DE60124802T2

DE60124802T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Kugelstrahlen

Info

Publication number: DE60124802T2
Application number: DE60124802T
Authority: DE
Inventors: Peter Andrew Byfield Simeone; Apostolos Paylos Arlington Karafillis; Joan Elizabeth Rowley Bissett; Douglas Alan Beverly Wilson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-02-17
Filing date: 2001-02-16
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2021-02-17
Also published as: EP1127945A2; DE60124802D1; JP4650981B2; EP1127945A3; JP2001277118A; EP1127945B1; US6189356B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren und Vorrichtungen zum Verfestigungsstrahlen bzw. Kugelstrahlen von Komponenten und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung, die eine Beschädigung von Kanten von Komponenten während eines Kugelstrahlvorgangs vermeiden.
Metallkomponenten, beispielsweise diejenigen, die in Gasturbinentriebwerken verwendet werden, werden kugelgestrahlt, um Oberflächendruckspannungen einzuleiten. Diese Druckeigenspannungen verhindern eine Rissbildung und ein Risswachstum in der Komponente. Weil Kugelstrahlen die Rissbildung und -fortpflanzung verhindert, weisen kugelgestrahlte Komponenten im Verhältnis zu nicht kugelgestrahlten Komponenten im Allgemeinen eine größere Dauerfestigkeit auf. Jedoch beschädigt eine Kugelstrahlung mit hoher Intensität (z.B. Kugelstrahlen mit Almen-Intensitäten von mehr als ungefähr 0,005 A) manchmal Kanten von Komponenten, was kleinere Dauerfestigkeiten zur Folge hat. Die Kanten, die für eine Beschädigung empfindlich sind, umfassen Kanten, die Löcher in den Komponenten umgeben. Die Beschädigung tritt auf, wenn die Kanten durch die Kraft des Kugelstrahlmittels, das beim Kugelstrahlen hoher Intensität die Kante trifft, verschmiert, verzogen oder verbogen werden. Die verbogenen oder umgeknickten Kanten bilden Kerbstellen, die eine Spannung konzentrieren. Ferner wird das Metall an den Kanten spröde, wenn es verbogen wird. Die Spannungskonzentrationen und Sprödigkeit erhöhen die Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung und erhöhen die Geschwindigkeit des Risswachstums in der Komponente.
Um zu bestimmen, ob Kanten durch Kugelstrahlen beschädigt worden sind, können die Kanten nach dem Kugelstrahlen überprüft werden. Wenn eine beschädigte Kante gefunden wird, wird die Komponente ausrangiert oder nachbearbeitet, um den beschädigten Bereich abzutragen. Jedoch werden Kanten gewöhnlich nicht hinsichtlich einer Beschädigung durch Kugelstrahlen überprüft, und eine Beschädigung durch Kugelstrahlen wird durch Kontrolle des Kugelstrahlvorgangs überwacht.
US 4 530 861 beschreibt eine Maske für eine Turbinenlaufschaufel.
