专利名称：叶片单块盘的通过磨蚀性水喷射的优化制造方法
技术领域：
本发明一般涉及单块叶片盘制造领域，单块叶片盘优选地用于飞机涡轮引擎。
背景技术：
为了制成单块叶片盘(在英文中也被称为“MVD”或“blisk”)，可使用通过磨蚀性水喷射对材料块进行的切除步骤，通常随后进行一个或多个磨制步骤。在磨制前采用通过磨蚀性水喷射进行的切除步骤，相对于仅基于磨制的方法而言，有助于减少时间和制造成本。这特别地通过以下事实阐释这样的制造方法需要从初始块中去除约75%的材料以最终获得MVD。通过磨蚀性喷射切除以去除此材料的大部分，实际上减少了生产时间，而且还限制了磨制机的磨损。正常情况下，通过磨蚀水喷射进行的切除步骤主要包括在初始块的整个厚度中切除极其复杂的件。这种切除实际上遵循被称为五轴的复杂的轨迹，其中切除的扭曲或螺旋形式的件类似于叶片间空间的形式。此步骤的缺点在于，磨蚀性水喷射的稳定性受到这种喷射的轨迹的复杂性质并受到被切除的相当大厚度的严重影响，因为喷射的质量从入口到出口逐渐下降。为了使这种喷射稳定性问题最小，确实有必要以相对减慢的速度切除，也就是说需要更长的操作时间。通过磨蚀性水喷射进行的这种切除步骤的执行时间，还由于有必要手动去除在切除后仍然残留在材料块中的扭曲形式的件而显著延长。
发明内容
本发明的目的因而在于，相对于现有技术的执行方式而至少部分地校正前述缺
点ο为此，本发明的目的在于一种用于制造单块叶片盘的方法，包括通过磨蚀性水喷射对整体为盘形式的材料块进行切除的步骤，执行所述切除步骤，以在叶片间空间的水平从所述块去除材料，以露出从毂沿径向延伸的叶片预成型件，通过磨蚀性水喷射进行的所述切除步骤利用包括喷出头的工具和磨蚀性水喷射来执行，包括通过与所述块的第一面相对的所述喷出头连续切除通过所述块的厚度的件，所述连续切除使得在所述块的相对于所述第一面的第二面与通过所述磨蚀性水喷射切除的所述块的表面之间露出接合线；然后通过与所述块的第二面相对的所述喷出头而至少一次改进切除延伸经过所述块的厚度的仅一部分且至少部分地合并所述接合线的件。本发明主要利用通过磨蚀性水喷射进行的可靠切除步骤，以获得改进的叶片预成型件，并减少这种通过磨蚀性水喷射进行的切除步骤的实施时间，这显然转化为减少执行整个制造过程的持续时间。首先应注意以下事实提供至少一次例如如前所述的从材料块的第二面进行的改进切除，切除先前通过所述连续切除获得的所述块的区域。此特定区域是在所述连续切除过程中由于处于喷射出口处而最常经受磨蚀性水喷射偏差影响的区域。但由于此特定区域从块的第二面再次加工，在连续切除过程中的喷射偏差因而在无害情况下可以相当大。所述连续切除因而可在高切除速度下进行。仍然由于使用一次或多次改进切除，因而第一切除可根据更简单的轨迹进行，例如通过采用三轴切除的形式进行。轨迹的简单性增强了喷射稳定性，并因此证实有利于对此连续第一切除使用高切除速度。对于从所述块的第二面进行的每次改进切除，在块的减小的厚度上操作的事实增强了喷射稳定性，并由此减少了喷射偏差影响。切除速度因而也可以较高，切除精度增大。另外，应指出，本发明的一个主要优点在于，从材料块的两面进行通过磨蚀性水喷射的切除，提供更好的可达性。这生产出最接近于最终侧的叶片预成型件，并由此在证实需要的情况下减少后续磨制过程的操作时间。另外，有利地减少了 MVD的总制造时间。另外，这种对待切除表面的更好的可达性不仅用于改进所获得的叶片预成型件， 而且使喷射相对于每个待切除表面沿可能的最佳方式取向，从而增强了所述方法的可靠性。优选地，在通过磨蚀性水喷射进行的目的在于获得所有叶片间空间的所述切除步骤过程中，相继执行以下步骤通过与所述块的第一面相对的所述喷出头进行的所有切除；在所述块与所述喷出头之间的相对移位以引导所述喷出头与所述块的第二面相对；和通过与所述块的第二面相对的所述喷出头进行的所有切除。