-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG TECHNISCHES GEBIET
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
das Gebiet des Feingusses. Feingussartikel werden in einem weit
verbreiteten Maße
in vielen Industriezweigen verwendet und verbesserte Herstellungstechniken sind
von großer
Wichtigkeit.
-
EINLEITUNG
-
Der Feinguss ist eine alte Technik,
aber eine, die in vielen Industriezweigen eine beträchtliche
andauernde Wichtigkeit hält
und die bevorzugte Technik für
die Herstellung von kompliziert ausgebildeten Teilen und insbesondere
von Teilen mit komplexen und nicht-zugänglichen internen Bohrungen,
Hohlräumen
oder Kammern.
-
In allgemeiner Hinsicht basiert ein
Feinguss auf der Bildung eines Teils, welches gebildet werden soll,
in Wachs oder einem wachsartigen Material, welches bemessen ist,
um ein Schrumpfen des Gusses zu erlauben, wenn er abkühlt, und
das mit einer keramischen hitzebeständigen Hülle bzw. Haut beschichtet ist.
Das Wachsmaterial wird von der Hülle entfernt,
wobei ein Hohlraum zurückgelassen
wird, der die Anpassung an das ursprüngliche Wachsteil aufweist.
Die Keramik wird gebrannt, um die Partikel zu sintern, wobei eine
Festkörpergießform mit
einem Hohraum gebildet wird, der zur Aufnahme von geschmolzenem
Metall ausgelegt ist. Der Hohlraum wird mit geschmolzenem Metall
gefüllt,
welches dann auf eine Festkörperform
abgekühlt
wird. Die Hülle bzw.
Haut wird durch Hämmern
oder Sandstrahlen oder dgl. entfernt und der Guss wird zurückgewonnen.
-
Nach Trimm-, Reinigungs-, Schleif-,
Polier- und ähnlichen
Endbearbeitungsvorgängen
wird ein Teil, welches eine Endbearbeitung durchlaufen hat, bereitgestellt.
Als allgemeiner Hinweis ist die dimensionsmäßige Genauigkeit von Feingüssen sehr
respektabel und der Schleifvorgang, der als ein Element einer Endbearbeitung
verwendet wird, kann Teile mit im Wesentlichen irgendeinem Grad
einer Präzision
und geforderten Genauigkeit herstellen.
-
Es ist gebräuchlich geworden, Kerneinsätze in der
Gießform
zu verwenden, um die Grundlage für hohle
Elemente in dem Guss bereitzustellen. In der Tat ist es durch die
Verwendung von Gießformkerneinsätzen möglich, Teile
zu bilden, die durch irgendeine andere Technik nicht gebildet werden
können.
Derartige interne Aufbauten können
wichtig sein, um das Gewicht des Gusses zu steuern oder um Flusspfade
für Fluids
oder dgl. bereitzustellen. Die Hohlräume, die für ein bestimmtes Teil benötigt werden,
können
einfacher als Teil der Gießvorgänge gebildet
werden, anstelle dass ein getrennter und zusätzlicher Bearbeitungs- oder
Bohrvorgang benötigt wird,
und es gibt viele Gussteile, die mit hohlen internen Formen ausgebildet
sind, die durch Bearbeitungstechniken überhaupt nicht gebildet werden
können.
-
Wenn Gussformkerneinsätze verwendet werden,
werden sie gewöhnlicherweise
getrennt von der Hülle
aus hitzebeständigen
Keramikmaterialien gebildet, die die gleichen wie diejenigen oder
vergleichbar mit denjenigen sind, die zum Bilden der Gießformhülle verwendet
werden. Wie die Hülle,
in die sie eingesetzt werden, müssen
Kerne oder Einsätze
dimensioniert sein, um ein Schrumpfen zu ermöglichen, und müssen innerhalb
der Hülle
mit Genauigkeit und Präzision
platziert, positioniert und gehaltert werden.
-
Nach dem Gießen wird das Kernmaterial durch
Techniken entfernt, die im Allgemeinen die gleichen sind wie diejenigen,
die zum Entfernen der Hülle
verwendet wird, was durch eine chemische Entferung des Materials
in Bereichen, die für
einen Hämmerungs-
oder Sandstrahlvorgang nicht zugänglich sind,
ergänzt
werden kann. Das Erfordernis einer chemischen Entfernung kann die
Auswahl von Materialien für
den Kern beschränken.
-
Es gibt eine Vielfalt von Techniken
zum Entfernen von Gießformeinsätzen und
Kernen, die relativ aufwändig
sind und Formen und Abmessungen diktieren. Eine gleichermaßen vielfältige Anzahl
von Techniken wird verwendet, um die Einsätze in den Hüllen zu
positionieren und zu haltern. Die gebräuchlichste Technik zum Haltern
von Kernen innerhalb von Gießformaufbauten
ist die Anordnung von Keramikstiften mittlerer Größe, die
integral mit der Hülle oder
dem Kern oder beiden gebildet werden können, die von der Oberfläche der
Hülle an
die Oberfläche des
Kernaufbaus vorstehen und dazu dienen, den Kerneinsatz zu lokalisieren
und zu haltern. Nach dem Gießvorgang
werden die Löcher
in den Guss gefüllt, beispielsweise
durch Verschweißen
oder dgl., vorzugsweise mit der Legierung, aus der die Gießform gebildet
ist.
-
Feingusstechniken neigen zu einer
Anzahl von Ungenauigkeiten. Während
externe Ungenauigkeiten oft mit herkömmlichen Maschinenbanktechniken
korrigiert werden können,
können
diejenigen, die in internen strukturellen Formen angetroffen werden, die
mit Kernen hergestellt werden, schwierig und oft unmöglich aufgelöst werden.
-
Interne Unzulänglichkeiten und Ungenauigkeiten
stammen von bekannten Faktoren. Diese sind im Allgemeinen ein Mangel
einer Genauigkeit bei der Bildung der Kernstruktur, ein Mangel der
Genauigkeit beim Einsetzen des Kerns in die Hülle bei der Herstellung, dem
Zusammenbau der Gießform,
nicht erwarteten Änderungen
oder Defekten, die während des
Brennens der Keramikformen eingeführt werden, und Fehlern der
Hülle,
des Kerneinsatzes oder von Anbringungselementen während der
Herstellung, des Zusammenbaus und der Behandlung vor dem oder während dem
Gießvorgang.
-
Die präzise und genaue Ausformung,
Dimensionierung und Positionierung des Kerneinsatzes ist die komplizierteste
Schwierigkeit bei der Herstellung von Gießformen gewesen. Es sind diese
Aspekte des Feingusses gewesen, die die Anstrengungen der Erfinder
initiiert haben, obwohl es sich herausgestellt hat, dass die Methodologie
der vorliegenden Erfindung eine breitere Anwendbarkeit aufweist.
-
Typischerweise sind die Gießformhülle und die
Kernausbildung auf die Fähigkeit,
in zuverlässiger
Weise feine Details mit vernünftigen
Auflösungsgraden
zu bilden, beschränkt
gewesen. Im Hinblick auf die Genauigkeit einer Positionierung und
einer Anlage, von zuverlässigen
Dimensionen und der Erzeugung von komplizierten und detaillierten
Formen sind derartige Systeme relativ beschränkt gewesen.
-
Die Kerneinsätze sind typischerweise Gussteile
oder Formteile, die ein gewöhnliches
keramisches Gussteil oder Formteil verwenden, gefolgt von geeigneten
Brenntechniken. Eigentümlich
für die
Art des keramischen Gussteils bzw. Gusses ist, dass eine Genauigkeit
und Präzision
im Wesentlichen geringer als diejenigen sind, die durch Metallgusstechniken
erreicht werden. Bei den gewöhnlichen
Keramikgussformulierungen oder "Streifen" ("Slips") gibt es ein
weitaus größeres Schrumpfen
mit einer viel größeren Tendenz
zum Bilden von Sprüngen,
Blasen und anderen Defekten. Es gibt demzufolge eine hohe Ausfall-
und Zurückweisungsrate
bei der Herstellung von Metallfeingüssen, die von nicht korrigierbaren Defekten
stammen, die durch fehlerhafte Kerne und eine fehlerhafte Kernplatzierung
stammen, und eine Anforderung für
eine aufwändige
Bearbeitung beim Gießen,
um diejenigen Gussteile zu korrigieren, die außerhalb der Spezifikationen
liegen, aber einer Korrektes durch eine Bearbeitung, einen Schleifvorgang und
dgl. zugänglich
sind. Die Produktivität
und Effizienz von Gießformvorgangen
werden durch derartige Anforderungen wesentlich behindert.
-
Ein anderes beschränkendes
Merkmal für den
Feinguss ist die sehr beträchtliche
Werkzeugentwicklungs-Vorlaufzeit und der sehr intensive Grad von
Arbeiten und Anstrengungen, die für die Werkzeugentwicklung benötigt werden,
gewesen. Die Entwicklung von jeder Stufe der Werkzeugbehandlung, einschließlich insbesondere
der Form und der Dimensionen der Wachsform, der Form und der Dimensionen
der Rohkörper,
und der Nettoform der gebrannten Gießformen, insbesondere der Kerne,
und der sich ergebenden Konfiguration und der Dimensionen des Gussteils,
das in den Gießformen
hergestellt wird, werden durch eine große Anzahl von Variablen beeinflusst,
einschließlich
einer Wölbung,
eines Schrumpfens und einer Bruchbildung während der verschiedenen Herstellungsschritte,
und insbesondere während
des Brennens der keramischen Rohkörper. Wie durchschnittsfachleute
in dem technischen Gebiet allgemein bekannt ist, sind diese Parameter
nicht genau vorhersagbar und die Entwicklung von Feingussformen
ist ein höchst
iterativer und empirischer Versuchsprozess (Trial und Error-Prozess),
der sich für
komplexe Gussteile typischerweise über Perioden von zwanzig bis
fünfzig
Wochen erstreckt, bevor der Prozess in die Produktion gebracht werden
kann.
-
Infolgedessen ist ein Feinguss mit
komplexer Genauigkeit, insbesondere aus hohlen Teilen, auf die Herstellung
von Teilen und das Gießen
in großen
Anzahlen beschränkt
und ist im Allgemeinen für
begrenzte Herstellungsläufe
nicht geeignet. Änderungen
im Design des Gussteils erfordern Neueinstellungen der Werkzeugbehandlung
von beträchtlicher Größe und sind
somit relativ kostenintensiv und zeitaufwändig.
-
STAND DER TECHNIK
-
Der Stand der Technik hat sich diesen
Problemen gewidmet und hat Fortschritte bei der Entwicklung von überlegenen
Keramikformulierungen gemacht, die das Auftreten von derartigen
Problemen zu einem gewissen Grad verringern.
-
Während
diese Techniken zu Verbesserungen geführt haben, tragen sie zu den
Kosten des Gießvorgangs
bei, und erreichen nicht die gesamte Verbesserung, die gewünscht werden
könnte.
-
Für
diese Techniken, die ein Arbeiten an und insbesondere eine Bearbeitung
von Rohkörpern
verwenden, hat die Erfahrung gezeigt, dass die Änderungen in der Dimension
während
eines Brennvorgangs des Keramikkörpers
eine Anzahl von Ungenauigkeiten einführt, die das Erreichen der
beabsichtigten Form und der beabsichtigten Dimensionen in dem gebrannten
Körper
begrenzen. Wegen der Zerbrechlichkeit der Rohkörper sind die Techniken, die verwendet
werden können,
begrenzt und beträchtliche
manuelle Arbeiten werden gewöhnlicherweise benötigt. Selbst
mit den besten Vorkehrungen und mit Vorsicht wird ein wesentlicher
Anteil der Kerne durch die Arbeitsvorgänge beschädigt werden.
-
Am wichtigsten ist, dass die Merkmale
des Standes der Technik bis heute wenig beitragen, den Werkzeugentwicklungszyklus
zu verbessern oder die Anzahl von Iterationen zu verringern, die
benötigt werden,
um eine abschließende
Werkzeugbehandlung mit der benötigten
Präzision
und Genauigkeit der Form und der Dimensionen zu erzeugen. Der Stand
der Technik gibt nicht effektive Techniken her, um Gießformhüllen und
Kerne, die außerhalb
der Spezifikationen liegen, neu zu bearbeiten oder die Nettoformen
zu ändern,
um Designänderungen
ohne Wiederholen des Werkzeugentwicklungsprozesses aufzunehmen.
-
AUFGABEN DER
ERFINDUNG
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren für
die Herstellung von Feingießformen
und insbesondere von Gießformkernen
mit einer hohen und verbesserten dimensionsmäßigen Genauigkeit und Präzision bereitzustellen.
-
Eine andere Aufgabe besteht darin,
den Werkzeugentwicklungszyklus zu verringern, um Feingießformen
und Kerne mit einer hohen Genauigkeit und Präzision herzustellen.
-
Noch eine andere Aufgabe besteht
darin, Techniken für
die Rückgewinnung
von Feingießformen
bereitzustellen, die außerhalb
von zulässigen Spezifikationen
sind, um Gussteile mit hoher Genauigkeit und Präzision herzustellen.
-
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht in der Bereitstellung von Techniken zum Verändern der
Form und der Dimensionen von Feingießformen und Kernen, um Designänderungen ohne
Wiederholen des Werkzeugentwicklungszyklus bereitzustellen.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung stellt
ein Verfahren zum Herstellen von Feingussartikeln durch einen Feinguss
mit einer Keramikgießform
bereit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- A. Bilden einer Keramikgießform aus einer gesinterten
Keramik;
- B. Verarbeiten wenigstens eines gewählten Teils der gesinterten
Keramikgießform
durch eine Ultraschallbearbeitung;
- C. Gießen
von geschmolzenem Metall in die Gießform hinein;
- D. Kühlen
des geschmolzenen Metalls auf einen Festguss; und
- E. Entfernen der Gießform
von dem Guss.
-
Die vorliegende Erfindung stellt
ferner ein Verfahren zum Herstellen von Feingussartikeln durch einen
Feinguss mit einer Keramikgießfom
bereit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- A. Bilden eines gebrannten Keramikgießkerns auf nahezu
eine Nettoform und -abmessungen;
- B. Formen des Keramikkerns auf eine Nettoform und -abmessungen
durch eine Ultraschallbearbeitung;
- C. Anbringen des bearbeiteten Keramikkerns in einer Wachsverarbeitungsgießform;
- D. Bilden einer Wachsform innerhalb der Wachsverarbeitungsgießform einschließlich des
Keramikkerns;
- E. Entfernen der Wachsform von der Wachsverarbeitungsgießform;
- F. Beschichten der Wachsform mit einem Kerarnikgießform-bildenden
Streifen;
- G. Trocknen des Streifens;
- H. Erwärmen
des Streifens, um das Wachs zu entfernen und den Keramikstreifen
zu verdichten und zu brennen, um eine Feingussform einschließlich des
Keramikkerns zu bilden;
- I. Gießen
des geschmolzenen Metalls in die Gießform hinein;
- J. Kühlen
des geschmolzenen Metalls auf einen Festkörper; und
- K. Entfernen der Keramikgießform
und des Keramikkerns aus dem festen Metall.
-
Bei der vorliegenden Erfindung werden
Feingießformen,
und insbesondere Gießform-Kerneinsätze mit
einer hohen und reproduzierbaren Genauigkeit und Präzision durch
Gießen
des Kerneinsatzes aus einer Keramik, Brennen der Keramik, und Bearbeiten
der Keramikhülle
oder des Kernelements auf einen benötigten Genauigkeits- und Präzisionsgrad durch
die Verwendung von einer oder mehreren Ultraschallbearbeitungstechniken
gebildet und bilden insbesondere Bearbeitungstechniken für die gebrannte
Keramik.
