CN1583315A - 精密锻造零件的制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精密锻造零件的制造工艺，该工艺包括：制造和形成第一锻造加工设备(20、30)；用所述的加工设备锻造零件，其中，零件具有确定的多余的厚度；以及它们的抛光处理，该方法的特点在于，该工艺还包括：实现第一加工设备的表面的数字化模型；锻造零件；在锻造确定数量的零件之后，根据数字模型复原加工设备或制造新的加工设备。尤其是，零件在锻造之后直接地经受抛光处理，所述处理包括机械抛光。本发明适用于锻造涡轮机的叶片。

Description

精密锻造零件的制造工艺

技术领域

本发明涉及金属零件的精密锻造领域，尤其是，诸如用于涡轮机组的大型叶片之类的复杂而笨拙的零件。

背景技术

对于金属零件的制造，当在操作过程中零件要吸收大量载荷时，较佳地是实施锻造技术。例如，压缩机的叶片或涡轮喷气飞机的发动机的压气机就是这种情形，它们遭受的振动和离心力对它们产生明显的内部载荷。

锻造是通过对金属块赋予锤打或加压而发生塑性变形的过程。该过程一般包括若干步骤，同时形成多个相继的坯件，它们逐渐地越来越接近成品零件。如果要求的话，零件的锻造通过一标定的阶段得以完成，以导致更精确的形状。

例如，对于由钛金属制成的压缩机的叶片，其操作模式包括如下的步骤：镦锻、挤压和冲压、成形长方块。

在镦锻阶段之前，金属杆经受一上釉操作的准备。它是一玻璃基的涂层，其目的在于便于物质流入到加工设备内。它还起到绝热作用，在从加热炉传送到压机的过程中保持温度，同时，在零件接触加工设备时防止任何的热冲击。它的功能还在于保护零件不致被氧化。根据一优选的实施例，在零件被送入加热炉之前用静电方法将涂层喷涂在零件上。

并行地，对两个壳体或镦锻工具的内表面进行润滑处理。镦锻阶段在于，借助于一冲头将腿杆的端部推向由两个壳体形成的内腔的内侧，升温以确保良好的延展性。当零件的形状要求如此时，在若干个连续的步骤中，在合适的工具内实施镦锻。例如，该工艺可合适地形成压缩机叶片的脚以及翅片(如果需要的话)。

在各个镦锻步骤之间，在构成一新的釉涂层之前，必须使用合适的浸槽去除已包复的釉涂层以及产生的鳞片。

根据零件的类型，例如，对于压缩机叶片，不是压气机的叶片，镦锻采用挤压步骤进行。这样的步骤包括通过模具伸展金属棒条，模具的外形对应于要实现的外形。

一旦零件已被预锻造，它们通过冲模而锻造成给定的形状。

该机械的锻造操作在于精心制作一零件，通过被锤打或施加压力将该零件的坯料强制地填充入一被雕刻有印制图形的冲压模内，该冲模具有对应于要获得的零件的形状。在钛金属情形中，其屈服应力高度地依赖于温度，锻造在高达一定限值的高温下实施，该限值由改变材料机械性能的材料的结构演变所赋于的。

对于压缩机叶片或压气机叶片，一已知的成形操作包括两个冲压操作：

一预成形冲压，它在脚和(如果要求的话)在翅片上进行，并通过将杆从圆形转变为扁平形状，以开始压扁叶片。

一成品的冲压操作，它采用材料的移位来完成锻造循环，并使零件在加工之前尽可能接近其最后的几何形状。

冲压操作在液压或螺杆型压机上进行，压机的冲压圆盘已被预热。在这样的条件下锻造的时间相当短，以避免零件快速地冷下来，以及避免由零件与所述冲模之间的热传导引起的冲模的过热，该过热是由于加工设备的温度不同于零件的温度故通过上述零件与所述冲模之间的热传导而造成的。此外，由于零件通过接触而经受高水平的应力的缘故，所以，将润滑剂施加到冲模的雕刻部分上以减慢零件冷却的过程，便于材料的流动和减小锻造载荷。

一旦零件已经锻造，对零件进行金加工并抛光成最后的尺寸。这样的操作是必要的，因为在锻造之后仍保留有多余的厚度。事实上，确定冲模的雕刻是为了保持零件的过度的厚度。在锻造之后，金加工和抛光能给成品的零件以精确的形状和要求的表面状态。

