专利名称：轨道式化学铣削方法
技术领域：
本发明通常涉及一种新颖的化学铣削加工方法，特别是涉及一种大大改进的、超过现有可比技术的成形能力的独特的加工方法，它包括在一个平面内的刀具和工件间的相对接触运动，这种接触运动可以是轨道式或其他方式的相对接触运动，以及由于轨道运动而产生一个往复运动，或者这种往复运动是在第二平面内另行提供的往复运动。这个新颖的创造性的加工方法极大地扩展了化学铣削加工的能力即能从现有技术的化学铣削加工方法所不能获得的高精度来加工各种工件的内外复杂形状。特别重要的是，本发明为高精度地加工如涡轮叶片(无论是单片地或甚至在复杂的涡轮叶轮上同时对涡轮叶片整个环形布置的叶轮进行加工)这样复杂的形状提供了一种相当简单的加工方法。
化学铣削加工方法是一种非传统的加工方法，实质上它是在加工过程中应用化学反应有选择地和有控制地从工件上去掉金属。化学铣削工艺不仅理想地适用于用较传统的加工方法难以加工的各种金属，而且不会在被加工的工件内产生任何残余应力或变形。化学铣削加工方法甚至能加工经热处理及加工硬化金属而对金属在加工前的材料特性无任何反作用。
与传统加工方法不同，在化学铣削加工方法中刀具与工件不直接接触，因此是用化学方法逐个原子地去掉工件的金属，完全不会有刀具的磨损。
与此同时，在铣削液和工件间形成的反应产物往往积存在工件的表面上。这种沉淀物形成一层阻止或阻碍铣削化学反应的“钝化”材料薄膜。
通常采用可把工件上的钝化层形成减小到最低程度的加工条件和化学铣削液，用以避免由钝化层引起加工速度减慢而产生的时间耽搁。如果有过多的钝化发生，为了加工过程能继续进行，就必须从铣削操作过程中把它去除。
一般说来，通常采用的方法是趋向要求有一个有利于避免过多的或难处理的钝化所必需的小于最大加工速度的加工速率。
在这类系统中，化学铣削工序中采用对不需要铣削的区域进行遮盖保护保留遮盖区域的侧面的切平所需要的合适加余量。
在本领域所述范围内的一个变形方法中，泰勒的美国专利3，593，410是采用一种化学溶液与压模构件表面起反应而形成万分之几英寸厚的反应生成物。然后由在该表面和涂有磨料的配对件之间的相对震动运动来磨去反应生成物达到“磨光”模具的被加工表面。在泰勒的加工工序中，在采用“磨光”工序前必须把模具制作成与所需要的形状非常地接近一致;泰勒并未考虑到采用铣削方法达到所要求的形状和尺寸。
本发明的基本点是发展一种具有高准确度的、高精度的及可解决复杂形状加工能力的、加工复杂的两维和三维形状的新型而独特的化学铣削加工方法。在这种独特而新颖的化学铣削加工过程中，所用的刀具与轨道磨削中应用的相类似，即刀具上具有表面附着磨料颗粒的刀体，由磨料颗粒磨削工件的表面。在本加工方法中，刀具是非旋转式的，因而它可以具有任何所要求被加工的工件的表面形状，包括三维形状。在本发明的新颖化学铣削加工方法中，刀具和工件在化学铣削加工条件下被配置在一起，并且在它们两部分之间有相对运动;与此同时，接触的表面区域往复运动通过一个循环，以这种方式它们处在短时间接触运动之中，一会儿被此移动分离，一会儿回复进入接触运动，将化学“铣削”加工液“泵”送通过它们的分界面。
根据分界面的几何形状，光是相对运动本身也可以产生往复的泵送作用，或者需要的话，也可以采用在一不同平面内的第二个相对运动产生往复相对运动。在一般情况下，虽然接触运动通常是一圆形轨道运动，但它也可以被描述为在运动件上的一点相对进给运动轴线的横向平面(垂直平面)内封闭轨迹运动而形成的二维往复运动;它可以要求的加工来确定多种形式，如圆形的、椭圆形的、多边形的或别的形式几何形状。在接触界面间的相对往复运动随着其每个循环将已被使用过的化学铣削液从分界面上清除掉并引入新的化学铣削液。和在传统应用的加工方法一样，必须使刀具和/或工件彼此相对地以与去除金属切削的速度成正比的进给速度渐渐地推进，从而当金属被除掉时，在刀具和工件之间维持一较佳的间隙。
用于本发明的加工的化学铣削液将钝化而且对工件产生相当强烈的钝化作用;就如下面所述，这种钝化用于对本发明的加工过程提供一种宏观及微观的控制能力。
在本发明的加工过程中使用的刀具在刀体上必须有散布的磨料颗粒。在加工过程中，从刀具表面散布的磨料颗粒与工件表面只是以类似轨道式加工方式轻轻地磨削工件表面但磨削掉的只是钝化层。与此同时，和/或一个短到几分之一秒较短的时间，化学铣削液将化学铣削工件表面直到钝化再次出现。与传统的磨削法不同，本发明中的由刀具和工件间的轨道式动作所产生的机械磨削对工件的加工作用并不明显，这如上面指出的那样它只要磨掉钝化层就可以。但是，这种相当有限的磨削作用将会产生一系列意想不到的优点，这就是对化学铣削的金属去除作用增加了重要的可控性以及增强这种加工的能力即大大地提高了加工精度及复杂形状的准确度。
根据本发明的基本应用，几乎全部的加工都是由化学铣削动作来完成的。化学铣削液及工作参数通常选择得使该液体能非常强烈地钝化工件，特别是在加工操作结束时能获得较高的精度。刀具表面的轨道式磨削动作只是轻轻地磨擦工件的表面，只足以去掉或防止在要求刀具磨削工件的那些区域内形成钝化层。化学铣削液的钝化作用不仅能阻止在按要求不要磨掉钝化层的那些表面上产生化学铣削作用，而且进一步与合适的刀具及其运动相结合起作用，控制刀具在去掉的那些表面上的金属切削。因此化学铣削加工过程只能在该刀具已除掉或者阻止钝化层形成的那些区域内进行，从而仅限制在由刀具结构及其运动所确定的范围内。刀具的几何形状、其上的磨削表面的性质以及它的相对于工件的运动方式可以用来相当仔细地确定进行化学铣削加工的区域以及在那些不同区域上的化学铣削加工的程度，因此，本发明的加工方式可以以远远大于现有技术方式所能达到的程度对整个化学铣削过程，加以控制和调节。
