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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mechanischen Randzonenverfestigung innerhalb einer Bauteilrandzone eines Bauteils mit wenigstens einem Walzwerkzeug gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
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Aus der Praxis sind Strahltriebwerke bekannt, welche stromab eines Bläsers mit mehrstufigen Verdichtern ausgeführt sind, in deren Bereich der in einem Kernstrom geführte Luftstrom stufenweise auf ein gewünschtes Druckniveau geführt wird. Einzelne Verdichterstufen sind durch im Betrieb eines Strahltriebwerkes rotierende Schaufelelemente bzw. rotierende Laufschaufeln und damit korrespondierende Schaufelelementen bzw. stillstehende Leitschaufeln gebildet. Im Bereich der stillstehenden Leiträder wirken im Betrieb eines Strahltriebwerkes vergleichsweise geringe mechanische Lasten, da einerseits keine rotationsbedingten Zentrifugalkräfte angreifen und andererseits Schaufelschwingungen durch die Eigenspannung des Strömungsprofils des Fuß- und Kopfbereichs minimiert werden.
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Im Gegensatz dazu wirken im Bereich der rotierenden Laufschaufeln im Betrieb eines Strahltriebwerkes jedoch hohe mechanische Lasten. Ihre Gesamtlast setzt sich aus mehreren Teillasten zusammen, von denen die Zentrifugalkraft die größte Teillast darstellt.
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Die dynamischen Teillasten resultieren aus der rotationsbedingten Schwingungsanregung der Laufschaufeln bzw. der Schaufelelemente. Des Weiteren wirken auf die Laufschaufeln aerodynamisch bedingte Lasten, die vor allem auf periodisch instationäre Strömungen zurückzuführen sind. Generell treten periodisch instationäre Strömungen durch die Stator-Rotor-Interaktion auf, die durch die Zerteilung der Strömung durch das Vorbeilaufen der Laufschaufeln an den Leitschaufeln erzeugt wird. Weiterhin werden dynamische Lasten durch die Interaktion der Strömungsprofile mit der turbulenten Strömung hervorgerufen, die ebenfalls Schaufelschwingungen zur Folge haben.
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Die Summe der dynamischen Teillasten führt dazu, dass vor allem im Bereich rotierender Laufschaufeln von Verdichtern und auch von Bläsern bzw. allgemein von einstückigen Rotorbereichen von Strahltriebwerken im Betrieb hochfrequente Schwingungen auftreten, die zu einer hochdynamischen Beanspruchung der Laufschaufeln führen. Weiterhin wird ein Teil der Schaufeln im Betrieb von Strahltriebwerken neben mechanischen Belastungen thermisch beansprucht. Dies gilt vor allem für die Schaufeln des Hochdruckverdichters und die hinteren Schaufeln des Niederdruckverdichters, wo Betriebstemperaturen von bis zu 600 °C erreicht werden.
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Schaufeln von Verdichtern oder Bläsern von Strahltriebwerken werden derart ausgelegt, dass die dynamischen Betriebslasten die Schwingfestigkeit nicht oder nur definiert überschreiten und eine Dauerfestigkeit bzw. ein definiertes Maß an Zeitfestigkeit gewährleistet ist. Es kommt jedoch immer wieder zu einer verfrühten Rissinduzierung und teilweise sogar zu einem unkontrollierten Versagen von Bläser- und Verdichterschaufeln, das überwiegend auf eine Schaufelschädigung durch Fremdkörper zurückzuführen ist.
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Fremdkörperschäden werden durch das Auftreffen harter Fremdkörper hervorgerufen, wobei es sich bei den Fremdkörpern im Allgemeinen um Steine und Bruchstücke von Schrauben, Muttern, Unterlegscheiben und dergleichen handelt, die auf der Start- und der Landebahn liegen.
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Trifft ein Fremdkörper beispielsweise auf das Strahltriebwerk, so zersplittert er häufig. Meist dringen diese Splitterstücke ebenfalls wie Objekte, die den Bläserbereich kollisionsfrei passiert haben, mit der Luftströmung tiefer in das Triebwerk ein. Hat das Triebwerk einen großen Nebenluftstrom, so kann ein Teil der Objekte das Triebwerk über diesen verlassen, ohne weitere wesentliche Schäden hervorzurufen. Der andere Teil gerät mit dem Kernluftstrom in den Niederdruckverdichter und geht dort folgenschwere Kollisionen, vor allem mit den schnell rotierenden Laufschaufeln, ein. Hierbei liegt der Hauptschädigungsort, bedingt durch die Kinematik, ähnlich wie beim Bläser, im Bereich einer Anströmkante und der vorderen konkaven Profilseite.
