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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum automatisierten Herstellen
und/oder Bearbeiten radialer Nuten in Werkstücken aus hochfesten Materialien,
im Wesentlichen umfassend eine Schleifeinheit zum Schleifen der
inneren und der äußeren Flanke sowie
des Nutgrundes der jeweiligen Nut, sowie einen Maschinentisch mit
Spannvorrichtung für
mindestens ein Werkstück,
wobei die Vorrichtung mehrere Bewegungs- und/oder Schwenk- und/oder
Drehachsen aufweist.
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Des
Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum automatisierten
Herstellen und/oder Bearbeiten von radialen Nuten in Werkstücken aus hochfesten
Materialien, umfassend die Schritte: Ausnehmen des Nutgrundes, Schleifen
der inneren Flanke der radialen Nut, Schleifen der äußeren Flanke der
radialen Nut, wobei während
des Schleifens der Flanken der Nutgrund ebenfalls geschliffen wird.
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Derartige
Vorrichtungen und Verfahren kommen im Maschinenbau, insbesondere
in der Luftfahrttechnik zum Einsatz. Beispielsweise ist es für die Herstellung
von Turbinenleitschaufeln oder anderen Präzisionsteilen erforderlich,
radial umlaufende Nuten und andere radial ausgerichtete Nuten zu
fertigen bzw. zu bearbeiten. Am Beispiel der Turbinenleitschaufeln
bedeutet dies, dass die Nuten bzw. deren Flanken, also die Innenflanke
und die Außenflanke, im
Wesentlichen parallel zur Mittel- bzw. Drehachse der Turbinenleitschaufel
und im Wesentlichen senkrecht zum Nutgrund verlaufen.
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Es
ist bekannt, solche Nuten durch Fräsen oder durch Erodieren herzustellen
oder zu bearbeiten. Diese Verfahren und die entsprechenden Vorrichtungen
weisen allerdings mehrere Nachteile auf. Zum einen ist insbesondere
das Erodierverfahren sehr langwierig und damit teuer. Zum anderen
ist der Verschleiß der
Werkzeuge bei der Bearbeitung von Werkstücken aus hochfesten Materialien,
beispielsweise bei der Herstellung von Turbinenleitschaufeln, die
aus Nickelbasislegierungen gefertigt sind, besonders hoch. Weiterhin
sind die erforderlichen Präzisionsmaße nur mit
erhöhtem
Arbeitsaufwand zu erreichen, was wiederum die Herstellungskosten
weiter steigert.
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Es
ist grundsätzlich
weiterhin bekannt, radial gerichtete Nuten auch zu schleifen. Hierzu
sind mehrere, üblicherweise
mindestens zwei Schleifscheiben notwenig, um nach dem Ausnehmen
des Nutgrundes in einem ersten Schleifschritt die Innenflanke der
Nut, also die dem eigentlichen Mittelpunkt des Werkstückes näher liegende
Flanke, mit der ersten Schleifscheibe zu schleifen und in einem
zweiten Schleifschritt die Außenflanke
der Nut, also die Flanke mit dem größeren Radius bezogen auf den
Mittelpunkt des Werkstückes,
mit der zweiten Schleifscheibe zu schleifen. Diese Schritte können nur
nacheinander ausgeführt
werden, was die eigentliche Bearbeitungszeit verlängert. Weiterhin
ist das bekannte Verfahren in Bezug auf die Nuttiefe sehr begrenzt.
