CN113490569B - 在由导电材料制成的部件中钻销孔的方法 - Google Patents

Abstract

在由导电材料制成的部件(16)中放电钻销孔(18)的方法，特别地，该部件用于飞行器涡轮机，该方法使用放电机器，该放电机器包括头部(12)，该头部能够相对于部件移动并且具有可消耗的EDM电极(10)，该EDM电极为伸长的形状并且沿EDM电极的伸长轴线平移地移动，该方法包括以下步骤：a)使EDM电极朝部件前进，以在部件中钻销孔；以及b)撤回EDM电极并将EDM电极从孔中移除，其特性在于，该方法进一步包括以下步骤：c)横向移动头部；d)使EDM电极朝部件前进，以扫描部件；e)计算在步骤a)中钻销的孔的有效深度。

Description

在由导电材料制成的部件中钻销孔的方法

技术领域

本发明涉及在由导电材料制成的部件中放电钻销孔的方法，特别地该部件用于飞行器涡轮机。

背景技术

现有技术包括但不限于文献WO-A1-2006/078096、US-A1-2008/173618、JP-A-S58114821以及US-A-6140600。

放电钻销或EDM(Electro Discharge Machining，放电加工)钻销是利用放电从部件移除材料的加工方法。该方法也被称为火花加工。这种技术的特点是该技术能够加工所有的导电材料，无论导电材料的硬度如何。

该加工方法包括通过电介质将电流从电极传递到部件，以产生蒸汽或真空的“气泡”，该气泡通过内爆来电离和再爆炸，从而破坏部件的材料。这种破坏(微内爆)引起火花。强电流通过电介质电离出通道。然后在电极和部件之间发生破坏性放电，非常局部地破坏部件(在几平方微米上)。这种方法使得待钻销的孔具有高精度，并且适用于非常坚硬的材料或者适用于需要这种方法的复杂的工件，正如飞行器涡轮机的部件。

例如，飞行器涡轮机的涡轮喷嘴的叶片包括通过EDM方法钻销的孔。叶片是中空的，并且孔穿过叶片的壁，以在叶片的内部空腔和涡轮的通道之间提供通风空气通道。

该放电机器包括头部，该头部相对于待钻销的部件可移动并且承载EDM电极。该电极具有伸长的形状，并且旨在沿着电极的伸长轴线平移移动。当电极朝部件前进时，产生了火花，并且部件材料的破坏导致形成了具有预定直径的孔。然后电极从孔中撤回并移除，以制造更多的孔。

电极是消耗品，因为电极在钻销期间会磨损。电极的磨损的特征是电极长度的减小。EDM钻销的问题之一是难以准确地量化这种磨损。当钻销孔时，电极的磨损(长度的减小)通常大于被钻销的孔的深度，然而电极的磨损不是恒定的，因为电极的磨损从一个孔到另一个孔可能变化。

该技术问题与两个矛盾的目标相结合，这两个目标是：对部件进行充分地钻销，以一次(单次电极前进)使得孔开通，但不使电极前进得太远，以避免对与孔相对的壁产生冲击和钻销，正如上述对涡轮叶片壁进行钻销的示例。

这个问题的解决方法可以是通过由操作者手动地插入孔中的销来控制孔的打开。该销具有预定的直径以检查孔的直径，并且将销驱动到孔中以确保在该孔未开通时，销不会碰到孔的底部。在孔没有开通的情况下，操作者将用放电机器启动返工步骤。

另一个解决方法是使用EDM电极作为销。在这种情况中，用于钻销孔的电极此时将被用于检查孔是否开通。在电极从孔中撤回并移除之后(步骤b))，电极可以再次前进并插入孔中。如果孔是打通的，则电极可以前进大于孔的理论深度的长度。否则，将通过扫描检测到孔的底部，并且必须激活修整步骤。然而，这种解决办法并不可靠。事实上，在实践中，通过扫描很难甚至不可能准确地检测未开通的孔的底部，因为理论上扫描火花应该在电极的自由端部和孔的底部之间产生，但在实践中当电极一进入孔时，扫描火花就会在电极和孔的外围边缘或侧壁之间产生。