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Die Schaufelelemente werden entsprechend massiv ausgeführt, um die Schaufelelemente bzw. die Laufschaufeln gegenüber Fremdkörperschäden zu schützen und die aus diesen im Betrieb jeweils resultierende Rissbildung im Bereich der Schaufeln zu vermeiden. Der unerwünscht hohe Materialeinsatz erhöht ein Gesamtgewicht und auch Fertigungskosten eines Strahltriebwerkes, was jedoch nicht erwünscht ist.
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Um die Schaufelelemente diesbezüglich zu verbessern, ist dazu übergegangen worden, Laufschaufeln bzw. Schaufelelemente von Strahltriebwerken über geeignete Fertigungsprozesse nachzuverfestigen, um die Laufschaufeln im Vergleich zu nicht nachverfestigten Laufschaufeln mit geringeren Bauteilabmessungen ausführen zu können bzw. die Festigkeit gegen Schwingungsermüdung zu erhöhen.
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Hierfür ist es bekannt, Laufschaufeln mittels Zangenwerkzeugen bereichsweise zu walzen und in oberflächennahen Bereichen Eigenspannungen in den Laufschaufeln zu erzeugen. Dabei wird jeweils ein der Strömung zugewandter Schaufelbereich durch einen Eingriff eines Walzwerkzeuges durch Festwalzen verfestigt. Hierbei werden üblicherweise in etwa 20 % der Oberfläche eines Schaufelelementes ausgehend von der Strömungseintrittskante des Schaufelelementes in Strömungsrichtung durch gleichzeitiges beidseitiges Walzen festgewalzt, wodurch eine hohe Oberflächengüte erreicht bzw. beibehalten wird und auch Verformungen dünnwandiger Profile vermieden werden. Um Eigenspannungssprünge und Rillen zu vermeiden, werden dabei - wie beispielsweise in der Patentanmeldung
DE 10 2011 007 223.3 der Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG beschrieben - Zangenwerkzeuge eingesetzt, welche während der Oberflächenverfestigung einen Bearbeitungsdruck variieren können.
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Derartige Zangenwerkzeuge sind hinsichtlich eines maximalen Einsatzdruckes ausgelegt, so dass diese Werkzeuge insgesamt sehr groß ausgebildet sind. Insbesondere bei komplex ausgebildeten, zu verfestigenden Bauteilen, wie dies Laufschaufeln von Strahltriebwerken sind, ist der zur Verfügung stehende Raum zur Einführung des Zangenwerkzeugs beschränkt. Dementsprechend kann mit dem für einen maximalen Einsatzdruck ausgelegten Zangenwerkzeug gegebenenfalls nicht der gesamte gewünschte Bereich des Bauteils verfestigt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur mechanischen Randzonenverfestigung innerhalb einer Bauteilrandzone eines Bauteils mit wenigstens einem Walzwerkzeug zur Verfügung zu stellen, mittels welchem auch bei komplex ausgebildeten Bauteilen gewünschte Bereiche verfestigt werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Es wird ein Verfahren zur mechanischen Randzonenverfestigung innerhalb einer Bauteilrandzone eines Bauteils mit wenigstens einem Walzwerkzeug vorgeschlagen, wobei durch das wenigstens eine Walzwerkzeug mittels Festwalzens in oberflächennahen Bereichen des Bauteils Eigenspannungen eingebracht werden, und wobei während des Festwalzens jeweils ein Bereich des Bauteils zwischen Bereichen des wenigstens einen Walzwerkzeuges angeordnet ist und zwei Seiten des Bauteils gleichzeitig festgewalzt werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Bauteil von wenigstens zwei Walzwerkzeugen im Bereich des Verfestigungsbereichs festgewalzt wird, welche während des Festwalzens eine sich voneinander unterscheidende, jeweils wenigstens annähernd konstante Druckkraft auf das Bauteil ausüben.
