支撐表面臺階的擦磨的製作方法
2023-04-28 09:41:36
專利名稱：支撐表面臺階的擦磨的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及機械零件的製造和修理，更具體點說，涉及這些零件的表面精整。
機械是由各個單獨製造和組裝的零件裝配起來的。機械通常包括金屬零件，但合成材料和複合材料的零件也可使用。並且，每一種材料的零件各有其專門的製造方法。
例如，金屬零件可由形式為片、板、棒、杆的金屬坯料製成。金屬零件也可由鑄件或鍛件形成，這種零件可用各種方式機加工成最終形狀。
機加工需要有選擇地去除材料使零件具有最終形狀、具有製造公差適當小的通常以密耳計的尺寸、還有一個通常為光滑或拋光而無缺陷的合適的表面光潔度。
機械零件製造過程中的每一工步都要增添工時和費用，因此這些工步應儘可能地減少以便生產出價格上有競爭力的產品。而且在製造過程中，最好每一後續工步都能避免損壞零件以前精整過的部分，否則還要添加校正的精整工步。
燃氣渦輪機是複雜機械的一個例子，它有許多零件需要精密的製造公差和良好的表面光潔度。典型的燃氣輪機包括一臺多級壓縮機用來使空氣增壓，增壓的空氣與燃料在燃燒器內混合併點燃，產生出灼熱的燃氣流向下遊通過一個或多個可從其中抽取能量的渦輪級。這些高壓渦輪便給壓縮機提供動力，而低壓渦輪則提供輸出的動力，如在航空器發動機的用途中用來驅動設置在壓縮機上遊的風扇。
渦輪機包括各種固定構件和各種旋轉構件，它們通常用高強度的金屬和複合材料製成。這些零件在製造時要經過好幾個工步，因此比較費錢。
在製造壓縮機和渦輪的轉子盤時特別應該注意的是保持其光滑的表面光潔度和沿著其邊緣的大半徑的轉角以資在操作時儘可能地減少應力。轉子盤支承著環繞其周邊的各個轉子葉片，在運轉時受到巨大的離心力。離心力在轉子盤內產生應力，這些應力能集中在盤內的銳邊上或小的角部內，因此必須適當地予以消除。
在一種型式的轉子盤中，沿著盤的周邊制有多條軸向貫通的燕尾槽以便用來保持多個具有相應軸向燕尾的轉子葉片。燕尾包括一對或多對燕尾舌，形式如同樅樹，配合在相應盤柱之間形成的互補的燕尾槽內。
燕尾槽通常用拉削法製成，其時逐漸增大的節削刀具切削著轉子盤的周邊部分，以資在順序進行的操作中制出所需的燕尾槽。每個燕尾槽輪流被拉削一直到環繞盤周的整套燕尾槽被制出為止。
該盤在拉削之前已在製造過程中經過好幾個工步以致大多數外表面已被精確地機加工。在盤的周邊部分內進行燕尾槽的拉削通常會造成在槽的進口側具有銳角或銳邊，而在槽的出口側具有毛刺。尖銳的進口邊和帶毛刺的出口邊需要進一步加工形成適當大的半徑，以資在轉子盤運動時能相應地減少應力集中。
轉子盤的去毛刺和倒圓角由於轉子盤的複雜性和在其內製出的燕尾槽的複雜性通常需要好幾道增添的過程。例如，各個轉子盤在拉削後可放置在一個研磨微粒床內轉動，如同所謂Sutton Blend(商標)法，這個方法可用來初步去除槽的毛刺並沿著槽邊制出合適的角部半徑。但Sutton Blend法是有方向性的，並且只是在蜿蜒的燕尾槽的某些邊緣上能有效地制出具有一定半徑的圓角。
因此，轉子盤還要經過增添的過程如同進行鉗工或進一步擦削槽邊，這種過程通常用手工或用機器人在接近基部處進行。一種傳統上都知道的鉗工的形式如Harperizing(商標)法是用其內含有研磨劑的布輪來操作的。
在這過程之後為了得到合適的半徑還可使用傳統的含有研磨劑的液流來衝刷鉗工加工的區域。
