專利名稱：風(fēng)扇和渦輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工藝、方法和設(shè)備，特別涉及到風(fēng)扇和渦輪(用于與流體動態(tài)作用)以及導(dǎo)流葉片(用于與流體靜態(tài)作用)的加工，尤其是應(yīng)用在渦輪分子泵和氣體渦輪發(fā)動機(jī)中。
背景技術(shù)：
氣體渦輪發(fā)動機(jī)是內(nèi)燃機(jī)的廣泛采用的形式，其在很多方面優(yōu)于以兩沖程或四沖程原理運行的往復(fù)式發(fā)動機(jī)。特別是對于給定尺寸，氣體渦輪發(fā)動機(jī)能夠提供更高的功率輸出。
多數(shù)氣體渦輪機(jī)的應(yīng)用集中于提供很大的能量輸出的相關(guān)大型動力裝置中，例如航空學(xué)中使用的渦輪噴氣發(fā)動機(jī)和扇渦輪發(fā)動機(jī)。在縮小這類發(fā)動機(jī)的尺寸的過程中，當(dāng)尺寸減小的時候遇到一些工程問題。這些問題中的一部分是指在制造層面上進(jìn)一步減小尺寸的困難，而另有一些用于與氣體在相對小的空間內(nèi)流動特性相關(guān)的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種特別適用于非常小型的氣體渦輪的氣體渦輪發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)。此類發(fā)動機(jī)由這里列舉出的具體實施例例示性示出，其中本發(fā)明被用于制造渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的零件，其整體直徑為10cm，長度約為32cm，在發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速為90,000rpm時可產(chǎn)生110N(271b)的推力。
在氣體渦輪機(jī)的一般構(gòu)成中，旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)提高了進(jìn)氣的壓力，至少有一部分空氣被通入燃燒室或燃燒燃料的腔室內(nèi)，當(dāng)它們通過排氣噴嘴時，廢氣將驅(qū)動渦輪，渦輪通過發(fā)動機(jī)軸驅(qū)動壓氣機(jī)。
流過發(fā)動機(jī)的氣體很大程度上受到大量的靜態(tài)和移動表面的影響，典型地包括位于多級軸流壓氣機(jī)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)圓盤上的風(fēng)扇葉片、位于每一對相鄰圓盤之間的定子葉片以及最后的圓盤之后的定子葉片、在燃燒室和渦輪之間的靜態(tài)噴嘴導(dǎo)向葉片，以及旋轉(zhuǎn)的渦輪輪葉。
葉片和輪葉可能具有翼形橫截面，他們基本沿徑向排列(如同車輪的輻條那樣)。流過發(fā)動機(jī)的軸向氣體速度從一個軸向位置到另一個位置都是不同的。在壓氣機(jī)或發(fā)動機(jī)渦輪部分中的任意給定軸向位置，欲使在發(fā)動機(jī)整個直徑范圍內(nèi)軸向氣體速度完全不變。因此，在風(fēng)扇和渦輪旋轉(zhuǎn)的情況下，輪葉的外梢端比其內(nèi)根部移動的更快，且由于離心作用，也設(shè)計旋轉(zhuǎn)部件的輪葉用于補(bǔ)償。輪葉的截面隨著其與中心的徑向距離而變化。典型的，葉片沿其長度方向發(fā)生扭曲，且根部的偏轉(zhuǎn)角最小而梢端部的偏轉(zhuǎn)角最大。
這些葉片和輪葉通常是由合適的足夠強(qiáng)度并且耐熱的合金經(jīng)過鑄造或機(jī)加工制成。在每一個單獨的葉片制成后，其必須被固定在適合的壓氣機(jī)或渦輪輪軸上。這個工藝需要合適的連接裝置以連接相鄰部分。在更小的發(fā)動機(jī)中，這樣裝置需要更高的精度，因為任何一點小的誤差將會成比例地變大。連接裝置應(yīng)該足夠堅固但重量較輕。在一些方案中使用焊接工藝將鑄成的渦輪葉片連接到中心旋轉(zhuǎn)圓盤上。對于旋轉(zhuǎn)葉片圓盤，需要在裝配之后進(jìn)行平衡性操作。
在非常小的發(fā)動機(jī)的情況下，可能需要將圓盤與整體的葉片一起鑄造，但由于相鄰葉片接近以及扭曲的形狀，將會造成嚴(yán)重的問題。雖然這樣的鑄造操作在工藝上是可行的，但是這些型式(或者說造型)的建立卻是非常困難，并且，使用工具(jig)來達(dá)到正確且一致的葉片角度、半徑、間距以及其它的類似量，這幾乎被認(rèn)為是不可能的。