Anders ausgedrückt
sind mit diesem Verfahren und den entsprechenden Vorrichtungen lediglich
radiale Nuten mit einem Verhältnis
von Nutbreite zu Nuttiefe von ca. 1:1 herzustellen bzw. zu bearbeiten.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu
schaffen, mittels der radiale Nuten in Werkstücken aus hochfesten Materialien schnell
und präzise
herstellbar bzw. bearbeitbar sind. Eine weitere Aufgabe besteht
darin, ein entsprechendes Verfahren vorzuschlagen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
dass die Schleifeinheit eine einzige Schleifscheibe zum gleichzeitigen
Schleifen der inneren Flanke und äußeren Flanke sowie des Nutgrundes
der radialen Nut umfasst. Dadurch sind zum einen die Bearbeitungsschritte
und damit die Bearbeitungszeiten wesentlich reduziert. Zum anderen
ist die Vorrichtung durch das Vorsehen einer einzigen Schleifscheibe
für die
Nutflanken und den Nutgrund insbesondere in Bezug auf das Verhältnis Nutbreite
zu Nuttiefe universell einsetzbar. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung sind
nämlich
radiale Nuten mit einem Verhältnis Nutbreite
zu Nuttiefe von 1:1 und kleiner, also z.B. 1:1,5 oder 1:2 und kleiner
herstellbar.
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Vorzugsweise
ist der Anstellwinkel zwischen der Schleifscheibe und dem Werkstück einstellbar. Durch
diese Ausbildung ist es möglich,
die Schleifscheibe auch bei sich ändernden Randbedingungen, wie
z.B. Veränderung
der Geometrie der Schleifscheibe durch Verschleiß oder dergleichen, stets in der
optimalen Schleifposition zu halten, so dass die gewünschte bzw.
erforderliche Geometrie der Nut mit senkrechten Flanken beim Schleifen
eingehalten werden kann. Mit anderen Worten können dadurch Konturverletzungen
der Nut vermieden werden.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung besteht die Schleifscheibe
aus einem Grundkörper
und einem Schleifbereich, wobei mindestens der Schleifbereich aus
einem abrichtbaren Material gebildet ist. Durch die gegebene Nutzbarkeit
der Belagstärke
der Schleifscheibe wird eine höhere
Standzeit gegenüber
herkömmlichen
Schleifscheiben erreicht. Des Weiteren ist der Herstell- bzw. Fertigungsprozess
kalkulierbar, da der Prozess nach vollständiger Abnutzung des Belages
sicher und definiert abgeschlossen werden kann.
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Vorteilhafterweise
besteht mindestens der Schleifbereich der Schleifscheibe aus keramisch
gebundenem, kubischen Bornitrid. Gegenüber herkömmlichen Schleifscheiben mit
einschichtigen Schleifbereichen, auch aus galvanisch gebundenem, kubischen
Bornitrid, ist die Teileausbringung aufgrund des geringeren Verschleißes und
der damit verbunden geringeren Werkzeugkosten verbessert.
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Die
Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den eingangs genannten
Schritten dadurch gelöst,
dass die innere Flanke und die äußere Flanke sowie
der Nutgrund mittels einer einzigen Schleifscheibe gleichzeitig
geschliffen werden. Die sich daraus ergebenden Vorteile wurden bereits
weiter oben in Bezug auf die korrespondierende Vorrichtung erläutert. Dieselben
Vorteile ergeben sich auch durch das erfindungsgemäße Verfahren.
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Weitere
bevorzugte Merkmale und Ausfürungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.
Die Vorrichtung sowie das Verfahrensprinzip werden anhand der beigefügten Zeichnung
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine
Seitenansicht von wesentlichen Elementen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einer Schleifscheibe in Eingriff mit einem Werkstück,
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2 eine
schematische Darstellung einer Schleifscheibe während des Schleifprozesses
einer radialen Nut in einem Segment einer Turbinenleitschaufel,
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3 eine
schematische Darstellung gemäß 2 in
einem anderen Verfahrensstadium,
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4 eine
vergrößerte Darstellung
des Schleifbereiches einer Schleifscheibe innerhalb der radialen
Nut,
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5 die
Darstellung gemäß 4 mit
einem mehrfach abgerichteten Schleifbereich, und
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6 die
Schleifscheibe während
des Abrichtprozesses.
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Die
gezeigte Vorrichtung dient zum automatisierten Herstellen und/oder
Bearbeiten radialer Nuten in Werkstücken aus hochfesten Materialien.
