锻造涡轮叶片的方法

专利名称：锻造涡轮叶片的方法
技术领域：
本发明涉及锻造涡轮叶片的方法。
背景技术：
传统地，作为涡轮叶片的制造方法，通常采用将涡轮叶片从块体材料刮削出的制造涡轮叶片的方法。然而，在涡轮叶片从块体材料刮削出的情况下，材料的产率非常低，成品的产率为大约10%。另一方面，在制造涡轮叶片时，也采用以单体的形式锻造涡轮叶片的方法。例如，在下述专利文献I和专利文献2中公开了以单体的形式锻造涡轮叶片的方法。在锻造涡轮叶片的情况下，存在着尽管提高了材料的产率却招致锻造模具的费用的问题。此外，在以单体的形式单独地锻造涡轮叶片的情况下，锻造的步骤数增多，并且将带来在锻造之后、将涡轮叶片加工成最终的形状和尺寸的机械加工、包括机械加工的设置的大量不便并花费大量时间。在下述专利文献3中公开了利用单个模具同时锻造两个锻造产品的锻造方法。然而,专利文献3不同于本发明，因为专利文献3涉及连接杆(connecting-rod)的锻造方法，并不涉及以一体的连接体的形式锻造两个锻造产品的方法。专利文献I :特开平2-80149号公报专利文献2 :特开昭63-112039号公报专利文献3 :特开平3-23026号公报

发明内容
考虑到上述情况而做出本发明，本发明的目的是提供一种锻造涡轮叶片的方法，在该方法中，与传统技术相比能够改善材料的产率，并且能够减少锻造加工的步骤数。此外，除了改善材料的产率和减少锻造加工的步骤数之外，本发明的另一目的是将涡轮叶片锻造成不产生裂纹的有利的形状。此外，本发明的又一目的是有效地减少锻造加工需要的模具的费用。S卩，本发明提供下述第I项至第7项。I. 一种锻造涡轮叶片的方法，其包括以长度方向上的一体连接体的形式锻造多个涡轮叶片，然后将所述一体连接体分离成各所述涡轮叶片。2.根据上述第I项所述的锻造涡轮叶片的方法，其中，连接部设置于各所述涡轮叶片的彼此相邻的端部之间作为连接各所述涡轮叶片的所述端部的余出部，并且在通过所述连接部在长度方向上一体连接各所述涡轮叶片的状态下锻造所述涡轮叶片。3.根据上述第2项所述的锻造涡轮叶片的方法，其中，所述连接部被设置为形状过渡部，在该形状过渡部中，所述连接部的形状从形状彼此不同的一个端部到另一个端部连续地变化，使得所述连接部的形状从所述一个端部向所述另一个端部过渡。4.根据上述第I项至第3项中的任一项所述的锻造涡轮叶片的方法，其中，以使得壁厚大于叶片部的壁厚的厚壁部位于相邻的两个所述涡轮叶片的一体连接状态下的长度方向上的两个端部的方式进行所述锻造。5.根据上述第4项所述的锻造涡轮叶片的方法，其中，两个所述涡轮叶片均为转子叶片，并且在两个所述涡轮叶片以作为所述厚壁部的叶片根部位于长度方向上的两个端部的方式沿长度方向彼此相反定向的状态下进行所述锻造。6.根据上述第I项至第5项中的任一项所述的锻造涡轮叶片的方法，其中，多个所述涡轮叶片中的至少两个为级数彼此不同的不同类型的涡轮叶片。7.根据上述第6项所述的锻造涡轮叶片的方法，其中，所述级数彼此不同的不同
类型的涡轮叶片为彼此级数差为一级的相邻级的涡轮叶片。如上所述，根据本发明，以长度方向上的一体连接体的形式锻造多个涡轮叶片，此后，将一体连接体分离成单独的涡轮叶片。根据本发明，能够以高的效率从一块锻造材料获得作为多个锻造产品的涡轮叶片，并且能够减少在锻造加工过程中的产生的毛边的量。结果，与以单体的形式锻造涡轮叶片的情况相比，能够提高材料的产率。此外，由于能够通过一次锻造来锻造多个涡轮叶片，所以能够减少锻造加工的步骤，提高生产率。通常，对于锻造的涡轮叶片，用于将锻造的涡轮叶片加工成最终的形状和尺寸的诸如切削等机械加工被施加到整个涡轮叶片表面。此时，根据传统的锻造方法获得的锻造产品处于单独的单体的状态，因此，对单独的锻造产品独立地进行机械加工。另一方面，根据本发明的锻造方法，因为作为锻造产品的多个涡轮叶片在长度方向上连接的状态下被一体锻造，所以能够对多个涡轮叶片同时执行机械加工。在该情况下，能够有效地减少机械加工的步骤数。