除上述的本发明的优点之外，本发明的加工方式还提供了许多其它意想不到的优点。例如，本发明的加工过程可以大大地减小过切削。因为只是那些被刀具磨过的表面才会被化学铣削。此外，由于不需要采用调节方法来阻止钝化，化学铣削液的选择范围就比较广，因此可以选用减少扩散侵蚀的铣削液。另一个有利因素是本发明的加工可在高速金属切削状态下完成。由于是按目的要求来形成钝化层的，因此就可防止在该加工过程中发生扩散侵蚀及凹蚀现象，因此，即使在高的金属切削速度下，工件还能形成相当尖锐的外角。而用传统的化学铣削方法要加工出尖锐的外角是十分困难的，因为扩散侵蚀至少要从被铣削表面侵蚀掉角周围工件表面的一部分，从而使锐角变成圆角。然而，由本发明的加工方式可极为容易地加工出尖锐的外角，这是利用合适的刀具结构来做到的。当在某一表面的邻近处加工时，合适的刀具结构可以使该表面上很快钝化，从而按要求加工出所需要的锐外角。从这些及别的优点看来，本发明的化学铣削加工的新颖和特独的加工过程与任何的现有技术的化学铣削加工过程相比，可明显地对整个加工动作有较大的可控性，因此无论对简单或复杂的表面或形状都可获得高得多的准确度和精度。
除了上述优点外，本发明的加工方式还特别适用于相当复杂的形状如涡轮叶片等的加工，不仅可单个地而且还可以成组成组地加工，包括可对一个涡轮叶轮上的全部叶片同时进行加工。
虽然大部分早期的涡轮叶轮是由许多单个的叶片分别紧固到叶轮上而制成的，但在较新近的开发研究已致力于减轻涡轮叶轮的重量，把叶轮设计成轮子与其上的叶片形成一体，以消除将叶片紧固联结在叶轮上所必需的那部分的额外重量金属。虽然这种方式对减轻涡轮叶轮的重量以及较大地提高其效率业已证明是十分有效的，然而，要加工出这种整体式涡轮叶轮是相当困难的。正如上面所指出的，本发明的独特的加工方式，可用相当简单的方法加工这种整体式的涡轮叶轮，不但可达到相当高的准确度，而且加工时间相当短，成本明显降低。
因此，本发明的一个目的是提供一种新的改进的化学铣削加工方法，它与现有技术的化学铣削加工过程相比，无论在简单的和复杂的表面和形状的加工中都能对加工拥有较大的可控性从而能提供更高的铣削准确度和精度。
本发明的另一目的是提供一种新的改进的化学铣削加工方法，它使用具有强烈钝化作用的液体，并且刀具有一个轻的振动或轨道式磨削动作，可以有选择地、可控制地去除钝化层，由此选择性地控制化学铣削加工动作。
本发明的又一个目的是提供一种新的改进的化学铣削加工方法，它利用在刀具和工件间产生一往复运动以泵送和加强化学铣削液流过分界面从而允许使用较高切削速率及改善最终产品的质量。
本发明的再一个目的是提供一种新的改进的化学铣削加工方法，它允许对化学铣削液有较大的选择范围从而可选择使用减小扩散腐蚀的化学铣削液。
本发明的另一个目的是提供一种能消除或减小凹蚀的新的改进的化学铣削加工方式。
本发明的再一个目的是提供一种可以加工复杂形状如涡轮叶片等的加工方法，可以单个地加工或成组地加工包括对一整体的涡轮叶轮上的全部叶片同时进行加工。
图1是本发明的一个非常简单的实施例的横剖立视图，其中仅用一简单的轨道相对运动加工一个简单的圆筒形工件。
图2是图1中所示实施例的横剖平面视图。
图3是本发明的另一个非常简单的实施例的横剖立视图。其中采用轨道相对运动往复相对运动的组合运动加工一工件平表面，图中的刀具和工件处于接触状态。
图4除了表示刀具与工件的非接触关系外，其余与图3相同。
图5是本发明的一个实施例的横剖立视图，它用向工件表面的平面倾斜的轨道运动加工一平面，图中刀具与工件处在接触状态。
图6是与图5相同的横剖立视图，只是刀具转过了半个循环，示出了与工件脱离接触的情况。
图7是一未被加工的工件的铸坯件的横剖立视图。
图8是一横剖立视图，图中表示图7所示的工件正在根据本发明的一实施例加工出几个表面。
图9a、9b及9c是涡轮叶片的等轴测视图，图中示出了修理断裂叶片过程中的三个阶段。
图10是图示应用本发明的加工方法精加工图9c所示的涡轮叶片的立体图。
图11是图10中正在精加工的刀具和工件的横剖端视图。
图12是置于涡轮叶轮上以同时加工涡轮上所有叶片的刀具的等轴测视图。
本发明的整个说明中，“相对”接触运动或轨道式“相对”运动或在工件和刀具的接触表面间的运动中的“相对”一词是指表示工件和刀具之一或工件和刀具两者处于运动状态以对工件进行加工，此时刀具轻微磨削工件表面。在工件和刀具间的分界面处的实际相对接触运动，可根据工件表面的几何形状采用轨道式的或非轨道式的。除了主要的“相对”接触运动外，至少在刀具和工件间的接触界面部分还需有一个相对往复运动，即进入接触和分离接触的振动用以泵送化学铣削液。此外，相对往复运动还是指工件和刀具中的有一个或两个处于运动状态，以形成一往复运动，此往复运动可以是相对接触运动以外、处在另一不同平面内的专门的往复运动也可以是由相对接触轨道运动产生的、在接触分界面处自然形成的往复运动。
