CN102470495A - 通过磨料水喷射，用于叶片单块轮盘的最佳制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单块叶片轮盘的制造方法，包括对通常圆盘形式的材料块(100)进行磨料水喷射的切割步骤，进行该步骤以在叶片间空间(110)的水平上从块移除材料，以露出从轮毂径向延伸的叶片预制件，所述磨料水喷射的切割步骤的特征在于：用于制造每个叶片间空间，它包括：-穿过块(100)厚度的片段(114a)的第一次三轴切割，利用这个是为了该切割的片段通过重力自动地从块(100)脱落；接着，-至少一次加强切割。

Description

通过磨料水喷射,用于叶片单块轮盘的最佳制造方法

技术领域

本发明通常地涉及制造优选地，用于航空器涡轮发动机的单块叶片轮盘的领域。

背景技术

为了制造单块叶片轮盘，也称为“MVD”或“整体叶盘”，可以使用对一块材料进行磨料水喷射的切割步骤，通常接着是一步或多步的磨铣步骤。

在磨铣之前，利用磨料水喷射的切割步骤，相对于仅仅基于磨铣的方法，帮助了减少时间和生产成本。特别地，下面的事实解释了这点：这种制造方法要求到MVD结束时从原料块移除大约75％的材料。通过磨料水喷射切割移除了这种材料的大部分实际上减少了生产时间，也限制铣床的磨损。

正常地，磨料水喷射的切割步骤基本上包括在原料块的整个厚度上切割一块极其复杂的形式。这种切割实际上遵循着复杂的轨迹，称作五轴，目的在于切割出一块扭绞或螺旋的形式，与叶片间空间的形式相似。

这种步骤的缺点是磨料水喷射的稳定性明显地受该喷射轨迹的复杂性质影响，并且也受待要被切割的相对大的厚度影响，因为喷射的质量从进入到出口就逐步地降级。为了最小化该喷射的稳定性问题，证明以相对慢的速度进行切割是必要的，这转化为仍旧相当多的操作时间。

由于人工移除在切割后材料块中保持的扭绞形式片段的必要性，通过磨料水喷射进行这种切割步骤的期间也大大地被延长了。

发明内容

因此，本发明的目的是相对于现有技术的实施，至少部分地改正上述缺陷。

为此，本发明的目的是单块叶片轮盘的制造方法，包括对通常圆盘形式的材料块进行磨料水喷射的切割步骤，以在叶片间空间水平上从块上移除材料，从而露出从轮毂径向地延伸的叶片预制件，为了制造每个叶片间空间的所述磨料水喷射的切割步骤，包括：

穿过块厚度的片段的第一次三轴切割，这样所述切割片段由于重力自动地从块脱落，接着

至少一种加强切割。

本发明实际上结束于磨料水喷射的可靠切割步骤，以获得加强的叶片预制件，并且减少这种磨料水喷射切割步骤的实施时间，这明显地转化为进行整个制造方法的时间减少。

关于进行这个步骤的时间，后者由于下列事实首先被减少：第一次穿过切割产生了由于重力自动脱落的片段，这就不需要操作者的介入。这种功能是通过块的特定定位，优选地水平地设置而获得，但是特别地由于三轴切割所获得片段的圆柱体性质而获得。因为在MVD上叶片间空间的数量相当多，由于第一片段的自动落下而得到的时间就相当多。

并且，第一次切割轨迹的简化增强了喷射的稳定性，并且结果证明对该第一次穿过切割使用高切割速度是顺利的。

此外，可以对更薄的材料厚度进行随后的加强切割。这增强了喷射的稳定性，因此减少了喷射的偏差影响。切割速度也可以是高速的，并且增强了切割的精确性。

根据本发明，给块的两个面中任一面提供至少一次加强切割，目的是切割以前通过所述连接切割而所获得块的任何区域。例如，该区域可以是在所述第一次切割期间所遇到的最易受磨料水喷射的偏差影响的区域，即，该区域靠近喷射出口。但是，因为通过加强切割再加工该特定区域，第一次切割期间的喷射偏差可以是相当大的，而没有害处。这个对使用高切割速度来进行第一次切割也是友好的。