其他的解决方案是只检查孔的开口(没有孔的直径值)，通过热照相机、通过检测通过孔的光、通过将液体注入到上述示例中的叶片的内部空腔中等等。

然而，所有这些解决方案并不完全令人满意，因为实施这些解决办法通常复杂且耗时。

本发明对该问题提供了简单、有效且经济的解决方法。

发明内容

本发明提供了在由导电材料制成的部件中放电钻销孔的方法，特别地，该部件用于飞行器涡轮机，该方法使用放电机器，该放电机器包括头部并且负载有可消耗的EDM电极，该头部能够相对于部件移动，该EDM电极为伸长的形状并且沿EDM电极的伸长轴线平移移动，该方法包括以下步骤：

a)使EDM电极朝部件前进，以在部件中钻销孔，

b)撤回EDM电极并将EDM电极从孔中移除，

其特征在于，该方法进一步包括以下步骤：

c)使头部以小于待钻销的孔的直径的100％的距离来横向移动，

d)使EDM电极朝部件前进，以扫描部件，以及

e)当扫描部件时，通过在平行于轴线的方向上的测量的侧位的差，来计算在步骤a)中钻销的孔的有效深度，该测量的侧位的差为在步骤a)结束时EDM电极的第一位置和在步骤d)中EDM电极的第二位置之间的差。

因此，该方法提出通过放电机器及放电机器的EDM电极来确定孔的有效深度，从而推断孔是否开通。电极以两种不同的方式来使用。首先，在步骤a)中，电极被用来钻销孔。然后，电极远离孔，被用于扫描部件。由于在电极的自由端部和部件的外表面之间可以容易地出现扫描火花，因此，在这里不存在上述在检测孔的底部时的缺点。

在本申请中，扫描被理解为表示电扫描或者通过电极检测导电部件。当电极足够接近部件使得在电极和部件之间产生火花时，部件的扫描或检测就发生了。必须选择火花的强度以不破坏部件，因为这里的目的只是探测部件，以便获得侧位。因此，放电机器的参数将根据电极是用于钻销功能或者扫描功能而不同。

此外，根据本发明的方法使得能够提出在步骤c)中头部以短距离(小于待钻销的孔直径的100％)来横向移位。这具有多个优点，包括降低钻销孔或与待钻销的孔邻近的部件的风险、在电极移位行程上节省时间、孔的钻销时间的优化以及该方法整体的优化。

根据本发明的方法可以包括以下特征或者步骤中的一个或多个，这些特征或步骤被单独地考虑或者彼此结合地考虑：

-该方法包括以下附加步骤：

f)将所计算的实际深度与理论深度进行比较，以及

g)在实际深度小于理论深度的情况下，使EDM电极朝部件前进并进入在步骤a)中钻销的孔中，以进一步地对孔进行钻销；

-执行步骤g)使得孔开通。

-在步骤g)之后重复步骤c)、步骤d)以及步骤e)，并且可选地，在步骤e)之后重复步骤f)和步骤g)；

-确定第一侧位，该第一侧位等于：EDM电极在EDM电极的第一位置和在步骤b)结束时EDM电极的第三位置之间沿所述方向行进的距离；确定第二侧位，并且该第二侧位等于：EDM电极在EDM电极的第三位置和第二位置之间沿所述方向行进的距离；钻销的孔的有效深度等于第一侧位和第二侧位之间的差；

-以小于或等于5mm的距离来执行步骤c)中的移位，优选地以小于或等于1mm的距离来执行；

-以介于待钻销的孔的直径的40％至70％之间的距离来执行步骤c)中的移位；

-在步骤a)中，向EDM电极提供大于或等于100V的电压和大于1安培的电流，并且在步骤d)中，向EDM电极提供小于100V的电压和小于1安培的电流；

-在步骤a)中，向EDM电极提供电脉冲，其中，电脉冲的比、即脉冲的时间与在脉冲之间的时间的比大于0.2，并且优选地介于0.5至0.8之间，并且在步骤d)中，向EDM电极提供电脉冲，电脉冲的前述的比小于0.2；