为了当工件表面被化学铣削反应除掉后维持所要求的分界接触面，除了上述的运动或组合运动以外，无论是单个接触轨道运动或相对接触运动与往复运动的组合运动，都必须要有一个进给或推进运动。如果刀具仅加工工件的一个表面，则“推进运动”将应是直线运动，使工件和刀具慢慢地被靠近，这样虽然工件表面在被不断加工掉，刀具和工件间的每次轨道式接触都将是均匀的。如果刀具是围绕工件的内表面或外表面作圆周运动加工其圆周面的话，则“推进”运动将表现为轨道半径的慢慢的变动，以便在工件的圆周面被加工掉时，仍维持刀具和工件间的恒定的接触。
图1和图2是本发明的一个非常简单的实施例，其中除了一个除进给运动外，只采用一在工件和刀具间的轨道式接触运动。在这个实施例的应用中，图1是一圆筒形工件(10)和刀具(20)在加工操作时处在接合状态的横剖立视图，而图2是图1中所示实例的横剖俯视图。在图示的实施例中，金属工件(10)的被加工的部分是筒形的外表面，它被固定在轨道工件台(14)上，圆筒形工件(10)的轴线是垂直安放的，该轨道工作台带动工件(10)作圆周运动，还限于一水平平面之内与该圆周相关联地产生轨道式的振动。应于理解的是，该相对运动是轨道式的而并非旋转式的。和传统式的化学铣削加工相同，工件和刀具必须被接到一直流电源(未画出)，用刀具(20)作阴极(负极)而工件(10)作阳极(正极)。
刀具(20)固定在平板(16)上，被制成具有圆筒形的通孔(22)，其壁用作加工工作表面。通孔(22)的圆筒形工作表面上有一均匀地粘着在刀具上磨粒层(24)。把磨粒粘结到刀体上的技术是众所周知的因而无需在此详述。刀具(20)圆筒形表面上的磨料的颗粒大小应该相当小;即要小于70目而理想的约为320目。磨料(22)的表面密度应有合理的大小以确保刀具和工件间的短期接触能完全去除钝化层。
在加工时，如上面所述的相对轨道式接触运动必须足以使工件(10)在刀具(20)内作轨道运动(反之亦然)以使磨料颗粒(24)随着接触区域的不断改变而轻轻地磨削工件的圆筒形表面(11);也就是径向地围绕圆筒形表面(11)和(22)运动。具体说，在任何给定的时刻，该接触区域将是直线或是延伸在工作表面(22)与之相切的圆筒形表面(11)的整个高度的非常窄的带，如图1和图2中在工件(10)的左侧所示。当轨道行进时，该接触直线或接触狭带将围绕表面(11)旋转，使得当轨道旋转一整圈时将使整个圆筒形表面(11)被表面(22)接触并被相应地被磨削。
在加工时，通过进口(24)把合适的化学铣削液(30)引入到工件(10)和刀具(20)间的室内，使化学铣削液向下流过室并通过刀具(20)和轨道工作台(14)间的缝隙流出，在此由任何合适的装置(未画出)进行回收和再处理。这种化学铣削液的处理和再循环系统在现有技术中是熟知的因而毋须在此进一步说明。如图1和图2中所示，为了便利化学铣削液在工件(10)和刀具(20)之间的流动，可以在工作台(14)的上表面内提供一通道(18)。
如已指出的那样，如果没有机械磨削阻止钝化层建立的话，化学铣削液(30)可以对工件强烈地钝化，以使工件表面很快被钝化而阻止它的表面被化学铣削。当磨料颗粒磨掉一包括形成的氧化物在内的表面薄层而暴露新的未氧化的工件金属时，由于接触分界面的运动，该化学铣削反应将使该处金属被去掉。连续的相对运动将使磨粒从刚被磨削的表面移开而使该处的化学铣削加工能继续进行。该动作将在不断移动的直接接触表面之后围绕工件(10)的圆筒形表面进行。由于化学铣削液流是向下流过工件(10)和刀具(20)间的室的。因此化学铣削液流按照传统的化学铣削方式流经刀具和工件之间的间隙的。然而本发明在这方面的独特的特点是使工件和刀具产生一相对往复运动以使化学铣削液流进一步有效地“泵送”过刀具和工件间的接触间隙。因此，很明显，由于这个附加的泵送作用，就不会在工件和刀具间积集对加工有不利影响的化学铣削液流的小块死区。其结果是在化学铣削加工中可有效地采用较高的金属除去速度，这样就可使被化学铣削加工的表面产生更光滑均匀的光洁度。
在上述的实施例中，应注意到工件(10)的上平面是不被刀具(20)接触或磨削的。因此该平面(13)将很快地被化学铣削液钝化，这样无论是机械磨削或化学铣削反应都不能施加到这部分表面上。前面已说过，只有与其相交的圆筒形表面(11)才会被加工，而正是由于只有相交的圆筒表面被加工，因此可以在表面(11)和(13)间保持一相当尖锐的相交直角。实际上，可采用各种金属切削速度而不会产生任何由化学铣削反应使锐角“磨圆”或斜削的倾向。虽然这是本发明这个有用特点的相当简单例子，它却能用来作为说明应用本发明的加工方法可以得到的宏观控制的例子。具体说，如果表面(13)不被钝化，这个表面就要被化学铣削反应加工到某种程度。这是由于化学铣削液流经刀具(20)的圆筒表面(22)和工件(10)的上平面之间产生杂散蚀刻从而去除某些金属，其结果是在表面(11)和(13)间的交角被磨圆。
用于接触轨道式运动的参数应与轨道式磨削中使用的相同。在刀具体(20)和工件(10)之间的最接近点的间隙当然将等于磨料颗粒使两部分分开的距离，并应被调整到适合最佳的化学铣削加工性的最佳距离。在刀具(20)和工件(10)之间在它们分开得最远的位置时的最大间距不应大于轨道的直径;一般不大于约0.2英寸。图1和图2中所示的间距比较大，这是为了便于理解而加以夸大的。
