AT13541U1 - Verfahren zum Herstellen eines Triebwerkbauteils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Triebwerkbauteils, bei dem das Material, gegebenenfalls in mehreren Schritten, in einer Form gepresst und anschließend nachgearbeitet wird, wobei als Halterung des Triebwerkbauteils bei der Nachbearbeitung ein Kunststoffteil dient, der mit dem Triebwerkbauteil verbunden ist.Während üblicherweise der Triebwerkteil als verlorener Kern vom Kunststoffteil großteils ummantelt wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kunststoffteil auf den Triebwerkbauteil geklebt wird, während sich dieser noch in der Schmiedeform befindet, wodurch bessere Genauigkeiten beim Nacharbeiten erzielt werden.

Description

österreichisches Patentamt AT 13 541 U1 2014-03-15

Beschreibung [0001] Zur Herstellung von geschmiedeten Triebwerksschaufeln wird das Material in mehreren Schritten in eine Form gepresst. Oben und unten sind die Schaufeln nur grob geformt, so dass diese noch nachgearbeitet werden müssen. Bekannt ist, dass die Schaufeln aus der Form genommen werden, dann ausgemessen und anschließend in Kunststoff eingegossen werden, damit sie einen Halt erhalten und besser nachbearbeitet werden können. Allerdings hat dies den Nachteil, dass dies zu zusätzlichen Toleranzen führt und sehr ungenau ist. Schlimmstenfalls sind die Toleranzen derart groß, dass die Schaufel unbrauchbar ist. Wird die Schaufel aus der Form herausgeholt und wieder eingegossen, kann es passieren, dass sie verrutscht oder schief anliegt und nicht mehr ins Triebwerk passt.

[0002] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beheben.

[0003] Dazu klebt ein Roboter eine Aufnahmevorrichtung direkt auf die gefertigte Schaufel und nimmt anschließend die Schaufel aus der Schmiedeform heraus. Für die nächsten Bearbeitungsmaschinen ist gewährleistet, dass die Schaufeln immer in einer vorgegebenen Orientierung anliegen. Ferner wird vermieden, dass die Schaufeln schief stehen bzw. verrutschen. Nach Abschluss der Bearbeitungsschritte kann diese geklebte Aufnahmevorrichtung einfach abgebrochen werden.

[0004] Ein weiteres Problem ergibt sich beim Bearbeiten von Scheiben, die geräumt sind, da diese am Scheibenaußendurchmesser eingespannt werden müssen. Dabei gibt es nicht ausreichend Einspannfläche, um die geräumte Scheibe innerhalb der Spannvorrichtung zu halten. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Kunststoffzwischenringe zwischen der Spannscheibe und der geräumten Scheibe einzubringen, um die Spannfläche an der geräumten Scheibe zu erhöhen. Allerdings sind solche Kunststoffzwischenringe sehr verformbar, so dass ein genaues Positionieren der geräumten Scheibe innerhalb der Spannvorrichtung verhindert wird.

[0005] Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine beispielsweise geräumte Scheibe innerhalb einer Spannvorrichtung richtig positionieren zu können.

[0006] Dazu werden zu den Raumnuten der geräumten Scheibe komplementär die Form der Spannklötze eingebracht, die sich am Innendurchmesser der Spannvorrichtung abstützen können. Dadurch ist es möglich, die Spannkraft in die Raumnuten einzuleiten und das Spannen am Außendurchmesser der geräumten Scheibe zu ermöglichen.

[0007] In der Figur 1 ist eine Schrägdarstellung einer Spannvorrichtung mit eingespannter Triebwerksscheibe mit geräumten Nuten 2. In den Figuren 2 und 3 ist eine Detailansicht eines Spannklotzes zu sehen.

