DE102008008894A1

DE102008008894A1 - Method for producing a component for a thermal machine

Info

Publication number: DE102008008894A1
Application number: DE200810008894
Authority: DE
Inventors: Alexander Eitel; Daniel Henseler
Original assignee: MAN Turbo AG
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2008-02-13
Filing date: 2008-02-13
Publication date: 2009-08-20
Also published as: EP2240290A1; JP2011511716A; CN101970165A; WO2009100745A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles für eine thermische Maschine, insbesondere zur Herstellung einer Komponente für eine Turbine, einen Kompressor oder Expander, bei dem ein Rohling des Bauteils zumindest abschnittsweise durch Erodieren bearbeitet und die durch Erodieren erzeugte Oberfläche durch Gkeitspanen und/oder durch Elektropolieren derart veredelt wird, dass die durch das Erodieren enstandene Recast-Schicht zumindest abschnittsweise vollständig entfernt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Bauteil für eine thermische Maschine, das mit Hilfe des empfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.The invention relates to a method for producing a component for a thermal machine, in particular for producing a component for a turbine, a compressor or expander, in which a blank of the component at least partially processed by erosion and the surface generated by erosion by Genzerspanen and / or is refined by electropolishing such that the recast formed by the erosion recast layer is at least partially completely removed. Furthermore, the invention relates to a component for a thermal machine, which is produced by means of the process according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles für eine thermische Maschine, insbesondere zur Herstellung einer Komponente für eine Turbine, einen Kompressor oder einen Expander, bei dem ein Rohling des Bauteils zumindest abschnittsweise durch Erodieren bearbeitet und die durch Erodieren erzeugte Oberfläche durch Feinstbearbeitung weiterbearbeitet wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Bauteil für eine thermische Maschine, das mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.The The invention relates to a method for producing a component for a thermal machine, in particular for the production a component for a turbine, a compressor or an expander, in which a blank of the component at least in sections machined by eroding and the surface created by erosion is further processed by superfinishing. Furthermore, the invention relates a component for a thermal machine that with the help of of the method according to the invention is produced.

Thermische Maschinen, wie Turbinen, Kompressoren oder Expander, sind vielfach mit Bauteilen ausgestattet, welche zum Teil sehr komplexe Formen aufweisen, beispielsweise Turbinenschaufeln. Zur Herstellung derartiger Bauteile kommt immer häufiger das Erodieren zum Einsatz, ein thermisches, abtragendes Fertigungsverfahren für leitfähige Bauteile, bei dem durch elektrische Entladungsvorgänge zwischen einer Elektrode und dem Bauteil ein Materialabtrag erfolgt. Mit dem Erodieren lassen sich insbesondere komplexe Ausnehmungen ausformen, beispielsweise besonders geformte Nuten, Taschen mit komplexen Querschnittsformen oder ähnliches.thermal Machines, such as turbines, compressors or expanders, are many equipped with components, some of which have very complex shapes, for example, turbine blades. For the production of such components erosion is becoming more common, a thermal, abrasive manufacturing process for conductive Components in which by electrical discharge operations between an electrode and the component material removal takes place. With In particular, complex recesses can be formed by eroding, for example specially shaped grooves, pockets with complex cross-sectional shapes or similar.

Nachteilig bei der Anwendung des Erodierens ist, dass die erodierten Oberflächenabschnitte, also die Oberflächeabschnitte, an denen die Funkenentladung stattfand, mit feinen Kratern übersät sind und die Oberflächen eine narbige Struktur zeigen. Ferner kommt es in Randzonen des Bauteiles durch die Entladungsvorgänge, die oft mit sehr hohen Temperaturen verbunden sind, zu Gefügeänderungen in der oberflächennahen Schicht, wobei diese oberflächennahe Schicht häufig noch von Mikrorissen durchsetzt ist. Diese Schicht wird auch als „Recast-Schicht" (auch Recastlayer) oder „weiße Schicht" bezeichnet, wobei die Dicke und Beschaffenheit der Recast-Schicht unter anderem von den Einstellparametern, der Materialpaarung von Werkzeug und Bauteil, der gewünschten Oberflächenrauhigkeit und der Maschine abhängt.adversely in the application of eroding is that the eroded surface sections, ie the surface sections where the spark discharge took place, are littered with fine craters and the surfaces show a pitted structure. Further comes it in peripheral zones of the component by the discharge processes, which are often associated with very high temperatures, structural changes in the near-surface layer, which is near the surface Layer is often still interspersed with microcracks. These Layer is also called "recast layer" (also recast layer) or "white layer", wherein the thickness and nature of the recast layer, among other things, the setting parameters, the material combination of tool and component, the desired Surface roughness and the machine depends.