这优化了在通过磨蚀性水喷射进行的切除步骤的执行持续时间。优选地，在所述块与所述喷出头之间的所述相对移位通过翻转所述块而实现。优选地，执行所述的通过磨蚀性水喷射进行的切除步骤，使得在改进切除过程中至少一个切除件通过重力自动从所述块脱离。这限制了在通过磨蚀性水喷射进行的切除步骤过程中由操作者介入的次数，以实现甚至更优化的执行时间。对此，所关注的件，例如在第一切除过程中获得的件，被设置为当从所述块分离时通过重力下落，而不必使所述块移动。优选地，仍然为了限制由操作者介入的次数，执行所述的通过磨蚀性水喷射进行的切除步骤，使得对于在改进切除过程中和在其切除之后仍然阻塞在其相关叶片间空间中的至少一个切除件，所述件通过磨蚀性水喷射切割而被分为至少两个子件，所述子件能够通过重力自动从所述块脱离。如前所述，优选地，每个改进切除是五轴切除。优选地，该连续切除是三轴切除。这减少了通过磨蚀性水喷射进行的切除步骤的执行所费时间，因为该连续切除使得件可容易地通过重力自动松脱，而不需操作者介入。这种功能通过优选地水平布置的所述块的特定定位而获得，重要的是由于三轴切除而获得的件的圆柱形特性所致。由于MVD上的叶片间空间的数量相当多，因而由于这些件自动下落所致的时间效益相当大。而且，连续切除的轨迹的简单性增强了喷射的稳定性，并由此证实有利于对此连续第一切除采取高切除速度。
然而，在不背离本发明范围的情况下，对此连续切除采用五轴切除也是可行的。优选地，执行所述的通过磨蚀性水喷射对所述材料块进行的切除步骤，以露出从所述毂沿径向延伸的叶片预成型件，同时保持用于在至少两个直接连续的叶片预成型件之间形成连接结构的材料，所述连接结构与所述毂沿径向分隔开。因此，这种优选实施例的显著之处在于，其在通过磨蚀性水喷射进行的切除步骤过程中使在至少两个叶片预成型件之间，且优选在所有这些叶片预成型件之间的连接结构露出。这严格限制或者甚至消除了叶片在它们的制造过程中的变形和振动，如果它们仍通过初始块材料以机械方式保持。这种特性有利地应用于不同的高行进速度工具，减少生产时间，而不会对成品MVD 的质量产生不利影响。此外，减少叶片生产时间和减少叶片在其制造过程中的振动减缓了工具磨损，特别是磨制机的磨损，有利地限制了生产成本。优选地，执行通过磨蚀性水喷射进行的切除步骤，使得所述连接结构相结合以连接多个(严格大于三个，优选地为直接连续的)叶片预成型件。然而，多组直接连续相连的预成型件是可以想到的，但各组不接合。相对于此独立地，通过连接结构保持在一起的叶片预成型件的数量以及连接结构在预成型件上的布置可适应性调整。根据优选实现方式，执行通过磨蚀性水喷射进行的切除步骤，使得所述连接结构大致形成环，所述环优选地对中于盘轴线上。此环优选地延伸360°，可选地仅被其所连接的叶片预成型件中断。然而，如前所述，此环可以不完全封闭，且特别地并不连接一些直接连续的预成型件。然而，优选地，执行通过磨蚀性水喷射进行的切除步骤，使得所述环将所有叶片预成型件接合到一起，每个叶片预成型件将用于随后构成MVD叶片。在这种情况下，优选执行通过磨蚀性水喷射进行的切除步骤的方式使得所述环将各叶片预成型件的头部接合到一起。所述环于是沿盘方向形成所述切除块的周边环形部分，其中叶片预成型件从此环朝向内部沿径向延伸。优选地，所述方法还包括所述叶片预成型件的磨制步骤，其执行以生产出成形的叶片坯；和所述叶片坯的精磨步骤，以生产出最终形状的叶片。优选地，形成连接结构的材料保持至精磨步骤结束，此后将此材料去除。然而，在不背离本发明范围的情况下可将此材料更早地去除。当然，其他传统步骤也可用于根据本发明的方法中，例如在通过磨蚀性水喷射进行的切除步骤之前车削材料块；在精磨步骤之后对叶片抛光和/或喷砂；按长度切割叶片；和MVD的平衡。优选地，所述单块叶片盘具有的直径大于或等于800mm。对此，特别地，设置连接结构在制造过程中将叶片保持在它们之间允许制造大直径MVD，其具有长叶片，这是由于其变形和振动减小或者甚至消除。