DE102004056142A1

DE102004056142A1 - Spannvorrichtung zum Stabilisieren eines Bauteils

Info

Publication number: DE102004056142A1
Application number: DE102004056142A
Authority: DE
Inventors: Albert-Valtentin Schneider
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2004-11-20
Filing date: 2004-11-20
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2024-11-21
Also published as: DE102004056142B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung (100', 100'', 100''') zum Stabilisieren eines Bauteils (200), insbesondere einer Turbinenschaufel, zwecks Bearbeitung des Bauteils. Traditionelle Spannvorrichtungen dieser Art sind ähnlich wie ein Schraubstock aufgebaut und umfassen typischerweise eine Kraftübertragungseinrichtung mit einer Führungseinrichtung (112', 112'') und mit mindestens einem in der Führungseinrichtung geführten Kraftübertragungselement (114', 114''). Weiterhin umfassen diese Spannvorrichtungen eine Anpresseinrichtung (120', 120'', 120''') zum Anpressen des Kraftübertragungselementes (114', 114'') gegen die äußere Oberfläche des Bauteils (200). Um eine vereinfachte und preisgünstigere Anpassung der Kraftübertragungseinrichtung und insbesondere deren Kraftübertragungselemente an die Kontur des einzuspannenden Bauteils zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kraftübertragungseinrichtung (110', 110'') eine Vielzahl derartiger Kraftübertragungselemente aufweist, welche ausgebildet sind - bei eingespanntem Bauteil - an jeweils unterschiedlichen Stellen punktuell und individuell eine Kraft auf die Oberfläche des Bauteils zu übertragen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zum Stabilisieren eines Bauteils, insbesondere einer Turbinenschaufel, zwecks Bearbeitung des Bauteils.

Derartige Spannvorrichtungen sind im Stand der Technik in zahlreichen Varianten grundsätzlich bekannt. Ein klassisches Beispiel für eine derartige Spannvorrichtung ist ein Schraubstock.

Eine Spannvorrichtung, welche ähnlich ausgebildet ist wie ein Schraubstock, wird traditionell auch zum Hartspannen von Laufschaufeln verwendet, welche an die Blattspitzen von Turbinenschaufeln angeschweißt sind und für eine nachfolgende mechanische Fräsbearbeitung stabilisiert werden müssen. Bei einer derartigen Spannvorrichtung sind Kraftübertragungseinrichtungen beziehungsweise Kraftübertragungselemente in Form von Backen vorhanden, welche an die Kontur der äußeren Oberfläche der einzuspannenden Laufschaufeln angepasst sind.

Eine derartige Stabilisierung der Bauteile, beispielsweise der Laufschaufeln, birgt jedoch die Gefahr in sich, dass das Bauteil beim Hartspannen beschädigt wird oder dass sich seine Lage beziehungsweise Stellung beim Festspannen in unerwünschter Weise verändert. Außerdem müssen die Backen individuell an die Kontur des jeweils einzuspannenden Lauf- beziehungsweise Schaufelrades angepasst werden, was sehr zeit- und kostenaufwändig ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine Spannvorrichtung zum Stabilisieren eines Bauteils bereitzustellen, welche eine vereinfachte und preisgünstigere Anpassung ihrer Kraftübertragungseinrichtung beziehungsweise Kraftübertragungselemente an die individuelle Kontur eines einzuspannenden Bauteils ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Dieser Gegenstand ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungseinrichtung eine Vielzahl von Kraftübertragungselementen aufweist, welche ausgebildet sind, – bei eingespanntem Bauteil – an jeweils unterschiedlichen Stellen punktuell und individuell eine Kraft auf die Oberfläche des Bauteils zu übertragen.

Die Vielzahl der Kraftübertragungselemente ermöglicht eine sehr präzise Anpassung der Spannvorrichtung an die Kontur des Bauteils. Eine Anpress einrichtung der Spannvorrichtung ist so ausgebildet, dass sie die einzelnen Kraftübertragungselemente an die äußere Oberfläche des Bauteils heran führt, um nachfolgend eine Kraft über diese Kraftübertragungselemente auf die Oberfläche zu übertragen. Die Anpassung der Kraftübertragungseinrichtung beziehungsweise der Kraftübertragungselemente an die Kontur der äußeren Oberfläche des einzuspannenden Bauteils erfolgt dabei bei jedem Kraftübertragungselement automatisch; es bedarf keiner manuellen Hinführung einzelner Kraftübertragungselemente an die äußere Oberfläche des Bauteils. Aufgrund der Vielzahl der verwendeten Kraftübertragungselemente und der damit verbundenen Vielzahl unterschiedlicher Angriffspunkte auf der Oberfläche des Bauteils braucht jedes einzelne dieser Kraftübertragungselemente lediglich eine vergleichsweise geringe Kraft zu übertragen, um trotzdem eine ausreichende Stabilisierung des Bauteils zu bewirken. Die Stabilisierung erfolgt insofern schonender für das Bauteil als wenn lediglich ein Punkt zur Krafteinleitung vorhanden wäre, über den dann eine vergleichsweise große Kraft eingeleitet werden müsste. Durch die Vielzahl der geringen eingeleiteten Kräfte wird die Gefahr einer Beschädigung des eingespannten Bauteils im Vergleich zu einer großen eingeleiteten Kraft reduziert.