Unter den verschiedenen Merkmalen der vorliegenden Erfindung kann die Bereitstellung einer Maske zur Maskierung einer Kante einer Metallkomponente während eines Kugelstrahlvorgangs hervorgehoben werden. Die Komponente weist eine erste Oberfläche, die eine Öffnung in der Komponente definiert, und eine zweite Oberfläche auf, die die erste Oberfläche der Komponente an der Kante schneidet. Die Maske enthält einen Stopfen, der zur Einführung in die an die Kante angrenzende Öffnung bemessen und gestaltet ist, um die Kante während des Kugelstrahlens abzudecken. Ferner enthält die Maske einen wenigstens einen Teil des Stopfens umgebenden Rand, der bemessen und gestaltet ist, um wenigstens einen Teil der Öffnung zu umgeben, um die Kante während eines Kugelstrahlvorgangs zu bedecken und dadurch zu verhindern, dass die Kante kugelgestrahlt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt weist die vorliegende Erfindung eine Kombination auf, die eine Metallkomponente mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, die die erste Oberfläche an einer äußeren Kante schneidet, und eine Kantenmaske enthält, die an der Kante der Komponente angeordnet ist. Die Maske ist aus einem Material hergestellt, das gegen eine vom Kugelstrahlen herrührende Beschädigung resistent ist. Die Maske ist zur Bedeckung der Kante dimensioniert und gestaltet, um die Kante während eines Kugelstrahlvorgangs vor Beschädigung zu schützen. Ferner ist die Maske dimensioniert und gestaltet, um wenigstens einem Teil der ersten Oberfläche und wenigstens einem Teil der zweiten Oberfläche zu ermöglichen, kugelgestrahlt zu werden, wenn die Maske an der Kante der Komponente positioniert ist.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt enthält die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kugelstrahlen einer Metallkomponente. Das Verfahren weist die Schritte einer Positionierung einer Maske über der Kante der Komponente, ein Kugelstrahlen der ersten Oberfläche der maskierten Komponente mit einer ersten Intensität und ein Kugelstrahlen der zweiten Oberfläche der maskierten Komponente mit einer zweiten Intensität auf. Ferner enthält das Verfahren ein Lösen der Maske von der Kante der Komponente und ein Kugelstrahlen der Kante der Komponente mit einer dritten Intensität, die kleiner ist als die erste Intensität und die zweite Intensität.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist nachstehend zu Beispielszwecken mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Maske der vorliegenden Erfindung;
2 einen ausschnittsweisen Querschnitt einer Metallkomponente, die Masken aufweist, die in einem Loch in der Komponente eingesetzt sind, wenn die Außenfläche der Komponente kugelgestrahlt wird;
3 einen ausschnittsweisen Querschnitt der Komponente mit Masken, die eingesetzt sind, wenn eine Innenfläche des Lochs kugelgestrahlt wird; und
4 einen ausschnittsweisen Querschnitt der Komponente mit Masken, die entfernt sind, wenn eine Kante zwischen dem Loch und der Außenfläche der Komponente kugelgestrahlt wird.
Bezugnehmend nun auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 ist eine Maske gemäß der vorliegenden Erfindung in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die Maske 10 weist im Wesentlichen einen Stopfen 12 und einen Rand 14 auf, der wenigstens einen Teil des Stopfens umgibt. Obwohl die Maske 10 aus anderen Werkstoffen hergestellt sein kann, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, ist die Maske 10 der bevorzugten Ausführungsform aus einem Werkstoff, der gegen eine Beschädigung vom Kugelstrahlen resistent ist, beispielsweise aus Nylon, Gummi oder Polyethylen, geformt. Vorzugsweise ist der Werkstoff auch ausreichend weich, so dass die Maske 10 die Komponente, die allgemein mit 20 (2) bezeichnet ist und mit der sie verwendet wird, nicht verkratzt.
Die Maske 10 ist insbesondere zur Maskierung einer bestimmten Kante einer bestimmten Metallkomponente während eines Kugelstrahlvorgangs eingerichtet. Beispielsweise kann die bestimmte Komponente 20 durch eine Hochdruckturbinen scheibe eines Gasturbinentriebwerks gebildet sein. Die Scheibe 20 weist eine erste Oberfläche 22 auf, die eine allgemein mit 24 bezeichnete Öffnung in der Komponente definiert. Ferner weist die Komponente 20 eine zweite Oberfläche 26 auf, die die erste Oberfläche 22 der Komponente an einer Kante 28 schneidet. Die zweite Oberfläche 26 der Komponente 20 ist im Wesentlichen kreisringförmig und erstreckt sich rund um eine Mittellinie 30 der Scheibe. Die Komponente 20 kann ferner andere herkömmliche Merkmale, beispielsweise einen Schwalbenschwanzschlitz 32, enthalten. Obwohl die Kante 28 andere Kantenbearbeitungsstellen, beispielsweise einen runden Rand oder einen eingeschnittenen Rand aufweisen kann, ohne dass dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung berührt wird, enthält die Kante einer bevorzugten Ausführungsform eine nominelle Fase bzw. Abschrägung von 0,020 Zoll.
