DE602004012208T2

DE602004012208T2 - Automatisiertes Polierverfahren von mechanischen Werkstücken aus Titan oder Titanlegierungen

Info

Publication number: DE602004012208T2
Application number: DE602004012208T
Authority: DE
Inventors: Bertrand Bouillot; Alain Keller; Daniel Langeard; Alain Martinez; Giao-Minh Nguyen
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2003-10-14
Filing date: 2004-10-12
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2024-10-13
Also published as: US20050136799A1; US7029367B2; CA2481887A1; DE602004012208D1; RU2368486C2; RU2004129719A; EP1525949B1; FR2860743A1; CA2481887C; JP2005118989A; EP1525949A1; FR2860743B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Polieren von mechanischen Werkstücken aus Titan oder Titanlegierung. Sie bezieht sich insbesondere auf Turbomaschinenschaufeln und besonders auf großdimensionierte Schaufeln wie etwa Verdichterschaufeln in einem Turbotriebwerk und zielt insbesondere auf ein Herstellungsverfahren solcher Schaufeln unter Einsatz des Polierens.
Zum Polieren mechanischer Werkstücke werden im Allgemeinen kostengünstigere Schleifmaterialien gesucht, die der Beanspruchung standhalten und die eine geringe Verschmutzung verursachen. Die Verschmutzung in diesem Bereich besteht in Schleifmaterialkörnern, die sich in der Masse des Werkstücks festsetzen. Diese muss bei Turbotriebwerkschaufeln aus Titan oder Titanlegierung unbedingt vermieden werden.
Herkömmlich werden zum Polieren von Schaufeln Schleifbänder aus Siliciumcarbid verwendet. Das Band ist auf einem Rad angebracht, das tangential zur Oberfläche des Werkstücks mit einer Drehbewegung angetrieben wird. Die Bewegung des Rads zur Oberfläche des Werkstücks wird durch ein der gewünschten Geometrie entsprechendes Programm gesteuert. Die Parameter, wie etwa die Laufgeschwindigkeit des Bandes auf der Oberfläche, die Bewegungsgeschwindigkeit des Rads zum Werkstück wie auch der auf die Oberfläche ausgeübte Druck sind dergestalt bestimmt, dass die erforderliche Materialdicke abgehoben und ein gewisser Oberflächenzustand gewährleistet wird. Eine Beschreibung einer Schleifbandpoliermaschine findet sich in der Patentschrift US 5 193 314 .
Dieses Material ist jedoch nicht ganz zufriedenstellend.
Die Bänder nutzen sich schnell ab. Bei Turbotriebwerk-Verdichterschaufeln beispielsweise werden bei der geometrischen Angleichung von einem halbfertigen Vorprodukt an zwei Bänder pro Werkstück verbraucht.
Das Schleifmaterial verschmutzt das Titan. Um dies zu vermeiden, müssen Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden.
Das Aufbringen des Schleifmaterials auf den Bändern, die im Handel zu finden sind, wird im Allgemeinen durch elektrostatische Mittel ausgeführt. Die Regelmäßigkeit des Aufbringens ist nicht optimal. Sie führt zu einer gewissen Streuung bezüglich des Materialabhebens. Das Polieren ist nicht einheitlich. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, manuelle Einstellungen des Materialabhebens durchzuführen, die mit den Ausgleichungen der Dicken verbunden sind oder nicht.
