用于形成非圓形孔的電極和電化學加工工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于電化學加工工藝的電極。該電極包括限定至少一個通道的導電元件和部分地覆蓋導電元件的側(cè)表面的絕緣涂層。絕緣涂層不覆蓋導電元件的第一和第二暴露部段中的至少一個，其中第一和第二暴露部段分離大約180度并且大致沿著導電元件的縱軸線延伸。絕緣涂層也不覆蓋導電元件的暴露前端。本發(fā)明也提供一種使用電極在工件中形成非圓形孔的電化學加工方法。
【專利說明】用于形成非圓形孔的電極和電化學加工工藝
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請是Bin Wei等人的、名稱為“使用選擇涂層電極形成非圓形孔的方法和工具(Method and tool for forming non-circular holes using a selectively coatedelectrode)、序列號為12/118，791的美國專利申請的部分繼續(xù)申請,所述專利申請通過引用完整地被合并于本文中。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明大體而言涉及電化學加工。更特別地，本發(fā)明涉及用于形成非圓形孔的電極和電化學加工工藝。
【背景技術】
[0004]燃氣渦輪發(fā)動機的效率與從發(fā)動機的燃燒器輸送并且在渦輪機葉片上流動的渦輪機氣體的溫度直接成正比。例如，對于具有較大葉片的燃氣渦輪發(fā)動機，接近1500攝氏度(2，700華氏度)的渦輪機氣體溫度是典型的。為了耐受這樣的高溫，這些大葉片由高級材料制造并且典型地包括現(xiàn)狀類型的冷卻特征。
[0005]渦輪機葉片典型地使用冷卻劑來進行冷卻，冷卻劑諸如壓縮器排出空氣。葉片典型地包括空氣所穿過的冷卻孔。冷卻孔通常具有超過300:1的深徑比，或深度與直徑的比率，具有小至幾毫米的直徑。
[0006]被稱為成形管電化學加工(STEM)的電化學加工的專門適用用于在導電材料中鉆出小的深孔。STEM是可以產(chǎn)生具有超過300:1的深徑比的孔的非接觸電化學鉆孔工藝。它是能夠制造用于冷卻高效燃氣渦輪機的葉片的小的深孔的唯一已知方法。
[0007]在STEM工藝中，導電工件相對于可移動歧管位于固定位置。歧管支撐多個鉆孔管，每個鉆孔管用于在工件中形成孔。鉆孔管在電化學加工工藝中用作陰極，而工件用作陽極。當用來自鉆孔管的電解質(zhì)溶液淹沒工件時，材料從在鉆孔管的前緣附近的工件退鍍以形成孔。
[0008]通過引用完整地被合并于本文中的Bin Wei等人的、名稱為“使用選擇涂層電極形成非圓形孑匕白勺方法和工具(Method and tool for forming non-circular holes using aselectively coated electrode)”、作為 US2009/0277803 公開的序列號為 12/118，791 的共同轉(zhuǎn)讓美國專利申請公開了一種從大致圓形孔形成非圓形孔的方法。然而，該工藝需要兩個獨立步驟。首先，用傳統(tǒng)STEM陰極鉆出大致圓形孔，并且然后將另一個陰極插入圓形孔中以形成非圓形孔。
[0009]所以，期望具有一種形成非圓形孔的單步驟STEM工藝。還期望具有可以用于執(zhí)行形成非圓形孔的完整STEM工藝的單陰極。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的一方面在于一種用于電化學加工工藝的電極。該電極包括限定至少一個通道的導電元件和部分地覆蓋所述導電元件的側(cè)表面的絕緣涂層。絕緣涂層不覆蓋導電元件的第一和第二暴露部段中的至少一個。第一和第二暴露部段分離大約180度并且大致沿著導電元件的縱軸線延伸。絕緣涂層也不覆蓋導電元件的暴露前端。
