Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine zur Fräsbearbeitung von elastisch verformbaren metallischen Werkstücken wie Turbinenschaufeln und dergleichen, umfassend eine Bearbeitungseinheit, in welche ein Fräswerkzeug einsetzbar ist und die mit einer Antriebseinheit zur Erzeugung von Bewegungen des Werkzeuges versehen ist, sowie eine Spannvorrichtung zur Aufnahme des Werkstückes während einer Bearbeitung, welche mit Spannflächen versehen ist, die zur flächigen Anlage am Werkstück vorgesehen sind.
Die Erfindung betrifft ausserdem eine Spannvorrichtung für die Fräsbearbeitung von Werkstücken, die an Stellen gespannt werden sollen, an denen ihre Oberfläche in mehreren Richtungen Krümmungen aufweisen. Von der Erfindung ist auch ein Fertigungsverfahren erfasst, das zur Fräsbearbeitung von Turbinenschaufeln dient.
Insbesondere bei der Bearbeitung von kompliziert geformten, da beispielsweise mehrfach gekrümmten, Werkstücken stellt sich sehr häufig das Problem, dass die Art und Weise der Einspannung der Werkstücke in der Werkzeugmaschine sehr entscheidend Einfluss auf die Qualität des Ergebnisses einer Bearbeitung nimmt. Einerseits soll das Werkstück möglichst nahe an den zu bearbeitenden Stellen gespannt werden, um schädliche Biegemomente und Schwingungen des Werkstückes während der Bearbeitung zu vermeiden. Andererseits sind oftmals gerade die sich auf Grund dieses Gesichtspunktes zur Aufspannung anbietenden Stellen vorbearbeitet und weisen bereits eine zur konventionellen Einspannung kaum geeignete Kontur auf. Zudem muss berücksichtigt werden, dass die vorbearbeiteten Stellen durch die Einspannung nicht beschädigt werden.
Dieses Problem stellt sich beispielsweise bei der Fräsbearbeitung von durch eine Präzisionsschmiedung oder auf sonstige Weise vorbearbeiteten einzelnen Turbinenschaufeln, die noch an ihrem Kopf, Fuss und dem dazwischen liegenden so genannten "Snubber" fräsbearbeitet werden müssen. Mit "Snubber" wird derjenige Bereich einer Turbinenschaufel bezeichnet, der zur Einspannung des Turbinenblattes in der Turbine dient. Durch die Präzisionsschmiedung weist die Schaufel in ihrem Blattbereich bereits eine tordiert gekrümmte Oberfläche auf. Es ist daher von Vorteil, wenn die Schaufeln im Blattbereich eingespannt werden könnte.
Um dies zu ermöglichen, wird bereits das so genannte "Cerobend"-Verfahren angewandt, bei dem jede Schaufel einzeln in einer Spannvorrichtung, über eine Dreipunkt-Auflage im Blattbereich eingegossen werden muss. Für den Giessvorgang muss eine eigens hierfür geschaffene Giessvorrichtung benutzt werden. Das Giessmaterial geht hierbei mit der Schaufel keine Verbindung ein und lässt sich nach der Bearbeitung wieder entfernen. Zur Bearbeitung der Schaufel wird die Spannvorrichtung mit der darin nun enthaltenen Schaufel in einer Werkzeugmaschine eingespannt und bearbeitet.
Da einerseits die Position der Schaufel in dieser Spannvorrichtung nicht eindeutig ist und andererseits die Schaufel Fertigungstoleranzen des Schmiedeprozesses aufweist, muss die teilweise eingegossene Schaufel vor der Fräsbearbeitung vermessen werden. Erst auf Grund dieser Messung kann die relative Lage von einzelnen Bereichen der Schaufel in Bezug auf ihre Sollkontur und die Spannvorrichtung festgestellt werden. Da die Spannvorrichtung selbst in der Werkzeugmaschine eine vordefinierte Position einnimmt, kann auf Basis dieser Messung bestimmt werden, welche Wege das Werkzeug fahren muss, um eine bestimmte Sollkontur zu erzielen.