对于由钛金属制成的零件，应注意到抛光是一主要的操作。它的目的是消除由锻造操作造成的缺陷，这种缺陷易于引起裂纹的扩展。

本发明首先涉及到加工设备的研制，这些设备是上述的冲模和壳体。的确，需要改进这些对该技术的整体经济性具有负面影响的操作。

根据传统的方法实施加工设备所要求的时间相当长，因为必须进行连续修整的操作。

的确，冲模的印模不严格地具有要求获得的坯料的锻造零件的形状和尺寸。它与要求的形状和尺寸偏离一“纠正项”，该纠正项补偿锻造循环过程中加工设备的弹塑性变形。我们不能准确地知道如何预言这样的纠正项，因此，必须修整将冲模修整到从获得的试验件上测得的规范值。在所谓的“精密”锻造中，多余的厚度很小，例如0.8mm，这样，使用一砂轮带通过抛光坯料的零件即可获得成品的零件，或者(如果需要的话)，应注意到：如果零件由钛金属制成，则通过化学加工和砂轮带抛光的组合来获得成品的零件。叶片的翼面部分就属这种情形。

因此，研制一精密锻造冲模是一漫长迂回和费钱的过程，因为它要求许多与零件的锻造试验交织的修整的操作。

修整不能快速地执行，因为它要求多次的锻造试验，每次包括这样的步骤：对加工设备进行加热和将加工设备组装于压机上、认识几个零件、标定和控制这些零件。此外，试验零件通常不再派用场；在大多数情形中它们被浪费掉。在试验和修整操作过程中，应该注意到：诸如压机、冲模传送带、控制仪器等装置不再用于生产。

应该注意到：根据该传统的方法，实际上不可能获得两个相同的加工设备，不管是冲模还是壳体。

加工设备的精度不足使借助于该加工设备制造的产品无规律性。

一旦冲压已被调整，即，一旦获得的坯料的锻造试验零件具有要求的形状和尺寸，这样的冲模即可投入使用，以制造一系列零件。该冲模在操作中逐渐变劣，例如，这样的情形也许在1000至5000个零件之后，必须复原该冲模或使用新的模具。

根据第一方法，变劣的冲模的复原在于重新加载材料已被磨损掉的区域和加工和抛光一新的印模(print)。根据第二方法，在消除氮化层和除去几个毫米材料厚度之后，通过金加工完全地再构造印模。该技术称之为再洗(rewashing)。冲模的复原或新冲模的制造需要如初始冲模那样的调整。因此，它们也是时间长和成本高。

通过砂轮带在五个或六个轴线型的机器上进行抛光，是非常适合于诸如叶片的翼面之类的形状复杂的零件。与金加工操作不同，例如通过磨削，砂轮带抛光在每一道上去除一预定的材料厚度，随着砂轮带的速度和施加在零件上的压力的增加而增加了材料厚度，所述厚度随砂轮带相对于零件的向前速度的减小而减小。因此，零件在砂轮带磨道(abrasive belt pass)之后的形状和尺寸直接地取决于所述磨道前的零件的形状和尺寸。

由于所有第一零件是相同的，所以，不会造成由冲模生产的第一零件的任何问题。然而，随着锻造的继续，可发现冲模变劣(发生磨损、塑性变形等)。

为了定期检查，需对零件取样。当零件的尺寸达到规定的降质阈值时，则加工设备进行复原，或制造新的加工设备。用新的冲模或复原的冲模获得的零件可要求若干个规范测定的分离的抛光磨道，这样，它们严格地与用第一冲模获得的零件相同。这种结果的相似性在涡轮喷气飞机发动机的转子级上的多组的叶片的情形中尤显重要。

有待解决的问题是，降低抛光的成本，并获得严格相同的零件，但它们可用不同的冲模进行锻造。这些问题还在于，避免因零件不满足技术规格而浪费零件，在精密锻造的情形中，为确认工艺的有效性，这一点是一重要的准则。

