PL1954421T5

PL1954421T5 - Sposób wytwarzania metalowych elementów konstrukcyjnych, zwłaszcza dla maszyn wirnikowych, o małych promieniach krawędzi

Info

Publication number: PL1954421T5
Application number: PL06805506T
Authority: PL
Inventors: Thomas Dautl; Thomas Peschke; Alexander Winkler
Original assignee: Mtu Aero Engines Gmbh
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2006-11-10
Publication date: 2017-07-31
Also published as: EP1954421B1; WO2007056978A1; EP1954421B2; EP1954421A1; US20090044406A1; DE102005054866A1; PL1954421T3; CA2629219A1

Description

Opis [0001] Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania metalowych elementów konstrukcyjnych, zwłaszcza dla maszyn wirnikowych, o promieniach krawędzi < 0,3 mm, zgodny z częścią niezamienną zastrzeżenia 1 (patrz na przykład EP-A- 1 101 568).

[0002] Zaokrąglanie krawędzi elementów konstrukcyjnych, zwłaszcza maszyn wirnikowych, może być konieczne z różnych względów. Należy do nich poprawa wytrzymałości i/lub aerodynamiki, oraz eliminacja niebezpieczeństwa obrażeń. W zależności od elementu konstrukcyjnego może przy tym chodzić o ich ostre krawędzie, połączone z graniczącymi powierzchniami elementu konstrukcyjnego. Alternatywnie, krawędzie tworzyć mogą również powierzchnie płaskie albo przestrzenne, łączące sąsiednie powierzchnie elementu, ogólnie znacznie większe. Przypadek wymieniony ostatnio występuje zwykle na krawędziach łopatek maszyn wirnikowych oddziaływujących na mechanikę przepływu, wykonanych obróbką wstępną stosunkowo zgrubnie, zwłaszcza na łopatkach kierujących i łopatkach wirnika turbin gazowych, w których krawędzie łopatek, ze względów wytrzymałościowych i aerodynamicznych, łączyć się muszą z graniczącą stroną ciśnieniową i/lub stroną podciśnieniową łopatki.

[0003] W przypadku krawędzi łopatek zaokrąglenie, które, co warunkowane jest procesem produkcji, obrobione są ogólnie tylko stosunkowo zgrubnie, wykonywane jest dotychczas w znacznym stopniu ręcznie, przy czym ewentualnie stosowane są tu maszyny obsługiwane ręcznie, jak szlifierki taśmowe itp. Łączy się to z dużymi nakładami personalnymi i czasowymi, przy czym ostatecznie, również przy zastosowaniu ukierunkowanej kontroli i sprawdzania, nie jest zagwarantowany powtarzalny i równomierny efekt obróbki. Znane jest nadawanie szorstkości powierzchniom łopatek strumieniem ściernym przed cyklami ich powlekania, w celu ich oczyszczenia i poprawy przyczepności powłoki.

[0004] Z DE 103 19 020 Al znany jest sposób i urządzenie do zaokrąglania krawędzi elementów konstrukcyjnych, zwłaszcza maszyn wirnikowych, przy czym zaokrąglona musi być krawędź, skierowana ku przynajmniej dwóm graniczącym powierzchniom elementu konstrukcyjnego. Większa część strumienia, składającego się z cząsteczek ściernych kierowana jest swoim środkiem w przybliżeniu stycznie do dwusiecznej kąta między obu powierzchniami na krawędzi i poruszana jest względem elementu konstrukcyjnego wzdłuż jego krawędzi ze zdefiniowanym posuwem tak, że następuje zdefiniowane usuwanie materiału elementu konstrukcyjnego zaokrąglające w kierunku do tych powierzchni.

[0005] Wymieniony wyżej dokument EP 1 102 568 Al dotyczy sposobu, oraz urządzenia do ultradźwiękowego śrutowania elementów konstrukcyjnych maszyn wirnikowych, zwłaszcza łopatek, i wirników wyposażonych w łopatki zintegrowane z nim w całość. Łopatki, zamocowane rozłącznie na wirniku, względnie łopatki z nim zintegrowane, poruszane są ciągle przez obrót wirnika, względnie rotora przez przynajmniej jedną aktywną komorę do wygładzania strumieniowo-ściernego, z kulkami ściernymi przyspieszonymi ultradźwiękowo i przez przynajmniej dwie komory nieaktywne, służące do uszczelniania i recyrkulacji kulek. Przy tym pióra łopatek poddawane są działaniu mechanicznej energii strumieniowej ze wszystkich stron, a więc i w obszarze ich krawędzi. Dokument nie podaje wskazówek odnośnie konkretnych cech geometrycznych piór łopatek.