由于按要求对工件(10)的圆筒形表面加工将渐渐地减小其半径，相对接触轨道运动的半径将不断增加以产生一保持刀具和工件间的接触的推进运动。渐渐地产生增加轨道的半径的能力可以使用合适的工业用机床轨道工作台通过相当复杂的连结方式(在此无需说明)来获得。精确地计算加工速度然后预调轨道工作台使轨道半径渐渐增加以在整个加工操作过程中维持刀具和工件间所需要的恒定接触压力，同样是在本技术领域的人所熟知的范围之内。推进速度可以作为刀具和工件间的接触力的反馈的函数来加以控制，或者，特别是在加工动作将结束时，在某些情况下可考虑允许刀具和工件间的接触力逐渐增加以使最终的加工动作主要限制在机械磨擦上，以获得一个更精确的精加工。
从上述实施例中可以看到，相对接触轨道式运动将会使刀具从工件表面磨掉钝化层或阻止钝化层的形成，这样该表面就可随后立即被化学铣削液流体如工件间产生的化学铣削反应加工掉。在这整个操作过程中，该刀具是先移向工件后退离工件，以有效地把化学铣削液流体泵送过间隙而提供新的化学铣削液流。在这个实例应用中，一个接触轨道式运动将实现这两方面的要求。任何曲面如圆筒状、半球状及类似形状通常都可由这个技术来加工，在此一个简单的接触轨道式运动将可以实现加工操作以及化学铣削液流泵送两种功能。
图3和图4示出了本发明的可用作磨削平的工件表面的有所不同的实施例。在这种平的工件表面情况下，在工件表面的平面内的简单接触轨道运动不足以产生泵送铣削液流流过分界面间隙所必需的往复运动。因此在这样的应用中，有必要提供接触轨道运动和相对往复运动。
图3和图4中所示，刀具(50)加工的是工件(40)。工件(40)有一个带有从其中心向上延伸的截锥状部分(44)的圆环形上表面(42)。而刀具50有一个带有与截锥状部分(44)相配的截锥状形凹进部分的平底表面(52)。该平底表面(52)及截锥状凹进部分内表面上都有如前所述的磨料。如前所示，工件(40)和刀具(50)是分别被联结到轨道工作台及平板上，并被置于相对接触的轨道运动中。除了相对接触轨道式运动外，在工件(40)和刀具(50)还产生一个相对往复运动，使这两部分不断地运动到一起接触一定时间从轻轻地磨掉工件表面，然后彼此分开。相应地，图3说明在该循环内工件和刀具接触的位置，而图4说明该两部分处在它们最大分离位置时的相对位置。如图3所示，当表面(52)上的磨料接触工件(40)的表面(42)时，很显然，在分界面处的相对接触轨道运动将使磨料磨擦表面(42)，去掉那里的钝化层，在放掉钝化层后及因相对往复运动使刀具从那里分开的一段时间内，化学铣削反应立即开始加工表面(42)。此后，虽然在表面(42)上将开始被钝化，所发生的任何表面氧化将由于重复循环而再次被去掉，从而使化学铣削作用能继续下去。
如前所述，对往复运动必须施加一进给运动，以便随着每一次循环往复，刀具比以前要下降一些，从而使刀具继续接触工件表面(42)，这样，表面就渐渐地被加工到较低位置。
至于截锥形延伸部分(44)，它将以与前述实施例中加工圆筒形工件(10)壁的方法基本上相同的加工方式进行加工，但它具有一些显著的特点。这就是说，如果被加工的表面仅是一平的表面(如表面(42))，往复运动不会如上所说的对它们被加工产生不利影响。然而应注意的是往复运动时在与接触轨道运动不平行的表面上的加工，如在截锥延伸部分(44)的侧面上的加工动作会有相当明显的影响。具体说，当接触轨道运动和往复运动是一对一的同步关系时，可以看到，该截锥状延伸部分(44)仅有一侧面将被加工到，因为随着每次往复运动，刀具(50)向下运动，仅在同一位置接触截锥状表面的一部分，然后当刀具转动到另一侧面时，接着就从那里退回。因此对这种安排方式，当刀具从那里作往复运动时，为了均匀地加工整个圆周表面，就必须使接触轨道运动和往复运动同步得所有表面部分至少在若干往复循环期间被接触和被磨削。获得这种结果的较好途径是在连续接触轨道中磨削曲面的各不同部分从而使能在较少的轨道循环次数内就可以磨削整个表面。如果截锥表面的钝化使化学铣削加工过程延迟，因此平面(42)的化学铣削加工速度大大加快，就有必要编制好运动程序使磨削刀具在截锥表面每次通过时产生较大的机械磨削量。
再来考虑工件(40)的截锥部分(44)，可以看到，它的上平面不会被加工，就像前面说过的圆筒形工件的顶部的情况一样。然而在本实施例中，刀具是渐渐地向下加工的，因此当加工持续足够长时间后刀具最终会接触它的上平面。
与上述图1和图2中表示的实施例相比，本实施例的接触轨道运动不会使接触表面(42)和(52)产生往复运动。这是由于接触轨道运动平面是与被加工平面至少是对于表面(42)是平行的。因此在本实施例中，为了把化学铣削液流泵送过表面(42)和(52)间的间隙以防止化学铣削液流变得过热或包含了过多的溶触在其中的工件材料，就必须施加一个分开的相对往复运动。然而，应该清楚的是，如果接触道轨运动不与被加工表面平行，而是以一角度与之倾斜(如图5所示)，则单个相对接触道轨运动就会产生一往复相对运动或位移，从而使刀具和工件将在轨道运动的较低点进入接触以产生主要的机械磨削来去除钝化层并且随后通过轨道运行离开接触关系，以有效地泵送化学铣削液流而利于铣削液的循环。