优选地，叶片具有的最小长度为150mm。优选地，所述单块叶片盘具有的盘厚度大于或等于100mm。然而，其可具有160mm 量级或者甚至更大的厚度，这是因为通过磨蚀性水喷射切割技术可获得的高性能所致。这种厚度还大致对应于每个叶片据此延伸的根据MVD轴线应用的在前边缘与后边缘之间的距离。优选地，单块叶片盘的叶片扭曲，扭曲角度大至45°或者更大。优选地，所用的所述材料块通过钛或者其一种合金制成。优选地，所述单块叶片盘是用于飞机涡轮引擎的单块叶片盘。更优选地，所述单块叶片盘是飞机涡轮引擎涡轮转子或压缩机的单块叶片盘。通过以下非限制性的详细描述，本发明的其他优点和特征将显见。
将参照附图给出以下描述，其中图1例示出用于涡轮引擎的单块叶片盘的局部立体图，所述叶片盘能够通过使用根据本发明的制造方法获得。图加至28例示出图示所述制造方法通过磨蚀性水喷射进行的切除步骤的视图。图3至5例示出图示所述制造方法的后续步骤的视图。
具体实施例方式首先参见图1，其显示出将通过使用根据本发明的制造方法获得的单块叶片盘1。 叶片盘1优选地被设计为构成飞机涡轮引擎的压缩机或涡轮转子。单块叶片盘在下文中被称为MVD，将通过形成本发明目的的方法生产，具有大尺度，且特别地具有大于或等于800mm的直径，长度至少等于150mm的叶片2，和厚度“e”大于或等于130mm的毂4。而且，由具有中心轴线5的毂4支承的叶片显著扭曲，因为扭曲角度可达到45°，或甚至更大。作为信息，此角度对应于在相同叶片2的足部6与头部8之间的假想角度(notional angle)。MVD 1的制造方法的优选实施例现在将参照以下各图描述。首先，由钛合金制成的材料块，其也被称为“原单块”且优选经预加工，经历第一车削步骤，例如目的在于将此块加工至最终侧的1mm。在图加至28中图示的以下步骤包括通过磨蚀性水喷射对整个块进行切割，以露出以叶片间空间分离的各叶片预成型件。为此，使用用于通过水喷射切除的工具(未示出)，其中采用极高压力(例如3000 巴)和极高精度(例如六轴)。极高程度的水压力传送磨蚀剂以优化其对材料的切割效果。 通过熟知方式，利用由金刚石或蓝宝石制成的喷嘴形成水喷射。而且，混合室添加磨蚀剂， 例如砂。由此，聚焦喷具通过将水和砂聚焦于待切除区域上而使水和砂均勻。在以下描述中，聚焦喷具116将更常见地一直被称为工具喷出头。这种磨蚀性喷射切割技术能够实现相当高的材料去除速率以及良好的可重复性。 其证实良好适于去除将形成根据其轴线5完全穿过材料块厚度“e”的叶片间空间的材料。对此，图加显示出当通过磨蚀性水喷射进行的切除步骤完成后材料块100的一部分。该块因而具有从毂4沿径向(即正交于中心轴线5)延伸的叶片预成型件102。通常， 在块100的厚度中执行切除，以露出在直接连续叶片预成型件102之间沿周边的叶片间空间 110。
另外，执行所述步骤以露出在各预成型件102之间的连接结构，连接结构在此采取对中于轴线5的环112的形式并优选地连接所有叶片预成型件102的头部108。因此，环 112构成切除块100的周边环形部分，并由此形成叶片间空间110的外径向边界。这种通过磨蚀性水喷射进行的切除步骤通过以下方式实施利用与采用盘形式的块的第一面IlOa相对的喷出头116执行切除，然后利用与此相同块的第二面IlOb (与第一表面IlOa相对)相对的喷出头116执行切除。为了从第一面IlOa操作切除，块100被可移除地牢固保持在支撑部111上以采取大致水平位置，即使其轴线5大致正交于地面，如图2b中所示。支撑部111具有在顶部开放的容器113，专用于收集通过重力自动从块100脱离的切除件。在这些切割操作过程中， 第二面IlOb于是抵靠支撑部111设置。