[0011]本發(fā)明的另一方面在于一種使用電極在工件中形成非圓形孔的電化學加工方法。電極包括部分地覆蓋導電元件的側(cè)表面的絕緣涂層，其中絕緣涂層不覆蓋導電元件的第一和第二暴露部段中的至少一個。第一和第二暴露部段分離大約180度并且大致沿著導電元件的縱軸線延伸。絕緣涂層也不覆蓋導電元件的暴露前端。該電化學加工方法包括將脈沖電壓施加到電極和工件從而:使用導電元件的暴露前端從工件電化學地去除材料以在工件中形成初始大致圓形孔；以及使用導電元件的第一和第二暴露部段中的至少一個從初始大致圓形孔電化學地去除預定量的材料以形成非圓形孔。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]當參考附圖閱讀以下詳細描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點變得更好理解，在附圖中相似的附圖標記始終表示相似的部分，其中:
[0013]圖1示意性地顯示用于在單步驟的電化學加工工藝中形成非圓形孔的管狀電極，其中電極具有暴露前端，并且其中第一和第二鉆孔部段以絕緣間隙h與暴露前端分離；
[0014]圖2是圖1的電極的橫截面圖并且顯示由電極的前端加工的初始大致圓形孔以及由電極的側(cè)壁中的第一和第二鉆孔部段加工的最后的橢圓形孔；
[0015]圖3示意性地顯示用于在單步驟的電化學加工工藝中形成非圓形孔的另一管狀電極，其中電極具有暴露前端，并且其中第一和第二暴露部段鄰近暴露前端；
[0016]圖4示意性地顯示用于在單步驟的電化學加工工藝中形成非圓形孔的另一管狀電極，其中電極具有暴露前端，暴露前端與電極的導電元件的剩余部分同延，并且其中第一和第二暴露部段以絕緣間隙h與暴露前端分離；
[0017]圖5示意性地顯示用于在單步驟的電化學加工工藝中形成非圓形孔的另一管狀電極，其中電極具有暴露前端，暴露前端比電極的導電元件的剩余部分窄，并且其中第一和第二暴露部段以絕緣間隙與暴露前端分離h ;以及
[0018]圖6是方塊圖，示出使用圖1、3、4或5中所示的管狀電極的電化學加工組件的方面。
【具體實施方式】
[0019]術語“第一”、“第二”等在本文中不表示任何順序、數(shù)量或重要性，而是用于使一個元件與另一個區(qū)分。術語“一”在本文中不表示數(shù)量的限制，而是表示存在至少一個引用項。與數(shù)量結(jié)合使用的修飾語“大約”包括所述值，并且具有由上下文指示的含義(例如包括與特定數(shù)量的量度關聯(lián)的誤差程度)。另外，術語“組合”包括摻合物、混合物、合金、反應產(chǎn)物
坐寸ο
[0020]而且，在本說明書中，后綴“(S) ”通常旨在包括它所修飾的項的單數(shù)和復數(shù)，由此包括一個或多個該項(例如，“通道”可以包括一個或多個通道，除非另外指出)。在說明書各處提到“一個實施例”、“另一實施例”、“實施例”等表示結(jié)合實施例所述的特定要素(例如特征、結(jié)構和/或特性)包括在本文中所述的至少一個實施例中，并且可以存在或不存在于其它實施例中。類似地，提到“特定配置”表示結(jié)合該配置描述的特定要素(例如特征、結(jié)構和/或特性)包括在本文中所述的至少一個配置中，并且可以存在或不存在于其它配置中。另外，應當理解所述的創(chuàng)新特征可以在各實施例和配置中以任何合適的方式組合。
