DE102016207106A1

DE102016207106A1 - Befestigungssystem zum Verbinden eines Rohteils eines Bauteils mit einer Befestigungsvorrichtung über einen Träger

Info

Publication number: DE102016207106A1
Application number: DE102016207106.8A
Authority: DE
Inventors: Martin Fessler-Knobel; Roland Huttner
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2016-04-27
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2017-11-02
Also published as: PL239656B1; PL421408A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Befestigungssystem (10) zum Verbinden eines Rohteils (12) eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine mit einer Befestigungsvorrichtung (14) über einen Träger (16), wobei mittels der Befestigungsvorrichtung (14) das Rohteil (12) in einer Fertigungseinrichtung zentriert montierbar ist und wobei bei einer Verbindung des Rohteils (12) mit der Befestigungsvorrichtung (14) das Rohteil (12) mit dem Träger (16) und der Träger (16) mit der Befestigungsvorrichtung (14) verklebt sind. Um ein besonders sicheres Befestigen zu Ermöglichen, ist es vorgesehen, dass mindestens eine Klebefläche zwischen dem Träger (16) und der Befestigungsvorrichtung (14) durch einen konkaven oder konvexen Teilbereich (22) des Trägers (16) und einen korrespondierend geformten Aufnahmebereich (24) der Befestigungsvorrichtung (14) und des Trägers (16) gebildet wird, wobei mittels eines Drehens des Trägers (16) um einen dadurch vorgegebenen Drehpunkt (28) des Trägers (16) jeweilige Abweichungen des Rohteils (12) von einer Sollgeometrie wenigstens teilweise ausgleichbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Befestigungssystem zum Verbinden eines Rohteils eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine, mit einer Befestigungsvorrichtung über einen Träger, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Der Träger kann auch als Werkstückträger oder Shuttle bezeichnet werden und das Rohteil als Werkstück. Mittels der Befestigungsvorrichtung kann das Rohteil mit einer Fertigungseinrichtung in einer vorbestimmten räumlichen Lage verbunden werden. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbinden eines Rohteils eines Bauteils mit einer Befestigungsvorrichtung über einen Träger mittels wenigstens einer Verklebung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10. Außerdem betrifft die Erfindung eine Haltevorrichtung.
Aus der US 9 102 025 B2 ist ein Befestigungselement mit einer Klebefläche für ein Rohteil bekannt. Das Befestigungselement umfasst dabei einen Kanal, durch welchen Klebstoff zu einer äußeren Klebefläche des Befestigungselements transportiert werden kann.
Aus der US 7 524 390 B2 ist ein Träger zum Halten eines Rohteils während eines Fertigungsverfahrens bekannt. Der Träger umfasst einen Grundkörper und einen Stab, welcher von dem Grundkörper beweglich aufgenommen werden kann. Das Rohteil kann an dem Stab mittels einer Verklebung fixiert werden. Der Stab kann zum Aufbrechen dieser Verbindung bewegt werden.
Bei der Bearbeitung eines Rohteils mittels einer Fertigungseinrichtung können hohe Kräfte auf die Verbindung zwischen dem Rohteil und einem das Rohteil haltenden Träger wirken. Dabei darf es nicht zu einem ungewollten Verschieben des Rohteils und/oder einem wenigstens teilweise Aufbrechen dieser Verbindung kommen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Befestigungssystem zu schaffen, mittels welchem ein Rohteil an einem Träger besonders sicher gehalten werden kann. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden eines Rohteils mit einer Befestigungsvorrichtung über einen Träger zu schaffen, bei welcher das Rohteil mit der Befestigungsvorrichtung besonders sicher verbunden ist. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Haltevorrichtung zu schaffen, mittels welcher das Herstellen einer solchen Verbindung besonders einfach möglich ist.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Befestigungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 sowie eine Haltevorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweiligen Vorrichtungen und des Verfahrens als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweiligen anderen Vorrichtung sowie des Verfahrens und umgekehrt anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Befestigungssystem zum Verbinden eines Rohteils eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine, mit einer Befestigungsvorrichtung über einen Träger, wobei mittels der Befestigungsvorrichtung das Rohteil an und/oder in einer Fertigungseinrichtung zentriert montierbar ist und wobei bei einer Verbindung des Rohteils mit der Befestigungsvorrichtung das Rohteil mit dem Träger und der Träger mit der Befestigungsvorrichtung verklebt sind. Erfindungsgemäß ist es dabei vorgesehen, dass mindestens eine Klebefläche zwischen dem Träger und der Befestigungsvorrichtung durch einen konkaven oder konvexen Teilbereich des Trägers oder der Befestigungsvorrichtung und einen korrespondierend geformten Aufnahmebereich der Befestigungsvorrichtung oder des Trägers gebildet wird. Das heißt, wenn der Träger einen konkaven oder konvexen Teilbereich aufweist, weißt die Befestigungsvorrichtung einen korrespondierend geformten Aufnahmebereich auf, und umgekehrt. Diese beiden Bereiche werden dann mittels eines Klebstoffs zum Bilden der Klebefläche beziehungsweise einer Klebeverbindung miteinander verbunden. Dabei sind mittels eines Drehens des Trägers um einen durch den konkaven oder konvexen Teilbereich und durch den Aufnahmebereich vorgegebenen Drehpunkt des Trägers jeweilige Abweichung des Rohteils von einer Sollgeometrie in der Verbindung des Rohteils mit der Befestigungsvorrichtung über den Träger wenigstens teilweise ausgleichbar. Dieser Toleranzausgleich erfolgt dabei vor einer Aushärtung des Klebstoffs, weil der ausgehärtete Klebstoff den Träger dann in seiner Position relativ zu der Befestigungsvorrichtung festlegt.