通过包括磨料水喷射的喷射头的工具进行的所述磨料水喷射的切割步骤优选地包括：

-所述第一次切割，用相对于块的第一面的所述喷射头进行；接着，

-几次加强切割，其中这些加强切割中至少一次加强切割是用相对于块的所述第一面的所述喷射头进行的，并且其中至少另一次加强切割是用相对于块的第二面的所述喷射头进行的，该块的第二面与块的第一面相对。

通过磨料水喷射从材料块的两面进行切割的事实带来了更好的可达性。这产生了最接近成品侧面的叶片预制件，当证明这些磨铣事件是必要时，因此减少了随后磨铣事件的操作时间。而且，有利地，减少了MVD的整个制造时间。

而且，这种对待切割表面的改进的可达性不仅用于加强所获得的叶片预制件，而且也以可能最好的方式相对于待切割的每个表面定向喷射，增强该工艺的可靠性。

此外，注意到加强切割的倍增减少了磨料水喷射切割步骤实施的整体时间。实际上，如上所述，第一次三轴切割可以涉及最大的厚度，但是每次的加强切割可以在减少厚度的块上完成，接着是复杂轨迹，例如五轴。因此，它的结果是在喷射的稳定性方面的两种限制参数，具体是切割厚度和轨迹复杂性中只有一种参数保留于两种类型的切割中每种类型切割中，这两种类型切割中的每种类型切割都利用了高切割速度。

通过优选的实施例，磨料水喷射的切割步骤包括第一次连接切割，对块的第一面的侧面进行2和4次之间的加强切割，以及对块的第二面的侧面进行2和4次之间的加强切割。

优选地，在目的是获得所有叶片间空间的所述磨料水喷射切割步骤期间，连续地进行如下步骤：

-用相对于块的第一面的所述喷射头进行所有的切割；

-块和喷射头之间的相对移动以引导后者相对于块的第二面；和

-用相对于块的第二面的所述喷射头进行所有的切割。

这优化了磨料水喷射切割步骤期间的实施。优选地，通过转动块完成块和喷射头之间的所述相对移动。

优选地，这样进行所述磨料水喷射的切割步骤，使得加强切割期间至少一个切割片段由于重力从块自动地脱落。这限制了磨料水喷射的切割步骤期间操作者介入的数量，得到了更优化的实施时间。在这方面，提供所涉及的片段，诸如第一次切割期间所获得的片段与块分离时，不用移动块，而由于重力落下。

优选地，仍旧为了限制操作者介入的数量，这样进行所述磨料水喷射的切割步骤，使得对于加强切割期间的和在其切割后保持阻挡在其相关叶片间空间中的至少一个切割片段，通过磨料水喷射切割将所述片段分裂成能够由于重力从块自动地脱落的至少两个子片段。

如上所述，每次加强切割优选地是五轴切割。

优选地，这样进行所述材料块的磨料水喷射切割步骤，以露出从轮毂径向地延伸的的叶片预制件，同时在至少两个直接连续的叶片预制件之间保持形成连接装置的材料，所述连接装置径向地间隔所述轮毂。

因此，该优选的实施方式的显著特征在于在磨料水喷射的切割步骤期间，它提供了在至少两个叶片预制件之间，优选地在所有这些叶片预制件之间露出的连接装置。这严格限制，甚或根除了它们制造期间叶片的变形和振动，因为它们仍旧通过原材料块机械地固定。

这种特性有利地适用于不同工具的高级速度，减少了生产时间，而不会影响成品MVD的质量。此外，减少生产时间和减少叶片制造期间叶片的振动减慢了工具的磨损，特别是对磨铣机器的磨损，有利地限制了生产成本。

优选地，进行磨料水喷射的切割步骤，这样所述连接装置结合连接严格大于3个的，优选地直接连续的大量叶片预制件。然而，可以设想几组直接连续的相互连接的预制件，同时几组没有连接的。然而，通过连接装置保持在一起的叶片预制件的数量，以及预制件上连接装置的布置可以随着需要而改变。

根据优选的实施方式，进行磨料水喷射的切割步骤，这样所述连接装置实际上形成了环，优选地居于轮盘轴线中央的环。该环优选地延伸360°，可选地只由它所连接的叶片预制件中断。然而，如上所述，该环不能被充分地关闭，并且具体地，不连接一些直接连续的预制件。