在上面給出的小型噴氣發(fā)動機(jī)的例子中，包括葉片的壓氣機(jī)和渦輪圓盤，可能直徑為8cm，從葉端到葉端，帶有數(shù)量在24個和40個之間相互緊密隔開的薄翼形葉片，其翼弦和葉片偏轉(zhuǎn)角在整個葉片的長度范圍內(nèi)變化，引起兩相鄰葉片沿軸向和徑向均基本重疊。制造這樣的帶葉片的圓盤在很長一段時間內(nèi)都是較難處理的問題。
根據(jù)申請人的專利申請PCT/GB2004/000774(公開號WO2004/076111)的公開內(nèi)容，針對如何精確加工緊密隔開的重疊的徑向排列的成型葉片或輪葉，特別是用在氣體渦輪發(fā)動機(jī)尤其是小型氣體渦輪發(fā)動機(jī)上的軸流壓氣機(jī)或渦輪中，提出了從實體毛坯上將材料去除的方法，從而使葉片或輪葉作為毛坯的剩余材料而突出，當(dāng)材料靠近前進(jìn)中的刀具時，材料的狀態(tài)發(fā)生變化，即可使實現(xiàn)去除，刀具是一種成型的線，且刀具在前進(jìn)時將發(fā)生旋轉(zhuǎn)，由此來形成所述成型輪葉或葉片的表面。
在此，申請人提出了在WO2004/076111的申請文件中所披露的發(fā)明的改進(jìn)方案。
申請人的在先申請涉及到一種刀具，用于從工件毛坯上去除材料，這種刀具是一種成型的線電極。在這種情況下，去除材料的方法是放電加工，也就是所謂的電火花腐蝕，申請人的在先申請披露了一種線刀具電極，特別是一種成型線刀具電極的應(yīng)用。
根據(jù)本發(fā)明，刀具可以是與線的形式不相同的其他形式的刀具。
本發(fā)明并不試圖對申請人的在先申請中術(shù)語“線”的范圍進(jìn)行限制或限定。本發(fā)明提出一種與在先申請中披露的方法、工藝及設(shè)備相應(yīng)的方法、工藝及設(shè)備，其中刀具是一種細(xì)長的并且足夠堅硬的部件，但并不是線的形式。這種刀具在下文中將以一種非線刀具來提及，并且說明書中的“非線”表示“不同于線”，在此，本申請中的“線”和申請人的在先申請PCT/GB2004/000774中的“線”是同一含義。
為了實現(xiàn)加工壓氣機(jī)或渦輪風(fēng)扇的葉片環(huán)的目的，申請人采用放電加工(EDM)，也稱作電火花腐蝕，使用一個可旋轉(zhuǎn)的非線刀具電極，其是實踐中材料去除方法之一。電化學(xué)加工(ECM)也是一種可選的方法。但是，有可能會出現(xiàn)其他方法，例如使用不同于放電方法的另外的強(qiáng)烈局部加熱源或是使用不同于EDM或ECM的不同的狀態(tài)變化機(jī)制，這些均為可行的選擇。
更加具體而言，本發(fā)明包括一種成型工藝，在具有跨過邊緣表面的厚度的工件的毛坯本體中成形加工出一排向所述邊緣延伸的扭曲翼形葉片，該工藝包括將成型非線電極保持在支座中；使支座定位為使得電極在跨過邊緣表面厚度上的方向；使電極向毛坯的邊緣表面前進(jìn)，使得在電極和工件毛坯之間產(chǎn)生高電壓放電，由此腐蝕在刀具電極之前的工件的一部分，并由此形成跨過毛坯邊緣的第一凹槽，使得工具前進(jìn)到凹槽中以加深第一凹槽，并在所述前進(jìn)過程中旋轉(zhuǎn)所述刀具支座以使第一凹槽呈螺旋形；以同樣的方式在工件毛坯上加工出第二和更多相似的相鄰凹槽，由此一對相鄰凹槽之間剩余的工件本體具有扭曲翼形葉片的形狀。
一旦前進(jìn)的刀具支座旋轉(zhuǎn)超過一個非常小的角度，電極將開始在下方切削(undercut)工件本體以形成下一個相鄰葉片。這可使當(dāng)沿刀具前進(jìn)的方向觀察時相鄰葉片非常緊密地相互隔開且葉片重疊。
在優(yōu)選應(yīng)用中，本發(fā)明可將具有跨過圓周邊緣表面的厚度的圓盤狀毛坯工件加工成帶有多個徑向扭曲翼形葉片的輪軸，采用沿徑向向內(nèi)使所述刀具支座前進(jìn)的方式加工每一個凹槽。當(dāng)沿輪軸徑向或沿輪軸軸向觀察時，葉片可能因此而發(fā)生重疊。
本發(fā)明也提供了一種成形加工緊密隔開的徑向排列的重疊成型葉片或輪葉的設(shè)備，包括使成型非線刀具朝向?qū)嶓w毛坯前進(jìn)的裝置，其可使在靠近前進(jìn)的刀具時材料的狀態(tài)發(fā)生變化，以從中去除材料，從而使葉片或輪葉在毛坯的剩余材料中直立；以及，在前進(jìn)時使得刀具旋轉(zhuǎn)的裝置，由此可形成所述成型葉片或輪葉的表面。
