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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe, die eine drehbare Welle und mindestens ein drehfest auf der Welle angeordnetes Bauteil aufweist, wobei zum Auswuchten der Baugruppe diese zumindest bereichsweise durch elektrochemisches Abtragen bearbeitet wird.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung einer Baugruppe, die eine drehbare Welle und mindestens ein drehfest auf der Welle angeordnetes Bauteil aufweist, mit einer Einrichtung zum Auswuchen der Baugruppe durch elektrochemisches Abtragen.
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Stand der Technik
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Baugruppen, die rotierende Elemente aufweisen, insbesondere Elemente, die mit hohen Drehzahlen rotieren, wie es beispielsweise bei Turbomaschinen in der Regel der Fall ist, müssen ausgewuchtet werden, um die Haltbarkeit der Baugruppe, insbesondere der rotierenden Welle und der die Welle aufnehmenden Lager zu gewährleisten. Neben der Haltbarkeit wird beim Einsatz einer derartigen Baugruppe in einem Fahrzeug auch aufgrund akustischer Gründe ein Auswuchten beziehungsweise Entfernen von Unwuchten durchgeführt. Hierbei sind nur äußerst geringe Restunwuchten tolerierbar. Um gerade die im Turboladerbau geforderten hohen Wuchtgüten zu erreichen werden in der Regel zuerst alle Teile des Läufers, also die Welle und insbesondere die darauf anzuordnenden Laufräder beziehungsweise Schaufelräder einzeln ausgewuchtet. Die einzelnen Bauteile sind hierbei gut zugänglich, sodass Auswuchtebenen frei gewählt werden können. Von dem Materialabtrag kommen neben Fräsprozessen auch Schleifprozesse oder aber auch ECM-Prozesse, also elektrochemisches Abtragen zum Einsatz.
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Bei einem elektrochemischen Abtragen wird in der Regel das Werkstück als Anode (positiv) und das Werkzeug als Katode (negativ) mittels einer externen Spannungsquelle polarisiert. Die Form der Werkzeugkatode gibt die Bearbeitungsform des Werkstücks vor, es ist also ein abbildendes Verfahren. Am Werkzeug findet prozessbedingt kein Verschleiß statt. Zwischen Werkzeug und Werkstück wird eine Elektrolytlösung vorgesehen, die den Ladungstransport zwischen Werkstück und Werkzeug übernimmt. Der entstehende Elektronenstrom löst Metallionen vom Werkstück, die dann an der Anode Reaktionen mit Teilen des gespaltenen Elektrolyten eingehen. Es wird also Material von dem Werkstück abgetragen, wobei sich hohe Oberflächengüten ergeben, ohne dass das Werkstück mechanisch bearbeitet wird. Entstehender Abtrag wird vorzugsweise mit dem Elektrolyten abtransportiert und durch anschließendes Spülen und Trocknen die Reinheit des Werkstücks sicher hergestellt. Es entstehen bei dem Verfahren keine Späne.
