DE102004003865B4

DE102004003865B4 - Verfahren zur maßgenauen Bearbeitung von Bauteilen

Info

Publication number: DE102004003865B4
Application number: DE200410003865
Authority: DE
Inventors: Gregor Dr. Kappmeyer; Thomas Dr. Haubold; Hubert Kilb; Klaus Ladentin
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2024-01-27
Also published as: DE102004003865A1

Abstract

Verfahren zur maßgenauen Bearbeitung von Bauteilen mit folgenden Arbeitsschritten:
– Auswahl zumindest eines Referenzbereichs (1) des Bauteils (2), wobei die Flächen des Referenzbereichs (1) und die Flächen des Bauteils (2) geometrisch gleich verlaufen und fertigungstechnisch entsprechend gleiche geometrische Fehler aufweisen,
– Vermessen der Geometrie des Referenzbereichs (1),
– Vergleich der gemessenen Geometrie mit einer Soll-Geometrie,
– Berechnung der erforderlichen Nachbearbeitung eines zu bearbeitenden Bereichs (3),
– Nachbearbeitung des zu bearbeitenden Bereichs (3),
– Vermessen der Geometrie des bearbeiteten Bereichs, und
– Vergleichen der Geometrie des bearbeiteten Bereichs mit der Sollgeometrie.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur maßgenauen Bearbeitung von Bauteilen, insbesondere an Verdichter- und Turbinen-Bauteilen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung dabei auf ein Verfahren zur Reparatur derartiger Bauteile.
Bei der Herstellung von Triebwerkskomponenten werden umlaufende Nuten und Flächen üblicherweise durch Drehen hergestellt. Dabei werden die Bauteile in einer Vorrichtung gehalten und gespannt, sodass sich z.B. Nuten unterschiedlicher Breite und Tiefe durch einen bahngeführten Bearbeitungsvorgang oder einen Einstechdrehprozeß herstellen lassen.
Nach der Fertigstellung der Bauteile, in deren Verlauf diese durch weitere Bearbeitungsverfahren spanend und/oder fügend bearbeitet werden, sind die beschriebenen umlaufenden Nuten oder Flächen im allgemeinen nicht mehr ideal rund bzw. umlaufend. Dies ist z.B. bedingt durch eine Verformung des Bauteils durch hohe Vorspannkräfte bei der weiteren Bearbeitung, durch Wärmeeinbringung während eines Fügeprozesses, beispielsweise beim Schweißen oder durch im Betrieb aufgetretende Belastungen.
Eine weitere Ursache liegt in der Geometrie des Bauteils. Dabei können durch Einbringen von weiteren Ausnehmungen, Nuten oder Ähnlichem Materialeigenspannungen gelöst werden, die zu einer Verformung führen.
Aus der US 3,784,798 A ist ein Verfahren zur adaptiven Bearbeitung vorbekannt, bei welchem die Schnittgeschwindigkeit und die Zustellgeschwindigkeit auf der Basis von Werten ermittelt werden, die durch Sensoren erfasst werden, welche wiederum die Bearbeitungsparameter ermitteln. Bei dem Ver fahren wird der Bearbeitungsprozeß während des Prozessablaufs optimiert.
Ein ähnliches Verfahren zeigt die US 5,288,209 A Auch bei diesem Verfahren werden während der Bearbeitung zur Optimierung des Bearbeitungsverfahrens Werkstückdaten von bereits bearbeiteten Flächen zugrunde gelegt, um die Bearbeitung zu optimieren.
Die DE 100 30 776 C2 beschreibt ein Verfahren zur Reparatur umlaufender Nuten, wobei offene Nutenden durch Auftragsschweißen verschlossen werden und die Nut vollständig mit einem niedrigschmelzenden Lotpulver gefüllt wird.
Aus „BREMER, Claus: Kompressor- und Turbinenschaufeln automatisch reparieren, IN: Werkstatt und Betrieb 129 (1996) 7–8, S. 672–674" ist ein Reparaturverfahren für Schaufelgeometrien (Freiformgeometrien) vorbekannt. Dabei wird die 3D-Geometrie durch einen adaptiven Bearbeitungsprozess im wieder hergestellten, reparierten Bereich in die ursprüngliche, zeichnungsgerechte Form gebracht.
Aus dem Stand der Technik sind keine Verfahren bekannt, bei denen eine Nachbearbeitung von Bauteilen in einem späteren Herstellungsprozess, beispielsweise von eng tolerierten Nuten, möglich ist. Durch eine rein mechanische Nachbearbeitung würde sich eine deutliche Vergrößerung der Nuten bei gleichzeitiger Verschlechterung der Lagetoleranz im Verhältnis zu anderen umlaufenden geometrischen Merkmalen eines Bauteils, wie z.B. den Schaufel-Nuten, ergeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Durchführbarkeit die Nachbearbeitung von Bauteilen unter Einhaltung höchster Präzision ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass zunächst an einem fertig gestellten Bauteil zumindest ein Referenzbereich ausgewählt wird. Dieser wird vermessen, um die Geometrie des Referenzbereichs und damit die Geometrie des nachzubearbeitenden Werkstücks oder Bauteils zu bestimmen. Diese vermessene Geometrie wird mit einer Sollgeometrie verglichen, wodurch die Berechnung der erforderlichen Nachbearbeitung eines zu bearbeitenden Bereichs des Bauteils möglich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dann vor, dass das zu bearbeitende Bauteil an dem nachzubearbeitenden Bereich bearbeitet wird. Diese Nachbearbeitung kann durch Materialabtrag erfolgen, beispielsweise spanend, beispielsweise durch einen Fräsvorgang. Die Nachbearbeitung kann durch ein NC-Programm gesteuert werden.
Alternativ hierzu ist es erfindungsgemäß auch möglich, die Nachbearbeitung durch einen Materialauftrag durchzuführen, beispielsweise durch Plasmaspritzen, Flammspritzen, Lasercladding, Galvanisieren oder PVD/CVD-Beschichtungsverfahren. Nach einem derartigen Materialauftrag kann nochmals eine Nachbearbeitung durch Materialabtrag erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf metallische Bauteile beschränkt, wird jedoch bevorzugter Weise bei diesen durchgeführt.
Besonders vorteilhafte Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bei umlaufenden Bereichen von rotierenden Bauteilen.
Erfindungsgemäß wird somit die Möglichkeit geschaffen, beispielsweise Nuten zu einem späteren Zeitpunkt der Fertigung oder im Rahmen einer Reparatur in der geforderten Präzision spanend nachzuarbeiten bzw. geometrisch in ihrer Breite und Geometrie zu korrigieren.