更具體而言，本發(fā)明提供了一種成形加工設(shè)備，此設(shè)備可在具有跨過邊緣表面的厚度的工件毛坯本體上加工出一排向所述邊緣延伸的扭曲的翼形葉片，包括保持在支座中的細(xì)長的非線電極；將細(xì)長的電極定位在跨過邊緣表面的厚度的方向的裝置；使得所述電極朝向毛坯邊緣的表面前進(jìn)的裝置；在所述電極和所述工件毛坯之間產(chǎn)生高電壓放電，由此腐蝕在刀具電極之前的工件的一部分，并因此而形成跨過毛坯邊緣的第一凹槽的裝置；使刀具前進(jìn)到凹槽內(nèi)以加深所述第一凹槽的裝置；以及在所述前進(jìn)過程中旋轉(zhuǎn)所述刀具支座來使第一凹槽呈螺旋形的裝置。
應(yīng)當(dāng)理解的是，在此描述的電極的移動和工件毛坯的移動，以及他們各自的支座和支承的移動都是相對移動。因此，使刀具前進(jìn)到工件中相當(dāng)于使工件前進(jìn)到刀具上，旋轉(zhuǎn)刀具相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)工件等等。將其中的哪一個相對于任意其他參照點保持靜止僅僅是考慮到方便性而確定的。
優(yōu)選地，還具有一種換位裝置，可將工件毛坯通過一系列位置換位，在這些位置上可利用電極成形加工出連續(xù)且深的螺旋狀凹槽。通常還具有一種裝置，可使電極在其前進(jìn)方向上可收回，以從成形加工完的凹槽中將該電極收回，這樣可允許工件被換位至其下一個位置，或因為其它目的而移動。
還可以提供一種在使細(xì)長電極在前進(jìn)到凹槽中的過程中可側(cè)向移動工件或電極支座的裝置，因此可小斜度地加工凹槽。這種側(cè)向的移動可以是完全直線的，或旋轉(zhuǎn)的，或組合進(jìn)行的。用這種方法，葉片可在兩個相對的傾斜凹槽之間形成，所以它稍微地逐漸變薄，在邊上其底部比頂部的更厚。這種渦輪或壓氣機(jī)葉片，相對于沿長度方向橫截面不變的葉片而言，能更有效地分布重量和體積。
還可以提供一種用于傾斜工件或電極支座的裝置，借此調(diào)整細(xì)長電極相對于工件的斜度，進(jìn)而調(diào)整了工件中形成的凹槽的斜度。
顯然，利用該工藝和設(shè)備得到的產(chǎn)品是壓氣機(jī)圓盤或者渦輪圓盤，包括帶有沿徑向向外的扭曲翼形葉片的輪軸，以在氣體渦輪發(fā)動機(jī)中高速旋轉(zhuǎn)；或渦輪導(dǎo)向葉片圓盤或其它類似的與前者具有相似的外觀但在發(fā)動機(jī)中是靜止的部分。但是應(yīng)該注意到，即使是沿徑向排列的葉片或輪葉，也可能具有一些變化。例如，圓盤可以具有一個連續(xù)的外輪緣，其中葉片沿徑向向內(nèi)朝空的中心延伸，而不具有內(nèi)輪軸和向外延伸的葉片。也可根據(jù)本發(fā)明，通過使刀具電極由開孔中心沿徑向向外朝向輪緣前進(jìn)，成形加工此類葉片。這是一種可選的用于制造壓氣機(jī)定子葉片圓盤的配置方案，其可被置于多級軸流式壓氣機(jī)的逐級轉(zhuǎn)子之間。
成型的電極(或者說異型電極)因其形狀而被命名，同時其與該電極在刀座中的方位，以及刀座的前進(jìn)和旋轉(zhuǎn)之間關(guān)系的選擇，是影響到由其運動形成的葉片輪廓的最終形狀的主要因素。但是，也會提及到電極和工件的其他運動。這些運動可能是圍繞其他軸的旋轉(zhuǎn)運動，或是在任意方向上的直線運動，或是這兩種運動的組合，或是其他更復(fù)雜的運動。這些運動的任何一種都可以通過通常已知類型的合適的程序控制單元來控制。
細(xì)長電極的最簡單的形狀可以是直線式，但其在一個道次時將不會形成翼形表面。優(yōu)選地，可將電極彎曲，一般是簡單的圓弧形就足夠了，曲線應(yīng)是平滑的。一般應(yīng)防止尖端或形狀上的突然改變，以使成型葉片的應(yīng)力集中減到最小，且可促進(jìn)葉片上方所需的氣體流動。
電極的尺寸能夠以長度、寬度和深度來描述。在細(xì)長的尺寸時，寬度和厚度都相對小于長度，其跨過工件的邊緣的厚度延伸來成形加工凹槽。當(dāng)在任何時刻加工形成凹槽時，電極的寬度對應(yīng)于凹槽的寬度，而小于電極與凹槽的每個側(cè)邊之間的鄰近間距(在此處會產(chǎn)生工件材料的腐蝕)。電極的深度是指在朝向工件的法向前進(jìn)方向上的尺寸。在理想的情況下，電極的寬度與深度具有盡可能小的尺寸，而同時確保電極足夠硬，并允許其他所期望的屬性例如導(dǎo)電性得到保持。應(yīng)當(dāng)理解的是，電極的前進(jìn)速度不能快于工件的腐蝕速度，該電極不應(yīng)與工件構(gòu)成體接觸，在二者不接觸的情況下，會使得使電極彎曲的力最小，從而在相對不牢固的電極結(jié)構(gòu)和支座的情況下能確保高精度性。