为了从第二面IlOb操作切除，将块100从支撑部111松开，转动大约180°，然后再连接到此支撑部111上，其中，第一面IlOa抵靠支撑部111设置，第二面IlOb向上取向以与在块110上方向上移动的工具的喷出头116配合。应注意，在所示优选实施例中，叶片预成型件102的前边缘115位于第二面IlOb 一侧，而它们的后边缘117位于第一面IlOa —侧。标引结构(未示出)用于在其两个位置将块100精确定位在支撑部111上，以实现所述方法的更高可靠性。参见图2c，从第一面IlOa执行的第一切除，目的在于去除大致柱形延伸的第一材料件114a，因为其由所称的三轴切除所致，在此过程中，喷出头因而仅根据相互正交的三个轴线移动。在这种情况下，三个轴线中的一个构成所获得的柱形的件IHa的纵轴线，件 11 在块100的整个厚度上延伸。应注意，由于该工具具有六轴，其形成使喷出头116具有任意倾斜度的三轴轨迹，因而在整个切除过程中保持所述倾斜度。如图2c中所显见，执行三轴的第一切除，其中，喷射喷出头116相对于竖直方向倾斜，以大致平行于最终希望的叶片间空间而取向。通过指示，在此图中还应注意到，将被生产出的叶片2以展开图例示，其中它们的头部以清晰可见。这种第一切除特别是由于其简单的轨迹而能够以高速执行，实现相当大的体积， 优选地对应于在通过磨蚀性水喷射进行的切除步骤完成之后获得的相关叶片间空间110 的最终体积的40%至80%。参见图2d的示意性例示，显示出将获得的两个连续的叶片预成型件的后边缘 117，显然，三轴的第一切除操作实际上目的在于，通过沿封闭线118a移动喷射喷出头而在毂4附近穿过且穿到所述块的径向外端附近而不到达该径向外端，切除第一材料件11 , 以使留下的材料形成所述环。线118a总体上具有矩形的形式，其中一个长度尽可能接近地沿两个叶片预成型件中的一个的后边缘117，而其中另一长度使得喷射出口与两个叶片预成型件中另一个的前边缘分开合理距离。一旦线ll&i完全封闭，意味着第一切除步骤结束且第一件11 从块100分离， 则此件11 通过重力自动从该相同块脱离。实际上，如图2c中所示，在重力作用下，仅件 114a沿喷出头116方向相对于随其下落而显露的连接孔119而下滑。件11 最后下落到仔细定位的容器113中，并因而不需要操作者介入。如该相同图中所显见，在正交于径向的任何截面中，第一件1 Ha总体上采取平行四边形形式，其中，根据块厚度延伸的两个相对侧边分别穿到将在所述过程完成时获得的两个直接连续叶片2的附近。应注意，这种连续切除可选地可在一次或多次其他切除之后。类似地，在不背离本发明的范围的情况下，这种连续的第一切除可为五轴类型，而非三轴类型。下一步，块100返回到其支撑部，以从第二面IlOb进行通过磨蚀性水喷射的改进切除。这些切除因而改进叶片间空间110(例如在连续第一切除之后获得的叶片间空间 110)的形状，其中一个叶片间空间110显示在图加中。改进切除因而最接近于最后侧部。由此，从第一面IlOa进行的连续切除使在第二面IlOb与通过磨蚀性水喷射进行切除的块表面之间露出接合线121a。由于连续切除的三轴性质，此接合线121a具有与在块的第一面IlOa上所露出的切除线118a大致相同的形状。所有改进切除优选地具有复杂形式，已知为五轴形式，也就是说，轨迹通过不仅根据三个平移自由度而且根据两个旋转自由度移动喷出头而获得。而且，这些改进切除以一定方式仅在块的一部分厚度上进行，以在每次合并至少一部分接合线121a时将件移除。因此，结果使得，限制喷射稳定性的两个参数(特别是切除厚度和轨迹复杂度)中的单个参数在第一切除和改进切除时得以保持，这允许对这两种切除类型均使用高切除速度。最重要的是，每次改进切除均切除先前通过连续切除所获得的所述块的特定区域，即在此连续切除过程中由于处于喷射出口处而最常经受磨蚀性水喷射偏差影响的区域。因此，由于这一特定区域从块的第二面再次加工，在连续切除过程中的喷射偏差因而在无害情况下可以相当大。