Da die Recast-Schicht zum einen nicht mehr dem metallurgischen Aufbau des verwendeten Grundwerkstoffs entspricht und somit abweichende Eigenschaften aufweist, ist sie insbesondere bei der Herstellung von Bauteilen für thermische Maschinen nicht erwünscht. Zum anderen weist die Recast-Schicht eine vergleichsweise hohe mittlere Rauheit Ra gemäß DIN EN ISO 3274 oder DIN EN ISO 4287 , auf. Diese kann in einem Bereich von 3 bis 4 μm liegen, was bei bestimmten Einsatzzwecken von Bauteilen für thermische Maschinen gleichfalls unerwünscht ist. Aus diesem Grund wird bei Bauteilen für thermische Maschinen die Recast-Schicht bisher durch manuelle Schleifprozesse entfernt.Since the recast layer on the one hand no longer corresponds to the metallurgical structure of the base material used and thus has deviating properties, it is not desirable in particular in the manufacture of components for thermal machines. On the other hand, the recast layer has a comparatively high average roughness Ra in accordance with DIN EN ISO 3274 or DIN EN ISO 4287 , on. This can be in a range of 3 to 4 microns, which is also undesirable for certain applications of components for thermal machines. For this reason, the components of thermal machine components have hitherto removed the recast layer by manual grinding processes.

Allerdings hat sich in der Vergangenheit gezeigt, dass sich insbesondere bei Bauteilen mit komplexen Formen, wie Komponenten für Turbinen, Kompressoren oder Expandern, die Recast-Schicht an schlecht zugänglichen Stellen nicht, nur unzureichend oder nur mit hohem Aufwand entfernen lässt. Gleichzeitig ist eine für die Serienfertigung notwendige hohe Reproduziergenauigkeit an den Oberflächen häufig nicht gewährleistet.Indeed has been shown in the past, especially at Components with complex shapes, such as components for turbines, compressors or expanders, the recast layer at hard to reach Do not put, inadequate or only with great effort remove leaves. At the same time, one is for series production necessary high reproducibility on the surfaces frequently not guaranteed.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen für thermische Maschinen anzugeben, mit dem auch Bauteile komplexer Formen mit hoher Qualität, insbesondere mit hoher Wiederholgenauigkeit und Oberflächengüte, gefertigt werden können.task The invention is a method for the production of components specify for thermal machines, with which also components complex shapes with high quality, especially with high repeatability and surface quality, can be made.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst und insbesondere dadurch, dass zur Feinstbearbeitung oder nach einer vorhergehenden Feinstbearbeitung der erodierten Oberflächen ein Gleitspanen und/oder ein Elektropolieren zum Einsatz kommt.According to the invention this object by a method having the features of claim 1 solved and in particular the fact that the finest processing or after a previous microfinishing of the eroded Surfaces a Gleitspanen and / or electropolishing is used.

Wie Versuche der Erfinder gezeigt haben, ist es möglich, auch bei sehr komplexen Formen, die durch Erodieren erzeugt worden sind, die entstandene Recast-Schicht durch Gleitspanen und/oder durch Elektropolieren zu entfernen.As Experiments of the inventors have shown, it is possible, too for very complex shapes created by erosion, the resulting recast layer by Gleitspanen and / or by electropolishing to remove.