Dadurch ist es möglich, mittels einer Drehung des Trägers um den vorgegebenen Drehpunkt in der Verbindung zwischen Rohteil und Befestigungsvorrichtung einen Toleranzausgleich für Schwankungen der Außengeometrie des Rohteils vorzusehen. Insbesondere kann so ein Toleranzausgleich um drei rotatorische Freiheitsgrade erfolgen. Dieser Toleranzausgleich benötigt dabei keine zusätzlichen Teile, wie beispielsweise Adapter. Gleichzeitig kann so an der Klebeverbindung zwischen Rohteil und Träger sowie zwischen Träger und Befestigungsvorrichtung ein gleichmäßiger Klebespalt vorgesehen beziehungsweise eingestellt werden, insbesondere in einer gewünschten Dicke. Dadurch ist die Verbindung besonders sicher und kann besonders hohe Kräfte aufnehmen.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass gängige Klebstoffe üblicherweise eine besonders feste Klebeverbindung bei einer ganz bestimmten Klebespaltdicke zur Verfügung stellen. Beispielsweise kann ein Klebstoff für eine Spaltdicke von 0,3 Millimeter optimiert sein. Bei einer solchen Spaltdicke kann die Klebeverbindung besonders hohe Kräfte aufnehmen, das heißt, die Verbindung ist besonders sicher. Ein beispielsweise als Feingussteil hergestelltes Rohteil wie eine Schaufel einer Strömungsmaschine kann jedoch beispielsweise Toleranzabweichungen von bis zu 0,7 Millimeter aufweisen. Ist der Klebespalt aufgrund dieser Toleranzabweichungen dann beispielsweise 1 Millimeter dick, kann die entsprechende Klebeverbindung stark geschwächt sein. Durch das Drehen des Trägers zum Toleranzausgleich kann jedoch eine weitestgehend gleichmäßige Spaltdicke bei den Klebeverbindungen eingestellt werden, insbesondere mit einer gewünschten Dicke. Entsprechend ist das Rohteil besonders sicher mit der Befestigungsvorrichtung verbunden, da besonders hohe Kräfte aufgenommen werden können.
Die Befestigungsvorrichtung kann beispielsweise ein sogenanntes Schnellspannsystem umfassen. Insbesondere kann die Befestigungsvorrichtung ein Nullpunktspannsystem umfassen. Mittels der Befestigungsvorrichtung kann das Rohteil lagegenau und gegebenenfalls wiederholt in und/oder an Fertigungseinrichtungen montiert werden, um eine präzise Bearbeitung des Rohteils zu ermöglichen und somit das herzustellende Bauteil besonders genau fertigen zu können. Die Fertigungseinrichtung kann beispielsweise das Rohteil mittels eines spanenden Fertigungsverfahrens bearbeiten. Der durch den konkaven oder konvexen Teilbereich und den Aufnahmebereich gebildete Verbindungsbereich des Trägers mit der Befestigungsvorrichtung kann nach Art einer Kugelpfanne ausgebildet sein. Das Befestigungssystem ist besonders geeignet für Rohteile mit einer Freiformfläche, wie beispielsweise ein Rohteil einer Turbinenschaufel, welche für eine genaue Bearbeitung lagegenau und sicher gehalten werden müssen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Befestigungssystems ist es vorgesehen, dass der konvexe oder konkave Teilbereich eine konstante Krümmung aufweist. Der Aufnahmebereich kann dazu eine korrespondierende konkave oder konvexe konstante Krümmung aufweisen. Der Teilbereich kann somit einen konstanten Radius aufweisen und so besonders kostengünstig zu fertigen sein. Außerdem ist so besonders leicht eine Drehung des Trägers um den Drehpunkt möglich und ein Toleranzausgleich ist schnell und einfach eingestellt. Durch den konstanten Radius der Krümmung wird zudem ein konstanter Drehpunkt vorgegeben, welcher unabhängig von einer Rotation des Trägers zu der Befestigungsvorrichtung raumfest relativ zu der Befestigungsvorrichtung verbleibt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung ist es vorgesehen, dass die Befestigungsvorrichtung einen Grundkörper und ein Befestigungselement mit dem konkaven oder konvexen Teilbereich oder mit dem Aufnahmebereich umfasst, wobei der Grundkörper und das Befestigungselement bei der Verbindung des Rohteils mit der Befestigungsvorrichtung miteinander an mindestens einer Klebefläche verklebt sind, und wobei mittels eines translatorischen Bewegens des Befestigungselements relativ zu dem Grundkörper entlang der Klebefläche die jeweiligen Abweichungen des Rohteils von einer Sollgeometrie in der Verbindung des Rohteils mit der Befestigungsvorrichtung über den Träger wenigstens teilweise ausgleichbar sind. So kann vorgesehen werden, dass die Befestigungsvorrichtung einen Grundkörper mit dem Schnellspannsystem umfasst und das Befestigungselement den Bereich, an welchem der Träger mittels einer Verklebung befestigt wird. Das Befestigungselement und der Grundkörper sind dabei translatorisch relativ zueinander bewegbar, wodurch ebenfalls