Die Spannvorrichtung ist vorteilhafterweise so ausgebildet, dass sie an einer Wand, einer Maschine oder einer Arbeitsplatte befestigbar ist; auf diese Weise wird auch die Position des Bauteils relativ zu der Arbeitsplatte oder Maschine fixiert. vorteilhafterweise gewährleistet die erfindungsgemäße Spannvorrichtung und insbesondere ihre Ausbildung mit einer Vielzahl von Kraftübertragungselementen, dass das einzuspannende Bauteil während des Einspannvorganges in seiner Ist-Stellung beziehungsweise Ist-Lage nicht verändert wird. Auf Grund der automatischen individuellen Konturanpassung ist die Spannvorrichtung darüber hinaus für Bauteile mit ganz unterschiedlichen äußeren Konturen, insbesondere für ganze Familien von Schaufelblättern, verwendbar. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Stellung der Spannvorrichtung relativ zum Schaufelblatt veränderbar ist, ohne dass langwierige und kostenaufwändige Änderungen an der Spannvorrichtung erforderlich wären. Bei der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung wird dies einfach dadurch realisiert, dass die Positionierhöhe der Kraftübertragungselemente entsprechend angepasst wird.

Die Spannvorrichtung ist so ausgebildet, dass sie auch nach einem Vermessen des Bauteils, insbesondere der Turbinenschaufel, an dieser angebracht werden kann, ohne dass das Bauteil in seiner Lage beziehungsweise Stellung verändert werden muss. Dies ist insbesondere vorteilhaft beim Patchen von integral hergestellten Scheiben und Turbinenschaufeln (Blade Integrated Disk: Blisk).

Schließlich ist es vorteilhaft, dass die Spannvorrichtung gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel mehrfach verwendet werden kann.

Merkmale zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele dieser Spannvorrichtung sind in den Unteransprüchen zum Anspruch 1 beansprucht.

Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch eine weitere Spannvorrichtung gelöst, welche in einem nebengeordneten Anspruch beansprucht ist. Die Vorteile dieses dritten Ausführungsbeispiels entsprechen den oben mit Bezug auf Anspruch 1 genannten Vorteilen.

Darüber hinaus bietet das dritte Ausführungsbeispiel den Vorteil, dass die Spannvorrichtung dabei mit bearbeitet/zerspant werden kann.

Weiterhin bietet das dritte Ausführungsbeispiel den Vorteil, dass das einzuspannende Bauteil sehr großflächig, vorzugsweise vollständig, mit seinem kompletten Bearbeitungsbereich eingespannt werden kann. Dadurch wird zum Beispiel bei einem Tauchfräsvorgang die beste Stabilität für das Bauteil, zum Beispiel ein Schaufelblatt, während des Bearbeitungsprozesses erzielt, weil das Spannen nächst möglich am Fräsbereich erfolgt.

Für alle Ausführungsbeispiele ist vorteilhaft, wenn die einzelnen Bestandteile der Spannvorrichtung im Spritzgussverfahren, teilweise auch miteinander integriert, gefertigt werden; dies bietet insbesondere einen Kostenvorteil bei einer Serienproduktion der Spannvorrichtung.