然而，优选地进行磨料水喷射的切割步骤，这样所述环与所有叶片预制件连接在一起，每个都用于随后构成MVD叶片。在这种情况下，优选地提供以使所述环与叶片预制件头部连接在一起的方式进行磨料水喷射的切割步骤。该环然后形成切割块的周缘环形部分，同时叶片预制件在轮盘的方向上，从该环朝向内部径向地延伸。

优选地，该方法也包括：

-进行叶片预制件的磨铣步骤以产生轮廓的叶片坯体；和

-叶片坯体的精磨铣步骤以产生最终轮廓的叶片；

优选地，保持形成连接装置的材料于精磨铣步骤完成，然后，移除该材料。然而，也可以早些移除该材料，这并没有偏离本发明的范围。

当然，在本发明的方法中可以使用其它经典步骤，诸如：

-在磨料水喷射的切割步骤之前转动材料块；

-精加工步骤后叶片的抛光和/或喷砂；

-切割叶片长度；

-MVD的平衡。

优选地，所述的单块叶片轮盘具有大于或等于800mm的直径。在这方面，需要详细说明的是在制造期间将叶片固定在它们之间的连接装置的存在允许制造长叶片的大直径MVDs，因为由其的变形和振动减少了，甚至排除了。优选地，叶片具有150mm的最小长度。

优选地，所述单块叶片轮盘具有厚度大于或等于100mm的轮盘。然而，由于磨料水喷射切割技术所获得的高性能，它可以具有160mm的厚度，甚或更多。这种厚度也基本上对应于每个叶片沿着MVD轴线在前缘和后缘之间延伸的距离。

优选地，扭绞单块叶片轮盘的叶片，扭绞的角度延伸到45°，甚或更多。

优选地，所用的所述材料块由钛或一种钛合金制成。

优选地，所述单块叶片轮盘是用于航空器涡轮发动机的单块叶片轮盘。

甚至更优选地，所述单块叶片轮盘是航空器涡轮发动机转子或压缩机的单块叶片轮盘。

从下面详细的非限制性描述将呈现本发明的其它优点和特征。

附图说明

下面本说明书将参考附图进行，其中：

图1表示能够利用本发明的制造方法获得的用于涡轮发动机的单块叶片轮盘的部分立体示意图。

图2a到图2m表示制造方法的磨料水喷射切割步骤的简图。

图3到图5表示制造方法的随后步骤的简图。

具体实施方式

首先，参考图1，该图表示通过使用本发明制造方法所要获得的单块叶片轮盘1。它优选地设计为构成航空器涡轮发动机的压缩机或涡轮机转子。

通过本发明方法将要获得的单块叶片轮盘，此后称为MVD，具有大的尺度，特别是长度至少等于150mm的叶片2具有大于或等于800mm的直径，轮毂4的厚度“e”大于或等于130mm。并且，中心轴线5的轮毂4所带有的叶片基本上是扭曲的，因为扭曲的角度可以达到45°，甚或更高。举例说明，这个角度对应于同一叶片2的底部6和头部8之间的构想的角度。

现在，将参考下面的附图，描述MVD1制造方法的优选实施方式。

首先，对一块由钛合金制成的材料进行第一次车削，例如，目的是加工这块成为1mm的最终侧面，该块由钛合金制成的材料也称为“原料单块”，并且优选地对它进行了预加工。

接下的步骤，如图2a到图2m中所概述的，包括用磨料水喷射切割全部块，以露出通过叶片间空间所分离的叶片预制件。

为此，在非常高的压力，例如3000巴下使用水喷射切割的工具(未示出)，并且具有非常高的精确性，例如六轴。是非常高水平的水压力在优化它对材料的切割作用中运输磨料。在熟悉的方式中，通过钻石或蓝宝石所制成的喷嘴产生水喷射。并且，混合室添加磨料，诸如砂子。在这方面，聚焦水炮通过聚焦水和砂子在待要切割的区域上而均质化它们。通过下面的描述，聚集水炮116更通常地称为工具的喷射头。

这种磨料喷射切割技术能够保证材料的基本移除速率以及好的重复性。证明它非常适合材料的移除，以产生完全地穿过材料块厚度“e”并且绕着该材料块轴线5的叶片间空间。

在这方面，图2a表示一旦完成磨料水喷射的切割步骤，材料块100的一部分。因此，该块具有从轮毂4径向地延伸的叶片预制件102，即，与轴线5正交。通常地，在块100的厚度内进行切割，以周向地露出直接连续叶片预制件102之间的叶片间空间110。

