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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fräsbearbeitung eines Rohlings bei der Herstellung einer Turbinenschaufel, die im Endzustand zumindest einen Schaufelfuß zur Befestigung an einem Träger sowie ein sich an den Schaufelfuß anschließendes und sich in Längsrichtung erstreckendes Schaufelblatt aufweist.
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Turbinenschaufeln bestehen aufgrund der hohen thermischen und mechanischen Belastungen, die sie standhalten müssen, aus sogenannten Superlegierungen. Diese zeichnen sich in der Regel durch eine sehr hohe Festigkeit beispielsweise von > 1000 N/mm2 und eine hohe Temperaturbeständigkeit aus. Werkzeuge, insbesondere Fräswerkzeuge zur Bearbeitung derartiger Superlegierungen unterliegen daher üblicherweise einem hohen Verschleiß. Zudem ist die Bearbeitungsgeschwindigkeit im Vergleich zu weicheren Stählen deutlich reduziert.
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Zur Herstellung derartiger Turbinenschaufeln, die einen Schaufelfuß zum Einhängen in einen Träger aufweisen wird ein monolithischer Rohling, also ein Werkstück-Block, der üblicherweise eine in etwa quaderförmige Gestalt aufweist, einer Fräsbearbeitung unterzogen.
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Das Schaufelblatt der Turbinenschaufel weist im Querschnitt betrachtet üblicherweise eine in etwa flügelähnliche Kontur auf. Aus der
EP 1 034 865 A1 sowie
CH 702 705 B1 ist jeweils ein Fräsverfahren zur Bearbeitung eines Rohteils zu entnehmen, bei dem der Fräser etwa spiralförmig um das Rohteil herum geführt wird und dabei sukzessives Material abträgt, bis die gewünschte Endkontur erreicht wird. Die Bearbeitungszeit bei diesem Verfahren ist vergleichsweise hoch.
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Aufgabe der Erfindung
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren für die Fräsbearbeitung eines Rohlings zur Herstellung einer Turbinenschaufel insbesondere aus einer Superlegierung anzugeben
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Verfahren dient zur Herstellung einer Turbinenschaufel aus einem einstückigen, monolithischen Rohling, wobei die Turbinenschaufel zumindest einen Schaufelfuß sowie ein sich daran anschließendes und sich in Längsrichtung erstreckendes Schaufelblatt aufweist. Der Rohling wird hierbei fußseitig, also am Schaufelfuß in eine Halterung eingespannt und anschließend mit Hilfe eines Fräsers bearbeitet. Für eine Schruppbearbeitung ist hierbei vorgesehen, dass der Fräser in einer Vorschubrichtung verfahren wird und dieser Vorschubbewegung eine Kreisbewegung gemäß einem trochoidalen Fräsverfahren überlagert ist.
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Ein wesentlicher Aspekt ist vorliegend daher darin zu sehen, dass bei einem derartigen Rohling eine Schruppbearbeitung mittels eines trochoidalen Fräsverfahrens zur Herstellung einer Turbinenschaufel ausgeführt wird.
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Bei dem trochoidalen Verfahren wird allgemein eine Vorschubbewegung mit einer Kreisbewegung überlagert. Der Vorteil des trochoidalen Fräsens ist darin zu sehen, dass der Fräser nur gering belastet wird, was insbesondere bei der Bearbeitung von Superlegierungen von Vorteil ist. Bei dem hier beschriebenen Herstellverfahren von Turbinenschaufeln aus einem monolithischen Rohling wird dieser üblicherweise an seinen gegenüberliegenden Stirnseiten mit einer geeigneten Haltevorrichtung gespannt. Allerdings sind die zum Spannen verfügbaren Flächen sehr klein, so dass nur geringe Haltekräfte ausgeübt werden können. Insbesondere bei großen Turbinenschaufeln mit einer Länge > 50 cm bis hin zu einer Länge von 200 cm besteht das Problem, dass bei einem herkömmlichen Fräsverfahren hohe Kräfte ausgeübt werden. Durch das trochoidale Verfahren ist die Belastung gering gehalten.
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Auch ist der Werkzeugverschleiß im Vergleich zu herkömmlichen Fräsverfahren deutlich geringer. Hierdurch wird letztendlich auch die Standzeit der Fräswerkzeuge deutlich erhöht.