Der Beschreibung sind insgesamt sieben Figuren beigefügt, wobei
1 eine Draufsicht auf die Spannvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine Kraftübertragungseinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
3 einen Längsschnitt durch die Spannvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
4 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Spannvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
5 eine Kraftübertragungseinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
6 einen Längsschnitt durch die Spannvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel; und
7 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Spannvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
veranschaulicht.
Die Erfindung wird nachfolgend in Form von drei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die soeben genannten Figuren detailliert beschrieben. In allen Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die gelegentlich verwendeten Hochkommata in unterschiedlicher Anzahl repräsentieren jeweils unterschiedliche Ausführungsbeispiele gleicher Elemente.
1 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung 100' gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Spannvorrichtung dient zum Stabilisieren eines Bauteils 200, hier beispielhaft einer Turbinenschaufel, zum Zwecke der nachfolgenden Bearbeitung des Bauteils. Die Spannvorrichtung 100' ist zweiteilig in Form der Teile T_I, T_II aufgebaut. Beide Teile umfassen jeweils mindestens eine Kraftübertragungseinrichtung 110'-1, 110'-2, wobei die Kraftübertragungseinrichtungen der Teile jedoch auf unterschiedliche, vorzugsweise einander gegenüberliegende äußere Oberflächen des einzuspannenden Bauteils 200 wirken. Außerhalb des Bauteils sind die beiden Teile T_I, T_II an den Verbindungsstellen V_I, V_II miteinander verbunden, zum Beispiel zusammengeklebt oder verschraubt. Die Spannvorrichtung 100' ist zum Beispiel über Schraubverbindungen 116' mit einer stabilen Arbeitsumgebung, zum Beispiel einer Arbeitsplatte, einer Bearbeitungsmaschine oder Bauteil-Aufspannvorrichtung, insbesondere einer Bohrmaschine oder einer Fräsmaschine, fest verbindbar, um das Bauteil in eingespanntem Zustand auch gegenüber dieser Arbeitsplatte oder gegenüber der Bearbeitungsmaschine zu stabilisieren.
Jede Kraftübertragungseinrichtung 110'-1, 110-'-2 umfasst eine eigene Führungseinrichtung 112'-1, 112'-2 sowie mindestens ein in der Führungseinrichtung geführtes Kraftübertragungselement 114'-1-i, 114'-2-i mit i = 1...I. Die Ausbildung der Führungseinrichtung 112' und der Kraftübertragungselemente 114' sowie deren Zusammenspiel bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Spannvorrichtung werden weiter unten unter Bezugnahme auf 2 näher erläutert.
Die Spannvorrichtung 100' umfasst weiterhin eine Anpresseinrichtung 120' zum Anpressen des mindestens einen Kraftübertragungselementes 114' gegen die äußere Oberfläche des Bauteils 200. Die Anpresseinrichtung 120' umfasst bei dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel für jede Kraftübertragungseinrichtung 110'-1 und 110'-2 einen individuell zugeordneten Ballon 122'-1 und 122'-2. Eine Spendeeinrichtung 124' dient bei dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel vorzugsweise als gemeinsame Spendeeinrichtung zum Befüllen der beiden Ballone 122'-1 und 122'-2 über jeweils zugeordnete Verbindungsleitungen 123.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung 100' wird nachfolgend beschrieben.
Zum Einspannen beziehungsweise Stabilisieren des Bauteils 200 befüllt die Spannvorrichtung 124' die beiden Ballone 122'-1 und 122'-2 jeweils mit einem Medium. Bei diesem Medium kann es sich beispielweise um Granulat, Klebstoff, Harz, Kunststoff (z.B. Biresin, Scotch Weld usw.) oder Schaum handeln. Durch das Befüllen sind die Ballone bestrebt, sich in ihrem Volumen auszudehnen, wodurch sie auf Grund ihrer erfindungsgemäßen Anordnung zwischen einer im Wesentlichen unnachgiebigen Gehäusewand GW der Spannvorrichtung 100' und den Kraftübertragungseinrichtungen 110'-1 und 110'-2 eine Kraft auf die Kraftübertragungselemente 114'-1-i und 114'-2-i ausüben. Die in den Führungseinrichtungen 112'-1 und 112'-2 geführten Kraftübertragungselemente übertragen die von den Ballonen 122'-1 und 122'-2 auf sie ausgeübte Kraft auf die äußere Oberfläche des einzuspannenden Bauteils 200 und stabilisieren dieses auf diese Weise. Erfindungsgemäß umfasst jede der Kraftübertragungseinrichtungen 110'-1 und 110'-2 eine Vielzahl von Kraftübertragungselementen 114'-1-i und 114'-2-i mit i = 1...–I, wie dies in 1 dargestellt ist. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die äußere Oberfläche des einzuspannenden Bauteils an ganz unterschiedlichen Stellen jeweils punktuell mit einer individuellen Kraft zum Einspannen beaufschlagt wird. Auf Grund der Vielzahl der vorgesehenen Kraftübertragungselemente muss die von jedem einzelnen Kraftübertragungselement übertragene Kraft zum Stabilisieren des Bauteils 200 nicht so groß sein als wenn lediglich wenige Kraftübertragungselemente vorhanden wären. Die erfindungsgemäße große Vielzahl von Kraftübertragungselementen ermöglicht insofern eine schonende Krafteinleitung beziehungsweise -übertragung auf das einzuspannende Bauteil und gewährleistet aber dennoch eine gute Stabilisierung desselben.