根据本发明，可以将连接部设置于各涡轮叶片的彼此相邻的端部之间作为连接涡轮叶片的端部的余出部，并且可以在通过连接部在长度方向上一体连接涡轮叶片的状态下锻造涡轮叶片(第2项)。在如上所述将连接部设置于两个涡轮叶片之间作为余出部的情况下，在锻造之后，当对连接状态下的涡轮叶片施加机械加工时，可以通过机械加工设备的卡盘(chuck)来抓持连接部。结果，能够牢固稳定地保持处于连接状态下的加长的涡轮叶片，同时防止涡轮叶片在加工过程中摇摆(sway)。总之，由于存在连接部，能够对处于相互连接状态下的多个涡轮叶片同时进行机械加工。在该情况下，可以将连接部设置为形状过渡部，在该形状过渡部中，连接部的形状从形状彼此不同的一个端部到另一个端部连续地变化，使得连接部的形状从一个端部向另一个端部过渡(第3项)。根据本发明，还可以在多个涡轮叶片直接连接从而彼此抵接的状态下锻造多个涡轮叶片。
然而，在该情况下，在相邻的涡轮叶片彼此抵接的区域必然产生阶跃高度(不平坦台阶)。该阶跃高度成为导致在锻造加工过程中锻造产品产生裂纹的因素。然而，通过设置根据上述第2项的连接部，能够将该连接部用作根据上述第3项的形状过渡部。在该情况下，能够防止在相邻的涡轮叶片之间产生阶跃高度，能够有利地防止在锻造加工过程中由于阶跃高度而产生裂纹。结果，能够获得没有裂纹并且具有理想形状的锻造产品。根据本发明，涡轮叶片可以以如下方式进行锻造使得壁厚大于叶片部的壁厚的厚壁部位于相邻的两个涡轮叶片的一体连接状态下的长度方向上的两个端部(第4项)。以此方式，在锻造之后，在使多个涡轮叶片在一体连接的状态下经受机械加工时，通过由机械加工设备的卡盘抓持位于两个涡轮叶片的长度方向上的两个端部的厚壁部，能
够稳定牢固地抓持并保持处于连接状态下的多个涡轮叶片。结果，与设置连接部的情况类似，能够对处于连接状态下的多个涡轮叶片同时进行机械加工。特别地，在作为单体的转动侧的转子叶片经受机械加工的情况下，虽然该转子叶片的叶片根部、即厚壁部能够由位于长度方向上的一个端部的卡盘抓持，但是薄的叶片部本身必须由位于另一端的另一卡盘抓持以进行机械加工。在该情况下，在机械加工之后必须通过切割而将叶片部的由卡盘抓持的部分去除。然而，根据上述第5项，在相邻的两个涡轮叶片均为转子叶片的情况下，在涡轮叶片以涡轮叶片的作为厚壁部的叶片根部位于长度方向上的两个端部的方式沿长度方向相反定向的状态下锻造涡轮叶片，能够在由卡盘抓持位于长度方向上的两个端部的作为厚壁部的两个叶片根部的状态下，对相邻的两个转子叶片施加机械加工。结果，能够消除由卡盘抓持壁厚较小的叶片部的必然性。在本发明中，虽然多个涡轮叶片可以均为相同的类型，但是，根据上述第6项，多个涡轮叶片中的至少两个可以是级数彼此不同的不同类型的涡轮叶片。在多个涡轮叶片均为级数相同的相同类型的情况下，需要与待锻造的涡轮叶片的类型对应数量的不同的模具，增大了所需模具的数量。然而，在多个涡轮叶片中的至少两个为级数不同的不同类型的涡轮叶片的情况下，能够由单个模具来锻造至少两种类型的涡轮叶片。结果，减小了所需模具的数量(类型)，能够有效地减少用于模具的费用。由于以小规模的生产来获得涡轮叶片，所以对于一个锻造产品(涡轮叶片)来说，用于模具的费用占总费用的比率必然要高。根据上述第6项，因为能够由单个模具同时锻造两种类型的涡轮叶片，所以能够有效地减少一个锻造产品所用的模具的费用。在该情况下，根据上述第7条，优选地，级数彼此不同的不同类型的涡轮叶片为彼此级数差仅为一级的相邻级的涡轮叶片。彼此级数差为一级的相邻级的涡轮叶片之间的形状存在小的差别。因此，与利用单个模具在连接状态下锻造形状差别大的两种类型的涡轮叶片的情况相比，能够容易地锻造这些彼此级数差为一级的相邻级的涡轮叶片。


图I是示出处于单体状态下以及一体连接的状态下的转子叶片的图，该转子叶片是作为本发明的适用对象的一个示例的涡轮叶片。图2是说明根据本发明的实施方式的锻造方法的步骤的图表。图3A和图3B是示出图2中的关键部分以及相对于根据本发明的实施方式的对比实施方式的图。图4A和图4B是示出根据本发明的另一实施方式的关键部分以及相对于该实施方式的对比实施方式的图。附图标记说明10，12转子叶片(涡轮叶片)14，16，36，38 叶片部18，20叶片根部26连接体30连接部32，34导向叶片