并且，这样进行以露出预制件102之间的连接装置，这里采用环112形式，该环112位于轴线5的中心并且优选地连接叶片预制件102的所有头108。因此，环112构成了切割块100的周缘环形部分，并且随后产生了叶片间空间110的外部径向界限。

通过用圆盘形式块的第一面110a相对的喷射头116所进行的切割，然后通过用该同样块的第二面110b相对的喷射头116所进行的切割，来利用该磨料水喷射的切割步骤，该第二面110b相对于第一面110a。

为了从第一面110a进行切割，块100牢固地，可移除地固定在支持体111上，以采用基本上水平的位置，也就是，它的轴线5基本上正交于地面，如图2b中所示。支持体111具有顶部开口的容置槽113，用于收集由于重力自动地从块100脱落的切割片段。在这些切割事件期间，第二面110b靠着支持体111放置。

为了从第二面110b进行切割，从支持体111释放块100，转动180°，然后重新连接该支持体111，第一面110a靠着支持体111放置，第二面110b向上定向以与块110上向上移动的工具的喷射头116配合。

注意到在所示优选的实施方式中，叶片预制件102的前缘115位于第一面110a的侧面，而它的后缘117位于第二面110b的侧面。

用于将块100精确地定位于支持体111上两个位置的指引装置(未示出)使得该方法具有更大的可靠性。

参考图2c，从第一面110a所进行的第一次切割目的是移除基本上圆柱形延伸的第一片段材料114a，因为它们由所谓的三轴切割产生，在这个期间喷射头只是根据互相正交的三个平移轴而移动。在这种情况下，三个轴中的一个轴构成了所获得圆柱形式片段114a的纵向轴，其延伸块100的整个厚度。注意到因为工具具有六个轴，它产生了具有喷射头116任何倾斜的三轴轨迹，因此在整个切割期间保持这种倾斜。如图2c所显而易见，在喷射机的喷射头116相对于垂直方向倾斜下进行第一次三轴切割，以基本上平行于最终期望的叶片间空间而被定向。

在高速下所进行的该第一次切割，由于其简单的轨迹，特别可以具有相当大的体积，优选地对应于磨料水喷射切割步骤完成时所获得的相关叶片间空间110最终体积的40％和80％之间。

参考图2d的示意性示例，表示待要获得的两个连续叶片预制件的前缘115，显然，通过沿封闭线路118a移动喷射机的喷射头，第一次三轴切割操作实际上目的是切割第一片段材料114a，该封闭线路118a经过轮毂4附近和在块的径向外端附近，但是不到达后者，以留下材料形成环。概括地，线路118a具有相对和互相连接的两种V型，其中一个点径向地定向于内部和位于轮毂4附近，另一点径向地定向于外部和位于块的径向外部端附近。

一旦线路118a闭合，就表示第一次切割步骤的结束和第一片段114a与块100的分离，这个片段114a由于重力自动从该同样的块脱落。实际上，如图2c中所示，在只有重力的作用下，片段114a在相对于连接孔119的喷射头116的方向向下滑动，随着下落而释放。它在仔细定位的容置槽113中完成了下落，因此不需要操作者的介入。

从该相同的图也显而易见，在与径向方向正交的任何截面中，第一片段114a采取大体上平行四边形的形式，其中有两个相对侧，它们根据块的厚度延伸，分别经过两个直接连续的叶片2的附近，一旦该方法结束就将获得这两个直接连续的叶片2。

然后，通过磨料水喷射实施大量的加强切割，还是从块100的第一面110a，以最接近最终的侧面。所有随后的加强切割，不管它们是从第一面110a或是第二面110b进行的，都优选地是称为五轴形式的复杂的切割，也就是通过移动喷射头所获得的轨迹不仅仅是根据平移的三个自由度，也是根据转动的两个自由度。并且，这些加强切割优选地在块的最小厚度、全部或部分厚度中进行。在这个方面，一些加强切割产生了片段，其部分对应于块的整个厚度，其另一个部分只在该相同块的一部分厚度上延伸，其厚度通常随着向外部径向地移动而减少。