-
In der Tat können die Hülle oder der Kerneinsatz aus
Blöcken
oder einem "Balken-Bestand" (Balken-Vorrat) eines vorgesinterten
Keramikmaterials mit einer gleichförmigen Porosität bearbeitet
werden, um ein Schrumpfen bei der nachfolgenden Verarbeitung und
Behandlung zu ermöglichen,
und die Oberflächen
können
nach der Bearbeitung beschichtet werden, um eine glatte Oberfläche für einen
Guss bereitzustellen. Die glatte Oberfläche der Keramik wird eine entsprechende
glatte Oberfläche
auf dem Metallguss, der in der Gießform gebildet werden soll,
erzeugen. Es ist möglich,
derartige Blöcke
oder einen derartigen "Balken-Bestand" aus vorgesinterten Keramikmaterialien
mit sehr gleichförmigen
und höchst vorhersagbaren
Schrumpfeigenschaften zu bilden, wobei ein genaueres Gießen im Vergleich
mit Kernen ermöglicht
wird, die durch die Techniken gebildet werden, die in dem technischen
Gebiet gewöhnlicherweise
verwendet werden und deren Porositäts- und Schrumpfeigenschaften
sich beträchtlich
verändern
können.
-
Eine der größten Vorteile der Prozeduren
der vorliegenden Erfindung ist die Verringerung der Vorlaufzeit
zum Herstellen von Teilen und die Beschleunigung des Prozesses zum
Entwickeln der Gießformen.
Der iterative Prozess einer Entwicklung, der in dem technischen
Gebiet gebräuchlich
ist, wird stark verringert, weil keine Notwendigkeit besteht, eine
abschließende
Form zu erreichen, die eine nettodimensionierte Gießformkonfiguration
in dem Keramikguss oder dem Formungsvorgang erzeugt. Da die Netto-Gießform-Formen
leicht eingestellt werden können,
ist die Herstellung von Gussteilen mit der gewünschten Form und den gewünschten
Abmessungen nicht der schwierige und zeitaufwändige, größtenteils Trial-und-Error-Prozess,
der gewöhnlicherweise
in dem technischen Gebiet benötigt
wird.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
In den Zeichnungen zeigen:
-
1 eine
perspektivische aufgeschnittene Ansicht einer stilisierten Feingussturbinenmaschinen-Flügelstruktur,
die Merkmale darstellt, die in der vorliegenden Erfindung gebildet
sind;
-
2 eine
schematische Darstellung von einem keramischen Gießkern, der
in einer Halterung angebracht ist, und von zwei gegenüberliegenden
Ultraschallbearbeitungs-Formwerkzeugen zur Verwendung in der vorliegenden
Erfindung;
-
3a einen
schematischen Querschnitt durch eine Wachsverarbeitungsgießform, wobei
ein richtig ausgerichteter Kern innerhalb der Form gezeigt ist;
und
-
3b einen
schematischen Querschnitt durch eine Wachsverarbeitungsform, wobei
ein Kern gezeigt ist, der innerhalb der Form nicht richtig ausgerichtet
ist.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
-
In der vorliegenden Erfindung werden
Gießformen
und insbesondere Kerne für
einen Feinguss auf den benötigten
Präzisions-
und Genauigkeitsgrad der Form und der Dimensionen nach einem Brennen einen
vollständig
gesinterten Zustand verarbeitet.
-
Derartige Techniken sind wegen der
Schwierigkeit einer Verarbeitung von harten und brüchigen Keramiken,
die zur Verwendung als Feingusskerne geeignet sind, bislang nicht
verwendet worden. Traditionelle Bearbeitungs- und andere Verarbeitungstechniken
führen
zu unakzeptablen Graden von Brüchen
und Rissen der Keramiken, um von einem praktischen Nutzen zu sein.
-
Die Erfinder haben Punkt- und Form-Ultraschallbearbeitungstechniken
entwickelt, die zur Verwendung bei der Verarbeitung von gesinterten
und ausgehärteten,
vollständig
harten und dimensionsmäßig stabilen
Keramikkörpern
vollständig
effektiv und produktiv sind. Durch die Verwendung von diesen Techniken
werden Feingusshüllen
und Kerne mit einer nicht dagewesenen Präzision, Genauigkeit und Details
hergestellt, die verwendet werden können, um Feingussteile herzustellen,
die selbst eine daraus folgende Verbesserung der Genauigkeit, Präzision und
Detailauflösung
und in der Oberflächenendbearbeitung
aufweisen, wobei die Gießform
und Gussteil-Zurückweisungsraten
verringert und der Arbeitsaufwand, der beim Gießen benötigt wird, minimiert wird.
-
Bei der vorliegenden Erfindung stellt
die Ultraschallbearbeitungstechnik wesentliche Vorteile bereit.
Es ist nicht relevant, ob die keramischen Strukturen nicht-leitend
und komplex sind; dreidimensionale Formen können so leicht und so schnell wie
einfache bearbeitet werden. Es gibt keine chemischen oder thermischen Änderungen
der Oberflächen.
-
Die Vorlaufzeit, die benötigt wird,
um die Gießformen
und Kerne zu entwickeln, wird stark verringert, und Modifikationen
an den Gießformen,
Kernen und dem abschließenden
Gussteil können zweckdienlicherweise
und schnell erreicht werden.
-
Während
die Prozeduren der vorliegenden Erfindung besonders signifikant
zum Gießen
bzw. Form von Kerneinsätzen
sind, wegen dem fehlenden Zugang zu den internen Bohrungen und Hohlräumen der
Gussteile für
eine Korrektur durch traditionelle Bearbeitungsprozeduren, wie Schleifen,
Polieren und dgl., stellt die vorliegende Erfindung die erste Technik
bereit, die für
die Korrektur von Gießformkomponenten
vor dem Gießen
praktisch ist, so dass das Gussteil von einer größeren Präzision und Genauigkeit ist,
wobei die Notwendigkeit von vielerlei Verarbeitungsvorgängen der
Gussteile eingespart wird. Während
eine Verarbeitung der gebrannten Gießformhülle nicht in allen Fällen kosteneffektiv
sein kann, kann sie beträchtliche
Verbesserungen in einigen sehr komplexen und schwierig zu verarbeitenden
Formen darstellen und wird in derartigen Fällen produktiv sein.
-
In der vorliegenden Erfindung werden
Rohkörper
durch Techniken gebildet, die in dem technischen Gebiet herkömmlich sind.
Es gibt keine spezifischen Erwägungen,
die benötigt
werden, um die Rohkörper
auf die Praxis der vorliegenden Erfindung anzuwenden, obwohl einige
bevorzugte Merkmale vorhanden sind, die wünschenswert sein können, um die
Nutzen zu maximieren, die realisiert werden sollen.
-
Von allen am wichtigsten ist sicherzustellen, dass
die Dimensionen des Rohkörpers
in Bezug auf Designspezifikationen nicht unterbemessen sind, da es
in der vorliegenden Erfindung einfach ist, Überschussmaterialien durch
die Bearbeitungsprozedur zu entfernen, aber nicht Material hinzuzufügen. Während die
Rohkörper
auf die nächsten
Toleranzen gebildet werden sollten, die vernünftig möglich sind, wobei der geeignete
Schrumpfbetrag während
des Brennens der Rohkörper
erlaubt wird, sollte er, im Einklang mit einer guten Praxis und
zur Minimierung der Verarbeitungsanforderungen, falls ein Fehler
vorhanden sein sollte, auf der Seite des Überschussmaterials sein, welches
durch Stützung
auf die vorliegende Erfindung entfernt werden kann. Es ist dieser Aspekt
der vorliegenden Erfindung, der den Werkzeugbehandlungs-Entwicklungszyklus
von den gewöhnlichen
zwanzig bis fünfzig
Wochen auf ungefähr zwei
bis vier Wochen bei der Praxis der vorliegenden Erfindung verringert.
-
Das heißt nicht, dass Spalte, Defekte,
Hohlräume
und andere Unzulänglichkeiten
in Rohkörpern durch
die bekannten Techniken in dem technischen Gebiet nicht repariert
werden können,
aber es wird allgemein bevorzugt, dass diese Anforderungen verringert
werden können.
-
Sämtliche
Zusammensetzungen, die gewöhnlicherweise
in dem technischen Gebiet verwendet werden, können mit der vorliegenden Endung verwendet
werden. Es wird allgemein bevorzugt, dass die Formulierungen, die
die geringsten Kosten und das höchste
Betriebsverhalten bei den Gieß-
und Gießform-Entfernungsprozeduren
bereitstellen, verwendet werden; es ist nicht erforderlich, dass
die komplexen Formulierungen, die entwickelt werden, um ein Schrumpfen
auf ein Brennen der Rohkörper hin
zu minimieren, verwendet werden. Derartige Formulierungen bringen
oft mit sich, dass eine Verarbeitung mit kostenaufwändigen und
schwierigen Materialien ausgeführt
wird, und können
ein beeinträchtigtes
Betriebsverhalten während
des Gießens
des geschmolzenen Metalls oder während
des Kühlens
des Gusses bieten. Oftmals ist es auch schwieriger, derartige Materialien
von dem Guss bzw. Gussteil zu reinigen. Weil derartige "verbesserten"
Formulierungen nicht notwendig sind, wird hier bevorzugt, deren
Verwendung in der vorliegenden Erfindung zu vermeiden.
-
Als eine allgemeine Regel gilt, dass
je kleiner die Partikelgrößen der
Keramikmaterialien sind, die bei der Bildung der Rohkörper verwendet
werden, desto besser die Genauigkeiten und die Toleranzen der abschließenden Gießform und
insbesondere der Gießform-Kerneinsätze und
der vergleichbaren Attribute und der Oberflächenendbearbeitung des Gussteils
sein werden. Für
die meisten Keramikformulierungen wird bevorzugt die kleinsten verfügbaren Partikelgrößen der
Komponentenmaterialien zu verwenden, wenigstens in den Bereichen
der Gießform,
die für
die Gießformoberflächen vorhanden
sind und die Oberflächenendbearbeitung
des Gusses bzw. des Gussteils "wie gegossen" diktieren. Grobere
Materialien können
in anderen Bereichen der Gießformstrukturen
vorteilhaft sein.
-
Da Endbearbeitungsoperationen wie
ein Schleifen und ein Polieren von Feingussteilen zeitaufwändige, arbeitsintensive
und kostenintensive Aspekte der Gießtechnikpraxis sind, dienen
sämtliche Verbesserungen
in den wie-gegossen-Bedingungen der Gussteile, die zur Minimierung
der Endbearbeitungsoperationen und der Notwendigkeit für Korrekturen
dienen, der besseren Produktivität,
Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Herstellung.
-
Die Auswahl der Rohkörper-Bindemittel
ist für
die vorliegende Erfindung nicht kritisch, und zwar wegen der gleichen
Gründe,
wie voranstehend ausgeführt.
Als eine allgemeine Regel werden die Rohkörper einer Verarbeitung auf
Kontrolldimensionen nicht ausgesetzt und deshalb ist die Rohkörperstärke, die
oft vorwiegend durch die Auswahl der Bindemittel-Formulierung diktiert
wird, um den Anforderungen einer derartigen Verarbeitung standzuhalten, nicht
so wichtig wie die Bildung von Rohkörpern zur Verwendung in der
vorliegenden Erfindung. Infolgedessen können kostengünstigere
Materialien verwendet werden, mit hervorstechenden Kosteneinsparungen
bei dem Herstellungsbetrieb.
-
In Abhängigkeit von dem Typ des Herstellungsbetriebs,
der zum Bilden der Rohkörper
verwendet werden soll, kann das Bindemittel ein wasserlösliches
anorganisches Bindemittel wie Wasserglas, ein wasserlöslicher
organisches Polymer, wie Polyvinylacetat oder Polyvinylalkohol,
oder ein natürliches
oder synthetisches Polymerhydrogel, wie Guargum oder Poly(hydroxyethyl-Methacrylat)
oder dgl., sein. In anderer Hinsicht kann das Bindemittel ein plastisches
binäres,
insbesondere ein thermoplastisches Polymer-Bindemittel, oder ein Polymer, das nach
Bildung durch die Anwendung von Wärme thermisch ausgehärtet werden
kann, wie Phenole, Polyepoxide, Polyurethane und dgl., sein (derartige Materialien
werden durch eine thermische Degradierung während Brennvorgängen entfernt
und sind im Allgemeinen nicht vorhanden, wenn die Bearbeitungsvorgänge der
vorliegenden Erfindung verwendet werden).
-
In der Tat werden die Anforderungen
einer geringen Stärke
der Rohkörper
in der vorliegenden Erfindung die Verdünnung der Keramikformulierung mit
hitzebeständigen
Edelverdünnungsmitteln
wie Füllern
in der Zusammensetzung erlauben, wodurch noch größere Einsparungen der Materialkosten
erreicht werden.
-
Zusätzlich zu den Kosteneinsparungen durch
die Verwendung von kostengünstigeren
Verdünnungsmitteln
in den Keramikformulierungen erlaubt die vorliegende Endung die
Verwendung von Füllern,
um die Formungs- und Gießcharakteristiken der
Keramikformungs-Formulierungen oder Streifen zu erleichtern, was
materiell der Einrichtung zum Bilden der Rohkörper helfen kann. Z.B. ist
es möglich, in
den Keramikstreifen Füller
einzubauen, die die Rheologie der Streifen im Ansprechen auf eine
Scherung verändern,
wobei ein hoher Tixotrophiegrad bereitgestellt wird, um ein Pumpen
zu erleichtern, während
ein Durchhängen
oder Absacken im Stehen miniaturisiert wird.
-
Die Keramikrohkörperformen der vorliegenden
Erfindung können
durch irgendwelche der gewöhnlichen
Techniken gebildet werden, die in dem Stand der Technik verwendet
werden. Dies schließt beispielsweise
das Gießen
von Fluiddispersionen, das Formen aus plastischen Dispersionen,
und ein statisches Drücken
ein.
-
Da die Anforderungen für die Stärke bzw. Festigkeit
des Rohkörpers
in der vorliegenden Erfindung mäßig und
nicht bemerkenswert sind, ist die Gießtechnik, die verwendet wird,
nicht ein Hauptfaktor bei der Qualität oder Produktivität des Betriebs und
kann auf Grundlage der Zweckdienlichkeit und von Kostenerwägungen in
den meisten Fällen
gewählt
werden.
-
Ein Eintauch-Gießen kann die Technik der Wahl
für die
Bildung von Gießformhüllen sein,
wobei die Wachsform in einen Streifen oder eine Dispersion der Keramikkomponenten
in einem Fluid, häufig
ein wasserhaltiges Medium mit einem wasserlöslichen oder Hydrogel-Bindemittel,
getaucht wird. Die Festkörper
lagern sich auf der Oberfläche
der Form ab und bilden eine Beschichtung, die der Gestalt der Form
angepasst ist. Eine Sprühbeschichtung
des Keramikstreifens kann ebenfalls verwendet werden. durch mehrfache
Einlauch- und Sprühvorgänge, wobei
ein oder mehrere Streifen-Formulierungen (Slip-Formulierungen) verwendet werden, um
eine geeignete Dicke der Beschichtung bereitzustellen, um als eine
Gießformhülle zu dienen,
mit oder ohne einem Trocknen zwischen den Beschichtungen, wird die
geformte Hülle
getrocknet, die Wachsgießform wird
entfernt, allgemein durch Wärme
oder durch eine chemische Reaktion in einer herkömmlichen Weise, und der Rohkörper ist
dann bereit zum Brennen, um die Keramik zu sintern.