[0008] Die Spannvorrichtung 1 weist einen axial nach außen gerichteten Spannring 4 auf. Innerhalb dieses Spannrings 4 ist eine eingespannte geräumte Triebwerksscheibe 2 zu entnehmen. Die geräumte Triebwerksscheibe 2 wird durch Spannklötze 5 und 6 festgehalten. Die Triebwerksscheibe zeigt am Außendurchmesser tannenzapfenförmige bzw. schwalbenschwanzförmige Raumnuten 10 auf. In diese Raumnut wird später eine Schaufel mit einem komplementär geformten Schaufelfuß eingeführt.

[0009] Zur weiteren Bearbeitung einer bereits geräumten Triebwerksscheibe (rotierende Triebwerksscheibe) werden sogenannte Spannklötze 5 in mindestens einer, insbesondere mindestens drei, vorzugsweise um 120° versetzt angeordnet, in die entsprechende Raumnut eingebracht. Die Außenfläche 11 des Spannklotzes 5 ist derart geformt, dass die eingespannte Scheibe mit den Spannklötzen 5 gut festgehalten wird in der Spannvorrichtung 1.

[0010] In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Anmeldung geht es darum, Bohrungen von Triebwerksscheiben derart zu verfestigen, dass die Lebensdauer erhöht wird.

[0011] Allerdings sind die bekannten Verfahren zum Verfestigen von Gastriebwerksscheibenbohrungen mittels Kugelstrahlen derart ausgereizt, dass diese keine weiteren Erhöhungen der Lebensdauer bieten können. Die Lebensdauer einer Scheibe kann gesteigert werden, wenn an 1 /7 österreichisches Patentamt AT 13 541 U1 2014-03-15 dieser zusätzliches Material eingebracht wird. Allerdings wird dadurch die Scheibe entsprechend schwerer, was bei Fluggasturbinen absolut unerwünscht ist. Weitere bekannte Verfahren zum Verfestigen von Scheibenbohrungen sind Kugelstrahlen oder Aufdornen (split sleeve cold expansion).

[0012] Somit liegt der vorliegenden Anmeldung die weitere Aufgabe zugrunde, die Festigkeit von Bohrungen von Triebwerksscheiben zu erhöhen.

[0013] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass durch kontrolliertes Festwalzen der Bohrungen mittels ein mit einer Kugel oder einer Walze bestücktes Festwalzwerkzeug erzielt wird. Dabei wird langsam Druck auf die Oberfläche der Bohrung aufgebracht, um unkontrollierten Verzug zu vermeiden und eine ausgleichsmäßige Ausprägung des Eigenspannungsprofils zu erzielen.

[0014] Für die Verfestigung von lebensdauerkritischen Bohrungen in Gaswerkscheiben wird heute hauptsächlich konventionelles Kugelstrahlen verwendet. Dieses Verfahren ist technologisch ausgereizt und eine weitere Steigerung der zu erreichenden Festigkeit bzw. Lebensdauer ist nicht mehr möglich. Weiteres Potential birgt hingegen das Festwalzen. Die Vorteile dieses Verfahrens sind bessere Oberflächenqualitäten und eine höhere Wirktiefe der Druckeigenspannung im Vergleich zum Kugelstrahlen. Es können mehrere Methoden eingesetzt werden, um Bohrungen festzuwalzen. Dazu gehören kugelförmige Festwalzkörper und walzenförmige Festwalzkörper. Es wird mindestens ein Walzkörper verwendet. Bei einem kugelförmigen Festwalzkörper erfolgt die Bewegungsrichtung meist spiralförmig in einem Hub entlang der Bohrungslängsachse pendelnd und symmetrisch vom Rand bis zur Bohrungsmitte überlappend in der Mitte, oder aber entlang der Bohrungslängsachse pendelnd mit inkrementeilen Drehungen nach jedem Hub. Bei einem walzenförmigen Festwalzkörper wird dieser rotierend auf der Bohrungslängsachse festgedreht. Mit Walzen als Walzkörper wird die gesamte Bohrungsfläche gleichzeitig festgewalzt. Bei kugelförmigen Festwalzkörpern wird die Bohrungsfläche mit schmalen Walzbahnen bedeckt. Bei der Verwendung einer einzelnen Walzkugel können nur geringe Walzkräfte aufgebracht werden, da nur ein begrenztes Biegemoment im Werkzeug aufgenommen werden kann. Sind die Walzkörper gleichmäßig über den Umfang verteilt, können höhere Walzkräfte aufgebracht werden, da sich diese auf der Mittelachse gegenseitig eliminieren und somit kein Biegemoment entstehen kann. Bei einem kugelförmigen Walzkörper, der sich spiralförmig bewegt und in einem Hub fortbewegt wird, wird das rotierende Werkzeug entlang der Bohrungslängsachse voranbewegt. Der Werkzeugvorschub wird so gewählt, dass die gesamte Bohrungsfläche mit Walzbahnen bedeckt wird.

