DE102014205941A1

DE102014205941A1 - Method for machining inner contours of components

Info

Publication number: DE102014205941A1
Application number: DE102014205941.0A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Retze; Dagobert Göpfert; Michael Hillen
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2015-10-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von Innenkonturen von Bauteilen. Ein Bauteil (2) mit einem Hohlraum (14) wird bereitgestellt und der Hohlraum (14) wird mit einem Hilfsstoff (20) befüllt. Das Bauteil (2) wird dann in Schwingungen versetzt bis mindestens eine Innenkontur (16) des Hohlraums (14) eine mittlere Rauheit (Ra) von kleiner gleich 1 µm aufweist.The invention relates to a method for machining inner contours of components. A component (2) having a cavity (14) is provided and the cavity (14) is filled with an adjuvant (20). The component (2) is then vibrated until at least one inner contour (16) of the cavity (14) has an average roughness (Ra) of less than or equal to 1 μm.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von Innenkonturen von Bauteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a method for processing inner contours of components according to the preamble of claim 1.

Zur Bearbeitung von Oberflächen von Bauteilen ist es bekannt, Schleifverfahren einzusetzen, um mit abrasiven Partikeln Material von der zu bearbeitenden Oberfläche zu entfernen. Durch die Verwendung von entsprechend dimensionierten Partikeln kann durch eine entsprechende Oberflächenbearbeitung beispielsweise eine Glättung der Oberfläche erzielt werden. Bei üblichen Schleifverfahren werden die abrasiven Stoffe in Form von Schleifpapier oder Schleifscheiben relativ zu der zu bearbeitenden Oberfläche bewegt. Bei geschlossenen Hohlräumen können Schleifscheiben nicht genutzt werden, da diese nicht an die Innenwandungen bzw. Innenkonturen gelangen können. For machining surfaces of components, it is known to use grinding methods to remove abrasive particles from the material to be machined surface. By using appropriately sized particles, for example, a smoothing of the surface can be achieved by a corresponding surface treatment. In conventional grinding processes, the abrasive substances in the form of sandpaper or grinding wheels are moved relative to the surface to be processed. If the cavities are closed, grinding wheels can not be used because they can not reach the inner walls or inner contours.

Neben diesem Schleifverfahren, ist es auch bekannt, Schleifpartikel in einem Fluid relativ zur Oberfläche zu bewegen. Dazu gehört unter anderem das Druckflußläppen. Dabei wird eine Schleifpaste unter Druck durch Bauteile gepresst. Dadurch werden Partikel und Grate entfernt, Kanten verrundet und die Oberflächengüte deutlich verbessert. Im Innenbereich der Bauteile können Oberflächengüten von bis zu einer mittleren Rauheit von 0,1 µm erreicht werden. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass z.B. bei Triebwerksbauteilen, insbesondere innengekühlte Turbinenschaufeln, die Kühlluftbohrungen unzulässig und ungewollt vergrößert werden. Ferner wird bei flächigen Konturen nicht gleichmäßig abgetragen. In addition to this grinding process, it is also known to move abrasive particles in a fluid relative to the surface. These include, inter alia, the Druckflußläppen. An abrasive paste is pressed under pressure by components. This removes particles and burrs, rounds edges and significantly improves the surface quality. In the interior of the components, surface finishes of up to an average roughness of 0.1 μm can be achieved. This method has the disadvantage that e.g. in engine components, in particular internally cooled turbine blades, the cooling air holes are inadmissible and unintentionally increased. Furthermore, it is not evenly removed in the case of flat contours.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren für die Bearbeitung von Innenkonturen vorzustellen, bei dem die Innenkonturen gleichmäßig bearbeitet werden. Thus, the present invention, the object of a method for the machining of inner contours imagine, in which the inner contours are processed uniformly.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. The object is solved by the features of claim 1.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von Innenkonturen von Bauteilen. Es wird ein Bauteil mit einem Hohlraum bereit gestellt. Der Hohlraum wird mit einem Hilfsstoff befüllt. Dann wird das Bauteil in Schwingungen versetzt bis mindestens eine Innenkontur des Hohlraums eine mittlere Rauheit von kleiner gleich 1 µm aufweist. The invention relates to a method for machining inner contours of components. It is a component provided with a cavity. The cavity is filled with an excipient. Then, the component is set in vibrations until at least one inner contour of the cavity has an average roughness of less than or equal to 1 μm.