[0021]參考圖1-5描述用于電化學加工工藝的管狀電極10。如圖1和2中所示，電極10包括限定至少一個通道14的導電元件12。通道14配置成接收電解質(zhì)并且將其輸送到加工區(qū)。導電元件12典型地包括耐腐蝕材料?！澳透g”表示材料耐電解作用。適合于形成導電元件12的耐腐蝕材料的非限定性例子包括鈦和鈦合金。用于STEM加工操作的電解質(zhì)典型地是酸溶液。作為例子，可以使用酸電解質(zhì)，例如1^03或仏504溶液(8-25重量百分比)。
[0022]取決于特定布置，導電元件12可以具有圓形或非圓形橫截面。盡管典型地使用圓形管，但是管尖端可以略微“碾壓”成非圓形橫截面。例如，電極的橫截面可以在形狀上為橢圓形、卵形、跑道形或拉長卵形。這樣的非圓形橫截面的益處包括對于各種部件(工件22)幾何形狀增強冷卻。
[0023]如圖1和2中所示，例如，電極10還包括部分地覆蓋導電元件的側(cè)表面的絕緣涂層16。如圖1和2中所示，例如，絕緣涂層16不覆蓋導電元件的第一和第二暴露部段18、19中的至少一個。如圖2中所示，例如，第一和第二暴露部段18、19分離大約180度并且大致沿著導電元件的縱軸線延伸。如圖3-5中所示，例如，絕緣涂層16也不覆蓋導電元件12的暴露前端20。絕緣涂層16的非限定性例子包括介電材料，優(yōu)選地，所述介電材料應當平滑、具有均勻厚度、緊緊地附著到主體的表面并且沒有針孔或異物。示例性的合適介電材料包括聚乙烯、聚四氟乙烯、陶瓷、清漆和各種類型的橡膠。
[0024]對于特定配置，絕緣涂層16不覆蓋導電元件的第一和第二暴露部段18、19。即，對于該配置，有兩個暴露鉆孔部段18、19可用于鉆孔操作。
[0025]對于其它配置， 絕緣涂層16不覆蓋導電元件的第一和第二暴露部段18、19中的一個，使得僅僅未覆蓋暴露部段18、19中的相應的一個可用于鉆孔操作。當需要時，該后一種配置可以用于形成扁圓(不對稱、非圓形)孔。
[0026]如圖3-5中所示，電極10可以具有多個不同配置。例如，對于圖4中所示的配置，導電元件12的暴露前端20與導電元件12的剩余部分同延。即，對于圖4中所示的配置，導電元件12的暴露前端20和導電元件的剩余部分具有相同的直徑。對于該同延配置，暴露前端20將基本上不從側(cè)表面延伸，而是僅僅在前端暴露。因此在實踐中，該共延配置將基本上完全涂覆在陰極的側(cè)上。對于圖5中所示的配置，導電元件12的暴露前端20具有比導電元件12的剩余部分小的直徑。有益地，圖5中所示的配置將減小由該方法鉆出的孔的短軸的尺寸并且因此增加孔的長軸與短軸的尺寸比。備選地，對于圖3中所示的配置，導電元件12的暴露前端20為錐形。例如，暴露前端20為10-30°的范圍內(nèi)的錐形。通過使導電元件12的暴露前端20形成錐形，孔的短軸的尺寸減小并且長軸與短軸的比率可以增加。
[0027]—般而言，僅僅導電兀件12的較小部分在前端20暴露。對于特定配置,導電兀件12的暴露前端20在高度上小于大約2mm，并且更特別地，在高度上小于大約1mm。有益地，通過僅僅在前端暴露導電元件12的較窄部分，電極和孔之間的間隙足夠小以允許精確的孔形狀控制。
[0028]對于圖4和5中所不的不例性配置,導電兀件12的暴露前端20以間隙h與導電兀件12的第一和第二暴露部段18、19分離。對于特定配置，間隙h為至少一毫米(1mm)。有益地，通過分離兩個加工區(qū)(也就是，導電元件12的暴露前端20以及第一和第二暴露部段18、19)，有益地，間隙h加強絕緣涂層強度，這有助于防止涂層剝離。
[0029]備選地,對于圖3中所示的示例性配置,導電元件12的暴露前端20鄰近導電元件12的第一和第二暴露部段18、19。當在這里使用時，“鄰近”應當被理解為表示很靠近。