2 veranschaulicht die konstruktive Ausgestaltung der Kraftübertragungseinrichtung 110' gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, wie sie bei dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel der Spannvorrichtung 110' verwendet wird. Die Kraftübertragungseinrichtung 110' ist vorzugsweise bei beiden Teilen T_I, T_II der in 1 gezeigten Kraftübertra gungseinrichtung 110' dieselbe und wird deswegen nachfolgend nur einmal beschrieben.
Gemäß ihrem ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Kraftübertragungseinrichtung 110, wie in 2 dargestellt, eine Führungseinrichtung 112' in Form eines Wandelementes mit Löchern; siehe auch den Längsschnitt durch die Spannvorrichtung 100' gemäß 3. Weiterhin umfasst die Kraftübertragungseinrichtung 110' eine Vielzahl von Kraftübertragungselementen, welche bei dem ersten Ausführungsbeispiel in Form von Stößeln 114' ausgebildet sind. Diese Stößel sind in den Löchern des Wandelementes 112' axial beweglich gelagert (siehe den Doppelpfeil DPF in 2) und zusammen mit dem Wandelement so angeordnet, dass sie im Wesentlichen quer zur Oberfläche des einzuspannenden Bauteils geführt sind. wie einer Zusammenschau der 1 und 2 zu entnehmen ist, ist jeweils ein Ende E1 der Stößel der äußeren Oberfläche des einzuspannenden Bauteils 200 zugewandt, während ein zweites Ende E2 der Stößel der Oberfläche OB des Ballons 122' zugewandt ist. Ihre beschriebene Lagerung ermöglicht es den Stößeln, eine von Seiten der Ballone 122' in sie eingeleitete Kraft, in 2 angedeutet durch den fettgedruckten Pfeil F, in gewünschter Weise auf das Bauteil 200 zu übertragen, um dieses einzuspannen und zu stabilisieren. Bei der Einleitung beziehungsweise Übertragung einer Kraft von dem Ballon 122' auf das Ende E2 des Stößels 114' wölbt sich die Oberfläche OB des Ballons 122', wie in 2 gezeigt.
Alternativ zu einer Übertragung einer Kraft über die Hülle der Ballone 122' auf die Stößel besteht die Möglichkeit, die Kraftübertagung auf die Stößel dadurch zu realisieren, dass die Spendeeinrichtung 124 das Medium über die Verbindungsleitungen 123 nicht in die Ballone, sondern direkt in einen im Wesentlichen durch die Gehäusewand GW der Spannvorrichtung 100' und das Wandelement 112' begrenzten Raum einbringt; die Ballone könnten bei dieser Variante eingespart werden. Dieser Raum wird weiterhin durch die in den Löchern des Wandelementes 112' gelagerten Stößel 114' und insbesondere deren Enden E2 begrenzt. Bei einer Befüllung mit dem Medium baut sich in dem Raum ein Druck auf, welcher bewirkt, dass auch eine gewünschte Kraft F, wie in 2 gezeigt, auf das Ende E2 der Stößel 114' ausgeübt wird. Auch in diesem Fall übertragen die Stößel 114' die Kraft auf das Bauteil 200 und spannen dieses ein. Damit das Medium nicht durch die Löcher beziehungsweise die Übergänge zwischen dem Wandelement 112' und den Stößeln 114' entweichen kann, was unweigerlich einen Druckverlust in dem Raum zur Folge hätte, ist bei dieser Variante des ersten Ausführungsbeispiels, bei der auf die Ballone 122' verzichtet wird, eine Dichtung 113' entlang des Umfangs der Löcher vorgesehen, um die Übergänge zwischen dem Wandelement 112' und den Stößeln 114' abzudichten. Die Dich tungen 113' könnten beispielweise in an den Rändern der einzelnen Löcher des Wandelementes 112' vorgesehenen umlaufenden Nuten gelagert sein.
3 zeigt einen Längsschnitt durch die Spannvorrichtung 100' gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Im Vordergrund ist das einzuspannende Bauteil 200 zu erkennen, welches aus Gründen der Transparenz hier nur in seinen Umrissen angedeutet ist. Hinter dem Bauteil ist ein Längsschnitt durch die Kraftübertragungseinrichtung 110'-1 dargestellt. Es ist das Wandelement 112 mit den darin befindlichen Löchern zum Führen der Stößel angedeutet. Im Längsschnitt sind von diesen Stößeln lediglich deren dem Bauteil 200 zugewandten Enden E1 zu erkennen, welche die Löcher im Wesentlichen ausfüllen. In 3 ist es wichtig zu erkennen, dass die Vielzahl der Stößel beziehungsweise Löcher nicht lediglich in einer Richtung, sondern zweidimensional in Form eines Stößelfeldes angeordnet sind. Auf diese Weise wird eine quasi flächige Krafteinleitung auf einen größeren Teil des Bauteils gewährleistet, was zu einer zusätzlichen Stabilisierung des Bauteils beiträgt; insbesondere kann das Bauteil dann bei Einspannung nicht quer zur Spannvorrichtung kippen.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Spannvorrichtung. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Vorrichtung wiederum aus zwei Teilen T_I, T_II, welche auf vorzugsweise einander gegenüberliegende Oberflächen des Bauteils 200 einwirken. Die Kraftübertragungseinrichtungen 110'' und die Anpresseinrichtungen 120'' sind bei diesem Ausführungsbeispiel jedoch anders ausgebildet als beim ersten Ausführungsbeispiel und werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 5 detailliert beschrieben. Das Grundprinzip der Erfindung, nämlich dass eine Vielzahl von Kraftübertragungselementen 114'' vorgesehen ist, welche an unterschiedlichen Stellen punktuell und individuell eine Kraft auf die Oberfläche des einzuspannenden Bauteils 200 übertragen, wie es oben unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 detailliert beschrieben wurde, gilt bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gleichermaßen.