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Dadurch, dass wenigstens zwei Walzwerkzeuge zur Randzonenverfestigung eines Bauteils eingesetzt werden, welche jeweils zur Aufbringung einer wenigstens annähernd konstanten Druckkraft ausgebildet sind, können diese hinsichtlich der jeweils spezifischen Druckkraft ausgelegt werden und müssen keine Einrichtungen zur Druckvariation aufweisen, so dass die Walzwerkzeuge sowie deren Versorgungs-, Steuerungs- und Regelungseinheiten sehr einfach und kostengünstig ausgebildet werden können.
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Dementsprechend können die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Walzwerkzeuge kleiner als bekannte Walzwerkzeuge dimensioniert werden. Hierdurch ist insbesondere bei komplex ausgebildeten Bauteilen eine bessere Zugänglichkeit der Walzwerkzeuge zu dem wenigstens einen Verfestigungsbereich geschaffen und eine Kollisionsgefahr des jeweiligen Walzwerkzeugs mit anderen Bauteilen oder anderen Flächen des zu bearbeitenden Bauteils ist reduziert. Ferner kann durch die klein dimensionierten Walzwerkzeuge gegebenenfalls ein sich weiter von einem Randbereich des Bauteils erstreckender Eingriff in das Bauteil als bei bekannten Walzwerkzeugen vorgenommen werden.
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Grundsätzlich können die einzelnen Walzwerkzeuge sequentiell, d. h. nacheinander eingesetzt werden. Um eine Bearbeitungszeit zu reduzieren ist es aber auch denkbar, die einzelnen Walzwerkzeuge zumindest teilweise gleichzeitig einzusetzen.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind Bauteile im Vergleich zu nicht nachverfestigten Bauteilen mit geringerem Materialeinsatz und somit kleinerem Gesamtgewicht bei gleicher oder höherer Beständigkeit gegenüber Fremdkörperschäden sowie Schwingungsbelastungen ausführbar.
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Insgesamt sind Bauteile, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren festgewalzt werden, robust hinsichtlich einer Rissentstehung, einer Rissausbreitung, Erosionsschäden und Fremdkörperschäden, da das Bauteil durch die Oberflächenverfestigung widerstandsfähiger ist und eine höhere Lebensdauer aufweist.
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Durch den Festwalzvorgang wird eine Oberfläche des Bauteils zudem geglättet, wodurch in einem Einsatz, beispielsweise von einem Fluid umströmte Bauteile einen sehr guten Wirkungsgrad aufweisen. Durch die glatte und kaltverfestigte Oberfläche liegen nur sehr wenige Kerbgründe vor und die Oberfläche ist besonders widerstandsfähig gegen Beschädigungen. Dies wirkt sich wiederum positiv auf die Lebensdauer des Bauteils aus.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kommt insbesondere zur Randzonenverfestigung von Laufschaufeln eines Schaufelrads für ein Strahltriebwerk zum Einsatz, wobei die Laufschaufeln formschlüssig mit einem Scheibenrad verbunden werden können oder integral mit einem Scheibenrad ausgebildet sein können. Derartige Laufschaufeln weisen komplexe Freiformgeometrien auf, welche schwer zugänglich sind. Durch die besonders kleine Ausbildung der Walzwerkzeuge ist eine Bearbeitung von Laufschaufeln beispielsweise auch in der Anströmkante abgewandten Bereichen, im Bereich einer Schaufelspitze, im Bereich der Fillet, d. h. in einem Übergangsbereich zwischen einem Schaufelblatt und einem Schaufelfuß, möglich. Es können auch mehrere dieser Bereiche in Kombination bearbeitet werden. Durch das Festwalzen der Oberflächen der Laufschaufeln werden des Weiteren Spannungssprünge vermieden und die Beständigkeit gegenüber Schwingungsbelastungen auf einfache Art und Weise verbessert.