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Aus der
DE 10 2008 062 553 A1 ist es außerdem bereits bekannt, zur Herstellung einer derartigen Baugruppe, die eine Welle und zwei drehfest darauf angeordnete Schaufelräder aufweist, diese aus einem Stück zu fertigen und anschließend durch elektrochemisches Abtragen zu bearbeiten. Hierbei wird also das Auswuchten an der vorgefertigten beziehungsweise vormontierten Baugruppe durchgeführt. Das Problem des Bearbeitens eines einstückig ausgebildeten Läufers mit einer Welle und mehreren daran drehfest angeordneten Bauteilen liegt darin, dass die Bearbeitungsebenen beziehungsweise die Bearbeitungsstellen nur bedingt wählbar sind, da die auszuwuchtenden Stellen nicht unbedingt zugänglich sind. Insbesondere wenn die rotierenden Teile der Baugruppe bereits in einem Gehäuse montiert sind, ist es klar, dass nur noch bestimmte Wuchtebenen frei gewählt werden können, wie beispielsweise die freiliegenden Wellenenden. Die maximal abtragbare Masse an den Bauteilen ist insbesondere bei Turboladern limitiert, da die Strukturfestigkeit der Schaufelräder auch nach dem Wuchten gewährleistet werden muss. Restunwuchten können damit nur bis zu einem gewissen Betrag ausgeglichen werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die vormontierte Baugruppe aus Welle und mindestens einem daran drehfest angeordneten Bauteil auch nach der Vormontage und auch bereits im in ein Gehäuse verbauten Zustand an nahezu beliebiger Stelle entlang der Längserstreckung der Baugruppe durch elektrochemisches Abtragen optimal ausgewuchtet werden kann. Dadurch ist es möglich dynamische Unwuchten optimal auszugleichen. Insbesondere schnelldrehende Baugruppen könnten im komplettierten Zustand durch das erfindungsgemäße Verfahren optimal von Unwuchten befreit werden. Ein vorheriges Auswuchten einzelner Bestandteile der Baugruppe kann dabei auch entfallen. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass die Welle zumindest abschnittsweise als Hohlwelle ausgebildet wird, und dass zum Auswuchten eine Mantelinnenwand der Hohlwelle zumindest bereichsweise durch das elektrochemische Abtragen zum Auswuchten der Baugruppe bearbeitet wird. Es ist also vorgesehen, dass ein Auswuchten nicht an einer Außenseite der Baugruppe erfolgt, sondern im Inneren der Welle. Durch die zumindest abschnittsweise Ausbildung der Welle als Hohlwelle ist es möglich, die Welle an beliebiger Stelle ihrer Längserstreckung von innen heraus zu bearbeiten, wobei durch das elektrochemische Abtragen eine genaue optimale Bearbeitung an der gewünschten Stelle vorteilhaft ermöglicht wird. Das Ausbilden der Welle als Hohlwelle hat zudem den Vorteil der Gewichtsersparnis und das Verringern der Massenträgheit der Welle, was zu weiteren Vorteilen insbesondere bei schnelldrehenden Baugruppen, wie dem Läufer einer Turbomaschine, führt. Darüber hinaus wird durch das Bearbeiten der Mantelinnenseite der Hohlwelle auf einfache Art und Weise gewährleistet, dass der Elektrolyt nur den Stellen zugeführt wird, an denen Material abgetragen werden soll. Durch ein Abdichten der Hohlwelle während der Bearbeitung können korrosions- und feuchtigkeitsempfindliche Bauteile der Baugruppe sicher und wirtschaftlich vor Kontamination mit dem Elektrolyt geschützt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Welle vor dem elektrochemischen Abtragen in einem Gehäuse der Baugruppe drehbar gelagert angeordnet wird. Dadurch können die rotierenden Teile der Baugruppe beispielsweise in einem Gehäuse fertig montiert und auch im Nachhinein erst zum Auswuchten bearbeitet werden. Bei einer Turbomaschine kann beispielsweise der in das Gehäuse eingebrachte und bereits drehbar gelagerte Läufer in dem fertig montierten Zustand durch elektrochemisches Abtragen zum Auswuchten bearbeitet werden.
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Vorzugsweise ist auf der Welle als Bauteil mindestens ein Schaufelrad angeordnet. Besonders bevorzugt sind auf der Welle zwei Schaufelräder als Bauteile drehfest angeordnet. Hierdurch ist die Baugruppe bevorzugt als Läufer einer Turbomaschine ausgebildet, wobei auf eine aufwendige einstückige Ausbildung von Schaufelrädern und Welle verzichtet werden kann.
