DE102016120480A1 - Verfahren zum Herstellen eines Strömungsmaschinenlaufrads - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Strömungsmaschinenlaufrad (14), der einen radial inneren Nabenkörper (14a), einen radial äußeren Deckkörper (14b) und sich zwischen dem Nabenkörper (14a) und dem Deckkörper (14b) erstreckende Laufschaufeln (14c) aufweist, wobei die Lauschaufeln (14c), der Nabenkörper (14a) und der Deckkörper (14b) als eine integrale, monolithische Baugruppe ausgeführt sind, mit zumindest folgenden Schritten: Bereitstellen eines Rohlings (10); Fräsbearbeiten des Rohlings (10) unter Ausbilden einer Grundkontur (11a, 11b, 11c) des Nabenkörpers, des Deckkörpers und der Laufschaufeln; mindestens einmaliges Auftragsschweißen oder additives Manufacturing auf die ausgebildete Grundkontur und mindestens einmaliges nachfolgendes Fräsbearbeiten an durch das Auftragsschweißen ausgebildeten Abschnitten (15n).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Strömungsmaschinenlaufrads, das einen radial inneren Nabenkörper, einen radial äußeren Deckkörper und sich zwischen dem Nabenkörper und dem Deckkörper erstreckende Laufschaufeln aufweist, wobei die Lauschaufeln, der Nabenkörper und der Deckkörper als eine integrale, monolithische Baugruppe ausgeführt sind. Ein Strömungsmaschinenlaufrad mit Deckkörper wird auch als geschlossener Strömungsmaschinenrotor bezeichnet.
  • Um einen derartigen geschlossenen, als integrale, monolithische Baugruppe ausgeführten Strömungsmaschinenrotor herzustellen, ist es aus der Praxis bekannt, einen Rohling bereitzustellen und den Strömungsmaschinenrotor aus dem Rohling herauszufräsen, und zwar auf einer Fräsmaschine. Dabei kommen typischerweise 5-Achs-Fräsmaschinene zum Einsatz, um die gewünschte dreidimensionale Kontur des Strömungsmaschinenlaufrads im Bereich seines Nabenkörpers, seines Deckkörpers und seiner Laufschaufeln bereitzustellen. Bei einem derartigen Fräsen ist jedoch die Zugänglichkeit eines zu bearbeitenden Rohlings beschränkt, sodass nicht beliebige dreidimensionale Konturen an dem Strömungsmaschinenlaufrad bereitgestellt werden können. Daher existieren bislang hinsichtlich solcher geschlossener Strömungsmaschinenrotoren, die als integrale, monolithische Baugruppe ausgeführt sind, erhebliche Designbeschränkungen. Es besteht Bedarf daran, einen geschlossenen Strömungsmaschinenrotor mit einem radial inneren Nabenkörper, einem radial äußeren Deckkörper und Laufschaufeln, der als integrale, monolithische Baugruppe ausgeführt ist, mit größeren Gestaltungsmöglichkeiten hinsichtlich seiner dreidimensionalen Kontur herzustellen, und zwar einfach innerhalb kurzer Zeit, um Herstellkosten und Fertigungszeiten möglichst gering zu halten.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines Strömungsmaschinenlaufrads zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest folgende Schritte: Bereitstellen eines Rohlings; Fräsbearbeiten des Rohlings unter Ausbilden einer Grundkontur des Nabenkörpers, des Deckkörpers und der Laufschaufeln; mindestens einmaliges Auftragsschweißen auf die ausgebildete Grundkontur und mindestens einmaliges nachfolgendes Fräsbearbeiten an durch das Auftragsschweißen ausgebildeten Abschnitten. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird an die Fräsbearbeitung des Rohlings anschließend mindestens einmal Auftragsschweißen und nachfolgend mindestens einmal eine erneute Fräsbearbeitung ausgeführt. Das Auftragsschweißen kann auch durch ein additives Fertigungsverfahren ersetzt werden, beispielsweise durch selektives Lasersintern. Hierdurch können dann dreidimensionale Konturen bereitgestellt werden, die beim Fräsen des Rohlings als solchem infolge beschränkter Zugänglichkeiten nicht ausgebildet werden können. Das Herstellverfahren ist einfach und kostengünstig. Strömungsmaschinenrotoren können so mit geringen Herstellkosten und kurzen Fertigungszeiten bereitgestellt werden, nämlich als integrale, monolithische Baugruppe mit einer dreidimensionalen Formgebung, die bislang nicht gefertigt werden konnte.