電極的前緣是通常適合的圓形。這將有助于在每個葉片的底部、其各個側(cè)邊、在每個凹槽的底部都形成圓形的根部。這將十分有效地避免應(yīng)力集中，同時提高了使用壽命。
電極的寬度限定了相鄰葉片之間的最小間距。當(dāng)期望的間距增加時，電極需第二次進(jìn)入毛坯以使凹槽加寬；當(dāng)期望的間距進(jìn)一步增加時，則需要切割出一個新的凹槽，在這種情況下要通過適當(dāng)?shù)难b置將凹槽之間不需要的工件材料去除，以使相鄰葉片之間產(chǎn)生空間。合適的裝置包括可側(cè)向移動刀具支座或是側(cè)向移動工件的裝置，以利用細(xì)長的非線電極切割出連接兩相鄰徑向凹槽底部的橫向凹槽，并將工件中不需要的材料去除。
考慮到電極的寬度，也就是說當(dāng)從到毛坯中的前進(jìn)方向觀察時，在長度方向的橫向上形成短的尺寸，彎曲物(電極)的內(nèi)徑限定了葉片的外曲線，而彎曲物(電極)的外徑限定葉片的內(nèi)曲線。因為成型的彎曲電極有一個實際厚度，如果電極在內(nèi)邊緣和外邊緣的區(qū)域中的寬度是一致的，彎曲物(電極)的內(nèi)邊緣的半徑比外邊緣的半徑更小。因此，可用相同曲率(same curved)寬度一致的電極將葉片的兩側(cè)加工成為彎曲的翼形截面，該截面具有較薄的兩個相對邊緣和較厚的中央部分，呈長且窄的新月形，其內(nèi)表面較為平坦而外表面較為彎曲。但是，優(yōu)選地，通?？墒褂貌煌霃降膹澢姌O來分別加工葉片的內(nèi)表面和外表面，以實現(xiàn)準(zhǔn)確的翼形狀和橫截面。截面的最厚的部分優(yōu)選朝向每一葉片的前緣。
從向毛坯中的前進(jìn)方向觀察時，也就是在其寬度方向觀察時，彎曲物不必局限為電極的形狀。在觀察其深度時，也就是說從側(cè)面觀察時，電極可能是彎曲的。這將使得完成的凹槽在一些部位要深于其他部位。因此，凹槽的根部會可能會被加工成彎曲的。
非線的電極可以被造型為橫截面形狀或區(qū)域或兩者將隨著其長度根據(jù)所希望的凹槽形狀來變化。沿著其長度在不同的位置上將形成不同的形狀。電極會具有不同程度的突起或缺口。電極也會帶有孔，以加工帶有未腐蝕材料的直立突起部的凹槽。
雖然細(xì)長的電極可以通常完全延伸過毛坯的邊緣，并且兩個端部支承到毛坯的兩側(cè)，但在一些情況下，其只是部分延伸過毛坯。至少由電極的一個道次所形成的凹槽僅在毛坯的一個側(cè)面上形成，即電極所穿過的那一側(cè)。這樣的電極會在凹槽中以一個凹部停止，該凹部有可能是較淺的凹陷部或較深的叉狀，或突起的尖端，或任何其他期望的形狀。
在本發(fā)明中所使用的細(xì)長的非線電極將以任意方式形成，即其合適的組成材料例如石墨、銅、鎢，或者任意的金屬或非金屬的材料，只要其能夠適合于腐蝕法以及所使用的工件。相應(yīng)的制造方法包括鑄造、鍛造、壓制以及對實體進(jìn)行機(jī)械切削加工。
當(dāng)在其支座上的細(xì)長電極前進(jìn)時，沿著限定了葉片的表面的葉片長度的方向，通過緩慢旋轉(zhuǎn)支座可以在葉片上形成扭曲。一般需要的扭轉(zhuǎn)角超過90度的情況非常少見。支座的旋轉(zhuǎn)可通過任何合適裝置來實現(xiàn)，從圖1和圖2中所示的機(jī)械導(dǎo)向裝置，到使用步進(jìn)電機(jī)或可編程扭曲控制或其他任何方法的電力設(shè)備或電子設(shè)備，均可實現(xiàn)支座的旋轉(zhuǎn)。


下面將根據(jù)附圖中例示性所描述的實施例來進(jìn)一步討論本發(fā)明的方案。在附圖中圖1是根據(jù)WO2004/076111的用于加工渦輪圓盤的電火花腐蝕設(shè)備的立體視圖；以及圖2是從不同且更近的角度來觀察的圖1中所示的根據(jù)WO2004/076111的設(shè)備的一部分的立體視圖。
圖3是使用不同的刀具電極來加工渦輪圓盤的另一種電火花腐蝕設(shè)備的立體視圖；圖4示出了圖3所示的電極支座的分解圖；圖5a、5b和5c分別示出了圖3和4所示電極的俯視圖、正視圖和橫截面圖；圖6a、6b和6c示出了可替換成型電極的類似圖；圖7a、7b和7c示出了可替換成型電極的類似圖；圖8a、8b和8c分別示出了可替換成型電極的俯視圖、正視圖和端視圖；圖9a、9b和9c分別示出了可替換成型電極的俯視圖、正視圖和橫截面圖；圖10a、10b和10c分別示出了可替換成型電極的俯視圖、正視圖和端視圖；圖11a、11b和11c示出了可替換成型電極的類似圖；圖12是示出圖9的電極的使用的局部透視圖；圖13是示出圖11的電極的使用的局部透視圖；圖14是示出圖5的電極的使用的局部透視圖；圖15是示出圖10的電極的使用的局部透視圖；圖16是示出圖8的電極的使用的局部透視圖；