[0030]參考圖1-6，描述了使用電極10在工件24中形成非圓形孔22的電化學加工方法。有益地，電化學加工方法可以用于在工件24中加工非圓形孔22，從而增強工件的臨界熱區(qū)域中的冷卻。本發(fā)明不限于任何特定工件24，而是可以用于在各種導電工件22中形成非圓形孔22，非限定性地包括:燃氣渦輪機部件或用于固定發(fā)電的動葉。示例性的渦輪發(fā)動機部件例如包括渦輪機葉片。用于形成導電部件22的合適材料的非限定性例子包括金屬和金屬合金。
[0031]例如如圖1和2中所示，電極10包括部分地覆蓋導電元件的側(cè)表面的絕緣涂層
16。如上面參考圖1和2所述，絕緣涂層16不覆蓋導電元件12的第一和第二鉆孔部段18、19中的至少一個。如圖1和2中所示，第一和第二鉆孔部段18、19分離大約180度并且大致沿著導電元件的縱軸線延伸。如上面參考圖3-5所述，絕緣涂層16也不覆蓋導電元件12的暴露前端20。上面參考圖1-5更詳細地描述了電極10。
[0032]如上所述，對于特定配置，絕緣涂層16不覆蓋導電元件的第一和第二暴露部段
18、19。即，對于該配置，有兩個暴露部段18、19可用于鉆孔操作。
[0033]對于其它配置，絕緣涂層16不覆蓋導電元件的第一和第二暴露部段18、19中的一個，使得僅僅未覆蓋暴露部段18、19中的相應的一個可用于鉆孔操作。當需要時，該后一種配置可以用于形成不對稱的非圓形孔。
[0034]例如如圖1、2和6中所示，電化學加工方法包括將脈沖電壓(更特別地,雙極脈沖電壓)施加到電極10和工件24從而使用導電元件12的暴露前端20從工件24電化學地去除材料以在工件24中形成初始大致圓形孔26 (其在圖2中由虛線顯示)。將脈沖電壓施加到電極10和工件24還使用導電元件12的第一和第二鉆孔部段18、19從初始大致圓形孔26 (例如，參見圖1、2和6)電化學地去除預定量的材料以形成非圓形孔22 (圖2)。對于圖6中示意性所示的電化學加工組件，使用電源32在電極10和工件24上施加雙極脈沖電壓。更特別地，對于圖6中所示的示例性布置，電源32可操作地連接以將脈沖電壓提供給電極10和工件24。當在這里使用時，短語“可操作地連接”應當被理解為表示相應部件可以直接連接(例如，機械地或電氣地)或者可以經(jīng)由其它部件連接。在一個非限定性例子中，電源32是雙極脈沖電源。
[0035]另外，為了建立加工操作，工件24可以可選地相對于電極10移動以將電極10定位在期望位置。另外，可以使用來自常規(guī)STEM機器的移動控制。當將脈沖電壓施加到電極10和工件24時電化學加工方法因此可以用于從工件24去除材料。
[0036]電化學加工方法還可以包括使電解質(zhì)流動通過電極10以用電解質(zhì)沖洗電極和工件24之間的間隙。對于特定配置，電極10限定至少一個通道14 (圖2)，該通道14接收電解質(zhì)并且將電解質(zhì)輸送到加工區(qū)，進一步地，電化學加工組件30還包括與電極流體連接的電解質(zhì)流體源36以用于將電解質(zhì)供應到電極，例如如圖6中所示。在一個非限定性例子中，電解質(zhì)流體源36可以包括泵。電解質(zhì)流體源36可以包含用于調(diào)節(jié)和再循環(huán)電解質(zhì)的附加元件(未顯示)，例如一個或多個過濾器(未顯示)。
[0037]現(xiàn)在參考圖2，對于特定工藝，非圓形孔22包括具有長軸124和短軸122的橢圓形孔22，并且電化學去除使用導電元件12的第一和第二鉆孔部段18、19中的至少一個形成橢圓形孔的長軸。也就是說，在第一和第二鉆孔部段18、19的附近從工件24去除材料確定橢圓形孔22的長軸。對于特定工藝，橢圓形孔22的長軸124與短軸122的比率為至少1.4。更特別地，橢圓形孔22的長軸124與短軸122的比率為至少1.5，并且更加特別地，為至少