Man verwendet das Polieren mit dem Schleifband insbesondere im Rahmen eines Verfahrens der geometrischen Angleichung halbfertiger Schaufeln, die beispielsweise aus dem Schmieden hervorgegangen sind. Durch das Polieren wird eine Dicke eines bestimmten Materials abgehoben. Jedoch hebt das herkömmliche Schleifmaterial eine unzureichende Materialmenge pro Durchlauf des Rads mit dem Band ab, was zu zusätzlichen Arbeitsgängen des Materialabhebens und der Dickenkontrollen zwingt. So umfasst ein Verfahren der geometrischen Angleichung einer geschmiedeten, halb fertigen Schaufel eine chemische Bearbeitung vor dem Polieren. Nach dem ersten Polieren des Werkstücks mit einem bestimmten Korn ist noch eine chemische Bearbeitung durchzuführen, und zwar mit manuellen Nachbearbeitungen auf elektrischen Geradeschleifern und/oder mit Polierrevolvern oder einer anderen tragbaren Maschine.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bei Schleifbändern des Standes der Technik anzutreffenden Nachteile zu beheben.
Gemäß der Erfindung ist das automatisierte Polierverfahren halbfertiger mechanischer Werkstücke aus Titan oder Titanlegierung mittels einer Maschine mit einem Schleifband, das auf einem Rad mit tangentialem Kontakt sitzt, das mit einer bestimmten Geschwindigkeit in Drehbewegung angetrieben wird und mit einem bestimmten Druck angedrückt wird, wobei das Rad zur Oberfläche des Werkstücks mit einer bestimmten Geschwindigkeit verschoben wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifband mit Superschleifkörnern aus Industriediamant oder aus kubischem Bornitrid für ein Endpolieren und zum Abheben einer Überdicke von 0,01 mm bis 0,2 mm, vorzugsweise von 0,1 mm gebildet ist.
Nach Versuchen wurde überraschenderweise festgestellt, dass die Verwendung von Bändern dieses Typs die Lösung der bei den herkömmlichen Schleifbändern aufgeworfenen Probleme gestattete.
Die Schleifschicht des Bandes ist präziser. Im Falle des Diamanten beispielsweise wird die Gestaltung des Bandes durch ein einheitlicheres elektrochemisches Aufbringen erreicht. Die Superschleifkörner werden von einer Nickelschicht getragen, die selbst mit einer Basis aus Polyester verbunden ist. Die Nickelschicht absorbiert die Wärme und verhindert die Kaltverformung des Werkstücks.
Aufgrund der größeren Präzision der Schleifschicht des Bandes werden die Materialmengen mit einer sehr engen Dickeverteilung abgehoben. Diese enge Verteilung stellt im Rahmen der geometrischen Angleichung der Schaufeln von halbfertigen Werkstücken mit einer bestimmten Überdicke an einen wichtigen Vorteil dar. Das Materialabheben wird mit einer bezüglich des Sollmaßes hinreichend geringen Abweichung verwirklicht, um innerhalb des Toleranzbereichs der Form des Schaufelblattes zu bleiben. So wird auch das Erfordernis vermieden, manuelle Einstellungen mittels Schleifen durchzuführen.
Ist ein Reduzieren einer bestimmten Überdicke infolge des Schmiedens des Werkstücks oder auch der Bearbeitung gewünscht, sind insbesondere für das Polieren der Schaufeln die Maschinenparameter in den folgenden Intervallen festgesetzt:

– Andruckkraft des Rades auf der Oberfläche des Werkstücks: 137 N bis 196 N
– Laufgeschwindigkeit des Bandes: 4,6 m/s bis 18,6 m/s
– Vorschubbereich des Rades relativ zum Werkstück: 3,4 m/min bis 6,7 m/min.

Vorteilhafterweise beträgt die Überdicke für ein Erstpolieren 1/10 mm bis 8/10 mm, vorzugsweise 2/10 bis 4/10 mm.
Vorteilhafterweise ist das Kontaktrad mit bezüglich der Rotationsachse des Rades schräg angeordneten Rillen gerillt. Der Winkel beträgt insbesondere 25 bis 35°.
Besonders bevorzugt hat die Kontaktfläche des Rades mit dem Schleifband eine Härte von 70 Shore.
Im Folgenden wir die Erfindung ausführlicher unter Bezug auf eine nicht-einschränkende Ausführungsform und auf die beigefügten Zeichnungen erklärt, wobei
1 eine Poliermaschine für die Durchführung des Verfahrens der Erfindung schematisch darstellt,
2 eine Seitenansicht der Maschine von 1 ist,
3 ein im Rahmen der Erfindung verwendetes Band im Schnitt darstellt.
Die Maschine hat fünf oder sechs Drehachsen. Ein Ausführungsbeispiel 1 ist in 1 dargestellt. Es handelt sich beispielsweise um eine im Handel erhältliche und von der Firma Metabo gelieferte Maschine. Man sieht einen Tisch 10 mit zwei Spannbacken 11 und 13, zwischen denen das Werkstück länglicher Form, wie etwa eine Verdichterschaufel, horizontal gehalten wird. Die Gesamtheit aus Werkstück und Halterung kann sich in diese Richtung X bewegen oder sich um sich selbst um diese Achse in die Richtung U mittels geeigneter elektrischer Motoren Mx und Mu drehen. Über dem Tisch ist ein Kopfstück 100 auf einem vertikalen Standpfeiler 20 angebracht und kann sich entlang seiner Achse Z bewegen. Das Kopfstück 100 kann sich ebenso in Drehung W um diese Achse Z drehen. Geeignete Motoren Mz und Mw sind für das Antreiben des Kopfstücks in diese zwei Richtungen vorgesehen. Schließlich kann sich das Kopfstück 100 in die zur Richtung X senkrechte Richtung Y horizontal bewegen und die Richtung V entlang um diese Achse schwenken. Motoren My und Mv gewährleisten diese Bewegungen. Das Kopfstück 100 trägt ein um eine Achse bewegliches Kontaktrad 110, das bezüglich des Kopfstücks 100 ortsfest ist. Ein auf dem Kopfstück 100 angebrachter Motor gewährleistet das Antreiben des Rads 110 über ein Schleifband, das im Umfang des Rads angebracht ist.
Die Gesamtheit der Motoren ist mit einem Steuerkasten verbunden, der eine Steuereinheit mit Programmiermitteln und Speichereinheiten, die besonders die geometrischen Daten des zu polierenden Werkstücks beinhaltet, aufnimmt.
Zum Polieren des Werkstücks wird das Band durch Ausüben eines bestimmten Drucks lokal tangential auf dessen Oberfläche aufgebracht und in Bewegung gesetzt. Es dreht sich mit dem Rad um seine Achse.
Der gewünschte Wert des Abhebens und der gewünschte Zustand der Oberfläche hängen einerseits vom Korn des Bandes ab, aber auch von den angewandten Maschinenparametern wie von den Charakteristika des Kontaktrades.
Die Parameter einer so konfigurierten Maschine sind:

– die durch das Kontaktrad auf das Werkstück ausgeübte Kraft (N),
– die relative Bewegungsgeschwindigkeit des Bandes entlang der Achse des Werkstücks, hier der Achse X,
– die Laufgeschwindigkeit des Bandes (m/s) auf dem Werkstück in der Drehrichtung des Rades.