5 zeigt die besondere Ausgestaltung der Kraftübertragungseinrichtung 110'' und der Anpresseinrichtung 120'' gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Kraftübertragungseinrichtung 110'' umfasst die Führungseinrichtung 112'', welche hier als Welle ausgebildet ist. Die Welle ist beispielsweise aus Stahl oder Kunststoff gefertigt. Weiterhin umfasst die Kraftübertragungseinrichtung 110'' Kraftübertragungselemente 114'', welche hier jeweils als Exzenterscheibe ausgebildet sind. Die Exzenterscheiben sind auf der Welle 112'' exzentrisch drehbar gelagert. Mit jeder Exzenterscheibe 114'' fest verbunden, ist eine Feststellschraube 115'' zum Fixieren der Exzenterscheibe 114'' in einer gewünschten Stellung re lativ zu der Welle 112''. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel dient eine Dreh- oder Spiralfeder als Anpresseinrichtung 120''. Dabei ist ein Ende EW der Feder fest mit der Welle 112'' und das andere Ende der Feder EE fest mit der Exzenterscheibe 114'' verbunden.
Die Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels der Spannvorrichtung 100'' wird nachfolgend beschrieben:
In einer Ausgangssituation sind die einzelnen Exzenterscheiben 114'' unter Vorspannung der Drehfeder 120'' mit Hilfe der Feststellschrauben 115'' auf der Welle fixiert. Es wird dann das Bauteil 200, zunächst noch beabstandet vom Rand der Exzenterscheiben, in die Spannvorrichtung 100'' eingebracht. Zum Einspannen des Bauteils 200 werden dann die Feststellschrauben 115'' gelöst, woraufhin sich die Exzenterscheiben, angetrieben durch die vorgespannte Drehfeder 120'', auf der Welle 112'' zu drehen beginnen, siehe die Pfeilrichtung in 5. Die Drehbewegung der Exzenterscheiben um die Welle 112'' dauert solange an, bis die Exzenterscheiben 114'' mit ihrem Rand an die äußere Oberfläche des Bauteils 200 anschlagen und eine Anpresskraft F punktuell auf dieses ausüben. Aufgrund dieser Anpresskraft F wird das Bauteil in der Spannvorrichtung 100'' eingespannt. Die Feststellschraube 115 kann dann in dieser Anpressstellung fixiert werden. Durch das Anziehen der Feststellschraube 115'' wird verhindert, dass sich die Exzenterscheibe bei einer Bewegung des Bauteils 200 aus ihrer Einspannsituation herausdreht und der Bewegung des Bauteils nachgibt; dies würde der gewünschten Einspannung des Bauteils zuwiderlaufen.
6 zeigt einen Längsschnitt durch die Spannvorrichtung 100'' gemäß ihrem zweiten Ausführungsbeispiel. Auch hier ist wiederum das eingespannte Bauteil 200 nur in seinen Umrissen angedeutet, weiterhin ist hier zu erkennen, dass auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Kraftübertragungselemente nicht lediglich linear, sondern zweidimensional, also flächig angeordnet sind. Zu diesem Zweck sind in der Spannvorrichtung 100'' mehrere, hier beispielhaft zwei Wellen 112'' mit jeweils einer Mehrzahl von Kraftübertragungselementen 114' in Form der Exzenterscheiben in unterschiedlicher Positionierungshöhe in der Spannvorrichtung angeordnet. Auch hier dient die flächige Anordnung der Kraftübertragungselemente, vorliegend der Exzenterscheiben, für eine besonders gute Stabilisierung des Bauteils 200.
7 zeigt schließlich ein drittes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Spannvorrichtung 100'''. Das dritte Ausführungsbeispiel entspricht in seinem Aufbau und in seiner Funktionsweise im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, allerdings mit dem Unterschied, dass die Kraftübertragungseinrichtung eingespart wurde bzw. dass die Oberfläche des Ballons OB als Kraftübertragungselement fungiert und direkt auf die Oberfläche des einzuspannenden Bauteils einwirkt. Auch hier besteht die Spannvorrichtung wiederum beispielhaft aus zwei Teilen T_I und T_II wobei die Ballone 122'''-1 und 122'''-2 jeweils auf gegenüberliegende Oberflächen OB des Bauteils 200 einwirken. Bei den beiden Teilen T_I und T_II handelt es sich um zwei separate Gehäusehälften beziehungsweise Spanneinheiten, welche in ihrer Größe dem entsprechenden Spannbereich des Bauteils (zum Beispiel Schaufelblatt beziehungsweise Bauteilsortiment) angepasst sind.
Jedes Teil umfasst jeweils eine Verbindungsleitung 123''-1, 123''-2 in Form eines Einfüllkanals mit jeweils einem zugeordneten Ballon beziehungsweise Einfüllsack 122'''-1, 122'''-2. Die Verbindungsleitungen können zum Beispiel mit einem Rückschlagventil (in 7 nicht gezeigt) ausgebildet sein, damit das jeweilige Füllmedium nicht aus dem Ballon zurückfließen kann. Das Material aus dem die Ballone gefertigt sind, muss relativ strapazierfähig sein und sollte eine geringst mögliche Dicke haben.
Als Füllmedium kann zum Beispiel PUR-Schaum, Klebstoff, Kunststoff, zum Beispiel Biresin, Scotch Weld DP610 oder Harz etc. verwendet werden.