圖17是示出圖7的電極的使用的局部透視圖。
具體實施例方式
首先參照圖1，圖中示出的設(shè)備包括一個箱10，其包含適合的液體淬火劑12，該淬火劑為可在其中進(jìn)行電火花腐蝕的電介質(zhì)流體，例如可選用石蠟油或水基液。箱由平臺14支撐，在其下有殼體16，可安裝必要的電子和控制儀器，這些儀器可為現(xiàn)有技術(shù)中的任何類型的儀器。
在箱10后方，如圖所示，是一個支柱18。支柱上端帶有液壓驅(qū)動器20，其在殼體16中的儀器的控制下可使驅(qū)動圓柱22上下運動。電子伺服驅(qū)動器是可接受的替換選擇。驅(qū)動圓柱的下端帶有水平支撐臂24，其含有刀座頭26，將在圖2中進(jìn)行詳細(xì)的描述。刀座頭帶有刀座或者說刀具支座28。
在箱10中，基座30浸入液體淬火劑12中，該基座帶有垂直地位于刀座28下方的工件32。圖1示出了從刀座中引出的正極導(dǎo)電電纜34，以及從基座引出的負(fù)極或是接地導(dǎo)電電纜36，兩者均通入殼體16內(nèi)的電源中。這種電源是通常電火花腐蝕所采用的電源。
圖2示出了刀座和基座的更多的細(xì)節(jié)。
刀座頭26包括旋轉(zhuǎn)刻度盤40以及旋轉(zhuǎn)刻度指針42，以指示出刀座28在旋轉(zhuǎn)刻度盤之內(nèi)繞垂直軸線相對于任意零位置的角位移。這種方式是可行的，因為刀座可繞此軸旋轉(zhuǎn)，通過施加外力，克服外部可調(diào)張力回動彈簧43(圖1)的阻力，可使其遠(yuǎn)離彈簧通常將其推向那里的止動件。旋轉(zhuǎn)的零位置可為刀座抵靠止動件的位置。
基座上部具有導(dǎo)向支撐柱44，其上加工出了豎直槽46。導(dǎo)向斜體48被安裝在斜體安裝螺栓50的頭部，其穿過槽46并通過螺母52被夾緊在其中一個選定的位置。在夾緊斜體安裝螺栓時，操作者不僅僅需要設(shè)置斜體的高度，還要設(shè)置其角度。
導(dǎo)向斜體48是由摩擦小、電絕緣的材料制成，比如聚酰胺類材料。
刀座28上設(shè)置有橫向延伸的導(dǎo)向銷54，該銷定位為使得，當(dāng)液力驅(qū)動器20朝向工件32的作用力使刀座頭26降低時，導(dǎo)向銷與導(dǎo)向斜體的頂面接觸并開始使刀座克服其回動彈簧的作用力轉(zhuǎn)動到位于旋轉(zhuǎn)刻度盤40之上的刻度盤指針42讀出的讀數(shù)的程度。如果接著驅(qū)動器20向上升起刀座頭，那么回動彈簧的作用力將保持導(dǎo)向銷與斜體表面相接觸，因此所有運動均可精確地反向進(jìn)行?？梢岳斫?，刀座的旋轉(zhuǎn)和刀座的前進(jìn)運動之間的關(guān)系完全由控制導(dǎo)向銷54運動的導(dǎo)向斜體48的表面的輪廓、高度和斜度所控制。
工件32被安裝在基座30上，繞心軸60進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，心軸位于水平的換位軸線上；其旋轉(zhuǎn)位置可由換位輪62進(jìn)行手動控制，換位銷64可選擇不同的換位位置。整個換位設(shè)備可通過換位夾66手動地鎖定。在產(chǎn)品應(yīng)用中，方便地應(yīng)用一種電動自動換位控制裝置來取代手動換位輪62、銷64以及換位夾66，該電動換位控制裝置被連接在殼體16(如圖1)中的電火花腐蝕控制儀器上。
在此示出的實施例中，工件是圓盤，其適合于加工成為一個具有圍繞中心軸的徑向葉片的渦輪圓盤。圓盤具有邊緣表面68，在其中按照如下所述的方法加工凹槽，以加工葉片，為了圖示，圖中示出了兩片葉片70。
為了加工凹槽，刀座帶有一個彎曲的線刀具電極72。其采用最普遍的安裝方式安裝于刀座上，包括兩個完全相對的可調(diào)節(jié)線座夾74，各自確定其線座臂76的位置和方向。線電極自身穿過位于每一個刀座臂下部的孔，每一個均通過螺釘78被夾緊在選定的旋轉(zhuǎn)方位以及選定的沿其曲線長度上的位置。
很明顯，線被安裝在工件圓盤之上的刀座中，以精確選定的位置和方向跨過圓盤邊緣，并具有明確的朝向工件的曲線，其被浸入淬火液中，準(zhǔn)備開始電火花加工渦輪葉片。工藝的進(jìn)行以及各設(shè)備的作用，如在此說明書中的前述一般性和具體的說明中所述那樣。