这种连续切除因而可在高切除速度下进行。然后，第二件114b的改进切除通过沿具有整体U形式的开放线118b移动喷射喷出头而进行，其中底部沿接合线121a的两个长度中的一个大致在叶片预成型件的整个径向距离上延伸，而U形的两个分支延伸到此线121a以接触它，如图2f中所显见。第二件114b的目的在于，去除两个叶片预成型件中的一个的前边缘115附近的材料，如图2c中示意性所示，而去除第三件IHc的目的在于，去除两个叶片预成型件中的另一个的前边缘115附近的材料。实际上，第三件IHc的改进切除通过沿整体具有U形式的开放线118c移动喷射喷出头而实现，其中底部沿接合线121a的另一个长度大致在叶片预成型件的整个径向距离上延伸，而U形的两个分支与此线121a分开而接触它，如图2f中显见。来自改进切除的所有件优选地通过重力自动落入支撑容具中。但在复杂形式的情况下，件在被切除之后可能仍然阻塞在其相关叶片间空间中。另外，为了确保其从所述块松开，然后通过磨蚀性水喷射切割将其分为两个子件，所述子件能够通过重力自动从所述块脱离而在成形过程中穿过叶片间空间。而且，在此，两个子件仅在重力作用下下落而在支撑容器中结束它们的下落。一旦完成所有这些切除，则现在所述块仅具有在它们的头部108的水平通过环 112相互连接的叶片预成型件102。于是完成通过磨蚀性水喷射进行的切除步骤。这样，每个结果形成的叶片预成型件102具有外拱表面121和内拱表面123，如图 2a中所示。对此，应注意，外拱表面121和内拱表面123中的每个均包括通过不同切除所致的表面部分。图2g示意性显示出显示为平坦的这两种表面121、123的每个的分段，每个表面部分具有表现切除件的切除件数字值。下一步，所述制造方法继续而对叶片预成型件102使用磨制步骤，执行该磨制步骤以获得成形的叶片坯202。换言之，此步骤的目的(例如利用五轴磨制工具)在于，去除在叶片预成型件102上残余的材料，以由此尽可能接近地达到最终侧，例如0. 6mm。由于在通过磨蚀性水喷射进行切除步骤之后获得的预成型件102具有高度改进的形式，因而这些预成型件的至少一部分表面已经具有优选形状，并因而不需要这样的磨制。在此，预成型件102优选地依次加工以均形成成形叶片坯202，如图3中所示，其中还图示出通过环112相连的各坯202的头部208，环112仍形成块100的周边环形部分。所述方法然后继续进行去除连接各预成型件112的环112步骤。这一步骤通过本领域技术人员认为适合的任何方式执行，例如线切割或磨制。对此，图4示意性例示出通过断开此环112与所述坯的头部208之间的结合而使环112与块100的其余部分分离。一旦完成所有这些大致周向的断开部228，则环可通过根据轴线5相对于所述块的相对移位而有效地从所述块移离。这样认为环112被清除。而且，在此可替代地，所述方法可继续而仅通过移除环112的位于各坯202之间的环部分、位于这些坯的径向端的其他残余部分(例如依照此后构成叶片头一部分而言)而去除环112。所希望的断开不再如图2d的断开部 228那样大致沿周边，但仍在所述块的厚度中。下一步，使用新的磨制步骤，这种被称为精磨的步骤目的在于通过磨制从坯202 获得最终形状的叶片2。所用工具能够实现更精确的加工，以确保最终侧，并由此生产出如图5的右侧部分中所示的叶片2。在所述方法的该阶段，残余材料块具有的体积小于此相同块的体积的25%，例如刚在通过磨蚀性水喷射进行切除步骤开始前呈现的体积，特别是刚在前述车削步骤之后的体积。而且，所述方法可继续进行一个或多个传统步骤，包括如前所述的MCD的抛光步骤、喷砂步骤、按长度切割叶片的步骤、和/或平衡步骤。当然，对于以上仅通过非限制性示例描述的本发明，本领域技术人员可进行各种修改。
权利要求