Als hochfeste Werkstoffe werden insbesondere Materialien auf Nickelbasislegierungen
angesehen. Es können
jedoch auch Werkstücke
aus anderen hochfesten Materialien, wie z.B. andere Metalllegierungen oder
dergleichen bearbeitet werden. Insbesondere dienen die Vorrichtung
und das entsprechende Verfahren jedoch zum Schleifen von radialen
Nuten in Turbinenleitschaufeln aus Nickelbasislegierungen.
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In
der 1 ist eine Vorrichtung 10 gezeigt, die
im Wesentlichen eine Schleifeinheit 11 sowie einen Maschinentisch 12 aufweist.
Die Schleifeinheit 11 umfasst eine Schleifspindel 13,
einen Schleifscheibenflansch 14 sowie eine einzige, tellerförmige Schleifscheibe 15.
Diese Schleifscheibe 15 ist derart ausgebildet und angeordnet,
dass das gleichzeitige Schleifen der inneren Flanke 16 und äußeren Flanke 17 sowie
des Nutgrundes 18 einer radialen Nut 19 in einem
Werkstück 20 sichergestellt
ist. Der Schleifscheibenflansch 14 ist lösbar an
der Schleifspindel 13 angeordnet. Die Schleifscheibe 15 wiederum
ist lösbar
auf den Schleifscheibenflansch 14 gezogen.
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Der
Maschinentisch 12 weist eine Spannvorrichtung 21 für mindestens
ein Werkstück 20 auf.
Die Vorrichtung 10 bzw. die Schleifeinheit 11 einerseits und
der Maschinentisch 12 andererseits weisen mehrere Bewegungs-
und/oder Schwenk- und/oder Drehachsen auf. Die Anzahl der Achsen,
entlang der bzw. um die Bewegungen möglich sind, beträgt neben
der Rotationsachse R der Schleifscheibe 15 mindestens vier.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung neben der Rotationsachse R der
Schleifscheibe 15 fünf Bewegungs-
und/oder Schwenk- und/oder Drehachsen zur Veränderung der Position der Schleifscheibe 15 relativ
zum Werkstück 20 auf.
Mindestens einzelne der Bewegungs- und/oder Schwenk- und/oder Drehachsen
können
wahlweise dem Maschinentisch 12 oder der Schleifeinheit 11 zugeordnet
sein. Dies betrifft insbesondere die Achse zur Einstellung eines Anstellwinkels α zwischen
der Schleifscheibe 15 und dem in der Spannvorrichtung 21 eingespannten
und zu bearbeitenden Werkstück 20.
In der gezeigten Ausführungsform
ist der Anstellwinkel α durch Schwenken
der Schleifspindel 13 um eine Drehachse D einstellbar bzw.
veränderbar.
Alternativ könnte der
Anstellwinkel α bei
einer feststehenden Schleifspindel 13 auch um eine Drehachse,
die dem Maschinentisch 12 bzw. der Spannvorrichtung 21 zugeordnet
ist, einstellbar sein.
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Neben
der Drehachse D zum Schwenken der Schleifspindel 13 ist
die Schleifspindel 13 entlang zweier Achsen linear bewegbar,
nämlich
entlang der Y-Achse und der Z-Achse. Dabei dient die Y-Achse als
Zustellachse zur Bestimmung der Nuttiefe der Nut 19. Die
Z-Achse dient dabei während
des Schleifens zum Nachbilden des Nutverlaufes. Das oder jedes Werkstück 20 ist
in der beschriebenen Ausführungsform
um eine Drehachse B des Maschinentisches 12 bzw. der Spannvorrichtung 21 drehbar
sowie entlang einer Achse, nämlich
der X-Achse, linear bewegbar. Wie bereits angesprochen, kann das
Werkstück 20 mittels üblicher
(nicht gezeigter) Spannvorrichtungen um weitere Dreh- und/oder Schwenkachsen
bewegbar sein.