-在步骤d)中，EDM电极的极性与在步骤a)中EDM电极的极性相反；

-在步骤a)一开始并且在钻销孔之前，使EDM电极朝部件前进到适于产生第一火花的预定距离处；

-该预定距离在EDM电极的自由端部和部件的表面之间，优选地，该预定距离是10mm；

-在步骤d)中，使EDM电极朝部件移动到适于产生扫描火花的预定距离处；

-在步骤d)中，该距离在EDM电极的自由端部和部件的表面之间，优选地，该预定距离是5mm。

附图说明

通过以下详细描述，本发明的进一步特征和优点将变得明显，参照附图以理解本发明的进一步特征和优点，在附图中：

[图1]图1是EDM电极和待钻销的部件的非常示意性的视图，并且示出了根据本发明的钻销方法的多个步骤，以及

[图2]图2是类似于图1的视图，并且示出了该方法的进一步步骤。

具体实施方式

本发明涉及使用放电机器进行放电钻销或EDM钻销的方法，在附图中仅示出了EDM电极10和用于支撑该电极的头部12。

机器的其余部分没有描述或显示，机器的其余部分在EDM钻销领域的技术人员的一般知识范围内。

头部12在平面H中可移动以及在垂直于该平面的方向(轴线Z)上可移动。

电极10沿平行于轴线Z的伸长轴线具有伸长的形状。在所示的示例中，电极10穿过头部中的孔并可在该孔中滑动。

电极10可沿轴线Z移动，因此可以前进或撤回，例如前进使得能够对孔18进行钻销，并且撤回使得能够离开该孔。

待钻销的部件16被布置在电极10的下面，并且将在表面16a上制造孔18，如果要制造垂直于该表面的孔，则该表面可以被定位成垂直于该轴线Z，或者如果要制造相对于该表面倾斜的孔，则该表面可以被定位成与该轴线X成一定角度。

例如，部件16是由镍和钴基金属合金制成的。可选择地，部件可以由复合导电材料例如CMC制成。

放电机器被构造成以两种不同的方法使用电极10。例如该机器是制造商WinbroGroup Technologies的HSD6类型。

电极10具有放电钻销的第一功能。例如，待钻销的孔18具有介于0.2mm至2mm之间的直径。优选地，孔是开通的。在孔18垂直于部件的表面16a定向的情况下，孔的理论深度等于待钻销的部件的壁的厚度，例如孔的理论深度介于1mm至10mm之间，优选地介于2mm至5mm之间。

当使用钻销模式时，向电极10提供强电流，使得在电极10和部件16之间产生的火花足以破坏部件的材料并形成孔18。

可以向电极10提供大于或等于100V的电压和大于1安培的电流。可以向电极10提供电脉冲，该电脉冲的脉冲时间与脉冲间时间的比大于0.2，并且优选地介于0.5至0.8之间。此外，电极可以连接到正极端子或负极端子，因此该电极具有什么极性并不重要。

电极10还具有扫描或检测部件的进一步功能。在这种情况中，向电极10提供较低的电流，使得在电极和部件之间产生的火花不会破坏部件，而是简单地使得能够检测部件的存在和位置。

然后可以向电极提供小于100V的电压和小于1安培的电流。可以向电极提供具有小于0.2的比的电脉冲。最后，优选地，电极的极性相对于在钻销功能中的电极的极性相反。

图1和图2示出了根据本发明的用于在部件16中钻销孔18的方法的实施例的不同步骤。

图1示出了电极10的多个不同位置以及该方法的步骤。这些位置由编号I至VIII标示。

位置I对应于电极10的开始位置，该位置对应于在轴线Z上的侧位ZI。在所示的示例中，并且通常地在本描述的其余部分中(除非另有说明)，电极的侧位在与待钻销的部件相对的电极上端部处。

在位置II中，电极10朝部件前进，直到产生第一火花20，即直到在电极的自由端部和部件的表面16a之间的距离使得能够在电极和部件之间产生火花20。典型地，该距离是10mm。位置II对应于在轴线Z上的侧位ZII。

电极进一步朝部件前进以钻销孔18。然后电极到达位置III，该位置对应于在轴线Z上的侧位ZIII。侧位ZII和侧位ZIII之和对应于制造孔所需的向下行程。

该行程被确定为使得孔开通，但是难以精确预测的电极的磨损U可能导致孔没有开通。例如，该行程介于5mm到20mm之间，优选地介于10mm到15mm之间。当电极的自由端部在侧位ZIV处并且孔没有开通时，电极在位置III。