[0006] Wobec tych znanych sposobów i ich wad, względnie granic ich technicznej stosowalności, zadaniem wynalazku jest zaproponowanie sposobu wytwarzania metalowych elementów konstrukcyjnych, zwłaszcza dla maszyn wirnikowych, o promieniach krawędzi < 0, 3mm, który, dzięki zmechanizowanemu, ewentualnie zautomatyzowanemu sposobowi pracy umożliwia znaczną oszczędność czasu i personelu i prowadzi do powtarzalnych wyników. Te powinny być jakościowo możliwie bez wad, przy możliwie małej ilości braków.

[0007] Zadanie to rozwiązano przez sposób według wynalazku o cechach zastrzeżenia 1. Korzystne postaci wykonania i dalsze rozwinięcia wynalazku wymienione są w zastrzeżeniach zależnych.

[0008] Sposób według wynalazku wytwarzania metalowych elementów konstrukcyjnych, zwłaszcza dla maszyn wirnikowych, o promieniach krawędzi < 0, 3mm, zawiera przy tym następujące etapy:

Obróbka mechaniczna i/lub elektrochemiczna elementu konstrukcyjnego tworząca promień krawędzi < 0, 3mm;

Umocnienie małego kąta krawędzi przez śrutowanie ultradźwiękowe.

[0009] Zgodnie z wynalazkiem w obszarach, które będą umacniane śrutowaniem, wartość minimalna promieni krawędzi zdefiniowana jest jako 0,05mm. Dzięki temu przemieszczenie materiału faktycznie nie istnieje. W proponowanym sposobie są wystarczające minimalne krawędzie, względnie geometria promieni. Dzięki zgodnym z wynalazkiem połączeniu wytwarzania małych i najmniejszych geometrii promieni krawędzi i nie wybiórczego śrutowania ultradźwiękowego kulkami o jakości kulek łożyskowych, osiąga się jakość optymalną i powtarzalną.

[0010] Dzięki sposobowi według wynalazku promienie małe i najmniejsze są umacniane i osiągana jest redukcja kosztów o, około 50%, ponieważ poza tym nie ma już zwykłych nakładów związanych z wytwarzaniem promieni o wielkości przynajmniej 0, 3mm. Poza tym wzrasta znacznie stabilność procesu i zapobiega się skutecznie powstawaniu przemieszczeń materiału. W końcu, w elementach konstrukcyjnych takich, jak przykładowo stopy łopatek silnika, wzrasta udział powierzchni nośnych.

[0011] Korzystne rozwiniecie sposobu według wynalazku przewiduje przy tym, że przy śrutowaniu ultradźwiękowym stosuje się częstotliwość od 18 kHz do 20 kHz. Podczas prób, jako korzystne okazały się częstotliwości poniżej 20 kHz.

[0012] Dalsze korzystne rozwiniecie sposobu według wynalazku przewiduje przy tym, że podczas śrutowania ultradźwiękowego stosuje się amplitudę drgań o wielkości 40 - 80 pm. Próby pokazały tu, że przy amplitudzie drgań 40 pm na promieniach krawędzi uzyskuje się szczególnie dobre efekty umacniania.

[0013] Dalsze korzystne rozwiniecie sposobu według wynalazku przewiduje przy tym, że czas trwania śrutowania ultradźwiękowego na obszar śrutowany wynosi od 20 sekund do 30 minut, korzystnie 5 minut do 15 minut. Czas trwania zależy przy tym w dużej części od materiału umacnianego elementu konstrukcyjnego.

[0014] Dalsze korzystne rozwiniecie sposobu według wynalazku przewiduje przy tym, że przy śrutowaniu ultradźwiękowym stosuje się kulki o wielkości od 0, 3 mm do 2 mm. Również tu, przy doborze wielkości kulek, rolę odgrywa materiał i wielkość umacnianych elementów konstrukcyj nych.

