CH650423A5 - Gesenksatz. - Google Patents

Description

650 423

2

PATENTANSPRÜCHE

1. Gesenksatz zum Schmieden eines Bauteiles mit einem zentralen, scheibenartigen Bereich und mehreren, daran am Scheibenumfang angeformten Ansätzen, welcher Gesenksatz folgende Teile umfasst:

ein zylindrisches, feststehendes Gesenk (26) mit einem zylindrischen Aussenflächenbereich (36) und einer oberen Fläche (38) welch letztere komplementär zur Geometrie der einen Seite des zentralen, scheibenartigen Bereiches ausgebildet ist;

ein zylindrisches, bewegliches Gesenk (28) mit einem zylindrischen Aussenflächenbereich (32) und einer Stirnfläche (34), welch letztere komplementär zur Geometrie der anderen Seite des zentralen, scheibenartigen Bereiches ausgebildet ist, wobei das bewegliche Gesenk (28) koaxial und im Abstand zum feststehenden Gesenk (26) angeordnet ist;

eine Mehrzahl von kreisförmig angeordneten, umfangs-seitig benachbarten Gesenksegmenten (30), von denen jedes einerseits zwei Seitenwände (42) aufweist, die an die Seitenwände der benachbarten Segmente anstossen und eine solche Formgebung aufweisen, dass durch jeweils zwei aneinander anstossende Seitenwände (42) benachbarter Segmente (30) ein Hohlraum begrenzt ist, der komplementär zur Form der Fortsätze am scheibenartigen Bereich ausgebildet ist, und andererseits eine innere, gekrümmte Fläche (44) besitzt, die die Aussenflächenbereiche (32, 36) des festen und des beweglichen Gesenkes (26 bzw. 28) berührt,

dadurch gekennzeichnet, dass die innere, gekrümmte Fläche (44) eines jedes Gesenksegmentes (30) mindestens eine in Umfangsrichtung des Gesenksatzes verlaufende Aussparung aufweist, wobei alle Aussparungen zusammen mindestens einen ringförmigen Kanal (46, 50) bilden, und dass in diesem Kanal (46, 50) ein ringförmiges Glied (40, 52) aufgenommen ist, welches ein Verkanten der Gesenksegmente (30) im Gesenksatz verhindert.

2. Gesenksatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Glied ein Umfangsbund (40) ist, der vom zylindrischen Aussenflächenbereich (36) des feststehenden Gesenkes (26) absteht.

3. Gesenksatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Glied ein freier Ring (52) ist, der um den Aussenflächenbereich (32) des beweglichen Gesenkes (28) herum angeordnet ist.

4. Gesenksatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere gekrümmte Fläche (44) eines jeden Gesenksegmentes (30) zur Bildung von zwei ringförmigen Kanälen (46, 50) mit zwei Aussparungen versehen ist, wobei in den einen Kanal (46) ein Umfangsbund (40) eingreift, der vom zylindrischen Aussenflächenbereich (36) des festen Gesenkes (26) vorsteht, und wobei im anderen Kanal (50) ein Ring (52) angeordnet ist, der um den Aussenflächenbereich (32) des beweglichen Gesenkes (28) herum angeordnet ist.

5. Gesenksatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (46, 50) sowie das in diesem aufgenommene Glied (40, 52) auf mindestens einer Seite mit zusammenwirkenden konischen Flächen (48) versehen sind.

6. Gesenksatz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesenksegmente (30) jeweils eine gekrümmte Aussenfläche (56) mit einer sich darüber erstreckenden Nut (58) aufweisen, wobei diese Nuten (58) zusammen einen äusseren Ringkanal um die Gesenksegmente (30) herum bilden, welcher einen Draht (60) zum Zusammenhalten der Gesenksegmente (30) zu einer Einheit aufnimmt.

Die Lehren der Erfindung wurden auf dem Gasturbinentriebwerksgebiet für die Herstellung von integral beschaufelten Rotoren entwickelt, haben aber breite Anwendungsmöglichkeiten in jeder Industrie, wo gleichgeformte Teile mit genauer Abmessung erwünscht sind.

Die US-PS 3 519 503 beschreibt ein Schmiedeverfahren, das von der Fa. Pratt & Whitney Aircraft, einer Tochtergesellschaft der Anmelderin, entwickelt und unter der warenzeichenrechtlich geschützten Bezeichnung «GATORIZING-Schmiedeverfahren» international bekannt geworden ist. Durch dieses Verfahren sind eine hohe Festigkeeit aufweisende, schwierig zu schmiedende Legierungen, wie sie in der Gasturbinentriebwerksindustrie benutzt werden, aus einem Materialblock in eine beinahe fertige Gestalt mit relativ komplexer Geometrie verformbar. Anfänglich wurden zwar nur scheibenförmige Bauteile geschmiedet, die Attraktivität des Schmiedens von integral beschaufelten Rotorscheiben hat jedoch zu späteren Entwicklungen angespornt.