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Die Laufschaufel wird bei einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Bereich einer Anströmkante festgewalzt. Die Form des festzuwalzenden Bereichs ist dabei frei wählbar und kann beispielsweise im Wesentlichen rechteckig geformt sein und direkt an der Anströmkante beginnen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Behandlung eines schadhaften, beispielsweise von einem Festkörper getroffenen Bereiches, eingesetzt werden, wobei der von den Walzwerkzeugen behandelte Bereich den schadhaften Bereich insbesondere vollständig einschließt.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst ein erster Bearbeitungsbereich des Bauteils in einem ersten Bearbeitungsschritt mit einer ersten Druckkraft von einem ersten Walzwerkzeug festgewalzt und anschließend ein zweiter, zumindest einen Randzonenbereich des ersten Bearbeitungsbereichs des Bauteils zumindest bereichsweise, insbesondere vollständig und/oder überlappend, umfassender Bearbeitungsbereich des Bauteils in einem zweiten Bearbeitungsschritt mit einer gegenüber der ersten Druckkraft reduzierten zweiten Druckkraft von einem zweiten Walzwerkzeug festgewalzt. Durch die Bearbeitung des Randzonenbereichs des ersten Bearbeitungsbereichs können Eigenspannungssprünge an einem Übergang zwischen einem von einem Walzwerkzeug behandelten Bereich und einem unbehandelten Bereich stark reduziert werden.
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Eigenspannungssprünge können weiter reduziert werden, wenn wenigstens ein weiterer, zumindest einen Randzonenbereich des zweiten Bearbeitungsbereichs des Bauteils zumindest bereichsweise, insbesondere vollständig und/oder überlappend, umfassender Bearbeitungsbereich des Bauteils mit einer gegenüber der zweiten Druckkraft jeweils reduzierten Druckkraft festgewalzt wird. Je mehr Bearbeitungsbereiche vorgesehen sind und je kleiner die Druckunterschiede zwischen den jeweiligen Bearbeitungsbereichen gewählt werden, desto geringer sind die Eigenspannungssprünge und desto gleichmäßiger sind die jeweiligen Übergänge.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Walzwerkzeuge derart gegenüber dem Bauteil geführt, dass ein Abstand zwischen Randzonen der jeweiligen Bearbeitungsbereiche des Bauteils über deren Verlauf wenigstens annähernd konstant ist. Alternativ hierzu kann es auch vorgesehen sein, dass die Walzwerkzeuge derart gegenüber dem Bauteil geführt werden, dass ein Abstand zwischen Randzonen der jeweiligen Bearbeitungsbereiche des Bauteils über deren Verlauf variiert. Auch kann es vorgesehen sein, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Randzonen wenigstens annähernd konstant ist, sich aber von einem Abstand zwischen zwei anderen benachbarten Randzonen unterscheidet. Dies kann insbesondere zur Reduzierung einer Kerbwirkung und von Spannungssprüngen vorteilhaft sein, so dass die Gefahr einer Rissentstehung reduziert werden kann.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann es auch vorgesehen sein, dass zunächst ein erster Bearbeitungsbereich des Bauteils in einem ersten Bearbeitungsschritt mit einer ersten Druckkraft von einem ersten Walzwerkzeug festgewalzt und anschließend ein zweiter teilweise, insbesondere vollständig von dem ersten Bearbeitungsbereich umfasster Bearbeitungsbereich des Bauteils in einem zweiten Bearbeitungsschritt mit einer gegenüber der ersten Druckkraft erhöhten zweiten Druckkraft von einem zweiten Walzwerkzeug festgewalzt wird. Auch durch diese Bearbeitungsreihenfolge können Eigenspannungssprünge an einem Übergang zwischen einem von einem Walzwerkzeug behandelten Bereich und einem unbehandelten Bereich stark reduziert werden.
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Auch bei dieser Reihenfolge der Druckeinbringung können Eigenspannungen besonders effektiv reduziert und ein besonders gleichmäßiger Übergang zwischen einem festgewalzten Bereich und einem unbehandelten Bereich geschaffen werden, wenn wenigstens ein weiterer Bearbeitungsbereich des Bauteils mit einer gegenüber der zweiten Druckkraft erhöhten Druckkraft festgewalzt wird, wobei dieser zumindest teilweise, insbesondere vollständig von dem zweiten Bearbeitungsbereich umfasst wird. Je mehr Bearbeitungsbereiche vorgesehen sind und je geringer der Druckunterschied ist, desto größer ist dieser Effekt.
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Bei einer durch einen geringen Steuer- und Regelaufwand gekennzeichneten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Oberflächen des Bauteils durch sequentielles radiales bzw. sequentielles axiales Abfahren zumindest bereichsweise festgewalzt. Alternativ hierzu können die Oberflächen des Bauteils auch durch beliebige Fahrwege des jeweiligen Walzwerkzeugs festgewalzt werden, wobei es sich als besonders effektiv erwiesen hat, wenn der Festwalzvorgang insbesondere jeweils in einer mäanderförmigen Bewegung des jeweiligen Walzwerkzeugs gegenüber dem Bauteil durchgeführt wird.