如图5和图6所示，具有一如上所述的旋转中心轴线，即以一定角度向被加工表面倾斜旋转轴线的刀具(60)，在向下、向左道轨运动的最远距离时将与工件(62)的上表面进入接触。接着，由于刀具(60)向上及朝右作轨道运动，它将离开工件(62)。因此，相对往复运动将由接触轨道运动产生。虽然刀具(60)在整个轨道运动中都不与工件(62)相接触，但这对本实施例不会产生什么差别，因为工件(62)的整个表面在轨道运行通过它的最下方位置时是被刀具(60)接触和磨削的。在这种方式的应用中，特别重要的是在刀具表面上的磨料颗粒密度要非常高以保证在刀具快速加工时能磨削整个工件表面。
如前所述，必须提供一种装置用于把化学铣削液流送入刀具(60)和工件(62)间的间隙中，由刀具(60)和工件(62)间的往复运动很容易将铣削液流泵出分界面。在本实施例中，可清楚地看到，用于磨削工件(62)表面的接触道轨运动及用于泵送化学铣削液体的往复运动都是由一个道轨运动产生的。正如针对图1和图2的实施例中所述的那样，当工件表面因被铣削而降低时，为了能继续维持接触，就必须调整好轨道运动使轨道半径持续增大，或另一种方法是，对恒定的轨道运动另加一个进给运动，当加工工件时，使刀具和工件彼此靠紧。
上述实施例加工的都是非常简单的表面，这是为了易于说明本发明技术在实践中可能遇到的不同形式加工情况。很明显，所述的那些表面用其它形式的传统加工技术是很容易地进行加工的。因此，本发明的加工方法在加工用别的技术不易加工的更为复杂的形状时才显得更为有用。例如，加工硬币图案或模具以及其他多面型的表面就是本发明加工方法特别有用的一类例子，还有当加工复杂的三维和曲面表面如涡轮叶片表面等复杂表面时用别的方法加工就相当困难，但是用本发明的方法却能容易地和非常有效地对涡轮叶轮的单件或组件甚至其总成进行加工。
图7和图8是加工多面工件的一个例子，其中图7是坯件(70)的横剖视图，而图8是加工操作接近结束时工件和刀具的接触情况。从图7可以看到，工件(70)的横剖面是不均匀的，在上表面还有一个孔(74)。在工件(70)上有两个可引入化学铣削液小而狭的通孔(76)以便在化学铣削加工时可引入化学铣削液。
图8示出了根据本发明的方法加工工件(70)的情况，其中，刀具(72)被制成能在化学铣削加工过程中轨道式地接触工件(70)的上表面。在本实施例中，轨道式旋转的中心轴线是与工件的上平面相垂直的，因此不会由于接触轨道式运动而有垂直往复运动。从图8可以看到，在刀具(72)上的一截锥状柱体部分垂直向下延伸，用来至少在被加工范围加工出具有锥形内侧表面的孔(74)。围绕柱体(78)周围的一环状空间(80)用以形成围绕孔(74)的环状颈部。围绕孔(74)的该上平面(82)以及在(84a)和(84b)处的倾斜表面(84)，由于它们未被刀具(72)接触而未被加工到，因此，它们将被化学铣削液流所钝化而不受化学铣削反应的影响。如前所述在本应用中凡是有水平表面被加工时，为了把化学铣削液流泵送过这类水平分界面必须在工件(70)和刀具(72)间施加一相对往复运动。从本实施例中可以看到，采用本发明的加工方法可加工多个不同的表面，它是利用与待加工工件表面凹凸相反配对形状的三维刀具来进行的。该刀具与工件配对形状的尺寸要略大或略小些，以对道轨运动进行补偿，因为刀具图形的轨迹将形成被加工的图形形状。
在本发明的加工方法中，在工件表面被刀具表面磨削前，工件是被钝化的，加工变量明显地减少，因此在刀具表面上产生的形状，在根据它的接触轨道运动进行校正后，基本与被加工进行入工件的形状是一样的，几乎不要什么试车过程。作为一个例子在上述实施例中，由于本加工过程所提供的宏观控制，未被刀具接触的表面(82)及(84a)和(84b)，就完全不受化学铣削反应影响。然而在传统的化学铣削加工中，这些表面由于化学铣削反应会有一些金属被去除。例如，孔(74)的圆筒形表面将完全不受本发明加工过程的影响，而在传统的化学铣削中，至少其上部，由于在孔(74)的圆筒形表面(86)上部表面间的杂散蚀刻，将有一些金属被去掉。
本发明的另外一个独特的优点可参照加工孔(90)即(92)表面来说明。从图1中可以看出，孔(90)是完全由刀具(72)上的凸缘的加工动作形成的。当凸缘(94)的的下表面向下加工孔的深度时，孔的侧面，即表面(92)仅在短时间内被凸缘(94)的侧表面合适地加工和磨削。一旦凸缘(94)行进到它刚形成的孔(90)的圆筒形侧表面上的某一给定点之下时，法兰(94)的磨削动作当然就停止，而那部分表面(92)就迅速被化学铣削液流钝化，由此阻止进一步加工。表面(92)上的钝化层将阻止上面的金属被去除，这样就防止任何过多切削而这在传统的化学铣削中是常常会发生的。
图9a、9b、9c和10是本发明的另一个实施例。它是用作加工如图所示的补修过的如涡轮叶片等金属另件的。例如，存在缺陷如洞或裂口的涡轮叶片以很容易地通过切削掉缺陷及在切削掉的区域内淀积新金属的方法修理好。这个修理工序可由图9a、9b和9c说明。图9a所示的涡轮叶片(100)上的裂口可用任何合适的方法切削掉，典型的方法是用电火花切割或磨削方法去除。经过切割后使叶片带有如图9b所示的切口。此后用“补焊”方法把新金属填入切口中。为了保证填补的金属有适合于加工叶片所必需的高度裕量，当然有必要要如图9c所示那样多填被些使它高出切口。最后，那部分新金属应被向下加工到重新形成原来的轮廓形状。根据现有技术的加工法，这个加工步骤正是产生困难之处。例如，在这个具体应用中被加工的轮廓形状既不是平的也不是圆的，因此不能使用传统的加工方法。传统的化学铣削加工也不适用，因为整个涡轮叶片表面都会有金属除去，因此就中可能恢复原来的轮廓形状。
