DE102015220882A1

DE102015220882A1 - Bearbeitungszentrum zur spanenden Bearbeitung eines länglichen Werkstücks

Info

Publication number: DE102015220882A1
Application number: DE102015220882.6A
Authority: DE
Inventors: Susanne Kamenzky
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2015-10-26
Publication date: 2017-04-27
Also published as: US20180304425A1; EP3331663A1; WO2017071904A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bearbeitungszentrum, insbesondere 5-Achs-Fräsmaschine (1), zur spanenden Bearbeitung eines länglichen Werkstücks, insbesondere einer Turbinenschaufel, mit einem länglichen, sich in einer Längsrichtung (X) erstreckenden Maschinenbett (2), einer an dem Maschinenbett (2) bewegbar gehaltenen Bearbeitungseinrichtung (3), zwei Spanneinrichtungen (7), die in der Längsrichtung (X) einander gegenüberliegend an dem Maschinenbett (2) gehalten und zum Einspannen der freien Enden des Werkstücks und zum Drehen des eingespannten Werkstücks um eine Werkstückdrehachse (A) ausgelegt sind, wobei wenigstens eine Spanneinrichtung (7) in der Längsrichtung (X) des Maschinenbetts (2) verfahrbar ist und wenigstens eine Spanneinrichtung (7) eine zum Drehen des gespannten Werkstücks ausgelegte Antriebseinrichtung aufweist, insbesondere einen Schrittmotor, und einer an dem Maschinenbett (2) gehaltenen, zwischen den Spanneinrichtungen (7) positionierten und in der Längsrichtung (X) verfahrbaren Lünette (11), wobei eine zweite Lünette (11) an dem Maschinenbett (2) gehalten, zwischen den Spanneinrichtungen (7) positioniert und in der Längsrichtung (X) verfahrbar ist, und beide Spanneinrichtungen (7) jeweils in der Längsrichtung (L) verfahrbar sind und eine zum Drehen des gespannten Werkstücks ausgelegte Antriebseinrichtung aufweisen, insbesondere einen Schrittmotor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bearbeitungszentrum, insbesondere eine 5-Achs-Fräsmaschine, zur spanenden Bearbeitung eines länglichen Werkstücks, insbesondere einer Turbinenschaufel, mit einem länglichen, sich in einer Längsrichtung erstreckenden Maschinenbett, einer an dem Maschinenbett bewegbar gehaltenen Bearbeitungseinrichtung, zwei Spanneinrichtungen, die in der Längsrichtung einander gegenüberliegend an dem Maschinenbett gehalten und zum Einspannen der freien Enden des Werkstücks und zum Drehen des eingespannten Werkstücks um eine Werkstückdrehachse ausgelegt sind, wobei wenigstens eine Spanneinrichtung in der Längsrichtung des Maschinenbetts verfahrbar ist und wenigstens eine Spanneinrichtung eine zum Drehen des gespannten Werkstücks ausgelegte Antriebseinrichtung aufweist, insbesondere einen Schrittmotor, und einer an dem Maschinenbett gehaltenen, zwischen den Spanneinrichtungen positionierten und in der Längsrichtung verfahrbaren Lünette. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bearbeiten eines länglichen Werkstücks, insbesondere einer Turbinenschaufel in einem solchen Bearbeitungszentrum.
Bei der Herstellung einer Turbinenschaufel wird normalerweise in einem ersten Schritt ein Rohling gegossen. Dieser wird anschließend unter Materialabtrag beispielsweise durch Schleifen, Fräsen oder dergleichen in einem Bearbeitungszentrum bearbeitet, um beim Gießen entstandene Grate zu entfernen und/oder die präzise Endgeometrie des Schaufelfußes oder des Schaufelblattes auszubilden. Alternativ ist es aber auch möglich, Turbinenschaufeln ohne vorheriges Gießen eines Rohlings unmittelbar aus dem Vollem spanend zu bearbeiten.