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Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die im nachfolgenden Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gegenstandes angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildung des Gegenstandes nach der Erfindung keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstandes ergeben sich aus den Patentansprüchen und dem nachfolgend unter Bezugnahme auf Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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Es zeigt:
- 1 eine stark schematisierte Längsschnittansicht eines Strahltriebwerks mit mehreren Schaufelrädern;
- 2 eine vergrößerte Einzeldarstellung eines Schaufelrads der 1 mit mehreren Laufschaufeln;
- 3 eine vereinfachte Ansicht einer Laufschaufel des Schaufelrads der 2, wobei die Laufschaufel im Bereich einer Anströmkante festgewalzt ist; und
- 4 eine der 3 entsprechende Ansicht der Laufschaufel, wobei zwei Bearbeitungsstrategien zum Festwalzen der Laufschaufel gezeigt sind.
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In 1 ist ein Strahltriebwerk 1 in einer Längsschnittansicht gezeigt. Das Strahltriebwerk 1 ist mit einem Einlaufbereich 3 ausgeführt, an den sich stromab ein Bläser 4 in an sich bekannter Art und Weise anschließt. Wiederum stromab des Bläsers 4 teilt sich der Fluidstrom im Strahltriebwerk 1 in einen Nebenstrom und einen Kernstrom auf, wobei der Nebenstrom durch einen Nebenstromkanal 2 und der Kernstrom in einen Triebwerkskern 5 strömt, der wiederum in an sich bekannter Art und Weise mit einer Verdichtereinrichtung 6, einem Brenner 7 und einer Turbineneinrichtung 8 ausgeführt ist.
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In 2 ist eine vergrößerte Einzelansicht eines Schaufelrads 9 der Verdichtereinrichtung 6 dargestellt, welches einen ringförmigen Grundkörper 10 und mehrere über den Umfang verteilte Laufschaufeln 11 umfasst, die sich im Wesentlichen vom Grundkörper 10 radial erstrecken.
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Die Laufschaufeln 11 können dabei einstückig mit dem Grundkörper 10 gebildet sein und eine so genannte Blisk, d. h. eine integral beschaufelte Rotor-Konstruktion darstellen. Der Begriff Blisk setzt sich aus den englischen Worten „Blade“ für Schaufel und „Disk“ für Scheibe zusammen. Die Scheibe bzw. der ringförmige Grundkörper 10 sowie die Laufschaufeln 11 sind aus einem Stück gefertigt. Die Laufschaufeln des integral beschaufelten Schaufelrads 9 sind vorteilhafterweise mit geringerem Abstand zueinander anordenbar, wodurch eine maximal mögliche Verdichtung und der Wirkungsgrad verbesserbar sind.
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Alternativ hierzu können die Laufschaufeln auch Schaufelfüße aufweisen und mit diesen in in dem Grundkörper 10 vorgesehene Nuten eingeschoben und hierdurch austauschbar mit dem Grundkörper 10 bzw. Scheibenrad verbunden werden.
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Um die Verdichtereinrichtung 6 bzw. das Schaufelrad 9 gegenüber Fremdkörperschäden und auch Schwingungsbelastungen bei gleichzeitig geringem Eigengewicht stabil auszuführen, werden in die Laufschaufeln 11 über jeweils zwischen benachbarte Laufschaufeln 11 eingreifende, insbesondere zangenförmige Walzwerkzeuge innerhalb einer oberflächennahen Bauteilrandzone in einem Festwalzvorgang Eigenspannungen eingebracht. Jeweils ein im Bereich einer Anströmkante 13 der Laufschaufel 11 angeordneter Verfestigungsbereich 14 der Laufschaufeln 11 wird vorliegend beidseitig, d. h. gleichzeitig sowohl auf einer Saug- als auf einer Druckseite der Laufschaufel 11 festgewalzt.