而本发明的加工方法能理想地适合于加工这种被修补过的涡轮叶片。参见图10及图11，在图10中是一般性表示，图11中则较详细地说明了此方法的加工过程;一部分被修补过的涡轮叶片(100)作为工件，而刀具(102)作为一按照本发明的轨道式化学铣削加工刀具。
根据上面的说明，具有强烈的钝化作用的化学铣削液流将钝化涡轮叶片工件的整个表面，包括新填充的金属(104)。然而在本应用例中，该轨道运行的刀具(102)将只接触凸出的被充填金属(104)部分，因此根据上述原理，只是那部分凸出的充填金属(104)部分将受到化学铣削加工。其中原来的叶片材料，因为本来就有所要求的轮廓形状，在整个操作过程均保持钝化，因而将保持原来的形状。然而在本应用实例中，凡是刀具(102)的接触轨道运动不是轨道式运行地离开充填金属(104)的，就有必要在刀具(102)和充填金属(104)间提供一个振动式往复运动以增强刀具和工件之间的化学铣削液的循环流动。在本实施例中，该往复运动的另外的作用是磨削涡轮叶片的两个侧面(如图11所示材料(104)是在其两侧面上)。
除了修理有缺陷的、用金属充填裂口的涡轮叶片之外，上述的加工方法还可被用作改正叶片或别的由于廓形不符要求因而有缺陷的其他零部件的轮廓形状。采用如图11所述的应用实例，本发明的加工方法能被用来磨掉金属工件表面上的任何高出的缺陷部分。
然而更显重要的是本发明的加工方法能被用作同时加工涡轮叶片组件包括已被固定在一涡轮叶轮上的整个圆周的涡轮叶片(无论是机械联结在其上面或制作时形成一体的涡轮叶轮)。如前所述，加工一个形成一体的涡轮叶轮是一个相当困难的操作过程。然而，如图12所示，在一个涡轮叶轮上的全部涡轮叶片可以以所示实施例的方式同时被加工，其中刀具(110)包含一上面部分(112)及下面部分(114)，被一起固定在数片涡轮叶片(116)上。利用上述的磨削单个涡轮叶片的同一原理，数个涡轮叶片(114)可被同时磨削和加工以在一次操作中就使每个叶片都能获得精确尺寸和轮廓形状。
在操作中，化学铣削液应选择对被加工工件具有强烈钝化作用的铣削液，钝化作用的强烈程度取决于加工的性质。即要进行宏观还是微观控制。例如在图1所示的实施例中，该化学铣削液的钝化性质仅用来产生化学铣削加工动作的宏观控制，即完全阻止在所选定的几个表面上进行加工。因此，钝化的速度在该加工操作过程中不具有任何特别的重要性。
应注意的是，钝化取决于许多变量因素化学铣削液本身，该工件的金属、化学铣削液的pH值、浓度和温度以及流速。因此，对某一铣削液，它具有对所有使用都适用的钝化特性是不可能做到的。
非常概括地说，如果工件的材料是钢，则合适的化学铣削溶液将是三氯化铁。如果是铣削钛材料，应采用氢氟酸。铣削铝通常是用氢氧化钠进行的。
再概括地说，通常采取的步骤及通常为减小钝化所加的辅助成分都应避免使用，这是与通常的方法和设想是完全相反的。
同时，在许多情况下，可以取消通常要复盖不被铣削区域的工件表面的要求。形成的该钝化层要足以保护表面构造。薄薄的一层钝化层可以在完成加工后去掉，但是在许多情况下，如果需要的话，它可以保留下来。
由于可以避免采取阻止钝化发生的步骤，化学作用的整体速度在本发明中常常是比较快的。此外，由道轨式磨削操机械地去除钝化层将加速整个加工过程。
除非特别要求和设计，通常在本发明的加工工序中不会形成凹蚀的情况。
权利要求
1.一种化学铣削工件表面的方法，其步骤包括a.制作一刀具，它包括有一与加工工件的形状相配对地磨料颗粒表面的一个刀体；b.将所述工件和工具安装成相互振动关系，安装时所述磨料面对着被加工的表面；c.把一种化学铣削液引入刀具和工件之间的界面；d.钝化该工件以在其表面上形成一钝化层；e.在刀具和工件之间产生一个相对接触运动以使刀具表面上的磨料颗粒只在工件的被进行加工的区域上磨削工件，由此只选择性地把工件上被选定的钝化层部分磨削掉以暴露其下面的工件金属，从而化学铣削加工就可把该工件的金属面去掉并重新形成所述的钝化层；f.在该刀具和工件之间产生一个相对往复运动，以把化学铣削液泵送到刀具和工件之间；g.在该工件的金属面被去掉的同时，在刀具和工件之间产生一个推进运动以保持该刀具和工件的互相接触。
2.如权利要求1所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，所述的相对接触运动是一种轨道运动。
3.如权利要求2所述的一种化学铣削工件表面的方法;其特征在于该相对的轨道运动是位于与被加工表面不同的一个平面上以使该相对的道轨运动还产生所述的往复运动。
4.如权利要求2所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，该相对的道轨运动是在与所述的被加工表面相应的一平面内，因此所述的往复运动是在独立于且位于不同于所述相对轨道运动另一平面内。
5.如权利要求2所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，在刀具和工件间的该轨道的线性移动量小于约0.100英寸。
6.如权利要求1所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，该被加工的表面及刀具的磨料颗粒表面包括曲面形表面。