相应的位置I、II、III对应于该方法的第一步骤a)，该方法包括使电极10朝部件前进以钻销孔。

该方法的第二步骤b)包括撤回电极并将电极从孔中取出。然后将电极移动到位于侧位ZV处的位置V，侧位ZV位于侧位ZII和侧位ZIII之间。电极的上端部在侧位ZV’处。可选择地，电极可以移动到位于侧位ZII的位置。然而，可以估计电极的最小磨损，并且可以设置机器使得电极从位置III撤回到位置V考虑了这种磨损。这种撤回必须足以确保在位置V中的电极不易接触到部件。由于当电极在侧位ZII处时在位置II中产生了火花，因此可以理解，考虑到在钻销孔时电极的最小磨损，电极从位置III撤回之后可以处在位置II中而没有接触到部件的风险，并且也可以处在位置V中而没有接触到部件的风险。

电极行进路径的优化对于优化作为整体的方法和孔的钻销时间特别重要。

该方法还包括将头部和电极横向移动到位置VI的步骤c)。在本申请中，头部的横向移位表示头部沿着垂直于电极的轴线的方向的移位。电极保持在相同的侧位ZV处。电极的自由端部在侧位ZV’处。优选地，电极尽可能地靠近刚被制成的孔。

例如，以小于或等于5mm的距离来实施该移位，优选地以小于或等于1mm的距离来实施。可以以小于待钻销的孔的直径的100％的距离来实施该移位，优选地，以介于待钻销的孔的直径的40％至70％之间的距离来实施该移位。

然后，该方法包括使电极10朝部件前进以扫描部件的步骤d)。电极移动直到能够产生扫描火花22，即直到在电极的自由端部和部件的表面16a之间的距离使得能够在电极和部件之间产生火花。典型地，该距离D2是5mm。只要机器参数不同，用于产生火花20的距离可能不同。位置VII对应于在轴线Z上的侧位ZVII。电极的自由端部在侧位ZVII’处。

然后，电极可以撤回并返回到在侧位ZII处的位置VIII。

该方法包括随后的步骤e)：通过在位置III和位置VII之间测量的侧位的差，计算步骤a)中被钻销的孔的有效深度。

更确切地，位置III和位置VII用于确定第一距离(通过公式ZIV-ZV’，以绝对值)，该第一距离对应于当电极从位置III移动到位置V时，电极的自由端部所覆盖的距离X1。位置VI和位置VII用于确定第二距离(通过公式ZVIII’和ZV’，以绝对值)，该第二距离对应于当电极从位置VI移动到位置VII时，电极的自由端部行进的距离X2。

侧位的差是距离X1和X2之间的差的测量值，从而表示被钻销的孔的有效深度P。

该方法可以包括进一步的步骤f)和步骤g)：比较所计算出的有效深度P和理论深度，并且如果有效深度小于理论深度，使电极朝部件前进并进入在步骤a)中被钻销的孔中，以进一步地对孔进行钻销，并且优选地使孔开通。

这些步骤如图2所示。

电极最初在位置VIII，并横向移动到与位置V类似的位置IX，即考虑到电极磨损，电极在侧位ZII处。

电极10朝部件前进并进入孔中，以进一步对孔进行钻销。在侧位ZX处，电极在孔的入口处处于位置X，然后在侧位ZXI处，电极在钻销结束时处于位置XI处，在该位置XI中，原则上电极的自由端部应该与部件的内表面16b平齐或低于该表面。在该附加的钻销期间，电极也经受了磨损U’。

侧位ZX和侧位ZXI之间的行程被确定为使得孔开通。该行程可以等于侧位ZII和侧位ZIII之间的行程。

然后将电极从孔撤回并从孔移到在侧位ZX处的位置XII，侧位ZX位于侧位ZII和侧位ZXI之间。如上所述，可以估算电极的最小磨损，并且可以设置机器使得电极从位置XI到位置XII的撤回考虑了该磨损。这种撤回必须足以确保在位置XII的电极不能接触到部件。