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Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass auf der Welle als Bauteil alternativ oder zusätzlich mindestens ein (elektrischer) Rotor drehfest angeordnet wird, der insbesondere mit einem in dem Gehäuse drehfest angeordneten Stator zum Antreiben der Welle oder zum Generieren elektrischer Energie durch die extern angetriebene Welle dient. Vorzugsweise wird die Welle wie zuvor beschrieben ausgewuchtet nachdem die Baugruppe vormontiert, also der Rotor auf der Welle befestigt wurde, sodass auch Unwuchten des Rotors durch den Materialabtrag auf der Mantelinnenwand der Hohlwelle ausgeglichen beziehungsweise entfernt werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass alternativ oder zusätzlich auf der Welle als Bauteil wenigstens ein Wälzkörperlager angeordnet wird. Auch Wälzkörperlager können zu Unwuchten der Baugruppe führen. Durch das Anordnen eines Wälzkörperlagers auf der Welle vor dem Auswuchten können somit auch durch die Wälzkörperlager bedingte Unwuchten ausgeglichen beziehungsweise ausgewuchtet werden.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Welle zumindest bereichsweise zur Hohlwelle hohlgebohrt wird. So ist es beispielsweise denkbar, bei bestehenden Turbomaschinen nachträglich die Welle zumindest abschnittsweise hohl zu bohren und dann wie zuvor beschrieben durch elektrochemisches Abtragen auszuwuchten. Hierdurch werden die Herstellungskosten für die Baugruppe insgesamt gering gehalten.
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Besonders bevorzugt wird zum elektrochemischen Abtragen wenigstens eine Elektrode in die Hohlwelle eingeführt. Die Elektrode weist dazu zweckmäßigerweise einen Querschnitt auf, der kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung der Hohlwelle. Vorzugsweise ist die Elektrode an ihrer der Mantelinnenwand zugewandten Seite mit einer der Krümmung der Mantelinnenwand entsprechenden Oberflächenkrümmung versehen, um ein optimales Abtragen an der Innenseite der Mantelinnenwand zu erreichen. Zweckmäßigerweise ist die Elektrode an dem Ende einer Lanze angeordnet, die insbesondere steif ausgebildet ist, sodass die Elektrode mittels der Lanze in der Hohlwelle an der gewünschten Position korrekt angeordnet werden kann. Vorzugsweise wird das Erfassen einer Unwucht und das darauffolgende Auswuchten der Unwucht gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren an einer Bearbeitungsstation durchgeführt, die Mittel sowohl zum Erfassen der Unwucht als auch Mittel zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens aufweist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Rotationsbaugruppe, die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird/wurde.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 führt ebenfalls zu den bereits genannten Vorteilen. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die Einrichtung zum Bearbeiten einer Mantelinnenwand der zumindest abschnittsweise als Hohlwelle ausgebildeten Welle durch elektrochemisches Abtragen ausgebildet ist. Vorzugsweise weist die Einrichtung die zuvor beschriebene Elektrode zum Einführen in die Hohlwelle auf. Weiterhin weist die Einrichtung zweckmäßigerweise mindestens eine elektrische Kontaktierung zum Polarisieren der aus einem leitfähigen Material gebildeten Hohlwelle auf, um das elektrochemische Abtragen zu ermöglichen. Ferner weist die Einrichtung vorzugsweise wenigstens ein Dichtelement auf, das die Hohlwelle an dem einen, oder falls die Hohlwelle vollständig durchbohrt ist, an beiden offenen Enden zur Durchführung des elektrochemischen Abtragens abgedichtet ist. Besonders bevorzugt wird an einem offenen Ende der Hohlwelle ein Zufluss und an einem anderen Ende der Hohlwelle ein Abfluss angeordnet, die über die Dichtelemente dicht mit der Hohlwelle derart verbunden sind, dass ein Elektrolyt durch den Innenraum der Hohlwelle führbar ist, sodass das durch das elektrochemische Abtragen abgetragene Material schnell und effizient aus der Hohlwelle herausgetragen wird.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Vorrichtung neben der Einrichtung zum Auswuchten der Baugruppe auch eine Unwuchterfassungseinrichtung aufweist. Diese ist zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass sie Mittel zum Rotieren der Baugruppe aufweist, wie beispielsweise einen elektromotorischen Antrieb, der mit der Welle kuppelbar/gekuppelt ist, sowie Sensoren, die durch die Rotation und die vorliegenden Unwuchten erzeugte Vibrationen der Baugruppe erfassen, und eine Steuereinrichtung, die die so ermittelten Informationen auswertet, um die Unwuchten an der Baugruppen zu lokalisieren, die dann von der Einrichtung durch das elektrochemische Abtragen entfernt beziehungsweise ausgewuchtet werden.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigt die einzige
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Figur eine Turbomaschine in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung.