[0015] In einer anderen Ausführungsform bewegt sich der kugelförmige Festwalzkörper pendelnd entlang der Bohrungslängsachse. Das rotierende Werkzeug wird entlang der Bohrungslängsachse vor- und zurückbewegt. So ergeben sich wellenförmige Walzbahnen auf der Bohrungsoberfläche. Das Verhältnis zwischen Rotations- und Vorschubgeschwindigkeit wird so gewählt, dass sich Walzbahnen überlappen und nach einer bestimmten Zeit eine vollständige Bedeckung der Bohrungsfläche ergibt.

[0016] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Bohrung von beiden Seiten festgehalten, um Materialverschiebungen am Übergang von der Bohrungs- zur Stirnfläche zu vermeiden. Es wird spiralförmig festgewalzt, so dass die bearbeitete Bohrungsfläche unmittelbar vollständig bedeckt wird. Bis zur Bohrungsmitte wird mit dem vorgeschriebenen Walzdruck gefahren, welcher dann kontinuierlich abgebaut wird, um durch die Überlappung von der gegenüberliegenden Seite eine zu hohe Verfestigung zu vermeiden. Der Vorgang wird von der gegenüberliegenden Seite aus identisch wiederholt. Somit wird die Bohrungsfläche komplett verfestigt und an den Übergängen zur Stirnfläche entstehen keine Materialaufwürfe.

[0017] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Werkzeug entlang der Bohrungslängsachse pendelnd mit inkrementeilen Drehungen nach jedem Hub bewegt. Das Werkzeug wird ohne Drehung entlang der Bohrungslängsachse bewegt. Nach jedem Austritt des Walzkörpers aus der Bohrung wird das Werkzeug um einen definierten Winkel gedreht und erneut durch die Bohrung bewegt. Dieser Vorgang wird über mindestens eine volle Umdrehung des Werkzeuges wiederholt, um eine vollständige Bedeckung der Bohrungsoberfläche sicher- 2/7 österreichisches Patentamt AT 13 541 U1 2014-03-15 zustellen.

[0018] Bei einem walzenförmigen Walzkörper erstreckt sich dieser über die gesamte Bohrungslänge. Dadurch wird die gesamte Bohrungsfläche auf einmal verfestigt. Das Werkzeug ist entlang der Bohrungslängsachse unverschiebbar und rotiert nur um seine eigene Achse. Der Walzdruck wird unter Rotation langsam kontinuierlich aufgebracht und über mehrere Umdrehungen konstant gehalten. Dadurch wird sichergestellt, dass die Ausprägung des Eigenspannungstiefenprofils über die gesamte Bohrung gleichmäßig ist. Der Walzdruck wird nach einer definierten Anzahl von Umdrehungen langsam wieder abgebaut.