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Durch das Festwalzen der Oberflächen der Laufschaufeln 11 werden jeweils oberflächennahe Bereiche der Laufschaufel 9 durch Erhöhen der Versetzungsdichte verfestigt und die Randschicht der Laufschaufeln 11 gehärtet. Die Härtung der Randschicht verringert das Risiko von Anrissen, die aus einer Fremdkörperschädigung sowie aus Schwingungsbelastungen resultieren. Darüber hinaus führen die ins Material durch das Festwalzen eingebrachten Druckeigenspannungen im Bereich der Laufschaufel 11 dazu, dass diese nach Bildung eines Risses einem Rissfortschritt entgegenwirken und somit einen positiven Effekt hinsichtlich der Dauerschwingfestigkeit und damit bezüglich der Lebensdauer des Strahltriebwerkes 1 haben.
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Des Weiteren weisen die Laufschaufeln 11 durch den Festwalzprozess eine hohe Oberflächengüte mit einer geringen Oberflächenrauheit auf, die einen positiven Effekt auf die aerodynamische Güte der Laufschaufeln 11 sowie des gesamten Schaufelrades 9 ohne das Erfordernis eines weiteren, sich an den Verfestigungsprozess anschließenden Prozessschrittes zur Glättung der Oberfläche hat.
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Zur Durchführung des Festwalzprozesses sind nicht näher ersichtliche Walzwerkzeuge vorgesehen, welche grundsätzlich in an sich bekannter Art und Weise ausgeführt sind und in jedes bekannte Bearbeitungszentrum integrierbar sind.
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Die Walzwerkzeuge sind jeweils zur Ausübung einer konstanten Druckkraft auf die Laufschaufel 11 ausgebildet, so dass das jeweilige Walzwerkzeug hinsichtlich dieser Druckkraft ausgelegt werden kann. Die Walzwerkzeuge, die zur Ausübung einer geringen Walzkraft ausgebildet sind, können entsprechend klein dimensioniert werden, so dass mit diesen ein tiefer Eingriff in die Laufschaufeln 11 ermöglicht ist und eine Kollisionsgefahr des jeweiligen Walzwerkzeugs beispielsweise mit Oberflächen von benachbarten Laufschaufeln 11 verringert ist.
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In 3 ist stark vereinfacht eine Laufschaufel 11 gezeigt, deren Oberfläche im Bereich der Anströmkante 13 mit vorliegend vier Walzwerkzeugen nacheinander festgewalzt wurde. Der Verfestigungsbereich 14 weist vorliegend eine im Wesentlichen rechteckige Form auf, welche direkt an die Anströmkante 13 grenzt und hier jeweils einen Abstand sowohl zu Tip als auch zu einem Übergangsbereich 12 zu einem Schaufelfuß 26 aufweist. Der Verfestigungsbereich kann aber prinzipiell eine beliebige Form aufweisen oder die gesamte Oberfläche der Laufschaufel 11 umfassen.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass der Verfestigungsbereich 14 im Bereich eines Einschlags eines Schadkörpers angeordnet ist, um die Auswirkung des Einschlags zu vermindern.
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Mittels einer zangenförmigen Ausführung der Walzwerkzeuge ist eine Behandlung von Laufschaufeln 11 von Tip bis Fillet möglich, wobei ein gleichzeitiges Festwalzen der Druck- und Saugseiten von Laufschaufeln zur Vermeidung eines eigenspannungsbedingten Verzuges vorgesehen ist.
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Ein der Anströmkante 13 zugewandter erster Bearbeitungsbereich 16, welcher einen Hauptverfestigungsbereich darstellt, wird von einem ersten Walzwerkzeug mit einer gewünschten ersten Druckkraft bearbeitet. Um Eigenspannungssprünge zwischen dem ersten Bearbeitungsbereich 16 und einem daran angrenzenden unbearbeiteten Bereich der Laufschaufel 11 zu vermeiden bzw. zu reduzieren, wird anschließend ein den ersten Bearbeitungsbereich 16 umfassender zweiter Bearbeitungsbereich 17 von einem zweiten Walzwerkzeug, welches eine gegenüber der ersten Druckkraft reduzierte Druckkraft ausübt, festgewalzt. Der zweite Bearbeitungsbereich 17 umfasst dabei insbesondere eine Randzone 18 des ersten Bearbeitungsbereichs 16, so dass sich der zweite Bearbeitungsbereich 17 vorliegend sowohl in eine der Anströmkante 13 abgewandte Richtung, in Richtung eines Schaufelfußes als auch in Richtung einer oberen Kante 25 der Laufschaufel 11 weiter erstreckt als der erste Bearbeitungsbereich 16.