ein Toleranzausgleich in der Verbindung erfolgen kann. Mittels dieses Toleranzausgleichs kann insbesondere ein Versatz aufgrund Abweichungen des Rohteils von einer Sollgeometrie ausgeglichen werden. Durch das translatorische Bewegen können beispielsweise die zwei axialen Freiheitsgrade quer zu einer planen Klebefläche zwischen dem Befestigungselement und dem Grundkörper ausgeglichen werden. Damit kann eine noch gleichmäßigere Dicke der jeweiligen Klebeflächen beziehungsweise Klebeverbindungen erzielt werden, wodurch die Verbindung besonders sicher ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Befestigungssystems ist es vorgesehen, dass die Befestigungsvorrichtung eine Zwischenplatte umfasst, welche an dem Grundkörper befestigt ist und das Befestigungselement bei der Verbindung des Rohteils mit der Befestigungsvorrichtung mit der Zwischenplatte verklebt ist. Mittels der Zwischenplatte kann eine besonders genaue und/oder trägerspezifische Fläche zum Verbinden des Befestigungselements mit der restlichen Befestigungsvorrichtung zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere können so Standardteile bei der Befestigungsvorrichtung, wie beispielsweise Schnellspannsysteme, eingesetzt werden, welche selber keine geeignete Klebefläche zum Verbinden weiterer Bauteile aufweisen. Dadurch kann das Befestigungssystem besonders kostengünstig sein.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Befestigungssystems ist es vorgesehen, dass eine beim Verbinden dem Befestigungselement zugewandte Seite der Zwischenplatte eine plane Fläche aufweist. Dadurch kann eine besonders sichere Klebeverbindung zwischen der Zwischenplatte und dem Befestigungselement hergestellt werden. Eine solche plane Fläche ist beispielsweise vorteilhaft gegenüber einem Schnellspannsystem, welches beispielsweise in einer Klebefläche auch Schraublöcher zum Verbinden eines Befestigungselements mittels einer Schraubverbindung aufweist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Befestigungssystems ist es vorgesehen, dass die Zwischenplatte ein Heizelement umfasst. Mittels des Heizelements kann eine Klebeverbindung besonders einfach durch Erhitzung wieder aufgelöst werden. Dadurch ist das Befestigungssystem besonders einfach und schnell demontierbar. Das Heizsystem kann aber auch bei geeigneten Klebstoffen dazu verwendet werden, diese schneller aushärten zu lassen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Zwischenplatte auch ein Kühlelement umfassen. Mittels dieses Kühlelements können Klebeverbindungen ebenfalls, je nach Klebstoffart, besonders schnell ausgehärtet und/oder zerstört werden.
Vorteilhafterweise werden das Heizelement und das Kühlelement durch ein einzelnes Element gebildet, welches sowohl dazu geeignet ist, bestimmte Teilbereiche des Befestigungssystems zu erwärmen als auch abzukühlen. Beispielsweise kann ein Peltierelement vorgesehen sein, welches je nach angelegter Spannung an einer Seite wahlweise kühlt oder erwärmt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Befestigungssystems ist es vorgesehen, dass zwischen der Zwischenplatte und dem Grundkörper eine Isolierung angeordnet ist. Dadurch kann verhindert werden, dass eine Temperatur des Grundkörpers durch das Heizelement und/oder das Kühlelement in ungewollter Weise übermäßig verändert wird. Durch eine solche Temperaturveränderung kann es sonst gegebenenfalls zu einer ungewollten Verformung beziehungsweise Ausdehnung oder Kontraktion des Grundkörpers kommen, wodurch dieser beispielsweise in einer Fertigungseinrichtung verklemmen kann.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Befestigungssystems ist es vorgesehen, dass das Rohteil und der Träger zum Verbinden miteinander an mindestens einer durch jeweilige Auflageflächen des Trägers und des Rohteils gebildeten Klebefläche verklebt sind, wobei ein beim Verbinden im Wesentlichen parallel zu der Klebefläche von dem Grundkörper und dem Befestigungselement oder von der Zwischenplatte und dem Befestigungselement ausgerichteter Teilbereich dieser Klebefläche zwischen Träger und Rohteil kleiner ist als ein zweiter Teilbereich, welcher beim Verbinden quer zu der Klebefläche von dem Grundkörper und dem Befestigungselement oder von der Zwischenplatte und dem Befestigungselement ausgerichtet ist. Beispielsweise erstreckt sich die Klebefläche zwischen Träger und Rohteil axial senkrecht zu einer planen Klebefläche zwischen Befestigungselement und Grundkörper über einen größeren Bereich als ein Teilbereich der Klebefläche, welcher parallel zu der Klebefläche zwischen Grundkörper und Befestigungselement ausgerichtet ist. Dadurch