DE102005014642A1

DE102005014642A1 - Funkenerosionsanlage

Info

Publication number: DE102005014642A1
Application number: DE200510014642
Authority: DE
Inventors: Lars Etschenberg
Original assignee: Leybold Vakuum GmbH; Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2006-10-05

Abstract

Eine Funkenerosionsanlage (10) zur Herstellung einer Rotor-Flügelscheibe für eine Turbomolekularpumpe weist als Werkzeug eine Schneidelektrode (20) auf, die axial-rotatorisch in einen Flügelscheiben-Rohling (12, 13) eingetaucht wird. Die Schneidelektrode (20) ist als geschlossene Schleife ausgebildet und schneidet ein Zwischenflügelstück aus dem Flügelscheiben-Rohling (13) heraus.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Funkenerosionsanlage zur Herstellung einer Rotor-Flügelscheibe für eine Turbomolekularpumpe und auf ein Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Rotor-Flügelscheibe.

Der Rotor einer Turbomolekularpumpe weist mehrere Flügelscheiben auf, die bezüglich ihrer Steigung und geometrischer Größen verschieden voneinander ausgebildet sind. Zur Herstellung der Flügelscheiben sind spanabhebende Verfahren sowie die Funkenerosion bekannt. Spanabhebende Herstellungsverfahren sind relativ aufwändig und teuer, so dass sich die Herstellung durch Funkenerosion als alternatives Herstellungsverfahren inzwischen etablieren konnte. Aus EP 0 426 233 A1 ist ein abtragendes Funkenerodierverfahren zur Herstellung einer Rotor-Flügelscheibe bekannt, bei dem das Werkzeug von einer radial geschlitzten Platte gebildet wird, die durch eine axial-rotatorische Bewegung im Verhältnis zu einem scheibenförmigen Werkstück bewegt wird. Im Bereich der Werkzeug-Schlitze bleiben an dem Werkstück die Flügel der Rotor-Flügelscheibe stehen, während die Zwischenflügelstücke durch die radialen Zungen zwischen den Schlitzen des Werkzeuges vollständig abgetragen werden. Sobald eine einzige Werkzeug-Zunge beschädigt oder abgenutzt ist, muss das gesamte Werkzeug ausgetauscht werden. Da ein großes Gesamtvolumen des Werkstückes abgetragen werden muss, ist das Verfahren relativ langsam und aufwändig.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Funkenerosionsanlage und ein Funkenerosions-Verfahren zu schaffen, mit dem die Zwischenflügelstücke effektiver entfernt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. 7.

Die erfindungsgemäße Funkenerosionsanlage weist als Werkzeug eine radial ausgerichtete Schneidelektrode auf, die als geschlossene Schleife ausgebildet ist, und mit der das Zwischenflügelstück zwischen zwei Flügeln aus dem Werkstück, also dem Flügelscheiben-Rohling, ausgeschnitten wird. Die Schneidelektroden-Schleife bildet einen geschlossenen Ring, der einen Materialblock, nämlich das Zwischenflügelstück, aus dem Flügelscheiben-Rohling herausschneidet. Es wird also nicht mehr das gesamte Materialvolumen des Zwischenflügelstückes funkenerosiv abgetragen, sondern nur ein sehr kleines Volumen, das von dem durch die Schneidelektroden-Schleife gebildeten Spalt zwischen den Flügeln und der Rotornabe einerseits und dem herausgetrennten Materialblock andererseits gebildet ist. Da nur noch ein relativ geringes Volumen funkenerosiv abgetragen wird, wird die Herstellung der Flügelscheibe erheblich beschleunigt. Durch die Verringerung des abgetragenen Materialvolumens wird auch der Ressourcenverbrauch, und werden damit auch die Prozesskosten erheblich reduziert.