這些工步都需相應的過程時間，相應地也都是費錢的。並且用手工進行鉗工常會有不小心損壞轉子盤使它產生缺陷的危險，這時要用刮研來補救要化相當大的費用。
另外，轉子盤還包括其他經過機加工的細部，其上的銳邊和毛刺也需要處理。例如，在燕尾槽的徑向內側有環形排列的多個軸向孔延伸通過盤的腹板用來在裝配時接納固定螺栓。這些螺栓孔都是合適地鑽出的，與拉削一樣，具有尖銳的進口邊和尖銳的出口邊帶毛刺。這些邊緣也都要用上面說過的過程合適地制出倒圓半徑，因此會增加轉子盤製造的工時和費用。
對於要處理的邊緣，上述去毛刺和倒圓角的過程應有選擇地使用，力求使轉子盤的其餘的通常已經具有良好表面光潔度的表面不變化或儘量少變化。任何對已有光潔度的損壞都需要增添另外的過程及相應的工時和費用。
因此，需要提供一種改進的方法以便有選擇地對工件進行表面處理，同時這種處理對鄰接的表面光潔度沒有或只有極少的不利影響。
工件包括一個與孔鄰接的表面。該孔用一塞子填充造成一個臺階與該表面鄰接。在作為載體的流體內有一股柔順的彈丸流以小的投射角被噴向塞子並且對準臺階以便有選擇地進行擦削。
本發明的較優的和示範的實施例連同其另外一些目的和優點在下面結合附圖詳細說明。
圖1為按照本發明的示範實施例的用來擦削轉子盤的設備的略圖。
圖2為圖1所示圓盤的一部分的放大而部分剖開的等角投影圖，該圓盤的燕尾槽和螺栓孔已用塞子予以填充以便按照示範實施例沿著這些槽孔的邊緣進行表面擦削。
圖3為圖2中沿著3-3線切開即通過轉子盤周邊一部分的縱剖面圖。
圖4為圖3中的一個燕尾槽在進行擦削時的放大的縱剖面圖。
圖1所示為一工件10，在本例中該工件為燃氣輪機的渦輪的轉子盤，但與此相應的壓縮機的轉子盤也可這樣加工。轉子盤由適宜在燃氣輪機內工作的金屬材料製成，它需能在高速和高溫下運轉。同時承受其內產生的載荷如離心力載荷。
在這示範的實施例中，轉子盤10包括多個在其周邊上制出的、沿圓周互相間隔開排列的、軸向燕尾槽12，用來以傳統方式接納轉子葉片(未示出)上的相應的軸向燕尾。燕尾槽是由具有互補的燕尾舌或凸起部的相應的盤柱形成的，燕尾槽具有如同樅樹的外形、蜿蜒的邊緣和承受壓力的面，這些都正好與葉片上的燕尾配合。
轉子盤還包括設在燕尾槽的徑向之內、環狀排列的多個軸向貫通孔14，供在裝配時接納安裝螺栓(未示出)之用。盤上還包括一個中心孔16用來減少其重量。
如圖2所示，轉子盤10可用任何傳統方式製造成所需形狀，包括其中的燕尾槽12和螺栓孔14。該盤還包括在其軸向兩側的具有光滑光潔度的外側面，這個光潔度可用任何一種合適的方式制出。
在一有代表性的製造程序中，各個燕尾槽12可用傳統的拉削法在轉子盤的周邊上沿軸向制出。在拉削時有一系列直徑逐漸增大的切割刀具被拉動穿過盤的周邊以資逐步去掉其中的金屬一直到造成的燕尾槽和孔眼被穿透制出為止。燕尾槽12與盤的軸向外側表面18在相應的具有蜿蜒輪廓的邊或角20上交會。
如圖2和3所示，燕尾槽的拉刀進入側在槽12本身和鄰接的側表面18之間具有較尖銳的角20。燕尾槽的拉刀穿出側也有類似的銳角，並且通常還包括從槽角的各部分向外突起的毛刺22。
本發明提供一種改進的用磨擦來去除槽角上的毛刺並增大槽角的圓角半徑的方法，該方法還能保護盤的鄰接表面光潔度。
如圖2所示，先用塞子或填充物24填充燕尾槽12以便在鄰接外露表面18的角20旁形成一個凹槽或臺階26。塞子24可合適地熔化到燕尾槽內，並且由合適的合成材料如聚氨酯橡膠製成。聚氨酯是一種人造橡膠材料，在本發明中具有特殊用途可用來保護燕尾槽的內側或隱藏的部分，並且在表面處理後很容易除去。