Beim Gleitspanen, bei dem vorzugsweise kleine Schleifkörper aus mit Schleifmaterial versetzter Keramik oder mit Schleifmaterial versetztem Kunststoff zum Einsatz kommen, erfolgt verfahrensbedingt nicht nur ein Abschleifen der Oberflächen, sondern gleichzeitig auch ein Lappen bzw. Polieren derselben. Dabei lassen sich durch das Gleitspanen nicht nur die teilweise sehr harten Recast-Schichten wirkungsvoll entfernen. Darüber hinaus können Oberflächen mit mittleren Rauheiten Ra nach DIN EN ISO 3274 oder DIN EN ISO 4287 von bis zu Ra 1,0–1,6 erreicht werden. Ferner können je nach Größe der gewählten Schleifkörper die Recast-Schichten auch an schwer zugänglichen Stellen beseitigt werden.When Gleitspanen, in which preferably small abrasive particles made of abrasive material offset ceramics or mixed with abrasive material plastic are used, is due to the process not only a grinding of the surfaces, but at the same time a rag or polishing them. Not only the partially very hard recast layers can be effectively removed by gliding. In addition, surfaces with average roughness Ra after DIN EN ISO 3274 or DIN EN ISO 4287 of up to Ra 1.0-1.6 can be achieved. Furthermore, depending on the size of the selected abrasive, the recast layers can be eliminated even in hard to reach places.

Alternativ oder ergänzend zum Gleitspanen wird ferner das Elektropolieren zur Beseitigung der Recast-Schichten vorgeschlagen. So kann durch geeignete Auswahl des Elektrolyten sowie durch gezieltes Einstellen der Bearbeitungsdauer, der Stromdichte und der Elektrolyttemperatur nicht nur die Recast-Schicht vollständig entfernt werden, wobei auch hier für das Schleifen unzugängliche Oberflächenabschnitte bearbeitet werden können. Darüber hinaus können gezielt gewünschte mittlere Rauheiten an der zu polierenden Oberfläche erzeugt werden.alternative or in addition to the sliding cutting is also the electropolishing proposed to eliminate the recast layers. So can through suitable selection of the electrolyte as well as through targeted adjustment the processing time, the current density and the electrolyte temperature not only are the recast layer completely removed, although here too inaccessible for the grinding Surface sections can be edited. In addition, you can specifically target generated average roughness on the surface to be polished become.

Der Rohling wird beispielsweise durch herkömmliche Verfahren, insbesondere durch Ur- oder Umformen wie Gießen, Schmieden oder dergleichen hergestellt und/oder, insbesondere aus Schmiede- oder Rundmaterial, durch spanabhebende Verfahren für das erfindungsgemäße Verfahren vorbereitet.The blank is for example by her conventional methods, in particular by Ur- or forming such as casting, forging or the like prepared and / or, in particular from forging or round material prepared by machining processes for the inventive method.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Unteransprüchen.Further advantageous developments of the invention will become apparent from the Description and the dependent claims.

Um bereits beim Erodieren eine möglichst geringe mittlere Rauheit einstellen zu können, erfolgt das Erodieren der Oberflächen bevorzugt in mehreren Stufen. Durch das mehrstufige Erodieren wird zwar einerseits der Materialabtrag vermindert, andererseits jedoch der Einfluss auf das Gefüge weiter innenliegender Schichten verringert. Dabei ergibt sich gleichzeitig eine geringe mittlere Rauheit als bei einem einmaligen Erodieren mit größerem Materialabtrag, was für die sich anschließenden Feinstbearbeitungsschritte von Vorteil ist.Around Already during eroding, the lowest possible average To be able to adjust roughness, the erosion of the Surfaces preferably in several stages. Through the multi-level Eroding is on the one hand reduces the material removal, on the other hand however, the influence on the structure further inward Layers reduced. At the same time this results in a low average roughness than a single erosion with a larger one Material removal, what for the subsequent Finest processing steps is an advantage.

Zum Gleitspanen wird der erodierte Körper gemeinsam mit Schleifkörpern und – bevorzugt – einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, in einen Arbeitsbehälter gegeben, welcher zum Gleitspanen oszillierende und/oder rotierende Bewegung ausführt. Dabei werden die Schleifkörper an den zu behandelnden Oberflächen vorbeigeführt, wobei der Materialabtrag erfolgt. Als Schleifkörper kommen insbesondere keramische Schleifkörper zum Einsatz, welche mit entsprechenden Schleifmitteln versetzt sind. Um den Abtrag weiter zu verbessern und den Abtransport des Abtrags zu erhöhen, werden der Flüssigkeit vorzugsweise Additive zugesetzt. Dabei können den Additiven zusätzlich Substanzen zugegeben werden, die auch den Korrosionsschutz der Bauteile fördern und/oder gleichzeitig entfettend wirken. Soll eine Beizwirkung erreicht werden, ist auch die Zugabe saurer Additive möglich. Bei flachen Bauteilen können auch mechanische Trennmittel (beispielsweise kleine Kunststoffkügelchen) zugegeben werden, die ein Aneinanderanhaften der Bauteile verhindern.To the Gleitspanen becomes the eroded body together with grinding wheels and - preferably - a liquid, especially water, placed in a working container, which performs oscillating and / or rotating movement for sliding cutting. there become the grinding wheels on the surfaces to be treated passed, wherein the material removal takes place. As a grinding wheel ceramic abrasives are used in particular, which are mixed with appropriate abrasives. To the removal continue to improve and increase the removal of the removal, Preferably, additives are added to the liquid. In addition, additives can be added to the additives be added, which also promote the corrosion protection of the components and / or degreasing at the same time. Should a pickling effect be achieved addition of acidic additives is also possible. at flat components can also mechanical release agents (for example small plastic beads) which adhere to each other prevent the components.

