CN1273895A - 用于相匹配的、符合流体技术的表面加工方法 - Google Patents

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Abstract

用于加工位于带有整体叶片的转子单元上的相匹配的、符合流体技术的表面的方法,转子带有轮毂和至少一个叶片凸缘,在接合区具有部件余量并材料合理的接合以后经过机械去除,其中至少一个实际表面以测量技术被确定,并被加工成与实际表面相匹配的表面。以测量技术的确定和加工在一台加工设备上在一次转子单元夹紧下进行。各加工部位的理论表面以被存储数据的形式提供使用。

Description

用于相匹配的、符合流体技术的表面加工方法
本发明涉及权利要求1前序部分所述的用于在带有整体叶片的转子单元上加工出相匹配的、符合流体技术的表面的方法。
带有整体叶片的转子单元的叶片例如通过焊接、锻造、钎焊或粘接等材料合理地并无缝隙地与轮毂连接，在一般情况下这种转子单元由于在强度、重量和结构体积上具有优点，因此被越来越多地应用于先进的涡轮机械设计。这里主要涉及在基本上轴向通流的转子中一般常见的、形状连接的涡轮叶片固定(例如以枞树叶断面或燕尾形断面固定)的更换。如同早已承认的那样，对于带有整体叶片的转子单元比起形状连接的结构形式，不仅叶片固定/叶片安装而且叶片修复/叶片更换都是昂贵而困难的。因此需要改进或研究新型的加工和修复方法，其中直线摩擦焊接提供了一种特别显著而重要的范例。尽管其名称为焊接，但是这种接合方法在金属工艺上与其归入焊接不如归入锻造。另一种接合方法是感应焊接，其中根据电感加热通过接合压力同样产生细颗粒的“锻造接合”。
钎焊和粘接方法从原理上同样是可行的，但是至少在接合区会形成热学和力学上的“弱点”。
现实的接合方法全都要求，至少要被接合部件之一在接合区处留有余量。这种要求可以通过部件夹紧和力传导的形式来实现，如同在直线摩擦焊接情况下，或者通过下述准则来实现，即接合区应该全部可再加工，尤其是为了补偿几何形状接合误差。在接合过程本身在通常情况下出现的材料(例如摩擦焊接中的“余料”)，最终同样必须被去除。在各种情况下至少接合区处通过其表面轮廓上的材料去除被再加工和最优化，在此要注意符合流体技术和强度要求。此外要被加工的表面要适配于现有实际表面，为此必须从测量技术方面考虑实际表面。在现代高效加工领域中测量值被符合计算技术的存储，要被加工的表面空间地被计算并通过机械去除而成形，在此所有三个步骤“测量”、“计算”和“加工”都是以相互联系的数据处理为基础的。
由欧洲的公开文本EP 0 837 220 A2可知一种用于修复磨损的压缩机和涡轮机叶片的叶片顶端的方法，在这种方法中磨损的叶片顶端以确定的半径高度h被去掉并通过根据轮廓精确匹配的修复轮廓而替换，修复轮廓的固定通过钎焊或焊接实现。磨损部位被去掉后测量在断开面、而同时也是后来的接合面部位上的剩余叶片的实际几何尺寸，并根据这些测量数据加工成精确匹配的修复轮廓，优选通过三维切削控制条件下的激光切割来进行加工。此外剩余叶片表面从带修复轮廓的断开/接合面在半径方向上直至叶片顶端全部呈切向直线连续。如果确实如此，则只需在钎焊处或焊缝处进行再加工。放弃微不足道的再加工优点不谈这种方法还有优点，即叶片在局部修复以后可以继续应用而不必更换。这种提供了特殊“修补”形式的方法也适合于带有整体叶片的转子单元，但是只适用于叶片顶端处的修复。受方法的限制只能制造相匹配的表面，这种表面的外形线在高度方向上是直线形的(通过直线激光切割)，而不适应于任意的空间曲面，例如从叶片到轮毂的过渡区。修复部件的表面轮廓通过激光加工成最终尺寸必需在其固定在剩余叶片上以前进行，以至于几何形状上的接合误差几乎不再可能被补偿(不存在可加工的余量)。修复部件/修补片在接合以后通过激光切割加工成最终尺寸是不可能的，因为从叶片顶端径向向中心切割的激光射线将至少部分地侵入剩余叶片并损伤剩余叶片。