[0015] Kolejne korzystne rozwiniecie sposobu według wynalazku przewiduje, że przy śrutowaniu ultradźwiękowym stosuje się kulki o twardości do 70 HRC. Odpowiada to w przybliżeniu jakości kulek łożyskowych.

[0016] Dalsze korzystne rozwiniecie sposobu według wynalazku przewiduje przy tym, że masa kulek stosowanych przy śrutowaniu ultradźwiękowym wynosi od lg do lOOg na jeden element konstrukcyjny. Wypełnienie kulkami obudowy urządzenia do śrutowania ultradźwiękowego nie powinno być jednak zbyt gęste tak, żeby możliwe było odpowiednie drganie kulek.

[0017] Dalsze korzystne rozwiniecie sposobu według wynalazku przewiduje, że umacniany jeden element konstrukcyjny/ wiele elementów konstrukcyjnych wkładane/ zamocowane są w obudowie. W zależności od elementu konstrukcyjnego, umacniane śrutowaniem mogą być tylko pojedyncze odcinki albo obszary.

[0018] Dalsze korzystne rozwiniecie sposobu według wynalazku przewiduje, że obudowa ma objętość od 15 mm3 do 8 m3, korzystnie od 1 m3 do 3 m3. Wymiary obudowy zależne są przy tym bezpośrednio od wielkości elementów konstrukcyj nych.

[0019] Dalsze korzystne rozwiniecie sposobu według wynalazku przewiduje, że przy śrutowaniu ultradźwiękowym stosuje się kulki ze stali, węglika wolframu, ceramiczne albo szklane. Stosowane mogą być przy tym stale stopowe i stale węglowe. Jako ceramikę stosuje się przykładowo tlenek cyrkonu.

[0020] Element konstrukcyjny maszyny wirnikowej według wynalazku zdefiniowany jest w zastrzeżeniu 11 i ma cechy takie, że wykonany jest z metalu i ma promienie krawędzi umacniane śrutowaniem < 0,3 mm oraz > 0, 05 mm.

[0021] Krawędzie elementów konstrukcyjnych mogą przy tym mieć różne kąty, np. 45° albo 90°. Odpowiednio ukształtowane krawędzie mogą być przykładowo krawędziami łopatek sprężarki i/lub turbiny, albo też krawędziami na stopach łopatek. Dzięki stabilnemu procesowi wytwarzania sposobem według wynalazku zgodnym z zastrzeżeniem 1, unika się praktycznie przesunięcia materiału obszarów umacnianych.

Do obróbki wystarczają tu minimalne krawędzie, względnie geometria promieni.

[0022] Dalsze środki ulepszające wynalazek wymienione są w zastrzeżeniach zależnych i zostaną następnie przedstawione bliżej na podstawie figur, razem z opisem korzystnego przykładu wykonania wynalazku. Pokazuje: Fig. 1 schemat blokowy pierwszej postaci wykonania sposobu według wynalazku.

[0023] Figura 1 pokazuje schemat blokowy pierwszej postaci wykonania sposobu według wynalazku, w którym do obróbki przewidziany jest metalowy element konstrukcyjny. Zwłaszcza do łopatek maszyn wirnikowych stosuje się stopy wysokiej jakości, np. stopy na bazie niklu. Te elementy konstrukcyjne łopatek mają następnie często tak zwane stopki choinkowe, o wielu krawędziach. Zgodnie ze sposobem, element konstrukcyjny najpierw obrabiany jest mechanicznie, przykładowo przez obróbkę wiórową albo szlifowanie, względnie elektrochemicznie, przykładowo przez erodowanie. Przy tym wytwarzane są, albo przerabiane odpowiednie krawędzie.