在此例中，工件是鋁合金的，直徑為76mm且邊緣厚度為4mm。線為純銅制成，直徑為1.6mm。甚至在電流為3安培電壓為80v的試驗設(shè)備中，可達(dá)到滿意的腐蝕速率2mm/min。液力傳動裝置的前進(jìn)速度以及電流的開/關(guān)切換均由殼體16中包含的通常儀器所控制。工件的材料腐蝕速度取決由線尺寸所限定的電流。
盡管圖2示出了兩個已經(jīng)加工成形的葉片70，但是在實際中更加方便的是裝配線電極以在由換位輪允許位置所確定的位置上加工每一個葉片的表面，無論是內(nèi)表面還是外表面，在偏置和調(diào)節(jié)線電極位置之前，利用可調(diào)節(jié)線電極座夾和線電極座臂即可在同樣的換位位置形成每個葉片的另一個表面。如果需要，工件圓盤32的相鄰葉片70之間的任何殘余附著部分將會最終被去除。
前述的線電極的使用能夠直接應(yīng)用到本發(fā)明的方法、工藝及設(shè)備，不同的是本發(fā)明將使用細(xì)長并非常堅硬的非線電極來代替線電極。
圖3中示出了圖1和2中示出的電火花腐蝕設(shè)備的更充分自動化的版本，并且在基本相同的操作環(huán)境中操作該設(shè)備將工件102加工成渦輪圓盤。但是，工件被安裝到旋轉(zhuǎn)換位單元110中，該旋轉(zhuǎn)換位單元包括具有楔形(燕尾形)凹槽114的座112，在該凹槽中，滑座116在預(yù)期的位置上通過螺栓118來夾緊?；休d著擺動基座(或者說傾斜基座)120，其通過第一旋轉(zhuǎn)編碼器和步進(jìn)電動機(jī)122的控制及驅(qū)動而圍繞第一水平軸線旋轉(zhuǎn)?；?20承載著旋轉(zhuǎn)的心軸124，該心軸位于第二軸線上，該第二軸線垂直于第一軸線，但彼此不在一個平面上。心軸124通過第二旋轉(zhuǎn)編碼器和步進(jìn)電動機(jī)126來轉(zhuǎn)動和控制，并裝配有工件102。
第一步進(jìn)電動機(jī)122能夠使得第二軸線以所需的精確角度來傾斜，以能夠在該平面中達(dá)到正確的葉片根部角度。第二步進(jìn)電動機(jī)126保證工件的正確的旋轉(zhuǎn)換位，從而適合于均勻間隔開的多個葉片的數(shù)量和面位置。
在圖3和圖4中都示出了電極支座130。該電極支座包括固定頭132(圖4)和可置換頭134，該可置換頭具有周向凹槽136，將通過周向凹槽自動更換刀具的機(jī)床以已知的方式來控制可置換頭。固定頭132具有定位凹部138，其能夠通過相應(yīng)的凸緣140嚙合到可置換頭134中?？芍脫Q頭攜帶兩個以一定間距分別向下伸出的柱142，并且以凸緣144終止，這些凸緣144用于接通到電極150的細(xì)長刀具部的任一端部上的眼152中，其他更多的細(xì)節(jié)將在圖5中示出。調(diào)節(jié)螺絲146將電極固定到柱上。
固定頭132與步進(jìn)電動機(jī)相結(jié)合，通過在垂直軸線上的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而轉(zhuǎn)動頭，該頭包括攜帶有電極的可置換頭134，同時使刀具垂直地前進(jìn)(或收回)，以便為葉片提供所希望的扭曲。所有的運動都由CNC來控制。收回將以初始的前進(jìn)路徑退回。
多個可置換頭134都存放在圓盤傳送帶(未示出)上，同時帶有準(zhǔn)備好的安裝到各個可置換頭上的恰當(dāng)?shù)碾姌O。這使得刀具電極能根據(jù)需求而自動更換。
在眼152之間的電極的150的工作的刀具部(圖5)，將通過眼安裝到可置換頭134上，該刀具部具有準(zhǔn)矩形(或者說矩形的變體)橫截面，并具有兩個較低的圓形的前緣。其在俯視圖中是彎曲的，但在側(cè)視圖上是筆直的。其使用方法在圖14中示出。
電極160(圖6)是另一相似電極，但在俯視圖中是筆直的。
電極170(圖7)是另一相似電極，在俯視圖中是筆直的，但在側(cè)視圖中是后彎曲(recurved)的。其使用在圖17中示出。
電極180(圖8)僅安裝在一個柱142上，并且以向下的尖端182終止，該電極具有半圓柱狀的下部輪廓。其能夠用于整理相鄰葉片之間的工件的根部，如圖16中所示。
電極190(圖9)與電極150的僅一個端部相對應(yīng)，并僅被安裝在一個柱142上。其使用方法在圖12中示出。
電極200(圖10)僅安裝在一個柱142上，并且以凹部終止，該凹部是幾乎半圓的凹部202。其用于加工葉片的前緣輪廓，如圖15中所示。