德国的公开文本DE 40 14 808 A1涉及一种用于机械加工工艺自动化的机械识别系统/视觉系统。该系统能够具体应用于通过激光-焊药-堆焊修整磨损的涡轮机叶片顶端。叶片顶端具有特殊的几何形状，其中薄的、包围轮廓的叶片外壁在径向上突出于本身的端面。当在涡轮机壳体里或壳体衬层里擦过时突出的叶片壁受到磨损，这种磨损可以通过堆焊去除。磨损的叶片壁-端面棱边首先被磨光，即被找平并磨光。由端面棱边构成的、成形的环面通过照相机以光电技术确定并以局部确定的厚度(宽度)换算成数学环形曲线。数据直接用于控制焊接工艺，其中局部的材料覆层(焊药流量、激光强度)要适配于当时的剩余叶片壁厚度。由此使缺陷通过材料覆层与至少邻近的平整的端面连续成外部和内部的实际轮廓，其中肯定需要某种再加工。
在德国杂志“Werkstatt und Betrieb”第129期(1996)第672-674页上以“压缩机叶片和涡轮机叶片自动修复”为题描述了叶片顶端和叶片棱边通过烧焊的修复。其中各叶片靠近焊缝的空间实际曲线被分成多段扫描并存储。实际曲线通过计算连续到烧焊部位并通过数控设备来加工。其中叶片顶端上的特殊几何形状，如弯曲或折拐的外形线也可以被考虑到。例如主叶片上的这种特殊几何形状被扫描和存储。带有误差的实际几何形状与主叶片几何形状之间的“智能”补偿也被提示。尽管如此专业人员不能获得直观的指示，这种补偿应该如何实现。
在带有整体叶片的转子单元中，用于相匹配的表面加工的几何形状区域可能延伸于整个环室高度，即从轮毂直到叶片顶端。在此从时间顺序上来看第一种应用情况是新部件加工，在新部件的范围内叶片、优选大部分已被加工过的叶片以接合技术与轮毂连接，并至少在紧靠轮毂的接合区的部位平整成形为相匹配的表面。
在转子运行中可能产生磨损现象和损伤，这就需要修复。在最严重的情况下将更换整个叶片，而更多情况下则只更换大部分或少部分叶片部件或部位。当然在大多数情况下更换叶片的进入棱边和排出棱边以及叶片顶端。被损伤的部位被去除，例如通过激光切割，并更换成带有余量的部件或修补片。如果叶片材料只有很微小的损伤，只采用带有余量的材料覆层可能就足以了，例如通过激光焊药-堆焊，而不需要彻底更换部件。在实践中经常采用“叶片更换”，“叶片部件更换/修复”和“材料覆层”这些措施的组合是更有意义的，因为在较长时间的运行状态下可能产生不同的损伤形式。
出于这种状况本发明的任务在于，提供一种在带有整体叶片的转子单元上相匹配的、符合流体技术的表面加工方法，这种方法同样适用于新部件加工和修复，这种方法可以应用到整个叶片表面直到紧靠轮毂附近、包括直到轮毂的过渡区，这种方法在考虑到最小曲率的情况下能够形成任意弯曲的、无台阶并无拐点的表面，这种方法允许不同形式的材料去除以及在此之前进行的接合或材料覆层，这种方法能够特别精确、快速而经济的运行。
这个任务通过权利要求1表征的特征组合并结合前序部分中所述的特征而解决。
按照特征A，在转子单元恒定夹紧在一个循环里时实现在一台加工设备上的测量技术确定和加工。由此提高加工精确度，缩短加工周期。
基于特征B加工设备“识别”了各要被加工部位的理论表面以及最佳的、力争实现的部件轮廓。
按照特征C测量技术实际数据和给定的理论数据首先有系统的转化成计算技术上的、空间的表面，接着转化成现实的被加工部件表面，其中附属特征a至c限定细节。附属特征a确定了要被加工的表面与实际表面或所谓的修复表面之间的过渡方式，修复表面全部固定在部件实际表面以内并被加工。附属特征b限定了要被加工表面的范围特征，其中数字的/理论上的要求在实践中尽可能符合加工技术的实现，即尽可能符合其所耗费用的实现。
附属特征c考虑到这些情况，在这些情况里理论表面(理论位置上的理论轮廓)不能或不能完全被制造而是尽可能接近相对于理论位置上的理论表面。
对于专业人员来说这是很明确的，现实的机械加工过程受硬件和软件条件的限制可能导致并经常导致相对于理论上/数学上要求的偏差。但是通过可靠的而精确的加工技术能够使这种偏差最小并保持在可接受的、符合流体技术和强度要求的可忽略的数量级内。例如在机械加工的表面上可以存在最小的台阶、条纹和拐点，尽管在这些位置上已经给定了理论上精确直线的、平滑的表面走向。