具体实施例方式现在，将参照附图详细说明本发明的实施方式。在图I的(B)中，附图标记10和附图标记12表示作为实施方式的适用对象的涡轮叶片。具体地，在本实施方式中，涡轮叶片10和涡轮叶片12为用于燃气涡轮的转子叶片(blade)。涡轮叶片10 —体地设有壁厚较小的叶片部14和壁厚较大的叶片根部18，涡轮叶片12 —体地设有壁厚较小的叶片部16和壁厚较大的叶片根部20。优选地，使用JIS SUS410J1、DIN X12Crl3、EN I. 4006、EN I. 4024、UNS S41025、UNS S41000、AISI 410或类似材料作为转子叶片10和转子叶片12的材料。在本实施方式中，转子叶片10和转子叶片12为级数不同的不同类型的叶片。然而，级数差仅为一级。尺寸较大的转子叶片10为第η级(stage)，而尺寸较小的转子叶片12为第(n+1)级。因此，转子叶片10和转子叶片12的形状彼此非常接近。转子叶片10的叶片根部18和转子叶片12的叶片根部20、即转子叶片10和转子叶片12的厚壁部被固定到转子的轮盘，由此与转子一体地转动。注意，薄壁叶片部14和薄壁叶片部16为扭曲形状。如图I的(B)所示，叶片部14和叶片部16在沿长度方向彼此相反定向的状态下朝相反的方向扭曲。图2示出在本实施方式中锻造转子叶片10和转子叶片12的方法的步骤。在图2中，附图标记22表示由JIS SUS410J1材料(可以使用其他材料)形成的棒状的锻造材料。在步骤(I )中对该锻造材料22进行粗锻以形成两端设有厚壁部的预成型产品24。然后，在步骤(II)中，使预成型产品24经受精锻，可以获得作为精锻产品的处于具有毛边28的状态的连接体26，在该连接体26中，转子叶片10和转子叶片12在长度方向上一体地连接。
此后，在步骤(III)中进行毛边28的去除，将毛边28从连接体26分离并去除。如图I的(A)和图2所示，在本实施方式中，以沿长度方向一体连接的连接体26的形式，由单个模具同时锻造作为涡轮叶片的转子叶片10和转子叶片12两个转子叶片。在转子叶片10和转子叶片12以作为厚壁部的叶片根部18和叶片根部20分别位于连接体26的长度方向上的两个端部的方式沿长度方向彼此相反定向的状态下，转子叶片10和转子叶片12被一体锻造。在连接体26中，附图标记30表示连接部，该连接部设置于转子叶片10的端部和转子叶片12的端部之间作为连接转子叶片10的相应的端部和转子叶片12的相应的端部的余出部(superfluous)。转子叶片10和转子叶片12在通过该余出部30彼此连接的状态
下被一体锻造。该连接部30被设置为形状过渡部，该形状过渡部通过连接部自身的形状变化将转子叶片12的图中右侧端部平滑地连接到转子叶片10的图中左侧端部。具体地，连接部30的图中左端的形状与转子叶片12的图中右端的形状相同，连接部30的图中右端的形状与转子叶片10的图中左端的形状相同。同时，从连接部30的图中左端到右端连续地变化连接部30的形状，从而连接部30的形状从转子叶片12的右端形状过渡成转子叶片10的左端形状。例如，如图3A所示，在使得转子叶片10的叶片部14和转子叶片12的叶片部16在未设置连接部30的状态下以彼此直接抵接的方式连接的状态下锻造转子叶片10和转子叶片12的情况下，在转子叶片10的叶片部14和转子叶片12的叶片部16抵接的区域发生阶跃高度(step height)。这是因为,转子叶片10和转子叶片12在长度方向上相反定向并且朝相反的方向扭曲，此外，转子叶片10和转子叶片12的宽度和厚度也彼此不同(顺便提及，在图3A中，为易于理解，在分离的状态下示出叶片部14和叶片部16)。在锻造具有该阶跃高度的连接体26的情况下，锻造后的产品中可能由于阶跃高度而出现裂纹，在锻造加工中存在技术困难。