電極210(圖11)也安裝在一個柱142上，其以較深的叉形部終止，該叉形部具有圓形的內(nèi)部頂點。其用于加工葉片的后緣輪廓，如圖13中所示。
權(quán)利要求
1.一種方法，用于成形加工沿徑向緊密隔開排列的重疊的成型葉片或輪葉，特別用于氣體渦輪發(fā)動機(jī)尤其是用于小型氣體渦輪發(fā)動機(jī)中的軸流壓氣機(jī)或渦輪中，包括將材料從實體毛坯中去除，使葉片或輪葉作為毛坯中的剩余材料而直立，當(dāng)材料靠近于前進(jìn)中的刀具時，引起材料的狀態(tài)發(fā)生變化，從而實現(xiàn)材料的去除，刀具為細(xì)長的足夠堅硬的部件而不是線，且刀具在前進(jìn)時進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，由此來形成所述成型葉片或輪葉的表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，利用所述旋轉(zhuǎn)非線刀具電極進(jìn)行放電加工實現(xiàn)所述去除。
3.一種工藝，在具有跨過邊緣表面的厚度的工件毛坯的本體上成形加工出一排向所述邊緣延伸的扭曲翼形葉片，包括將成型非線電極保持在支座中；將支座定位為在使得所述電極跨過所述邊緣表面厚度的方向；使得電極向所述毛坯的邊緣表面的方向前進(jìn)；在所述電極和所述工件毛坯之間產(chǎn)生高電壓放電，由此腐蝕在所述刀具電極之前的所述工件的一部分，并且形成跨過所述毛坯邊緣的第一凹槽；使所述刀具前進(jìn)到所述凹槽內(nèi)以加深所述第一凹槽，并在所述前進(jìn)過程中旋轉(zhuǎn)所述刀具支座以使所述第一凹槽呈螺旋形；并以同樣的方式在工件毛坯上成形加工出第二和更多相似的相鄰凹槽，由此，在成對相鄰凹槽之間的留存的工件本體具有扭曲翼形葉片的形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的工藝，其中，所述相鄰葉片是緊密隔開的，且從所述刀具的前進(jìn)方向觀察時，所述葉片是重疊的。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的工藝，包括成形加工，將具有跨過圓周邊緣表面的厚度的所述圓盤狀毛坯工件成形加工成帶有多個徑向扭曲翼形葉片的輪軸，其采用沿徑向向內(nèi)推進(jìn)所述刀具支座的方式加工每一個凹槽。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5中任一項所述的工藝，其中，當(dāng)沿所述輪軸徑向以及沿所述輪軸軸向觀察時，所成形的葉片是重疊的。
7.一種設(shè)備，用于成形加工緊密隔開徑向排列的重疊成型葉片或輪葉，包括成型非線刀具和使其向?qū)嶓w毛坯前進(jìn)的裝置，所述裝置可使所述材料靠近前進(jìn)中的刀具時，所述材料的狀態(tài)發(fā)生變化，以從其中去除材料，從而使所述葉片或輪葉作為所述毛坯的剩余材料直立；以及在前進(jìn)過程中旋轉(zhuǎn)刀具的裝置，由此可形成所述成型葉片或輪葉的表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述成型非線刀具是放電加工電極。
9.一種設(shè)備，用于在具有跨過邊緣表面的厚度的工件毛坯的本體上成形加工出向所述邊緣延伸的一排扭曲的翼形葉片，包括保持到支座中的細(xì)長的成型非線電極；將所述細(xì)長電極定向在跨過邊緣表面厚度的方向的定位裝置；使得所述電極向毛坯邊緣表面的方向前進(jìn)的裝置；在所述電極和所述工件毛坯之間產(chǎn)生高電壓放電的裝置，由此腐蝕所述刀具電極之前的工件的一部分，并因此而形成跨過所述毛坯邊緣的第一凹槽；使所述刀具前進(jìn)到凹槽內(nèi)以加深所述第一凹槽的裝置；以及，在所述前進(jìn)過程中旋轉(zhuǎn)所述刀具支座來使所述第一凹槽呈螺旋形的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，還包括換位裝置，可將所述工件毛坯通過一系列位置換位，在這些位置上可利用所述電極成形加工出連續(xù)的且深的螺旋狀凹槽。