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Dieses Vorgehen wird mit einem dritten Walzwerkzeug und einem vierten Walzwerkzeug wiederholt, wobei die auf die jeweilige Laufschaufel 11 ausgeübte Druckkraft immer weiter reduziert wird. Der dritte Bearbeitungsbereich 19 bzw. vierte Bearbeitungsbereich 20 umfassen dabei eine Randzone 21 bzw. 22 des jeweils vorherigen Bearbeitungsbereichs 18 bzw. 19.
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Je geringer die Druckunterschiede zwischen den einzelnen Walzwerkzeugen sind, von denen auch nur zwei oder drei oder mehr als vier für eine entsprechende Anzahl von Bearbeitungsbereichen zum Einsatz kommen können, desto effektiver werden die Eigenspannungssprünge zwischen den Bearbeitungsbereichen 16, 17, 19, 20 und dem unbearbeiteten Bereich durch einen geringen Druckgradienten reduziert. Durch die plastischen Verformungen hervorgerufene Walzspuren können hierdurch reduziert werden und ein gleichmäßiger Übergang zwischen bearbeiteten Bereichen und unbearbeiteten Bereichen der Laufschaufeln 11 kann erzielt werden.
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Die jeweiligen Walzwerkzeuge werden in der vorliegenden Ausführung jeweils in einer in der 4 schematisch gezeigten mäanderförmigen Bewegungsbahn entlang der Pfeile P1 bzw. P2 gegenüber der Laufschaufeln 11 bewegt, wobei Überlappungsgrade von insbesondere größer als 60 % zwischen benachbarten Bewegungsbahnen vorgesehen sind. Eine Hauptbewegungsrichtung des jeweiligen Walzwerkzeugs kann sich dabei von der oberen Kante 25 bzw. von Tip des Laufrades 11 in Richtung des Schaufelfußes 26 oder umgekehrt erstrecken.
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Der zweite, dritte und/oder vierte Bearbeitungsbereich 17, 19, 20 kann einerseits den gesamten vorherigen Bearbeitungsbereich 16, 17, 19 oder lediglich die Randzone 18, 21, 22 des vorherigen Bearbeitungsbereichs 16, 17, 19 umfassen. Abstände zwischen den Randzonen 18, 21, 22, 23 der jeweiligen Bearbeitungsbereiche 16, 17, 19, 20 sind vorliegend im Wesentlichen konstant, wobei diese je nach Anwendungsfall variieren können.
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Neben der beschriebenen Reihenfolge des Einsatzes der Walzwerkzeuge können diese auch in umgekehrter Reihenfolge zum Einsatz kommen, wobei zunächst der vierte Bearbeitungsbereich 20 mit dem geringsten Bearbeitungsdruck festgewalzt wird und am Ende der erste Hauptverfestigungsbereich 16 mit dem ersten Walzwerkzeug festgewalzt wird.
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Neben der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verfestigung im Bereich von Laufschaufeln von Schaufelrädern von Strahltriebwerken kann das erfindungsgemäße Verfahren prinzipiell zur Verfestigung von Oberflächen von sämtlichen Bauteilen eingesetzt werden, welche beidseitig von einem Walzwerkzeug umfasst werden können. Insbesondere können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dünnwandige Bereiche des jeweiligen Bauteils behandelt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stahltriebwerk
- 2
- Nebenstromkanal
- 3
- Einlaufbereich
- 4
- Bläser
- 5
- Triebwerkskern
- 6
- Verdichtereinrichtung
- 7
- Brenner
- 8
- Turbineneinrichtung
- 9
- Schaufelrad
- 10
- Grundkörper
- 11
- Laufschaufel
- 13
- Anströmkante
- 14
- Verfestigungsbereich
- 16
- erster Bearbeitungsbereich
- 17
- zweiter Bearbeitungsbereich
- 18
- Randzone des ersten Bearbeitungsbereichs
- 19
- dritter Bearbeitungsbereich
- 20
- vierter Bearbeitungsbereich
- 21
- Randzone des zweiten Bearbeitungsbereichs
- 22
- Randzone des dritten Bearbeitungsbereichs
- 23
- Randzone des vierten Bearbeitungsbereichs
- 25
- obere Kante des Laufrads
- 26
- Schaufelfuß
- P1, P2
- Pfeile