Diese Parameter werden für ein sowohl geometrisch als auch gemäß der Qualität des Materials, aus dem es gebildet ist, genau definiertes Rad bestimmt. Beispielsweise verwendet man ein Rad bestimmter Breite von 25 mm mit einem bestimmten Außendurchmesser von 120 mm. Das Rad weist auf der Oberfläche um 30° geneigte Rillen auf, die 3 mm breit und 17 mm voneinander beabstandet sind. Das Material im Umfang des Rades ist ein Gummi von bestimmter Härte, beispielsweise 70 Shore.
Eine solche Maschine wird im Rahmen der Vorgänge der geometrischen Angleichung und der Fertigstellung eines halbfertigen Werkstücks durch Polieren verwendet.
Diese Vorgänge umfassen eine gewisse Anzahl von Schritten, die unten beschrieben sind. Das von der Schmiedestation kommende halbfertige Werkstück weist eine dem fertigen Werkstück sehr ähnliche Form und Größencharakteristik auf. Jedoch sind seine Maßzahlen aufgrund einer bestimmten Überdicke noch nicht endgültig. Im Rahmen des Feinschmiedens ist diese Überdicke auf 2/10 bis 4/10 mm festgesetzt. Der automatisierte Poliervorgang hat zum Ziel, diese Überdicke zu beseitigen.
Vor dem Polieren wird das halbfertige Werkstück vorbereitet.
Man beginnt mit der „Dickesortierung" genannten Prüfung, durch die die Abmessungsdaten des Werkstücks überprüft werden, und geht gegebenenfalls zum Abdecken der Teile der Oberfläche über, deren Dicke hinsichtlich der Daten unzureichend ist. Dieser Dickenausgleich kann durch Aufbringen eines Klebebandes erzielt werden.
Der folgende Vorbereitungsschritt besteht in einer chemischen Bearbeitung. Dabei löst man die Titanlegierungen chemisch in einem aus Salpetersäure, Flusssäure und anderen Mitteln wie etwa Benetzungsmitteln oder Wasser bestehendem Bad. Die Eintauchzeit im Bad bestimmt die Menge des entfernten Materials. Der Vorteil der chemischen Bearbeitung ist das Abheben einer gleichmäßigen Dicke des Materials, unabhängig von dessen Form.
Falls erforderlich, wiederholt man die beiden Vorgänge, bis man eine bestimmte Überdicke erhält, die der Poliervorgang beseitigt.
Der Vorgang des Polierens durch Durchlauf des Werkstücks in einer Maschine mit Schleifband ist an sich bekannt. Nun folgt das „Erstpolieren" genannte Polieren.
Herkömmlich wird ein Band verwendet, dessen Schleifmittel aus Siliciumcarbid ist und dessen Korn beispielsweise 120 beträgt. Man hebt eine Materialmenge von 0,25 +/– 0,1 mm ab.
Aufgrund der Natur des Schleifbands ist die Streuung der abgehobenen Materialmenge wichtig.
Eine zweite, mit einer chemischen Bearbeitung verbundene Prüfung vom Typ der oben erwähnten Dickesortierung ist notwendig.
Auf diese Prüfung folgt ein Schritt der manuellen Einstellung auf einem Polierrevolver; dieser Vorgang ist heikel und kann nur von qualifiziertem Personal durchgeführt werden. Da die Schaufeln von beträchtlicher Größe sind, sind diese manuellen Vorgänge der mögliche Grund für Berufskrankheiten wie etwa das RSI-Syndrom (Repetitive Strain Injury).
Nun folgt ein Abschlusspolieren mit einem Band, dessen Korn feiner ist. Aufgrund der Streuung jedoch beträgt das Abheben beispielsweise 0,1 mm +/– 0,05 mm. Eine Endabnahme der Geometrie mit manuellen Nachbesserungen ist eventuell notwendig.
Gemäß der Erfindung wird ein Band mit Superschleifkörnern, wie etwa Körnern aus Industriediamant oder kubischem Bornitrid verwendet.
Auf 3 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Bandes 200 dargestellt, das dessen Struktur wiedergibt; der Träger 210 ist ein synthetisches Material, beispielsweise auf Polyesterbasis. Auf diesem Träger haften Nickelkörner 220. Letztere dienen selbst als Träger für Superschleifpartikel, etwa aus Industriediamant oder kubischem Bornitrid. Das Aufbringen erfolgt elektrochemisch, was die Ausbildung einer einheitlichen Schleifschicht sicherstellt.
Solche Schleifbänder sind im Handel erhältlich und werden beispielsweise von den Firmen 3M, Saint Gobain Abrasives oder KGS geliefert.
Dank der Einheitlichkeit seiner Struktur erlaubt ein solches Band ein Materialabheben mit einer geringen Dickestreuung. Die Genauigkeit kann für ein Band mit einem 220 (= 74 μm) betragenden Korn 0,01 mm betragen.
Es wurden Maschinenparameter zum Abheben einer Dicke von höchstens 3/10 mm in einem Durchlauf definiert:

– Der Bereich der durch das Kontaktrad auf das Werkstück ausgeübten Anpresskraft beträgt 137 N bis 196 N.
– Der Vorschubbereich des Tisches beträgt 3,4 m/min bis 6,7 m/min.
– Der Bereich der Laufgeschwindigkeit des Diamantschleifbandes beträgt 4,6 m/s bis 18,6 m/s.

Das verwendete Kontaktrad weist folgende Charakteristika auf:

– Rad einer Breite von 25 mm mit einem der Geometrie der Werkstücke angepassten Außendurchmesser.
– Derart definierte Rillen, dass sie ausreichend Aggressivität bezüglich des Materialabhebens aufweisen.
– Das Rad bildendes, dem Vorgang angepasstes Material vom Gummi-Typ.