An den beiden Teilen T_I und T_II sind jeweils komplementäre Positionierelemente zum Beispiel in Form einer Nut und einem Stein beziehungsweise einer Bohrung und einem Stift T_I-1, T_II-1 vorgesehen. Diese Positionierelemente erlauben bei einer späteren Anwendung eine genaue Positionierung der Teile beziehungsweise Gehäusehälften zueinander. Die Teile umfassen weiterhin vorzugsweise Befestigungseinrichtungen (in 7 nicht gezeigt) zum Spannen beziehungsweise Zentrieren der Teile an einer Bearbeitungsvorrichtung. Durch das Spannen beziehungsweise Zentrieren der gesamten Spannvorrichtung wird auch der zu bearbeitende Bereich fest eingespannt beziehungsweise gehalten, sodass bei einer mechanischen Bearbeitung des eingespannten Bauteils keine Probleme zum Beispiel in Form einer unerwünschten Verschiebung desselben auftreten können. Die Handhabung der Spannvorrichtung insbesondere gemäß ihrem dritten Ausführungsbeispiel wird nachfolgend näher beschrieben:
Zunächst wird eine Bearbeitungsvorrichtung, bei der es sich nicht um die erfindungsgemäße Spannvorrichtung handelt, auf einem Maschinentisch aufgespannt. Das Bauteil wird dann in diese Vorrichtung aufgenommen und eingespannt, um seine Geometriedaten durch Vermessen zu ermitteln. Auf Basis der gemessenen individuellen Geometriedaten wird ein Bearbeitungsprogramm, zum Beispiel ein Fräsprogramm, für die individuelle Bearbeitung des Bauteils generiert.
Nach dem Vermessen und Erstellen des Bearbeitungsprogramms wird die erfindungsgemäße Spannvorrichtung 100''' zum Beispiel von einem Maschinenwerker an dem Bauteil angebracht. Die beiden Teile beziehungsweise Gehäusehälften T_I und T_II werden auf gegenüberliegenden Seiten des Bauteils positioniert und zusammengesteckt. Aufgrund der oben beschriebenen Positionierelemente werden die beiden Bauteile dabei automatisch richtig zueinander positioniert. Die beiden Teile T_I und T_II werden jedoch nicht nur miteinander, sondern – wie oben bereits erwähnt – zusätzlich auch an der Bearbeitungsvorrichtung, zum Beispiel einer Fräsmaschine, befestigt. Dabei reicht eine einfache Spannmethode aus.
Unter Zuführen des Füllmediums mittels einer Dosiereinheit (in 7 nicht gezeigt) in die Verbindungsleitungen 123''-1 und 123''-2 der beiden Teile T_I und T_II und somit in die jeweiligen Ballone 122'''-1 und 122'''-2 wird eine nahezu formschlüssige Einbettung des Bauteils 200, beispielsweise eines Schaufelblattes, erreicht und nach Aushärtung des Füllmediums eine feste Einspannung des Bauteils erreicht.
Sobald die feste Einspannung realisiert ist, kann die Bearbeitung des Bauteils, zum Beispiel die Fräsbearbeitung mittels der Bearbeitungsvorrichtung beginnen. Vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße Spannvorrichtung insbesondere gemäß ihrem dritten Ausführungsbeispiel zusammen mit dem Bauteil 200 mit bearbeitet, das heißt mit abgefräst oder zerspant werden, wenn die Ballone an die Oberflächenkontur des Bauteils 200 in dessen Bearbeitungsbereich angepasst und ausgehärtet sind. Auf diese Weise wird eine maximale Stabilisierung des Bauteils während seiner Bearbeitung gewährleistet. Nach der Bearbeitung kann die erfindungsgemäße Spannvorrichtung, soweit sie nicht durch Fräsen bereits mit entfernt worden ist, von der Vorrichtung gelöst und in ihre Einzelteile T_I und T_II mit den jeweiligen Ballonen 122'''-1 und 122'''-2 zerlegt und von dem Bauteil 200 entfernt werden. Falls erforderlich können diese Arbeitschritte auch dadurch realisiert werden, dass die beiden Teile gegebenenfalls zusammen mit dem Bauteil mit flüssigem Stickstoff in Verbindung gebracht werden, woraufhin diese zerbersten, insbesondere wenn die Teile aus zum Beispiel Polysterol gefertigt sind.
Vorteile der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung 100''', welche sich insbesondere auf deren dritte Ausführungsform beziehen, werden im Folgenden benannt:
Vorteilhafterweise braucht das zu bearbeitende Bauteil zum Anbringen der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung und zum Bearbeiten nicht nach auswärts an eine Fremdfirma vergeben zu werden. Das zu bearbeitende Bauteil, insbesondere Schaufelblatt, kann am Maschinenarbeitsplatz vermessen werden und kann anschließend ohne von der Bearbeitungsvorrichtung abgespannt werden zu müssen, in die erfindungsgemäße Spannvorrichtung eingespannt werden. Dadurch dass die zuvor ermittelten Messergebnisse unmittelbar und ohne Abweichungen, wie sie z.B. durch ein Auf- oder ein Abspannen des Bauteils auf die Bearbeitungsvorrichtung entstehen würden, in das Bearbeitungsprogramm integriert werden, werden zum einen Fehler bei der Bearbeitung minimiert und die eigentliche Bearbeitung des Bauteils kann unmittelbar nach dessen Vermessung und der Generierung des Bearbeitungsprogramms erfolgen. Weil die erfindungsgemäße Spannvorrichtung von einem Maschinenwerker selbst durchgeführt werden kann, muss keine weitere Fachabteilung eingeschaltet werden, wodurch Durchlaufzeiten eingespart werden. Dadurch dass die erfindungsgemäße Spannvorrichtung aus zwei separaten Teilen mit jeweils getrennten Ballonen besteht, wird verhindert, dass sich die Füllmedien in beiden Ballonen im Bereich des einzuspannenden Bauteils vermischen bzw. unlösbar miteinander verbinden. Dadurch wird die Demontage der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung bzw. des nach der Bearbeitung überbleibenden Restes der Spannvorrichtung verhindert. Die Ballone sind vorzugsweise aus besonders dünnem Material gefertigt, um ein möglichst genaues formschlüssiges Anliegen des Ballons bzw. des Füllmediums an die jeweilige Bauteiloberfläche OB zu realisieren. Auf diese Art und Weise findet eine automatische Anpassung der Spannvorrichtung an die jeweils individuelle Geometrie des Bauteils 200 statt; das heißt Form-, Lage- oder Stellungsabweichungen des Bauteils stellen kein Problem bei der Einspannung dar, weil sich das Füllmedium und die Ballone jeder Geometrie anpassen. Eine spätere Änderung des zu bearbeitenden Bauteils erfordert keine Änderung der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung als solche; gegebenenfalls kann es jedoch erforderlich sein, eine gleichartige Spannvorrichtung zu verwenden und deren Ballone neu aufzufüllen, damit sich diese an die möglicherweise geänderte Kontur des Ersatzteils anpassen.