发明内容

根据本发明，该问题可用精密锻造零件制造工艺来解决，该工艺包括：

制造和形成第一锻造加工设备；

用所述的加工设备锻造零件，其中，零件具有确定的多余的厚度；以及

它们的抛光处理。

该方法的特点在于包括下列诸步骤：

实现第一加工设备的表面的数字化模型；

锻造零件；

在锻造确定数量的零件之后，根据数字模型复原加工设备或制造新的加工设备。

较佳地，在锻造之后直接使零件经受抛光处理，所述处理包括机械抛光。

尤其是，当零件由钛金属制成时，抛光处理包括机械抛光和化学加工的组合。

化学加工包括钛合金的化学溶解。

材料去除在零件的浸泡时间内处理。

根据本发明方法的显著之处在于：

a)第一冲模被特别地调整，以使粗锻零件具有的多余的厚度易于通过机械抛光和/或化学加工操作在单一的过程中去除，或至少不求助于大量的手工修整操作。

b)当第一冲模被调整时，数字化地获得在印模表面上的确定数量点的位置，并将所述表面的模型数字化。

c)如果冲模新交换，则制造包括一抛光加工操作，这样，其印模的数字模型等同于第一冲模的印模的数字模型。

较佳地，由于有砂轮带的缘故使抛光可以自动化。有利地是，可使用一显现有驱动一砂轮带接触轮系统(contact wheel system)的机器。这种机器有利地能控制去除的值和要求的表面状态，该控制是根据简单机器的参数，例如由接触轮施加在零件上的载荷、砂轮带在接触轮上的运行速度以及接触轮相对于加工零件的相对位移速度进行的。

该工艺能控制除去的多余的厚度，并能在锻造之后相当地减少连续抛光步骤的数量。零件的几何形以及其抛光的表面状态得到保证，手工的修整操作达到最小，更不用说根本没有这样的修整操作。

附图说明

其它的特征和优点将显现在下面参照诸附图对本发明的方法的描述中，其中

图1是一冲模；

图2是一镦锻壳体；

图3是一砂轮带抛光机。

具体实施方式

如图1和2中所示，本发明的锻造方法涉及的加工设备，不管它包括一叶片锻造冲模20还是一镦锻壳体30，该加工设备的形状是复杂的，另外还带有：

高度弯曲的被包复和扭转的区域；

非常小的弯曲；

深且狭窄，例如100mm的深度与底部为20mm的宽度；

由平面、圆柱、锥形和表面部分之间的圆角组合；

以及，在加工设备的两侧之间的高度的显著的变化。

冲模通过印模的磨损，明显的是通过塑性变形而逐渐地变劣。当变劣的程度达到一预定的阈值时，加工设备的更新认为是必要的，根据先前调整的储存在加工设备上的信息，进行所述设备的复原或制造新的加工设备。从而确保方法的连续性。

在将第一加工设备调整到最后的尺寸之后，实现这样加工设备的数字模型。实施加工表面的的该数字模型的装置本身是已知的，并可从市场上购得。

工业上最常用的物品是接触传感器，它们可在三维测量机(MMT)上找到。因为传感器端部的球形状，所以这样的传感器提供的结果应经受一半径修正计算(radius correction calculation)。

在无接触传感器(contact free sensor)中，目前最流行的是基于带有一个或若干个激光源的光学技术的传感器，或无激光的光学技术的传感器。两种传感器使用的测量原理都立足于三角学，具体来说，基于三角测量方法。

在带有激光源技术的情形中，零件被一相干光源照明(通常是一激光束)，而一个或若干个CCD(电荷耦合装置)型的相机从一通常不同于发射角的角度观察情景。在相机的标定阶段之后从相机的CCD阵列上的画面的坐标点推知目标的坐标点。在无激光技术的情形中，其原理是基于投射到零件上的一规则栅格的条纹网格的投射，然后通过三角测量法计算目标的表面点。