-
Einlauch-Gießtechniken sind für die Bildung von
Kernen weniger günstig,
da die Kontrolle des Prozesses schwieriger ist, wenn die Keramik
auf der Innenseite von weiblichen Formen aufgebracht wird. Gewöhnlicherweise
gibt es Fehlstellen, die Defekte in den Rohkörpern darstellen, wenn die
Gießform entfernt
wird. Deshalb werden Gießprozeduren
allgemein für
die Bildung von Kernen bevorzugt.
-
Bei Gießoperationen wird die Keramikformulierung
in einem geeigneten Bindemittel aufgelöst, um eine Plastikgießformzusammensetzung
zu bilden, die in eine weibliche Gießform oder eine Form geformt
wird. Die Formung kann durch einen Spritzguss bei relativ erhöhter Temperatur
erreicht werden, oder durch irgendwelchen der zahlreichen verwandten
Plastikformungsvariationen, die in dem Stand der Technik bekannt
sind.
-
Die gebildeten Rohkörper können in
einigen Fällen
durch ein isostatisches Drücken,
einschließlich
eines Heißdrucks,
verbessert werden, um die Keramikmaterialien vor dem Brennen zu
verdichten.
-
In Situationen mit hohen Anforderungen
können
die Rohkörper
durch den Einschluss von faserförmigen
Verstärkungen
oder Armaturen, die aus Keramik- oder Metallfasern gebildet sind,
verstärkt
werden, um die struktwellen Elemente der Form zu haltern.
-
Wenn Armaturen verwendet werden,
sollte aufgepasst werden, dass die Armatur so positioniert ist,
dass sie nicht an der Oberfläche
freigelegt ist oder so nah an der Oberfläche ist, dass sie bei einer
nachfolgenden Verarbeitung nichtfreigelegt wird.
-
Wenn keramische oder metallische
Fasern eingebaut sind, wird bevorzugt, dass sie in die Streifen- und Formungs-Formulierung,
die die Oberfläche bildet,
eingebaut werden oder einer nachfolgenden Verarbeitung ausgesetzt
werden.
-
In beiden Fällen ist es nicht erwünscht, wenn Verstärkungsmaterialien
und insbesondere Metalle an der Oberfläche der fertig gestellten Gießform freigelegt
sind oder in einen Kontakt mit dem geschmolzenen Metall kommen,
welches gerade in die Gießform
gegossen wird. Eine Verunreinigung der Gießlegierung durch Extraktion
oder Diffusion von derartigen Einschlüssen in der Gießformstruktur
ist allgemein nicht wünschenswert.
-
Wie normalerweise in dem technischen
Gebiet verständlich,
sind die Rohkörper,
die in Übereinstimmung
mit dem Stand der Technik hergestellt werden, brüchig und relativ einfach zu
beschädigen.
Die gewöhnlichen
Vorkehrungen zum Behandeln von diesen Strukturen wird in der vorliegenden
Erfindung benötigt,
wie bei irgendeiner anderen Feingussoperation.
-
Bei der Umsetzung der vorliegenden
Erfindung besteht keine Anforderung zur Verarbeitung von Rohkörpern, aber
es kann wünschenswert
sein, Material hinzuzufügen,
um Oberflächendefekte
zu füllen
oder in einigen Fällen
die Wanddicke zu erhöhen.
Wenn derartige Techniken verwendet werden, ist es akzeptabel und
sogar wünschenswert,
dass ein gewisser Teil von Überschussmaterial
hinzugefügt wird,
so dass die Prozedur innerhalb von vernünftigen Grenzen relativ unanspruchsvoll
und leicht ist.
-
Das Brennen der Rohkörper ist
der letzte kontrollierbare und am wenigsten vorhersagbare Schritt
bei der Bildung der Feingussformen, und der die Qualität des Gussteils,
welches hergestellt werden soll, am meisten bestimmende Schritt.
Die vorliegende Erfindung arbeitet nicht, um die Prozeduren kontrollierbarer
oder vorhersagbarer zu machen; in der vorliegenden Erfindung werden
die Qualität
der Gestalt, die Dimensionen und die Oberflächenendbearbeitung der Gießformelemente
und die sich ergebenden Formen, Dimensionen und die Oberflächenendbearbeitung
des Gussteils, welches in der Gießform hergestellt werden soll,
nicht durch den Brennschritt oder durch den Zustand der Gießformelemente
wie gebrannt gesteuert. Ein Brennen ist demzufolge ein Aspekt mit
weitaus geringeren Anforderungen bei der Praxis des Feingusses in
der vorliegenden Erfindung. Da die Form und Dimension der gebrannten Gießform bei
der vorliegenden Erfindung be- bzw. verarbeitet werden sollen, ist
es ausreichend, in dem gebrannten Körper vor der Verarbeitung eine
nahezu Netto-Form zu erreichen.
-
Die Brennoperation selbst wird durch
die Sinteranforderungen der Keramik und die Ausbrenn-Anforderungen des
Rohkörper-Bindemittels
diktiert werden. Erwärmungspläne, die
Haltezeit auf der Temperatur und Abkühlplanungen sind in dem Stand
der Technik bekannt und werden in der vorliegenden Erfindung nicht
verändert.
-
Es sei darauf hingewiesen, dass die
vorliegende Erfindung die Anforderungen eines guten Designs und
der Herstellungspraxis bei der Entwicklung von Rohkörpern nicht
beseitigt. Auf ein Brennen hin wird das Keramikmaterial noch die
gewöhnlichen Schrumpfbeträge durchlaufen
und Vorsicht muss walten gelassen werden, um ein Absacken und Brechen
der Form während
des Brennvorgangs zu vermeiden. Es wird für Durchschnittsfachleute in
dem technischen Gebiet auch offensichtlich sein, dass das Ausmaß der Verarbeitung
der gebrannten Gießformelemente
im großen
Maßstab
durch die Qualität des
gebrannten Körpers
diktiert werden wird, die wiederum durch die Qualität des Rohkörper diktiert
wird. Der Rohkörper
sollte demzufolge nahe zu der benötigten Form und den benötigten Dimensionen
sein, die entwickelt werden, um eine gebrannte Keramik mit guter
Qualität
und in der Nähe
der erforderlichen Netto-Form und den erforderlichen Netto-Abmessungen
zu erzeugen, die zum Erzeugen des bestimmten Gussteils erforderlich
sind. In sämtlichen
Umständen in
der vorliegenden Erfindung wird stark bevorzugt, dass die Rohkörper auf
eine derartige "nahezu-Netto"-Form erzeugt werden, wobei mit jeder
Veränderung
von dem Ziel, eine Netto-Form, die bei dem Gießvorgang benötigt wird,
einen übergroßen Rohkörper favorisiert.
Es wird stark bevorzugt, dass der Rohkörper nicht unter der Größe ist.
-
Quantitativ sollte der Rohkörper entwickelt werden,
um eine gebrannte Form zu erzeugen, die auf Spezifikationen ist,
plus 1 mm, minus null, vorzugsweise plus 0,1 mm, minus null. Wie
Durchschnittsfachleute leicht verstehen werden, kann die Entwicklung
von Rohkörpern
auf diese erforderlichen Präzisions-
und Genauigkeitsgrade gewöhnlicherweise
mit geringen Schwierigkeiten und einer begrenzten Anzahl von Iterationen
erreicht werden. Je enger der gebrannte Körper auf Spezifikationen entwickelt
werden kann, ohne unter die Konstruktionswerte zu gehen, desto schneller
und kostengünstiger kann
die abschließende
Form hergestellt werden, wenn die Gießform verarbeitet wird.
-
Die strukturellen und physikalischen
Eigenschaften der Rohkörper
und der gebrannten Keramikkörper
werden in der vorliegenden Erfindung nicht verändert und Durchschnittsfachleute
in dem technischen Gebiet werden vollständig verstehen, dass diese
Formen mit der gleichen Vorsicht behandelt werden müssen. Die
gebrannten Körper
sind insbesondere harte, brüchige
und relativ zerbrechliche Materialien.
-
Anstelle einen Rohkörper auf
eine "nahezu Netto-Form" zu bilden, kann es relativ effektiv in
vieler Hinsicht sein, wenn die Hülle
oder der Kerneinsatz aus standardisierten "Blöcken" oder einem "Balken-Bestand"
von vorgesintertem Keramikmaterial bearbeitet wird. Derartig vorgeformte
und vorgebrannte "Bestands-Materialien" können mit überlegener Gleichförmigkeit
und insbesondere mit einer gleichförmigen Porosität gebildet
werden, um wiederum ein gleichförmiges
und höchst
vorhersagbares Schrumpfen bei der nachfolgenden Verarbeitung und Behandlung
zu erlauben. Das "Bestands-Material" wird in die Netto-Form, die
benötigt
wird, durch die Ultraschallbearbeitungstechnik der vorliegenden
Erfindung gebildet und die Oberflächen können nach der Bearbeitung beschichtet
werden, um eine glatte Oberfläche
für das
Gießen
bereitzustellen; die beschichtete Form kann erneut gebrannt werden,
wenn dies erforderlich oder gewünscht
ist, um die Beschichtung zu fixieren, und zwar in Abhängigkeit
von der verwendeten Zusammensetzung. Die glatte Oberfläche der
Keramik wird eine entsprechende glatte Oberfläche dem Metallgussteil, welches
in der Gießform
gebildet werden soll, herstellen. Es ist möglich, derartige Blöcke oder
einen "Balken-Bestand" von vorgesinterten Keramikmaterialien mit
sehr gleichförmigen
und höchst
vorhersagbaren Schrumpfeigenschaften herzustellen, wobei ein genaueres
Gießen
erlaubt wird im Vergleich mit Kernen, die durch die Techniken gebildet
werden, die in dem technischen Gebiet gewöhnlicherweise verwendet werden
und deren Porositäts-
und Schrumpfeigenschaften sich beträchtlich verändern können.
-
Durch die Verwendung von "Bestands-Material"
("Vorrats-Material") in der Technik wird die Notwendigkeit eines
Spritzguss-, Eintauch-, Isostatikdruck- oder einer anderen Form
eines Rohkörpers vermieden.
Bestandsformen sind weitaus einfacher und wirtschaftlicher zu erzeugen
und deren gleichförmige
Form, deren Größe und deren
Verarbeitungstechnik ist weitaus zuverlässiger als das Bilden, Brennen
und Behandeln von Komplexen und oft komplizierten Rohkörpern. Weitaus
weniger Abfall wird in einer derartigen Technik erfahren.
-
Durchschnittsfachleute können ausreichend die
Netto-Form bestimmen, die von der gebrannten Gießform benötigt wird, um das benötigte Gussteil
zu erzeugen, und zwar mit geeigneten Toleranzen für ein Schrumpfen,
wenn das Metall abkühlt
und es sich verfestigt. In der vorliegenden Erfindung wird ein Gießformkern
oder eine Hülle
hergestellt, die nahezu die erforderliche Netto-Form und die erforderlichen Netto-Dimensionen
aufweist, diese aber nicht hat, und wird dann verarbeitet, um das
Gießformelement auf
die abschließend
benötigte
Form und Abmessung zu bearbeiten, mit einer höchst entwickelten Oberflächenendbearbeitung,
mit hohen Präzisions- und
Genauigkeitsgraden.
-
Bearbeitungstechniken zum Verarbeiten
von Keramiken sind begrenzt und hier wurde eine Ultraschallbearbeitung
entwickelt, um eine schnelle, höchst
regelmäßige und
reproduzierbare und kostengünstige
Verarbeitung auf den benötigten
Präzisions- und
Genauigkeitsgrad in der Form, in den Dimensionen und in der Oberflächenendbearbeitung
bereitzustellen. Die Ultraschalltechniken, die hier verwendet werden,
können
höchst
automatisiert sein, wodurch die benötigten Arbeiten mit hohen Fertigkeiten
beschränkt
werden, und können
bei Verarbeitungsraten ausgeführt
werden, die gleich zu oder schneller wie die Herstellung der gebrannten
Gießformkörper sind.
-
Die Bearbeitungstechniken können verwendet
werden, um die gebrannten Gießformelemente zu
verbessern, aber sie können
auch verwendet werden, um Modifikationen in der Gießform herzustellen, um
Merkmale zu gewährleisten,
die bei den gewöhnlichen
Bildungsvorgängen
nicht einfach hergestellt werden können. Z.B. können kleine
Löcher
in die Gießformstruktur
hinein und durch diese gebohrt werden, und zwar mit einer Positionsgenauigkeit,
einer Regelmäßigkeit
und mit Abmessungen, die in einem gewöhnlichen Gießformherstellungsvorgang nicht
praktisch sind.
-
Feinguss-Gießformen sind oft komplexe Strukturen,
die den Gussteilen entsprechen, die hergestellt werden sollen. Zusätzlich erfordern
derartige Gießformen
die normalen zusätzlichen
Teile, die benötigt
werden, um das Gussteil herzustellen, einschließlich von z.B. Kanälen, Gatter,
Gießtassen
und dgl. In dem technischen Gebiet ist es gebräuchlich, derartige Strukturen
zu der Wachsgießform
hinzuzufügen,
aus der die Gießformstruktur
hergestellt wird. Derartige Prozeduren werden gewöhnlicherweise auch
in der vorliegenden Erfindung bevorzugt werden, obwohl es erwähnenswert
ist, dass Hinzufügungen
auf dem Rohkörper
vor dem Brennen an einer Stelle oder zu der gebrannten Gießform, entweder vor
oder nach der Verarbeitung, die von der vorliegenden Erfindung in
Erwägung
gezogen wird, zementiert werden können.
-
Eine Ultraschallbearbeitung ist zunehmend wichtig
in jüngster
Zeit für
eine Vielzahl von Anwendungen geworden. Sie ist verwendet worden,
um unter anderen Materialien in einer Vielzahl von Aspekten Keramiken
zu bearbeiten. Sie ist bei Feingussprozessen oder zum Verarbeiten
von Feinguss-Gießformen
und Gießformkomponenten
noch nicht verwendet worden, weil das technische Gebiet sich auf andere
Methodologien zum Herstellen von überlegenen Gießformen
konzentriert hat. Wie voranstehend angegeben, ist es allgemein einfacher
gewesen, die Wachsgießformen
zu verändern,
Keramikformulierungen anzupassen oder die Rohkörper zu frühen Stufen in dem Prozess zu
verarbeiten, da diese Materialien weitaus einfacher zu verarbeiten
sind.
-
Weil eine Verarbeitung von Keramikkörpem, beispielsweise
gebrannten Keramikgießformen
und insbesondere von Kernen als schwieriger, mir höheren Anforderungen
und langsam und zu einem Bruch der Gießformstrukturen mit hervortretenden
Verlusten der Produktivität
neigend angesehen worden ist, ist einer Verarbeitung von derartigen
gebrannten Keramiken wenig Aufmerksamkeit geschenkt worden.