Der Abtrag der Recast-Schicht beim Gleitspanen kann zusätzlich durch die Zugabe von Chemikalien zur Erzeugung von Oxalat- und Phosphatverbindungen an den erodierten Oberflächen erhöht werden. Durch Zugabe derartiger Chemikalien werden insbesondere an den Rauhigkeitsspitzen Oxalat- und Phosphatüberzüge erzeugt, welche im Vergleich zu den Schleifmitteln eine deutlich geringere Härte aufweisen. Dadurch lässt sich der Materialabtrag beim Gleitspanen weiter erhöhen, während gleichzeitig die mittlere Rauheit weiter vermindert werden kann.Of the Removal of the recast layer during sliding machining can additionally by the addition of chemicals to produce oxalate and phosphate compounds increased on the eroded surfaces. By Addition of such chemicals are especially at the roughness peaks Oxalate and phosphate coatings produced in the Compared to the abrasives have a significantly lower hardness. This allows the material removal during sliding cutting continue to increase while at the same time the middle one Roughness can be further reduced.

Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensführung kann sich an das Gleitspanen ein zusätzlicher Polierschritt anschließen. Wird das Gleitspanen durch die Zugabe von Chemikalien zur Erzeugung von Oxalat- und Phosphatverbindungen unterstützt, kann das Polieren bei entsprechender Wahl der Polierflüssigkeit auch unmittelbar anschließend in demselben Arbeitsbehälter erfolgen. Dabei wird in den Arbeitsbehälter vorzugsweise eine Polierflüssigkeit gegeben, welche die die Erzeugung von Oxalat- und Phosphatverbindungen bewirkenden Chemikalien neutralisiert und dem Werkstoff des Bauteiles gegenüber inert ist. Als Polierflüssigkeit eignet sich beispielsweise ein Gemisch aus Phosphatsalzen und Gleitmitteltensiden.at a particularly preferred method may be attach an additional polishing step to the sliding chip. Is the sliding cutting by the addition of chemicals to produce supported by oxalate and phosphate compounds the polishing with appropriate choice of polishing fluid also immediately afterwards in the same work container respectively. It is preferably in the working container given a polishing liquid, which is the generation neutralized by oxalate and phosphate compounds causing chemicals and the material of the component is inert to. When Polishing fluid is for example a mixture from phosphate salts and lubricant surfactants.

Zum Elektropolieren wird der erodierte Körper zumindest mit Abschnitten seiner erodierten Oberflächen in ein Elektrolytbad aus einem werkstoffspezifischen Elekt rolyten eingetaucht und als Anode geschaltet. Anschließend wird das Werkstück entweder mit konstantem oder gepulstem Gleichstrom beaufschlagt. Insbesondere durch den Einsatz gepulsten Stromes wird erreicht, dass sich die Recast-Schicht von den erodierten Oberflächenabschnitten besonders gut löst. Das Elektropolieren kann vereinfacht auch als umgekehrtes Galvanisieren bezeichnet werden. Ferner kann durch Vorgeben einer definierten Bearbeitungsdauer, einer bestimmten Stromdichte oder auch durch Vorgeben einer bestimmten Elektrolyttemperatur gezielt der Materialabtrag und die Rauheit der Oberfläche eingestellt werden.To the At least the eroded body will electropolish Sections of its eroded surfaces into an electrolyte bath from a material-specific Elekt rolyten immersed and as an anode connected. Subsequently, the workpiece is either subjected to constant or pulsed direct current. Especially through the use of pulsed current is achieved that the Recast layer from the eroded surface sections dissolves particularly well. The electropolishing can be simplified also referred to as reverse plating. Furthermore, can by specifying a defined processing time, a specific Current density or by predetermining a certain electrolyte temperature specifically the material removal and the roughness of the surface be set.