Wie ferner in 2 veranschaulicht, ist der Stopfen 12 zur Einführung in die Öffnung 24 in der Nähe der Kante 28 dimensioniert und gestaltet, um die Kante beim Kugelstrahlen zu bedecken. Wenn beispielsweise die Öffnung 24 durch ein zylindrisches Loch gebildet ist, das einen Durchmesser von etwa 0,300 Zoll aufweist, enthält der Stopfen 12 eine zylindrische Außenseite mit einem geringfügig größeren Durchmesser, um mit der Öffnung in der Komponente 10 reibschlüssig in Eingriff zu stehen, um eine Presspassung zu bilden. Die Presspassung hindert ein Kugelstrahlmittel daran, zwischen dem Stopfen 12 und der die Öffnung 24 definierenden Oberfläche 22 hindurchzutreten, und ermöglicht dem Stopfen, nach einem Kugelstrahlen der ersten bzw. zweiten Oberfläche 22, 26 von der Öffnung entfernt zu werden, um der Kante zu ermöglichen, mit einer geringeren Intensität kugelgestrahlt zu werden. Außerdem ist der Stopfen 12, wie in 2 veranschaulicht, rohrförmig, um einen Zugang zu der Innenfläche 22 der Öffnung 24 in der Komponente 20 zu ermöglichen. Der Stopfen 12 kann durch eine (nicht veranschaulichte) Spanneinrichtung an Stelle gehalten werden.
Der Rand 14 ist bemessen und gestaltet, um wenigstens einen Teil der Öffnung 24 zu umgeben, um die Kante 28 während eines Kugelstrahlvorgangs zu bedecken, wodurch verhindert wird, dass die Kante kugelgestrahlt wird. Obwohl der Rand 14 andere Formen aufweisen kann, ohne von dem Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen, ist der Rand in einer bevorzugten Ausführungsform kreisringförmig.
Der Stopfen 12 und der Rand 14 sind vorzugsweise derart dimensioniert, dass sie die Kante 28 und eine beliebige Kantenbearbeitungsstelle (z.B. eine Abschrägung oder Fase) während eines Kugelstrahlvorgangs abdecken und ausreichende Teile der ersten bzw. zweiten Oberfläche 22, 26 freilassen, um ein Kugelstrahlen dieser Oberflächen zu ermöglichen. Beispielsweise kann der Stopfen 12 eine nominelle Länge 40 von etwa 0,075 Zoll aufweisen, und der Rand 14 kann eine nominelle Weite 42 aufweisen, die im Wesentlichen gleich der Länge des Stopfens ist, wenn der Stopfen dazu verwendet wird, eine Kante 28 mit einer Fase bzw. Abschrägung von 0,020 Zoll zu bedecken. Ferner ist die Länge 40 des Stopfens 12 ausgewählt, um die Maske 10 in der Öffnung 24 in Position zu halten. Obwohl die minimale Länge 40 des Stopfens 12 und die minimale Weite 42 des Randes 14 ausreichend groß sein müssen, um die Kante 28 und eine beliebige Kantenbearbeitungsstelle zu bedecken, sind die maximale Länge und die maximale Weite nicht besonders kritisch. Vorzugsweise sind die maximale Länge 40 und Weite 42 auf ein Minimum reduziert, um den größten Oberflächenbereich der ersten bzw. zweiten Oberfläche 22, 26 für ein Kugelstrahlen freizulegen, wobei diese Präferenz durch einen Wunsch, zur Vereinfachung der Herstellung große Toleranzen hinsichtlich der Dimensionen der Maske 10 zuzulassen, etwas aufgehoben wird.