  • Nach einer Weiterbildung wird mehrfach abwechselnd zunächst Auftragsschweißen und nachfolgend Fräsbearbeiten an den durch Auftragsschweißen ausgebildeten Abschnitten durchgeführt. Vorzugsweise wird hierbei bei einem n-ten Auftragsschweißen auf die Grundkontur Werkstoff aufgebracht, anschließend an dieses n-te Auftragsschweißen werden die hierbei ausgebildeten Abschnitte einer n-ten Fräsbearbeitung unterzogen werden, anschließend an diese n-te Fräsbearbeitung wird an den durch diese Fräsbearbeitung ausgebildeten Abschnitten bei einem (n+1)-ten Auftragsschweißen auf die Grundkontur Werkstoff aufgebracht, und anschließend werden an dieses (n+1)-te Auftragsschweißen werden die hierbei ausgebildeten Abschnitte einer (n+1)-ten Fräsbearbeitung unterzogen, wobei n>1 ist. So lassen sich besonders vorteilhafte dreidimensionale Konturen am Strömungsmaschinenrotor innerhalb kurzer Fertigungszeiten bei geringen Herstellkosten bereitstellen.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Fräsbearbeiten des Rohlings, das mindestens einmalige Auftragsschweißen und das mindestens einmalig nachfolgende Fräsbearbeiten auf ein und derselben Werkzeugmaschine durchgeführt, die sowohl mindestens ein Werkzeug für die Fräsbearbeitung als auch ein mindestens ein Werkzeug für das Auftragsschweißen aufweist. Dies ist zur Bereitstellung kurzer Fertigungszeiten besonders bevorzugt. Ein Umspannen des Werkstücks bzw. Rohlings auf der Werkzeugmaschine ist nicht erforderlich.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird bei dem mindestens einmaligen Auftragsschweißen ein Metalllegierungswerkstoff auf den Rohling aufgebracht, der von dem Metalllegierungswerkstoff des Rohlings abweicht. Hiermit können Strömungsmaschinenlaufräder hergestellt werden, die an den durch Auftragsschweißen ausgebildeten Abschnitten besonders vorteilhafte Materialeigenschaften aufweisen. Der Rohling kann auch eine bestimme Kern/Hülle-Struktur aufweisen, z.B. fester Kern und korrosionsbeständige Hülle.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird bei dem mehrfachen Auftragsschweißen ein Metalllegierungswerkstoff auf den Rohling aufgebracht, der zumindest einmal von dem Metalllegierungswerkstoff des Rohlings abweicht, wobei bei dem mehrfachen Auftragsschweißen vorzugsweise unterschiedliche Metalllegierungswerkstoffe auf den Rohling aufgebracht werden. Auch diese Weiterbildung der Erfindung dient der Bereitstellung eines Strömungsmaschinenlaufrad mit an den durch Auftragsschweißen ausgebildeten Abschnitten definiert eingestellten Materialeigenschaften.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
    • 1: ein stark schematisiertes Ablaufschema zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Strömungsmaschinenlaufrad.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Strömungsmaschinenlaufrad, der einen radial inneren Nabenkörper, einen radial äußeren Deckkörper sowie sich zwischen dem Nabenkörper und dem Deckkörper erstreckende Laufschaufeln aufweist. Ein Strömungsmaschinenlaufrad, der sowohl einen inneren Nabenkörper als auch einen äußeren Deckkörper aufweist, wird als geschlossener Strömungsmaschinenrotor bezeichnet. Bei dem erfindungsgemäß herzustellenden, geschlossenen Strömungsmaschinenrotor sind die Laufschaufeln, der Nabenkörper und der Deckkörper als eine integrale, monolithische Baugruppe ausgeführt. Der Nabenkörper wird auch als Nabenscheibe und der Deckkörper auch als Deckscheibe bezeichnet.
  • Das Verfahren zum Herstellen eines Strömungsmaschinenlaufrad wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, wobei das schematisierte Ablaufschema der 1 mit den Zuständen I, II und III die grundsätzlichen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens visualisiert. Verfahrensschritt III unterteilt sich dabei gemäß 1 in mehrere Verfahrensschritte III.1 , III.2n, III.3n sowie III.4. Am Ende des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt gemäß dem Schritt IV der fertige Strömungsmaschinenrotor vor.
