專利名稱：用來生產(chǎn)透平葉片根部的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到用于生產(chǎn)透平葉片根部的方法和設(shè)備裝置，更特別地，涉及到將導(dǎo)線電學(xué)放電加工和加工區(qū)域連續(xù)噴砂硬化(Peening)相結(jié)合以生產(chǎn)透平葉片根部的方法。
眾所周知，高精度透平葉片和相應(yīng)的透平葉片根部的創(chuàng)造是一種高精度的操作。在透平葉片裝入到透平轉(zhuǎn)子這一點上對于兩個部件公差配合是特別嚴(yán)格。透平葉片和根部的設(shè)計有著廣泛的式樣，但是對于所有的種類，其主要的問題是當(dāng)透平運轉(zhuǎn)期間葉片的根部要經(jīng)受住異常大的應(yīng)力。因此，在創(chuàng)造時，透平葉片根部必須精度切削以適合于配裝時嚴(yán)格的要求，而維持其經(jīng)久耐用。
通常，透平葉片根部是由多次操作，包括拉削在內(nèi)的流水線式的切削工藝成形的。這樣的工藝要求延長每一操作的調(diào)定時間，對于拉削這個單獨工藝，調(diào)定時間是十五小時。除此，用于每一操作的所要求的工具非常昂貴。而且對于要創(chuàng)造的每一種類型的葉片根部要求專用的特殊刀具，用于每一葉片根部設(shè)計單獨的刀具的時間從訂貨到交貨時間要求16到30周的時間。
本發(fā)明的基本目標(biāo)是提供一用于生產(chǎn)透平葉片根部的方法，能達到或超過嚴(yán)格的公差和耐用性的要求而降低用于生產(chǎn)的總的時間和成本。
按該目標(biāo)的想法，本發(fā)明是用于生產(chǎn)葉片根部的方法，其特征是用若干電學(xué)放電的步驟把透平葉片根部的毛坯加工成為所希望的葉片根部形狀;對被加工的葉片根部噴砂硬化其加工區(qū)域以降低重鑄表面(Surfacerecast)積剩余的拉伸應(yīng)力。
本發(fā)明將用參看附圖，從下面的說明中容易地顯示出來，其中

圖1是導(dǎo)線電學(xué)放電加工裝置的草圖;
圖2是高倍放大圖，演示出利用圖1的導(dǎo)線電學(xué)放電加工裝置在所加工的葉片根部表面的重鑄層圖3是噴砂硬化葉片根部的發(fā)射噴砂裝置的透視圖;
圖4圖示了發(fā)射噴砂硬化以前和以后經(jīng)受電學(xué)放電加工的鄰近葉片根部表面的剩余應(yīng)力;以及圖5是本發(fā)明的方塊圖。
電學(xué)放電加工(EDM)和噴砂硬化兩者都是已知的工藝。與建立流水切削工藝線的成本相比較EDM是不貴的，而且現(xiàn)時有的有效可用的EDM裝置是由微處理機控制的，允許有盡量少監(jiān)視的有效的操作。然而，在高應(yīng)力的應(yīng)用上利用電學(xué)放電加工材料總是有問題的，問題在于剩余應(yīng)力會發(fā)展而且重鑄表面會在材料的加工區(qū)域的鄰近表面或在其上形成。在高應(yīng)力透平應(yīng)用中這些都導(dǎo)致破裂的擴散，這可使葉片根部在那里不能支撐住透平葉片，而接著的是損壞透平的和周圍的設(shè)備。在使用蒸汽透平發(fā)電的核反應(yīng)堆的特別情況下，這樣的失效會非常化錢而且可能會是災(zāi)難。
本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，這些問題可通過噴砂硬化被加工表面得到改正。噴砂硬化並不嚴(yán)重地改變加工區(qū)域的尺寸，不像其他的諸如研磨或化學(xué)腐蝕那樣可能引起的變化。噴砂硬化將減少重鑄區(qū)域，並消除大多數(shù)的剩余拉伸應(yīng)力區(qū)域，能把剩余的壓縮應(yīng)力理想地留在該區(qū)域上。
