CN1736663A - 超研磨工具 - Google Patents

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Abstract

一种用在研磨机械加工工艺中的工具，具有一个沿着一根中心纵轴线从第一端部延伸至顶端的主体。一种研磨材料被设置在所述顶端上。并且在所述顶端上形成一个中心凹槽。

Description

超研磨工具
技术领域
本发明涉及机械加工。尤其是，本发明涉及对金属合金制品进行超研磨机械加工。
背景技术
用于对涡轮机部件进行尖端和侧面超研磨机械加工(SAM)的设备分别在共同拥有的美国专利申请10/289493和10/400937中披露，它们分别于2002年11月6日和2003年3月27日提交。共同拥有的于2003年7月24日提交的美国专利申请10/627153公开了用于机械加工叶片卡槽的方法和设备。该美国专利申请’153讨论了将主轴旋转轴线设置成不垂直于横向，以便解决在主轴顶端的中心处研磨作用不足的问题。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种用在研磨机械加工工艺中的工具。一个主体沿着一根中心纵轴线从第一端部延伸至顶端。一种研磨材料被设置在顶端上。在所述顶端上形成一个中心凹槽。
在各种实施过程中，所述工具可以具有许多从中心凹槽延伸出来的附加凹槽。这些附加凹槽可以是一般朝向第一端部延伸的细长凹槽。这些细长凹槽可以均具有一个凹槽长度，并且可以沿着所述凹槽长度的大部分部分地周向设置和部分地纵向设置。可以存在有2至4个这种凹槽。所述主体可以包括一个顶端突起。所述主体可以包括一个用于装配到一台机器上的螺纹部分，一个具有一对用于承接扳手的平整部的凸缘，以及一根从所述凸缘向前延伸的轴。所述研磨材料可以包括一个涂层。所述研磨材料可以选自于下述材料：镀覆的立方氮化硼、玻璃化的立方氮化硼、金刚石、碳化硅以及氧化铝。所述工具可以与一台机器组合使用，使得该工具环绕所述纵轴线以每分钟超过10000转的速度旋转。
本发明的另外一个方面涉及一种用于制造这种工具的方法。在所述尖端上钻取出一个定位孔。对该定位孔进行扩孔。作为一个涂层涂敷研磨材料。所述涂层可以与所述凹槽相邻和可以沿着所述凹槽设置。可以机械加工出许多从所述中心凹槽延伸出来的附加凹槽。这些附加凹槽可以是细长的，并且一般朝向所述第一端部延伸。
本发明的另外一个方面涉及一种用于对工件进行尖端研磨机械加工的工艺。提供一个工具，该工具具有一个包覆有研磨材料的顶端研磨表面，并且具有一个中心顶端凹槽。相对于所述工件的一个表面对所述工具进行定向，从而使得在所述表面与研磨表面之间发生接触。通过环绕中心纵轴线旋转所述工具来在接触位置处去除材料而形成一个零件。
在各种实施过程中，所述工具可以以每分钟40000至120000转的速度进行旋转。在对所述工件进行机械加工的同时，可以相对于工件对所述纵轴线进行重新定向。所述工件可以包括一个选自于下述部件中的部件：整体式装有叶片的圆盘，和涡轮发动机壳体部件。这种机械加工可以形成所述圆盘上的叶片件的基部，或者所述部件上的外侧凹坑。所述工件可以包括或者可以基本上由镍基或者钴基超合金或者钛合金构成。
本发明的一个或者多个实施例中的细节在附图以及下面的描述中予以阐明。本发明的其它特征、目的以及优点将通过这些描述、附图以及权利要求得以明白。
附图说明
图1是一个按照本发明的原理的主轴的侧视图。
图2是图1中所示主轴的顶端区域的放大视图。
图3是图2中所示主轴顶端的前视图。
图4是图1中所示主轴正在机械加工一个整体式带有叶片的转子上的叶片间的基部的视图。
图5是图1中所示主轴正在机械加工一个涡轮发动机壳体部分的视图。
在各个附图中相似的参考数字和标记指示相似的元件。
具体实施方式