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Der Rohling wird im Bereich des Schaufelblattes mit Hilfe des trochoidalen Fräsverfahrens bearbeitet. Gerade für die Bearbeitung des Rohlings im Bereich des Schaufelblatts, also weit beabstandet von den stirnseitig angeordneten Halterungen weist hier das trochoidale Fräsen einen entscheidenden Vorteil aufgrund seiner nur geringen Belastung auf.
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Die Vorschubrichtung des Fräsers ist dabei die Längsrichtung des Schaufelblatts, der Fräser wird daher vom Schaufelfuß ausgehend in Längsrichtung des Schaufelblatts an diesem entlang geführt.
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Das trochoidale Fräsverfahren wird insbesondere bei großen Turbinenschaufeln eingesetzt. Hier lassen sich im Vergleich zu herkömmlichen Fräsverfahren für Turbinenschaufeln erhebliche Zeit- und damit Kosteneinsparungen erzielen.
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In zweckdienlicher Weise erfolgt der gesamte Materialabtrag bei der Schruppbearbeitung vorzugsweise in nur einem Arbeitsschritt, d. h. mit einem einmaligen Verfahren des Fräsers über die zu bearbeitende Stelle. Es ist daher – anders als bei herkömmlichen Fräsverfahren – nicht erforderlich, den Fräser mehrfach über die zu bearbeitende Stelle zu verfahren, um den gewünschten Materialabtrag zu erreichen. Bei dem hier beschriebenen Verfahren des trochoidalen Fräsens entspricht daher die sogenannte axiale Schnitttiefe, also die Tiefe, mit der der Fräser in Richtung seiner Fräserlängsachse in das Werkstück eintaucht, dem gewünschten Materialabtrag also der abzutragenden Materialtiefe.
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Um einen möglichst geringen Werkzeugverschleiß zu erzielen ist dabei bevorzugt weiterhin vorgesehen, dass diese axiale Schnitttiefe einem Großteil einer Schneidelänge einer Schneide des Fräsers entspricht. Hierunter wird verstanden, dass der Fräser beispielsweise zumindest mit 70%–80% seiner Schneidelänge im Eingriff mit dem Werkstück (Rohling) ist. Dadurch wird insgesamt die gesamte Schneide gleichmäßig belastet und damit auch gleichmäßig verschlissen. Im Unterschied zu herkömmlichen Fräsverfahren, bei denen insbesondere bei der Bearbeitung von Superlegierungen der jeweilige Fräser nur mit einem Bruchteil seiner Schneidenlänge in Eingriff mit dem Werkstück steht, ist dadurch insgesamt ein deutlich verringerter Werkzeugverschleiß erzielt.
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Die axiale Schnitttiefe ist dabei vorzugsweise > 4 mm und liegt beispielsweise im Bereich von 5 mm.
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Im Hinblick auf ein möglichst zügiges Bearbeitungsverfahren ist weiterhin vorgesehen, dass der Durchmesser der Kreisbewegung bei dem trochoidalen Fräsen der Breite des Rohlings entspricht. Die gesamte Seite des Rohlings wird daher mit dem Fräser nur einmal in Vorschubrichtung überfahren, es ist daher kein Reversieren des Fräsers erforderlich, um mehrere nebeneinander angeordnete Fräsbahnen zu erzeugen.
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Der Fräser weist hierzu vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 40% bis 70% der zu bearbeitenden Breite des Rohlings auf.
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Für die Bearbeitung im Bereich des Schaufelblattes wird in zweckdienlicher Ausgestaltung ein mit Wendeschneidplatten bestückter Planfräser herangezogen. Hierunter wird ein Fräser verstanden, welcher typischerweise einen in etwa zylindrischen Fräskopf aufweist, an dessen vorderen Umfangsseite austauschbare Schneidplatten, insbesondere Wendeschneidplatten angeordnet sind, die sowohl umfangsseitig als auch stirnseitig über einen Träger überstehen.