Sobald das halbfertige Werkstück so vorbereitet ist, dass es eine Überdicke bezüglich der gewünschten Maßzahl aufweist, mit Genauigkeit definiert ist, sei es durch chemische Bearbeitung, geometrische Angleichung durch manuelle Nachbearbeitungen (beispielsweise mit Hilfe von Fräsen aus Carbid auf elektrischen Geradeschleifern) oder eine Kombination der zwei Vorgänge, erzielt man das die gewünschten Maßzahlen aufweisende Werkstück direkt durch das Polieren mittels solcher Bänder. Manuelle Nachbearbeitung zwischen den beiden Erstpolieren und Abschlusspolieren genannten Poliervorgängen ist nicht nötig. Man bleibt auf bemerkenswerte Weise innerhalb der Toleranz der durch die Spezifikationen vorgegebenen Form.
Das Erstpolieren durch ein Diamantband aus Korn 60 (= 250 μm) hebt eine Materialmenge von 0,3 mm +/– 0,05 mm ab und gewährleistet einen Oberflächenzustand von 1,8 μm.
Das Endpolieren mittels eines Diamantbandes aus Korn 220 (= 74 μm) hebt eine Materialmenge von 0,1 mm +/– 0,01 mm ab und gewährleistet einen Oberflächenzustand von 0,8 μm.
Der Vorgang der Endabnahme, der in einer Prüfung der Größe und des Aussehens besteht, kann ohne Verwendung des Polierrevolvers oder der tragbaren Poliermaschine ausgeführt werden.
Es liegt desgleichen im Rahmen der Erfindung, das Erstpolieren oder Vorbehandeln durch jedes bekannte Mittel auszuführen, wie etwa chemische Bearbeitung, manuelles Polieren oder jedes mechanische Polieren, sofern das Abschlusspolieren oder Endpolieren genannte Polieren durch die Poliertechnik mit Diamantband ausgeführt wird.
Allgemeiner gesprochen wird das Erstpolieren auf einer definierten Überdicke derart ausgeführt, dass ein Materialabheben von 0,1 mm bis 0,8 mm, vorzugsweise von 0,2 mm bis 0,4 mm, und insbesondere, wie oben ausgeführt, von 0,3 mm +/– 0,05 mm erlaubt wird.
Das Abschlusspolieren mittels des Diamantbandes mit einem feinen Korn gemäß der Erfindung wird derart ausgeführt, dass ein Materialabheben von 0,01 bis 0,2 mm +/– 0,01 mm und vorzugsweise von 0,1 +/– 0,01 mm gewährleistet ist.

Claims

Automatisiertes Polierverfahren zum Polieren halbfertiger mechanischer Werkstücke aus Titan oder Titanlegierung mittels einer Maschine mit einem Schleitband, das auf einem Rad mit tangentialem Kontakt sitzt, welches mit einer bestimmten Geschwindigkeit in Drehbewegung angetrieben wird und mit einem bestimmten Druck angedrückt wird, wobei das Rad zur Oberfläche des Werkstücks mit einer bestimmten Geschwindigkeit verschoben wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifband mit Superschleifkörnern aus Industriediamant oder aus kubischem Bornitrid für ein Endpolieren und zum Abheben einer Überdicke von 0,01 mm bis 0,2 mm, vorzugsweise von 0,1 mm gebildet ist.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch zum Polieren von Turbomaschinenschaufeln, die eine bestimmte Überdicke aufweisen, wobei die Maschinenparameter in den folgenden Intervallen festgesetzt sind: – Andruckkraft des Rades auf der Oberfläche des Werkstücks: 137 N bis 196 N. – Laufgeschwindigkeit des Schleifbandes: 4,6 m/s bis 18,6 m/s. – Vorschubbereich des Rades relativ zu dem Werkstück: 3,4 m/min bis 6,7 m/min.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die Überdicke für ein erstes Polieren zwischen 1/10 mm und 8/10 mm beträgt, vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,4 mm.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Kontaktrad gerillt ist.
Verfahren zur Herstellung von Turbotriebwerksschaufeln aus Titan oder Titanlegierung, das die Fertigung einer halbfertigen Schaufel mit einer Überdicke und die Beseitigung dieser Überdicke beinhaltet, und das mindestens einen Verfahrensschritt des Endpolierens nach Anspruch 1 umfasst, wobei die Überdicke vor Beseitigung dergestalt bestimmt ist, dass während eines ersten Poliervorgangs das Materialabheben von 0,2 mm bis 0,4 mm Und insbesondere Von 0,3 mm +/– 0,05 mm ermöglicht ist.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei denn die Beseitigung dieser Überdicke durch ein erstes Polieren mittels eines Diamantbandes oder Bandes mit kubischem Bornitrid durchgeführt wird.