Für die spanende Bearbeitung von Turbinenschaufeln werden unter anderem Bearbeitungszentren der eingangs genannten Art eingesetzt. Sie umfassen normalerweise ein längliches, sich in einer Längsrichtung erstreckendes Maschinenbett sowie zwei Spanneinrichtungen, die in der Längsrichtung einander gegenüberliegend an dem Maschinenbett gehalten und sowohl für das Einspannen der freien Enden des Werkstücks als auch für das Drehen des gespannten Werkstücks um eine Werkstückdrehachse ausgelegt sind. Hierzu ist wenigstens eine der Spanneinrichtungen in der Längsrichtung des Maschinenbettes verfahrbar, um ein zu bearbeitendes Werkstück zwischen den Spanneinrichtungen anordnen zu können, und wenigstens eine der Spanneinrichtungen weist eine zum Drehen des gespannten Werkstücks ausgelegte Antriebseinrichtung auf, beispielsweise in Form eines Schrittmotors. An dem Maschinenbett ist eine relativ zum gespannten Werkstück bewegbar gehaltene und zur Aufnahme und zum Antreiben einer Bearbeitungseinheit ausgelegte Bearbeitungseinrichtung vorgesehen. Zwischen den Spanneinrichtungen kann eine in der Längsrichtung verfahrbare Lünette positioniert sein. Diese dient dazu, das zu bearbeitende Werkstück in einem mittleren Bereich zwischen den beiden Spanneinrichtungen zu stützen, um einer Durchbiegung des langen Werkstückes entgegenzuwirken.
Ein Nachteil solcher Bearbeitungszentren besteht darin, dass sich die freien Enden des Werkstückes, an denen dieses gespannt ist, nicht bearbeiten lassen. Entsprechend muss das Werkstück dem Bearbeitungszentrum entnommen werden, woraufhin die Bearbeitung der freien Enden in einer separaten Maschine erfolgt. Das erneute Einspannen und Ausrichten des Werkstückes ist jedoch mit einem großen Zeitaufwand verbunden und kann mit Fertigungsungenauigkeiten einhergehen, was nicht wünschenswert ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Bearbeitungszentrum sowie ein alternatives Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Bearbeitungszentrum der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass an dem Maschinenbett eine zweite Lünette zwischen den Spanneinrichtungen positioniert und in der Längsrichtung verfahrbar ist, und dass beide Spanneinrichtungen jeweils eine zum Drehen des gespannten Werkstücks ausgelegte Antriebseinrichtung aufweisen, insbesondere einen Schrittmotor. Eine solche zweite Lünette kann zur Bearbeitung eines freien Endes eines zwischen den Spanneinrichtungen gehaltenen und mittig durch die erste Lünette gestützten Werkstücks derart angeordnet werden, dass sie das Werkstück unmittelbar benachbart zu dem zu bearbeitenden freien Ende stützt. Daraufhin kann der Eingriff zwischen der das zu bearbeitende freie Ende haltenden Spanneinrichtung und dem Werkstück gelöst und die Spanneinrichtung derart verfahren werden, dass das freie Ende für die anstehende Bearbeitung zugänglich ist. Dank der Tatsache, dass beide Spanneinrichtungen in Längsrichtung verfahrbar sind und über eine eigene Antriebseinrichtung verfügen, ist die Bearbeitung beider freien Enden des Werkstückes möglich.
Vorteilhaft sind die beiden Spanneinrichtungen und die beiden Lünetten an einer gemeinsamen Linearführung angeordnet und entlang dieser verfahrbar. Eine gemeinsame Linearführung stellt sicher, dass die relative Ausrichtung der Spanneinrichtungen und der Lünetten erhalten bleibt, wenn die Spanneinrichtungen oder die Lünetten in der Längsrichtung verfahren werden. Zudem lässt sich eine gemeinsame Linearführung kostengünstig an dem Maschinenbett des Bearbeitungszentrums vorsehen und erleichtert die Steuerung der Spanneinrichtungen und der Lünetten.
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist die Bearbeitungseinrichtung an einer separaten, sich in der Längsachse erstreckenden Linearführung angeordnet und entlang dieser verfahrbar. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass jeder Bereich des gespannten Werkstücks bearbeitet werden kann.
Vorteilhaft sind die Spanneinrichtungen, die Lünetten und die Bearbeitungseinrichtung jeweils an einem separaten Maschinentisch angeordnet, der an einer zugeordneten Linearführung gehalten und entlang dieser verfahrbar ist.