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Die Bearbeitung des Rohlings im Bereich des Schaufelblatts mit diesem Planfräser ist eine reine Schruppbearbeitung, bei der noch nicht die für die Turbinenschaufeln charakteristische Flügelquerschnittsform herausgearbeitet wird. Für diese Endkonturbearbeitung wird zweckdienlicherweise ein ergänzendes Fräsverfahren eingesetzt, beispielsweise das in der
EP 1 034 865 A1 beschriebene Fräsverfahren. Durch die Kombination des Schruppverfahrens mittels des trochoidalen Fräsens mit dem zweiten Kontur-Fräsverfahren wird insgesamt ein sehr effizientes und zeitsparendes Bearbeitungsverfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel aus einer Superlegierung bereitgestellt.
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Vorzugsweise erfolgt das gesamte Bearbeitungsverfahren des Rohlings bis hin zur Turbinenschaufel ohne ein Um- oder Ausspannen des Werkstücks. Die unterschiedlichen Fräsverfahren werden daher mittels einer einzigen Bearbeitungsmaschine ausgeführt, es erfolgt allenfalls ein Austausch des Werkzeugs und eine andere steuertechnische Ansteuerung des Fräsers.
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Ergänzend zu der Bearbeitung des Schaufelblatts mit Hilfe des trochoidalen Fräsverfahrens wird auch der Schaufelfuß mit einem derartigen Fräsverfahren bearbeitet, um sogenannte Haltenuten in den Fuß einzufräsen. Auch hierbei wird vorzugsweise in nur einem Verfahrensschritt die gesamte Haltenut gefräst, d. h. die zu fräsende Nuttiefe entspricht der axialen Schnitttiefe des Fräsers und die Nutbreite entspricht dem Durchmesser der Kreisbewegung beim trochoidalen Fräsen.
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Für die Nutbearbeitung wird hierbei zweckdienlicherweise ein sogenannter Schaftfräser herangezogen, welcher in seinem vorderen Bereich beispielsweise auch spiralförmig verlaufende Schneiden aufweist, die vorzugsweise aus einem Vollmaterial-Rohling herausgearbeitet sind.
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Insbesondere wird hierfür ein herkömmlicher Schaftfräser mit positiver Schneidengeometrie herangezogen. Unter positiver Schneidengeometrie wird eine spitz zulaufende Schneide verstanden. Die Schneide ist also spitzwinklig ausgebildet im Unterschied zu einer sogenannten negativen Schneidgeometrie, bei der die Schneide stumpfwinklig also mit einem Winkel > 90° ausgebildet ist. Bei derartigen negativen Schneidgeometrien wird kein Schneiden sondern ein sogenanntes Schaben ermöglicht.
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Beschreibung der Figuren
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in schematischen und stark vereinfachten Darstellungen:
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1 eine Aufsicht auf einen eingespannten Rohling mit angedeutetem Planfräser,
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2 eine vergrößerte, ausschnittsweise Seitendarstellung des Rohlings mit Planfräser,
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3 eine schematische Illustration des Bewegungsablaufs eines Fräsers beim trochoidalen Fräsen,
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4 eine Turbinenschaufel in Seitenansicht mit beidendseitig angeordneten Schaufelfüßen und Schaftfräser zum Einfräsen der Haltenuten,
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5 eine Seitendarstellung eines Schaftfräsers zum Fräsen der Haltenuten.
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In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Gemäß 1 ist ein Rohling 2 in einer aus zwei Haltebacken 4A, 4B bestehenden Halterung in einer hier nicht näher dargestellten Bearbeitungsstation eingespannt.
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Bei dem Rohling 2 handelt es sich um einen monolithischen, üblicherweise quaderförmigen Block aus einer Superlegierung.
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Der Rohling 2 dient zur Herstellung einer Turbinenschaufel 6, wie sie in 4 in nahezu endbearbeitetem Zustand dargestellt ist. Die Turbinenschaufel 6 weist an ihren beiden Endseiten jeweils einen Schaufelfuß 8 auf, zwischen denen sich ein Schaufelblatt 10 erstreckt. Im bearbeiteten Endzustand weist das Schaufelblatt 10 üblicherweise eine flügelartige Querschnittsfläche auf. Die Turbinenschaufel 6 und damit auch der Rohling 2 erstrecken sich in einer Längsrichtung 12.