圖1概略地示出按照本發明的一個較優實施例的實施轉子盤表面處理新方法的設備。該設備被這樣設計，使能用小的投射角A將載運流體30如壓縮空氣中的柔順或柔軟的彈丸流28噴射到塞子24上並瞄準角20以便有選擇地擦削。柔順的彈丸和小的表面投射角使彈丸在側向上沿表面18和塞子24擦削以便從槽角20上有選擇地去除目標材料包括任何存在的毛刺22。
如圖3所示，在載運的流體30內，彈丸28以小的投射角指向盤表面18和在其中凹陷的塞子24。彈丸是柔順的和有彈性的，並且當它們衝擊在盤和塞子的表面上時最初是壓縮的，在衝擊位置區域只有極少的反彈或沒有反彈。
小的投射角和挾帶載運的流體可確保彈丸在側向上或一般與塞子平行地擦削以資有選擇地衝撞在角部20並去除其上的材料。
如圖3概略地示出，彈丸流28可儘可能地擴寬以便使表面處理的面積儘可能地擴大，這樣便可平行地指向一個或多個燕尾槽和鄰接的表面18。因此彈丸同時擦削塞子24和鄰接表面18，但其擦削作用能有選擇地去除角部20的目標材料而將盤表面本身保護起來。在本發明的支撐表面擦削(Sustained Surface Scrubbint簡稱S3)法中，彈丸雖然同時擦削塞子和鄰接表面，但可有選擇地去除槽角20的材料使它與被保護的鄰接表面顯然不同。
這個有選擇地去除材料是由於彈丸28擦削時一般地平行於要被保護的外露盤表面18，也一般地平行於要被保護的塞子24，但彈丸在沿著塞子噴射時彈丸會交切到突出的角部20和任何在其上的毛刺22上，因此它們會被擦削掉。
由於塞子24較好地被凹陷到外露的盤表面18之下藉以形成臺階，槽角20的外露部便從塞子向外突出。柔順彈丸在沿著塞子表面擦削時極少能從其上去除材料，而在基本上以垂直於槽角20的方向直接衝撞在槽角20上時就會對槽角顯著地擦削。在衝撞槽角時彈丸是由載運流體載運的，行動遍及整個角，並且不斷進行擦削，一直到彈丸的行動能一般地平行於鄰接表面18為止。
因此，支撐表面擦削法在平行於一個表面投射時只有極小的擦削效果。但對一個突出的目標如在凹陷塞子24上的外露槽角投射時可以得到顯著的效果。
採用這種方法，柔順的彈丸28可用小投射角投射在轉子盤的表面上使它不被擦削，而將擦削主要集中在處在彈丸流衝擊範圍內的外露槽角20上。此時在槽角20上如有任何毛刺亦將立即被去除，因為它們突出在彈丸流中，而剩下來的槽角20本身還會被擦削一直到倒成圓角。
如圖4可較詳細地看到，由於用彈丸28擦削槽角20可制出一個具有精確半徑的圓弧，其一端終止在塞子24的表面上。因此塞子在盤表面18之下的凹陷深度可預先確定以資制出一個下垂到塞子水平面上的精確的圓角。由於塞子本身在操作時不會被明顯地擦削，因此，依靠塞子本身的放置便可精確地控制擦削所形成的圓角。
由於彈丸流可用較好的小投射角投射在轉子盤的表面上，雖然盤表面18和槽角同時受到擦削，但可有選擇地主要去除槽角20上的材料而不明顯地改變鄰接表面本身的光潔度。採用這種方法，在擦削過程中盤表面不會受到損傷，因此進一步的表面處理可不再需要。
如圖4較詳細地示出，在包括至少有一部分槽邊或角20的相應的衝擊範圍內，彈丸流28衝擊在盤表面和塞子上。當柔順的彈丸撞在衝擊位置上時被壓縮，但由於其動能使它們沿著遇到的平面平行地行進，同時載運流體的覆蓋層隨著一起流動。這樣，在沿著盤表面和塞子的一段有限的距離內，支撐表面擦削的作用就被彈丸流維持著，彈丸極少有或沒有從其中反彈。