weist die Klebeverbindung zwischen Rohteil und Träger über einen besonders großen Teilbereich eine gleichmäßige Spaltdicke aufgrund des Toleranzausgleichs auf, selbst wenn kein Toleranzausgleich in axialer Richtung senkrecht zu einer planen Klebefläche durch Verschieben des Befestigungselements relativ zu dem Grundkörper erfolgen kann. Vorzugsweise ist dieser Teilbereich größer als die Hälfte der Gesamtklebefläche zwischen dem Träger und dem Rohteil. Dadurch kann das Rohteil besonders sicher an dem Träger gehalten werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Befestigungssystems ist es vorgesehen, dass der Träger wenigstens bereichsweise transparent ausgebildet ist. Damit ist es möglich, auch jeweilige durch den Träger eigentlich verdeckte Klebeflächen mittels einer Strahlung, insbesondere Licht, auszuhärten. Insbesondere kann der Träger dafür jeweilige Lichtleiter umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Befestigungsvorrichtung wenigstens teilweise transparent sein und/oder wenigstens einen Lichtleiter umfassen. Zusätzlich kann der Träger und/oder die Befestigungsvorrichtung auch eine Strahlungsquelle, insbesondere Lichtquelle, umfassen, mittels welchen ein geeigneter Klebstoff ausgehärtet werden kann.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Rohteils eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine, mit einer Befestigungsvorrichtung über einen Träger mittels wenigstens einer Verklebung, wobei mittels der Befestigungsvorrichtung das Rohteil an und/oder in einer Fertigungseinrichtung zentriert montierbar ist. Dafür wird das Rohteil an einer ersten Zentrierung einer Haltevorrichtung angeordnet. Weiterhin wird die Befestigungsvorrichtung an einer zweiten Zentrierung der Haltevorrichtung angeordnet. Dadurch sind das Rohteil und die Befestigungsvorrichtung in einer definierten räumlichen Lage zueinander ausgerichtet. Entsprechend kann nach einer Verbindung der beiden Teile miteinander das Rohteil über die Befestigungsvorrichtung in der Fertigungseinrichtung zentriert montiert werden. Weiterhin wird ein Klebstoff auf jeweiligen Klebeflächen des Rohteils, der Befestigungsvorrichtung und/oder des Trägers aufgebracht. Der Träger wird zwischen dem Rohteil und der Befestigungsvorrichtung angeordnet, wobei Abweichungen des Rohteils von einer Sollgeometrie durch Drehen des Trägers um einen durch wenigstens einen konkaven oder konvexen Teilbereich des Trägers oder der Befestigungsvorrichtung und durch einen korrespondierend geformten Aufnahmebereich der Befestigungsvorrichtung oder des Trägers vorgegebenen Drehpunkt des Trägers wenigstens teilweise ausgeglichen werden. Der Klebstoff kann sowohl vor als auch nach dem Anordnen des Trägers an den Klebeflächen aufgebracht werden. Jeweilige zugeordnete Klebeflächen können nur einseitig oder beidseitig mit Klebstoff versehen werden. Vorzugsweise wird der Klebstoff vor dem Anordnen zumindest des Trägers zwischen dem Rohteil und der Befestigungsvorrichtung aufgebracht, da dies aus Platzgründen häufig einfacher ist. Nach Anordnung aller Teile wird der Klebstoff an den jeweiligen Klebeflächen zum Herstellen der jeweiligen Klebeverbindungen, insbesondere der Klebeverbindung zwischen dem Rohteil und dem Träger und der Klebeverbindung zwischen dem Träger und der Befestigungsvorrichtung, zum Herstellen einer festen Verbindung ausgehärtet.
Die Zentrierung kann eine Vielzahl von Anlageflächen und/oder Anlageelementen umfassen, um das Rohteil und/oder die Befestigungsvorrichtung lagegenau positionieren zu können. Insbesondere bei der ersten Zentrierung für das Rohteil können sechs Zentrierelemente vorgesehen sein, um ein Rohteil mit Freiformflächen lagegenau relativ zu der Befestigungsvorrichtung positionieren zu können.
Nach dem Aushärten des Klebstoffs kann das so hergestellte Befestigungssystem aus der Haltevorrichtung entnommen werden und dann mittels der Befestigungsvorrichtung in der Fertigungsmaschine befestigt werden. Anschließend erfolgt eine weitere Bearbeitung des Rohteils, insbesondere eine Endbearbeitung zur Herstellung eines Bauteils aus dem Rohteil. Danach können die jeweiligen Klebeverbindungen durch Aufheizen und/oder mechanisches Aufbrechen getrennt werden. Vorzugsweise ist der Träger und/oder die Befestigungsvorrichtung wiederverwendbar. Dazu kann eventuell eine Nachbehandlung mit einem Lösemittel und/oder mit einem mechanischem Verfahren, beispielsweise mittels eines Partikelstrahls, notwendig sein, um Klebstoffreste vollständig zu entfernen. Eine solche Nachbehandlung kann bei einem Auflösen der Klebeverbindung durch Aufheizen gegebenenfalls entfallen.