Ein erster Gesenksatz und ein Verfahren zum Formen von solchen integral beschaufelten Rotoren sind in den US-PSen 4 051 708 und 4 074 559 beschrieben. Gemäss diesen beiden Patentschriften werden integrale Ansätze zwischen mehreren benachbarten Gesenken geschmiedet, die an dem Umfang der scheibenformenden Gesenke angeordnet sind. Weiterentwicklungen beinhalten Techniken zum Trennen der die Ansätze formenden Gesenke von dem fertigen Schmiedestück. Zwei derartige Techniken sind in dem US-PSen 4 041 161 und 4 150 557 beschrieben.

Trotz der oben beschriebenen Fortschritte auf dem Gebiet des Schmiedens suchen Wissenschaftler und Techniker weiterhin nach neuen Konzepten und Techniken, durch die die Herstellbarkeit von geschmiedeten Bauteilen und eie Qualität von solchen Bauteilen verbessert werden kann.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, hier eine weitere Verbesserung zu erreichen. Bei einem Gesenksatz der gattungs-gemässen Art wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1 gelöst.

Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sowie besondere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6 definiert.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist der Verriegelungseingriff, wie er zwischen dem feststehenden Gesenk und den es umgebenden gekrümmten Gesenksegmenten vorhanden ist. In einer Ausführungsform hat das feststehende Gesenk einen Bund, der sich umfangsmässig um es erstreckt. Der Bund ist konisch, um das radiale Trennen der gekrümmten Gesenksegmente von den geformten Ansätzen zu ermöglichen. Eine konische Fläche an der Unterseite des Bundes ist in einer Linie mit der Achse der Ansätze und mit der Richtung des Zurückziehens der Segmente von den Ansätzen. Ein weiteres Merkmal ist der Kanal in dem unteren Teil jedes gekrümmten Gesenks. Jeder Kanal hat die umgekehrte Geometrie des Bundes und ist in seinen Abmessungen diesem eng angepasst, damit sich eine stabile Verriegelung zwischen jedem Gesenksegment und dem feststehenden Gesenk ergibt. Ein Draht an dem äusseren Umfang der gekrümmten Segmente hält die Gesenke des Gesenksatzes in einer Einheit zusammen. In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind Kanäle in den oberen Teilen der gekrümmten Gesenksegmente mit einem freistehenden Ring verriegelt, durch den das bewegliche Gesenk gleitet.

Ein Hauptvorteil der Erfindung ist die bessere Möglichkeit der Herstellung von Bauteilen, die Ansätze mit besonderer Massgenauigkeit haben. Die Stabilität der ansatzformenden Gesenke in dem Satz wird erreicht. Der stabile Satz ist für automatisierte Schmiedeverfahren gut geeignet, bei denen ein vorher zusammengefügter und vorgewärmter Satz,

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

650423

der den zu schmiedenden Block enthält, in den Schmiedeofen eingeführt wird.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine automatisierte Schmiedevorrichtung, in der der Gesenksatz nach der Erfindung verwendbar ist,

Fig. 2 eine Längsschnittansicht des eine Einheit bildenden Gesenksatzes nach der Erfindung und

Fig. 3A und 3B in einer Vergleichsdarstellung die Möglichkeit der Verbesserung der Fertigungstoleranz von in dem Gesenksatz nach der Erfindung geformten Ansatzteilen.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ist auf dem Gebiet des Schmiedens von hohem Nutzen, insbesondere beim Schmieden von Bauteilen mit komplexen Geometrien durch das in der US-PS 3 519 503 beschriebene Verfahren für warmfeste Legierungen. Dieses bekannte Verfahren ist für eine automatisierte Fertigung gut geeignet, für die in Fig. 1 eine automatisierte Schmiedevorrichtung vereinfacht dargestellt ist.

Im Betrieb der dargestellten automatisierten Schmiedevorrichtung wird ein Gesenksatz 10, der einen zu schmiedenden Materialblock enthält, in einen Vorwärmofen 12 eingebracht, in welchem die Temperatur des Gesenksatzes und des Blockes auf ungefähr diejenige Temperatur erhöht wird, bei der der Schmiedeprozess auszuführen ist. Der erhitzte Gesenksatz und der Block werden dann durch eine Tür 14 in eine Schmiedekammer 16 eingebracht und in einem grossen Ring 18 abgelegt, und ein zweiter Gesenksatz, der einen Block enthält, wird in den Vorwärmofen eingebracht. Der bereits vorgewärmte Block wird innerhalb des Gesenksatzes in dem Schmiedeofen unter Bedingungen erhöhter Temperatur und erhöhten Druckes, wie sie aus der US-PS 3 519 503 bekannt sind, in eine gewünschte Geometrie verformt. Der verformte Block und der Gesenksatz werden danach aus dem grossen Ring angehoben und durch eine Tür 20 in eine Gesenkexpansionsstation 22 und von dieser aus in eine Ab-kühlkammer 24 gebracht. Der zweite Gesenksatz wird in die Schmiedekammer eingeführt und das Verfahren wird fortgesetzt, bis die gewünschte Anzahl von Bauteilen geschmiedet worden ist. Gesenksätze nach der Erfindung können in die betreffenden Kammern hinein- und aus diesen hinaustransportiert werden, ohne dass eine unzulässige Fehlausrichtung der Gesenke hervorgerufen wird.