Ein Arbeitsverfahren zur Verwendung der vorstehend beschriebenen Maske 10 ist in den 2–4 veranschaulicht. Zunächst wird die Maske 10 über der Kante 28 der Komponente 20 positioniert, wie dies in 2 veranschaulicht ist. Mit der an der Einsatzstelle befindlichen Maske 10 werden die freiliegenden Teile bzw. Abschnitte der ersten bzw. zweiten Oberfläche 22, 26 mit herkömmlichen Intensitäten (z.B. entsprechend Almen-Intensitäten zwischen etwa 0,004 A und etwa 0,008 A) kugelgestrahlt. Wie in 2 veranschaulicht, wird die zweite Oberfläche 26 der Komponente 20 mit einer herkömmlichen Kugelstrahlvorrichtung, wie sie allgemein mit 50 bezeichnet ist, unter Verwendung einer herkömmlichen Prozedur kugelgestrahlt. Die Komponente 20 kann auf einem (nicht veranschaulichten) Drehtisch angeordnet sein, wenn die zweite Oberfläche 26 kugelgestrahlt wird. Ferner kann eine andere Maske, beispielsweise eine (nicht veranschaulichte) Ringplatte verwendet werden, um mehr als nur eine einzelne Öffnung 24 zu bedecken, wenn die zweite Oberfläche 26 kugelgestrahlt wird.
Wie in 3 veranschaulicht, wird die erste Oberfläche 22 der Komponente 20 unter Verwendung einer allgemein mit 52 bezeichneten herkömmlichen Ablenkkugelstrahlvorrichtung kugelgestrahlt, die eine Düse 54 zur Zuführung eines Kugelstrahlmittels zu der Öffnung 24 und eine hin- und herbewegbare Ablenkeinrichtung 56 zum Richten des Mittels in Richtung auf die Oberfläche 22 aufweist. Obwohl in einer bevorzugten Ausführungsform eine Ablenkstrahlvorrichtung verwendet wird, ist es vorgesehen, dass andere herkömmliche Strahlvorrichtungen, beispielsweise eine (nicht veranschaulichte) Strahlrohrvorrichtung verwendet werden kann, ohne von dem Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Wenn die erste und die zweite Oberfläche 22, 26 kugelgestrahlt sind, wird die Maske 10 von der Kante 28 der Komponente 20 entfernt, um die Kante zum Kugelstrahlen freizugeben, wie dies in 4 veranschaulicht ist. Die Kante 28 wird mit einer geringeren Intensität (z.B. zwischen ungefähr 6 N und ungefähr 12 N) gestrahlt, die ausgewählt ist, um eine Beschädigung an der Kante zu verhindern.
Unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens wird ein Großteil der ersten und der zweiten Oberfläche 22, 26 mit einer optimal gewünschten Intensität gestrahlt, die ausgewählt ist, um Druckrestspannungen in der Komponente an und unmittelbar unterhalb der jeweiligen Oberflächen der Komponente einzuleiten. Die Kanten 28 werden mit einer geringeren Intensität gestrahlt, die ausgewählt ist, um eine Beschädigung an den Kanten zu verhindern. Außerdem führt die Strahlung mit der geringeren Intensität einige Druckrestspannungen in der Komponente herbei. Ein Rissbeginn und eine Rissfortpflanzung werden somit reduziert. Weil die Strahlintensität unterhalb eines Schwellenwertes ausgewählt ist, bei dem es zu einer Beschädigung kommt, wird außerdem ein beträchtlicher Zeit- und Arbeitsaufwand, der mit einer Überprüfung der Kanten und einer Bearbeitung oder Aussonderung von Komponenten mit beschädigten Kanten verbunden ist, vermieden.
Bei der Einführung von Elementen der vorliegenden Erfindung oder ihrer bevorzugten Ausführungsform(en) sollen die Artikel „ein", „eine", „der", „die" und „das" bedeuten, dass ein oder mehrere Elemente vorhanden sind. Die Ausdrücke „aufweisen", „enthalten" und „beinhalten" sollen als einschließlich verstanden werden und bedeuten, dass außer den aufgelisteten Elementen weitere Elemente vorhanden sein können.