根据独立权利要求方法的优选结构在从属权利要求中表征。
下面根据图示来详细解释本发明。在此给出了非常简化的、不是按照尺寸比例的简图。
图1为带有数个叶片中的一个叶片的转子单元的局部横截面图，叶片的轮廓在接合前已经大部分被加工过，
图2为留有余量的更换部件的可对比的局部横截面图，由留有余量的更换部件加工成叶片，
图3为被修复叶片的侧视图，
图4为图3中A-A截面的纵向视图，
图5为带有材料覆层的叶片顶端部位。
从图1中的带有整体叶片的转子单元1中能够表明部分轮毂4和部分叶片7。叶片7优选通过直线摩擦焊接固定在轮毂4凸起形式的突出体上并在径向向内的底端具有用于操纵和传力的加厚体11。接合区14用阴影线标明。通过有意识夸张的图示清楚表明，叶片7在几何尺寸上有误差的被固定。例如叶片不仅呈现对于轮毂4向右的侧向错位而且还有角度误差，即向右偏差于半径方向的倾斜。
图1给出了在新部件加工范围和修复范围里可能出现的状况，其中在叶片左侧由字母和数字组合的标识与修复状况有关，而右侧组合标识与新部件加工有关。
叶片7的表面应该在接合前已经被尽可能的加工过，例如通过精锻，并由此建立起实际表面I1或I3，这些面作为标准表面不允许再被改变或损伤。在加厚体11上方一点点，这个实际表面被以测量技术确定，在此以点划线给出位置的标识M1和M3表示测量区，测量区局部方式地平面确定实际表面，以在纵向和横向确定轮廓走向并在半径方向上确定轮廓变化。测量区不是一条直线，例如不是径向高度上在轮廓周围的直线，而经常是一个平面的区域。在此点划线只是表明测量区M1至M3的大约的、平均高度位置。
在修复状况下(左侧)接合区14与轮毂4之间的实际表面I2在测量区M2处被确定。
在实际表面I1，I2之间这种相互连接的、相匹配的表面O1被加工，该表面无台阶且无拐点的过渡到实际表面并且其本身也是在考虑到局部和取决于方向变化的可预先给定的最小曲率的情况下无台阶且无拐点并尽可能精确地连续。此外理论位置以前的理论轮廓这一“前提”在必要时同样有效。按照本发明的加工标准以及几何接合误差将在半径方向上导致一个平缓的S形弯曲的表面O1的走向，其中要被去除的、多余的材料用麻点形式画出。
对于新部件加工(右侧)的状况是类似的。但是在这里只在加厚体11上方测量区M3里测量。轮毂4上凸起形式的突出体在新部件状态下应该具有余量，使相匹配的表面O3从上方的实际表面I3开始向下过渡到理论表面S3，在此理论表面同样才被加工。在某些径向高度上相匹配的表面O3过渡到理论表面S3，虽然不能总体表明，但是本发明具有这种趋向，在考虑到最小曲率的情况下，过渡区域与理论值的偏差尽可能微小的实现。
图2给出了转子单元2的修复状况，在这种情况下实际上是一个完整的叶片被留有余量的部件替换。在此接合区15与轮毂5之间的实际轮廓I4在测量区M4里围绕“凸起轮廓”以测量技术确定。与被测实际表面I4全面保持距离的在部件上限定所谓的修复表面R。相匹配的表面O4的加工从所说的修复表面R开始并以尽可能微小的径向高度过渡到理论表面S4，理论表面向上一直连续到没有画出的叶片顶端。修复表面R同样在这个循环中被加工，从时间上在表面O4之前或之后都没有关系。这里三种形式的表面(O4，R，S4)被加工，其中O4产生相匹配的表面。所有表面共同构成实际叶片8的轮廓，在这里较多的余量材料被去掉。与此相对应的优点是，所制造的叶片8尽可能对应于理论值，即非常精确。
图3和4涉及所谓的修补片，即带有更换部件的叶片部件的更换，在一般情况下更换部件全面留有余量。图3画出了转子单元3的叶片9，在这里为涡轮机叶片从圆周方向上看过去的侧视图，在此轮毂6仍是局部的表示。叶片9的进入棱边跨越其径向高度的大部分向着叶片顶端12通过平面的、向右上方倾斜的截面被去掉并通过焊接上的修补片18来替换，修补片在形状上以或多或少粗糙的并全部留有余量的接近于叶片轮廓，例如可以由矩形棒材或厚板材切割而成。接合区16通过阴影线来表示。