-
Hier wurde erfolgreich eine schnelle
und effektive Ultraschallbearbeitung von gebrannten Keramikfeinguss-Gießformen
und Gießformkomponenten,
sowohl bei der Verwendung von "Punkt"-Werkzeugen mit einer begrenzten Größe und Form,
als auch bei der Entwicklung und Verwendung von produktiven und
effektiven "Form"-Werkzeugen, die zur Verarbeitung von Oberflächen mit
einer beträchtlichen
Fläche
auf eine spezifizierte entworfene Form mit genauen und präzisen Abmessungen
ausgelegt sind, erreicht.
-
Eine Ultraschallbearbeitung wird
in vernünftiger
Weise in dem technischen Gebiet zum Verarbeiten einer Vielzahl von
Materialien, einschließlich
von Keramikmaterialien, entwickelt. In derartigen Techniken wird
ein Werkzeug oder eine Sonotrode entwickelt, die die gewünschte Anpassung
aufweist, und wird auf einem Wandler angebracht, der zum Vibrieren
bei Ultraschallfrequenzen veranlasst wird, beispielsweise durch
piezoelektrische Effekte und dgl. Das Werkzeug oder die Sonotrode
wird auf die Oberfläche
eines Werkstücks
hin vorgerückt,
wobei ein Abriebmedium zwischen dem Werkzeug oder der Sonotrode
und der Werkstückoberfläche angeordnet
ist. Die Vibrationen werden durch das Abriebmittel übertragen,
um eine Verarbeitung der Werkstückoberfläche zu bewirken.
Eine Anregung der Abriebmittel-Partikel
reibt die Werkstückoberfläche ab,
wobei eine genaue umgekehrte Form der Werkzeug- oder Sonotrodenform
zurückgelassen
wird.
-
Wegen der Beschränkungen von Ultraschallwandlern
ist die Verarbeitungsobeifläche
des Werkzeugs oder der Sonotrode allgemein auf nicht mehr als ungefähr 100 cm2 begrenzt, so dass dann, wenn größere Flächen verarbeitet
werden sollen, der Teil oder der Wandler an unterschiedliche Stellen
bewegt und erneut verarbeitet werden muss, oft mit einem anderen
Werkzeug oder einer anderen Sonotrode, die eine andere Form aufweist,
die für
die bestimmte zu bearbeitende Fläche
geeignet ist. Niedrigere Frequenzen, in dem akustischen Bereich,
können
nach Wunsch verwendet werden und sind innerhalb des Umfangs des
hier verwendeten Ausdrucks "Ultraschallbearbeitung", so wie er hier
verwendet wird.
-
Für
den Fall von kleineren Gießformkomponenten,
die von einem Ultraschallwerkzeug oder einer Ultraschallsonotrode
mit einer akzeptablen Fläche überspannt
werden können,
wird hier bevorzugt das Werkzeug oder die Sonotrode in das Spiegelbild der
benötigten
Oberfläche
zu bilden und die Gießformkomponente,
beispielsweise einen Kerneinsatz, in einem einzelnen Betriebsvorgang
zu verarbeiten.
-
Mit den Ultraschallwerkzeugen der
vorliegenden Erfindung können
die gebrannte Gießform oder
Gießformkomponenten
bearbeitet, geschnitten oder gebohrt werden, je nach Bedarf. Während derartige
Bearbeitungsvorgänge
für Gießformherstellungsvorgänge nicht
gebräuchlich
sind, erlaubt die Einführung
der vorliegenden Erfindung die Entwicklung von Strukturen, die bei
Gießoperationen
bislang nicht praktisch oder öfter
auf die Entwicklung von groben Strukturen beschränkt waren, die eine erneute Verarbeitung
des gebildeten Gussteils in der Gießform, nachdem es gebildet
ist, erfordern.
-
Zusätzlich wird die vorliegende
Erfindung verwendet werden, um die Oberflächen der gebrannten Gießform oder
der Gießformkomponenten
auf eine Netto-Größe und -Form
aus nahezu-Netto-Zuständen,
die bei der ursprünglichen
Bildung des Keramikkörpers
erreicht werden, zu schleifen. Die Ultraschallbearbeitungstechniken
können
die gebrannte Keramik auf dimensionsgrößige Toleranzen im Wesentlichen
so eng wie erforderlich, typischerweise bis –0, +0,1 mm, gewöhnlicherweise
in der Größenordnung
von –0,
+0,05 mm oder weniger, und wenn benötigt, auf –0, +0,02 mm schleifen. Bei
diesen Werten sind die Dimensionen typischerweise so fein wie die Korngrößen der
gesinterten Keramik, was allgemein der begrenzende Parameter der
Genauigkeit und der Präzision
bei derartigen Schleifvorgängen
ist.
-
In ähnlicher Weise kann die Oberflächenrauigkeit
leicht durch ein Ultraschallpolieren der Oberflächen des geschliffenen Keramikkörpers herunter
auf die Begrenzungen der Korngröße und der
Porosität der
gesinterten Keramik verringert werden. Weitere Verringerungen der
Rauigkeit können
verwendet werden, indem Bearbeitungsbedingungen verwendet werden,
die die einzelnen Körner
an der Oberfläche bearbeiten
werden. Für
ausreichend dichte Keramiken kann eine glasglatte Oberfläche mit
einer Oberflächenrauigkeit
so gering wie 0,01 mm RMS erreicht werden, wird aber oft nicht vorgegeben
oder benötigt.
-
Die Qualität des ursprünglichen Gussteils des keramischen
Rohkörpers,
und insbesondere die Dichte des keramischen Gussteils an der Netto-Oberfläche, ist
ebenfalls ein begrenzender Faktor, da die Oberflächenrauigkeit einer höchst porösen Keramik
niemals kleiner als die Porosität
des Materials sein kann. Es wird immer eine Begrenzung hinsichtlich
des Ausmaßes
einer Oberflächenverarbeitung,
die gefordert werden wird, vorhanden sein, und zwar definiert durch
die Anforderungen des zu bildenden Gussteils, und Durchschnittsfachleute
in dem technischen Gebiet werden wenig Schwierigkeiten haben, die
Verbesserungen in der Oberflächenendverarbeitung
gegenüber
der hinzugefügten
Verarbeitungszeit und den damit verbundenen Kosten im Gleichgewicht
zu halten. Wenn ein Polieren der Oberflächen der Keramik geeignet ist,
ist es besonders zweckdienlich, die Techniken zu verwenden, die in
unserem früheren
Patent U.S. 5.187.899 offenbart und beansprucht sind. Wie voranstehend
angegeben, ist es auch möglich,
eine geeignete Beschichtung auf die bearbeitete Keramikoberfläche anzuwenden,
um die Löcher
und Poren zwischen den gesinterten Partikeln zu füllen.
-
Eine Vielzahl von Ultraschallgeneratoren,
die die Wandler ansteuern, die in der vorliegenden Erfindung verwendet
werden, sind bekannt und verfügbar.
-
Um die Produktivität zu maximieren
und die Möglichkeit
von Fehlern zu minimieren, wird bevorzugt, Generatoren zu verwenden,
die bei einer Resonanzfrequenz der Wandler-Werkstück-Kombination arbeiten.
Automatische Resonanzfolgegeneratoren des Typs, die in der U.S.
4.748.365 offenbart und beansprucht werden, werden bevorzugt.
-
Eine Vielzahl von Wandlerkomponenten
sind kommerziell erhältlich
und viele können
in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, die die elektrischen
Signale, die in dem Generator erzeugt werden, in eine mechanische
Vibration bei der geeigneten angelegten Frequenz umwandeln werden,
typischerweise durch einen piezoelektrischen Effekt, gekoppelt mit
einem Booster, der zum Verstärken
(oder manchmal zum Unterdrücken)
der Amplitude der Vibrationen dient.
-
Die Werkzeuge oder Sonotroden wenden
die Vibration des Wandlers auf das Abriebmittel an, um den Bearbeitungsbetrieb
zu bewirken. Die Sonotrode ist typischerweise ein Metallstab oder
ein Balken aus einem geeigneten Metall, der eine Resonanzlänge aufweist,
die für
die Frequenz der zu erzeugenden Vibrationen geeignet ist, und für Metalle
wie beispielsweise Stahl, Aluminium oder Titan sind typische Resonanzlängen von
ungefähr
100 bis ungefähr
150 mm, und am häufigsten
ungefähr
115 bis ungefähr 140
mm.
-
Die Bearbeitungsoberflächen des
Ultraschallbearbeitungswerkzeugs oder der Sonotrode können über breite
Grenzen verändert
werden, und zwar von relativ kleinen "Punktbearbeitungs"-Werkzeugen
mit einer Verarbeitungsfläche
von weniger als ungefähr
1 mm2 bis zu einem gegenwärtigen Maximum
von ungefähr
100 cm2. Kleine Punktbearbeitungswerkzeuge
sind besonders geeignet für
Prototyparbeiten und können
für die
abschließende
Endbearbeitung und Detaillierungsbetriebe bei der Herstellung nützlich sein,
während
Formwerkzeuge mit größerer Fläche geeignet
zur Herstellung einer Werkzeugverarbeitung sind.
-
Die kleinen "Punktbearbeitungs"-Werkzeuge können in
einer Vielzahl von kleinen Formen ausgebildet werden, einschließlich von
kugelförmigen,
quadratischen, kreisförmigen
oder konischen Querschnitten, mit abgeschnittenen konischen Abschnitten
und dgl., um eine zweckdienliche Mischung bereitzustellen, um für die besonderen
Bearbeitungsanforderungen von besonderen Betriebsvorgängen geeignet
zu sein.
-
Bearbeitungswerkzeuge mit einer größeren Form
werden typischerweise geformt, um direkt die erforderliche Form
herzustellen, einschließlich
einer dreidimensionalen Form, einer Detaillierung und von Dimensionen,
die von der gebrannten Keramik benötigt werden. Die Form des Werkzeugs
oder der Sonotrode wird ein Spiegelbild der Keramikform sein, die bearbeitet
werden soll, mit geeigneten Toleranzen für den Spalt zwischen dem Werkzeug
oder der Sonotrode und der gebrannten Keramik.
-
Wenn Keramikgießformen über größere Oberflächen als die maximal mögliche Werkzeuggröße bearbeitet
werden sollen oder wenn gegenüberliegende
Stirnflächen
der Keramik verarbeitet werden sollen oder andere Formbeschränkungen
vorhanden sind, werden mehrere Form- und/oder Punktwerkzeuge verwendet,
die sequenziell und kollektiv bei der Bearbeitung der Keramik auf
die benötigte
Form verwendet werden.
-
Werkzeuge mit mehreren Formen sind
in einer stilisierten Weise in 2 dargestellt,
wobei ein Werkstück
(50) in einem Halter (60) gehaltert wird. Ein
Paar von Ultraschallbearbeitungswerkzeugen (70, 80)
sind in einer aufeinander zugerichteten Anordnung an dem Halter
(60) und dem Werkstück
(50) gezeigt. Die Stirnfläche G des Werkzeugs ist ein
negatives Bild der gewünschten
Konfiguration eines entsprechenden Abschnitts der Werkstückoberfläche. In 2 ist das Werkstück in der Gestalt einer höchst stilisierten
und vereinfachten Form eines Kerneinsatzes zum Gießen eines
Turbinenmaschinenflügels.
Im Betrieb wird das Werkstück
(50) in dem Halter (60) montiert, der wiederum
auf einer geeigneten Halterung, die nicht gezeigt ist, montiert
wird. Eines der Ultraschallbearbeitungswerkzeuge ist auf einer Sonotrode
angebracht, die auf einer Ramme geführt wird; um das Werkzeug in
eine Arbeitsposition in Bezug auf das Werkstück, welches ebenfalls nicht gezeigt
ist, vorzurücken.
Das Werkzeug wird vorgerückt,
um einen Abschnitt der Oberfläche
der Werkstückoberfläche in einer
Anlage und Ausrichtung zu bearbeiten. Sobald die Bearbeitung mit
dem ersten Werkzeug abgeschlossen ist, wird das Werkzeug entfernt
und durch das zweite Werkzeug ersetzt und das zweite Werkzeug wird
dann in eine Verarbeitungsposition in einer Anlage und Ausrichtung
zu dem entsprechenden und zusammenpassenden Oberflächenabschnitt
des Werkstücks
vorgerückt und
führt die
erforderliche Bearbeitung auf diesem Abschnitt der Werkstückoberfläche aus.
-
Wie durchschnittsfachleute in dem
technischen Gebiet erkennen werden, ist es möglich, einige Formen mit einem
einzelnen Formwerkzeug entsprechend zu der gesamten zu bearbeitenden
Oberfläche zu
bearbeiten, während
andere Formen mehr als die zwei in 2 gezeigten
erfordern können.
Die Anzahl von Werkzeugen, die für
ein bestimmtes Werkstück
benötigt
werden, wird durch die Größe und die Form
des Werkstücks
bestimmt werden. Als allgemeine Regel wird bevorzugt, die minimale
Anzahl von Werkzeugen zu verwenden, die ausreicht, um die Bearbeitungsoperation
auszuführen,
und zwar wegen der Wirtschaftlichkeit und Produktivität.
-
Wie Durchschnittsfachleute in dem
technischen Gebiet ebenfalls erkennen werden, können eine Anzahl von existierenden
Maschinen angepasst werden, um die Funktionen zum Haltern, Ausrichten, Anlegen
und Vorrücken
des Halters und seines Werkstücks
und der Werkzeuge auszuführen.
Ein derartiges Gerät
bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung.
-
Irgendwelche der vielen Werkzeugmaterialien,
die gewöhnlicherweise
beim Bilden von Ultraschallbearbeitungswerkzeugen verwendet werden, können in
geeigneter Weise in der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Am gebräuchlichsten
in dem technischen Gebiet ist die Verwendung eines Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstahls,
obwohl in vielen Fällen
ein Stahl, der gegenüber
einem Abrieb resistenter ist, und nicht-metallische Legierungen verwendet
werden. Die Auswahl der geeigneten Werkzeug- oder Sonotrodenmaterialien
ist nicht ein kritisches Merkmal der vorliegenden Erfindung.
-
In vielen Fällen wird bevorzugt, das Verarbeitungswerkzeug
oder die Sonotrodenoberfläche
in das Ultraschallfeld hinein zu bearbeiten, wobei die erforderliche
Form direkt in dem Sonotrodenmaterial gebildet wird.
-
Wenn eine Oberflächenpolitur verwendet wird,
in Übereinstimmung
mit unserem früheren
Patent 5.187.899, wird normalerweise ein Werkzeug oder eine Sonotrode
verwendet, die einfacher in dem Betrieb als der zu polierende Keramikteil
verarabeitet wird. Graphitwerkzeuge werden allgemein bei derartigen
Operationen bevorzugt.
-
Wie angegeben, kann das Werkzeug
oder die Sonotrode direkt in dem Ultraschallfeld gebildet werden
oder kann getrennt gebildet und an der Verarbeitungsoberfläche der
Sonotrode durch Löten oder
dgl. angebracht werden. In jedem Fall kann die erforderliche Gestalt
und Form des Werkzeugs durch irgendeine geeignete Bearbeitungstechnik
hergestellt werden. Allgemein wird bevorzugt ein orbitales Schleifen,
EDM, oder eine Kombination von beidem für die schnelle Herstellung
der benötigten
Form mit sehr hohen Graden der Präzision und Reproduzierbarkeit,
die bereitgestellt wird, zu verwenden. Derartige Techniken ermöglichen
auch die Reparatur des Werkzeugs oder der Sonotrode, wenn sie während Ultraschallbearbeitungsoperationen
abgenutzt wird.