  • 1 visualisiert die Herstellung eines radialen Verdichterlaufrads, also eines Verdichterlaufrads, das axial angeströmt und radial abgeströmt ist. Obwohl die Herstellung eines derartigen radialen Verdichterlaufrads bevorzugt ist, können auch andere Strömungsmaschinenrotoren, wie zum Beispiel Turbinenrotoren, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.
  • Im Verfahrensschritt I wird zunächst ein Rohling 10 bereitgestellt. Bei diesem Rohling 10 handelt es sich in 1 um einen Ring bzw. um eine Scheibe aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere einem Metalllegierungswerkstoff. Theoretisch kann die Scheibe auch aus einem Kunststoff bestehen, die dann der Fräsbearbeitung unterzogen wird.
  • In dem nachfolgenden Verfahrensschritt II wird der Rohling 10 einer Fräsbearbeitung unterzogen, und zwar unter Ausbilden einer Grundkontur des radial inneren Nabenkörpers 11a, des radial äußeren Deckkörpers 11b sowie der sich zwischen dem radial inneren Nabenkörper 11a und dem radial äußeren Deckkörper 11b erstreckenden Laufschaufeln 11c. Hierbei wird der fräsbearbeitete Rohling 11 mit diesen Grundkonturen 11a, 11b, 11c ausgebildet.
  • Im Anschluss an diese Fräsbearbeitung des Rohlings 10 liegt demnach ein fräsbearbeiteter Rohling 11 vor, der im Bereich seines auszubildenden Nabenkörpers 11a, seines auszubildenden Deckkörpers 11b, seiner auszubildenden Laufschaufeln 11c eine jeweilige Grundkontur aufweist, die über Fräsbearbeiten des Rohlings 10 und der hierbei vorliegenden, beschränkten räumlichen Zugänglichkeit des Rohlings 10 auf der Bearbeitungsmaschine bzw. Fräsmaschine hergestellt werden kann.
  • An den Verfahrensschritt II schließt sich der Verfahrensschritt III an. Im Verfahrensschritt III erfolgt ein mindestens einmaliges bzw. einfaches Auftragsschweißen in Radialrichtung des Strömungsmaschinenlaufrads auf die ausgebildete Grundkontur 11a, 11b, 11c und ein mindestens einmaliges bzw. mindestens einfaches nachfolgendes Fräsbearbeiten an den durch das Auftragsschweißen ausgebildeten Abschnitten.
  • Vorzugsweise erfolgt das Auftragsschweißen und das nachfolgende Fräsbearbeiten an den durch Auftragsschweißen ausgebildeten Abschnitten im Verfahrensschritt III mehrfach abwechselnd hintereinander.
  • Hierbei wird bei einem n-ten Auftragsschweißen auf die Grundkontur des fräsbearbeiteten Rohlings 11 Werkstoff aufgebracht, anschließend an dieses n-te Auftragsschweißen werden die hierbei ausgebildeten Abschnitte 15n einer n-ten Fräsbearbeitung unterzogen, anschließend an diese n-te Fräsbearbeitung an den durch diese Fräsbearbeitung ausgebildeten Abschnitten 16n wird bei einem (n+1)-ten Auftragsschweißen auf die zuvor fräsbearbeiteten Abschnitte 16n erneut Werkstoff aufgebracht, und anschließend an dieses (n+1)-te Auftragsschweißen werden die hierbei ausgebildeten Abschnitte 15n+1 einer (n+1)-ten Fräsbearbeitung uter Ausbildung der Abschnitte 16n+1 unterzogen, wobei n eine ganzzahlige Zahl größer 1.