[0019] Mit diesem vorteilhaften Bohrungsfestwalzen lassen sich folgende Verbesserungen erzielen. Es wird eine kontinuierliche Eigenspannungsverteilung in Umfangsrichtung erreicht. Die erreichbaren Eindringtiefen der Eigenspannung sind höher als durch das Kugelstrahlen. Durch die gezielte Wahl des walzbaren Verlaufes lässt sich die Richtungsabhängigkeit des Verfahrens eliminieren. Die Bohrungen mit geringer Tiefe können durch den Einsatz eines Werkzeuges mit zylindrischen Walzkörpern durch reine Rotation ohne Bewegung entlang der Bohrungsachse verfestigt werden. Durch den gleichmäßigen Verlauf der Eigenspannung kann ein unkontrollierter Bauteilverzug, wie es beim Split Sleeve Cold Expansion auftritt, vermieden werden. Es ist keine weitere spannende Bearbeitung nötig, um die Rundheit der Bohrung wiederherzustellen.

[0020] In der vorliegenden Anmeldung geht es um ein weiteres Problem, bei dem Kanten von Bauteilen und Strömungsprofilen nach dem eigentlichen Herstellprozess durch mechanische oder elektromechanische oder elektrische oder durch Strahleinwirkung hervorgerufene Bearbeitung geglättet werden sollen. Für diese lokale Glättung der Bauteiloberfläche ist ein hochreproduzierbares, automatisierbares Verfahren gesucht, bei dem die Glättwirkung durch Parametrisierung einstellbar und lokalisierbar ist.

[0021] Es ist bekannt, Kanten zu brechen bzw. durch Bürsten, Gleitschleifen oder Strömungsschleifen zu verrunden. Das Strömungsschleifen wird neben dem Gleitschleifen auch für das Glätten von Strömungsprofilen genutzt. Dies hat den Vorteil, dass es auch für komplexe Bohrungen genutzt werden kann. Nachteilig ist dabei der größere Verschleiß im Druckerzeugungskolben. Weitere Nachteile sind die Aufnahme des Abriebs in Schleifpaste. Der Prozess ist nur durch den Druck, die gewählte Paste und durch die Vorrichtung parametrisierbar. Leider wirken sich Pastenalterung, Pastentemperatur sehr stark auf den Prozess aus.

[0022] Aufgabe dieses Aspekts der vorliegenden Anmeldung ist es, ein Glättungsverfahren zu automatisieren.

[0023] Dies wird dadurch gelöst, dass als Trägermaterial für die Schleifkörper eine magnetische Flüssigkeit verwendet wird. Diese magnetische Flüssigkeit ist hoch viskos und wird erst steif unter Einwirkung eines Magnetfelds. Es lässt sich durch die Feldausbildung die Steifigkeit der Mischung einstellen. Somit ist es möglich, die Schleifwirkung zu lokalisieren, beispielsweise auf die Fläche eines Schaufelprofils oder auf eine Kante. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Möglichkeit, den Abrieb zu separieren. Dies kann durch Filtrieren der Schleifkörper von den magnetischen Partikeln bzw. Abzentrifugieren des Abriebs erreicht werden. Dabei beträgt die Durchmessergröße der Schleifkörper ca. 100 gm und die der magnetischen Partikel nur 10 gm. Ferner hat es den Vorteil, dass durch ein einstellbares Magnetfeld mit entsprechenden Gradienten die Wirkung sehr stark lokalisiert werden kann. So kann zum Beispiel die Kantenverrundung gegenüber der Glättung in der Fläche abgeschwächt werden, was beim konventionellen Strö-mungs- oder auch beim Gleitschleifen nur mit großen Anstrengungen realisiert werden kann. Die Möglichkeit, die Mischung aus Schleifkörpern und magnetischer Flüssigkeit als Trägermaterial im Prozess wiederaufbereiten zu können und den Abrieb aus dem Prozess auszuschleudern, erhöht die Prozessstabilität deutlich. Die Flüssigkeit ist nur im Feld versteift, was die innere Reibung herabsetzt und damit die Temperaturbelastung der Flüssigkeit senkt. In der Figur 4 ist eine schematische Darstellung des Versuchsaufbaus abgebildet.