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Bei dem Rohling 2 in 1 sind zwei Fußbereiche 8' sowie ein mittig angeordneter Blattbereich 10 angedeutet. Im Fußbereich 8' werden im Laufe der Fräsbearbeitung die beiden Schaufelfüße und im Blattbereich 10' das Schaufelblatt 10 herausgearbeitet.
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Die Turbinenschaufel 6 weist insgesamt eine Länge > 50 cm bis hin zu 2 m auf. Es handelt sich hier also um Turbinenschaufeln 6, die in Großturbinen, beispielsweise in Kraftwerken zur Energieerzeugung oder auch in großen Flugzeug-Triebwerken eingesetzt werden. Die Breite B des Schaufelblatts liegt typischerweise im Bereich von etwa > 10 cm.
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In einem ersten Verfahrensschritt wird der Rohling 2 zunächst einer Schruppbearbeitung unterzogen. Hierbei wird ein Planfräser 14A in einer Vorschubrichtung 16 über eine zu bearbeitende Seite des Rohlings 2 verfahren. Der Planfräser 14A wird dabei entsprechend einer trochoidalen Verfahrensweise angesteuert, deren Bewegungsablauf in der 3 dargestellt ist.
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Wie hieraus zu entnehmen ist, ist der Vorschubbewegung in Vorschubrichtung 16 eine Kreisbewegung überlagert, so dass sich insgesamt ein in Vorschubrichtung 16 ausbreitende Spiralbewegung innerhalb einer zweidimensionalen Bearbeitungsebene ergibt. Der in der 3 schematisch dargestellte Fräser 14A, B taucht hierbei generell sukzessive in das zu bearbeitende Werkstück ein, bis eine sogenannte radiale Zustelltiefe ae erreicht ist. Durch das allmähliche Eingreifen ist insgesamt ein schonendes Bearbeiten erzielt. Die radiale Zustelltiefe entspricht dem Abstand zweier aufeinanderfolgender Spiralbahnen in Vorschubrichtung 16. Die radiale Zustelltiefe ae beträgt beispielsweise bei der Bearbeitung des Blattbereichs 10' mit Hilfe des Planfräsers 14A etwa 0,5 bis 1,5 mm und liegt insbesondere im Bereich von etwa 1,0 mm.
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Mit der trochoidalen Fräsbearbeitung wird eine Fräsbahn erzeugt, deren Bahnbreite dem Durchmesser D der Kreisbewegung entspricht, (3).
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Ergänzend wird der Planfräser 14A in Richtung seiner Fräserlängsachse 18 um eine axiale Zustelltiefe ap zugestellt. Die axiale Zustelltiefe ap entspricht daher der abzutragenden Materialtiefe des Rohlings 2.
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Wie in 1 angedeutet entspricht die Vorschubrichtung 16 der Längsrichtung 12. Der Planfräser 14A wird von dem rechten Fußbereich 8' zum linken Fußbereich 8' verfahren. Pro zu bearbeitende Seite des Rohlings 2 erfolgt dabei lediglich ein Verfahrensschritt. Die Bahnbreite, also der Kreisdurchmesser D entspricht der Breite B1 des Rohlings 2 und die abzutragende Materialtiefe entspricht der axialen Zustelltiefe ap. Diese liegt beispielsweise im Bereich zwischen 3 und 8 mm, insbesondere im Bereich von etwa 5 mm. Der Durchmesser d des Planfräsers 14A ist demgegenüber kleiner.
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Bei dem Planfräser 14A handelt es sich um einen mit Wendeschneidplatten 20 bestückten Fräser. Die Wendeschneidplatten 20 weisen jeweils eine jeweilige aktive Schneide 24 auf, die in Eingriff mit dem Rohling 2 gebracht wird. Die aktive Schneide 24 steht dabei über nahezu ihre gesamte Länge L in Eingriff mit dem Werkstück (Rohling 2). Das heißt die axiale Zustelltiefe ap entspricht beispielsweise 70% bis 80% der Länge der Schneide 24.
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Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel mit den gewählten axialen und radialen Zustelltiefen liegt der Vorschub fz der Schneide 24 bevorzugt im Bereich von 0,3 bis 0,4 mm. Als Schnittgeschwindigkeit Vc wird eine Geschwindigkeit im Bereich beispielsweise von 250 bis 320 m/min. eingestellt.