Bevorzugt sind die Spanneinrichtungen, die Lünetten und die Bearbeitungseinrichtung jeweils über zumindest eine weitere Linearführung mit dem zugeordneten Maschinentisch verbunden, die sich senkrecht zu der Längsrichtung des Maschinenbetts erstreckt. Eine weitere Linearführung schafft einen zusätzlichen Freiheitsgrad, innerhalb dessen die Bearbeitungseinheit und das Werkstück relativ zueinander bewegt und positioniert werden können.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist jede Lünette einen ringförmigen Grundkörper auf, der an seiner Innenseite ein mit Spannelementen versehenes und drehbar um die Werkstückdrehachse ausgebildetes Ringelement aufweist. Das um die Werkstückdrehachse drehbar ausgebildete Ringelement erlaubt es, das von den Spannelementen innerhalb des ringförmigen Grundkörpers gehaltene Werkstück um die Werkstückdrehachse zu drehen.
Gemäß einer Weiterbildung weist jede Lünette eine gesonderte Antriebseinrichtung auf, die zum Drehen des gespannten Werkstücks um die Werkstückdrehachse ausgelegt ist. Die gesonderten Antriebseinrichtungen der Lünetten können während der spanenden Bearbeitung eine Torsion des Werkstücks um die Werkstücklängsachse verhindern, wenn sie synchron mit den Antriebseinrichtungen der Spanneinrichtungen angetrieben werden. Zudem kann ein gespanntes Werkstück auch allein durch die Antriebseinrichtungen der Lünetten gedreht werden, was in speziellen Fällen von Vorteil sein kann.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ferner ein Verfahren zum Bearbeiten eines länglichen Werkstücks, insbesondere einer Turbinenschaufel, in einem erfindungsgemäßen Bearbeitungszentrum, umfassend die Schritte:

– Einspannen der freien Enden des Werkstückes unter Verwendung der beiden Spanneinrichtungen, wobei das Werkstück in einem mittleren Bereich zwischen den beiden Spanneinrichtungen unter Verwendung zumindest einer der beiden Lünetten gehalten wird; und
– Bearbeiten des Werkstücks in einem Bereich zwischen dessen freien Enden, wobei zum Bearbeiten eines freien Endes des Werkstücks die folgenden Schritte durchgeführt werden:
– Spannen des Werkstückes unmittelbar vor dem zu bearbeitenden freien Ende unter Verwendung einer Lünette, während die andere Lünette das Werkstück in einem mittleren Bereich zwischen den beiden Spanneinrichtungen hält;
– Lösen der Spanneinrichtung, die das zu bearbeitende freie Ende des Werkstücks hält, und Verfahren der Spanneinrichtung weg von dem zu bearbeitenden freien Ende; und
– Bearbeiten des freien Endes des Werkstückes.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bearbeitungszentrums unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
1 eine perspektivische Seitenansicht eines Bearbeitungszentrums gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt ein als 5-Achs-Fräsmaschine ausgebildetes Bearbeitungszentrum 1, das zur spanenden Bearbeitung eines länglichen Werkstücks dient, insbesondere einer Turbinenschaufel. Das Bearbeitungszentrum 1 umfasst ein längliches, sich in einer X-Richtung erstreckendes Maschinenbett 2, wobei die X-Richtung vorliegend der Längsrichtung entspricht. An dem Maschinenbett 2 ist eine Bearbeitungseinrichtung 3 bewegbar gehalten, die vorliegend eine Fräseinheit 4 drehbar um eine Bearbeitungsdrehachse B aufnimmt und vorteilhaft zur Aufnahme alternativer Bearbeitungseinheiten ausgelegt ist, wie beispielsweise zur Aufnahme einer Schleif-, Bohr- und/oder Erodiereinheit, um nur einige Beispiele zu nennen. Genauer gesagt ist die Bearbeitungseinrichtung 3 auf einem Maschinentisch 5 angeordnet und relativ zu diesem entlang einer nicht näher dargestellten Linearführung in einer Y-Richtung bewegbar, die sich senkrecht zur X-Richtung erstreckt. Der Maschinentisch 5 ist wiederum an dem Maschinenbett 2 angeordnet und relativ zu diesem entlang einer sich X-Richtung erstreckenden Linearführung 6 verfahrbar.