在圖4所示的優先實施例中，彈丸為一輕質的有彈性的材料如海綿、橡膠、毛毯、塑料、泡沫塑料或其他彈性材料。彈丸可具有開啟的或閉合的微孔。彈丸最好具有埋在其內的磨粒，但在有些實施倒也可省去磨粒。合適的磨粒例如可包括各種礦物質、金屬氧化物、塑料和黑胡桃殼。
一種合適的柔順的彈丸在商業上可從美國Maine州Eliot的Sponge-Jet公司得到供售，商品名為Sponge Media。這種海綿介質包括一種聚氨酯的具有開啟微孔的載體，在其中包含著各種磨粒用來完成各種不同的磨擦功能。在海綿介質中有一種是不帶磨料的。
噴射柔順彈丸的設備在商業上也可從Sponge-Jet公司得到供售，但須修改並以不同的方式操作供本發明的支撐表面擦削應用。在傳統的操作中，海綿介質被垂直地或接近垂直地噴射到工件表面上，目的是要去除其覆蓋層同時形成在其下的表面的輪廓。因此海綿介質的衝撞不僅會除去在表面頂上的覆蓋層，而且會除去該表面本身在下面的材料。這樣就會改變其表面光潔度。
如上所述，轉子盤10作為一個示範的工件，通常在擦削之前就有一個精整過的表面，這個表面在槽角去毛刺或倒圓角時最好被保護起來。在要被去除的毛刺22或要被倒圓的角部20和精整過的轉子盤的表面18之間作出合適的區分主要靠用小角度投射柔順的彈丸使它們受到載運流體的約束這樣來支持其平行擦削的作用。
如圖1所示為一可從Sponge-Jet公司得到供售的傳統的噴射設備，這種設備須加修改方能供本發明完成其支撐表面擦削之用。該設備包括一個存儲柔順彈丸28的料鬥34。該料鬥與一發放管道36在流動上連通，通過該管彈丸可被發放。
有一空氣壓縮機或泵38可操作地被連接到發放管道36上以便用來提供空氣作為載運流體使它在合適的壓力下挾帶彈丸流動通過合適的噴嘴40噴射出去。
噴嘴40可這樣設計使噴射出去的彈丸流分散成為一個展開的彈丸流來覆蓋轉子表面上的一個有限面積。在側向上展開從噴嘴噴射出來的彈丸流可以增加覆蓋面積並減少整個轉子盤的總處理時間。約為30-40psi(磅/平方英寸)的低壓力的空氣適宜用來均勻地分散噴射到轉子盤上的彈丸。
噴嘴40可被適當地安裝以便得到所需的相對於盤表面的小投射角。並且，或是使轉子盤移動，或是使噴嘴移動，總之要使彈丸流環繞轉子盤的周邊走動，以便輪流對各個燕尾槽的進入角和離開角進行擦削。
如圖2所示，噴嘴40合適地安排在沿著各個燕尾槽邊緣的方向以便進行擦削。如圖3所示，彈丸流28指向槽角20並且首先越過與它鄰接的形成臺階的塞子24行進。由於彈丸的擦削作用是有方向性並且需要直接衝撞突出的表面如角部才能發揮，因此對於彈丸特定的投射方向只有轉子盤槽的下遊側能被擦削，如圖4所示。
下遊側或右邊的槽角20被從上遊指向該處的柔順彈丸的作用擦削，而在左邊的或上遊的槽角20本身則沒有明顯地被擦削，因為它是位在彈丸流的陰影或尾流中。但任何毛刺22如圖中用虛線示出的，只要從盤表面向外突起，都會被柔順彈丸擦掉。
為了對轉子盤槽的整個邊緣進行完全的擦削，彈丸流的方向必須調整到圖4所示的較優方向來衝擊槽角20。彈丸流的行進方向最好與槽角20上要被擦削的部分基本上成直角。如圖2所示，噴嘴40可被合適地定向和瞄準，以便用任何合適的方式如輪流來走遍各個燕尾槽的整個進入邊和離開邊。
在一個對平板的支撐表面擦削進行試驗的實施例中，一個約為30°的投射角A能夠沿著表面進行擦削接觸而不會有至少為數釐米的可觀的反彈。在投射角增大到約45°時，也還可以觀察到支撐表面擦削。
投射角A可隨著圖1所示發放設備32的操作空氣壓力和所用柔順彈丸的型式而變化，其範圍例如可大到大約60°。投射角A的限度在於大到一定程度時，在衝擊地區彈丸會回彈到離開平面，從而相應地喪失其在側向上的或被支撐的擦削。過大的投射角應該避免採用，它會使柔順彈丸內的磨料嵌入目標表面內。