  • In 1 ist der Verfahrensschritt III in die Verfahrensschritte III.1, III.2n, III.3n und III.4 unterteilt. Im Verfahrensschritt III.1 liegt der in dem Verfahrensschritt II bereitgestellte, durch Fräsbearbeiten des Rohlings 10 ausgebildete fräsbearbeitete Rohling 11 mit seiner Grundkontur 11a, 11b, 11c vor. Im Verfahrensschritt III.2n erfolgt ein Auftragsschweißen, und zwar in 1 von radial innen nach radial außen unter Auftragen von Werkstoff auf die Grundkontur 11b, 11c des bearbeiteten Rohlings 11, und zwar gemäß 1 unter Ausbildung der auftragsgeschweißten Abschnitte 15n. Im Anschluss an den Schritt III.2n erfolgt im Schritt III.3n das nachfolgende Fräsbearbeiten der durch Auftragsschweißen ausgebildeten Abschnitte 15n unter Ausbildung der Abschnitte 16n. In einem in 1 nicht gezeigten, sich anschließenden Schritt III.2.n+1 erfolgt im Bereich dieser Abschnitte 16n erneut ein Auftragsschweißen und in einem sich anschließenden Schritt III.3n+1 eine Fräsbearbeitung dieser durch Auftragsschweißen ausgebildeten Abschnitte 15n+1 unter Ausbildung der im Verfahrensschritte III.4 gezeigten Abschnitte 16n+1. Wie bereits ausgeführt, ist n eine ganzzahlige Zahl größer 1. Die auftragsgeschweißten und fräsbearbeiteten Abschnitt 16n, 16n+1 verlängern in 1 radial außen sowohl den Deckkörper 14b als auch die Laufschaufeln 14c. In Schritt III.4 liegt dann der Strömungsmaschinenlaufrad 14 mit seiner gewünschten, dreidimensionalen Kontur im Bereich des Nabenkörpers 14a, des Deckkörpers 14b und der Laufschaufeln 14c vor.
  • In 1 erfolgt das mehrfache Auftragsschweißen in Radialrichtung von radial innen nach radial außen. Es ist auch möglich, dass dieses mehrfache Auftragsschweißen von radial außen nach radial innen durchgeführt wird. Ferner kann das sich mit dem Fräsbearbeiten abwechselnde Auftragsschweißen sowohl kombiniert von radial außen nach radial innen als auch von radial innen nach radial außen durchgeführt werden.
  • Die Verfahrensschritte II und III, also das Fräsbearbeiten des Rohlings im Verfahrensschritt II sowie das mindestens einmalige Auftragsschweißen und das sich mindestens einmalig nachfolgende Fräsbearbeiten im Verfahrensschritt III, können auf ein und derselben Werkzeugmaschine durchgeführt werden, die sowohl mindestens ein Werkzeug für die Fräsbearbeitung als auch mindestens ein Werkzeug für das Auftragsschweißen aufweist. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um eine 5-Achs-Werkzeugmaschine mit einem Nullpunktspannsystem, auf dem der Rohling 10 aufgespannt wird und in der aufgespannten Relativposition nachfolgend in Schritt II fräsbearbeitet und nachfolgend im Schritt III einem Auftragsschweißen und nachfolgenden Fräsbearbeiten unter Ausbildung des in seiner dreidimensionalen Kontur endgültigen Strömungsmaschinenlaufrad 14 bearbeitet wird. Beim Auftragsschweißen handelt es sich vorzugsweise um ein Laserauftragsschweißen.
  • Bei dem mindestens einmaligen Auftragsschweißen kann ein Metalllegierungswerkstoff auf den fräsbearbeiteten Rohling 11 aufgebracht werden, der von dem Metalllegierungswerkstoff des Rohlings 10 abweicht. Dann, wenn das Auftragsschweißen mehrfach ausgeführt wird, kann zumindest einmal ein von dem Metalllegierungswerkstoff des Rohlings 10 abweichender Metalllegierungswerkstoff auf den fräsbearbeiteten Rohling 11 aufgebracht werden, auch können bei dem mehrfachen Auftragsschweißen jeweils unterschiedliche Metalllegierungswerkstoffe auf den fräsbearbeiteten Rohling 11 aufgebracht werden. Hierdurch können Strömungsmaschinenlaufräder 14 ausgebildet werden, die definiert eingestellte Materialeigenschaften im Bereich der durch Auftragsschweißen ausgebildeten Abschnitte 16n, 16n+1 aufweisen.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass das Laserauftragsschweißen zusätzlich oder alternativ auch in Axialrichtung erfolgen kann.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können geschlossene, als monolithische Baugruppe ausgeführte Strömungsmaschinenrotoren, bei welchen Deckkörper, Nabenkörper und Laufschaufeln einstückig bzw. integral ausgeführt sind, unter geringen Herstellungskosten und unter geringen Fertigungszeiten mit dreidimensionalen Konturen hergestellt werden, die bislang nicht bereitgestellt werden konnten.