-
Formwerkzeuge können mit irgendeiner gewünschten
Gestalt und mit einer feinen Detaillierung wie gewünscht versehen
werden, vorausgesetzt, dass die folgenden Randbedingungen beachtet
werden:
Die Gestalt muss konsistent mit einem axialen Vorrücken des
Wandlers und der Werkzeugs oder der Sonotrode in einem Eingriff
mit der zu verarbeitenden Keramikstruktur sein. Das Werkzeug oder
die Elektrode können
keine Unterätzungen
bilden und getrennte Bearbeitungsoperationen, mit einer anderen Orientierung
des Wandlers und einem anderen Werkzeug oder einer anderen Sonotrode
werden allgemein benötigt,
um Unterätzungsformen
zu erzeugen. Wegen der hinzugefügten
Komplexität
des beteiligten Bearbeitungsbetriebs sollten derartige Konstruktionsmerkmale
wann immer möglich
vermieden werden, obwohl zusätzliche
Operationen die meisten Gestaltsanforderungen erfüllen können, wenn
dies gewünscht
ist.
-
Wenn diese Wandformen in der Keramik
gebildet werden sollen, beispielsweise Finnen, Stifte, Pfosten und
dgl., werden die Minimumdimensionen, die toleriert werden können, vorwiegend
durch die Charakteristiken des Keramikmaterials vorgegeben. Da die
zu verarbeitende Keramik bereits gebrannt ist, wird sie eine weitaus
größere Festigkeit
und Haltbarkeit in vielerlei Hinsicht als ein nicht gebrannter Rohkörper aufweisen,
da aber die Dimensionen in dünnwandigen
Strukturen mit feinen Details verringert sind, muss Vorsicht walten
gelassen werden. Es kann wünschenswert
sein, derartige Merkmale mit wenigstens irgendeiner Verjüngung, wenn
möglich, zu
konstruieren, um das Vorrücken
und das Zurückziehen
des Werkzeugs oder der Sonotrode und des Wandlers, ohne einen direkten
Kontakt zu ermöglichen.
Ein Keil bzw. eine Verjüngung
so klein wie 1 Grad wird eine gewisse Hilfe sein, aber wann immer möglich wird
ein Keil von 3 bis 5 Grad in einer typischeren Weise verwendet.
Ein Keil ist nicht eine kritische Anforderung, da die Dimension
des Schnitts den Spalt zwischen dem Werkzeug oder der Sonotrode
und dem Werkstück,
wie voranstehend diskutiert, in der Größenordnung von wenigstens ungefähr zweimal
des Durchmessers der Abriebpartikel in dem Spalt bereitstellen wird.
-
Es ist allgemein wünschenswert,
dass Formwerkzeuge in der Größe beschränkt sind,
wie voranstehend angegeben, und zwar auf nicht mehr als 100 cm2. Es ist auch zweckdienlich, die maximalen
Dimensionen des Werkzeugs oder der Sonotrode so zu beschränken, dass
sie in einen Kreis mit einem Radius von ungefähr 15 cm2 passen.
-
Während
die Werkzeug- oder Sonotrodenoberflächen allgemein aus abnutzungsresistenten
Materialien gebildet sind und für
den Fall von Bearbeitungs-, Schneide- und Schleifoperationen das
Material gegenüber
dem Ultraschallbearbeitungseffekt des Betriebs resistenter ist als
das keramische Werkstück,
wird eine Abnutzung vorhanden sein und über der Zeit werden die von
dem Werkzeug benötigten Toleranzen
die Grenze der Akzeptierbarkeit erreichen. An diesem Punkt muss
das Werkzeug oder die Sonotrode repariert werden, um die ursprüngliche Gestalt
und die Dimensionen wiederherzustellen, oder muss durch ein anderes,
neues Werkzeug ersetzt werden.
-
In den meisten Fällen wird das Werkzeug oder
die Sonotrode die Toleranzen nicht verlieren, bis eine wesentliche
Anzahl von Teilen innerhalb von akzeptablen Toleranzen hergestellt
worden ist. Wenn die Grenze erreicht wird, wird allgemein bevorzugt, das
Werkzeug durch eine EDM, Orbitalschleif- oder Ultraschall-Verarbeitung
neu zu formen. Eine Kombination von diesen Techniken kann verwendet
werden. Typischerweise kann jedes Werkzeug oder jede Sonotrode mehrmals
repariert werden, bevor zu viel Material verloren geht, um eine
weitere Reparatur und eine erneute Verwendung zuzulassen.
-
Wie voranstehend angegeben, wird
die Abrieb-Verarbeitung, die bei Ultraschallbearbeitungs-, Schleif-
und Polieroperationen benötigt
wird, am häufigsten
durch Abriebpartikel ausgeführt,
die in einem flüssigen
Träger
verteilt sind, der durch das Ultraschallwerkzeug oder eine Sonotrode
in Vibrationen versetzt wird. In dieser Weise ist es das Abriebmittel, welches
tatsächlich
die Verarbeitungskraft auf die Werkstückoberfläche überträgt, als ein Zwischenglied zwischen
dem vibrierenden Werkzeug oder der vibrierenden Sonotrode und dem
Werkstück.
Das Werkzeug oder die Sonotrode wird somit niemals in einen direkten
Kontakt mit der Werkstückoberfläche gebracht
und ein Spalt wird zwischen dem Werkzeug oder der Sonotrode und
dem Werkstück
aufrechterhalten. Es ist möglich,
einen Bruch des Werkzeugs oder der Sonotrode durch einen Aufschlag
auf dem Werkstück
zu vermeiden und einen Fluss eines frischen nicht abgenutzten Abriebmittels
in den Spalt hinein während
des Betriebs sicherzustellen. Zusätzlich wird der Abfall, der
während
der Verarbeitung des Werkstücks
erzeugt wird, von dem Schnittstellenspalt weggewaschen und baut
sich nicht auf Pegel auf, die den Betrieb stören könnten.
-
Das Fluid bzw. die Flüssigkeit
wird verwendet, um das Abriebmittel aufzulösen und dieses in den Spalt
zwischen das Werkzeug und das Werkstück hinein- und davon herauszutransportieren,
um Wärme
von dem Spalt zu transportieren und den Abfall des Verarbeitungsbetriebs
aus dem Spalt herauszuspülen.
-
Die Art des Fluids ist keine kritische
Angelegenheit, solange es mit dem Werkzeug und der Keramik kompatibel
ist und die angezeigten Funktionen ausführen kann. Irgendwelche der
Fluids, die gewöhnlicherweise
in dem technischen Gebiet verwendet werden, können in einer geeigneten Weise
verwendet werden.
-
Eine breite Vielfalt von Abriebmitteln
können in
der vorliegenden Erfindung verwendet werden, einschließlich von
all denjenigen, die typischerweise in Ultraschallbearbeitungsprozessen
des Standes der Technik verwendet werden. Damit die Keramikmaterialien
in der vorliegenden Erfindung verarbeitet werden können, wird
bevorzugt Siliciumcarbid für
Keramiken mit relativ geringer Dichte, wie Siliciumoxid- und Aluminiumoxid-gestützte Keramiken
und Borcarbid zur Verarbeitung von Keramiken mit hoher Dichte, die
aus Siliciumnitrid und Siliciumcarbid gebildet sind, zu verwenden.
-
Die Partikelgrößen des Abriebmittels sind vorzugsweise
in der Größenordnung
von ungefähr 25
bis 75 mm Durchmesser, obwohl, wenn gewünscht, ein breiterer Bereich
verwendet werden kann, solange wie die Spaltabmessungen zwischen dem
Werkzeug oder der Sonotrode und dem Keramikwerkstück entsprechend
eingestellt werden.
-
Die Frequenz der Ultraschallbearbeitungsvibrationen
wird normalerweise in dem Bereich von ungefähr 200 bis ungefähr 30.000
Hz sein. In einigen Fällen
können
sich niedrigere oder höhere
Frequenzen bei der Verarbeitung von bestimmten Keramiken oder bei
der Verwendung besammter Werkzeug- oder Sonotrodenmaterialien oder
beiden als effektiver erweisen. Die vorliegende Erfindung wurde
mit einer Oszillaaonsfrequenz so gering wie ungefähr 50 Hz
und so hoch wie 50.000 Hz praktiziert, die beide außerhalb
des normalen Bereichs sind, mit dem Ausdruck "Ultraschall" verbunden
wird, es sei aber darauf hingewiesen, dass der Ausdruck in dem breiteren Sinn
zum Definieren von Frequenzen verwendet wird, die um den Ultraschallbereich
herum zentriert sind und sich zwischen oberen und unteren hörbaren Grenzen
erstreckt, von ungefähr
50 Hz bis ungefähr 50.000
Hz. Am häufigsten
sind die gewünschten
Frequenzen diejenigen, bei denen die Kombination des Wandlers, einschließlich irgendeines
Booster-Elements, und des Werkzeugs oder der Sonotrode in Resonanz
sind. Für
die meisten Werkzeuge ist die Resonanzfrequenz in dem Bereich von
ungefähr 15.000
bis ungefähr
25.000 Hz und vorzugsweise zwischen ungefähr 19.000 bis ungefähr 21.000.
-
Die Amplitude der Oszillationen während des Bearbeitungsbetriebs
ist allgemein in der Größenordnung
von ungefähr
1 bis ungefähr
1000 μm,
am häufigsten
zwischen 10 bis 250 μm,
und bevorzugt ungefähr
zwischen 25 bis ungefähr
50 μm.
-
Die optimale Frequenz und Amplitude
wird sich mit der Zusammensetzung der Keramik, aus der die Gießform gebildet
ist, verändern
ist und wird leicht durch empirische Techniken bestimmt. Es wird jedoch
festgestellt werden, dass der Grad einer Verbesserung in optimalen
Bedingungen sich nicht stark von anderen Frequenzen und Amplituden
verändert, und
es gut möglich
ist, bei einer festen Frequenz und einer festen Amplitude für alle Gießformmaterialien zu
arbeiten, wenn gewünscht.
-
Die Bearbeitungsgeschwindigkeiten,
die typischerweise bei der Verarbeitung der Keramikmaterialien in
der vorliegenden Erfindung erreicht werden, stellen eine Materialentfernung
bei einer Rate bereit, die typischerweise in der Größenordnung
von 0,25 bis 100 mm3 pro Minute ist, wobei
die Amplitude der Vibration, die Abriebmittel-Korngröße und die
spezifischen Charakteristiken der Keramik verändert werden. Die Vorrückungsrate
oder Eindringungsrate wird entsprechend in der Größenordnung
von 0,25 mm bis ungefähr
2,5 mm pro Minute sein, und zwar in Abhängigkeit von der Härte und
der Dichte der Keramik. Typische Oberflächenendbearbeitungen, wie hergestellt,
werden in dem Bereich von ungefähr
0,2 bis ungefähr
1,5 μm RMS,
mit typischerweise Genauigkeiten von –0, +0,1 mm, liegen und wenn
erforderlich, können
Toleranzen so gering wie 0, +2 μm
erhalten werden.
-
Es wird gewöhnlicherweise bevorzugt, sicherzustellen,
dass sämtliche
Oberflächen
der Gießform
oder der Gießformkomponente,
die in der vorliegenden Erfindung verarbeitet werden soll, auf der Stirnfläche gegenüberliegend
zu der Oberfläche,
die gerade verarbeitet wird, gut gehaltert wird, um die Biegemomente
zu minimieren, die angelegt werden und die dazu tendieren, das brüchige Keramikmaterial
einzufangen. Befestigungsteile zum Ergreifen und Haltern der Oberflächen der
Keramikkomponente sind ausreichend innerhalb der Fertigkeiten, die
gewöhnlicherweise
in dem technischen Gebiet vorhanden sind.
-
Ein angepasstes Paar von Halterungen,
für die
gegenüberliegenden
Stirnflächen
der Gießform oder
der Gießformkomponente,
werden gewöhnlicherweise
eine vollständige
Verarbeitung des Werkstücks
in zwei sequenziellen Bearbeitungsvorgängen erlauben, während es
in jedem Halterungsbefestigungsteil gehaltert wird.
-
Die Effektivität des Verarbeitungsvorgangs wird
oft dadurch verbessert, dass zu den Oszillationen eine periodische,
vorzugsweise intermittierende Hin- und Herbewegung mit relativ großer Amplitude des
Werkzeugs oder der Sonotrode relativ zu der Oberfläche des
Keramikkörpers
hinzugefügt
wird. Eine derartige Hin- und Herbewegung dient zum "Pumpen" des
Fluids und des Abriebmediums in dem Spalt zwischen dem Werkzeug
oder der Sonotrode und der Keramikoberfläche, um eine frische Zuführung von
Abriebmittel und eine hohe Homogenität des Schneidemediums sicherzustellen.
Die Orientierung der Abriebpartikel in dem Spalt wird während jedes
Impulses durch eine Schwenkaktion während derartigen Hin- und Herbewegungen
verändert,
wodurch sichergestellt wird, dass frische Schneidekanten und Punkte
an der Keramikoberfläche
während der
Dauer des Betriebs dargeboten werden. Eine Hin- und Herbewegung
von ungefähr
0,1 bis 2,5 mm, bei einer Frequenz von ungefähr 0,1 bis 5 Hz, für eine Dauer
von 1 bis 2 Zyklen, wird für
derartige Zwecke effektiv sein.
-
Während
Schneide- und Schleifoperationen mit einer hohen Rate kann es auch
effektiv sein, auf das Werkzeug oder die Sonotrode eine orbitale
Bewegung aufzuprägen,
die auf die Ultraschallvibrationen des Werkzeugs überlagert
werden. Eine derartige orbitale Bewegung kann den Schneidevorgang auf
der Keramikoberfläche
durch Kombinieren von Merkmalen eines orbitalen Schleifvorgangs
mit den Effekten einer Ultraschallbearbeitung beschleunigen. Die
orbitale Bewegung dient dazu, die Homogenität des Schneidemediums in dem
Spalt zwischen dem Werkzeug und der Keramikoberfläche sicherzustellen
und eine Verarbeitungskomponente mit ihrem eigenen "Läppungs"-Typ
eines Vorgangs zu versehen.
-
Wenn ein orbitales Schleifen in Kombination mit
dem Ultraschallbearbeitungsbetrieb verwendet wird, werden kleine
Orbits in der Größenordnung
von ungefähr
0,1 bis 2 Millimeter allgemein am effektivsten sein, bei einer Orbitalfrequenz
von ungefähr
1 bis 60 Hz.
-
Wenn Formwerkzeuge verwendet werden, wird
bevorzugt, einen Einzelachsenbetrieb zu verwenden, bei dem das Werkzeug
und das Keramikwerkstück
in einer aufeinander zugerichteten Orientierung angebracht werden
und eines in einen Eingriff mit dem anderen vorgerückt und
dann zurückgezogen
wird, wenn der Bearbeitungsbetrieb abgeschlossen ist. Eine Genauigkeit
und Reproduzierbarkeit hängen
von der Ausrichtung und der Anlage des Werkzeugs und des keramischen
Werkstücks
ab.