由於柔順彈丸的衝撞而引起的回彈也是不希望有的，因為在衝擊地區內彈丸對目標材料和對鄰接表面將有數量相似的去除材料功能。並且，磨料對表面垂直地衝擊也是不希望有的，因為磨料容易嵌入到工件表面內。
與此相反，支撐表面擦削時，彈丸28一般沿著塞子和轉子盤的表面平行地流過，極少或沒有從這兩者的表面上去除材料，同時卻在側向上衝擊突出的角部20和其上的毛刺22。目標突出部會立即被彈丸擦削，不會顯著地影響盤表面，特別是能夠維持其原來的光滑光潔度。
如圖2所示，轉子盤還包括其他孔眼，如同沿軸向貫通鑽出的螺栓孔14。該孔的進入側通常是尖銳的，而該孔的離開側通常沿著孔角(也用標號20指出)形成毛刺22。採用與處理燕尾槽12類似的方式，螺栓孔14也用相應的塞子24填充，最好這個塞子與燕尾槽內的塞子用同一熔化操作制出。孔塞也比盤的外露表面18和孔角20降低以便形成相應的臺階26。
噴嘴40可用適宜的小投射角重新對準環繞周邊的每一個螺栓孔，並且起初對準塞頂24，沿著其表面擦削一直到衝撞到孔角20。這樣，彈丸就在角上擦過進行擦削並除去其上存在的毛刺22。孔角被倒圓到精確的半徑致使弧線正好與塞子表面接觸。採用與擦削燕尾槽相似的方式可以擦削螺栓孔的角部並提供下延到塞子的圓角的精確半徑，而塞子可保護螺栓孔內不被擦削。
因此上述轉子盤10在拉削燕尾槽、或鑽制螺栓孔、或在其內製出其他任何需要機加工的細部之前，可先製造到接近最終的形狀和相應的接近最終的表面光潔度。然後用各種形狀的塞子24適當地熔化並填充在轉子盤的各個燕尾槽、螺栓孔、或其他孔眼內以使在相應的邊緣或角部上提供所需的臺階。
柔順彈丸28於是可從相應角部的上遊用小的投射角投射來實施支撐表面擦削，其時塞子和轉子盤的表面的方向平行於擦削的彈丸因此受到保護，彈丸主要擦削的只是在其行進路線上的突出的角部。噴嘴可隨需要重新對準來走遍燕尾槽、螺栓孔和其他孔眼的全部邊緣或角部，包括其進入側和離開側，以資去除毛刺並提供精確而受控制的圓角半徑。
彈丸流的大小可以選擇以便提供一個適當大的衝擊範圍來覆蓋一個或多個孔眼和鄰接表面以資減少處理時間。通過對每一衝擊範圍內擦削作用的控制和限制，材料可主要只從預期的臺階上的角部去除，如果有的話也只有極少材料是從工件鄰接的外露表面上去除。這樣，可使彈丸流走遍工件的整個預期表面，有選擇地單獨去除在孔邊或孔角上的材料，而將周圍的鄰接外露表面保護起來。
在完成整個工件的擦削後，便可除去塞子，將它用嵌入的方法重新使用在下一個工件上。較好的聚氨酯的塞子本身對在其表面上擦過的彈丸有較強的耐磨力，可重複使用好幾次，一直到有些損傷被積聚起來，再使用下去會影響臺階的深度和相應的圓角半徑，就不能再使用了。
工件的去毛刺和倒圓角的支撐表面擦削可在一次處理操作中完成，不需隨後的處理操作，這在以前的操作實務中是需要的。因此處理時間可顯著縮短，工件去毛刺和倒圓角的費用可相應減少。並且，擦削過程的簡單和精確而受塞子控制的圓角半徑可顯著減少或消除發生誤操作的可能性，從而又可減少工作產生缺陷而需刮研的可能性。
雖然本發明已就較優而可示範的實施例進行了說明，但顯然本行業和行家可從這些說明中得到啟示，從而對本發明作出各種修改。因此所有這些修改應被認為屬於所附權利要求所限定的創意和範圍之內。
權利要求