Ein weiterer Nachteil dieser Spannvorrichtung kann darin gesehen werden, dass das Giessmaterial, nämlich eine Blei-Legierung, toxische Stoffe enthält und deshalb zusätzliche Sicherheitsmassnahmen getroffen werden müssen, um die damit in Kontakt kommenden Personen zu schützen. Ebenso kann nicht zufriedenstellen, dass sofort nach dem Giessvorgang die Bearbeitung durchgeführt werden sollte. Auf Grund einer längeren Lagerzeit kann sich eine Vorspannung, durch die die Schaufel nach dem Abkühlen der Blei-Legierung in der Spannvorrichtung gehalten wird, wieder lösen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine gattungsgemässe Spannvorrichtung zu schaffen, mit welcher sich die oben genannten Nachteile vermeiden lassen.
Diese Aufgabe wird bei einer eingangs genannten Werkzeugmaschine erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Spannvorrichtung (3) Spannbacken (15a, 15b) aufweist und mehrfach wiederverwendbar ist, dass die an den Spannbacken (15a, 15b) ausgebildeten Spannflächen (21, 22) der Spannvorrichtung (3) zumindest einem Abschnitt einer Sollform des Werkstückes entsprechen, und dass die Spannbacken (15a, 15b) sich in der Spannvorrichtung in einer Weise anordnen lassen, wodurch sich eine geometrische Form des Werkstückes durch eine Verformung an die Kontur der Spannflächen (21, 22) anpasst. Die Aufgabe wird auch durch eine Spannvorrichtung und ein Verfahren, wie sie in den Patent-ansprüchen 7 und 8 beschrieben sind, gelöst.
Werkstücke wie beispielsweise Turbinenschaufel haben eine im Vergleich zu ihrer Länge und Breite geringe Dicke. Da sie zudem in der Regel aus einer Titan-Legierung bestehen, haben sie eine vergleichsweise gute elastische Verformbarkeit. Dies ermöglicht, die Werkstücke so flächig einzuspannen, dass sie auf Grund der Verformung im Bereich der Spannflächen ihre Sollkontur einnehmen. Bei erfindungsgemässen Spannvor richtungen soll somit das Werkstück - ausgehend von einer Position, welche nicht der Sollkontur entspricht, durch Anschmiegung an die Spannflächen, so weit als möglich in seine Sollform gezwungen werden. In diesem Zusammenhang ist unter "Sollform oder -kontur" ein Werkstück zu verstehen, das innerhalb der erzielbaren Fertigungsgenauigkeit weder Mass-, Form- noch Lagefehler aufweist.
Dies hat den Vorteil, dass die Spannflächen bzw. irgend eine oder mehrere vorbestimmte Stellen der Spannflächen als Referenz für das nachfolgende Bearbeitungsverfahren verwendet werden kann. Da die Verfahrwege des Werkzeuges nun auf die Position der Spannflächen bezogen sind, in denen wiederum der entsprechende Abschnitt des Werkstückes seine Sollkontur bzw. -position einnimmt, ist ein wesentlicher systematischer Fehler eliminiert, durch den sich Fertigungsungenauigkeiten ergeben können. Abgesehen von anderen möglichen Einflüssen kann nun im Idealfall das Werkzeug am Werkstück eine Kontur erzeugen, die der Sollkontur entspricht, ohne dass hierzu vorab eine Vermessung des Werkstückes erforderlich wäre. Die Bearbeitungszeiten von Turbinenschaufeln auf einer Fräsmaschine lässt sich alleine auf Grund der Vermeidung der Messung um ca. 10-15% verringern.
Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass die Einblendstellen, d.h. die Übergänge, zwischen den ungefrästen und gefrästen Bereichen der Werkstücke trotz eines geringeren Aufwandes qualitativ gut gestaltet werden können. Das Werkzeug, dessen Verfahrweg auf der Sollkontur beruht, greift nun nämlich auch tatsächlich in die Sollkontur und nicht in eine mit einer Toleranz behaftete Kontur ein.
In einer besonders günstigen Ausführungsform sollte vorgesehen sein, dass die Spannflächen der Spannvorrichtung auf der gleichen Werkzeugmaschine gefertigt werden, auf der nachfolgend auch die Bearbeitung des eigentlichen Werkstückes er folgt. Hierdurch können Fertigungstoleranzen verringert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sollte die erfindungsgemässe Spannvorrichtung einen Grundkörper aufweisen, der in die Werkzeugmaschine eingespannt wird. In den Grundkörper können wiederum ein oder mehrere Einsätze eingefügt werden, an denen die Spannflächen zur Einspannung des Werkstückes ausgebildet sind. Dies hat den Vorteil, dass ein wesentlicher Teil der Spannvorrichtung für unterschiedliche Werkstücke verwendet werden kann. Soll ein anderer Werkstücktyp bearbeitet werden, muss nur der bzw. die Einsätze ausgetauscht werden. Da somit die formrelevanten Teile der Spannvorrichtung auswechselbar gestaltet sind, kann bezüglich der Spannvorrichtungen der für die Fertigung von unterschiedlichen Werkstücken erforderlichen Aufwand gering gehalten werden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung wird anhand den in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 In einer Vorderansicht ein Ausschnitt einer Werkzeugmaschine, in der eine Spannvorrichtung angeordnet ist, welche ein Werkstück hält;
Fig. 2 eine Draufsicht auf die erfindungsgemässe Spannvorrichtung aus Fig. 1;
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer mit einer erfindungsgemässen Spannvorrichtung einzuspannenden Turbinenschaufel, wobei in der Darstellung zwei Spannbacken unterschiedlicher Spanneinheiten mit Abstand zur Schaufel gezeigt sind;
Fig. 4 die Turbinenschaufel aus Fig. 3, in zwei verschiedenen Zuständen, wobei mit Strichlinien ein Verformungszustand der Schaufel in der Spannvorrichtung gezeigt ist.
Eine in Fig. 1 teilweise gezeigte Fräsmaschine 1 weist eine Rundstation 2 auf, die mit einem Kopf- und einen Fussteil 2a, 2b versehen ist. Im Kopfteil 2a kann eine Spannvorrichtung 3 angeordnet werden. Die Rundstation 2 befindet sich auf einem Schlitten 4, der in X- und in Z-Richtung (orthognal zur Zeichenebene) verfahrbar ist. Die Rundstation 2 ist ausserdem jeweils mit einer angetriebenen Rotationsachse 5 versehen, durch die die Spannvorrichtung 3 in Rotationsbewegungen um die Achse 5 versetzbar ist. Die Fräsmaschine weist zudem einen Werkzeugträger 6 auf, in dem ein Fräswerkzeug 7 angeordnet und angetrieben werden kann. Der Werkzeugträger 6 ist in X- und Y-Richtung verfahrbar und in einem Bereich von ca. +/- 80 DEG um eine Werkzeugspitze 7a verschwenkbar.
Im Bereich der Werkzeugspitze schneidet sich somit eine Bearbeitungsachse des Werkzeuges mit der Schwenkachse des Werkzeugträgers. Der grundsätzliche Aufbau und die Funktionsweise einer solchen Werkzeugmaschine ist in der europäischen Patenanmeldung Nr. 93 120 198.2 der Anmelderin gezeigt, deren Inhalt durch Bezugnahme vollständig aufgenommen wird.