图1示出了一个安装在多轴式机床心轴22中的研磨主轴20。机床环绕一根中心纵轴线500旋转所述主轴，并且沿着一个或者多个方向(比如平移方向502)平移所述主轴，以便对一个工件24进行机械加工。示例性的旋转是沿着一个方向504(图3)以超过10000rpm的速度(比如在40000rpm至90000rpm的范围中)进行。所述主轴的横向移动会去除位于表面25下方的材料，并且在所述工件上留下一个切削表面26。机床还可以对轴线500进行重新定向。替代性地或者额外地，机床可以对工件进行重新定位或者重新定向。示例性的主轴20包括一个从后端30延伸至前端(顶端)32的金属主体。一个位于顶端上的研磨涂层34提供了切削效力。
靠近后端30，示例性的主轴包括一个螺纹部分36，用于通过螺纹配合匹配在心轴22的中心孔38上的对应螺纹部分上。在螺纹部分36的前方，一个不带螺纹的圆柱部分40紧密地装配在孔38上的对应无螺纹部分上，来精确地保持主轴/心轴/旋转轴线500的共同性。一个扳紧凸缘42位于无螺纹部分40的前方，并且具有一个抵靠在所述心轴的前表面46上的径向延伸后表面44。示例性的凸缘42具有至少一对平行相对的扳手平整部48，用于经由螺纹配合安装和取下所述主轴。替代性地，可以设置除螺纹轴和扳手凸缘之外的其它特征，用于与具有不同的主轴接口的工具一同使用，比如与自动工具转换器一同使用。
一根轴50一般从凸缘42向前延伸至顶端32。在示例性实施例中，轴50包括一个近侧部分52、一个超环面状顶端突起部分54、以及一个中间部分56。在示例性实施例中，近侧部分52相对长于突起54与中间部分56的组合长度，并且一般具有至少相对大于所述中间部分，并且在示例性实施例中大于突起54，的直径。一个肩部58(比如倾斜的)将近侧部分52与中间部分56分隔开。顶端突起54足够小以便能够形成所需的切削特征。中间部分56最好足够细并且足够长，以避免在机械加工过程中与零件的其它部分发生冲突。近侧部分52的相对厚度提供了强度。近侧部分52的长度(组合了所述中间部分与突起的长度)提供了顶端与机床心轴之间的所需分隔作用。这种分隔也许是在避免所述心轴与零件的任何部分之间发生冲突的同时实现所需切削所必需的，否则将与所述心轴发生冲突。
在示例性实施例中，顶端32(图2)包括一个由边缘62环绕起来的中心凹槽60。在纵向剖面中，突起54具有一个至中间部分56的内凹过渡部64。一个外凸部分66在其前方延伸穿过一个最外侧部位68，并且径向向内返回，来形成边缘62。从该边缘开始，表面沿着一个部分70连续地向内和向后延伸，其中部分70形成了凹槽60的一个相对宽大前部。所述凹槽的前部具有一个一般径向延伸的圆环状底部72。所述凹槽包括一个直径较小的定位孔部分74，该定位孔部分74从底部72向后延伸。这些特征将在后面参照示例性制造参数进一步讨论。凹槽60的存在消除了否则会存在于顶端中心处的低速接触区域。这样就容许横越方向502以接近90度的角度θ偏离纵向/旋转轴线500。例如，图4示出了在对一个整体式带有叶片的转子200(IBR，也被称作叶盘(blisk))进行机械加工的一个阶段中对主轴20进行示例性定位。整体形成的叶盘200具有一个盘芯(hub)202，一组周向排列的叶片204从该盘芯202径向延伸出来。所示出的主轴20正在对相邻叶片204之间的叶片内侧基部206进行研磨。可以使用相同或者不同的主轴来对叶片的表面轮廓(比如压力侧的内凹性和吸气侧的外凸性)进行机械加工。横越或者近乎垂直于所述主轴轴线容许以相对较少的遍数对基部206进行机械加工(例如与使用更尖锐的尖端主轴以较大的偏离垂直的角度加工很细的、高度凹陷的通道相比，其中所述通道必须很近地隔开以达到近乎平坦、同时该通道可能要求很多附加的平滑加工)。