1.6。對于其它配置，橢圓形孔22的長軸124與短軸122的比率可以超過1.6。此外，如上所述，可以使用暴露部段18、19中的僅僅一個暴露的電極形成不對稱非圓形孔。
[0038]可以使用在圖6中示意性顯示的電化學加工組件30執(zhí)行上述的電化學加工方法，并且下面描述電化學加工組件30的各方面。例如，并且如圖6中所示，電化學加工組件30還可以包括控制器46，所述控制器可操作地連接到驅(qū)動器(未顯示)并且配置成控制驅(qū)動器的運動以推進和縮回電極10。例如并且如圖6中所示，控制器46可以連接到電機48，所述電機用于驅(qū)動驅(qū)動器以便推進和縮回電極10。對于圖6中所示的布置，控制器46連接到用于為電機48供電的電源80。因而，控制器46控制(一個或多個)電極10的進給速率(feed-rate)。在一個非限定性例子中，控制器46包括可操作地連接到電機48和雙極電源32的計算機數(shù)字控制器(CNC) 46。有益地，CNC46可以編程為以能夠經(jīng)由電化學腐蝕成形工件24的方式操縱驅(qū)動器(未顯示)，使得可以快速地和經(jīng)濟地產(chǎn)生非圓形孔22 (未在圖6中顯示)。
[0039]應當注意本發(fā)明不限于用于執(zhí)行本發(fā)明的處理任務的任何特定控制器。對于某些實施例，控制器包括一個或多個處理器。術語“處理器”(當在本文中使用該術語時)旨在表示能夠執(zhí)行對實施本發(fā)明的任務所必需的計算或運算的任何機器。術語“處理器”旨在表示能夠接受結(jié)構化輸入并且根據(jù)指定規(guī)則處理輸入以產(chǎn)生輸出的任何機器。也應當注意，如本領域的技術人員將理解，當在本文中使用時短語“配置成”表示處理器配備有用于執(zhí)行本發(fā)明的任務的硬件和軟件的組合。在其它實施例中，預編程控制器以執(zhí)行本發(fā)明的任務。
[0040]對于圖6中所示的示例性布置，控制器46可操作地連接到雙極電源32并且還配置成執(zhí)行脈沖串控制。以該方式，控制器46控制供應到電極10和工件24的脈沖電壓的脈沖持續(xù)時間、頻率和電壓。另外并且對于特定實施例，控制器46還可以配置成選擇性地控制電極10的進給速率和/或供應到電極10的脈沖電壓。
[0041]除了上述特征以外，電化學加工組件30也可以可選地包括附加元件，非限定性地包括圖形顯示器或其它顯示器，例如CRT圖形顯示器(未顯示)，從而監(jiān)測由前述組件的任何部件提供的信號。這樣的圖形顯示器或其它顯示器可以將診斷信息提供給機器操作者以確定每個電極正在正確地執(zhí)行，或者實現(xiàn)一些其它的診斷目的。
[0042]有益地，上述電極和電化學加工方法可以用于形成具有高深徑比(深度與直徑的比率)和較小直徑(小至幾毫米)的非圓形孔。此外，上述電極和電化學加工方法可以用于在單步驟中使用單電極形成非圓形孔。
[0043]盡管僅僅在本文中示出和描述了本發(fā)明的某些特征，但是本領域的技術人員將想到許多修改和變化。所以，應當理解附帶的權利要求旨在涵蓋屬于本發(fā)明的真實精神內(nèi)的所有這樣的修改和變化。
【權利要求】
1.一種用于電化學加工工藝的電極，所述電極包括: 限定至少一個通道的導電元件；以及 部分地覆蓋所述導電元件的側(cè)表面的絕緣涂層，其中所述絕緣涂層不覆蓋所述導電元件的第一和第二暴露部段中的至少一個，其中所述第一和第二暴露部段分離大約180度并且大致沿著所述導電元件的縱軸線延伸，并且其中所述絕緣涂層也不覆蓋所述導電元件的暴露前端。