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Die
bevorzugt eingesetzte Schleifscheibe 15 besteht aus einem
Grundkörper 22 und
einem Schleifbereich 23. Der Schleifbereich 23 ist
aus mindestens einer Schleifschicht (dem Schleifbelag) gebildet,
wobei der Schleifbereich 23 bzw. die oder jede Schleifschicht
aus unterschiedlichen Schleifmaterialien gebildet sein kann. Rein
beispielhaft sind z.B. galvanisch gebundenes, einschichtiges kubisches
Bornitrid sowie besonders vorteilhaft keramisch gebundenes, mehrschichtiges
kubisches Bornitrid für
den Schleifbereich 23 genannt. Das kubische Bornitrid (im
Folgenden als CBN bezeichnet) in der keramisch gebundenen Form ist
ein abrichtbares Material. Das bedeutet, dass insbesondere durch
das Schleifen verursachte Verschleißerscheinungen des Schleifbereiches 23 durch
ein so genanntes Abrichtverfahren (hierzu weiter unten), also ein
Abtragen der jeweils obersten Schicht bzw. Teilen derselben, behoben werden
können,
und zwar so lange bzw. so oft, bis die vorzugsweise mehrschichtige
Belagstärke
der Schleifscheibe 15 vollständig abgetragen ist.
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Neben
den üblichen
(nicht dargestellten) Antrieben und Elementen, z.B. für die Rotation
der Schleifscheibe 15, die automatische Funktion der Vorrichtung 10,
das Austragen der Späne,
die Kühlung
der Schleifscheibe 15 etc. weist die Vorrichtung 10 des
Weiteren eine Steuerung zur Anpassung des Anstellwinkels α zwischen
der Schleifscheibe 15 und dem Werkstück 20 in Abhängigkeit
der sich insbesondere durch Verschleiß- und/oder Abrichtprozesse ändernden
Geometrie der Schleifscheibe 15 auf. Bezüglich der
Geometrie ist insbesondere der Durchmesser der Schleifscheibe 15 von
entscheidender Bedeutung, da sich der Anstellwinkel α nach der
folgenden Gleichung ergibt: cos α = DS/DW mit
- α
- = Anstellwinkel
- DS
- = Durchmesser Schleifscheibe
- DW
- = Durchmesser Werkstücknut =
2 × RW (Radius Werkstücknut)
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Aus
der Gleichung ergibt sich, dass eine Veränderung des Durchmessers der
Schleifscheibe unmittelbar Einfluss auf den Anstellwinkel hat, der
dann zur Beibehaltung der Nutkontur angepasst werden muss (hierzu
weiter unten).
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Wie
bereits erwähnt,
kann die Schleifscheibe 15 aus keramisch gebundenem CBN
einem oder mehreren Abrichtprozessen unterzogen werden. Hierzu weist
die Vorrichtung 10 eine Einrichtung 24 zum Abrichten
der CBN-Schleifscheibe 15 auf. Die Einrichtung 24 kann
Bestandteil der Vorrichtung 10 selbst sein oder als separate
Einrichtung vorgesehen sein und u.a. ein universelles Diamantabrichtrad 25 zum
bahngesteuerten Abrichten der Schleifscheibe 15 aufweisen.
Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, dass die Einrichtung 24 eine Vollprofildiamantabrichtrolle
oder dergleichen aufweist.
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Wie
eingangs erwähnt,
ist die Vorrichtung 10 bzw. die Schleifscheibe 15 zum
Schleifen radialer Nuten 19 in Turbinenleitschaufelringen
aus Nickelbasislegierungen ausgebildet. In den 2 und 3 sind
Teilstücke
bzw. Segmente 26 solcher Turbinenleitschaufelringe schematisch
dargestellt. Mehrere solcher Segmente 26 bilden einen kompletten
Turbinenleitschaufelring. Der Turbinenleitschaufelring weist eine
Rotations- bzw. Mittelachse M auf, von der aus der eigentliche Durchmesser
DW der Werkstücknut 19 gerechnet
wird. Da jedoch einzelne Werkstücke 20 in
der Spannvorrichtung 21 eingespannt sind, ist beim Schleifen
die Drehung der Werkstücke 20 um
die Drehachse B erforderlich, um den Durchmesser DW nachbilden
zu können.