-
Typischerweise wird es zweckdienlich
sein, den Wandler und das Werkzeug oder die Sonotrode auf einer
hydraulisch, elektrisch oder pneumatisch bewegten Ramme (einem Schlitten)
anzuordnen, vorzugsweise in einem Werkzeugwechslermechanismus des
allgemeinen Typs, der gewöhnlicherweise
in dem technischen Gebiet der Bearbeitungswerkzeuge verwendet wird,
um schnelle Werkzeugänderungen zu
erleichtern, wenn dies benötigt
wird, und um eine genaue und reproduzierbare Ausrichtung des Werkzeugs
sicherzustellen. Das Keramikwerkstück wird typischerweise in einem
Befestigungsteil angebracht, welches das Werkstück an dem Werkzeug positioniert,
zu diesem ausrichtet und mit diesem in Anlage bringt. Das Abriebmittel,
welches in seinem flüssigen Träger aufgelöst ist,
kann in den Spalt von ein oder mehreren Punkten, die an der Kante
des Spalts angeordnet sind, oder durch Kanäle, die durch die Sonotrode
oder das Werkstück
vorgesehen sind, eingeleitet werden. Die Suspension wird typischerweise eingefangen
und recycelt, vorzugsweise mit einer Kühlwirkung.
-
Sobald das Werkzeug und das Teil
richtig angebracht sind, wird die Ramme vorgerückt, um den richtigen Spalt
einzurichten und der Generator wird betätigt, um den Bearbeitungsbetrieb
zu beginnen. Die Ramme wird dann bei einer Rate konsistent mit der
Rate einer Materialentfernung von der Keramik vorgerückt, bis
die gewünschte
Grenze erreicht wird. Es ist oft wünschenswert, periodisch den
Betrieb zu unterbrechen, das Werkzeug zurückzuziehen und dann dieses
wieder in einen Betriebseingriff vorzurücken. Die Überlagerung einer derartigen
pertodischen axialen Oszillation dient dazu, den sich angesammelten
Abfall und das abgenutzte Abriebmittel aus dem Spalt herauszudrängen, und
wird durch die Spülwirkung
des auferlegten Flusses der Abriebsuspension unterstützt. Der
Vorgang sieht auch eine Verbesserung des Kühleffekts des Flüssigkeitsflusses
in dem Spalt vor. Beide Effekte unterstützen die Genauigkeit des Bearbeitungsbetriebs.
Die Amplitude ist nicht kritisch und kann im Bereich von 0,1 mm
bis 2,5 mm liegen und kann bei einer Impulsrate von ungefähr einmal
in fünf
Minuten bis so oft wie 5 Hz auftreten., Typischerweise wird ein
Impuls zu jeweils 10-30 Sekunden zweckdienlich sein.
-
Wenn die Größe des Keramikwerkstücks oder
die Konfiguration der Werkzeuganordnung erfordert, wird der Bearbeitungsbetrieb
oft die Verwendung von zwei oder mehreren Werkzeugen erfordern.
Oft wird sich die Achse der relativen Bewegungen, die benötigt werden,
unterscheiden. Derartige Merkmale können in getrennten Operationen
in einer seriellen Weise auf getrennten Geräten bereitgestellt werden,
oder eine einzelne Maschine kann mit mehreren Rammen versehen werden,
bei unterschiedlichen Ausrichtungen zu der Keramik oder in einer
typischeren Weise kann die Befestigung dafür ausgelegt werden, um abweichende
Ausrichtungen bereitzustellen, entweder durch Umortentierung einer
einzelnen Befestigung oder durch Bereitstellung einer Vielzahl von
Befestigungen. Wenn gegenüberliegende
Seiten jedes Keramikwerkstücks
bearbeitet werden sollen, wird es allgemein erforderlich sein, wenigstens
zwei Befestigungsteile zu verwenden.
-
Die Toleranzen des Bearbeitungsbetriebs werden
zweckdienlicherweise durch herkömmliche Mess-
und Maßtechniken überwacht.
Da die Keramik normalerweise nicht-leitend ist, werden Messungen des
Kontakttyps allgemein bevorzugt. Es kann zweckdienlich sein, das
Werkstück
indirekt maßgenau
abzustimmen, indem das Werkzeug über
Kontakt- oder Nicht-Kontakttechniken vermessen wird, um eine Abnutzung
zu überwachen,
mit periodischen Messungen von sämtlichen
oder einer geeigneten Probe von bearbeiteten Werkstücken, nachdem
die Bearbeitung abgeschlossen ist. Da die Schneidecharakteristiken
für einen
gegebenen Betrieb sehr genau vorhersagbar sind, und da der Eingriff
bzw. die Anlage des Werkzeugs in Bezug auf die Befestigung gleichermaßen genau
gesteuert und reproduziert werden kann, kann es nicht erforderlich
sein, das Teil selbst während
des Bearbeitungsbetriebs zu messen.
-
Derartige Operationen haben sich
als relativ zuverlässig,
schnell und effektiv bei der Herstellung von Keramikteilen bei reproduzierbaren
Toleranzen so gering wie –0
bis +2 μm
(in einer typischeren Weise ungefähr 0,1 bis 0,02 nun) bei Pegeln,
die 90% übersteigen,
oft 95-98% von sämtlichen
verarbeiteten Teilen übersteigend,
erwiesen. Herstellungs- bzw. Produktionsverluste werden gewöhnlicherweise Brüche der
Keramik während
der Ultraschallbearbeitung darstellen und werden am häufigsten
Rissen in der gebrannten Keramikstruktur zurechenbar sein. Herstellungsraten
werden durch die Größe und Konfiguration
des Keramikteils, die Anzahl von Werkzeugen, die für den Bearbeitungsbetrieb
geeignet sind, und der Qualität
der nahezu auf eine Nettoform ausgebildeten Keramikrohstücke diktiert.
Zu einem geringen Ausmaß wird
die Rate auch von der Härte
der Keramik und von Toleranzen, die von dem abschließenden Teil
benötigt
werden, abhängig
sein. Um beispielhaft darzustellen, was möglich ist, wurden Feingießkerne für das Gießen von
Turbinenflügeln
bearbeitet, was nachstehend ausführlich
beschrieben wird, und zwar auf eine Toleranz von –0, +0,5
mm bei einer Rate von 0,6 Minuten (40 Sekunden) pro Teil auf
einer numerisch gesteuerten Version der Werkzeugbearbeitungsvorrichtung
der bevorzugten Ausbildung, die voranstehend beschrieben wurde.
-
Die Ergebnisse sind stark über die
Fähigkeiten
des herkömmlichen
Feingusses. Wenn geringere Toleranzen benötigt werden, können sogar
höhere Herstellungsraten
erzielt werden.
-
Es ist möglich, das System auf die Bearbeitung
einer Vielzahl von Keramikwerkstücken
gleichzeitig durch Anbringen von mehreren Werkzeugen auf ein oder
mehreren Rammen und durch Bereitstellen von mehreren zusammenpassenden
Befestigungsteilen, um eine entsprechende Anzahl von Keramikrohstücken anzubringen,
anzupassen. Durch eine derartige Verarbeitung kann eine sehr hohe
Produktion mit keiner Verringerung in den Toleranzen erreicht werden.
-
Wenn hohe Herstellungsraten nicht
ein Hauptaspekt sind, wie während
der Prototyp- und Konstruktionsentwicklung
von Gussteilen, für
begrenzte Herstellungsläufe,
oder andere spezialisierte Anwendungen, können die Zeit und Ausgaben
einer Formwerkzeugentwicklung nicht kosteneffektiv sein. In derartigen
Fällen
wird bevorzugt, ein oder mehrere Punktwerkzeuge zu verwenden, wie
voranstehend beschrieben, die auf einem numerisch gesteuerten Mehrachsen-Werkzeugträger angebracht
sind, der das Werkzeug in eine Anlage mit einem befestigten Keramikwerkstück orientieren
und bewegen kann. Eine Vielfalt von Mehrachsen-Bearbeitungswerkzeugen
können
auf die Anforderungen angepasst werden und Toleranzen erreichen,
die für
die vorliegende Eifindung geeignet sind. Bearbeitungswerkzeuge, die
für traditionelle
Bearbeitungsoperationen angepasst sind, beispielsweise Mahl-Schneidevorrichtungen
und dgl., können
leicht die Ultraschallvibrationen aushalten, die bei der vorliegenden
Erfindung auftreten, da sie eine wesentlich geringere Amplitude
und Größe als die
Vibrationen aufweisen, die typischerweise von derartigen Maschinen
angetroffen werden. Resonanzvibrationen innerhalb des Mehrachsensystems
können
leicht gedämpft
werden, wenn erforderlich.
-
Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet
des Feingusses werden erkennen, dass sämtliche Präzision, die mit der Fabrikaaon
von Gießformteilen
und insbesondere Gießformkernen gewonnen
wird, verschwendet wird, wenn die Teile nicht mit einer vergleichbaren
Präzision
während
des Zusammenbaus und bei Formungsoperationen, in denen sie verwendet
werden, ausgerichtet werden können.
-
Die Positionierung eines Kernelements
in einer Wachsgießform
ist ein Beispiel der akuten Probleme, die sich beim Gießen ergeben
können.
Trotz der Qualität
der Wachsverarbeitungsform und des Kerneinsatzes wird irgendein
Fehler bei der Positionierung des Kerns innerhalb der Wachsverarbeitungsform,
wenn das Wachsmedium eingespritzt wird, eine verringerte Wanddicke,
wo der Kern zu nahe der Gießformwand
positioniert ist, und eine entsprechend erhöhte Wanddicke gegenüber einführen. Derartige
Fehler werden oft durch einen Überentwurf von
Komponenten aufgelöst,
wobei zusätzliches
Gewicht und Material zu gegossenen Teilen hinzugefügt wird.
-
Es ist möglich, Kernlokalisierungssafte
zu verwenden, die integral bzw. einstöckig in den Kernaufbau oder üblicherweise
auf einem Kernhaltebefestigungsteil angebracht sind, welches innerhalb
der Wachsverarbeitungsform entwickelt wird, zu verwenden. Derartige
Stifte lassen ein Loch innerhalb des Wachsmusters, wenn von der
Wachsverarbeitungsform getrennt, die durch gewöhnliche Wachsmuster-Endbearbeitungstechniken
gefüllt
werden können,
oder die in einigen Fällen
an der Stelle gelassen werden können,
um mit der Keramikformulierung beim nachfolgenden Eintauchen gefüllt zu werden, um
ein entsprechendes Loch durch das Gussteil herzustellen. Derartige
Löcher
werden oft gewünscht, z.B.
um einen Kühlluftfluss
von dem hohlen Kern an die Oberfläche für den Fall von Turbinenmaschinenflügeln bereitzustellen,
obwohl eine Lokalisierung von Stiften eines Durchmessers, der für einen
derartigen Luftflusstransport geeignet ist, ziemlich zerbrechlich
sein kann.
-
Es ist innerhalb des Umfangs der
vorliegenden Erfindung, derartige Techniken für eine Ausrichtung bereitzustellen,
indem Datumspunkte mit hoher Genauigkeit bereitgestellt werden,
um derartige Safte auf der Oberfläche eines Kerneinsatzes genau
zu bilden und zu lokalisieren, wobei die Ausrichtung des Kerns innerhalb
der Wachsverarbeitungsform mit hoher Genauigkeit, herunter auf die
Toleranzen des Bearbeitungsbetriebs, sichergestellt wird.
-
In Situationen, bei denen Opertiaonen
Keramikkerne auf akzeptable Toleranzen herstellen, aber Wachsverarbeitungsform-Aufbauoperationen
nicht akzeptable Fehler einführen,
kann es sich als höchst effektiv
und produktiv erweisen, den Bearbeitungsbetrieb auf die voreingestellten
Datumspunkte zu beschränken,
ohne eine Ultraschallbearbeitung des gesamten Teils. Die Geräte-, Werkzeuganordnungs- und
Befestigungsanforderungen von derartigen Operationen können relativ
einfach sein, wodurch kosteneffektive Aufrüstungen in der Qualität einer
Herstellung von existierenden Gussteilen erlaubt werden.
-
Die Größe, Anzahl, Ortentierung und
die Form von Datumspunkten werden durch die Konstruktion des Kerns
und die zu verwendenden Lokalisierungssafte vorgegeben. Ein Punktwerkzeug
oder ein Formwerkzeug, um die Datumspunktanpassung anzupassen, um
mit den Enden der Stifte I zusammenzupassen und in diese einzugreifen,
stellt keine großen
Anforderungen. Eine Ultraschallbearbeitung, die auf die Bildung
von derartigen Datumspunkten beschränkt ist, kann sehr schnell
sein, sogar bei sehr engen Toleranzen.
-
Es sollte jedoch vorsichtig bemerkt
werden, dass dann, wenn die Ultraschallbearbeitung auf Datumspunkte
beschränkt
ist, keine Konektur einer Verwindung, Biegung oder Wölbung der
Keramik während
ihres Brennvorgangs, Verdichtungsvorgangs und Schrumpfvorgangs durchgeführt wird.
Wenn das vollständig
gebrannte Keramikteil außerhalb
akzeptabler Toleranzen ist, sollte eine volle Formbearbeitung, wie
voranstehend beschrieben, verwendet werden. Genauso kann die höchst genaue
und präzise Anordnung
von Datumspunkten die Beschränkungen einer
schlechten Konstruktion oder von schlechten Herstellungstechniken
nicht beseitigen.
-
Wie bei irgendwelchen anderen Techniken für die Entwicklung
von Feingussformen müssen
geeignete Spielräume
bestimmt werden und für
das Ausmaß eines
Schrumpfens des Gussteils, wenn es abkühlt, gemacht werden. Während die
Techniken, die verwendet werden sollen, die gleichen wie diejenigen
sein werden, die in dem technischen Gebiet gebräuchlich sind, ist es erwähnenswert,
dass eine Änderung
der Gussformen zum Einstellen der Dimensionen auf höchst genaue
Ergebnisse weitaus einfacher und schneller durch die spezifische
Anwendung von diesen Techniken auf die Verarbeitungsprozeduren,
die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, ist. In der
Tat können
sogar sehr geringfügige
Einstellungen, die vorher dem Schleifen und Polieren des Gussteils überlassen
wurden, leicht an den Gießformhüllen und
Kernen bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung
durchgeführt werden.
Infolgedessen ist es möglich
und praktisch, Gussteile mit einer nicht dagewesenen Präzision und Genauigkeit
bei der vorliegenden Erfindung herzustellen. Wegen der dimensionsmäßigen Erfolge
erfordern die Gussteile, die in der vorliegenden Erfindung erzeugt
werden, eine geringe oder keine Oberflächenverarbeitung, um die Dimensionen
zu korrigieren, sogar für
das Ausmaß,
dass die Oberflächenendbearbeitung
der Gießformen
von weitaus größerer Wichtigkeit
sind. Für
viele Gussteile kann der Teil als Gussteil verwendet werden, mit
keinem Schleifen der gegossenen Oberfläche, oder eine gute Oberflächenendbearbeitung
wird oft benötigt,
um den vollen Nutzen der Erfindung zu erreichen.