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Die einzige Figur zeigt in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung eine Turbomaschine 1, die ein Gehäuse 2 und eine in dem Gehäuse 2 drehbar gelagerte Baugruppe 3 aufweist, die als Läufer der Turbomaschine 1 ausgebildet ist.
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Dazu weist die Baugruppe 3 eine Welle 4 auf, auf der zwei Schaufelräder 5 axial beabstandet zueinander drehfest angeordnet sind. Zwischen den beiden Schaufelrädern 5 ist weiterhin auf der Welle 4 ein Rotor 6 angeordnet, der mit einem in dem Gehäuse 2 ortsfest angeordneten Stator 7 eine elektrische Maschine 8 bildend zusammenwirkt. Das eine Schaufelrad 5 weist einen größeren Durchmesser als das andere Schaufelrad 5, wobei das Schaufelrad 5 mit dem größeren Durchmesser als Verdichterrad und das andere Schaufelrad 5 als Turbinenrad ausgebildet ist.
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Zwischen dem Rotor 6 und dem jeweiligen Schaufelrad 5 ist jeweils ein Wälzkörperlager 9, 10 angeordnet, das vorliegend als Kugellager ausgebildet ist, und zur drehbaren Lagerung der Welle 4 der Baugruppe 3 in dem Gehäuse 2 dient. Der jeweilige Innenring der Wälzkörperlager 9, 10 ist dabei zweckmäßigerweise drehfest mit der Welle 4 verbunden.
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Die Welle 4 ist vollständig als Hohlwelle ausgebildet, sodass sich durch die Welle 4 ein durchgehender Kanal 11 erstreckt.
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Weiterhin zeigt die Figur eine Vorrichtung zum Herstellen der Baugruppe 3, insbesondere zum Auswuchten der Baugruppe 3. Die Vorrichtung weist eine Einrichtung 12 auf, die einen Zufuhranschluss 13 aufweist, der einem Ende mit der Welle 4 zugeordnet ist, sowie einen Abführanschluss 14, der dem gegenüberliegenden Ende der Welle 4 zugeordnet ist. Der Zufuhranschluss 13 und der Abfuhranschluss 14 sind beide dichtend mit der Welle 4 verbunden, wobei durch den Zufuhranschluss 13 ein Elektrolyt in den Kanal 11 der Welle 4 gespeist wird, und durch den Abfuhranschluss 14 den Kanal 11 wieder verlässt. Weiterhin weist die Einrichtung 12 einen Kontaktanschluss 15 zum elektrischen Kontaktieren der elektrisch leitfähigen Welle 4 sowie eine Elektrode 16 auf, die an einem freien Ende einer Lanze 17 angeordnet ist. Die Elektrode 16 und Lanze 17 sind derart dimensioniert, dass mittels der Lanze 17 die Elektrode 16 in den Kanal 11 einführbar ist, wie durch einen Pfeil angedeutet. Die Einrichtung 12 ist somit als Einrichtung zum elektrochemischen Abtragen ausgebildet. Die Elektrode 16 und die Welle 4 werden durch Anlegen einer Spannung unterschiedlich polarisiert, sodass vorliegend die Welle als Anode und die Elektrode 16 als Katode wirken. wobei durch den Elektrolyten ein Elektronenstrom zwischen Elektrode 16 und der Mantelinnenwand 18 der Hohlwelle beziehungsweise Welle 4 erzeugt wird, durch welchen Material der Welle 4 an der Mantelinnenseite des Kanals 11 abgetragen wird. Durch eine entsprechende Positionierung und Ausbildung der Elektrode 16 in dem Kanal 11 lässt sich dadurch gezielt Material im Inneren der Baugruppe 3 zum Auswuchten der Baugruppe 3 entfernen.