Vorteilhafterweise kann die Herstellung der kompakten erfindungsgemäßen Spannvorrichtung preisgünstig von geeigneten Fachfirmen übernommen werden, insbesondere weil es sich bei der Spannvorrichtung um einen Wegwerfartikel handelt.
Vorteilhafterweise lassen sich die bei der Bearbeitung zerspanten Reste der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung, soweit sie in die Kühlflüssigkeit der Bearbeitungsvorrichtung gelaugt sind, mit Hilfe eines Flüssigkeitsfilters leicht aus dieser herausfiltern. Es ist vorteilhaft, wenn das Ma terial der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung nicht gesundheitsschädlich sowie umweltfreundlich ist.
Vorteilhafterweise sind bei den beiden Teilen T_I und T_II jeweils Versteifungsrippen, zum Beispiel aus Kunststoff gespritzt, vorgesehen, um die Stabilität bzw. Steifigkeit der Teile zu verbessern. Des Weiteren können bei diesen Teilen Begrenzungsrippen (in 7 nicht gezeigt) vorgesehen sein, welche die Ausdehnung der Ballone begrenzen.
Weil das Füllmedium in die Ballone verfüllt wird und deshalb nicht direkt mit dem Bauteil 200 in Verbindung kommt, sind Reinigungs- und Strippverfahren zum Entfernen von Rückständen am Bauteil 200 nicht erforderlich. Durch die Verwendung von zweikomponentigem Füllmedium wird eine schnelle Aushärtung desselben ermöglicht, so dass die nachfolgende mechanische Bearbeitung sehr kurzfristig nach dem Einfüllen des Füllmediums erfolgen kann. Das zweikomponentige Füllmedium könnte auch bereits bei der Herstellung der Spannvorrichtung in die einzelnen Teile integriert werden. Vorteilhafterweise hat das Einbringen des Füllmediums in die Ballone keine Auswirkung auf die Lage und/oder Stellung des Bauteils. Erforderlichenfalls kann die Spannvorrichtung während einer Bearbeitung auch mehrfach ausgetauscht werden. So kann es beispielsweise erforderlich sein, dass nach einem Vorfräsen und einem neuerlichen Vermessen die alte Spannvorrichtung gegen eine neue Spannvorrichtung ausgetauscht werden muss, wenn sich die Lage oder Stellung des Bauteils während des Vorfräsens verändert hat. Dieses Austauschen der Spannvorrichtung kann aufgrund der beschriebenen Ausbildung der Spannvorrichtung schnell, unkompliziert und preisgünstig erfolgen, da die jeweilige Spannvorrichtung ein Wegwerfartikel ist.
Vorzugsweise ist in den Ballonen in Verbindung mit dem jeweiligen Teil T_I und T_II eine sogenannte Entlüftungsbohrung bzw. -öffnung integriert. Durch diese kann dann eventuell vorhandene Luft im Innern der Ballone beim Einfüllen des Füllmediums aus den Ballonen entweichen.
Nach Aushärtung des Füllmediums in den Ballonen repräsentieren deren Oberflächen ein negatives Abbild der Oberfläche bzw. Kontur des Bauteils; insofern kann die Spannvorrichtung bzw. deren Ballone auch zur Geometrieermittlung eingesetzt werden. Ein möglicher Einsatzbereich wäre zum Beispiel die Ermittlung von Beschädigungen in Form von Dellen oder Poren etc. in der Oberfläche des Bauteils 200.
Vorteilhafterweise wird die gesamte Spannvorrichtung in allen Ausführungsbeispielen aus Kunststoff, zum Beispiel aus Polystyrol gefertigt. Es werden dann zunächst das Gehäuse und diverse Einzelteile, insbesondere der Kraftübertragungseinrichtung, aus Kunststoff gefertigt. Vorzugsweise und sofern vorgesehen wird das Gehäuse mit integrierter Führungseinrichtung für die Kraftübertragungselemente gefertigt. Eine für die Herstellung dieser Einzelteile erforderliche Spritzgussvorrichtung kann dann vorteilhafterweise nach einem Baukastenprinzip ausgelegt werden, was zu Kosteneinsparungen bei einer Serienproduktion der genannten Teile führt. Nach der Herstellung der Einzelteile aus Kunststoff werden diese bei einem Hersteller der Spannvorrichtung zu der Spannvorrichtung beziehungsweise deren einzelnen Teile T_I und T_II zusammengebaut. Die Montage umfasst erforderlichenfalls auch den Einbau der Dichtungen 113', zum Beispiel in Form von O-Ringen, sowie das Verbinden der beiden Teile T_I und T_II der Spannvorrichtung. Weiterhin umfasst die Montage den Einbau der Ballone 122', sofern diese vorgesehen sind.
Die erfindungsgemäße Spannvorrichtung eignet sich nicht nur zur Verwendung bei Instandsetzungen, sondern auch zur Fixierung von Bauteilen bei einer Neuteilefertigung. Mit der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung können Bauteile, insbesondere Turbinenschaufeln, zunächst an ihrer Basis aufgenommen werden und anschließend kann die Spannvorrichtung angebracht werden. Das so zentriert positionierte Bauteil kann anschließend weiter bearbeitet werden.