-
Wie voranstehend vollständig in
der Offenbarung unseres früheren
Patents US-A 5187899 aufgeführt,
kann die Oberflächenendbearbeitung
der Keramikteile auf im Wesentlichen irgendeinen Grad einer dimensionsmäßigen Genauigkeit
und Präzision
und auf irgendeinen Grad einer Oberflächenendbearbeitung, die in
dem Gussteil benötigt
wird, geformt, geschliffen und poliert werden. Es sei jedoch darauf
hingewiesen, dass das Polieren der Gießformoberflächen durch das Schrumpfen des
Gussteils während des
Abkühlens
des Metalls, welches auf eine Festkörperphase geschmolzen wird,
und während
der Abkühlung
des Festkörpers,
da das Schrumpfen das Gussteil aus einem Kontakt mit der Oberfläche der Gießform herausziehen
kann, bevor die Oberfläche vollständig verfestigt
ist, und Erlauben der Änderung der
Oberflächenendbearbeitung,
die von der Gießformoberfläche ausgeübt wird,
durch eine Synerese, beschränkt
sein kann. Ein Polieren der Gießform über die
Grenzen der Gießoperation
hinaus, ist offensichtlich nicht erforderlich und verschwenderisch
und sollte nicht verwendet werden. Die geeigneten Grenzen, die verwendet
werden sollen, sind eine Funktion der Größe des Gussteils und der Schrumpfcharakteristiken,
wenn sich die gegossene Flüssigkeit
abkühlt und
verfestigt. Eine Oberflächenendbearbeitung,
wie gegossen, von besser als ungefähr 10 Mikroinch RMS wird allgemein
durch Gießen
von Metallen nicht erhalten.
-
Das Gießen von geschmolzenem Metall
in die Gießformen,
die durch die vorliegende Erfindung gebildet werden, werden durch
die vorliegende Erfindung nicht verändert, und eine gute Gießformpraxis, die
in dem technischen Gebiet gut verstanden wird, ist vollständig effektiv.
Derartige Techniken, wie in zentrifugales Gießen, bei dem die Gießform und
das geschmolzene Metall gedreht werden, um den Fluss der Schmelze
in die Gießformhohlräume zu fördern und
andere vorteilhafte Effekte zu erzielen, können mit der vorliegenden Erfindung
zu einem guten Effekt verwendet werden.
-
Es ist zunehmend gebräuchlich,
Einsätze
mit vorgeformten Strukturen, einem Metall mit hohem Schmelzpunkt
und einer Keramikfaserverstärkung und
dgl. in Feinguss-Gießteile
hinein zu verwenden, bevor die Schmelze gegossen wird. Diese Praktiken sind
mit der vorliegenden Erfindung vollständig kompatibel und werden
in der Tat gewöhnlicherweise durch
die verringerten Anforderungen zum Verarbeiten der Gussteiloberflächen erleichtert.
Mit einer verringerten Verarbeitung der Gussteiloberflächen besteht
eine geringere Tendenz, dass derartige Einschlüsse an der Gussteiloberfläche freigelegt
werden, was gewöhnlicherweise
eine wichtige Erwägung ist.
-
Wie bei den gewöhnlichen Techniken für einen
Feinguss wird es gebräuchlich
sein, die Gießform
und deren Einsätze
vor dem Gießen
Temperaturen auszusetzen, die vergleichbar mit der Schmelztemperatur
oder wenigstens oberhalb der Solidifizierungstemperatur der Schmelze
sind, um eine frühzeitige
Verfestigung des Metalls während
des Gießens zu
vermeiden. Nachdem der Guss abgeschlossen ist und die gegossene
Schmelze entgast ist, wenn erforderlich, und all den Schritten,
die notwendig sind, um sicherzustellen, dass der Gießformhohlraum
vollständig
mit der Metallschmelze gefüllt
ist, wird das Abkühlen
der Gießform
und des Metalls begonnen.
-
Ein Abkühlplan wird durch die Charakteristiken
des Metalls, aus dem das Gussteil gerade gebildet wird, vorgegeben
werden. Diese Anforderungen werden durch die vorliegende Erfindung
nicht geändert
und sind Durchschnittsfachleuten in dem technischen Gebiet allgemein
bekannt.
-
Sobald das Metall auf den erforderlichen Punkt
verfestigt ist, wird die Gießform
entfernt. Die Hülle
wird am häufigsten
durch eine mechanische Einrichtung, einschließlich eines Hammers und/oder eines
Sandstrahlens, entfernt.
-
Interne Kerne können durch Hämmern oder durch
Sandstrahlen in einigen Fällen
entfernt werden. In anderen wird der Kern derartigen Techniken nicht
zugänglich
sein und wird eine chemische Substanz oder Auflösungseffekte erfordern, um
eine richtige und ausreichende Entfernung zu erzielen. Diese sind
Techniken, die allgemein gebräuchlich
sind und die Durchschnittsfachleuten in dem technischen Gebiet altbekannt
sind. Das Keramikmaterial muss unter denen gewählt werden, die für diese
Zwecke entwickelt werden, da nicht alle Keramiken einem Lösungsmittel
oder chemischen Entfernungstechniken zugänglich sind, wie durchschnittsfachleute
in dem technischen Gebiet gut wissen.
-
Bei den Metallgussteilen, die in
der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, wird festgestellt
werden, dass sie konsistent Gussteile mit sehr hoher Qualität bereitstellen.
Es wird trotzdem erforderlich sein, Angüsse und Eingusskanäle, die
an dem Teil angebracht sind, zu entfernen. Ein gelegentliches Blitzen,
was einen Sprung in der Gießform
reflektiert, wird auftreten. Die gewöhnlichen Schneide-, Schleif-
und Poliertechniken, die in dem technischen Gebiet gebräuchlich
sind, werden verwendet werden.
-
Mit entsprechender Vorsicht bei der
praktischen Umsetzung der vorliegenden Endung wird das Gussteil
jedoch eine hervorragende Oberflächenendbearbeitung
aufweisen, die in vielen Verwendungen eine geringe oder keine Schleifung
oder Poliereng für den
beabsichtigten Zweck erfordern wird. Wenn erforderlich, wird ein
Polieren zum Erzielen einer besseren Oberflächenendbearbeitung, wie feine
Spiegeloberflächen,
mit einem Minimum von Polierarbeiten erreicht werden.
-
Es ist natürlich weniger erforderlich,
sich der Oberflächenendbearbeitung
für viele
Teile, bei denen eine Oberflächenendbearbeitung
und eine Polierung für
die Verwendung des Gussteils nicht wesentlich sind, zu widmen, wie
für Oberflächen, die
nicht gesehen werden oder von denen nicht gefordert wird, dass sie
in einer Weise arbeiten, die durch die Oberflächenendbearbeitung beeinflusst
wird. Gussteile, die Schmiedeoperationen ausgesetzt werden sollen, haben
keinen Nutzen von einer hohen Oberflächenendbearbeitung. In einigen
Umständen
wird es nicht erforderlich sein, Polieroperationen auf den Gießformoberflächen auszuführen, und
die Herstellungsrate wird erhöht
und die Kosten von Betriebsvorgängen
werden entsprechend erhöht.
-
Die Oberflächenendbearbeitung von inneren Bohrungen
und Hohlräumen
wird auch so fein wie die Grenzen der Gießform-Polieroperation sein,
wie voranstehend beschrieben. Abschließende Polieroperationen, wenn
erforderlich, können
effizient als Ergebnis der hohen Qualität der anfänglichen Endbearbeitung der
Oberflächen
erreicht werden, und können durch
irgendwelche der gewöhnlichen
Techniken erreicht werden, die in dem technischen Gebiet verwendet
werden, einschließlich
insbesondere einer Abriebmittelflusstechnologie, die von Extrude
Hone Corporation in Irwin, Pennsylvania, erhältlich ist.
-
Um die vorliegende Erfindung beispielhaft darzustellen
und die bevorzugten Merkmale und die beste Vorgehensweise zur Ausführung der
Erfindung zu demonstrieren, ist die Erfindung in dem Prozess eines
Feingusses von Gasturbinenmaschinenflügeln verwendet worden. Derartige
Flügel
(bzw. Schaufeln) sind die schwierigsten und anforderndsten Gießoperationen
wegen einer Vielzahl von Gründen
und die Qualität
des Gussteils ist kritisch zur Sicherheit und Effektivität von Turbinenmaschinen
bei sämtlichen
ihrer Anwendungen, einschließlich
von Flugzeugmaschinen, bei denen menschliche Leben von den Herstellungsoperationen
abhängen.
-
Während
die Gussteile für
Turbinenflügel
in einer Vielzahl von Techniken gebildet werden, sind moderne Turbinenmaschinen
von aeronautisch komplexen Flügelformen
und strukturell komplexen hohlen inneren Konfigurationen mit höchsten Anforderungen
abhängig,
um eine Gewichtsreduktion, einen Kühlluftfluss und einen Luftauswurf
durch eine Öffnung
in der Oberfläche
des Flügels
bereitzustellen, um eine Luftflusssteuerung und eine Kühlbarriereschicht
um die Oberfläche
des Flügels
herum bereitzustellen.
-
Eine Turbinenmaschinenkonstruktion übersteigt
beträchtlich
gegenwärtige
Herstellungsmöglichkeiten,
insbesondere in der Präzision
und Genuigkeit des Feingusses, so dass Spielräume und Kompromisse in der
Konstruktion durchgeführt
werden müssen,
um die Begrenzungen der gegenwärtigen Technologie
auszugleichen. Der am meisten variable und schwierige Aspekt des
Gießens
von derartigen Turbinenflügeln
ist die Veränderbarkeit
der Gussformkerne und deren Ausrichtung in Wachsverarbeitungsformen,
wobei diese Operationen die inneren Hohlräume der Flügel und die Wanddicke des Gussteils
definieren.
-
Ein stilisierter Turbinenflügel ist
in 1 dargestellt, wobei
die allgemeine äußere Konfiguration und
in dem weggeschnittenen Abschnitt ein gewisser Teil des inneren
Aufbaus gezeigt ist. Wie in 1 gezeigt,
ist das Turbinenrotorflügel-Gussteil
(10) aus zwei Hauptabschnitten gebildet, nämlich dem
Flügel (20)
und dem "Weihnachtsbaum" (30), der mit einem einer Anzahl
von entsprechenden Formen in einer Rotorplatte, die nicht gezeigt
ist, zusammenpasst, die eine Vielzahl von derartigen Flügeln in
einem ringförmigen
Ring aufnimmt, um den Turbinenrotor zu bilden.
-
Die externen Oberflächen des
Flügels
sind vom Aufbau her relativ einfach, obwohl die Formen höchst entwickelt
sind. Die Form der Flügeloberflächen wird
durch die Konfiguration des Inneren der Wachsverarbeitungsform bereitgestellt,
mit zulässigen
Spielräumen
für ein
Schrumpfen des Metalls bei der Gießoperation. Die Form des Flügels (20)
wird durch Parameter der aerodynamischen Konstruktion vorgegeben,
während
die Form des "Weihnachtsbaums" (30) durch die Anforderungen
der Anbringung des Flügels
auf seiner Rotorplatte vorgegeben wird. Für andere Flügelaufbautechniken können andere
Formen und Konfigurationen verwendet werden, einschließlich eines
einstöckigen
Gießens
der Rotorplatte mit ihren angefügten
Flügeln,
oder der Entwicklung einer Form, die dafür ausgelegt ist, um an der
Oberfläche
der Rotorplatte angeschweißt
zu werden.
-
Die innere Konfiguration ist komplexer,
mit serpentinenartigen Luftflusskanälen (12), die mit
Rippen (14) versehen sind, die dazu dienen, den Metallflügelaufbau
zu verstärken
und den Turbulenz- und Kühleffekt
des Luftflusses durch die Kanäle
zu steuern. Die Kanäle
transportieren verdichtete Luft durch den Flügel von einem Auslass (16)
von der zentralen Rotorplatte an die Austrittsöffnungen (18), die
durch die Flügeloberfläche entlang
der führenden
und hinteren Kanten und an der Flügelspitze vorgesehen sind.
Dünne Wandabschnitte
des Flügels
(20) benachbart zu der hinteren Kante (22) werden
durch einstöckig
gegossene Pfosten (24) gehaltert, die eine strukturelle
Verstärkung
des Flügels
(20) bereitstellen und wie die Rippen (14) dazu
dienen, den Durchgang eines Luftflusses zu beeinflussen. Sämtliche von
diesen Merkmalen müssen
bei dem Gießen durch
den Flügelkern
bereitgestellt werden, da das Innere des Gussteils für Bearbeitungsoperationen nicht
zugänglich
ist, nachdem das Gussteil fertig ist und der Kern entfernt ist.
-
Der Kern weist eine höchst komplexe
und komplizierte Form auf, die benötigt wird, um die innere Konfiguration
des Turbinenflügel-Gussteils
bereitzustellen, wie voranstehend beschrieben. In der Tat weist
jedes Merkmal des inneren Aufbaus des Flügels ein entsprechendes negatives
Merkmal in dem Kern auf, was die Bildung des Kerns auf die benötigte Präzision und
Genauigkeit einen höchst
anfordernden Aspekt des Gießbetriebs
macht. Der Stand der Technik kann eine derartige genaue Entwicklung
von Keramikkernen nicht ausführen,
und die Beschränkungen
der Kernformungsoperationen werden in den Maschinenentwurfsprozess
zurückgeführt, um
Vorkehrungen für
diese Begrenzungen zu machen. Gewöhnliche Konstruktionsspielräume, die
von der Veränderbarkeit
der Kernherstellung vorgegeben werden, sind eine größere Dicke
der Wandabschnitte des Flügels,
größere Rippengrößen als
von struktwellen Anforderungen benötigt werden, und ein vergrößerter Durchmesser
der Halterungspfosten. Die Wanddicke, die verwendet wird, muss ebenfalls
geeignete Spielräume
für die
gebräuchlichen
Pegel einer Fehlausrichtung in der Wachsverarbeitungsform bilden.
In 3 sind zwei Bedingungen einer Ausrichtung
in stilisierten Querschnitten von Gießformen und Kernen gezeigt. 3a zeigt einen richtig ausgerichteten
Kern (100), der innerhalb einer Gießform (110) positioniert
ist, mit einem im Wesentlichen gleichförmigen Abstand zwischen der
Gießform
und dem Kern, was wiederum ein hohles Gussteil mit im Wesentlichen
gleichförmiger
Wanddicke erzeugen wird. 3b zeigt
den Effekt eines fehlausgerichteten Kerns (120) innerhalb
einer Gießform
(130), wobei der Kern durch zwei Grad relativ zu der Gießform verwunden
ist. Wie gezeigt, erzeugt die Kernfehlausrichtung einen sehr dünnen Abstand
in einigen Gebieten (140) und einem Abstand, der größer als
entworfen ist, an anderen Stellen (150). Wenn ein Gussteil
in einer derartigen Gießform
gebildet wird, wird die Wanddicke die beabsichtigte Gleichförmigkeit nicht
aufweisen und wird dünne
Abschnitte, die die entworfenen strukturellen Eigenschaften nicht
aufweisen, und andere Gebiete, wo sie überdick sind, aufweisen und
die erforderlichen strukturellen Charakteristiken und das beabsichtigte
Gewicht überschreiten.
In dem technischen Gebiet ist es gebräuchlich, das Entwurfsgewicht
des Flügelaufbaus um
zehn bis fünfzehn
Prozent zu erhöhen,
um derartige Toleranzen bzw. Spielräume bereitzustellen.
-
Es ist altbekannt, dass ein Übergewicht
in Turbinenmaschinen in sämtlicher
Hinsicht unerwünscht
ist, insbesondere in Flugzeugen, die von derartigen Turbinenmaschinen
angetrieben werden. Ein Übergewicht
in den Turbinenrotorflügeln
ist besonders unerwünscht
in Turbinenmaschinen für
taktische Militärflugzeuge,
bei denen abrupte, wesentliche und schnelle Schubänderungen
erforderlich und gewöhnliche
Aspekte des betriebs sind.