  • Optional wird das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Strömungsmaschinenlaufrad 14 nachfolgend einer Oberflächenbehandlung, wie zum Beispiel einer Beschichtung oder dergleichen, unterzogen. Auch ein Wärmebehandlungsprozess oder andere Post-Prozesse eignen sich hierfür.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Rohling
    11
    fräsbearbeiteter Rohling
    11a
    Grundkontur Nabenkörper
    11b
    Grundkontur Deckkörper
    11c
    Grundkontur Laufschaufel
    12n
    fräsbearbeiteter und auftragsgeschweißter Rohling
    13n
    mehrfach fräsbearbeiteter und auftragsgeschweißter Rohling
    14
    Strömungsmaschinenlaufrad
    14a
    Nabenkörper
    14b
    Deckkörper
    14c
    Laufschaufel
    15n
    auftragsgeschweißter Abschnitt
    16n
    auftragsgeschweißter und fräsbearbeiteter Abschnitt
    16n+1
    auftragsgeschweißter und fräsbearbeiteter Abschnitt

Claims (9)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Strömungsmaschinenlaufrads (14), der einen radial inneren Nabenkörper (14a), einen radial äußeren Deckkörper (14b) und sich zwischen dem Nabenkörper (14a) und dem Deckkörper (14b) erstreckende Laufschaufeln (14c) aufweist, wobei die Lauschaufeln (14c), der Nabenkörper (14a) und der Deckkörper (14b) als eine integrale, monolithische Baugruppe ausgeführt sind, mit zumindest folgenden Schritten: Bereitstellen eines Rohlings (10); Fräsbearbeiten des Rohlings (10) unter Ausbilden einer Grundkontur (11a, 11b, 11c) des Nabenkörpers, des Deckkörpers und der Laufschaufeln; mindestens einmaliges Auftragsschweißen oder additives Manufacturing, insbesondere Lasersintern, auf die ausgebildete Grundkontur und mindestens einmaliges nachfolgendes Fräsbearbeiten an durch das Auftragsschweißen ausgebildeten Abschnitten (15n).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrfach abwechselnd zunächst Auftragsschweißen oder additives Manufacturing und nachfolgend Fräsbearbeiten an den durch Auftragsschweißen ausgebildeten Abschnitten (15n) durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem n-ten Auftragsschweißen oder additiven Manufacturing auf die Grundkontur Werkstoff aufgebracht wird, anschließend an dieses n-te Auftragsschweißen oder additive Manufacturing die hierbei ausgebildeten Abschnitte (15n) einer n-ten Fräsbearbeitung unterzogen werden, anschließend an diese n-te Fräsbearbeitung an den durch diese Fräsbearbeitung ausgebildeten Abschnitten (16n) bei einem (n+1)-ten Auftragsschweißen oder additiven Manufacturing auf die Grundkontur erneut Werkstoff aufgebracht wird, und anschließend an dieses (n+1)-te Auftragsschweißen oder additiven Manufacturing die hierbei ausgebildeten Abschnitte (15n+1) einer (n+1)-ten Fräsbearbeitung unterzogen werden, wobei n>1 ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrfach abwechselnde Auftragsschweißen oder additives Manufacturing und nachfolgende Fräsbearbeiten in Radialrichtung des Strömungsmaschinenlaufrad von radial innen nach radial außen und/oder von radial außen nach radial innen erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fräsbearbeiten des Rohlings (10), das mindestens einmalige Auftragsschweißen oder additiven Manufacturing und das mindestens einmalige nachfolgende Fräsbearbeiten auf ein und derselben Werkzeugmaschine durchgeführt wird, die sowohl mindestens ein Werkzeug für die Fräsbearbeitung als auch ein mindestens ein Werkzeug für das Auftragsschweißen aufweist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftragsschweißen als Laserauftragsschweißen oder Lasersintern oder ausgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem mindestens einmaligen Auftragsschweißen oder additiven Manufacturing ein Metalllegierungswerkstoff auf den fräsbearbeiteten Rohling (11, 12n) aufgebracht wird, der von dem Metalllegierungswerkstoff des Rohlings (10) abweicht.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem mehrfachen Auftragsschweißen oder additiven Manufacturing ein Metalllegierungswerkstoff auf den fräsbearbeiteten Rohling (11, 12n) aufgebracht wird, der zumindest einmal von dem Metalllegierungswerkstoff des Rohlings (10) abweicht.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem mehrfachen Auftragsschweißen oder additiven Manufacturing unterschiedliche Metalllegierungswerkstoffe auf den fräsbearbeiteten Rohling (11, 12n) aufgebracht werden.
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