为此，在本实施方式中，如图3B所示，用于连接转子叶片12的端部和转子叶片10的端部的连接部30被设置为用于实现连续的形状过渡的形状过渡部，使得在转子叶片10和转子叶片12之间不产生阶跃高度。结果，在以连接体26的形式相互连接的状态下锻造转子叶片10和转子叶片12时，能够将转子叶片10和转子叶片12锻造成锻造后的产品不产生裂纹的有利的形状。在本实施方式中，然后将由此获得的连接体26分离成转子叶片10和转子叶片12。此时，在将转子叶片10和转子叶片12分离成单体之后，或者在处于相互连接即作为连接体26的状态下，进行将转子叶片10和转子叶片12加工成最终的形状和尺寸的机械加工。后一种情况是理想的，因为能够使转子叶片10和转子叶片12同时经受机械加工，能够有效地减少机械加工的步骤数。此外，根据本实施方式获得的连接体26的长度方向上的两个端部为作为厚壁部的叶片根部18和叶片根部20，此外，连接部30设置于长度方向上的中间位置。因此，在施加机械加工时，通过由机械加工设备的卡盘来抓持连接部30和位于两个端部的叶片根部18和叶片根部20，能够牢固地保持连接体26，并且能够在抑制连接体26的摇摆的同时在该状态下进行机械加工。
根据上述实施方式，能够以高的效率从单一锻造材料22获得转子叶片10和转子叶片12 (涡轮叶片)两个锻造产品。此外，能够减少在锻造加工过程中产生的毛边的量，所以，与以单体的形式锻造转子叶片10和转子叶片12的情况相比，能够提高材料的产率。此外，能够通过一次锻造来锻造多个转子叶片10、12，并且能够减少锻造加工的步骤数，从而能够提高生产率。根据本实施方式的锻造方法，由于能够在相互连接的状态下获得转子叶片10和转子叶片12两个转子叶片，所以在锻造之后进行机械加工时，能够使两个转子叶片同时经受机械加工。根据本发明，还能够在连接状态下锻造级数相同的相同类型的多个涡轮叶片。在该情况下，需要与涡轮叶片的类型相应数量(类型)的多个模具。然而，在本实施方式中，由于以处于连接状态下的涡轮叶片的形式锻造级数不同的不同类型的转子叶片10和转子叶片12，所以能够由单个模具来锻造转子叶片10和转子叶片12两种类型的转子叶片。结果，
减少了需要的模具的数量(类型)，从而能够有效地减少用于模具的费用。由于以小规模的生产来获得转子叶片，所以对于一个转子叶片来说，用于模具的费用占总费用的比率必然要高。根据本实施方式，因为能够由单个模具同时锻造转子叶片10和转子叶片12两种类型的转子叶片，所以能够有效地减少一个锻造产品所用的模具的费用。此外，因为转子叶片10和转子叶片12的级数差仅为一级，所以转子叶片10和转子叶片12之间的形状存在小的差别。因此，与利用单个模具锻造形状差别较大的两种类型的转子叶片的情况相比，能够容易地锻造转子叶片10和转子叶片12。虽然上述说明涉及转子叶片，但是也可以将本发明应用于制造固定侧的导向叶片(vane)。在图4A和图4B中，附图标记32和附图标记34表示导向叶片。这里，导向叶片32和导向叶片34被设定为级数彼此不同。具体地，导向叶片32的级数和导向叶片34的级数的差为一级。附图标记36和附图标记38分别表示导向叶片32的叶片部和导向叶片34的叶片部。在图中右端侧，导向叶片32 —体地设有叶片根部(未示出)，该叶片根部为待固定到涡轮壳体的厚壁部；在图中左端侧，以相同的方式，导向叶片34 —体地设有叶片根部(未示出)，该叶片根部为待固定到涡轮壳体的厚壁部。导向叶片32、34的与叶片根部相反的一侧的端部、即在导向叶片32、34固定到涡轮壳体的状态下的径向内侧的相应的端部，分别一体地设有待固定到环状构件的罩40和罩42，所述环状构件形成为围绕转子轴的环状。附图标记44表示连接体,在该连接体中，导向叶片32和导向叶片34以沿长度方向相反定向的方式一体连接。特别地，同样在该实施方式中，导向叶片32和导向叶片34以沿长度方向相反定向的方式在长度方向上一体连接，由此形成连接体44。并置的罩40和罩42以与上述实施方式相同的方式借助于连接部50彼此连接。同样在本实施方式中，连接部50具有形状过渡部的作用。