Mittels des Verfahrens gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt kann also ein Befestigungssystem gemäß dem ersten Erfindungsaspekt hergestellt beziehungsweise genutzt werden. Die sich aus dem Befestigungssystem gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ergebenden Merkmale und Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind. Mittels des Verfahrens gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt kann ein Befestigungssystem hergestellt werden, bei welchem das Rohteil besonders sicher gehalten ist und die Verbindung des Rohteils mit der Befestigungsvorrichtung besonders große Kräfte aufnehmen kann.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass der Klebstoff mittels einer Strahlungsquelle, insbesondere einer Lichtquelle, ausgehärtet wird. Dafür kann der Träger wenigstens teilweise transparent ausgebildet sein. Mittels einer Aushärtung durch eine Lichtquelle kann eine besonders feste Klebeverbindung besonders schnell hergestellt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Rohteil und/oder die Befestigungsvorrichtung nach der Anordnung an der jeweiligen Zentrierung mittels einer Fixiervorrichtung der Haltevorrichtung fixiert werden. Dadurch kann es nicht mehr zu einer ungewollten Lageveränderung des Rohteils relativ zu der Befestigungsvorrichtung beim Herstellen der Verbindung über den Träger kommen. Insbesondere kann nicht mehr eine Lage des Rohteils und/oder der Befestigungsvorrichtung durch ein Drehen des Trägers und/oder durch ein Bewegen des bereits beim ersten Erfindungsaspekt beschriebenen Befestigungselements verursacht werden. Die Fixiervorrichtung kann nach Aushärten der Klebeverbindung zur Entnahme der nun verbliebenen Teile gelöst werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Abweichung des Rohteils von einer Sollgeometrie durch translatorisches Bewegen eines Befestigungselements der Befestigungsvorrichtung mit dem konkaven oder konvexen Teilbereich oder mit dem Aufnahmebereich zu einem Grundkörper entlang einer Klebefläche zwischen dem Befestigungselement und dem Grundkörper wenigstens teilweise ausgeglichen werden. Selbstverständlich wird auch die Klebeverbindung zwischen dem Befestigungselement und dem Grundkörper durch Aushärten eines dort aufgebrachten Klebstoffs hergestellt. Wie bereits beim ersten Erfindungsaspekt beschrieben, kann hierdurch eine nochmals gleichmäßigere Spaltdicke der jeweiligen Klebeverbindung erzielt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Abweichungen des Rohteils von einer Sollgeometrie durch Drehen des Trägers und/oder durch translatorisches Bewegen des Befestigungselements ausgeglichen werden, indem eine Kraft auf den Träger bei und/oder nach dessen Anordnung zwischen dem Rohteil und der Befestigungsvorrichtung ausgeübt wird. Die Kraft kann dabei in Betrag und Richtung in Abhängigkeit von der Gestaltung der jeweiligen Klebeflächen vorgegeben werden. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Klebeflächen liegt vor, wenn die Kraft dabei in Betrag und Richtung wenigstens näherungsweise der Schwerkraft entspricht.
Jeweilige Klebeflächen können also für den Toleranzausgleich mittels einer Aufbringung von Kraft auf den Träger selbstzentrierend gestaltet sein. Durch das Aufbringen der Kraft wird dann beispielsweise lediglich ein pastöser Widerstand des Klebstoffs überwunden, sodass sich ein gleichmäßiger Klebespalt an wenigstens Teilen der Klebeverbindung einstellt. Eine korrekte Lage des Trägers liegt insbesondere vor, wenn der Träger bei Aufbringung der Kraft nicht mehr durch eine Bewegung reagiert. Beispielsweise wird der Träger nicht mehr kippeln, selbst wenn auf ihn gedrückt wird. Die Lage des Trägers durch Aufbringung der Kraft kann dabei sowohl mittels eines Roboters als auch manuell per Hand eingestellt werden und muss hierfür nicht gemessen werden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung mit einer ersten Zentrierung für ein Rohteil eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine, und mit einer zweiten Zentrierung für eine Befestigungsvorrichtung. Die Haltevorrichtung ist für ein Verfahren zum Verbinden eines Rohteils mit einer Befestigungsvorrichtung über einen Träger mittels wenigstens einer Verklebung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt vorgesehen. Die Haltevorrichtung gemäß dem dritten Erfindungsaspekt ist also eine Hilfsvorrichtung für das Verfahren gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt und für das Herstellen des Befestigungssystems gemäß dem ersten Erfindungsaspekt. Die Haltevorrichtung erlaubt eine besonders einfache und schnelle Ausrichtung des Rohteils, des Trägers und der Befestigungsvorrichtung zueinander. Entsprechend ist die Haltevorrichtung dafür vorgesehen, eine besonders sichere Verbindung des Rohteils mit der Befestigungsvorrichtung zu ermöglichen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die einzige Figur zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein Befestigungssystem zum Verbinden eines Rohteils eines Bauteils mit einer Befestigungsvorrichtung über einen Träger.
Das in der schematischen Schnittansicht der Figur gezeigte Befestigungssystem 10 umfasst ein Rohteil 12 eines Bauteils, eine Befestigungsvorrichtung 14 und einen Träger 16, über welchen das Rohteil 12 mit der Befestigungsvorrichtung 14 verbunden ist. Der Träger 16 wird dabei auch als Shuttle oder Werkstückträger bezeichnet. Das Rohteil 12 kann auch als Werkstück bezeichnet werden, wobei in dem gezeigten Beispiel aus dem Rohteil 12 als Bauteil eine Schaufel einer Strömungsmaschine hergestellt wird. Bei dem Rohteil 12 handelt es sich beispielsweise um ein Feingussteil.