Als Elektrolyt wird vorzugsweise ein Gemisch aus Wasser und anorganischen Säuren verwendet. In Abhängigkeit von dem Werkstoff des Bauteiles können jedoch auch andere anorganischer Säuren als Elektrolyt zum Einsatz kommen, beispielsweise ein Gemische aus Phosphorsäure und Schwefelsäure. Auch die Zugabe von Alkoholen ist möglich.When Electrolyte is preferably a mixture of water and inorganic Acids used. Depending on the material of the component, however, other inorganic acids used as electrolyte, for example, a mixture of Phosphoric acid and sulfuric acid. Also the encore of alcohols is possible.

Die Schritte des Gleitspanens und des Elektropolierens können in unterschiedlichen Reihenfolgen angeführt werden, beispielsweise zunächst Gleitspanen mit anschließendem Elektropolieren oder umgekehrt. Das Gleitspanen und/oder Elektropolieren kann auch mehrstufig, gegebenenfalls abwechselnd, erfolgen.The Steps of slip-chip and electropolishing can in different orders, for example first sliding glazings with subsequent electropolishing or vice versa. Sliding and / or electropolishing can also be multi-stage, optionally alternately.

Nach der Bearbeitung der erodierten und durch Gleitspanen und/oder Elektropolieren behandelten Oberflächen kann das Bauteil weiteren Bearbeitungsschritten, wie spanenden Bearbeitungsschritten oder Schritten zur Materialvergütung oder Materialhärtung, unterzogen werden.To the machining of eroded and by sliding and / or electropolishing treated surfaces, the component further processing steps, such as machining steps or steps for material remuneration or material hardening.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es erstmals möglich, Bauteile für thermische Maschinen mit hoher Wiederholgenauigkeit und Präzision unter Einsatz des Erodierens zu fertigen.By the inventive method is the first time possible, components for thermal machines with high repeat accuracy and precision in use of eroding.

Ferner betrifft die Erfindung ein Bauteil für eine thermische Maschine, das mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.Further The invention relates to a component for a thermal Machine that with the help of the invention Process is made.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list The documents listed by the applicant have been automated generated and is solely for better information recorded by the reader. The list is not part of the German Patent or utility model application. The DPMA takes over no liability for any errors or omissions.

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

- DIN EN ISO 3274 [0004]
- DIN EN ISO 4287 [0004]
- DIN EN ISO 3274 [0009]
- DIN EN ISO 4287 [0009]

Claims

Process for producing a component of a thermal machine, in particular for the production of a component for a turbine, a compressor or expander, in which a blank of the component at least partially processed by erosion and the surface generated by erosion by sliding chips and / or is processed by electropolishing such that a at least partially formed by erosion recast layer at least partially, in particular substantially completely Will get removed.

The method of claim 1, wherein the eroding is performed in several stages.

The method of claim 1 or 2, wherein the blank Gleitspanen together with grinding wheels and a Liquid, in particular water, which preferably with an additive is added to a working container is, which for Gleitspanen oscillating and / or rotating Exercise movement.

The method of claim 3, wherein the sliding cutting by adding chemicals to produce oxalate and phosphate compounds supported on the eroded surfaces.

Method according to one of claims 1 to 4, which is followed by polishing on the Gleitspanen.

The method of claim 4 and 5, wherein at the sliding cutting connects a polishing, in which in the Working container given a polishing fluid which is the production of oxalate and phosphate compounds substantially neutralizing and / or causing the effecting chemicals Material of the component is inert to.

Method according to one of the preceding claims 1 to 5, in which for electropolishing the eroded blank at least with sections of its eroded surfaces in an electrolyte bath from a, in particular material-specific, immersed in the electrolyte and connected as an anode with constant or pulsed direct current is charged.

Method according to claim 7, characterized in that that the electrolyte is a mixture of a liquid, especially water, and one or more inorganic acids, such as hydrochloric acid and / or sulfuric acid and / or Nitric acid, is.

Component for a thermal machine, manufactured by a method according to any one of the preceding claims 1 to 8.