1.一种用于制造单块叶片盘(1)的方法，包括通过磨蚀性水喷射对整体为盘形式的材料块(100)进行切除的步骤，执行所述切除步骤，以在叶片间空间(110)的水平从所述块去除材料，以露出从毂(4)沿径向延伸的叶片预成型件(102)，通过磨蚀性水喷射进行的所述切除步骤利用包括喷出头(116)的工具和磨蚀性水喷射而进行，其特征在于该方法包括通过与所述块的第一面(IlOa)相对的所述工具的喷出头(116)连续切除通过所述块的厚度的件(IHa)，所述连续切除使得在所述块的与所述第一面相对的第二面(IlOb)与通过所述磨蚀性水喷射切除的所述块的表面之间露出接合线(121a)；然后通过与所述块的第二面(IlOb)相对的所述喷出头而至少一次改进切除延伸经过所述块的厚度的仅一部分且结合所述接合线(121a)的至少部分的件(114b，IHc)。
2.如权利要求1所述的制造方法，其中，在通过磨蚀性水喷射进行的目的在于获得所有叶片间空间的所述切除步骤过程中，相继执行以下步骤通过与所述块的第一面(IlOa)相对的所述喷出头进行的所有切除；在所述块(100)与所述喷出头(116)之间的相对移位以引导所述喷出头(116)与所述块的第二面相对；和通过与所述块的第二面(IlOb)相对的所述喷出头进行的所有切除。
3.如权利要求2所述的制造方法，其中，在所述块与所述喷出头之间的所述相对移位通过翻转所述块(100)而实现。
4.如前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，执行所述的通过磨蚀性水喷射进行的切除步骤，使得至少在改进切除过程中一个切除件通过重力自动从所述块脱离。
5.如前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，执行所述的通过磨蚀性水喷射进行的切除步骤，使得对于在改进切除过程中和在其切除之后仍然阻塞在其相关叶片间空间中的至少一个切除件，所述件通过磨蚀性水喷射切割而被分为至少两个子件，所述子件能够通过重力自动从所述块脱离。
6.如前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，每个改进切除为五轴切除。
7.如前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，每个改进切除为三轴切除。
8.如前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，执行所述的通过磨蚀性水喷射对所述材料块进行的切除步骤，以露出从所述毂(4)沿径向延伸的叶片预成型件(102)，而同时保持在至少两个直接连续的叶片预成型件之间形成连接结构(112)的材料，所述连接结构与所述毂沿径向分隔开。
9.如前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，所述方法还包括所述叶片预成型件(10 的磨制步骤，其执行以获得成形的叶片坯O02)；和所述叶片坯O02)的精磨步骤，以获得具有最终形状的叶片O)。
全文摘要
本发明涉及一种用于制造单块叶片盘的方法，包括通过磨蚀性水喷射进行的切除步骤，所述步骤包括通过与所述块的第一面(110a)相对的所述工具的喷出头(116)连续切除通过所述块的厚度的件(114a)，所述连续切除使得在所述块的相对于所述第一面的第二面(110b)与通过所述磨蚀性水喷射切除的所述块的表面之间露出接合线(121a)；然后通过与所述块的第二面(110b)相对的所述喷出头而至少一次改进切除延伸经过所述块的厚度的仅一部分且结合所述接合线的至少部分的件(114b，114c)。
文档编号B23P15/00GK102470494SQ201080035160
公开日2012年5月23日 申请日期2010年8月5日 优先权日2009年8月7日
发明者威廉姆·皮尔森, 珀赖因·德拉鲁皮勒, 瑟奇·波兰格, 米奇·米勒, 马克·斯图尔贝里 申请人:斯奈克玛