该铣削步骤以便获得定型的叶片毛坯，优选地，该铣削步骤后面跟随对叶片毛坯铣削的精加工步骤，以获得最终成型的叶片。
优选地，所述整体式叶片盘的直径大于或等于800mm。优选地，叶片的最小长度是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钛的一种合金制成。
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DAM1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。
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下部所示的总体U形的线118，从材料块100的径向端开始移动聚焦喷枪116的轴，向内径向延伸至圆盘4，其中线118在再次径向向外延伸至材料块100的另一径向端之前沿圆盘的圆周延伸。
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，未达到叶尖，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，块仅具有由圆盘4产生的叶片预型件102并通过内叶片空间110彼此间隔。
在将材料块的至少50％的重量去除后，磨料水射流切割步骤就随之完成了。
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叶片毛坯202，如图2c所示。
然后，该方法执行另一铣削步骤，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。所使用的工具能够更精确的加工，以达到最终尺寸，并由此获得如图2d的右部中所示的叶片2。
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，包括例如通过手工调整或通过摩擦精加工的抛光步骤、喷砂步骤、切割至叶片长度的步骤和/或平衡DAM的步骤。
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 (9)

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)，然后
-所述叶片预型件(102)的铣削步骤，
其中，所述切割材料块的步骤包括：第一切割操作，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，所述第一部分材料为四边形；以及随后的第二切割操作，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，所述第二部分材料为三角形。
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，以便去除所述材料块(100)的重量的至少50％。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，执行所述叶片预型件(102)的铣削步骤，以便获得定型的叶片毛坯(202)，该铣削步骤之后是对所述叶片毛坯(202)铣削精加工的步骤，以便获得最终成型的叶片(2)。
4.根据上述权利要求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。
5.根据上述权利要求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)。
6.根据上述权利要求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。
7.根据上述权利要求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。
8.根据上述权利要求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。
9.根据前述权利要求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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