Ein Werkzeughalter kann grundsätzlich eine Vielzahl von Schneidelektroden halten, jedoch kann die Beschränkung der Anzahl der Werkzeuge auf eine einzige Schneidelektrode bezüglich ihrer Bewegungsfreiheit Vorteile aufweisen. So können bei Beschränkung auf eine einzige Schneidelektrode während der Erosion beispielsweise auch radiale Bewegungen ausgeführt werden. Durch die erhöhte Bewegungsfreiheit des Werkzeuges erhöht sich die Effizienz, und somit die Wirtschaftlichkeit, des Abtragprozesses.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weisen der Werkzeughalter und die Schneidelektrode eine Kupplungsstruktur auf, die eine definierte Montage der Schneidelektrode an dem Werkzeughalter gewährt. Die beispielsweise komplementär zueinander ausgebildeten Kupplungsstrukturen des Werkzeughalters einerseits und der Schneidelektrode andererseits ermöglichen die Nutzung eines Werkzeugwechslers. In dem Werkzeugwechsler werden Ersatz-Schneidelektroden und/oder unterschiedlich geformte Schneidelektroden zur Herstellung unterschiedlicher Flügelscheiben gelagert. Hierdurch können mit einem einfachen Werkzeugwechsler Rotoren mit einer Vielzahl verschiedener Flügelscheiben ohne Umrüstarbeiten an der Anlage hergestellt werden.

Vorzugsweise ragt die Schneidelektrode radial nach innen von einem radial außenseitigen Werkzeughalter ab. Die Schneidelektrode wird von radial außen axial zwischen zwei Flügelscheiben in radialer Richtung eingefahren und die Erosion mit einer axial-rotatorischen Relativbewegung vollzogen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist an der voreilenden Arbeitskante der Schneidelektrode mindestens eine Ausnehmung vorgesehen, die einen Haltesteg zwischen einem Flügel und dem Zwischenflügelstück stehen lässt, wenn nach der Funkenerosion mit der Schneidelektrode der Flügel von dem Zwischenflügelstück im Übrigen bereits getrennt ist. Die Ausnehmung kann beispielsweise in Form einer Kerbe in der Arbeitskante der Schneidelektrode ausgebildet sein. Der bzw. die Haltestege zwischen den Flügeln einerseits und dem Zwischenflügelstück andererseits sind erforderlich, um ein unkontrolliertes Lösen des Zwischenflügelstückes zu vermeiden, das zu Kurzschlüssen führen könnte, durch die das Werkstück beschädigt und der Prozess unterbrochen würde.

Zum Trennen der Haltestege kann an dem Werkzeugwechsler ein Trennwerkzeug gelagert sein, das auf einem elektrisch nicht-leitenden radialen Arm eine Trennelektrode aufweist. Die Trennelektrode kann beispielsweise axial aus dem radialen Arm herausragen. Der Haltesteg wird durch das Trennwerkzeug aufgetrennt, indem das Trennwerkzeug radial nach innen oder außen bewegt wird, wobei die Trennelektrode den Haltesteg abträgt. Das schließlich gelöste Zwischenflügelstück wird durch den Arm bzw. die Trennelektrode abgestützt und kann durch den Arm bzw. die Trennelektrode radial nach außen herausgezogen werden.

Gemäß einem nebengeordneten Verfahrensanspruch zur Herstellung einer Rotor-Flügelscheibe sind folgende Verfahrensschritte und Merkmale vorgesehen:
Funkenerosion eines Zwischenflügelstückes durch eine axial-rotatorische Relativbewegung eines Flügelscheiben-Rohlings im Verhältnis zu einer Elektrode,
wobei die Elektrode eine radiale Schneidelektrode ist, und
wobei die Schneidelektrode im Wesentlichen von einer geschlossenen Schleife gebildet ist und ein Zwischenflügelstück aus dem Rohling herausschneidet.

Vorzugsweise wird der Verfahrensschritt des Schneidens mit der Schneidelektrode durch Stehenlassen eines oder mehrerer Haltestege zwischen einem oder mehreren Flügeln einerseits und einem Zwischenflügelstück andererseits beendet.

Der bzw. die Haltestege können anschließend durch Trennen mit einem anderen Werkzeug, einer Trennelektrode, beseitigt werden. Das Trennen erfolgt bevorzugt durch eine radiale Bewegung des Werkzeugs.