顺便提及，以连接体44的形式锻造导向叶片32和导向叶片34两个导向叶片的步骤和工序与如图2所示的制造转子叶片的情况基本相同。图4A是与图3A对应的图，图4A示出，当在导向叶片32和导向叶片34两个导向叶片直接抵接的连接状态下锻造导向叶片32和导向叶片34时，在导向叶片32和导向叶片34彼此抵接的区域产生阶跃高度。同样在根据本实施方式以连接体44的形式锻造导向叶片32和导向叶片34两个导向叶片的情况下，能够在由机械加工设备的卡盘抓持位于长度方向上的两个端部的叶片根部的情况下进行机械加工。同时，可以在由卡盘抓持位于中间部分的连接部50的情况下进行机械加工。至此已经详细说明了本发明的实施方式。然而，仅作为示例说明了实施方式。例如，在上述实施方式中，说明了如下情况在连接状态下锻造彼此级数差仅为一级的不同类型的两个涡轮叶片。然而，根据本发明，也可以在连接状态下锻造级数差大于一级(即，在两级以上)的两个涡轮叶片。此外，在上述实施方式中，说明了在连接状态下锻造两个涡轮叶片的情况。然而，特别地在锻造小尺寸的涡轮叶片的情况下，不论是转子叶片还是导向叶片，还可以在连接状态下锻造多于两个(即，三个以上)的多个涡轮叶片。在该情况下，理想的是以如下方式形成连接体使得厚壁部位于连接体的长度方向上的两个端部。此外，可以在不偏离本发明的要旨的范围内以诸如将各种变型加入本发明的方式而做出本发明。例如，本发明还可以应用于制造用于燃气涡轮以外的其他涡轮的叶片。本发明基于2011年7月11日递交的日本专利申请NO. 2011-152493，该申请的全部内容通过引用而包含于此。
权利要求
1.一种锻造涡轮叶片的方法，其包括以长度方向上的一体连接体的形式锻造多个涡轮叶片，然后将所述一体连接体分离成各所述涡轮叶片。
2.根据权利要求I所述的锻造涡轮叶片的方法，其特征在于，连接部设置于各所述涡轮叶片的彼此相邻的端部之间作为连接各所述涡轮叶片的所述端部的余出部，并且在通过所述连接部在长度方向上一体连接各所述涡轮叶片的状态下锻造所述涡轮叶片。
3.根据权利要求2所述的锻造涡轮叶片的方法，其特征在于，所述连接部被设置为形状过渡部，在该形状过渡部中，所述连接部的形状从形状彼此不同的一个端部到另一个端部连续地变化，使得所述连接部的形状从所述一个端部向所述另一个端部过渡。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的锻造涡轮叶片的方法，其特征在于，以使得壁厚大于叶片部的壁厚的厚壁部位于相邻的两个所述涡轮叶片的一体连接状态下的长度方向上的两个端部的方式进行所述锻造。
5.根据权利要求4所述的锻造涡轮叶片的方法，其特征在于，两个所述涡轮叶片均为转子叶片，并且在两个所述涡轮叶片以作为所述厚壁部的叶片根部位于长度方向上的两个端部的方式沿长度方向彼此相反定向的状态下进行所述锻造。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的锻造涡轮叶片的方法，其特征在于，多个所述涡轮叶片中的至少两个为级数彼此不同的不同类型的涡轮叶片。
7.根据权利要求6所述的锻造涡轮叶片的方法，其特征在于，所述级数彼此不同的不同类型的涡轮叶片为彼此级数差为一级的相邻级的涡轮叶片。
全文摘要
本发明涉及一种锻造涡轮叶片的方法，其包括以长度方向上的一体连接体的形式锻造多个涡轮叶片，然后将所述一体连接体分离成各所述涡轮叶片。根据本发明的方法，与传统技术相比能够改善材料的产率，并且能够减少锻造加工的步骤数。此外，能够将涡轮叶片锻造成不产生裂纹的有利的形状。此外，能够有效地减小锻造加工所需要的模具的费用。
文档编号B21K3/04GK102873243SQ20121024108
公开日2013年1月16日 申请日期2012年7月11日 优先权日2011年7月11日
发明者木村浩二, 冈岛琢磨 申请人:大同特殊钢株式会社