2.根據(jù)權利要求1所述的電極，其特征在于，所述導電元件的所述暴露前端與所述導電元件的剩余部分共延。
3.根據(jù)權利要求1所述的電極，其特征在于，所述導電元件的所述暴露前端具有比所述導電元件的剩余部分小的直徑。
4.根據(jù)權利要求1所述的電極，其特征在于，所述導電元件的所述暴露前端為錐形。
5.根據(jù)權利要求1所述的電極，其特征在于，所述導電元件的所述暴露前端在高度上小于大約2mm。
6.根據(jù)權利要求1所述的電極，其特征在于，所述導電元件的所述暴露前端與所述導電元件的所述第一和第二暴露部段分離至少一毫米(Imm)的間隙h。
7.根據(jù)權利要求1所述的電極，其特征在于，所述導電元件的所述暴露前端鄰近所述導電元件的所述第一和第二暴露部段。
8.根據(jù)權利要求1所述的電極，其特征在于，所述絕緣涂層不覆蓋所述導電元件的所述第一和第二暴露部段。`
9.根據(jù)權利要求1所述的電極，其特征在于，所述絕緣涂層不覆蓋所述導電元件的所述第一和第二暴露部段中的一個，使得所述暴露部段中僅各自一個可用于鉆孔操作。
10.一種使用電極在工件中形成非圓形孔的電化學加工方法，所述電極包括部分地覆蓋導電元件的側(cè)表面的絕緣涂層，其中所述絕緣涂層不覆蓋所述導電元件的第一和第二暴露部段中的至少一個，其中所述第一和第二暴露部段分離大約180度并且大致沿著所述導電元件的縱軸線延伸，并且其中所述絕緣涂層也不覆蓋所述導電元件的暴露前端，所述電化學加工方法包括: 施加脈沖電壓到所述電極和所述工件從而: 使用所述導電元件的所述暴露前端從所述工件電化學地去除材料以在所述工件中形成初始大致圓形孔；以及 使用所述導電元件的所述第一和第二暴露部段中的至少一個從所述初始大致圓形孔電化學地去除預定量的材料以形成所述非圓形孔。
11.根據(jù)權利要求10所述的電化學加工方法，其特征在于，所述非圓形孔包括具有長軸和短軸的橢圓形孔，其中使用所述導電元件的所述第一和第二暴露部段的電化學去除形成所述橢圓形孔的所述長軸。
12.根據(jù)權利要求11所述的電化學加工方法，其特征在于，所述橢圓形孔的所述長軸與所述短軸的比率為至少1.4。
13.根據(jù)權利要求10所述的電化學加工方法，其特征在于，所述電化學加工方法還包括使電解質(zhì)流動通過所述電極以用電解質(zhì)沖洗所述電極和所述工件之間的間隙。
14.根據(jù)權利要求10所述的電化學加工方法，其特征在于，所述工件包括渦輪發(fā)動機部件或動葉。
15.根據(jù)權利要求10所述的電化學加工方法，其特征在于，所述絕緣涂層不覆蓋所述導電元件的所述第一和第二暴露部段，從而所述施加脈沖電壓的步驟使用所述導電元件的所述第一和第二暴露部段從所述初始大致圓形孔電化學地去除預定量的材料以形成所述非圓形孔。
16.根據(jù)權利要求10所述的電化學加工方法，其特征在于，所述絕緣涂層不覆蓋所述導電元件的所述第一和第二暴露部段中的一個，從而所述施加脈沖電壓的步驟使用所述導電元件的所述第一和第二暴露部段中的各自的一個從所述初始大致圓形孔電化學地去除預定量的材料以形成所述非圓形孔。
17.—種工件，所述工件具有使用根據(jù)權利要求10所述的電化學加工方法形成的一個或多個非圓形孔。
18.根據(jù)權利要求17所述的工件，其特征在于，所述工件包括渦輪機葉片或動葉。
【文檔編號】B23H9/14GK103480930SQ201310225067
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年6月7日 優(yōu)先權日:2012年6月8日
【發(fā)明者】魏斌, K.L.布魯斯 申請人:通用電氣公司