Das Bearbeitungszentrum 1 umfasst ferner zwei Spanneinrichtungen 7, die in der X-Richtung einander gegenüberliegend an dem Maschinenbett 2 gehalten und zum Einspannen der freien Enden des Werkstücks und zum Drehen des eingespannten Werkstücks um eine sich in X-Richtung erstreckende Werkstückdrehachse A ausgelegt sind. Beide Spanneinrichtungen 7 weisen hierzu jeweils entsprechende Spannmittel und eine zum Drehen des gespannten Werkstücks ausgelegte Antriebseinrichtung auf, beispielsweise in Form eines Schrittmotors. Die beiden Spanneinrichtungen 7 sind jeweils auf einem Maschinentisch 8 angeordnet und relativ zu diesem entlang einer sich in einer Z-Richtung erstreckenden Linearführung 9 bewegbar, wobei sich die Z-Richtung sowohl senkrecht zur X-Richtung als auch senkrecht zur Y-Richtung erstreckt. Die Maschinentische sind wiederum entlang einer gemeinsamen, sich in X-Richtung erstreckenden und am Maschinenbett 2 befestigten Linearführung 10 verfahrbar gehalten.
Darüber hinaus umfasst das Bearbeitungszentrum 1 zwei an dem Maschinenbett 2 gehaltene und zwischen den Spanneinrichtungen 7 positionierte Lünetten 11. Die Lünetten 11 sind jeweils auf einem Maschinentisch 8 angeordnet und relativ zu diesem entlang einer sich in Z-Richtung erstreckenden Linearführung 9 bewegbar. Die Maschinentische 8 sind ihrerseits wiederum an der sich in X-Richtung erstreckenden Linearführung verfahrbar gehalten, an der auch die Spanneinrichtungen 7 positioniert sind. Jede Lünette 11 weist einen ringförmigen Grundkörper 12 auf, der an seiner Innenseite mit einem um die Werkstückdrehachse A drehbar ausgebildeten Ringelement 13 versehen ist. Das Ringelement 13 ist mit Spannelementen 14 ausgestattet, die ein zwischen den Spanneinrichtungen 7 gespanntes Werkstück zwischen sich aufnehmen und fixieren. Weiterhin umfasst jede Lünette 11 eine gesonderte Antriebseinrichtung (nicht dargestellt), die zum Drehen des gespannten Werkstücks um die Werkstückdrehachse A ausgelegt ist. Alternativ können die Lünetten 11 aber auch ohne gesonderte Antriebseinrichtungen ausgeführt sein.
Zum Bearbeiten eines länglichen Werkstücks, insbesondere einer Turbinenschaufel, werden die freien Enden des Werkstücks unter Verwendung der beiden Spanneinrichtungen 7 eingespannt, wobei das Werkstück in einem mittleren Bereich zwischen den beiden Spanneinrichtungen 7 unter Verwendung zumindest einer der beiden Lünetten 11 gehalten wird. Dann wird das Werkstück in einem Bereich zwischen dessen freien Enden bearbeitet.
Zum Bearbeiten eines freien Endes des Werkstücks wird das Werkstück unmittelbar vor dem zu bearbeitenden freien Ende unter Verwendung der benachbart angeordneten Lünette 11 gespannt, während die andere Lünette 11 das Werkstück weiterhin in einem mittleren Bereich zwischen den Spanneinrichtungen 7 stützt. Dann werden die Spannmittel der das zu bearbeitende freie Ende haltenden Spanneinrichtung 7 gelöst, woraufhin die Spanneinrichtung 7 in X-Richtung derart von dem zu bearbeitenden freien Ende des Werkstücks weg verfahren wird, dass das freie Ende für die Bearbeitung durch die Bearbeitungseinheit 4 zugänglich ist. Daraufhin wird das freie Ende des Werkstücks mit der Bearbeitungseinheit 4 bearbeitet. Während dieser Bearbeitung kann das Werkstück wahlweise durch eine oder mehrere der Antriebseinrichtungen der verbliebenen Spanneinrichtung 7 oder der Lünetten 11 um die Werkstückdrehachse A gedreht werden. In analoger Weise kann auch das andere freie Ende des Werkstückes bearbeitet werden.