把用于完成葉片根部的理想形狀的有關(guān)數(shù)據(jù)輸入到EDM裝置10，經(jīng)過輸入/輸出裝置11進入到控制單元12，如圖1所示。適用的EDM裝置是R導(dǎo)線系列的EDM，它能從日本的Fanne有限公司獲得。控制單元12把輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成用于移動臺13的指令，在該臺毛坯葉片根部14定位到相對于穩(wěn)定導(dǎo)電切削導(dǎo)線15以形成理想的形狀。在切削操作期間指令儲存在存儲器16以便使用，相應(yīng)于一些到不同的所希望的葉片根部形狀的指令可以儲存在存儲器16中，可由操作員對不同的指令進行存取以便必要時使用，因此，當(dāng)改變要創(chuàng)斕囊鍍可杓剖奔負(fù)蹩上鴝奔洹 導(dǎo)電切削導(dǎo)線15在張力作用下支撐在上下導(dǎo)線導(dǎo)向輪17和18之間。導(dǎo)線15在上下導(dǎo)向輪17和18之間連續(xù)移動。電源19在導(dǎo)線15里產(chǎn)生電流15。該電流給出在導(dǎo)線15和毛坯葉片根部14之間的切削火花或放電。傳感器20連續(xù)地傳感出導(dǎo)線15和葉片根部14之間的間隙電壓。由控制單元12監(jiān)視間隙電壓，在間隙電壓中傳感出的變化量指示出導(dǎo)線15和葉片根部14需要進行相對相互的移動以繼續(xù)切削工藝，控制單元12可使馬達必要時在X-Y方向驅(qū)動臺13從而導(dǎo)線15可連續(xù)地切削毛坯葉片根部14以形成所希望的形狀。
在電學(xué)放電加工消除先前的所要求的多次操作以獲得的精密切削的產(chǎn)品的同時，可能的復(fù)發(fā)性仍然存在。切削作業(yè)必須加以控制以減小成形葉片根部表面層中重鑄層22的發(fā)展，如圖2中高倍(接近1000×)放大所演示的那樣。對于透平葉片根部用不銹鋼制備根部的情況，約2.92mm/min(即0.115英寸/每分鐘)的切削速度和切削電流為40V時9安培的電流將會減少重鑄層22。由于電學(xué)放電加工過程所產(chǎn)生的熱，重鑄層22會在被加工的葉片根部14的表面上發(fā)展。而控制切削速度和切削電流將使重鑄層降低，一般小于0.127mm(0.0005″)並通常在0.05mm(0.0002″)之下，如上所說，還存在可能的復(fù)雜性，例如，有可能存在裂紋的擴散，這是由于特別是當(dāng)其他初始的問題，剩余拉伸應(yīng)力也出現(xiàn)時，脆裂或應(yīng)力腐蝕所致。在EDM后，在表面附近可發(fā)現(xiàn)剩余拉伸應(yīng)力。試驗表明由EDM所加工的葉片根部的表面上，剩余拉伸應(yīng)力接近于+70，000磅/每平方英寸(+70Ksi)在0.254mm(0.001″)的表面內(nèi)所具有的應(yīng)力水平是在+20Ksi以下，通過表面的輪廓表明在應(yīng)力上有一陡的梯度。高拉伸應(yīng)力在其本身是一個問題，因為它可導(dǎo)致在使用期間的破裂產(chǎn)生。
如上所說，發(fā)明者發(fā)現(xiàn)葉片根部的電學(xué)放電加工表面的噴砂硬化將使由壓應(yīng)力實際替代剩余的拉伸應(yīng)力，而消除脆性表面重鑄層或降低到其一顯著水平之下。這些實際上消除了由于EDM的操作而引起可能的裂紋擴散，而維持住所要求的在葉片根部的配合公差。
廣泛的多種的噴砂硬化裝置是可用的，而一個適用的機器可以從EmpireAbrasiveEauipmentCorporationofLanghorne，Pennsylvania得到。對于本發(fā)明，可以得到其最佳參數(shù)包括使用110鋼球以及噴砂硬化密度是4A到6A，一個標(biāo)準(zhǔn)的噴砂硬化強度，如圖3所演示的，TEE-葉片根部23的加工區(qū)域是由噴砂硬化裝置25所發(fā)射出的彈丸24進行噴砂的。
因為所有加工角落處都是曲線，被利用在噴砂硬化中的彈丸應(yīng)有一個起碼的直徑，在噴砂硬化所有加工區(qū)域是沒有困難的。
