一种通过锻造来制造零件的方法 |
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| 申请号 | CN201280041570.4 | 申请日 | 2012-07-11 | 公开(公告)号 | CN103764344B | 公开(公告)日 | 2017-02-15 |
| 申请人 | 斯奈克玛; | 发明人 | 贝里尔·卡桑德·安尼·马力奥克; 斯; 本杰明·特波尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种通过 锻造 来制造零件的方法，该方法包含以下步骤：测量该锻造零件（1）的几何特性；将所测得的形状与该零件将获得的理论形状进行对比，由此推演出与该理论形状不符的区域（Z）以及需要从所述不符合区域去除的材料的厚度， 抛光 该锻造零件（1）的不符合区域，以通过使用受控 研磨 带来去除材料的所希望的厚度，研磨带的控制考虑至少一个表示在抛光不符合区域的过程中该研磨带磨损程度的参数。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种通过锻造来制造零件的方法，该方法包含以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种通过锻造来制造零件的方法技术领域[0001] 本发明涉及一种通过锻造来制造零件的方法。 背景技术[0003] 涡轮喷气发动机风扇叶片通常是通过精密锻造制成的。精密锻造是在合适模具上连续冲压毛坯直到获得形状和尺寸特征与已完成零件的形状和尺寸特征接近的半成品零件。对于通过锻造获得的半成品风扇叶片，因其允许的尺寸公差很小，故其叶面不符合希望得到的几何特性。举例来说，叶面的几何特性包括扭曲，即叶面的连续截面沿着堆叠轴线转动；弯曲，即叶片相对于堆叠轴和参照点弯曲；波动；和形状缺陷。 [0004] 因此，使叶面符合要求是很必要的。总的来说，是通过去除与理论轮廓相比，具有多余厚度的叶面位置的材料来修正其吸入侧与压力侧的轮廓。通过精密锻造，这种修正涉及去除可总计为毫米的十分之几，通常在0.4mm至0.7mm之间范围内的多余厚度。 [0005] 为此目的，一些符合理论轮廓并在叶面前边缘和后边缘之间且沿叶面轴以阵列延伸分布的点被确定。半成品叶片的几何特性是通过使用三维探针在这些点测量而得到的。以申请人名义的专利文件EP1596156描述了这种探针。由此便可得知希望获得的理论形状与叶面的真实形状之间的差异。 [0006] 在现有技术中，有一种操作称作“厚度分类”，其在于确定具有最小厚度的零件的区域，并通过施加涂层来对它们加以保护。该操作主要是通过人工完成。此后，在被保护区域之间，多余的材料通过化学加工去除，其在于将零件浸泡在适于侵蚀金属的酸中保持一确定的时间。然后，该零件通过局部和反复抛光具有外表缺陷和化学加工痕迹的超出公差区域而被人工地再加工。此操作包含“首次”外表抛光。必要时，该零件可进行手工再加工，以将其形状加工到所要求的公差。 [0007] 最后，已知为“末次”外表抛光的自动抛光用于确保空气动力学轮廓是连续的，且表面状态适于确保气流的适当流动。自动抛光通常使用研磨带进行。例如，所使用的带具有由重结晶碳化硅构成的研磨材料。该带安装在被驱动以相对于该零件的表面切向旋转的轮子上。该轮相对于表面的运动通过考虑待抛光表面的形状的程序进行控制。例如在表面上研磨带的行进速度、轮子相对于零件的行进速度，以及施加到该表面上的压力和所述研磨材料的粒度这样的抛光参数均被确定，以去除材料的所要求的厚度并实现所希望的表面形状。一研磨带抛光机的描述记载在美国专利No.5193314中。 [0008] 上述的人工操作对操作人员来说是很费力的，尤其是当他们需要加工例如涡轮喷气发动机风扇叶片这样的重零件时，，且这需要被检查。 [0009] 以申请人名义的专利申请文件WO2010/149720试图用自动化操作替代那些人工操作，从而解放操作者。 [0010] 在那篇专利申请文件中所描述的方法包括： [0011] ·通过锻造来制造一半成品零件； [0012] ·测量该半成品半成品零件的几何特性； [0013] ·将所测得的半成品零件的形状与该零件将获得的一理论形状对比，并由此推演出不符合该理论形状的区域，以及需要从所述区域中去除的不符合的材料厚度；和[0014] ·抛光该半成品零件的不符合的区域，以通过使用一受控的研磨带来去除材料的所希望的厚度。 [0015] 所述带通过改变该零件相对于研磨带的前进速度来控制，而其他抛光参数保持不变。 [0016] 在将被去除的材料厚度，也被称为“去除部”，与上述相对前进速度之间建立一种关系。这个关系是通过测量和/或计算而建立的，对于不符合和需要被加工的各区域，它使得可基于所希望的去除量，确定将应用的前进速度。该前进速度越慢，被去掉的材料量越大。 [0017] 已经发现在适合的抛光后获得的零件的形状与要获得零件的理论形状之间具有相对较大的尺寸偏差。 发明内容[0018] 本发明的一具体目的是对此问题提供一种简单、有效且低成本的方案。 [0019] 为此，本发明提供一种通过锻造来制造零件的方法，该方法包含以下步骤： [0020] ·通过锻造来制造一半成品零件； [0021] ·测量该半成品零件的几何特性； [0022] ·将所测得的该半成品零件的形状与该零件将获得的理论形状进行对比，由此推演出与该理论形状不符的区域以及需要从所述不符合区域去除的材料的厚度，其中的参数是从以下参数中选择出的：抛光上述区域时研磨带行进的距离；抛光上述区域时该零件相对于研磨带的平均前进速度；抛光上述区域时研磨带的平均行进速度；以及抛光上述区域的持续时间；以及 [0023] ·抛光该半成品零件的不符合区域，以通过使用受控研磨带来去除材料的所希望的厚度； [0024] 该方法的特征在于，研磨带的控制考虑至少一个表示在抛光不符合区域的过程中该研磨带的磨损的参数。 [0025] 在控制研磨带时考虑磨损使得可在适合的抛光后，获得形状与将获得的理论形状接近的零件。 [0026] 申请人已观察到，当研磨带在抛光不符合的区域时，研磨带的逐渐磨损对在抛光过程中其去除的材料的厚度产生影响。此观察直到现在才进行。 [0027] 可考虑一个或多个表示上述磨损的参数，以控制该研磨带。 [0028] 优选地，对研磨带的控制包括控制该零件相对于研磨带的前进速度。 [0029] 在此情况下，在抛光过程中该研磨带的前进速度与该研磨带施加在该零件上的压力可以是恒定的。 [0030] 用于抛光的机器在改变前进速度时的响应时间短于改变带的行进速度时的响应时间（驱动带的轮的旋转速度的函数），或者改变由研磨带施加的压力时的响应时间。 [0031] 因此优选控制改变具有最短响应时间所仰仗的参数。 [0032] 根据本发明的另一特征，对于各类型的待抛光的半成品零件，图表和数学关系被预先确定，以确定作为在所述不符合的区域中待去除的材料厚度的函数，并作为表示在抛光不符合的区域时所述带的磨损的至少一个参数的函数的该零件相对于该研磨带的前进速度。 [0033] 这些图表和数学关系使得可通过阅读和计算，来推演作为所希望的去除量的函数的所采用的前进速度，同时还考虑带的磨损。 [0034] 优选地，这些图表和数学关系是为了确定作为在所述不符合的区域中待去除材料的厚度的函数、在抛光上述区域时该零件相对于该研磨带的平均前进速度的函数以及在抛光上述区域时该研磨带所行进的距离的函数的该零件相对于该研磨带的前进速度。 [0035] 有利地，所述图表或数学关系是通过对与待抛光零件相同类型，并已使用相同类型的研磨带而受到抛光的零件进行校准后而确定的，其中所去除材料的厚度已在不同区域测量，所述区域的加工参数是已知的，所述测量与加工参数限定一组点。 [0036] 举例来说，当两个零件用相同材料制成时，它们是相同类型的，例如当两个带的研磨用砂粒具有相似的硬度和粒度时，则它们是相同类型的。 [0037] 根据本发明的特征，该方法包括由测量点插值，以将它们与数学函数（例如多项式函数或仿射函数）结合在一起。 [0038] 这样的插值使得可使用少量的点来对于将被去除材料的各种不同厚度和对于表示所述带的磨损的各种参数的不同值来确定所述关系或确定适于用来确定该零件相对于该研磨带的前进速度的中间点。 [0039] 举例来说，已发现，多项式函数使得可通过近似值来计算作为在前前进速度、在前行进距离或实际在前平均前进速度函数的去除量。从已抛光零件上测量的一些点，插值使得可确定这些多项式函数的不同系数。一旦所述函数被确定，所述参数中的任何一个都可通过其他参数计算得出。如上面所解释的那样，输入参数是优选的：所希望的去除量；在前平均前进速度；和研磨带已经行进的距离。由输入参数计算得到的输出参数优选为用来控制研磨带的相对前进速度。 [0040] 根据本发明的另一特征，该零件还经历最终抛光，以去除跨越该零件至少一部分的材料的均匀厚度。 [0042] 通过参照附图阅读以下非限制性实施例的说明，本发明可被更好地理解，并呈现本发明的其他细节、特征和优点，在所述附图中：。 [0043] 图1是一涡轮发动机叶片的示意侧示图； [0044] 图2显示一种研磨带抛光机； [0045] 图3是一叶片的侧示图，具有栅格（应用于叶片表面的一部分）用于为要求将去除材料的区域绘制地图； [0046] 图4是一给定的相对前进速度的三维曲线图，显示作为在前距离与在前平均前进速度函数的去除量；以及 [0047] 图5是一给定在前平均前进速度和一给定在前距离的二维曲线图，显示作为该零件相对于研磨带的前进速度的函数的去除量。 具体实施方式[0048] 图1显示径向延伸的涡轮喷气发动机的半成品风扇叶片1，该叶片由钛合金制成，并通过精密锻造制成。叶片1具有球根2，柄脚2'，平台3（其中球根2、柄脚2'和平台3共同形成根部），以及被设计用来由透入该涡轮喷气发动机的空气扫过的叶面4。中间的鳍板或隔离板5从叶片4的压力侧和吸入侧表面突出，以形成用于相邻的叶片1的支承表面。 [0049] 压力侧表面与吸入侧表面在前边缘BA与后边缘BF之间延伸，它们沿这些边缘结合在一起。 [0050] 该叶片的多个部分显示在图1中。这些部分从S1到S7相互平行，且沿叶片的纵轴（堆叠轴）相互分隔开。所述部分的位置是相对于一个或多个例如叶片根部的球根2这样的基准平面而限定的。那些点限定在压力侧与吸入侧表面上，与各部分S1-S7相齐。这样即可通过对这些点的三维坐标来限定叶面4的形状。 [0051] 在所示实施例中，位于平台3与压力侧的鳍板或隔离板5之间的叶面4的部分是由七个标记为S1至S7的部分限定的。点沿所述部分中的每个，在后边缘BF与前边缘BA之间，标记在叶面4的表面上。例如，在标记为S4的部分上，具有在后边缘BF与前边缘BA之间标记为S41至S49的点。如同在现有技术中那样，该方法是通过使用三维测量机器人来测量通过锻造获得的半成品叶片1的几何特性。 [0052] 在专利EP1596156中，申请人描述了该方法的一个例子，以及使跨越一叶片表面分布的多个点的几何特性能够被同时测量的设备。三维测量在一机械零件的表面上相对于一基准预定框架的一组预定点的坐标包括： [0053] ·准备阶段，其中在一构成基准零件的第一机械零件的表面上所述预定点的坐标被同时测量； [0054] ·初始化阶段，其中沿着所述基准零件的点的法线运动进行线性测量； [0055] ·测量阶段，其中跨越对应于所述基准零件的点的该零件的用于测量的点运动而进行线性测量；和 [0056] ·计算阶段，其中用于测量的该零件的点的三维坐标是基于所述基准件的点的三维坐标、基于所述线性测量，并基于在那些点的理论法线的余弦方向进行计算。 [0057] 利用此计算，该计算在预定部分上的各测量点上进行，可识别不符合的区域，即在所考虑的点具有额外厚度的区域，同时考虑该零件的形状缺陷，如果有的话。 [0059] 对于每个不符合的区域，皆获得一对于待去除材料的量的厚度，以使这些区域符合。此材料的厚度也被称为去除量。 [0060] 在去除量被确定后，本发明的方法包括制作一个去除量的地图。为此目的，用于抛光的表面被细分为符合或不符合的区域Z11，…,Z77。对于每个不符合的区域，地图给出需要被去除的材料或“料”的量的值，以使该叶片符合。 [0061] 叶面4的表面随后在一自动机器上抛光，该自动机器去除作为已建立地图的函数的材料。 [0062] 参照图2，下文是对用于执行本发明的方法的抛光机的一个例子的描述。 [0063] 图2中显示的机器1可从供应商IBS购买。工作台6具有两个卡盘7，叶片1在该两个卡盘7之间水平固定。由叶片1形成的组件及其支撑可沿此方向X移动，或可在电动机的驱动下围绕此轴沿方向U旋转。在该工作台之上，一头部8安装在垂直支架9上，并可沿其轴Z运动。头部8还可围绕轴Z旋转，如箭头W所示。电动机被提供以沿两个方向驱动该头部。最后，头部8可沿与方向X垂直的方向Y水平运动，并可围绕此轴沿方向V旋转。这些运动都是由电动机驱动的。头部8支撑一接触轮10，该接触轮可围绕一相对于所述头部静止的轴旋转。头部8上安装的一个电动机在一研磨带的帮助下驱动轮10，该研磨带安装在所述轮10的周边。所述电动机连接到一控制板上，该控制板包括具有程序装置的控制单元11和具体包括关于用于抛光的叶片的几何特性的数据的存储器。为了抛光该叶片，所述带局部并相切地应用到其表面上，同时施加一确定量的压力，同时使该带移动，从而使其与轮10一起旋转。 [0064] 去除量的值与作为结果的表面状态取决于几个参数，具体例如： [0065] ·该研磨带的粒度； [0066] ·作为轮10围绕其轴旋转结果的所述带的行进速度； [0067] ·由轮10施加的带抵靠叶片表面的压力；与 [0068] ·带沿着叶片的相对前进速度，其在此例中为该工作台，即该叶片的相对于所述带沿轴X的前进速度。 [0069] 在下述执行中，不符合的区域通过控制叶片与抛光带之间的相对前进速度来抛光，优选同时保持接触压力和带的旋转速度（也称作带的行进速度）恒定。该机器是基于料去除量的地图控制的。对于该机器，此地图转换为叶片相对于抛光带的前进速度的地图。 [0070] 为了确保在抛光后得到的叶片形状与期望的形状相符，需要在控制研磨带时考虑至少一个表示抛光过程中研磨带磨损的参数。 [0071] 在下面的例中，对于待抛光的不符合的各区域来说，在控制该研磨带时要考虑抛光上述区域时研磨带已行进的距离（在此称为行进的距离或在前距离）以及叶片相对于研磨带的平均前进速度（在下文中称为在前平均速度）。 [0072] 这些参数间的关系是通过图表或数学关系获得的，以设法确定作为在不符合的区域中所希望的去除量、在前平均速度以及在前距离函数的叶片相对于研磨带的前进速度。 [0073] 下面描述图表的形成方式以及这些不同参数之间数学关系的获得方式。之后便会解释叶片相对于带的前进速度值是如何从上述图表或数学关系推导出来的。 [0074] 图表和数学关系是基于与待抛光叶片相同类型，并已使用相同类型的研磨带抛光的叶片来确定的，其中去除量在不同区域被测量，并且所述区域中的加工参数是已知的，所述测量与加工参数限定一组点。 [0075] 所述叶片是相同类型的，例如当它们由相同材料制成时，两个带是相同类型的，例如当它们的研磨用砂粒具有相似的硬度和粒度。 [0076] 对于这些点的每个来说，限定以下内容：叶片相对于研磨带的前进速度（下文中称为前进速度）；在前的平均速度；所完成的去除量；和在前距离。 [0077] 对于给定的前进速度（V），并且对于给定的在前距离（D），例如可考虑，作为一近似值，去除量（E）取决于在应用一第二度多项式关系时的在前平均速度（VMA）。换句话说，对于恒定的D和V，E=f1(VMA)，其中f1是一个属于a2x2+a1x+a0类型的多项式函数。已知多个点在此曲线上，一插值操作使得可计算系数a2、a1，和a（0 已知为多项式函数的系数），并由此推演出函数f1。 [0078] 同样的，对于给定的前进速度（V）和给定的在前平均速度（VMA），可近似考虑该去除量（E）取决于在应用一第二度多项式关系时的在前距离（D），其中多项式关系具有可通过插值由多个已知点确定的系数。 [0079] 另外，对于给定的在前距离（D）和对于给定的在前平均速度（VMA），可近似考虑去除量（E）取决于在应用一第二度多项式关系时的前进速度，其中多项式关系具有可通过插值由多个已知点确定的系数。 [0080] 以此方法通过进行插值，可以限定表格，对于确定的前进速度（V），给予作为在前平均速度（VMA）与在前距离（D）的函数的去除量（E）。还可获得其他曲线，使不同参数相联系的关系目前已知。 [0081] 应观察到，去除量随着在前距离D的增加而减少。所实现的去除量的量随着带磨损的增加而变小，此磨损随着在前距离D的增加而增加。同样的，去除量E随着在前平均速度VMA的增加，以及随着相对前进速度V的增加而减少。 [0082] 由于研磨带由相对前进速度控制，因此应当确定何种相对前进速度V应该被应用于不符合的待抛光区域，以获得在该区域中的希望的去除量E。 [0083] 为此目的，一个方法在于使用图4中所示的曲线12。到达该区域前所述带的行进距离，即在前距离D容易确定，在前平均速度VMA也是这情况。因此，应由曲线12读取对应于此已行进距离D和此在前平均速度VMA的去除量E1。此去除量E对应于给定的相对前进速度V1。 [0084] 相同的步骤应用在多个不同的速度（V1，V2，V3，V4）上。分别对应于速度V1，V2，V3，V4的值E1，E2，E3，E4绘制在一个图（图5）上，对应于穿过这些点的多项式函数（例如一第二度多项式函数）的曲线13通过插值获得。剩下要做的就是确定应用在对应于从区域（EZONE）希望去除量的区域的相对前进速度（VZONE）的值。举例来说，该去除量可在0.2mm至0.7mm的范围内。 [0085] 自然地，这样的读取并非由操作者从图表人工完成，而是这些计算操作都是由该机器的计算装置执行的，得到的结果被转发到驱动抛光机的控制装置11。 [0086] 在此描述的图仅用于表示所包含的现象。所述参数和函数的不同值可由该机器的计算装置直接计算，而无须准备这样的图。 [0087] 一旦对于速度V1读取了值E1，则另一更为近似的方法在于将E1与所寻求的去除量的值ER相比较。一般来说，此去除量E1不会完全对应于所寻求的去除量ER的值。作为近似值，（对于已知的在前距离D）可沿着VMA轴确定一个新的速度值，记为VR，其对应于基于三维曲线的寻求的去除量ER。此速度VR可用作用来驱动研磨带的相对前进速度。此方法较上述方法更快，但精确性较差。尽管如此，发现该方法对于制造目前使用的且形状遵守尺寸公差的叶片还是足够的。 [0088] 在此考虑带磨损的适合的抛光之后，叶片随后可使用具有更细粒度的研磨带而受到最终抛光，设法去除跨越叶片的至少一部分的材料的一均匀厚度，以平滑任何外观缺陷。在这种情况下，必须对一对应的额外厚度，例如以0.7mm量级的额外厚度来设置公差。 |
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