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Mit dem hier beschriebenen trochoidalen Fräsen des Blattbereichs 10' wird ein besonders effizientes, zeit- und kostensparendes sowie werkzeugschonendes Verfahren bereitgestellt. Von wesentlicher Bedeutung ist hierbei, dass die gesamte Seite des Rohlings 2 mit nur einmaligem Überstreichen ausgebildet wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Schruppverfahren, bei denen üblicherweise ein sukzessives, mehrfaches Zustellen in axialer Richtung (axiale Zustelltiefe) erforderlich ist, ist dadurch ein deutlich schnelleres Fräsen ermöglicht. Auch sind bei herkömmlichen Fräsverfahren mehrere Fräsbahnen erforderlich, um die gesamte Werkzeugbreite zu bearbeiten. Untersuchungen haben gezeigt, dass im Vergleich zu einem herkömmlichen Fräsverfahren, bei dem ein Fräser lediglich in Vorschubrichtung 16 ohne überlagernde Kreisbewegung bewegt wird, die Gesamtbearbeitungszeit für die Schruppbearbeitung sich nahezu halbieren lassen. Bei herkömmlichen Fräsverfahren sind bei einer derartigen Situation bis zu 6 Frässchritte erforderlich, um die gewünschte axiale Tiefe des Materialabtrags von beispielsweise 5 mm zu erreichen.
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Ergänzend war die Standzeit der eingesetzten Wendeschneidplatten 20 deutlich erhöht, da diese nunmehr über ihre nahezu gesamte Länge im Eingriff sind, im Unterschied zum herkömmlichen Verfahren, bei dem lediglich ein Bruchteil der Schneide belastet ist und entsprechende eine höhere Zerspannungsleistung aufbringen muss, was zu einem frühzeitigen Verschleiß führt.
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Am Ende des Schruppverfahrens weist der dann bearbeitete Rohling 2 weiterhin eine in etwa quaderförmige Querschnittskontur auf, vorzugsweise mit einer gewissen in Richtung des Flügelprofils gehenden Vorkonturierung. Im Anschluss an die Schruppbearbeitung wird – in hier nicht näher dargestellter Weise- das Schaufelblatt 10 auf die Endkontur mit dem charakteristischen Flügelprofil gefräst.
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Schließlich werden als weiterer Fräs-Bearbeitungsschritt in die Schaufelfüße 8 noch sogenannte Haltenuten 26 eingefräst. Über diese Haltenuten 26 werden die Turbinenschaufeln 6 in entsprechende Träger der Turbine eingehängt und dort befestigt. Die Bearbeitung der Haltenuten 26 erfolgt vorzugsweise mit einem in 5 dargestellten Schaftfräser 14B. Auch für das Einarbeiten der Haltenuten 26 wird das trochoidale Fräsverfahren eingesetzt. Die Nutbreite B2 entspricht dabei der Bahnbreite der Fräsbahn, also dem Kreisdurchmesser D. Die axiale Zustelltiefe ap entspricht der Nuttiefe. Als Fräser 14B wird insbesondere ein üblicher Standard-Fräser mit positiver Schneidgeometrie eingesetzt, bei der also die Schneiden jeweils spitzwinklig nach Art eines Keils ausgebildet sind.
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Die gesamte Fräsbearbeitung des Rohlings 2, also die Schruppbearbeitung des Blattbereichs 10', die nachfolgende Endbearbeitung auf die flügelförmige Querschnittskontur sowie insbesondere auch die Bearbeitung der Haltenuten 26 erfolgt insbesondere auf nur einer Bearbeitungsmaschine ohne dass ein Umspannen des Werkstücks vorgenommen wird.
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Insgesamt ist durch das hier beschriebene Fräsverfahren ein sehr effizientes, schnelles und materialschonendes Verfahren erzielt. Wesentlicher Gesichtspunkt hierbei ist der Einsatz des trochoidalen Fräsverfahrens, insbesondere für die Schruppbearbeitung des Blattbereichs 10'. Durch das trochoidale Verfahren besteht insbesondere auch die Möglichkeit, als Vorschubrichtung 16 die Längsrichtung 12 zu wählen, auch bei den hier beschriebenen großen Turbinenschaufeln 6 mit Längen von teilweise über einem Meter.