图4给出了按照图3中A-A截面的轴向/切线视图，在图中可以看出叶片轮廓。位于接合区16右侧的叶片9的部分在其形状上是预先给定的而不被改变。叶片的实际表面I5在轮廓两侧靠近接合区16的测量区M5里被确定，以能够适配于要被加工的-从接合区16向左-的轮廓部位。相匹配的表面O5应该以尽可能短的路线过渡到理论表面S5，即理论位置的理论轮廓，这一点不是总能够实现的。至少相匹配的表面尽可能的接近理论表面，其中对于理论轮廓，即对于理论形状的匹配比对于理论位置的匹配(理论位置之前的理论轮廓)更重要。如图3和4形式的修补片在原则上能够在叶片的各个点上-其中修补片也可以位于叶片中间-例如以圆盘适配于叶片上相应的孔内。因此很明显，接合区也是弯曲、优选半圆状的，并能够自身封闭，例如成为整圆。在此修补片通常是一个更换部件，该部件具有确定形状以及具有至少局部余量用于以较大的容积延伸来消除叶片损伤。
与此相对应的存在损伤形式，在这些损伤情况下叶片材料主要是在表面部位被侵蚀，例如通过在定子部件上的机械擦过，通过气流中腐蚀性颗粒或通过腐蚀性的热气本身被侵蚀。在这里受损伤部件表面去除式的“磨光”以后，缺少的材料以“无定形的”被涂覆可能是更有效的，尤其是在熔化状态下通过焊接或钎焊。一种对于部件具有相对较少热负荷的非常理想的加工方法在这里是激光-焊药-堆焊。
图5以带有被更新顶端13的叶片10为例给出了通过材料覆层的修复。可以看出，材料19不仅在侧面而且在上方都具有余量。图示应该对应于平行于转子轴看过去的通过叶片的局部横截面图。在缩短的叶片10的上端的阴影线接合区17必须准确地在整个材料覆层19的横截面上延伸，当材料覆层完全以焊接技术地被镀覆的时候。为了能够更明确的表示出材料覆层19内部的其它细节，尽可能的省弃了阴影线。在接合区17的下部实际表面I6在测量区M6围绕叶片轮廓被确定进行数据技术处理。相匹配的表面O6被加工，该表面过渡到理论表面S6或尽可能地匹配于理论表面(在此也是：“理论位置以前的理论表面”)。一种特别简单的加工相匹配表面方法的可能性在于，实际表面，在这里是I6，在每个点上围绕轮廓向上朝着叶片顶端13切线的直线的延长，即从数学上看在高度方向上最小曲率“无穷处”(∞)的预先给定。当材料覆层的径向高度很小的时候，即过渡区在理论表面或理论轮廓方向上实际上不能实现的时候，这一点才是有意义的。此外靠近接合区的实际表面如何严重的偏离理论表面也起着重要作用。
在图5中还给出了用虚线表示的附加理论表面S7，该表面相对于S6的关系是一个附属的、限定的材料去除(较少麻点处)。这一点联想到对叶片的提示，叶片向着顶端具有台阶状的轮廓变化，通过这个轮廓变化“微量轮廓”以在整个长度上尽可能不变的厚度并对应于叶片背面的曲率过渡到非常薄的轮廓。

Claims (8)

1.用于加工位于带有整体叶片的转子单元上的相匹配的、符合流体技术的表面的方法，转子优选为轴向结构形式，转子带有轮毂并带有至少一个叶片凸缘，在至少一个叶片与轮毂和/或至少一个叶片部件与至少一个叶片材料合理地接合以后和/或在材料合理的、局部的材料覆层以后经过机械去除，其中至少这些部件的一个或材料覆层的一部分在去除前在接合区域部位上整个或局部地分别具有余量，尤其是在涡轮机新部件加工和被称为叶片轮(Blisks(BladedDisks))和叶片环(Blings(Bladed Rings))的修复范围内具有余量，其中以测量技术确定至少一个被称为局部部件轮廓的实际表面，而加工一个符合流体技术和加工技术地有效形成接合区的、与实际表面相匹配的、符合流体技术的表面，这种组合具有下列特征：
A)至少一个实际表面(I1至I6)的测量技术确定和至少一个相匹配的表面(O1，O3至O6)的加工在加工设备上在转子单元(1，2，3)保持不变的夹紧条件下而实现，即在一个相关的测量、计算和加工循环中实现，
B)从叶片顶端(12，13)直到靠近轮毂(4，5，6)的各个要被加工部位的沿径向外切理论位置上的理论轮廓的理论表面(S3至S7)在形式上被处理成可供加工设备使用的存储数据，
C)从至少一个以测量技术确定的、延伸到接合区(14至17)附近的、在几何尺寸上大部分包括误差的实际表面(I1至I6)分别按照下面的标准被计算成越过接合区(14至17)延伸的表面(O1，O3至O6)并通过去除被加工：