1．一種在工件10內孔眼12、14角20上處理鄰接表面18的方法包括用塞子24填充所說孔眼以便在所說角上提供一個臺階26；及用小的投射角對所說塞了噴射一股在運載流體30內的柔順彈丸流28，並指向所說角，以對它擦削。
2．按權利要求1的方法，其特徵在於還包括所說彈丸28在側向上沿著所說塞子擦削從而可選擇地去除所說角20上的材料。
3．按權利要求1的方法還包括對所說塞子24和表面18噴射所說彈丸流；及所說彈丸28在側向上沿著所說塞子和表面擦削，從而可選擇地去除所說角20上的材料。
4．按權利要求3的方法，其特徵為，所說彈丸28平行於所說表面18擦削以保護它，並且衝撞所說角20以便與所說鄰接表面區別有選擇地對它擦削。
5．按權利要求4的方法，其特徵為所說塞子24被凹陷到所說表面18之下，以限定一個突出的角20；及所說彈丸28沿著所說塞子24擦磨並對著所說角擦削。
6．按權利要求5的方法，其特徵為，所說工件為一轉子盤10，所說方法還包括拉削所說盤的周邊，在其內形成一條尾槽，以限定鄰接側表面18的孔眼12；及所說彈丸28對著所說角20擦磨以便對其擦削。
7．按權利要求6的方法，其特徵為，所說拉削沿所說角20形成毛刺22，而所說擦磨可從其上去除所說毛刺。
8．按權利要求6的方法，其特徵為，所說角被擦磨形成一倒圓，向下延伸到所說塞子24上。
9．按權利要求5的方法，其特徵為，所說工件為一轉子盤10，所說方法還包括沿軸向鑽通所說盤10，形成所述孔眼14；及所說彈丸28對所說孔角20擦磨以對其擦削。
10．按權利要求9的方法，其特徵為，所說鑽削沿所說角20形成毛刺22，而所說擦磨可從其上去除所說毛刺。
11．按權利要求9的方法，其特徵為，所說角被擦磨形成一個具有一倒圓角向下延伸到所說塞子上。
12．按權利要求6的方法，其特徵在於，還包括，在擦削所說盤表面18和所說角20時，與所說角鄰接的所說表面的光潔度並不改變。
13．按權利要求6的方法，其特徵為，所說彈丸28為具有張開微孔的海綿。
14．按權利要求13的方法，其特徵為，所說彈丸28還有磨粒28a嵌在其內。
15．按權利要求14的方法，其特徵為，所說海綿彈丸28由聚氨酯構成。
16．按權利要求6的方法，其特徵在於，還包括在擦磨所說角20後去除所說塞子24。
17．一種在孔眼12、14和轉子盤10的鄰接表面18之間將角20倒圓的方法，包括用塞子24填充所說孔眼，以便在所說角20上形成一臺階26；及用小的投射角對所說塞子24噴射一股在運載流體30中的柔順彈丸流，並使它指向所說角20，以倒成圓角。
18．按權利要求17的方法，其特徵在於，還包括對所說塞子24和所說表面18兩者噴射所說彈丸流；及所說彈丸28在側向上沿著所說塞子和表面擦磨，從而有選擇地去除所說角20上的材料。
19．按權利要求18的方法，其特徵在於，還包括沿所說盤的周邊拉削，在其內製出一條燕尾槽，該槽限定鄰接所說盤的側表面18的孔眼；及使所說彈丸28擦磨所說角20，將它倒圓。
20．按權利要求18的方法，其特徵在於，還包括沿軸向鑽透所說盤10，形成多個所說孔眼；及使所說彈丸擦磨所說角20將它倒圓。
全文摘要
工件(10)包括與孔(12、14)鄰接的表面(18)。用塞子(24)填充孔眼,形成臺階與表面鄰接。用小的入射角(A)對塞子噴射一股在運載流體(30)中的柔順彈丸流(28),並使它指向臺階,以有選擇地進行擦削。
文檔編號B24C3/22GK1285259SQ0012602
公開日2001年2月28日 申請日期2000年8月24日 優先權日1999年8月24日
發明者J·S·肖 申請人:通用電氣公司