Ein wesentlicher Vorteil des zuvor beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass sich das gesamte Werkstück mit dem Bearbeitungszentrum 1 bearbeiten lässt. Während der Bearbeitung können dabei stets zumindest drei Bereiche des Werkstücks fixiert werden, was eine sehr genaue Bearbeitung des Werkstückes ermöglicht.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Bearbeitungszentrum, insbesondere 5-Achs-Fräsmaschine (1), zur spanenden Bearbeitung eines länglichen Werkstücks, insbesondere einer Turbinenschaufel, mit einem länglichen, sich in einer Längsrichtung (X) erstreckenden Maschinenbett (2), einer an dem Maschinenbett (2) bewegbar gehaltenen Bearbeitungseinrichtung (3), zwei Spanneinrichtungen (7), die in der Längsrichtung (X) einander gegenüberliegend an dem Maschinenbett (2) gehalten und zum Einspannen der freien Enden des Werkstücks und zum Drehen des eingespannten Werkstücks um eine Werkstückdrehachse (A) ausgelegt sind, wobei wenigstens eine Spanneinrichtung (7) in der Längsrichtung (X) des Maschinenbetts (2) verfahrbar ist und wenigstens eine Spanneinrichtung (7) eine zum Drehen des gespannten Werkstücks ausgelegte Antriebseinrichtung aufweist, insbesondere einen Schrittmotor, und einer an dem Maschinenbett (2) gehaltenen, zwischen den Spanneinrichtungen (7) positionierten und in der Längsrichtung (X) verfahrbaren Lünette (11), dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Lünette (11) an dem Maschinenbett (2) gehalten, zwischen den Spanneinrichtungen (7) positioniert und in der Längsrichtung (X) verfahrbar ist, und dass beide Spanneinrichtungen (7) jeweils in der Längsrichtung (L) verfahrbar sind und eine zum Drehen des gespannten Werkstücks ausgelegte Antriebseinrichtung aufweisen, insbesondere einen Schrittmotor.
Bearbeitungszentrum (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spanneinrichtungen (7) und die beiden Lünetten (11) an einer gemeinsamen Linearführung (10) angeordnet und entlang dieser verfahrbar sind.
Bearbeitungszentrum (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungseinrichtung (3) an einer separaten, sich in der Längsrichtung (X) erstreckenden Linearführung (6) angeordnet und entlang dieser verfahrbar ist.
Bearbeitungszentrum (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtungen (7), die Lünetten (11) und die Bearbeitungseinrichtung (3) jeweils an einem separaten Maschinentisch (5, 8) angeordnet sind, der an einer zugeordneten Linearführung (6, 10) gehalten und entlang dieser verfahrbar ist.
Bearbeitungszentrum (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtungen (7), die Lünetten (11) und die Bearbeitungseinrichtung (3) jeweils über zumindest eine weitere Linearführung (9) mit dem zugeordneten Maschinentisch (5, 8) verbunden sind, die sich senkrecht zu der Längsrichtung (X) des Maschinenbetts (2) erstreckt.
Bearbeitungszentrum (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Lünette (11) einen ringförmigen Grundkörper (12) aufweist, der an seiner Innenseite ein mit Spannelementen (14) versehenes und drehbar um die Werkstückdrehachse (A) ausgebildetes Ringelement (13) aufweist.
Bearbeitungszentrum (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Lünette (11) eine gesonderte Antriebseinrichtung aufweist, die zum Drehen des gespannten Werkstücks um die Werkstückdrehachse (A) ausgelegt ist.
Verfahren zum Bearbeiten eines länglichen Werkstücks, insbesondere einer Turbinenschaufel, in einem Bearbeitungszentrum (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: – Einspannen der freien Enden des Werkstückes unter Verwendung der beiden Spanneinrichtungen (7), wobei das Werkstück in einem mittleren Bereich zwischen den beiden Spanneinrichtungen (7) unter Verwendung zumindest einer der beiden Lünetten (11) gehalten wird; und – Bearbeiten des Werkstücks in einem Bereich zwischen dessen freien Enden, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bearbeiten eines freien Endes des Werkstückes die folgenden Schritte durchgeführt werden: – Spannen des Werkstückes unmittelbar vor dem zu bearbeitenden freien Ende unter Verwendung einer Lünette (11), während die andere Lünette (11) das Werkstück in einem mittleren Bereich zwischen den beiden Spanneinrichtungen (7) hält; – Lösen der Spanneinrichtung (7), die das zu bearbeitende freie Ende des Werkstücks hält, und Verfahren der Spanneinrichtung (7) weg von dem zu bearbeitenden freien Ende; und – Bearbeiten des freien Endes des Werkstückes.