7.如权利要求1所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，所述的工件至少有两个被加工的表面，而所述的刀具至少有两个具有磨料颗粒的表面以使该工件至少有两个相应表面被同时加工。
8.如权利要求1所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，所述的工件是一个涡轮叶片，而所述的刀具有一可适配在该叶片周围的形状以加工其多个侧面。
9.如权利要求1所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，所述的工件是一个包含数个涡轮叶片的涡轮叶轮，而所述的刀具有一适配在所述的数个涡轮叶片周围的形状以同时加工该数个涡轮叶片的多个侧面。
10.如权利要求1所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，所述的刀具和工件之间的道轨运动速度是每分钟10-12英尺。
11.如权利要求1所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，所述的不导电的磨料颗粒的大小小于70目。
12.化学铣削工件表面的一种方法，其步骤包括a.制作一刀具，它包含一具有与工件所要求加工的形状相匹配的磨料表面的一个刀体;b.将所述工件与所述工具安装成相振动的关系，安装时使刀具的磨削表面对着该被加工的表面;c.把一种化学铣削液流引入刀具和工件之间;d.在该刀具和工件之间产生一相对接触运动，使该刀具表面上的磨料颗粒磨掉在该工件上形成的钝化层以暴露其下面的工件金属，由此可由化学铣削加工去掉该工件的金属;e.在所述的刀具和工件之间产生一个相对往复运动以把足够化学铣削液泵送到刀具和工件之间的界面从而防止它产生的过热现象。f.在该工件的金属被磨削的同时，在刀具和工件之间产生一个推进运动以使在每个磨削步骤中保持该刀具和工件的接触。
13.如要求12所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，所述相对接触运动是一个轨道运动。
14.如权利要求13所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，所述的相对道轨运动是在与被加工表面不同的一平面内，使该相对轨道运动还产生一所述的往复运动。
15.如权利要求13所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，所述的相对道轨运动是位于相应的被加工表面的一平面内，而所述的往复运动是与该道轨运动相独立的并在与所述相对的轨道运动不同的另一平面内。
16.如权利要求13所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，在刀具和工件之间的轨道式线性移动量小于约0.100英寸。
17.如权利要求12所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于所述的被加工表面及所述不导电磨料颗粒的刀具表面至少有一个曲面。
18.如权利要求12所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，所述的工件至少有两个被加工表面及所述的刀具至少有两个具有磨料颗粒的表面以使该工件的所有表面可以被同时加工。
19.如权利要求12所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，该工件是一涡轮叶睡及该刀具有一适配在该涡轮叶片周围的形状，以加工其多个侧面。
20.如权利要求12所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，所述的工件是一个包含数个涡轮叶片的叶轮，而且所述的刀具有一可适配在数个涡轮叶片周围的形状以同时加工数个涡轮叶片的多个侧面。
21.如权利要求12所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，所述的在刀具和工件间的道轨运动的速度为每分钟10～12英尺。
22.如权利要求12所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，所述的磨料颗粒的颗粒尺寸小于70目。
23.加工工件表面的一种化学铣削加工方法，其步骤包括a.制作一种刀具，它包括带有一与工件所要加工的形状相配的磨料颗粒表面的一刀体;b.将所述工件和刀具安装成相互振动的关系，安装时，使该磨料面对着被加工的表面;c.把一种化学铣削液泵送入该刀具和工件之间，该化学铣削液对该工件有钝化作用因而在其上形成一钝化层;d.在该刀具和工件间产生一个相对轨道运动，该轨道运动位于不同于被加工表面的一平面内，所述的相对轨道运动在刀具和工件之间产生一相对往复运动，把电解液泵送入刀具和工件之间以防止分界面的过热，所述的轨道运动使刀具表面上的磨料颗粒只在工件的要进行加工的那些区域去掉工件的金属，从而只选择性地把该工件选定的钝化层部分磨削掉，以暴露其下的工件的金属，由此通过电解液的电化学作用可把所述的工件的一部分金属去掉;以及e.在该工件的金属被磨削掉的同时，在刀具和工件之间产生一推进运动，以此保持刀具和工件之间的接触。