[0024] W następnym etapie sposobu element konstrukcyjny przekazywany jest do stanowiska śrutowania ultradźwiękowego. Tu element, w zależności od jego wielkości, umieszczany jest w obudowie o objętości od 15 mm3 do 8 m3. Potem śrutowaniem ultradźwiękowym umacniane są najmniejsze promienie o wielkości 0, 05mm. Cykl śrutowania trwa przy tym od około 1 min do 5 min. Podczas opisanego śrutowania ultradźwiękowego przetwornik piezoelektryczny emituje fale ultradźwiękowe o regulowanej częstotliwości od 18kHz do 20 kHz. W obudowie urządzenia do śrutowania ultradźwiękowego, oprócz elementu konstrukcyjnego, znajdują się idealne kulki stalowe, to znaczy kulki o jakości kulek łożyskowych i twardości około 70 HRC i wielkości od 0,3 do 2 mm. Fale dźwiękowe są wzmacniane, kiedy biegną przez wzmacniacz akustyczny do obudowy z obrabianym elementem konstrukcyjnym i kulkami łożyskowymi. Kulki wzbudzone przez fale ultradźwiękowe o fali drgań wynoszącej 40 pm trafiają na drgające ściany i odbijają się od ich powierzchni. Kulki zderzają się ze sobą i rozrzucane są w obudowie tak, jak nieuporządkowane cząsteczki gazu. Dzięki temu uzyskuje się powtarzalne, jednorodne umacnianie krawędzi i promieni. Same elementy konstrukcyjne nie dotykają przy tym ściany obudowy.

[0025] Dzięki temu uzyskuje się element konstrukcyjny o najmniejszych, umocnionych promieniach krawędzi wynoszących 0, 05mm. W łopatkach silnikowych zwiększa to znacznie udział powierzchni nośnej.

[0026] Spo sób według wynalazku stosowany może być zasadniczo dla wszystkich rodzajów elementów konstrukcyjnych, zwłaszcza łopatek maszyn wirnikowych, jak korpusy, tarcze, pierścienie, sprężarki, pompy i turbiny o konstrukcji osiowej, diagonalnej i promieniowej.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania metalowych elementów konstrukcyjnych, zwłaszcza dla maszyn wirnikowych, o promieniach krawędzi < 0,3 mm, przy czym element konstrukcyjny obrabiany jest mechanicznie i/lub elektrochemicznie z utworzeniem przynajmniej jednego promienia krawędzi < 0,3 mm, i przynajmniej jeden promień krawędzi < 0,3 mm umacniany jest przez śrutowanie ultradźwiękowe, znamienny tym, że element konstrukcyjny, w obszarach, które są umacniane śrutowaniem jest zaopatrywany w umacniane promienie krawędzi > 0, 05 mm.
2. Sposób wytwarzania metalowych elementów konstrukcyjnych według zastrzeżenia 1, przy czym przy śrutowaniu ultradźwiękowym stosuje się częstotliwość od 18 kHz do 20 kHz.
3. Sposób wytwarzania metalowych elementów konstrukcyjnych według zastrzeżenia 1, przy czym stosuje się amplitudę drgań od 40 do 80 pm.
4. Sposób wytwarzania metalowych elementów konstrukcyjnych według zastrzeżenia 1, przy czym czas trwania śrutowania ultradźwiękowego na jeden obszar śrutowany wynosi od 20 sekund do 30 minut, korzystnie od 5 do 15 minut.
5. Sposób wytwarzania metalowych elementów konstrukcyjnych według zastrzeżenia 1, przy czym przy śrutowaniu ultradźwiękowym stosuje się kulki o wielkości od 0, 3 mm do 2 mm.
6. Sposób wytwarzania metalowych elementów konstrukcyjnych według zastrzeżenia 1, przy czym przy śrutowaniu ultradźwiękowym stosuje się kulki o twardości do 70 HRC.
7. Sposób wytwarzania metalowych elementów konstrukcyjnych według zastrzeżenia 1, przy czym przy śrutowaniu ultradźwiękowym stosuje się masę kulek na jeden element konstrukcyjny od 1 g do lOOg.
8. Sposób wytwarzania metalowych elementów konstrukcyjnych według zastrzeżenia 1, przy czym umacniane elementy konstrukcyjne wkładane są/ zamocowane są w obudowie.
9. Sposób wytwarzania metalowych elementów konstrukcyjnych według zastrzeżenia 8, przy czym obudowa ma objętość od 15 mm3 do 8 m3, korzystnie od 1 m3 do 3 m3.
10. Sposób wytwarzania metalowych elementów konstrukcyjnych według zastrzeżenia 1, przy czym przy śrutowaniu ultradźwiękowym stosowane są kulki ze stali, węglika wolframu, ceramiczne albo szklane.
11. Element konstrukcyjny maszyny wirnikowej, przy czym wykonany element konstrukcyjny jest z metalu i ma promienie krawędzi umacniane śrutowaniem < 0,3 mm oraz ^ 0, 05 mm.