    a)要被加工的、符合流体技术的表面(O1，O3至O6)切向
地(尽可能十分连续的)接近到每个点，即没有拐点和台阶、以
直线和/或以局部可变的可预先给定的最小曲率接近到至少一个
实际表面(I1至I6)和/或接近到一个首先是理论上的修复表面
(R)，其中修复表面被定义为相对于被测量的实际表面(I4)
以局部可变的可预先给定的最小距离在部件内被限定和加工，
    b)要被加工的、符合流体技术的表面(O1，O3至O6)最大
可能地对应于数学连续的、立体的、至少大部分弯曲的表面，该
表面在每个点上具有局部的和/或取决于方向可变的可预先给定
的最小曲率，
    c)在每个部位，在这些部位要被加工的、符合流体技术的
表面(O1，O3至O6)可能由于a)和/或b)和/或局部的部件偏
差的原因没有或没有完全对应于沿径向外切理论位置上的理论
轮廓的理论表面(S3至S7)，表面(O1，O3至O6)在考虑到数
学连续的条件下在各半径高度上最大可能地接近到以数据形式
存储的局部理论轮廓。
2.如权利要求1的方法，应用于新部件加工范围里采用叶片的情况，该叶片的符合流体技术的轮廓在与轮毂接合之前已经大部分被加工过，其特征为，各叶片(7)以测量技术被确定为一个半径上向外侧并接近接合区(14)的加工过的实际表面(I3)(M3)，而从被测定的实际表面(I3)在半径上向中心被加工成一个过渡到理论表面(S3)的、相匹配的、符合流体技术的表面(O3)。
3.如权利要求1的方法，应用于新部件加工或更换叶片修复范围里面采用叶片的情况，该叶片的符合流体技术的轮廓在与轮毂接合之前已经大部分被加工过，其特征为，一个半径上向外侧并靠近接合区(14)的加工过的实际表面(I1)以及一个位于接合区(14)与轮毂(4)之间的实际表面(I2)以测量技术分别被确定(M1，M2)，而在这两个实际表面(I1，I2)之间被加工成相匹配的、符合流体技术的表面(O1)。
4.如权利要求1的方法，应用于更换叶片修复范围里面采用至少一个部件的情况，该部件的轮廓相对于符合流体技术的理论轮廓全部留有余量，其特征为，一个位于接合区(15)与轮毂(5)之间的实际表面(I4)以测量技术分别被确定(M4)，一个处处与实际表面(I4)存在距离的修复表面(R)被限定在部件内，从修复表面(R)半径上向外侧通过尽可能微小的高度被加工成过渡到理论表面(S4)的表面(O4)，叶片(8)符合流体技术的轮廓通过处处的去除(平整)继续被加工成理论表面(S4)，而朝着轮毂(5)方向的修复表面(R)通过去除加工而产生。
5.如权利要求1的方法，应用于在进入和/或排出棱边处具有更换叶片部件(修补片)的修复范围里面采用至少一个部件(修补片)的情况，该部件的轮廓相对于符合流体技术的理论轮廓全部留有余量，其特征为，分别在“被修补”叶片(9)的吸入和压出侧以测量技术确定靠近接合区(16)的实际表面(I5)(M5)，而在每个修复所涉及的、叶片(9)半径的高度上通过各被更换部件(18)的处处去除在最大可能接近数据式存储的理论表面(S5)的情况下完成实际表面(I5)。
6.如权利要求1的方法，应用于在全部叶片顶端处具有材料覆层的修复范围里面产生一个部位的情况，该部位的轮廓相对于符合流体技术的理论轮廓留有余量，其特征为，在径向向内并靠近所涉及叶片的接合区(17)处以测量技术确定围绕叶片(10)的实际表面(I6)(M6)，而叶片(10)的表面(O6)通过从实际表面(I6)直到被覆层的叶片顶端(13)的半径理论高度的余量去除而被完成。
7.如权利要求1至6之一的方法，其特征为，部件材料的符合加工技术的去除通过机械的/有屑的，如磨削或铣削，尤其是高速铣削，或通过电加工的或电化学的/无屑的，如以EDM技术或ECM技术来实现。
8.如权利要求1至7之一的方法，其特征为，测量技术的表面确定通过部件接触，如通过探针传感器，或通过非接触的，如光学传感器来实现。
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