然后，电极可以移动到位于侧位ZII处的位置XIII。

可以再次检查在步骤f)和步骤g)之后，修整的孔是否开通。这可以通过如上所述的对孔的实际深度进行计算并将孔的实际深度与理论深度进行比较来实现。因此，可以理解，步骤c)、步骤d)以及步骤e)是重复的，并且如果发现即使在通过步骤f)和步骤g)进行第一次修整操作之后，孔仍没有开通，则可以在步骤e)之后重复步骤f)和步骤g)。

Claims (20)

1.在由导电材料制成的部件(16)中放电钻销孔(18)的方法，所述方法使用放电机器，所述放电机器包括头部(12)并且负载有可消耗的EDM电极(10)，所述头部能够相对于所述部件移动，所述EDM电极为伸长的形状并且沿所述EDM电极的伸长轴线平移移动，所述方法包括以下步骤：

a)使所述EDM电极朝所述部件前进，以在所述部件中钻销孔，

b)撤回所述EDM电极并将所述EDM电极从所述孔中移除，

其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：

c)使所述头部以小于待钻销的孔的直径的100％的距离来横向移动，

d)使所述EDM电极朝所述部件前进，以扫描所述部件，以及

e)当扫描所述部件时，通过在平行于所述伸长轴线的方向上的测量的侧位的差、来计算在步骤a)中钻销的孔的有效深度，所述测量的侧位的差为在步骤a)结束时所述EDM电极的第一位置和在步骤d)中所述EDM电极的第二位置之间的差。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括以下步骤：

f)将所计算的有效深度与理论深度进行比较，以及

g)在所述有效深度小于所述理论深度的情况下，使所述EDM电极朝所述部件前进并进入在步骤a)中钻销的孔中，以进一步地对所述孔进行钻销。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，执行步骤g)使得所述孔开通。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，其中，在步骤g)之后重复步骤c)、步骤d)以及步骤e)。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，确定第一侧位，并且所述第一侧位等于：所述EDM电极在所述EDM电极的第一位置和在步骤b)结束时所述EDM电极的第三位置之间沿所述方向行进的距离；确定第二侧位，并且所述第二侧位等于：所述EDM电极在所述EDM电极的第三位置和第二位置之间沿所述方向行进的距离；钻销的孔的有效深度等于所述第一侧位和所述第二侧位之间的差。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，以介于所述孔的直径的40％至70％之间的距离来执行步骤c)中的移位。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，以小于或等于5mm的距离来执行步骤c)中的移位。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在步骤a)中，向所述EDM电极提供大于或等于100V的电压和大于1安培的电流，并且在步骤d)中，向所述EDM电极提供小于100V的电压和小于1安培的电流。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在步骤a)中，向所述EDM电极提供电脉冲，其中，所述脉冲的时间与在所述脉冲之间的时间的比大于0.2，并且在步骤d)中，向所述EDM电极提供电脉冲，电脉冲的前述的比小于0.2。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在步骤d)中，所述EDM电极的极性相对于在步骤a)中所述EDM电极的极性相反。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在步骤a)一开始并且在钻销所述孔之前，使所述EDM电极朝所述部件(16)前进到适于产生第一火花(20)的预定距离处。

12.根据权利要求11所述的方法，该预定距离在所述EDM电极(10)的自由端部和所述部件(16)的表面(16a)之间。

13.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在步骤d)中，使所述EDM电极朝所述部件(16)移动到适于产生扫描火花(22)的预定距离(D2)处。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，在步骤d)中，所述预定距离(D2)在所述EDM电极(10)的自由端部和所述部件(16)的表面(16a)之间。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述部件用于飞行器涡轮机。

16.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，其中，在步骤e)之后重复步骤f)和步骤g)。

17.根据权利要求7所述的方法，其中，以小于或等于1mm的距离来执行步骤c)中的移位。

18.根据权利要求9所述的方法，其中，所述脉冲的时间与在所述脉冲之间的时间的比介于0.5至0.8之间。

19.根据权利要求12所述的方法，其中，该预定距离是10mm。

20.根据权利要求14所述的方法，其中，该预定距离是5mm。