Dies hat den Vorteil, dass durch die Bearbeitung, insbesondere das Glätten und/oder das Verfestigen der Innenkontur von Hohlbauteilen, vergleichbare Festigkeitseigenschaften wie die einer gegossenen oder gefrästen Oberfläche erreicht werden. This has the advantage that comparable strength properties as those of a cast or milled surface can be achieved by the machining, in particular the smoothing and / or the solidification of the inner contour of hollow components.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden nach dem Schwingen der Hilfsstoff und/oder der beim Bearbeiten entstandene Schlamm und/oder Staub aus dem Hohlraum entfernt. Dazu kann der Hohlraum gereinigt werden, um das überschüssige Material zu entfernen. Der Hilfsstoff kann beispielsweise nach der Bearbeitung im Hohlraum verbleiben, um später als Schwingungsdämpfer zu wirken. In a further advantageous embodiment of the invention, the excipient and / or the resulting during processing sludge and / or dust are removed from the cavity after swinging. For this, the cavity can be cleaned to remove the excess material. The excipient can remain in the cavity after processing, for example, to act later as a vibration damper.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Bauteil eine Öffnung auf, oder aber die Öffnung ist bereits vor dem Befüllen erzeugt worden. Die Öffnung kann im Rahmen eines generativen Verfahren, wie z. B. selektivem Laserschmelzverfahren (ein metallischer 3D-Druck), hergestellt werden. Die hat dann den Vorteil, dass der Hohlraum nicht nachträglich durchbohrt werden muss. Die Öffnung bietet generell die Möglichkeit den Hilfsstoff in Hohlraum zu bringen. In a further advantageous embodiment of the invention, the component has an opening, or the opening has already been generated before filling. The opening may be in the context of a generative process, such. B. selective laser fusion (a metallic 3D printing) can be produced. The then has the advantage that the cavity must not be pierced later. The opening generally offers the possibility to bring the excipient into the cavity.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Öffnung nach dem Entleeren des Hohlraums verschlossen. Dies bietet den Vorteil, dass keine unerwünschten Gase, insbesondere schwefelhaltig, an die Innenkontur gelangen kann. Diese schädlichen Gase können beispielsweise mit Werkstoff des Bauteils korrodieren, Oxidieren und poröse Schwefelverbindungen eingehen. Dies hätte ein frühzeitiges Versagen des Bauteils zur Folge. In a further advantageous embodiment of the invention, the opening is closed after emptying the cavity. This offers the advantage that no undesirable gases, in particular sulfur-containing, can reach the inner contour. For example, these harmful gases can corrode with material of the component, oxidize and form porous sulfur compounds. This would result in premature failure of the component.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Hilfsstoff Korund, Siliziumkarbid, Bornitrid, Diamant, diamantähnliche Werkstoffe und/oder diamantartiger Kohlenstoff verwendet. Zusätzlich kann ein chemisches Reinigungsmittel beigefügt werden, um den Bearbeitungsvorgang an der Innenoberfläche bzw. Innenkontur des Bauteils zu unterstützen. In a further advantageous embodiment of the invention is used as an excipient corundum, silicon carbide, boron nitride, diamond, diamond-like materials and / or diamond-like carbon. In addition, a chemical cleaning agent can be added to assist the machining process on the inner surface or inner contour of the component.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Korngröße des Hilfsstoffs kleiner als 10µm. Dies hat den Vorteil, dass der Hilfsstoff alle Innenkonturen erreicht und diese dann auch entsprechend bearbeiten kann. In a further advantageous embodiment of the invention, the grain size of the excipient is less than 10 microns. This has the advantage that the excipient reaches all inner contours and then can process them accordingly.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Bauteil vor dem Bereitstellen generativ, insbesondere durch selektives Laserschmelzen, hergestellt. Als Energiequelle kann statt einer Laserquelle entsprechend ein Elektronenstrahl verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass das Bauteil in einem Verfahren maßgenau hergestellt werden kann. In a further advantageous embodiment of the invention, the component is produced generatively prior to providing, in particular by selective laser melting. As an energy source, an electron beam may be used instead of a laser source. This has the advantage that the component can be manufactured accurately to size in a process.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt die Frequenz der Schwingung zwischen 10 Hz und 300 Hz und/oder liegt die Dauer der Schwingung zwischen 1 min und 30 min. Dies hat den Vorteil, dass die Bauteile optimal bearbeitet werden und damit eine bestmögliche Oberflächengüte auf der Innenkontur erzielt wird. In a further advantageous embodiment of the invention, the frequency of the oscillation between 10 Hz and 300 Hz and / or the duration of the oscillation is between 1 min and 30 min. This has the advantage that the components are optimally processed and thus the best possible surface finish on the inner contour is achieved.

Weitere Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben. Further advantageous embodiment of the invention are given in the dependent claims.