24.如权利要求23所述的一种化学铣削工件的方法，其特征在于，该相对道轨运动位于一相应于被加工面的平面内，因此所述的往复运动是独立于所述的相对轨道运动并位于不同的另一平面内。
25.如权利要求23所述的一种化学铣削工件的方法，其特征在于，在刀具和工件间的轨道线性移动量小于约0.100英寸。
26.如权利要求23所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于被加工的表面的磨料颗粒的表面至少有一个曲面。
27.如权利要求23所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，所述的工件至少有两个被加工的表面以及所述的刀具至少有两个具有磨料颗粒的表面，以使该工件的所有表面可同时被加工。
28.如权利要求23所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，该工件是一涡轮叶片，而该刀具有一适配在涡轮叶片的周围的形状以加工工件的多个侧面。
29.如权利要求23所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，所述的工件是一个含有数个叶片的叶轮，而该刀具有一适配在数个所述涡轮叶片周围的形状，以同时加工数个叶片的多个侧面。
30.如权利要求23所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，所述刀具和工件之间的轨道运动速度为每分钟10-12英尺。
31.如权利要求23所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，所述的磨料颗粒的颗粒大小小于70目。
32.一种化学铣削工作的表面的方法，其步骤包括a.制作一刀具，它包括带有与所要求的工件形状相配的磨料颗粒表面的一刀体;b.将所述工件和工具安装成相互振动的关系，安装时，使所述的磨料表面对着所述工件。;c.把化学铣削液引入刀具和工件之间;d.在刀具和工件间，且在与被加工表面不同的一平面内产生一个相对轨道运动以使相对轨道运动在刀具和工件间产生一个相对的往复运动用以把化学铣削液泵送入刀具和工件之间，该轨道运动使刀具表面上的磨料颗粒把该工件上所形成的钝化层磨掉以暴露出下面的工件的金属，由此就可用本加工方法把该工件金属加工掉;以及e.该工件金属被磨削掉的同时，在刀具和工件之间产生一个推进运动，从而使在每个磨削步骤中保持刀具和工件间的接触。
33.如权利要求32所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，所述的相对道轨运动是在一相应于被加工表面的一平面内而该往复运动是与相对道轨运动独立且处于与其不同的另一平面内。
34.如权利要求32所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，在刀具和工件之间的轨道线性移动量小于约0.100英寸。
35.如权利要求32所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，所述的被加工表面及刀具的磨料颗粒表面有曲面状的表面。
36.如权利要求32所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，该工件至少有两个被加工表面，而刀具至少有两个具有磨料颗粒的表面，以使该工件的所有表面都可被同时加工。
37.如权利要求32所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，所述的工件是一涡轮叶片，而刀具有可以适配在涡轮叶片周围的形状以能充分地加工其多个侧面。
38.如权利要求32所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，所述的工件是一个包含数个涡轮叶片的一涡轮，而刀具有一可适配在数个涡轮叶片周围的形状以可充分地加工数个涡轮叶片的多个侧面。
39.如权利要求32所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，在刀具和工件间的轨道运动速度是10-12英尺/分。
40.如权利要求32所述的一种化学铣削工件表面的方法，其特征在于，磨料颗粒的颗粒大小小于70目。
全文摘要
一种利用对工件产生钝化作用的化学铣削液来对工件进行化学铣削的方法，其特点是刀具有一磨料表面，并且随着接触相对运动刀具和工件相互接触，由此所述磨料表面可以有选择地对工件表面进行磨削以去掉要加工的表面上的钝化层，而不加工的表面区域将保持钝化层以阻止化学铣削，在刀具和工件之间还会产生一个往复运动，化学铣削液泵送过刀具和工件之间的间隙以防止铣削液的铣削速度的降低。
文档编号B23P17/00GK1087047SQ9211327
公开日1994年5月25日 申请日期1992年11月16日 优先权日1992年11月16日
发明者劳伦斯·J·罗兹 申请人:挤压磨石有限公司