因此，最终结果是第一次切割和加强切割保留了限制喷射稳定性方面的两个参数，具体是切割厚度和轨迹复杂性中的单一参数，这允许对这两种类型切割中每种切割使用高切割速度。

然后，沿着开放线条118b，通过移动喷射机的喷射头进行第二片段114b的加强切割，该开放线条118b经过轮毂4附近，具有径向地向外开口的大体U型，其底部沿着轮毂4行进。U型的两个端部分别地延伸一直远到第一次切割的两个V型的两个连接处，如图2e所示。

第二片段大部分延伸块的整个厚度，并且具有复杂的形式。为此，它切割后保持阻挡在它相关的叶片间空间中。因此，为了确保它从块释放，第二片段114b通过磨料水喷射切割分裂成能够由于重力自动地从块脱落的两个子片段114b1、114b2，经过形成中的叶片间空间。也是在这里，在重力的单独作用下，两个子片段114b1、114b2落下，在支持体的容置槽中完成它们的下落。在所示实施方式中，片段118的切割线118b’采用最小长度的直线形式，从前面切割的内部V的点开始，如图2f中所示。

然后，沿着开放线条118c，通过移动喷射机的喷射头进行第三片段114c的加强切割，该开放线条118c从第一次切割的内部V点开始，然后尽可能靠近地经过叶片预制件之一的前缘115，然后再连接第一次切割所形成的两个V型的两个连接处之一，如图2g所示。

第三片段114c大部分在块的整个厚度上延伸，从叶片的头部，并且越过叶片预制件径向长度仅仅一部分。优选地手动移除，或者根据其形式，通过重力也自动地落入到支持体的容置槽内。

图2h表示从第一面110a所进行的块100一次所有的切割。叶片间110空间的三个片段114a、114b、114c中每个片在发生下面叶片间空间切割之前，优选地制成切割类型，即使它可以是其它类型，这并不超出本发明的范围。

接下来，块100返回到其支持体以允许通过磨料水喷射从第二面110b进行加强切割。因此，这些切割加强了叶片间空间110的形成，其中之一如图2i中所示，诸如从第一面110a进行切割后所获得的。所有这些切割片段由于重力自动地落入到支持体的容置槽中。

首先，这涉及沿着图2j的开放线条118d，通过移动喷射机的喷射头所进行的第四片段114d的加强切割，接下来是轮毂4的部分和叶片预制件之一的后缘117的旁侧部分。然后，涉及沿着开放线条118e，通过移动喷射机的喷射头所进行第五片段114e的加强切割，该开放线条118e经过轮毂4附近，大体上具有U型形式，该U型径向地向外开口，其底部随着轮毂4行进，如图2k所示。这种切割只在块100的厚度部分上进行。最后，沿着开放线条118f，通过移动喷射机的喷射头所进行的第六片段114f的加强切割，该开放线条118e起始于块的径向端以界定环112，然后尽可能地经过叶片预制件之一的后缘117的附近，然后再连接第一次切割所形成的两个V型的两个连接处之一，如图2g所示。

一旦完成所有这些切割，块现在仅有在它们头部108水平上通过环112相互连接在一起的叶片预制件102，如图2g所示。

因此，每个所得到的叶片预制件102具有外弧面121和内弧面123，如图2a所示。在这方面，注意到外弧面121和内弧面123中每一个都包括由不同切割所产生的表面部分。图2m示意性地表示这两个面121、123中每一个面的分段，每个面部分具有显示它的切割片段的数值，这两个面121、123表示为平面。

接着，通过对叶片预制件102使用磨铣步骤继续该制造方法，这样进行以获得轮廓的叶片坯体202。在其它方面，例如，通过五轴磨铣工具所使用该步骤的目的是移除在叶片预制件102上所保留的材料，以尽可能近地获得最终侧面，例如0.6mm。因为磨料水喷射切割步骤后所获得的高增强形式的预制件102，这些预制件的至少一部分表面已经是优选的轮廓了，因此不需要这种磨铣。

在这里，预制件102优选地相继地被加工，以使得它们每一个都形成轮廓叶片坯体202，如图3中所示，该图也示意了通过环112相互连接的坯体202的头部208，仍旧形成块100的周缘环形部分。