-
Die gebräuchlichsten und signifikantesten Quellen
von Kernbildungsfehlern, die gegenwärtig Maschinenentwurfskompromisse
vorgeben, und die durch die vorliegende Erfindung beseitigt werden können, umfassen
die folgenden:
-
- A. Der minimale Durchmesser der Pfosten (24)
in dem Flügel
wird durch das Loch der minimalen Größe vorgegeben, welches in-situ
innerhalb des Kernaufbaus geformt werden kann, was effektiv in dem
Stand der Technik auf einen Durchmesser von ungefähr 0,5 mm
beschränkt
ist. Die Alternative besteht darin, Löcher in den Kernrohkörper nach
einem Formen zu bohren, was gewöhnlicherweise
die Quelle von exzessiven und nicht akzeptierbaren Sprüngen bzw.
Brüchen
und Kernverlusten ist, was aber Pfosten von ungefähr einem
Durchmesser von 0,3 mm bereitstellen kann. Wie nachstehend diskutiert,
können
die Ultraschallbearbeitungstechniken der vorliegenden Erfindung
ein zufälliges
Loch für
die Bildung von Pfosten in dem Gussteil bis auf 0,5 mm durchmesser
herunterbilden, wenn gewünscht
oder benötigt.
Deren Anrahl, Orte und Anordnung ist größtenteils unbeschränkt.
- B. Die gegossenen Rippen (14) sind in den herkömmlichen
Techniken durch das Ausmaß eines Schrumpfens
während
des Brennens auf eine minimale Dicke von ungefähr 0,3 mm und auf eine maximale
Höhe von
ungefähr
0,5 mm beschränkt. In
der vorliegenden Erfindung kann die Dicke der Rippen so klein wie
0,05 mm sein und kann durchgeschnitten sein, wenn gewünscht, d.h.
mit keiner maximalen Tiefe.
- C. Während
eines Brennens kann die Entwicklung einer überspannenden Biegung, einer
sehnenartigen Wölbung,
und einer Spitze-zu-Wurzel-Verwindung sich entwickeln, was Abweichungen
in der Gestalt von der Konstruktion von typischerweise +/–0,75 mm
oder mehr verursacht. In der vorliegenden Erfindung können Abweichungen von
der Entwurfsform auf minus null, +0,02 mm beschränkt werden.
- D. Die Dicke der hinteren Kante verändert sich typischerweise ±0,15 mm
bei Techniken des Standes der Technik. In der vorliegenden Endung
kann die Veränderung
auf minus null, +0,002 mm beschränkt
werden.
- E. Eine Fehlanordnung des Kerns innerhalb der Wachsverarbeitungsgießform durch
herkömmliche
Techniken und im Hinblick auf die dimensionsmäßige Veränderung des Kernaufbaus selbst kann
Gusswanddickenveränderungen
von bis zu 0,75 mm beim Gießen
typischerweise ungefähr 1,5
mm in der nominellen Entwurfsdicke produzieren, siehe 3a und 3b.
Die Fehler bei der Kernbildung und bei der Anbringung sind oft kumulativ. Mit
der vollständigen
Entwicklung des Potenzials der vorliegenden Erfindung kann die Veränderung in
der Wanddicke des Gussteils auf 0,02 mm beschränkt werden, was eine Verbesserung
von mehr als 3.500% darstellt.
- F. Gegenwärtige
Kernentwicklungstechniken, sogar mit den voranstehenden Beschränkungen, führen zu
einer Zurückweisungsrate
von 10 bis 20% von Kerngießteilen
durch eine Rissbildung, Brüche,
Teilen außerhalb
der Spezifikation und anderen Fehlern. Da in der vorliegenden Erfindung
das Gießen
und Brennen der Kerne nicht so starke Anforderungen stellt, überschreiten
die verwendbaren Keine, die in der vorliegenden Erfindung hergestellt
werden, sogar bei den weit höheren
Spezifikationen, 95% und oft 98% oder mehr.
-
Die Prozedur zum Herstellen der Turbinenflügel folgt
der normalen Sequenz von Feingusstechniken, mit der Einführung der
Ultraschallbearbeitung des Keramikkernaufbaus nach dessen Brennen
und dessen Verdichtung. Zusammenfassend schließt die Sequenz von Operationen
in der Prozedur die folgenden Schritte ein:
- 1. Bilden eines
gebrannten Keramikgießformkerns auf
eine nahezu Netto-Form und - Dimensionen. Wie voranstehend beschrieben
können
die gewöhnlichen Techniken
für die
Bildung von derartigen Kernen stark beschleunigt werden, da die
schwierigen Aspekte von Gießform-Kernkörpern in
der Erreichung der exakten beabsichtigten Entwurfsform für die Struktur
ist. Eine derartige Präzision
wird nicht benötigt
und die nahezu Netto-Form wird schnell und leicht mit den zulässigen Toleranzen
des Betriebs erhalten. Feine Details des Aufbaus können in
vielen Fällen
bei der Entwicklung des Kernrohteils ignoriert werden und können für eine Entwicklung
ausschließlich
durch die Ultraschallbearbeitungsoperation belassen werden. In der
Tat kann ein erfahrenes Geschäft
gut in der Lage sein, einen geeignet gebrannten Kern auf geeignete
Toleranzen bei dem ersten Versuch bereitzustellen. Da das Formen
des Rohkörpers
und der Brennbetrieb die hohen Grade einer Präzision nicht benötigen, die
bei einer Feingusstechnologie gewöhnlich sind, wird eine Hauptentwicklungsperiode
und eine wesentliche Komponente bei der Werkzeugentwicklungszeit
beseitigt und die Operation kann produktiv sein, ohne die zahlreichen Iterationen
bei der Entwicklung von jeder Kemiteration. Zusätzlich kann in vielen Fällen die
gleiche Kernbank in mehreren Kernentwicklungsiterationen beim abschließenden Bestimmen
des Entwurfs verwendet werden, was erlaubt, dass Änderungen
in der Kerngießform
insgesamt umgangen werden können.
- 2. Das Ausformen des Keramikkerns auf eine Netto-Form und -Dimensionen
durch eine Ultraschallbearbeitung. Da die Formungsoperation von
den verwendeten Ultraschallwerkzeugen geführt wird, ist es deren Betrieb,
der der Schlüssel
für die
schnelle Entwicklung der abschließenden Kernkonfiguration auf die
erforderlichen Toleranzen und Präzision
ist. Da die Erzeugung von Prototypkernen während des Entwurfsentwicklungszyklus
ausgeführt
wird, in der bevorzugten Ausbildung der Erfindung, und zwar durch ein
oder mehrere standardisierte Punktwerkzeuge, die auf einem über Mehrachsen
numerisch gesteuerten System angebracht sind, können neue Kernformen hergestellt
werden, sobald die gewünschten Entwurfsänderungen
bei der Programmierung des Bearbeitungswerkzeugsystems entwickelt
werden. Die zusätzlichen
Schritte einer Herstellung von Produktionsformwerkzeugen wird verschoben,
bis die abschließende
Konfiguration festgelegt ist, und ist nicht länger der Gegenstand einer iterativen
Entwicklung. Wiederum wird eine Hauptkomponente einer potenziellen
Verzögerung
in dem Entwurfsentwicklungszyklus beseitigt.
Sobald der Entwurf
fest ist, werden Produktionsformwerkzeuge durch höchst effiziente
und produktive Techniken, wie beispielsweise EDM, auf die benötigte Konfiguration
und Toleranzen gebildet und in eine unmittelbare Produktion gebracht.
Ein
zusätzlicher
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Toleranzbestimmungsoperationen,
d.h. die Ultraschallbearbeitungsoperationen, selbst zu einem numerisch
gesteuerten Betrieb und einer Qualitätssteuerung führen. Dies
wiederum erlaubt die Entwicklung der Programmierung direkt aus Entwurfsdaten,
die elektronisch in das numerische Steuersystem transferiert werden
und in die Ultraschallbearbeitungssteuerungsform durch eine Programmierung umgewandelt
werden können,
oft direkt durch die CAD-Software des Entwicklers. Eine wesentliche Verbesserung
in der Zuverlässigkeit
des Entwicklungsprozesses ergibt sich aus derartigen Operationen,
sowohl in der Geschwindigkeit als auch in der Vermeidung der Gelegenheit
für die
Einführung
von Fehlern bei der Übersetzung
des Entwurfs in einen spezifischen Kern oder eine spezifische Gießformstruktur.
- 3. Das Anbringen des bearbeiteten Keramikkerns in einer Wachsverarbeitungsform.
Wie voranstehend diskutiert, stellt die Präzision des Kerns, gekoppelt mit
Anbringungsstiften, innerhalb der Wachsverarbeitungsgießform oder
befestigt auf der Oberfläche
des Kerns, eine höchst
genaue und präzise
Positionierung des Kerns innerhalb der Wachsverarbeitungsform und
die wesentliche Beseitigung der Fehler, die normalerweise bei derartigen
Operationen angetroffen wird, sicher.
In dem Entwurfsentwicklungszyklus
hat der Entwickler eine beträchtliche
Sicherheit, dass das Ergebnis der Gießoperation mit dem beabsichtigten
Entwurf übereinstimmt,
und dass die Daten, die bei dem Testen erzeugt werden, gültige Darstellungen
des Entwurfs ohne eine unzulässige
Veränderung
als Inzident der Gießformtechniken
und deren Beschränkungen
sind.
Eine nachfolgende Herstellung zieht Nutzen aus der weitaus
größeren Zuverlässigkeit
und eine Qualitätssteuerung
wird stark vereinfacht. Das Auftreten von Teilen, die außerhalb
der Spezifikation liegen, wird stark verringert, was signifikant
die Kosten und die Produktivität
des Betriebs verbessern.
- 4. Das Bilden einer Wachsform innerhalb der Wachsverarbeitungsform
einschließlich
des Keramikkerns. Weil die Präzision
des Kerns und dessen Ausrichtung innerhalb der Gießform hinsichtlich
der Toleranzen mit der Struktur der Gießform selbst vergleichbar sind,
wird die Wachsfülloperation
in ihrer Gleichförmigkeit
und Zuverlässigkeit
stark vereinfacht. Die Dicke der Wandbildungsabschnitte des Wachsmusters sind
nicht länger
das höchst
veränderbare
Merkmal, so wie dies traditionell gewesen ist.
- 5. Das Entfernen der Wachsform von dem Wachs in der Gießform. Diese
Operationen bleiben bei der vorliegenden Erfindung unverändert, obwohl
es beobachtet worden ist, dass die größere Gleichförmigkeit des
Wachsmusters die Betriebsvorgänge
besser vorhersagbar und zuverlässiger
macht.
- 6. Das Beschichten der Wachsform mit einem Keramikgießform-formenden
Streifen (Slip) schreitet normal fort.
- 7. Das Trocknen des Streifens zieht Nutzen, im Hinblick auf
die vorliegende Erfindung, aus dem verringerten Auftreten von Sprüngen des
formenden Rohkörpers
durch In-Kontakt-Kommen mit einem verzerrten oder fehlausgerichteten
Kernaufbau, wenn die Keramikformulierung schrumpft. Bei gewöhnlichen
Betriebsvorgängen
werden eine signifikante Anzahl von Gießformen zerstört oder
in dem Trocknungsbetrieb beschädigt,
ein Phänomen,
was größtenteils
in der vorliegenden Erfindung beseitigt wird.
- 8. Ein Erwärmen
des Rohkörpers
zum Entfernen des Wachses und zum Verdichten und Brennen der Keramik
zum Bilden einer Feingießform
einschließlich
des Keramikkerns. Das Schrumpfen der Gießform, das während des
Brennbetriebs auftritt, ist eine andere traditionelle Quelle eines
Verlusts der Gießformen
für den
Fall von fehlausgestalteten und fehlausgerichteten Kernen, und ist
in der vorliegenden Endung nicht mehr ein Problem.
- 9. Ein Gießen
von geschmolzenem Metall in die Gießform. Die größere Gleichförmigkeit
der Gießform,
mit dem Kerneinschluss, stellt ein konsistentes Füllen und
einen Fluss des geschmolzenen Materials innerhalb der Gießform bereit,
was die Produktivität des
Betriebsvorgangs signifikant verbessert. Der Gießbetrieb selbst bleibt unverändert.
- 10. Ein Kühlen
des geschmolzenen Metalls auf einen Festkörper ist vorhersagbarer und
steuerbarer, da das Teil gleichförmigere
Dimensionen aufweist. Infolgedessen sind die Techniken zum Bestimmen
der Mikrostruktur des Metalls durch Steuern der Bedingungen des
Kühlbetriebs
zuverlässiger
und produktiver.
- 11. Ein Entfernen der Keramikgießform und des Keramikkerns
von dem Festkörpermetall.
Weil weniger Veränderungen
in den Wanddicken des Metallteils vorhanden sind, gibt es ein verringertes
Auftreten einer Beschädigung
an dem Teil im Verlauf einer Entfernung der Keramikmaterialien von
dem fertig gestellten Gießteil.
Andere Operationen auf dem Gussteil, einschließlich eines Zusammenbaus mit
anderen Teilen, Endbearbeitungsoperationen und dgl., neigen weitaus
weniger dazu, eine dünne
Wand mit einer Unterspezifikation oder eine andere Abweichung von dem
entworfenen Bindholz des Teils zu beschädigen.
- 12. Ein Testen, eine Verwendung und ein erneuter Entwurf des
Teils kann wiederholt werden, wie während der Entwurfsentwicklungsstufe
benötigt.
Da der Entwurf verbessert und ausgefeilt ist, können zusätzliche Iterationen mit einer
minimalen Vorlaufzeit erzeugt werden, oft mit nicht mehr als einer Änderung bei
der Programmierung des numerischen Steuersystems des Ultraschallbearbeitungsbetriebs.
Zum ersten Mal in vielen Jahren kann der Herstellungsbetrieb und
die Prototypherstellungsbetriebe mit dem Entwurfs- und Entwicklungsprozess
Schritt halten und in einigen Aspekten diesem Prozess vorangehen.
Diese Entwicklungen werden Turbinenrnaschinenentwicklern erlauben
ihr technisches Gebiet weiter voranzutreiben, was bislang durch
die Produktionsbeschränkungen
und die Notwendigkeit eines Entwurfs mit Spielräumen und Fehlermargen, die durch
die hohe Veränderbarkeit
und den Präzisionsmangel
in Gussteilen vorgegeben wurde, behindert worden ist. Die Sicherstellung
eines Feingusses von komplexen Teilen, wie Turbinenflügel, auf
die engen und höchst
gleichförmigen
und reproduzierbaren Toleranzen, die bei der vorliegenden Erfindung
erreicht werden, ist ein signifikanter Fortschritt in dem technischen
Gebiet. Die verringerte Entwicklungszykluszeit wird ebenfalls zu
der schnellen Entwicklung von besseren Entwürfen bei Sicherstellung von
ihrer effektiven Produktion, wenn der Entwurf vollständig entwickelt
ist, beitragen.
-
Die voranstehende Beschreibung und
spezifische Beispiele sind dafür
vorgesehen, um die vorliegende Erfindung zu illustrieren und durchschnittsfachleute
zu führen
und sie in die Lage zu versetzen die Erfindung umzusetzen; in Kombination
mit den gewöhnlichen
Praktiken, die in dem technischen Gebiet gebräuchlich und gewöhnlich sind,
und es ist nicht beabsichtigt, dass sie beschränkend für den Umfang der Erfindung
ist. Der Umfang der Erfindung ist mit spezifischen Einzelheiten
in den folgenden angehängten
Ansprüchen
aufgeführt,
die die Grenzen der Endung definieren.