一旦传感器选定应定义三维的数字化的策略，该策略在于：

寻找一个或若干个传感器的位置，它们能实现所有可接近的零件的表面的数字模型；

根据实施的任务选择诸暗斑点(cloud of point)的密度，然后，从所述结果，进行例如快速的原型设计、表面再建或显形(visualization)。

对于所有锻造加工设备，要求例如0.02mm量级的精度要求。

如果需要的话，根据表面的一定部分的几何形的复杂性，表面的几何形遵从一再建的阶段。这样的操作可以用本技术领域内的技术人员熟知的数据处理方法来实施。

首先，收集由数字化获得的暗斑。根据该暗斑的质量，可以必要地应用一过滤器，其目的是衰减多个小的局部变化，而消除异常的点、测量误差等。

基于该处理的暗斑进行的再建：

对于参考区域(平面、圆柱形、球形)，自动地再建形状。

如果没有这点，再建一表面，它“最好”覆盖由其边界描绘的选择的点。这后者可以是已经再建的元件的边界、描绘在诸暗斑点上的曲线、理论的元件。在完成各个方形的再建后，软件能在再建的表面上分析(最大偏差、两个相邻方形的边界之间的最大距离…)。该分析能使操作者修正再建的参数(数学定义参数、表面张力、边界曲率…)。

当数字模型执行时，它在CAD文件格式下存储，输入到CAD环境中，以便产生制造策略，然后，一对加工工具的数字程序，例如，一UHS高速型加工工具。

然后，该程序用来制造新的加工设备、冲模，以使它们严格地与完善的初始的加工设备一致。

在“重洗”或新的加工设备的情形中，通过在完善的加工设备的CAD模型与从制造的加工设备的数字化中得出的暗斑点之间的比较，可进行确认。

下面描述一借助于六轴线型抛光机在打磨锻件之后的抛光方法。

零件的几何形通过一多维型技术进行控制，通过组合使用一粘结带的薄弱点遮蔽(weak point masking)和化学加工(chemical machining)，可在整个叶片上重新平衡厚度和几何形。

然后，去除多余的材料厚度，在平面精度上要求的叶片的最后表面状态，在六轴线抛光机上自动抛光。下面根据示出六轴线型的商用机器的图3来描述该方法。

该机器包括一带有零件支承2的框架1，例如，借助于一机械的或液压的突缘装置，一压缩机叶片沿其主轴线保持水平。第一引擎4确保零件绕其主轴线的转动位置(转动轴线U)。第二引擎6确保零件的支承沿一平移轴线(x)的位移。第三引擎8驱动安装在一接触轮10上并通过滚轮系统而伸展开的砂轮带。

此外，接触轮10的转动轴线沿垂直于第一轴线x的两个轴线(y和z)平移地定位，而沿其相关的转动轴线V和W转动地定位。

接触轮的接触表面相对于零件的表面恒定地保持在切向位置上。

根据一实施例，使用了一接触轮，其宽度为25mm，外直径为120mm。表面上，诸槽设置在足够刚性的涂层上，其肖氏硬度为65。

抛光操作包括沿轴线x移动零件，围绕其轴线转动所述零件。接触轮恒定地保持沿切向接触零件的表面。接触轮承受由圆柱形施加的压力确定的一压力，一确定的砂轮带的速度，以便考虑零件相对于接触轮的进刀量，有控制地去除材料量。一旦零件退出抛光机，它准备加工脚和翅片(如果需要的话)，使叶片满足几何形以及表面状态的技术要求。

Claims (10)

1.一种精密锻造零件的制造工艺包括：

制造和形成第一锻造加工设备(20、30)；

用所述的加工设备锻造零件，其中，零件具有确定的多余的厚度；以及它们的抛光处理，

其特征在于，该工艺还包括：

实现第一加工设备(20、30)的表面的数字化模型；

锻造零件；

在锻造确定数量的零件之后，根据数字模型复原加工设备或制造新的加工设备(20、30)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，零件在锻造之后直接经受一抛光处理，所述处理包括机械抛光。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，抛光处理还包括化学加工。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制锻造的零件，以确定何时新的加工设备(20、30)应复原或制造。

5.如上述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，制造的加工设备(20、30)的调整包括：

a.在制造的加工设备的表面上获得确定数量的点的数字位置；

b.将点的位置与数字模型比较；以及

c.可能地纠正加工设备的表面。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过无接触光学测量来获得表面的诸点。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，使用机械方法数字地获得诸点。

8.如权利要求1至7中任何一项所述的方法，其特征在于，随后是用打磨消除零件的多余的厚度。

9.如上述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，使用一安装在接触轮上的砂纸带，该接触轮压靠在多余厚度的表面上，以此实施打磨。

10.如上述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，通过选定机器的参数确定要去除的材料的量，这些参数是压靠在表面上的接触轮的压力、砂轮带的向前速度以及接触轮的位移速度。

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