Für den
möglichen Fall,
dass mehrere Segmente 26 oder ein gesamter Turbinenleitschaufelring
bei entsprechenden Platzverhältnissen
innerhalb der Vorrichtung 10 in der Spannvorrichtung 21 eingespannt
und geschliffen werden sollte, könnte
auf die Drehachse B verzichtet werden, wobei dann um die Mittelachse
M gedreht werden müsste.
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Das
Segment 26 bzw. das Werkstück 20 weist eine radial
gerichtete Nut 19 auf, wobei radial gerichtet in diesem
Fall bedeutet, dass am Beispiel der Turbinenleitschaufeln die Nuten
bzw. deren Flanken, also die Innenflanke 16 und die Außenflanke 17 im Wesentlichen
parallel zur Mittelachse M der Turbinenleitschaufel und im Wesentlichen
senkrecht zum Nutgrund 18 verlaufen. Diese Nutkontur führt demnach
dazu, dass bei zu einer Turbinenleitschaufel zusammengesetzten Segmenten 26 eine
kreisförmige Nut 19 entsteht,
die um die Mittelachse M herum verläuft.
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Im
folgenden wird das Verfahrensprinzip für das Schleifen radialer Nuten 19 mit
einer keramisch gebundenen, abrichtbaren CBN-Schleifscheibe 15 anhand
der beigefügten
Zeichnung näher
erläutert.
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Nach
Einstellung und Auswahl der Maschinenparameter und der Werkstückparameter
(u.a. Nutlänge
zzgl. Überlauflänge, Rotations-
bzw. Bahngeschwindigkeit der Schleifscheibe, Hubzustellung, DS, DW, Anstellwinkel α etc.), beginnt
der eigentliche Schleifprozess je nach Erfordernis mit oder ohne
vorherigem Ausnehmen des Nutgrundes. Mit einer neuen und/oder frisch
abgerichteten, keramisch gebundenen Schleifscheibe 15 können üblicherweise
mehrere Nuten 19 bzw. Werkstücke 20 geschliffen
werden. Wie bereits erwähnt,
können
die Nuten 19 einzelner Segmente 26 oder auch komplette
Ringe geschliffen werden. Durch den Eingriff der Schleifscheibe 15 in
das Werkstück 20 bzw.
in die Nut 19 werden zeitgleich und parallel die innere
Flanke 16, die äußere Flanke 17 und
bei Bedarf auch der Nutgrund 18 geschliffen. Dabei wird
die Schleifscheibe 15 während
des Schleifprozesses entlang einer linearen Achse (Z-Achse) verfahren,
und das Werkstück 20 wird
während
des Schleifens entlang einer linearen Achse (X-Achse) verfahren
und um eine Drehachse (B-Achse) gedreht. Zur Veränderung der Nuttiefe wird die
Schleifscheibe 15 entlang einer linearen Achse (Y-Achse)
verfahren.
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Nach
dem Schleifen einer Anzahl von Nuten 19 ist die Schleifscheibe 15 bzw.
der Schleifbereich 23 so weit abgenutzt, dass sie abgerichtet,
also geschärft
und kalibriert werden muss. Durch den Abrichtprozess reduziert sich
der Durchmesser DS der Schleifscheibe 15.
Um zu verhindern, dass sich die Geometrieveränderung der Schleifscheibe 15 auch auf
die Geometrie der Nut 19 auswirkt bzw. die Kontur der zu
schleifenden Nut 19 verletzt wird, erfolgt eine automatische
Verrechnung der Durchmesserdifferenz. Wird nämlich einer der beiden relevanten
Parameter für
den sicheren Schleifprozess, definierter Durchmesser DS der
Schleifscheibe und definierter Anstellwinkel α der Schleifscheibe 15 zum
Werkstück 20,
verändert,
kommt es zu Konturverletzungen der zu schleifenden Nut 19 bzw.
beispielsweise zu einem Schleifscheibenbruch des keramischen Schleifbelages
im Schleifbereich 23.
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Um
die durch den Abrichtprozess entstehende Durchmesserreduzierung
kompensieren zu können,
bestehen mehrere Möglichkeiten.