Ein Gesenksatz 10 nach der Erfindung ist ausführlich in dem Teillängsschnitt von Fig. 2 montiert in dem grossen Ring 18 gezeigt. Der Gesenksatz hat zwei Endgesenke, die auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind, nämlich das feststehende Gesenk 26 und das bewegliche Gesenk 28. Mehrere gekrümmte Gesenksegmente 30 sind nebeneinander in einer zylindrischen Anordnung um das stationäre und das bewegliche Gesenk herum angeordnet und bilden gemeinsam mit diesen einen Hohlraum (Gravur), der die umgekehrte Geometrie des gewünschten Bauteils aufweist, welches bei Bedarf Ansätze hat. Das bewegliche Gesenk hat eine äussere zylindrische Fläche 32 und eine Stirnfläche 34. Die Stirnfläche des beweglichen Gesenks ist mit der umgekehrten Geometrie einer Seite des zu formenden Bauteils versehen. Das feststehende Gesenk hat eine zylindrische Aussenfläche 36

und eine Stirnfläche 38. Die Stirnfläche des feststehenden Gesenks ist mit der umgekehrten Geometrie der anderen Seite des zu formenden Bauteils versehen. Ein Umfangsbund 40 steht von der zylindrischen Aussenfläche des feststehenden Gesenks nach aussen vor.

Die Gesenksegmente 30 haben jeweils zwei Umfangssei-tenwände 42, die so konturiert sind, dass sie gemeinsam mit den Seitenwänden der benachbarten Segmente mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Hohlräume (Gravuren) bilden, die die umgekehrte Geometrie der zu formenden Ansätze haben. Jedes Segment hat eine innere gekrümmte Fläche 44 mit einem Kanal 46, der sich über die Fläche erstreckt und mit dem Bund 40 des feststehenden Gesenks verriegelt wird, um ein Verkanten jedes Segments gegenüber dem feststehenden Gesenk zu verhindern. Der Bund hat wenigstens eine konische Seitenfläche 48, die das Zurückziehen der Gesenksegmente von dem Bund längs einer gewünschten Zuglinie L von den Ansätzen aus gestattet. In einem weitergebildeten Gesenksatz, der weitere Merkmale der Erfindung enthält und ebenfalls in Fig. 2 dargestellt ist, hat die innere gekrümmte Fläche 44 jedes Segments 30 einen zweiten Kanal 50 in dem Gebiet des beweglichen Gesenks 28. Jeder Kanal 50 wird mit einem Ring 52 verriegelt, dessen Abmessungen den seinen genau angepasst sind, um einen zusätzlichen Widerstand gegen eine Segmentverkantung zu schaffen. Wie in dem Fall des Bundes hat der Ring eine konische Seitenfläche 54, der das Zurückziehen der Segmente 30 von dem Ring längs der gewünschten Zuglinie L gestattet. Die Konzepte des Bundes und des Ringes können unabhängig voneinander oder in Kombination benutzt werden.

Jedes Gesenksegment 30 hat weiter eine äussere gekrümmte Fläche 56 mit einer sich über sie erstreckenden Nut, um zusammen mit den Nuten der benachbarten Segmente einen äusseren Kanal 58 zu bilden, der sich vollständig um die zylindrische Anordnung erstreckt. Ein Draht 60 erstreckt sich in dem äusseren Kanal 58 um die Gesenksegmente und hält die Elemente des Gesenksatzes in einer Einheit zusammen.

Ein Hauptvorteil des Verriegeins der gekrümmten Gesenksegmente mit einem gemeinsamen Element, wie dem feststehenden Gesenk 26 oder dem Ring 52, ist in den Fig. 3A und 3B gezeigt. In diesen Figuren werden bekannte Gesenke (Fig. 3A) mit Gesenken nach der Erfindung (Fig. 3B) verglichen. Gekrümmte Gesenksegmente 30 des Typs, wie er beim Anformen von Axialrotorschaufeln an einer Rotorscheibe benutzt wird, sind gezeigt. Hohlräume oder Gravuren 62, in die Blockmaterial zu schmieden ist, werden durch die Seitenwände 42 der Segmente begrenzt.

In der Darstellung in Fig. 3A (Stand der Technik) führt eine geringfügige axiale Verkantung zwischen den Segmenten zu beträchtlichen Veränderungen in der Dicke T der Flügelprofilteile. Infolgedessen können die Flügelprofilteile des fertigen Rtorschaufelbauteils unvorhersagbare aerodynamische Eigenschaften und eine unzulängliche bauliche Festigkeit haben.

In der Darstellung in Fig. 3B sind gemäss der Erfindung die Segmente 30 mit dem feststehenden Gesenk durch den Bund 40 und den Ring 52 verriegelt. Infolgedessen werden die Segmente am Verkanten gehindert und die Schaufeldik-ken T bleiben gleich.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

S

3 Blatt Zeichnungen