Claims

Spannvorrichtung (100', 100'') zum Stabilisieren eines Bauteils (200), insbesondere einer Turbinenschaufel, mit einer äußeren Oberfläche zwecks Bearbeitung des Bauteils (200), umfassend: mindestens eine Kraftübertragungseinrichtung (110', 110'') mit einer Führungseinrichtung (112', 112'') und mindestens einem in der Führungseinrichtung geführten Kraftübertragungselement (114', 114''); und mindestens eine Anpresseinrichtung (120', 120'') zum Anpressen des Kraftübertragungselementes (114', 114'') gegen die äußere Oberfläche des Bauteils (200); dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungseinrichtung (110', 110'') eine Vielzahl von Kraftübertragungselementen (114', 114'') aufweist, welche ausgebildet sind – bei eingespanntem Bauteil (200) – an jeweils unterschiedlichen Stellen punktuell und individuell eine Kraft auf die Oberfläche des Bauteils zu übertragen.
Spannvorrichtung (100') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung (112') als Wandelement mit Löchern ausgebildet ist; und die Kraftübertragungselemente (114') als Stößel ausgebildet und in den Löchern individuell und im Wesentlichen quer zur Oberfläche des Bauteils (200) so geführt sind, dass jeweils ein Ende (E1) der Kraftübertragungselemente (114') der äußeren Oberfläche des Bauteils (200) zugewandt ist.
Spannvorrichtung (100') nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpresseinrichtung (120') einen Ballon (122') und eine Spendeeinrichtung (124) zum Befüllen des Ballons (122') mit einem Medium aufweist, so dass der Ballon in befülltem Zustand über seine äußere Oberfläche (OB) eine Kraft auf das der äußeren Oberfläche des Bauteils (200) abgewandten Ende (E2) von mindestens einem der Kraftübertragungselemente (114') ausübt.
Spannvorrichtung (100') nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wandelement (112') und den in den Löchern des Wandelements geführten Kraftübertragungselementen (114') eine Dichtung (113') vorgesehen ist; und die Spendeneinrichtung (124) ausgebildet ist, ein Medium unter Druck in einen durch das Wandelement (112') begrenzten Raum jenseits des Bauteils (200) einzubringen, wobei eine Kraft auch auf die der äußeren Oberfläche des Bauteils abgewandten Enden (E2) der Kraftübertragungselemente (114') ausgeübt wird, welche über die Kraftübertragungselemente auf die äußere Oberfläche des Bauteils (200) übertragen wird.
Spannvorrichtung (100'') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung (112'') als mindestens eine Welle ausgebildet ist; die Kraftübertragungselemente (114'') jeweils als Excenterscheibe ausgebildet sind, welche auf der Welle exzentrisch drehbar gelagert sind und jeweils eine mit der Exzenterscheibe fest verbundene Feststellschraube (115'') aufweisen zum Fixieren der Excenterscheibe (114'') in einer gewünschten Stellung relativ zu der Welle; und die Anpresseinrichtung (120'') als Drehfeder, vorzugsweise als Spiralfeder, ausgebildet ist, deren eines Ende (EW) fest mit der Welle und deren anderes Ende (EE) fest mit der Excenterscheibe verbunden ist.
Spannvorrichtung (100''') zum Stabilisieren eines Bauteils (200) mit einer äußeren Oberfläche zwecks Bearbeitung des Bauteils, umfassend: ein Kraftübertragungselement; und mindestens eine Anpresseinrichtung (120''') zum Anpressen des Kraftübertragungselementes gegen die äußere Oberfläche des Bauteils; dadurch gekennzeichnet, dass die Anpresseinrichtung einen Ballon (122'''), welcher auch das Kraftübertragungselement repräsentiert, und eine Spendeeinrichtung (124''') aufweist, welche ausgebildet ist zum Befüllen des Ballons (122''') mit einem Medium so, dass der Ballon in befülltem Zustand eine Kraft auf die äußere Oberfläche des Bauteils (200) ausübt.
Spannvorrichtung (100', 100''') nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Medium um Klebstoff, Harz, Kunststoff (z.B. Biresin, Scotch Weld usw.), Granulat oder Schaum handelt.
Spannvorrichtung (100', 100'', 100''') nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung aus zwei miteinander verbindbaren Teilen T_I, T_II mit jeweils eigener Kraftübertragungseinrichtung aufgebaut ist und wobei die Teile in der Spannvorrichtung so angeordnet sind, dass die Kraftübertragungselemente (114) ihrer jeweiligen Kraftübertragungseinrichtungen jeweils auf andere, vorzugsweise einander gegenüberliegende, Oberflächen des Bauteils (200) wirken.
Spannvorrichtung (100', 100'', 100''') nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise die gesamte Spannvorrichtung (100', 100'', 100''') aus Kunststoff gefertigt ist.