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Durch die Einrichtung 12 und das damit durchgeführte Verfahren ist es möglich, die Baugruppe 3 auch nach dem Verbauen in dem Gehäuse 2 an beliebiger Stelle optimal auszuwuchten, um die Laufeigenschaften der Baugruppe zu optimieren und auch die Geräuschentwicklung der Turbomaschine 1 zu minimieren. Der Kanal 11 kann durch ein Durchbohren der Welle 4 auch erst in verbautem Zustand der Baugruppe 3 erstellt/erzeugt werden. Alternativ zu dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es auch denkbar, die Welle 4 nur abschnittsweise als Hohlwelle auszubilden, sodass Elektrolyt an einem Ende in die Welle eingespeist wird, an welchem er die Welle auch wieder verlässt. Über den Kanal 11 ist es möglich, unabhängig von der äußeren Zugänglichkeit der auf der Welle montierten Bauteile, wie die Schaufelräder 5, den Rotor 6 oder die Wälzkörperlager 9, 10, auf der Wellen-Längskoordinate Material an gewünschter Stelle abzutragen. Die Verteilung des entstehenden Abtrags durch das Auswuchten beschränkt sich dabei auf den Bereich der Welle 4. Kontaminations- und funktionskritischen Bereiche, wie an den Schaufelrädern 5 oder den Wälzkörperlagern 9, 10 werden auf vorteilhafte Art und Weise vermieden. Korrosions- und feuchtigkeitsempfindliche Bauteile können dadurch sicher und wirtschaftlich vor Kontamination mit Elektrolyt geschützt werden.
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Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung außerdem eine hier nur angedeutete Unwuchterfassungseinrichtung 19 zum Erfassen von Unwuchten der Baugruppe 3 auf. Die Einrichtung weist beispielsweise Sensoren zur Erfassung von Vibrationen auf, anhand derer die Unwucht der Baugruppe 3 erkannt werden kann. Die Unwuchterfassungseinrichtung 19 kann wie dargestellt der Welle 4 oder bevorzugt dem Gehäuse 2 der Turbomaschine 1 zugeordnet oder daran angeordnet sein.
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Die Elektrode 16 ist vorzugsweise als gekröpfte Elektrode ausgebildet, deren Außenkontur im Wesentlichen der Innenkontur der Mantelinnenwand der Welle 4 entspricht. Die Elektrode 16 weist somit bevorzugt eine gekrümmte Werkzeugoberfläche auf. Nach dem elektrochemischen Abtragen des Materials wird der Kanal 11 gespült und getrocknet, vorzugsweise ebenfalls mittels des Zufuhranschlusses 13 und des Abfuhranschlusses 14. Danach wird die Einrichtung 12 entfernt. Dieser gesamte Vorgang ist vorzugsweise automatisiert ausgebildet. Vorzugsweise sind hierbei die Einrichtungen zum Erfassen der Unwucht und zum Ausgleichen der Unwucht in ein und derselben Bearbeitungsstation vorgesehen sein. Durch die Form der Elektrode 16 können auf einfache Art und Weise scharfe Kanten vermieden und danach über relativ großflächigen Abtrag auch große Massen abgetragen werden.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Mantelinnenwand 18 der Hohlwelle nah an der neutralen Phase liegt und somit mechanisch nur wenig beansprucht wird. Dadurch kann in diesem Bereich auch viel Material abgetragen werden, wodurch ein größerer Betriebsbereich (höhere Drehzahlen) und eine Verbesserung der akustischen Eigenschaften der Baugruppe 3 und insbesondere der Turbomaschine 1 erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008062553 A1 [0005]