另外一种用途涉及对涡轮发动机壳体部件进行机械加工。示例性的壳体部件是被制成圆柱状或者截头圆锥状外壳部分的面板。图5示出了主轴20正在在一个钛合金管道部分252上机械加工若干凹坑250中之一。示例性的部分252被整体式制成，包括内侧(内部)表面254和外侧(外部)表面256。示例性的部分252在上游(前侧)端部258与下游(后侧)端部260之间延伸。所述部分还具有一对纵向端部262。所述示例性部分还包括孔口264。在所述示例性部分中机械加工出凹坑250会留下向外延伸的周边凸肋266、中间结构增强凸肋268(比如横跨在周边凸肋266的一部分之间)、以及孔周凸肋270。根据实施方式，凸肋270可以形成用于安装导管、仪器、致动器或者其它可能穿过所述部分的部件的凸台。利用所述示例性主轴并且横越或者近乎垂直于其轴线，可以沿着外侧表面256方便地机械加工出相对平整的凹坑基部，和用于明显减轻所述部分重量的相对狭窄凸肋(特别是窄基凸肋)。
示例性主轴20的另外一个特征是存在有细长凹槽90，该细长凹槽90可以用于有助于排出研磨碎屑和/或可以有助于改善冷却剂向研磨区域流动。在示例性实施例中，凹槽90从中心凹槽60延伸穿过边缘62，并且沿着中间部分56螺旋延伸。示例性的凹槽90具有位于凹槽60之内的径向延伸根部92，该根部92通往切穿边缘62并且使得边缘62呈堞形的弯曲部分94，随后沿着中间部分56螺旋延伸。示例性的螺旋延伸可以具有不同于沿着凹槽90长度方向的切向和纵向分量，以便不会成为一条螺旋线。
在一种示例性的制造工艺中，基本的主轴主体由钢坯料机械加工而成(比如经由一个或者多个车床车削步骤或者研磨步骤)，包括在部分36上切削出螺纹、钻出定位孔以及在顶端处进行扩孔。随后可以成形细长凹槽(比如通过端部铣削)。可以有热和/或机械表面处理步骤。随后可以将研磨材料涂敷成一个涂层(比如经由镀覆)。示例性的超研磨材料可以选自于下述材料：立方氮化硼(比如镀覆的或者玻璃化的)、金刚石(尤其适用于对钛合金进行机械加工)、碳化硅以及氧化铝。示例性的超研磨材料可以根据切削深度和所需的表面光洁度(比如10微英寸或者更细密)而具有40/45至325/400的磨粒大小。可以在所述涂敷操作之前应用一个掩模并且在所述涂敷操作之后进行去除，来保护不需要进行涂敷的区域。例如，所述掩模可以使得涂敷操作局限于顶端突起部分54上。所述掩模还可以覆盖住所述凹槽中中断所述突起的部分，并且可以覆盖住所述沉孔，以保持这些区域不被涂敷，以便使得冷却剂流过这些区域的能力最大化。尤其是对于玻璃化涂层来说，可以修整所施加的涂层来提高机械加工精度。可以采用替代性次序，比如包括在成形所述细长凹槽之前涂敷研磨材料。在使用之后，涂层可以被一次或者多次清除和/或重新修整(比如经由金刚石砂轮)。为了对所述主轴进行再制造，可以涂敷附加涂层(比如任选性地在去除某些或者全部残余的已使用/磨损/弄脏的涂层之后)。例如，如果在所述凹槽或者沉孔中的涂层相对来说未被磨损，那么最好从这些区域去除某些或者全部的涂层厚度(比如绝对地或者按比例关系来说大于任何从磨损较重区域上去除的涂层厚度)。由此，在重新涂敷之后，这些区域中的涂层厚度将不会太大以致于干扰它们的工作。替代性地或者额外地，这些区域可以在重新涂敷过程中被掩盖起来。一种优选工艺会在涂敷替代性涂层之前从主轴上去除所有的研磨涂层(比如经由化学方式)。
所述主轴在心轴前方的示例性突伸长度L为57毫米，更宽泛地说，为40至80毫米。一个示例性的突起直径D为14毫米，更为宽泛地说，为8至20毫米。一个示例性的凹槽直径D1为D的20％至80％，更确切地说，为30％至70％。一个示例性的细长凹槽宽度W为1.5毫米，更为宽泛地说，为0.8至3.0毫米。一个示例性的细长凹槽深度为所述宽度的30％至70％(比如为0.8毫米，更为宽泛地说，为0.4至2.0毫米)。所述边缘可以利用一个为1.6毫米的示例性曲率半径切圆角，更为宽泛地说，为0.5至3.0毫米(比如在位置68处和其前方)。
至此已经描述了本发明的一个或者多个实施例。尽管如此，将会明白的是，可以在不脱离本发明的精神实质和保护范围的条件下进行各种修改。例如，同样的原理可以应用于各种现有或者未来的主轴构造，包括尖端SAM主轴、侧面SAM主轴、以及异形研磨主轴(比如用于研磨杉树形切槽的主轴)。当所述凹槽存在时，它们无需相同(比如一对被构造成将冷却剂导入沉孔，而另外一对被构造成从这里排出冷却剂和碎屑)。因此，在所附权利要求的保护范围之内存在有其它实施例。