Im Weiteren werden anhand der schematischen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Dabei zeigt: Furthermore, preferred embodiments of the invention will be described in more detail with reference to the schematic drawing. Showing:

1: einen Querschnitt durch ein zu bearbeitendes Bauteil auf einer Bearbeitungsvorrichtung. 1 : a cross section through a component to be machined on a processing device.

Die 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Bearbeitung eines Bauteils 2. Das Bauteil 2 hat hier einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, eine obere horizontale Wand 4, eine untere horizontale Wand 6, die der obere Wand 4 gegenüberliegenden angeordnet ist, eine linke vertikale Wand 8 und eine rechte vertikale Wand 12 umfasst, wobei die Enden der vertikalen Wände 8 und 12 die Enden der horizontalen Wände 4 und 6 verbindet, so dass dazwischen ein Hohlraum 14 umschlossen wird. Die Oberfläche des Hohlraums 14 stellt die Innenkonturierung 16 dar. The 1 shows a device 10 for processing a component 2 , The component 2 here has a substantially rectangular cross-section, an upper horizontal wall 4 , a lower horizontal wall 6 that the upper wall 4 is arranged opposite, a left vertical wall 8th and a right vertical wall 12 includes, with the ends of the vertical walls 8th and 12 the ends of the horizontal walls 4 and 6 connects, leaving a cavity in between 14 is enclosed. The surface of the cavity 14 represents the inner contouring 16 represents.

Das Bauteil wird vorzugsweise mittels eines generativen Verfahrens hergestellt. Dabei wird nun im Folgenden das selektive Laserschmelzen nur beispielhaft beschrieben. Ein Pulver, meist Metallpulver, wird mittels eines Rakels glatt gezogen. Auf diese Pulveroberfläche wird nun eine Energiequelle – hier Laser – in Abhängigkeit von dreidimensionalen Schichtdaten des herzustellenden Bauteils über das Pulverbett geführt, so dass an den Stellen, an dem die Energiequelle geführt wurde, das Pulver gesintert bzw. geschmolzen wird. Nach dem die erste Schicht im Pulverbett erzeugt wurde, wird frisches Pulver mittels eines Rakels auf die zuvor hergestellt Schicht aufgetragen. Diese neue Pulverschicht wird entsprechend den hinterlegten dreidimensionalen Daten erneut beschrieben (geschmolzen). Diese Schritte wiederholen sich bis das Bauteil fertiggestellt wurde. Dabei weist die unbearbeitete Oberfläche eines generativ hergestellten Bauteils eine mittlere Rauheit R_a von 10µm bis 30µm auf. Mit einer solche Oberflächengüte wird lediglich eine Festigkeit von 50% gegenüber konventionell bearbeiteten Oberflächen, wie z.B. Fräsen, erreicht. Daher ist eine Bearbeitung der Oberflächen wichtig. The component is preferably produced by means of a generative method. In the following, the selective laser melting will be described by way of example only. A powder, usually metal powder, is drawn smooth by means of a squeegee. An energy source - here laser - is guided over the powder bed in dependence on three-dimensional layer data of the component to be produced, so that the powder is sintered or melted at the locations where the energy source was guided. After the first layer has been produced in the powder bed, fresh powder is applied to the previously prepared layer by means of a doctor blade. This new layer of powder is rewritten (melted) according to the stored three-dimensional data. These steps are repeated until the component has been completed. In this case, the unprocessed surface of a generatively produced component has an average roughness R _a of 10 .mu.m to 30 .mu.m. With such a surface quality only a strength of 50% compared to conventionally machined surfaces, such as milling, achieved. Therefore, a treatment of the surfaces is important.

In der linken Wand 8 ist eine Öffnung 16 eingelassen, um einen Hilfsstoff in den Hohlraum 14 zu platzieren. Diese Öffnung 16 kann bereits während der Herstellung berücksichtigt werden. Als Hilfsstoffe können Partikel 20 oder Glättkörper aus Korund, Siliziumkarbid, Bornitrid, Diamant, diamantähnliche Werkstoffe und/oder diamantartiger Kohlenstoff verwendet werden. In the left wall 8th is an opening 16 let in to an excipient in the cavity 14 to place. This opening 16 can already be considered during the production. As adjuvants can particles 20 or smoothing bodies of corundum, silicon carbide, boron nitride, diamond, diamond-like materials and / or diamond-like carbon can be used.

Die Vorrichtung 10 weist einen Rütteltisch 22, einen vertikalen Arm 24 und einen horizontalen Arm 26 auf, wobei der vertikale Arm 24 am Rütteltisch 22 befestigt ist. Das rechte Ende des vertikalen Arms 24 ist oberen Ende des horizontalen Armes 26 befestigt. The device 10 has a vibrating table 22 , a vertical arm 24 and a horizontal arm 26 on, with the vertical arm 24 at the vibrating table 22 is attached. The right end of the vertical arm 24 is upper end of the horizontal arm 26 attached.