In den Rundstationen 2 kann jeweils eine Spannvorrichtung 3 gehalten werden, wobei Letztgenannte zur Aufnahme eines Werkstücks vorgesehen ist. In der Darstellung von Fig. 1 ist das Werkstück eine durch Präzisionsschmieden vorbearbeitete Turbinenschaufel 8, deren Blatt bereits eine Kontur aufweist, welche innerhalb einer zulässigen Toleranzgrenze liegt. Auf Grund des Werkstoffes der Turbinenschaufel 8, nämlich einer Titan-Legierung, und dem Verhältnis der Länge und Breite zur Dicke der Schaufel, ist diese in einem relativ weiten Bereich elastisch verformbar.
Der vergrösserten Ausschnittsdarstellung von Fig. 2 ist zu entnehmen, dass die Spannvorrichtung 3 einen bezüglich einer Achse rotationssymmetrisch ausgebildeten Grundkörper 10 aufweist. Der Grundkörper kann im Bereich eines Zentrierzapfens 11 in der in Fig. 1 gezeigten Rundstation 2 aufgenommen werden. In der Rundstation 2 fluchtet deren angetriebene Rotationsachse 5 mit der Symmetrieachse der Spannvorrichtung 3. An dem dem Zentrierzapfen 11 gegenüberliegenden Ende des Grundkörpers 10 ist dieser gabelförmig ausgebildet. An jedem Schenkel 14a, 14b der Gabel 14 können zwei sich gegenüberliegende Spannbacken angeordnet werden.
Jede der beiden Schenkel 14a, 14b weist eine Aufnahme auf, in die jeweils ein als Spannbacke 15a, 15b ausgebildeter Einsatz einsetzbar ist. Jeweils eine weitere Spannbacke ist auf die ihr gegenüberliegende Spannbacke 15a, 15b aufgesetzt. Jedes auf diese Weise gebildete Spannbacken-Paar bildet eine Spanneinheit. Die Spannbacken können durch geeignete, jedoch nicht dargestellte, Mittel, wie beispielsweise Schrauben, aneinander fixiert werden, wobei sich hierdurch die Spannflächen gegenüberliegen. Die Spannflächen bilden zwischen sich jeweils ein seitlich offenes Volumen bzw. eine Kavität aus, deren Form und Lage zueinander exakt einem Abschnitt der Sollform der Turbinenschaufel entspricht. In Fig. 2 ist jeweils nur eine Spannbacke 15a, 15b von jeder Spanneinheit gezeigt.
Die Turbinenschaufel 8 wird somit an zwei Stellen zwischen jeweils zwei sich gegenüberliegenden Spannbacken gehalten. Beide Spannstellen befinden sich im Blattbereich der Turbinenschaufel, wobei die erste Spannstelle im Bereich eines Blattendes 16 und die zweite Spannstelle hinter dem Fussbereich 17 der Turbinenschaufel 8 angeordnet ist. Bei der mit ihrer Längsachse 18 im Wesentlichen quer zur Rotationsachse 5 eingespannten Turbinenschaufel 8 befindet sich somit ein so genannter "Snubber" 19 zwischen den beiden Spanneinheiten. Dieser dient - ebenso wie der Fuss - zum Einspannen der Schaufel in einer Turbine.
Zur Bearbeitung der auch in Fig. 3 gezeigten Turbinenschaufel 8 ist somit das Blattende 16, der Snubber 19 und der Fussbereich 17 für das Fräswerkzeug zugänglich. Auf Grund der möglichen Relativbewegungen zwischen Werkstück und Werkzeug entlang von drei Linearachsen X, Y und Z, einer Rotationsachse 5 und einer Schwenkachse des Werkzeugträgers 6, sowie durch die auf Grund des konstruktiven Aufbaus der Spannvorrichtung gegebenen guten Zugänglichkeit des Werkstückes, können sämtliche Fräsbearbeitungen in nur einer Aufspannung durchgeführt werden.