Die Erfindung ermöglicht somit eine Kombination aus einem adaptiven Fräsprozeß und einem auftragenden Fertigungsverfahren.
Erfindungsgemäß kann die Vermessung der Geometrie durch einen Messtaster oder Ähnliches erfolgen, der beispielsweise direkt in die Bearbeitungsmaschine integriert ist. Das Messsystem kann berührend oder berührungslos arbeiten.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine schematische Teildarstellung eines umlaufenden, nutartigen Bereichs eines rotierenden Bauteils,
2 eine vergrößerte Darstellung der 1,
3 eine weitere vereinfachte Darstellung eines Bearbeitungsvorgangs durch Materialauftrag,
4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Materialauftrag, und
5 ein Ablaufdiagramm zur Verdeutlichung der Erfindung.
1 ist im Teilschnitt ein umlaufendes rotierendes Bauteil 2 dargestellt, bei welchem umlaufende Bereiche 4 (Nuten) vorgesehen sind. Diese Nuten sind beispielsweise durch einen nachfolgenden Bearbeitungsvorgang oder Ähnliches geometrisch unzureichend, beispielsweise verzogen.
Die 2 zeigt eine Auswahl von Referenzbereichen 1, an denen eine Messung der Geometrie der umlaufenden Bereiche 4 (Nuten) erfolgt. Der Referenzbereich 1 ist beispielsweise bei einer Nut 4 die der zu bearbeitenden Fläche gegenüberliegende Seite der Nut, deren tatsächliche Position und Lage relativ zur Maschine und deren Achsen auf diese Weise ermittelt wird. Die zu vermessende Fläche des Referenzbereichs 1 ist im allgemeinen in demselben Fertigungsprozess erzeugt worden, wie der umlaufende Bereich 4, sodass die entspre chenden Flächen geometrisch gleich verlaufen und entsprechend gleiche geometrische Fehler haben, die zu korrigieren sind.
Die gemessenen Werte werden erfindungsgemäß gespeichert und zur Korrektur des für die zur bearbeitende Fläche oder den zu bearbeitenden Bereich 3 erzeugten NC-Programms verrechnet. Dies geschieht individuell für das jeweilige Bauteil 2 und ermöglicht so eine hohe, von Verzug, Ausrichtfehlern und Spannfehlern unabhängige Positionierung und Bewegung eines Fräswerkzeugs parallel zu der gemessenen Fläche (Referenzbereich 1).
Durch den Bearbeitungsvorgang (beispielsweise einen Fräsprozess) wird eine geometrische Modifizierung der umlaufenden Bereiche 4 (Nuten) oder anderer umlaufender Bauteilmerkmale mit einer Materialabnahme in der Größenordnung ab ca. 0,01 mm ermöglicht. Dieser Fräsprozess kann auf dem gesamten Umfang sowie auf Teilen desselben angewandt werden. Hierdurch ist im Vergleich zu einem Drehprozess das gezielte Aussparen von sensiblen, hochbelasteten Bauteilbereichen möglich, die keiner Nachbearbeitung unterzogen werden dürfen.
Die 3 und 4 zeigen eine Anwendung, bei welcher ein Materialauftrag erfolgt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird beispielsweise ein Plasma-Spritzverfahren oder ein anderes geeignetes Verfahren zum Auftragen von Werkstoffen innerhalb von Nuten auf deren gesamtem Umfang oder auch von Teilen hiervon gezeigt. Hierdurch kann die Nut gezielt verkleinert werden, sodass im Nachgang eine weitere spanende Bearbeitung zur präzisen Erzeugung der funktionsgerechten Geometrie mit Hilfe des oben beschriebenen Fräsverfahrens erfolgen kann.
Bei einem auftragenden Verfahren, beispielsweise einem Plasma-Spritzverfahren, werden erfindungsgemäß die von der wei teren Bearbeitung oder Reparatur auszusparenden Bereiche abgedeckt (abgedeckte Bereich sind in 3 beispielshaft durch das Bezugszeichen 5 sowie durch eine dicke Linie wiedergegeben).
Die Abdeckung kann durch hitzebeständige Klebebänder, Abdeckvorrichtungen, Blenden, Lacke oder andere Verfahren oder Hilfsmittel oder eine Kombination aus diesen durchgeführt werden, die ein Haften der aufzubringenden Schicht dort verhindern, wo kein Materialauftrag gewünscht ist. Es versteht sich, dass die Abdeckung auch durch Blenden oder Ähnliches erfolgen kann. Die 4 zeigt die Verwendung derartiger Abdeckungen nochmals im Detail. Mit dem Bezugszeichen 6 ist die Abdeckung des bereits erwähnten Referenzbereichs 1 bezeichnet. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine hintere Planfläche 7 des umlaufenden Bereichs 4 (Nut). Mit den gepunkteten Linien ist ein beschichteter Bereich 8 wiedergegeben, der sich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel auch auf eine vordere Planfläche 9 erstreckt. Ein Nut-Radius 10 wurde dabei nicht beschichtet.
Die 5 zeigt in Form eines Ablaufdiagramms nochmals eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus. So ist es insbesondere möglich, unebene, nicht ideal gerade umlaufende Geometrie-Elemente, wie z.B. Nuten, Taschen oder Flansche spanend zu bearbeiten. Der Materialabtrag ist dabei ab ca. 0,01 mm möglich, sodass sich eine hochpräzise Nachbearbeitung ergibt. Die nachzubearbeitenden Materialbereiche sind in dem dargestellten Beispiel dabei ab Nuten-Breiten von ca. 1 mm einsetzbar.
Erfindungsgemäß ist es somit möglich, z.B. hochwertige Triebwerkskomponenten wie z.B. Verdichtertrommeln bei Fertigungsfehlern und/oder in der Triebwerksreparatur nachzubear beiten. Hierdurch ist es möglich, diese Bauteile weiterzuverwenden anstelle sie, wie aus dem Stand der Technik bekannt, auszutauschen.
Erfindungsgemäß ergibt sich auch die Möglichkeit von Reparaturen von verschlissenen Dämpfungsdraht-Nuten durch Verkleinern des Nuten-Spaltmaßes. Hierdurch ergibt sich eine erhebliche Verlängerung der Nutzungsdauer ohne Austausch der gesamten Trommel.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Produktion im Zusammenhang mit üblichen und erprobten Fertigungsverfahren einsetzbar. Ein weiterer, wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die Genauigkeit der Bearbeitung unabhängig vom aktuellen Zustand bzw. der Genauigkeit des Bauteils ist.