然后，通过移除连接预制件112的环112的步骤继续这个方法。通过本领域已知的任何适合的方法进行该步骤，诸如线切割或磨铣。在这方面，图4示意性地示例了通过断开该环112和坯体的头部208之间的结合，环112与块100剩余部分的分离。一旦完成所有这些基本上周向的断裂228，通过5轴面对块的相对移动，环可以有效地从块中取出。因此，认为环112被取消。这里也有可替代的方案，通过只移除位于坯体202之间环的部分，该方法可以继续移除环112，保留位于这些坯体径向端的其余部分，例如考虑后来叶片头部的构件。期望的断裂不再是基本上周向的，如图2d的断裂228，但是基本上是径向的，并且仍旧在块的厚度内。

接着，使用新的磨铣步骤，该所谓的精加工步骤目的是通过磨铣从坯体202获得最终轮廓的叶片2。

所用的工具能够更精确的加工，确保最终侧面，因此产生叶片2，如图5的右侧部分所示。

在该方法的这个阶段，所保留的材料块有小于该同样材料块体积，诸如磨料水喷射切割步骤开始前所具有的体积25％的体积，特别是上述车削步骤后。

并且，该方法也可以继续一个或多个经典步骤，包括如前所述的抛光步骤、喷砂步骤、切割叶片成合适长度的步骤和/或MVD的平衡步骤。

当然，本领域技术人员可以对仅仅通过非限制性实施例方式所描述的本发明进行各种修改。

Claims (9)

1.一种制造单块叶片轮盘(1)的方法，该方法包括对通常圆盘形式的材料块(100)进行磨料水喷射的切割步骤，进行该步骤以在叶片间空间(110)的水平上从块移除材料，以露出从轮毂(4)径向延伸的叶片预制件(102)，所述磨料水喷射的切割步骤的特征在于：用于制造每个叶片间空间(110)，它包括：

-穿过块(100)厚度的片段(114a)的第一次三轴切割，利用这个是为了所述切割的片段通过重力自动地从块(100)脱落；接着，

-至少一次加强切割。

2.如权利要求1所述的制造方法，其中通过包括磨料水喷射的喷射头(116)的工具所进行的所述磨料水喷射切割步骤包括：

-用相对于块的第一面(110a)的所述喷射头进行所述第一次切割；接着

-几次加强切割，其中用相对于块的所述第一面(110a)的所述喷射头进行至少一次加强切割，其中用相对于块的所述第二面(110b)的所述喷射头进行至少另一次加强切割，所述第二面(110b)相对于所述第一面(110a)。

3.如权利要求2所述的制造方法，其中目的是获得所有叶片间空间的所述磨料水喷射切割步骤期间，接连地进行下面的步骤：

-用相对块第一面(110a)的所述喷射头进行所有切割；

-块(100)和喷射头(116)之间相对移动以引导后者相对块的第二面；和

-用相对块第二面(110b)的所述喷射头进行所有切割。

4.如权利要求3所述的制造方法，其中通过转动块(100)进行块和喷射头之间的所述相对移动。

5.如前述任一权利要求所述的制造方法，其中进行所述磨料水喷射的切割步骤，这样至少在加强切割期间，一个切割片段由于重力从块自动地脱落。

6.如前述任一权利要求所述的制造方法，其中进行所述磨料水喷射的切割步骤，这样对于加强切割期间的和在切割后保持阻挡在它相关的叶片间空间中的至少一个切割片段，所述片段通过磨料水喷射切割分裂成能够由于重力自动地从块脱落的至少两个子片段。

7.如前述任一权利要求所述的制造方法，其中每次加强切割是五轴切割。

8.如前述任一权利要求所述的制造方法，其中进行所述材料块的磨料水喷射的切割步骤，以露出从轮毂(4)径向地延伸的叶片预制件(102)，同时保留在至少两个直接连续叶片预制件之间形成连接装置(112)的材料，所述连接装置与所述轮毂径向地间隔。

9.如前述任一权利要求所述的制造方法，其中该方法也包括：

-进行叶片预制件(102)的磨铣步骤以获得叶片坯体轮廓(202)；和，

-叶片坯体(202)的精磨铣步骤，以在最终轮廓上获得叶片(2)。

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