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的設(shè)備，包括可使所述電極沿著其前進(jìn)路徑收回、以將其從每個成形加工完的凹槽收回的裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一項所述的設(shè)備，包括可在所述電極前進(jìn)到凹槽的過程中側(cè)向移動所述工件或所述電極支座從而可小斜度地成形加工所述凹槽的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任一項所述的設(shè)備，包括用于傾斜所述工件或者電極支座的裝置，用于調(diào)整所述凹槽的斜度。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至13中任一項所述的設(shè)備，其中，所述成型的電極彎曲成弧形。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，彎曲電極的內(nèi)半徑限定所述葉片的外曲線，而彎曲電極的外半徑限定所述葉片的內(nèi)曲線。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15中任一項所述的設(shè)備，其中，所述葉片的內(nèi)曲線比外曲線平坦，從而所述葉片的翼形截面具有較薄的兩個相對邊緣和較厚的中央部分。
17.根據(jù)權(quán)利要求9至16中任一項所述的設(shè)備，其中，所述電極的前緣在其朝著工件的法向前進(jìn)的方向上是圓形的。
18.根據(jù)權(quán)利要求9至17中任一項所述的設(shè)備，包括可側(cè)向移動所述電極支座或是側(cè)向移動所述工件的裝置，以利用所述電極切割出連接兩相鄰徑向凹槽底部的橫向凹槽，并在一個工件去除它們之間的材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求9至18中任一項所述的設(shè)備，其中，細(xì)長的非線電極具有準(zhǔn)矩形橫截面，并具有圓形的前緣。
20.根據(jù)權(quán)利要求9至19中任一項所述的設(shè)備，其中，所述細(xì)長的非線電極在沿著電極前進(jìn)方向觀察的俯視圖中是彎曲的，而在側(cè)視圖中是筆直的。
21.根據(jù)權(quán)利要求9至19中任一項所述的設(shè)備，其中，所述細(xì)長的非線電極在沿著電極前進(jìn)方向觀察的俯視圖中是筆直的，在側(cè)視圖中也是筆直的。
22.根據(jù)權(quán)利要求9至19中任一項所述的設(shè)備，其中，所述細(xì)長的非線電極在沿著電極前進(jìn)方向觀察的俯視圖中是筆直的，而在側(cè)視圖中是后彎曲的。
23.根據(jù)權(quán)利要求9至19中任一項所述的設(shè)備，其中，所述細(xì)長的非線電極具有尖端形式的突起。
24.根據(jù)權(quán)利要求9至19中任一項所述的設(shè)備，其中，所述細(xì)長的非線電極以一個凹部終止。
25.一種產(chǎn)品，包括由根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法或權(quán)利要求3至6中任一項所述的工藝加工出的葉片或輪葉，其中每一個葉片或輪葉都是在兩個相對傾斜的凹槽中形成的，所以它是逐漸變薄的，底部比頂部厚。
26.一種壓氣機(jī)圓盤或渦輪圓盤，包括輪軸，帶有沿徑向向外的扭曲翼形葉片或輪葉，以用于氣體渦輪發(fā)動機(jī)或者渦輪分子泵，可由任何前述的權(quán)利要求中的方法、工藝和設(shè)備來制造。
27.一種氣體渦輪或渦輪分子泵，包括如權(quán)利要求26中所述的圓盤。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子或渦輪圓盤或類似物(102)上的重疊的、徑向扭曲翼形葉片或輪葉，其利用彎曲的刀具電極通過放電加工而制成，該刀具電極是不同于線的細(xì)長的、足夠堅硬的部件(150)，該刀具電極在以螺旋路徑前進(jìn)的同時通過刀具支座(130)旋轉(zhuǎn)，從而利用電極的外曲線成形加工各個葉片或輪葉的內(nèi)表面，或者利用電極的內(nèi)曲線成形加工各個葉片或輪葉的外表面，并且在各個葉片的表面加工完成之后，圓盤被換位到下一個旋轉(zhuǎn)位置。
文檔編號B23H1/04GK101052490SQ200580037901
公開日2007年10月10日 申請日期2005年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月9日
發(fā)明者克里斯托弗·喬治·布萊德, 保羅·道格拉斯·布萊德 申請人:布萊德捷斯有限公司