Zum Herstellen der Schaufel der Strömungsmaschine wird das Rohteil 12 beispielsweise in einer Schleifmaschine schleifend nachbearbeitet. Die Befestigungsvorrichtung 14 weist ein Nullpunktspannsystem 18, mittels welchem das Befestigungssystem 10 zentriert wiederholbar in Fertigungsmaschinen befestigbar ist. Um eine genaue Bearbeitung des Rohteils 12 ermöglichen zu können, ist eine definierte räumliche Lage des Rohteils 12 zu dem Nullpunktspannsystem 18 notwendig. Ansonsten kann das Rohteil 12 nicht in einer definierten Lage in der Fertigungsmaschine befestigt werden. Gleichzeitig muss die Verbindung zwischen der Befestigungsvorrichtung 14 und dem Rohteil 12 auch den hohen, bei der Bearbeitung des Rohteils 12 wirkenden Kräften standhalten.
Zum Herstellen der Verbindung der Befestigungsvorrichtung 14 mit dem Rohteil 12 werden diese beiden Teile deswegen zunächst in einer Haltevorrichtung an jeweiligen Zentrierungen lagegenau zueinander fixiert. Dafür umfasst die Haltevorrichtung beispielsweise eine Mehrzahl von Zentrierelementen 20. In der Figur sind beispielhaft drei Zentrierelemente 20 gezeigt, mittels welchen drei Freiheitsgrade des Rohteils 12 an jeweiligen Freiformflächen festgelegt werden können. Weitere Teile der Haltevorrichtung sind in der Fig. nicht gezeigt.
Nachdem die Befestigungsvorrichtung 14 und das Rohteil 12 lagegenau fixiert worden sind, wird der Träger 16 zwischen diesen beiden Teilen angeordnet. Der Träger 16 weist dabei einen konvexen Teilbereich 22 auf, welcher in einem korrespondierend geformten Aufnahmebereich 24 der Befestigungsvorrichtung 14 angeordnet wird. Der Aufnahmebereich 24 wird bei der Befestigungsvorrichtung 14 durch ein Befestigungselement 26 gebildet, welches ein ringförmiges Teil mit einem konkaven Bereich ist. Das Befestigungselement 26 kann deswegen auch als Pfanne bezeichnet werden. Der konvexe Teilbereich 22 des Trägers 16 kann entsprechend auch als Kugelkopf oder Kugelkopfelement bezeichnet werden. Zusammen bilden diese Bereiche eine Verbindung in Form einer Kugelpfanne.
Durch den Teilbereich 22 und den Aufnahmebereich 24 wird dabei ein Drehpunkt 28 des Trägers 16 vorgegeben, um welchen der Träger 16 gedreht werden kann, wobei weiterhin eine Klebeverbindung zwischen der Befestigungsvorrichtung 14 und dem Träger 16 hergestellt werden kann. Durch Drehen des Trägers 16 um diesen vorgegebenen Drehpunkt 28 können jeweilige Abweichungen des Rohteils 12 von einer Sollgeometrie in der Verbindung des Rohteils 12 mit der Befestigungsvorrichtung 14 über den Träger 16 wenigstens teilweise ausgeglichen werden.
Insbesondere kann durch Drehen des Trägers 16 ein Toleranzausgleich in drei rotatorischen Freiheitsgraden erfolgen. Dadurch kann die Klebeverbindung 30 zwischen dem Rohteil 12 und dem Träger 16 eine besonders gleichmäßige Dicke aufweisen. Bei einer gleichmäßigen Dicke jeweiliger Klebeverbindungen kann ein für diese Dicke optimaler Klebstoff ausgewählt werden und entsprechend eine besonders hohe Haftwirkung erzielt werden. Auch die Klebeverbindung 32 zwischen dem Befestigungselement 26 und dem Träger 16 weist in dem gezeigten Beispiel eine gleichmäßige Dicke auf, da sich eine Spaltgröße zwischen Träger 16 und Befestigungselement 26 nicht durch Drehen des Trägers 16 um den Drehpunkt 28 verändert.
Das Befestigungselement 26 ist relativ zu einem Grundkörper 34 der Befestigungsvorrichtung 14 verschiebbar. Dadurch kann auch ein Toleranzausgleich von Rohteilabweichungen in Richtung des Pfeils 36 und in Richtung in die Zeichnungsebene hinein oder heraus, veranschaulicht durch Pfeil 38, erfolgen. Auch hierdurch kann eine besonders gleichmäßige Dicke der jeweiligen Klebeverbindungen bewirkt werden.
Der einzige Freiheitsgrad, bei welchem bei dem Befestigungssystem 10 kein Toleranzausgleich erfolgen kann, entspricht der axialen Richtung, welche durch den Pfeil 40 veranschaulicht. Die axiale Richtung wird dabei auch als Stapelachse bezeichnet. Bei üblichen Rohteilen 12 von Schaufeln einer Strömungsmaschine ist jedoch nur mit geringen Abweichungen in dieser Richtung im Verhältnis zu anderen Abweichungen zu rechnen. Entsprechend kann hier ein Toleranzausgleich durch eine Dickenkompensation in den jeweiligen Klebeverbindungen erfolgen, ohne dass die Verbindung des Rohteils 12 mit der Befestigungsvorrichtung 14 gefährdet ist.