[0024] In dieser Figur 4 ist eine Strömungsschleifanlage 41 abgebildet. Diese Strömungs- 3/7 österreichisches Patentamt AT 13 541 U1 2014-03-15 schleifanlage umfasst einen Kolbenraum 42 mit magnetischer Flüssigkeit und Schleifkörpern und einen Druckstempel 43. Dabei enthält die magnetische Flüssigkeit keine Schleifkörper und ist somit dünnflüssig. Der Druckerzeuger 44 samt Druckstempel und Druckraum 42 weist einen sehr geringen Abrieb auf. Der Druckraum 42 weist eine Drucköffnung 45 auf, an der eine Leitung 46 angeschlossen ist. Diese Leitung 46 mündet schließlich in einem Auffangbehälter 47. Vor dem Auffangbehälter 47 ist eine Magnetspule 48 angeordnet, zwischen der das zu bearbeitende Bauteil 50 sich befindet. Dieses Bauteil 50 befindet sich innerhalb der Leitung 46 und wird von der magnetischen Flüssigkeit mit Schleifkörpern umspült. Die Schleifkörper können bereits im Druckraum 42 vorhanden sein aber können auch später innerhalb der Leitung vor der Magnetspule 48 durch einen zusätzlichen Behälter 52 eingebracht werden.

[0025] Die Magnetspule 4, 8 erzeugt ein Gradientenfeld, wodurch ein Bereich mit hoher Feld-dichte erzeugt wird und das Gleitschleifmittel sehr steif ist. Dabei wirkt es bevorzugt in der Fläche, die beim konventionellen Strömungsschleifen oft nur unzureichend geglättet wird, und bei der künstliche Engstellen eingebaut werden müssen, um einen ausreichenden Abtrag erzielen zu können. Ferner befinden sich die empfindlichen Kanten 54 und 55 der Schaufel außerhalb des Magnetfeldes. An diesen Stellen ist das Feld abgeschwächt, so dass die empfindlichen Kanten 54 und 55 geschützt sind. Hier wird das Fehlen oder Abschwächen des Feldes im Gegensatz zum Stand der Technik genützt, um die Wirkung der Schleifkörper an den kritischen Bereichen abzuschwächen oder in gezielter Weise einen definierten schwachen Abtrag einzustellen.

[0026] Nach dem Verwenden der Flüssigkeit wird die Flüssigkeit im Auffangbehälter 47 aufbereitet. In der Aufbereitung werden die Schleifkörper ausgesiebt (ca. im Durchmesser 100 pm), die magnetischen Partikel (im Durchmesser ca. 10 μ) durch Felder abgetrennt und die ölige Suspension beispielsweise über eine Zentrifuge vom Abrieb befreit werden. Dann wird die ölige Flüssigkeit nachdosiert und die reinen Stoffe wieder in die entsprechenden Frischbehälter zurückgeführt. Zu den Frischbehältern gehört unter anderem der Druckraum 42 für die magnetische Flüssigkeit und der Schleifkörperbehälter 52. Dadurch wird nur mit frischem Gemenge reproduzierbar der Gleitprozess durchgeführt. Hier wird nicht wie beim klassischen Strömschlei-fen der Abrieb in der Schleifpaste belassen. 4/7

Claims (2)

1. österreichisches Patentamt AT 13 541 U1 2014-03-15 Anspruch 1. Verfahren zum Herstellen eines Triebwerkbauteils, bei dem das Material, gegebenenfalls in mehreren Schritten, in einer Form gepresst und anschließend nachgearbeitet wird, wobei als Halterung des Triebwerkbauteils bei der Nachbearbeitung ein Kunststoffteil dient, der mit dem Triebwerkbauteil verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffteil auf den Triebwerkbauteil geklebt wird, während sich dieser noch in der Schmiedeform befindet. Hierzu
2. 2 Blatt Zeichnungen 5/7