1: Referenzbereich
2: Bauteil
3: zu bearbeitender Bereich
4: umlaufender Bereich
5: abgedeckter Bereich
6: Abdeckung von Referenzbereich 1
7: hintere Planfläche
8: beschichteter Bereich
9: vordere Planfläche
10: Nut-Radius

Claims

Verfahren zur maßgenauen Bearbeitung von Bauteilen mit folgenden Arbeitsschritten: – Auswahl zumindest eines Referenzbereichs (1) des Bauteils (2), wobei die Flächen des Referenzbereichs (1) und die Flächen des Bauteils (2) geometrisch gleich verlaufen und fertigungstechnisch entsprechend gleiche geometrische Fehler aufweisen, – Vermessen der Geometrie des Referenzbereichs (1), – Vergleich der gemessenen Geometrie mit einer Soll-Geometrie, – Berechnung der erforderlichen Nachbearbeitung eines zu bearbeitenden Bereichs (3), – Nachbearbeitung des zu bearbeitenden Bereichs (3), – Vermessen der Geometrie des bearbeiteten Bereichs, und – Vergleichen der Geometrie des bearbeiteten Bereichs mit der Sollgeometrie.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbearbeitung durch Materialabtrag erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbearbeitung spanend erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbearbeitung durch einen Fräsvorgang erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbearbeitung durch ein NC-Programm gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbearbeitung durch Materialauftrag erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbearbeitung durch Plasmaspritzen, Flammspritzen, Lasercladding, Galvanisieren und/oder PVD/CVD-Beschichtungsverfahren erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Materialauftrag eine Nachbearbeitung durch Materialabtrag erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einem metallischen Bauteil (2) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einem umlaufenden Bereich (4) eines Bauteils (2) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einem nicht umlaufenden Bereich (4) eines Bauteils (2) durchgeführt wird.