Das Bauteil 2 wird zwischen dem Rütteltisch 22 und dem horizontalen Arm 26 platziert, so dass die untere Wand 6 auf den Rütteltisch 22 liegt und die obere Wand 4 an dem horizontalen Arm 26 anliegt. Bei der Inbetriebnahme der Vorrichtung 10 wird der Rütteltisch in Schwingung versetzt, wobei das in der Vorrichtung 10 eingespannte Bauteil 2 mitschwingt. Die im Hohlraum 14 befindlichen Partikel 20 fliegen diffus durch die Gegend herum und treffen dabei auf die Oberfläche 16. Diese wird je nach Parameter (Zeit, Frequenz, Partikelart, Partikelgröße) gereinigt, geglättet, poliert und/oder verfestigt. The component 2 will be between the vibrating table 22 and the horizontal arm 26 placed so that the bottom wall 6 on the vibrating table 22 lies and the top wall 4 on the horizontal arm 26 is applied. During commissioning of the device 10 the vibrating table is set in vibration, which is in the device 10 clamped component 2 resonates. The in the cavity 14 located particles 20 fly diffusely through the area, hitting the surface 16 , This is cleaned, smoothed, polished and / or solidified depending on the parameters (time, frequency, particle type, particle size).

Nach der Bearbeitung der Innenkontur 16, können die Partikel und/oder der dabei entstehende Staub aus dem Hohlraum 14 entfernt werden. Zum Schluss kann die Öffnung 18 mittels eines Stöpsels verschlossen werden. Die Öffnung 18 kann auch mittels eines generativen Verfahren, wie z.B oben beschrieben, verschlossen werden. After processing the inner contour 16 , The particles and / or the resulting dust from the cavity 14 be removed. Finally, the opening 18 be closed by means of a stopper. The opening 18 can also be closed by means of a generative method, such as described above.

Die vorliegende Verfahren hat den Vorteil, dass Innenkonturen, insbesondere die Innenbereiche von Bauteilen wie Turbinenschaufeln, gleichmäßig durch Abtrag bearbeitet werden können. Insbesondere das Glätten und/oder Verfestigen der Innenkontur von Hohlbauteilen weist vergleichbare Festigkeitseigenschaften auf wie es mit gegossenen oder gefrästen Oberflächen erreicht werden kann. The present method has the advantage that inner contours, in particular the inner regions of components such as turbine blades, can be processed uniformly by ablation. In particular, the smoothing and / or strengthening of the inner contour of hollow components has comparable strength properties as can be achieved with cast or milled surfaces.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

22: Bauteil component
4 4: obere horizontale Wand upper horizontal wall
6 6: untere horizontale Wand lower horizontal wall
8 8th: linke vertikale Wand left vertical wall
10 10: Vorrichtung contraption
12 12: rechte vertikale Wand right vertical wall
14 14: Hohlraum cavity
16 16: Innenkonturierung Innenkonturierung
18 18: Öffnung opening
20 20: Partikel particle
22 22: Rütteltisch shaking table
24 24: vertikaler Arm vertical arm
26 26: horizontaler Arm horizontal arm

Claims

Method for processing inner contours of components comprising the following steps: - providing a component ( 2 ) with a cavity ( 14 ); Filling the cavity ( 14 ) with an excipient ( 20 ); characterized in that - the component ( 2 ) is vibrated to at least one inner contour ( 16 ) of the cavity ( 14 ) has an average roughness (R _a ) of less than or equal to 1 μm.

A method according to claim 1, characterized in that after swinging the excipient ( 20 ) and / or the sludge and / or dust produced during processing from the cavity ( 14 ) are removed.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the component ( 2 ) an opening ( 18 ) or the opening ( 18 ) is generated before filling.

Method according to claim 3, characterized in that the opening ( 18 ) after emptying the cavity ( 14 ) is closed.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that as excipient ( 20 ) Corundum, silicon carbide, boron nitride, diamond, diamond-like materials and / or diamond-like carbon is used.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the grain size of the excipient ( 20 ) is smaller than 10μm.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the provided component ( 2 ) with a cavity ( 14 ) is generative in advance, in particular by selective laser melting.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the frequency of the oscillation is between 10 Hz and 300 Hz and / or the duration of the oscillation is between 1 min and 30 min.

Component produced by a method according to one of claims 1 to 8.

Turbomachine comprising at least one component according to claim 9.