Eine Bearbeitung des Flügelscheiben-Rohlings kann getaktet über den Umfang erfolgen. Mit der erfindungsgemäßen Funkenerosionsanlage bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren können an der Flügelwurzel enge sich einander überdeckende Flügelbereiche mit hoher Genauigkeit hergestellt werden. Selbst bei ungünstigen Tiefen-/Breitenverhältnissen der Flügel, beispielsweise bei langen Flügeln und geringem Raumvolumen zwischen den Flügeln, können, im Gegensatz zur spanabhebenden Bearbeitung, komplexe Geometrien völlig stufenfrei hergestellt werden.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Funkenerosionsanlage mit einem Rotor und einer als geschlossene Schleife ausgebildeten Schneidelektrode,
2 die Schneidelektrode der 1 in detaillierter Darstellung,
3 einen Längsschnitt des Rotors und der Schneidelektrode der 1,
4 einen Querschnitt des Rotors und der Schneidelektrode der 3, und
5 ein Trennwerkzeug zum Trennen von Haltestegen zwischen den Flügeln und einem Zwischenflügelstück.
In der 1 ist eine Funkenerosionsanlage 10 zur Herstellung von Rotor-Flügelscheiben 12 für eine Turbomolekularpumpe dargestellt. Das Werkstück ist ein Rohling eines Turbomolekularpumpen-Rotors, der mehrere Flügelscheiben-Rohlinge 13, 14 aufweist, die nach entsprechender Bearbeitung zu Flügel aufweisenden Flügelscheiben 12 werden. Der Rotor 16 ist drehbar in einem in einer elektrisch nicht-leitenden Arbeitsflüssigkeit 18, einem Dielektrikum, gelagert. Der Rotor 16 kann durch einen entsprechenden Motor definiert und in sehr kleinen Schritten rotiert werden. Alternativ kann der Rotor 16 in dem Dielektrikum feststehend, und die Schneidelektrode 20 mm um die Rotorachse rotierbar angeordnet sein.
Das Werkzeug ist eine radial ausgerichtete Schneidelektrode 20, die über einen entsprechenden Haltearm 22 in axialer Richtung durch einen Elektromotor verschiebbar ist. Zum Werkzeugtausch ist der Haltearm 22 schwenkbar ausgebildet, so dass das Werkzeug an einem Werkzeugwechsler 30 außerhalb der Arbeitsflüssigkeit 18 ausgetauscht werden kann. Der Werkzeugwechsler 30 weist mehrere verschiedene Schneidelektroden 32–37 auf.
Die Schneidelektrode 20 ragt nach radial innen von einem Werkzeughalter 24 ab, der dem Haltearm 22 zugeordnet ist. Der Werkzeughalter 24 weist eine Kupplungsstruktur 25 auf, die mit einer entsprechenden Kupplungsstruktur 26 der Schneidelektrode 20 derart korrespondiert, dass die Schneidelektrode 20 definiert an dem Werkzeughalter 24 befestigt ist und auf einfache Weise lösbar bzw. austauschbar ist.
Die Schneidelektrode 20 besteht aus Metall, vorzugsweise aus Graphit oder Kupfer. Der aktive Bereich der Schneidelektrode 20 ist als geschlossene Schleife 40 ausgebildet, die aus Blech oder aus Vollmaterial spanabhebend hergestellt ist.
Die Schleife 40 umfasst einen Freiraum, in dem die Schneidelektrode 20 nicht aktiv ist. Die Schneidelektrode 20 schneidet ein Zwischenflügelstück 52 funkenerosiv aus dem Flügelscheiben-Rohling 13, 14 heraus, trägt das Zwischenflügelstück 52 jedoch nicht vollvolumig ab.
Die Schneidelektrode 20 weist eine in Arbeitsrichtung weisende Arbeitskante 42 auf, die vier Ausnehmungen 44 aufweist, die zwischen dem Zwischenflügelstück 52 und dem angrenzenden Flügel 11' der Flügelscheibe jeweils einen Haltesteg 50 stehen lässt, wenn die Schneidelektrode 20 durch den Flügelscheiben-Rohling 13, 14 im Übrigen schon hindurchgetreten ist.
Die Geometrie der Schneidelektrode 20 entspricht komplementär der gewünschten Flügelgeometrie insbesondere im Bereich der Flügelwurzel. Bei der Geometrie der Schneidelektrode 20 ist ein Offset für eine prozessbedingte Spaltbildung zwischen der Schneidelektrode 20 und dem Werkstück zu berücksichtigen.
Zum Bearbeiten des Werkstückes wird die Schneidelektrode 20 in ihrer in den 1, 3 und 4 dargestellten Arbeits-Schwenkposition in axialer Richtung verfahren, während der Rotor 16 gleichzeitig langsam rotiert wird. Alternativ kann auch die Schneidelektrode rotiert werden. Hierdurch wird zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück eine axial-rotatorische Bewegung erzeugt, durch die die Schneidelektrode 20 in das Werkstück, also in den Flügelscheiben-Rohling 13 eintaucht.
Durch Ausbildung der Schneidelektrode als geschlossene Schleife wird nur eine relativ geringe Materialmenge erosiv abgetragen, so dass der Verbrauch an Elektrodenmaterial und Energie relativ gering und die Arbeitsgeschwindigkeit relativ hoch ist.
In 5 ist eine Trennelektrode 60 dargestellt, die der Trennung der stehengebliebenen Haltestege 50 dient. Die Trennelektrode 60 weist als radialen Arm 62 eine elektrisch nicht-leitende Grundplatte auf, von der vier Positionierstege 64 axial abragen. Auf derselben Radialen wie die vier Positionierstege 64 liegen noppenförmige Elektroden 66, die ebenfalls axial von der Grundplatte abragen.
Die Haltestege 50 zwischen dem Zwischenflügelstück 52 und den beiden benachbarten Flügeln 11 werden entfernt, indem die Trennelektrode axial verfahren wird, so dass die Elektroden 66 die Haltestege 50 in axialer Richtung entfernen. Die Haltestege 50 halten das sich lösende Zwischenflügelstück 52 fest, so dass dieses nicht unkontrolliert herausfallen kann, bis sie vollständig abgetragen sind. Dann kann das Zwischenflügelstück 50 mit dem Arm 62 radial aus dem Werkstück herausgezogen werden.
Alternativ zum Vorsehen entsprechender Ausnehmungen 44 in der Schneidelektrode 20 kann der Flügelscheiben-Rohling 13, 14 auch eine oder mehrere entsprechende kreisförmige axiale Rippen aufweisen, durch die das Zwischenflügelstück nach der Trennung von den benachbarten Flügeln noch gehalten wird.