圖4中的曲線26，圖示表示出噴砂硬化前加工葉片根部表面內(nèi)的不同深度時的剩余應(yīng)力(全部是拉伸應(yīng)力)。與之對照，曲線27表示噴砂硬化后，加工葉片根部表面附近的剩余應(yīng)力。該圖的依據(jù)是從403系列的不銹鋼所制備的葉片根部樣品所得到的試驗數(shù)據(jù)，這種鋼材通常是被用于葉片根部的。非常清楚，這里拉伸應(yīng)力(正應(yīng)力)已占優(yōu)勢，而后壓應(yīng)力(負(fù)應(yīng)力)已替代了它們。同時，在表面上的重鑄表面也減少或由噴砂硬化而消除。這樣，由于剩余拉伸應(yīng)力而引起的裂紋擴散的可能性和重鑄表面幾乎可以消除。
另一方面，可用玻璃珠代替鋼球噴砂硬化加工表面，雖然一般情況玻璃珠比鋼球的有效性差些，但當(dāng)要求有更高的公差配合時玻璃珠是特別有用的。
通過圖5中的流程圖，給出了用于生產(chǎn)葉片根部的方法的一般觀察。在步驟28里，相應(yīng)于所希望的葉片根部形狀的數(shù)據(jù)輸入到EDM裝置中。在步驟29中，由EDM裝置所加工的毛坯葉片根部是與所希望的形狀相一致的，在步驟30中，葉片根部的加工區(qū)域被噴砂硬化以降低其重鑄層和剩余拉伸應(yīng)力。
利用這樣的工藝有許多有利點。全部工藝可在一單一制造單位進行。這樣用于工藝所需要的空間可以很小。僅需要一個操作員監(jiān)視全部工藝。而且，工藝可以是靈活制造是有可能的。整個工藝可用相應(yīng)于從全部控制裝置中一個單一的磁帶的指令由機器人控制。
用在圖中的參考數(shù)碼的說明圖表符號參考數(shù)碼圖輸入/輸出111控制單元121存儲器161電源191傳感器201馬達211相應(yīng)于葉片根部形狀進入到EDM裝置的輸入數(shù)據(jù)285相應(yīng)于輸入數(shù)據(jù)的加工葉片根部295噴砂硬化以降低剩余拉伸應(yīng)力和重鑄表面30權(quán)利要求
1.用于生產(chǎn)透平葉片根部(23)的方法，其特征在于下述步驟通過電學(xué)放電把透平葉片根部毛坯加工成所希望的葉片根部形狀以及用噴砂硬化加工葉片根部(23)的被加工部分以降低表面重鑄(22)和剩余拉伸應(yīng)力。
2.如權(quán)利要求1所說的，用于生產(chǎn)透平葉片根部(23)的方法，其特征在于110鋼球(24)被用在上述噴砂硬化步驟中。
3.如權(quán)利要求2所述的用于生產(chǎn)透平葉片根部的方法，其特征在于上述噴砂硬化的密度是從4Almen到6Aemen。
4.如權(quán)利要求1所述的用于生產(chǎn)透平葉片根部(23)的方法，其特征在于，玻璃珠可用于對加工部分進行上述噴砂硬化。
5.如權(quán)利要求1所述的用于生產(chǎn)透平葉片根部(23)的方法，其特征在于上述加工步驟還包括把一所希望的葉片根部形狀輸入到電學(xué)放電加工裝置(10)中，其中上述加工是由電學(xué)放電加工裝置(10)來實現(xiàn)的。
6.如權(quán)利要求1所述的用于生產(chǎn)透平葉片根部(23)的方法，其特征在于上述加工步驟還包括把相應(yīng)于多個所希望的葉片根部形狀的數(shù)據(jù)輸入到電學(xué)放電裝置(10)，儲存輸入數(shù)據(jù)以及從多個輸入葉片根部形狀中選擇要用的葉片根部形狀以進行葉片根部毛坯的加工。
全文摘要
生產(chǎn)透平葉片根部(23)的方法，是利用電學(xué)放電加工裝置加工葉片根部的嚴(yán)格要求的部分，再用噴砂硬化被加工的區(qū)域，葉片根部的電學(xué)放電加工在葉片根部的表面留下了重鑄層，并發(fā)現(xiàn)葉片根部的表面上有高的剩余拉伸應(yīng)力，這導(dǎo)致裂痕的擴散，噴砂硬化被加工表面在接近表面處留下了壓應(yīng)力以及降低重鑄表面層。所形成的葉片根部如同用通常流水線式切削工藝所加工的葉片根部達到同樣耐用性和公差配合，而成本只是原來的百分之幾。
文檔編號B23P15/02GK1037104SQ89101609
公開日1989年11月15日 申請日期1989年3月20日 優(yōu)先權(quán)日1988年3月21日
發(fā)明者吉米·阿瑟·科克斯, 伊安·萊斯里·威廉姆·威爾遜 申請人:西屋電氣公司