Zudem weist die Klebeverbindung 30 einen ersten Teilbereich 42 auf, welche kleiner ist als ein zweiter Teilbereich 44. Lediglich der Teilbereich 42 ändert dabei seine Spaltdicke aufgrund einer axialen Kompensation in Richtung des Pfeils 40, während der Teilbereich 44 weiterhin eine gleichmäßige Dicke aufweisen kann. Somit ist nur ein kleinerer Teil der Klebeverbindung 30 durch eine Kompensation von Fertigungsabweichungen des Rohteils 12 in Richtung des Pfeils 40 geschwächt.
Das Befestigungselement 26 ist mit der restlichen Befestigungsvorrichtung 14 über eine Zwischenplatte 46 verbunden. Auch dort ist eine Klebeverbindung 48 vorgesehen. Die Zwischenplatte 46 bietet dabei den Vorteil, dass als Nullpunktspannsystem 18 ein Standardbauteil mit einem Grundkörper 34 verwendet werden kann, welcher beispielsweise jeweilige Schraublöcher zum Befestigen weiterer Teile aufweist. Die Zwischenplatte 46 wird dann einfach an den Grundkörper 34 geschraubt, und kann auf einer dem Befestigungselement 26 zugewandten Seite 50 eine plane Fläche kostengünstig bereitstellen, welche das einfache Ankleben des Befestigungselements 26 erlaubt. Es ist also keine Modifikation des Nullpunktspannsystems 18 selbst notwendig.
Weiterhin weist die Zwischenplatte 46 ein Heizelement 52 auf, mittels welchem die Klebeverbindung 48 zwischen der Zwischenplatte 46 und dem Befestigungselement 26 und gegebenenfalls auch zusätzlich der Klebeverbindung 32 zwischen dem Befestigungselement 26 und dem Träger 16 durch Erhitzung einfach gelöst werden kann. In diesem Fall sind unter Umständen kein mechanisches Aufbrechen und/oder eine Nachbehandlung der jeweiligen Klebeflächen zum vollständigen Lösen der Klebstoffreste notwendig. Zwischen der Zwischenplatte 46 und dem Grundkörper 34 kann dabei eine Isolierung vorgesehen sein, sodass eine Erhitzung nicht zu einer ungewollten Verformung des Grundkörpers 34 und insbesondere des Nullpunktspannsystems 18 führt.
Der Klebstoff kann zum Aushärten der jeweiligen Klebeverbindungen 30, 32 und 48 mittels einer geeigneten Bestrahlung behandelt werden. Dafür kann eine geeignete Strahlungsquelle vorgesehen sein, beispielsweise eine Lichtquelle. Um eine gleichmäßige Bestrahlung der jeweiligen Klebeverbindungen 30, 32, und 48 zu erreichen, kann dafür der Träger 16 und/oder die Befestigungsvorrichtung 14 wenigstens teilweise transparent ausgebildet sein.
Die Beweglichkeit des Trägers 16 in der Pfannenaufnahme des Befestigungselements 26 relativ zum Nullpunktspannsystem 18 gleicht jeweilige Form- und Lageabweichungen des Rohteils 12 von einem Nennmaß aus. Die Kontaktflächen zwischen der Zwischenplatte 46 und dem Befestigungselement 26 sind so gestaltet, dass eine laterale Bewegung des Befestigungselements 26 möglich ist. In dem hier beschriebenen Konzept haben Formschwankungen des Rohteils 12 keinen Einfluss auf die Position des Rohteilkoordinatensystems in einer Fertigungseinrichtung und keinen oder nur einen besonders geringen Einfluss auf die Größe jeweiliger Klebespalte zwischen dem Träger 16 und dem Rohteil 12.
Bisherige Konzepte basieren auf Klebestellen, die innerhalb eines Maschinenkoordinatensystems fix sind, sodass die Dicke der jeweiligen Klebespalte grundsätzlich von der jeweiligen Form des Rohteils 12 und damit auch seine Abweichungen vom Nennmaß abhängen. Die Steifigkeit und Festigkeit von Klebeverbindungen kann jedoch grundsätzlich von der jeweiligen Dicke der Klebung abhängen. Ein kompliziertes Anpassen der entsprechenden Klebestellen ist bei dem Befestigungssystem 10 nicht notwendig, weil kein Verschieben oder elastisches Verformen des Rohteils 12 ausgeschlossen werden muss. Stattdessen erfolgt eine Kompensation durch Drehen des Trägers 16 und Bewegen des Befestigungselements 26. Die Handhabung des hier beschriebenen Konzeptes ist sehr einfach, das Positionieren des Trägers 16 zum Rohteil 12 und zur Zwischenplatte 46 bedarf keinerlei Messungen und Kontrollen, sondern kann beispielsweise unter Ausnutzung der Gewichtskraft ungeregelt erfolgen. Es erfolgt gewissermaßen eine Selbstzentrierung des Trägers 16 zwischen dem fixierten Rohteil 12 und der fixierten Befestigungsvorrichtung 14. Bei dieser Fixierung der Befestigungsvorrichtung 14 ist selbstverständlich vorgesehen, dass das Befestigungselement 26 relativ zu den restlichen Teilen der Befestigungsvorrichtung 14 weiterhin beweglich ist.