Claims

Funkenerosionsanlage (10) zur Herstellung einer Rotor-Flügelscheibe (12) für eine Turbomolekularpumpe, mit einem Erosions-Werkzeug zum axial-rotatorischen Eintauchen in ein als Flügelscheiben-Rohling (13) ausgebildetes Werkstück, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug eine Schneidelektrode (20) zum Ausschneiden eines Zwischenflügelstückes (52) aus dem Flügelscheiben-Rohling (13) ist, die als geschlossene Schleife (40) ausgebildet ist.
Funkenerosionsanlage (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkzeughalter (24) und die Schneidelektrode (20) eine Kupplungsstruktur (25, 26) aufweisen, die eine definierte Montage der Schneidelektrode (20) an dem Werkzeughalter (24) gewährt.
Funkenerosionsanlage (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkzeugwechsler (30) vorgesehen ist, in dem unterschiedlich geformte Schneidelektroden (33, 34, 35, 36, 37) zur Herstellung unterschiedlicher Flügelscheiben (12) lagerbar sind.
Funkenerosionsanlage (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidelektrode (20) radial nach innen von einem Werkzeughalter (24) abragt.
Funkenerosionsanlage (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Arbeitskante (42) der Schneidelektrode (20) mindestens eine Ausnehmung (44) vorgesehen ist, die einen Haltesteg (50) zwischen einem Flügel und einem Zwischenflügelstück (52) stehen lässt, wenn der Flügel von dem Zwischenflügelstück (52) im Übrigen getrennt ist.
Funkenerosionsanlage (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkzeugwechsler (30) ein Trennwerkzeug (60) lagert, das auf einem elektrisch nicht-leitenden radialen Arm (62) eine Trennelektrode (66) aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Rotor-Flügelscheibe (12) für eine Turbomolekularpumpe, mit den Verfahrenschritten Funkenerosion der Zwischenflügelstücke (52) durch eine axial-rotatorische Relativbewegung eines Flügelscheiben-Rohlings (13) im Verhältnis zu einem Erosions-Werkzeug, bei dem das Werkzeug in den Rohling (13) eintaucht, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug eine Schneidelektrode (20) ist, und dass die Schneidelektrode (20) im Wesentlichen von einer geschlossenen Schleife (40) gebildet ist, und ein Zwischenflügelstück (52) aus dem Rohling (13) ausschneidet.
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Stehenlassen eines Haltesteges (50) zwischen einem Flügel (11) und einem Zwischenflügelstück (52) nach der Funkenerosion mit der Schneidelektrode (20).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltesteg (50) mit einer Trennelektrode (60) funkenerosiv getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennen durch eine radiale Bewegung der Trennelektrode (60) erfolgt.