Claims

Anordnung mit einer Metallkomponente (20), die eine erste Oberfläche (22) und eine zweite Oberfläche (26) aufweist, die die erste Oberfläche (22) an einer äußeren Kante (28) schneidet; und mit einer Kantenmaske (10), die an der Kante (28) der Komponente (20) positioniert ist, wobei die Maske (10) aus einem Material hergestellt ist, das gegen eine vom Kugelstrahlen herrührende Beschädigung resistent ist, wobei die Maske (10) zur Bedeckung der Kante (28) dimensioniert und gestaltet ist, um die Kante (28) vor einer Beschädigung während eines Kugelstrahlvorgang zu schützen, und wobei die Maske (10) dimensioniert und gestaltet ist, um wenigstens einem Teil der ersten Oberfläche (22) und wenigstens einem Teil der zweiten Oberfläche (26) zu ermöglichen, kugelgestrahlt zu werden, wenn die Maske (10) an der Kante (28) der Komponente (20) positioniert ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Maske (10) von der Kante (28) der Komponente (20) abnehmbar ist um zu ermöglichen, dass die Kante (28) kugelgestrahlt wird.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Oberfläche (22) eine Öffnung (24) in der Komponente (20) definiert.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Kante (28) eine Kantenbearbeitungsstelle enthält und die Maske (10) zur Bedeckung der Kantenbearbeitungsstelle dimensioniert und gestaltet ist, um die Kantenbearbeitungsstelle gegen eine Beschädigung während eines Kugelstrahlvorgangs zu schützen.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei die Maske (10) einen Stopfen (12), der zur Einführung in die Öffnung (24) in der Nähe der Kante (28) bemessen und gestaltet ist, um die Kante (28) während eines Kugelstrahlvorgangs zu bedecken, und einen wenigstens einen Teil des Stopfens (12) umgebenden Rand (14) aufweist, der bemessen und gestaltet ist, um wenigstens einen Teil der Öffnung (24) zu umgeben, um die Kante (28) während eines Kugelstrahlvorgangs zu bedecken und dadurch zu verhindern, dass die Kante (28) kugelgestrahlt wird,
Anordnung nach Anspruch 5, wobei der Stopfen (12) zur reibschlüssigen Verbindung mit der ersten Oberfläche (22) bemessen ist.
Anordnung nach Anspruch 5, wobei der Stopfen (12) eine Länge aufweist, die ausgewählt ist, um eine Kantenbearbeitungsstelle der Kante (28) der Komponente (20) zu bedecken.
Anordnung nach Anspruch 5, wobei der Stopfen (12) eine Länge (40) aufweist und der Rand (14) eine Weite (42) aufweist, die im Wesentlichen gleich der Länge (40) ist.
Verfahren zum Kugelstrahlen einer Metallkomponente (20), die eine erste Oberfläche (22), die eine Öffnung (24) in der Komponente (20) definiert, und eine zweite Oberfläche (26) aufweist, die die erste Oberfläche (22) der Komponente (20) an der Kante (28) schneidet, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Positionierung einer Maske (10) über der Kante (28) der Komponente (20); Kugelstrahlen der ersten Oberfläche (22) der maskierten Komponente (20) mit einer ersten Intensität; Kugelstrahlen der zweiten Oberfläche (26) der maskierten Komponente (20) mit einer zweiten Intensität; Entfernen der Maske (10) von der Kante (28) der Komponente (20) und Kugelstrahlen der Kante (28) der Komponente (20) mit einer dritten Intensität, die kleiner ist als die erste Intensität und die zweite Intensität.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die zweite Intensität im Wesentlichen gleich der ersten Intensität ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die dritte Intensität unterhalb eines Schwellenwertes liegt, bei dem eine Beschädigung vom Kugelstrahlen auftritt.