Zum einen könnte
die verschlissene Schleifscheibe 15 gegen eine neue Schleifscheibe 15 ausgetauscht
werden. Zum anderen kann der Anstellwinkel α aber auch durchmesserangepasst
an die neue Situation, also den reduzierten Durchmesser DS angepasst werden. Dieser Vorgang der automatischen
Winkelanpassung um eine Drehachse (D-Achse) ist nicht zwingend nach
jedem Abrichtvorgang zu wiederholen. Allerdings verändert sich
durch den jeweils neuen Anstellwinkel α auch der Öffnungswinkel β der verwendeten
Schleifscheibe 15. Dieser wird dadurch an die geänderte Situation
angepasst, indem das abzurichtende Profil der Schleifscheibe 15 entsprechend
dem neuen Winkel gekippt und damit die senkrecht stehende, zu schleifende
Nut 19 maßgerecht
gefertigt werden kann. Dies ist möglich, da der Schleifbereich 23 bzw.
der körnige
Schleifbelag gegenüber
dem Grundkörper 22 um
einen gewissen Betrag hervorsteht. Mit anderen Worten wird beim
Abrichten durch ein Berechnungsprogramm der neue Differenzwinkel in
die Kontur des Belages, also des Schleifbereiches 23, der
Schleifscheibe 15 berücksichtigt.
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Bei
der Profilkippung wird auch der Parameter Nutbreite verändert. Diese
Veränderung
der Nutbreite liegt überwiegend
innerhalb der Toleranz für die
zu fertigende Nut. Man kann die Veränderung jedoch auch durch einen
zweiten Schnitt mittels Querversetzen der Schleifscheibe 15 kompensieren.
Damit wird dann die erforderliche Nutbreite erzeugt. Das Versetzen
erfolgt jedoch stets in Richtung bzw. an der äußeren Flanke 17 der
Nut 19.
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Durch
den fortlaufenden Abrichtprozess muss die Schleifscheibe 15 nicht
nur am Umfang sondern auch an den beiden möglichst senkrecht verlaufenden
Seitenflächen
angepasst werden. Durch das Anpassen des Schwenkwinkels α bekommt
die innere Flanke 16 zwangsläufig einen Negativwinkel, der
dem Öffnungswinkel β entspricht,
der beim Schleifen jedoch keinen negativen Einfluss hat. Die äußere Flanke 17 erhält dabei
jedoch eine Positivwinkel ε.
Dieser Winkel ε wird
jedoch durch den Abrichtprozess beseitigt. Deutlich wird die gerade
beschriebene Situation vor der Korrektur des Positivwinkels insbesondere
in der 5. Mit anderen Worten würde die Schleifscheibe 15 ohne
die Abrichtkorrektur die Nutkontur verletzen. Alternativ könnte die Schleifscheibe 15 jedoch
auch im Schleifbereich 23 derart vorbereitet sein, dass
an beiden Flanken 16, 17 ein Negativwinkel β gebildet
ist. Anders ausgedrückt
kann der Schleifbereich 23 ausgehend vom äußersten
Rand der Schleifscheibe 15 leicht konisch nach innen verlaufen.
Dann müsste
nur der im Nutgrund 18 liegende äußerste Rand des Schleifbereiches 23 im
Abrichtprozess an die durch den veränderten Anstellwinkel α gebildete
Kippung angepasst werden, so dass der Nutgrund 18 im rechten
Winkel zu den Flanken 16, 17 liegt.
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Mit
dem beschriebenen Verfahren können Nuten 19 mit
einem Verhältnis
Nutbreite zu Nuttiefe von mindestens bis zu 1:2 geschliffen werden
können.
Des Weiteren ist das Verfahren besonders gut geeignet, um radiale
Nuten 19 an Turbinenleitschaufeln aus Nickelbasislegierungen
oder anderen hochfesten Metalllegierungen zu schleifen. Dabei können verschiedene
Schleifverfahren, wie z.B. das Tiefschleifverfahren oder das Schnellhubschleifverfahren
zum Einsatz kommen.