In Fig. 3 sind auch zwei Spannbacken unterschiedlicher Spanneinheiten nebeneinander und - zur besseren Übersichtlichkeit - mit Abstand zur Turbinenschaufel dargestellt. Die jeweils auf der anderen Seite der Turbinenschaufel anzuordnenden Spannbacken der Spanneinheiten sind in Fig. 3 - ebenfalls aus Gründen der Übersichtlichkeit - nicht gezeigt. Auch deren Spannflächenbegrenzungen fluchten mit den Linien 20, sodass eine Projektionsfläche entlang den Linien 20 der sich auf unterschiedlichen Seiten der Turbinenschaufel gegenüberliegenden Spannbackenflächen identisch sind.
In einer nicht gezeigten Spannstellung sind die Spannbacken 15a 15b entlang den Linien 20 parallel verschoben und liegen flächig an der Turbinenschaufel an. In Fig. 4 ist mit dem Bezugszeichen 8 die Turbinenschaufel vor der Einspannung gezeigt. Die sich bei der Einspannung auf Grund der elastischen Verformung ergebende Kontur der Turbinenschaufel ist mit Strichlinien dargestellt und mit 8¾ bezeichnet. Der Fuss 17 der Turbinenschaufel ist ohne Verformung gezeichnet, da dieser die Aufgabe einer Referenzstelle übernimmt und erst nach dem Einspannen gefertigt wird.
Sämtliche Spannbacken 15a, 15b weisen jeweils eine Spannfläche 21, 22 auf, welcher der negativen Kontur jeweils eines Abschnittes der Turbinenschaufel entspricht. Die Spannflächen 21, 22 sind auf Basis von geometrischen Daten der Sollkontur des einzuspannenden Turbinenschaufeltyps auf der in Fig. 1 gezeigten Maschine gefertigt worden. Eine besonders einfache und unaufwändige Fertigung der Spannbacken lässt sich erreichen, wenn hierfür die gleichen Daten verwendet werden, die auch zur Herstellung der Schmiedeform durch Fräsbearbeitung benutzt worden sind. Da die Spannbacken auf der gleichen Maschine gefräst werden, auf der auch die Bearbeitung der Turbinenschaufeln stattfindet, kann bei den Turbinenschaufeln eine sehr gute Fertigungsgenauigkeit erzielt werden.
In der Spannvorrichtung liegen sich die beiden Spannbacken gegenüber, sodass die eine Spannbacke gegen eine Seite der Turbinenschaufel und die andere Spannbacke an einer dieser gegenüberliegenden Seite anliegt. Da der Blattbereich nach dem Schmieden bereits fertiggestellt ist und in der Profilgenauigkeit, Durchbiegung und Torsion innerhalb einer üblicherweise zulässigen Toleranz dem Sollprofil bzw. den Sollwerten entspricht, muss der Blattbereich durch die Spanneinheiten nur innerhalb des elastischen Bereiches in seine Soll-Lage bzw. Soll-Form gezwungen werden. Damit die Turbinenschaufel ihre lagerichtige Position in der in Fig. 1 gezeigten X-Richtung einnimmt, ist an zumindest einer Spannbacke zumindest ein Anschlag vorhanden, gegen den eine Blattkante zu liegen kommt.
Die lagerichtige Position der Turbinenschaufel in Z-Richtung, d.h. entlang einer Längsachse der Turbinenschaufel, und in Y-Richtung, d.h. entlang ei ner Längserstreckung der Snubber, ergibt sich auf Grund der Kongruenz des Blattprofils und des Profils der Spannflächen im Wesentlichen von selbst.
Nach Fertigstellung und Herausnahme der Turbinenschaufel aus der Spannvorrichtung entspannt sich die Schaufel wieder. Dadurch ergeben sich die ungenauen Stellen wieder um den Betrag, den sie auf Grund des Schmiedeprozesses vor der Einspannung hatten und der bereits innerhalb der zulässigen Grenzen lag. Die während der Einspannung erzeugten Konturen der Schaufel - eine hohe Fertigungsgenauigkeit beim Fräsen vorausgesetzt - liegen damit ebenfalls innerhalb der zulässigen Grenzen.