Claims (24)

1.一种用在研磨机械加工工艺中的工具，包括
沿着一根中心纵轴线从第一端部延伸至顶端的主体；
位于所述顶端上的研磨材料；以及
位于所述顶端上的中心凹槽。
2.如权利要求1中所述的工具，还包括多个从所述中心凹槽延伸出来的附加凹槽。
3.如权利要求2中所述的工具，其特征在于，所述附加凹槽是细长凹槽，并且一般朝向所述第一端部延伸。
4.如权利要求3中所述的工具，其特征在于，所述细长凹槽均具有一个凹槽长度，并且沿着所述凹槽长度的大部分部分地周向设置和部分地纵向设置。
5.如权利要求3中所述的工具，其特征在于，所述多个细长凹槽均相同，并且均匀地周向间隔开。
6.如权利要求2中所述的工具，其特征在于，所述多个附加凹槽由2至4个凹槽构成。
7.如权利要求1中所述的工具，其特征在于，所述主体包括：
顶端突起。
8.如权利要求1中所述的工具，其特征在于，所述主体包括：
用于配合在一台机器上的螺纹部分；
凸缘，具有一对用于接纳扳手的平整部；以及
从所述凸缘向前延伸的轴。
9.如权利要求1中所述的工具，其特征在于，所述研磨材料包括一个涂层。
10.如权利要求1中所述的工具，其特征在于，所述研磨材料选自于下述材料：镀覆的立方氮化硼、玻璃化的立方氮化硼、金刚石、碳化硅以及氧化铝。
11.如权利要求1中所述的工具，与一台机器组合使用，使得该工具环绕所述纵轴线以每分钟超过10000转的速度旋转。
12.一种用于制造如权利要求1中所述工具的方法，包括：
在所述尖端上钻出一个定位孔；
对所述定位孔进行扩孔；以及
将研磨材料涂敷成一个涂层。
13.按照权利要求12中所述的方法，其特征在于，
对所述定位孔进行扩孔基本上形成了所述中心凹槽。
14.按照权利要求12中所述的方法，还包括机械加工出多个从所述中心凹槽延伸出来的凹槽。
15.一种用于对如权利要求1中所述工具进行再制造的方法，包括：
至少下述操作中之一：
至少部分地从所述中心凹槽或者从附加凹槽去除研磨材料；和
至少部分地掩盖住所述中心凹槽或者附加凹槽；和
将附加的研磨材料涂敷到所述顶端上。
16.如权利要求15中所述的方法，其特征在于：
基本上将所有的研磨材料以化学方式从所述工具上去除；和
通过镀覆涂敷附加的研磨材料。
17.一种用于对工件进行尖端研磨机械加工的工艺，包括下述步骤：
提供一工具，该工具具有包覆有研磨材料的顶端研磨表面，并且具有一个中心顶端凹槽；
相对于所述工件的一个待机械加工表面对所述工具进行定向，从而使得在所述待机械加工表面与所述研磨表面之间发生接触；以及
通过环绕所述中心纵轴线旋转所述工具来在所述接触位置处去除材料而形成一个零件。
18.如权利要求17中所述的工艺，其特征在于，所述旋转步骤包括使得所述工具以每分钟40000至120000转的速度进行旋转。
19.如权利要求17中所述的工艺，还包括在对所述工件进行机械加工的同时，相对于所述工件对所述纵轴线进行重新定向。
20.如权利要求17中所述的工艺，其特征在于：
所述工件包括一个选自于下述部件中的部件：整体式装有叶片的圆盘，和涡轮发动机壳体部件；并且
这种机械加工形成了所述圆盘上的叶片间的基部，或者所述部件上的外侧凹坑。
21.如权利要求17中所述的工艺，其特征在于，所述工件是一个涡轮发动机壳体部分，并且这种机械加工形成了一个限定出一凸台的凸肋。
22.如权利要求17中所述的工艺，其特征在于，所述工件基本上由钛合金构成。
23.如权利要求17中所述的工艺，其特征在于，所述工件包括一种镍基或者钴基超合金。
24.如权利要求17中所述的工艺，其特征在于，所述工件基本上由一种镍基或者钴基超合金构成。
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