Bezugszeichenliste

10: Befestigungssystem
12: Rohteil
14: Befestigungsvorrichtung
16: Träger
18: Nullpunktspannsystem
20: Zentrierelemente
22: Teilbereich
24: Aufnahmebereich
26: Befestigungselement
28: Drehpunkt
30: Klebeverbindung
32: Klebeverbindung
34: Grundkörper
36: Pfeil
38: Pfeil
40: Pfeil
42: Teilbereich
44: Teilbereich
46: Zwischenplatte
48: Klebeverbindung
50: Seite
52: Heizelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9102025 B2 [0002]
US 7524390 B2 [0003]

Claims

Befestigungssystem (10) zum Verbinden eines Rohteils (12) eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine, mit einer Befestigungsvorrichtung (14) über einen Träger (16), wobei mittels der Befestigungsvorrichtung (14) das Rohteil (12) an und/oder in einer Fertigungseinrichtung zentriert montierbar ist und wobei bei einer Verbindung des Rohteils (12) mit der Befestigungsvorrichtung (14) das Rohteil (12) mit dem Träger (16) und der Träger (16) mit der Befestigungsvorrichtung (14) verklebt sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Klebefläche zwischen dem Träger (16) und der Befestigungsvorrichtung (14) durch einen konkaven oder konvexen Teilbereich (22) des Trägers (16) oder der Befestigungsvorrichtung (14) und einen korrespondierend geformten Aufnahmebereich (24) der Befestigungsvorrichtung (14) oder des Trägers (16) gebildet wird, wobei mittels eines Drehens des Trägers (16) um einen durch den konkaven oder konvexen Teilbereich (22) und durch den Aufnahmebereich (24) vorgegebenen Drehpunkt (28) des Trägers (16) jeweilige Abweichungen des Rohteils (12) von einer Sollgeometrie in der Verbindung des Rohteils (12) mit der Befestigungsvorrichtung (26) über den Träger (16) wenigstens teilweise ausgleichbar sind.
Befestigungssystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der konvexe oder konkave Teilbereich (22) eine konstante Krümmung aufweist.
Befestigungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsvorrichtung (14) einen Grundkörper (34) und ein Befestigungselement (26) mit dem konkaven oder konvexen Teilbereich (22) oder mit dem Aufnahmebereich (24) umfasst, wobei der Grundkörper (34) und das Befestigungselement (26) bei der Verbindung des Rohteils (12) mit der Befestigungsvorrichtung (14) miteinander an mindestens einer Klebefläche verklebt sind, und wobei mittels eines translatorischen Bewegens des Befestigungselements (26) relativ zu dem Grundkörper (34) entlang der Klebefläche die jeweiligen Abweichungen des Rohteils (12) von einer Sollgeometrie in der Verbindung des Rohteils (12) mit der Befestigungsvorrichtung (14) über den Träger (16) wenigstens teilweise ausgleichbar sind.
Befestigungssystem (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsvorrichtung (14) eine Zwischenplatte (46) umfasst, welche an dem Grundkörper (34) befestigt ist und das Befestigungselement (26) bei der Verbindung des Rohteils (12) mit der Befestigungsvorrichtung (14) mit der Zwischenplatte (46) verklebt ist.
Befestigungssystem (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine beim Verbinden dem Befestigungselement (26) zugewandte Seite der Zwischenplatte (46) eine plane Fläche aufweist.
Befestigungssystem (10) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenplatte (46) ein Heizelement (52) umfasst.
Befestigungssystem (10) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Zwischenplatte (46) und dem Grundkörper (34) eine Isolierung angeordnet ist.
Befestigungssystem (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohteil (12) und der Träger (16) zum Verbinden miteinander an mindestens einer durch jeweilige Auflageflächen des Trägers (16) und des Rohteils (12) gebildeten Klebefläche verklebt sind, wobei ein beim Verbinden im Wesentlichen parallel zu der Klebefläche von dem Grundkörper (34) und dem Befestigungselement (26) oder von der Zwischenplatte (46) und dem Befestigungselement (26) ausgerichteter erster Teilbereich dieser Klebefläche kleiner ist als ein zweiter Teilbereich (22), welcher beim Verbinden quer zu der Klebefläche von dem Grundkörper (34) und dem Befestigungselement (26) oder von der Zwischenplatte (46) und dem Befestigungselement (26) ausgerichtet ist.
Befestigungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (16) wenigstens bereichsweise transparent ausgebildet ist.
Verfahren zum Verbinden eines Rohteils (12) eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine, mit einer Befestigungsvorrichtung (14) über einen Träger (16) mittels wenigstens einer Verklebung, wobei mittels der Befestigungsvorrichtung (14) das Rohteil (12) an und/oder in einer Fertigungseinrichtung zentriert montierbar ist, mit wenigstens den folgenden Schritten: – Anordnen des Rohteils (12) an einer ersten Zentrierung einer Haltevorrichtung; – Anordnen der Befestigungsvorrichtung (26) an einer zweiten Zentrierung der Haltevorrichtung; – Aufbringen eines Klebstoffs auf jeweiligen Klebeflächen des Rohteils (12), der Befestigungsvorrichtung (14) und/oder des Trägers (16); – Anordnen des Trägers (16) zwischen dem Rohteil (12) und der Befestigungsvorrichtung (14), wobei Abweichungen des Rohteils (12) von einer Sollgeometrie durch Drehen des Trägers (16) um einen durch wenigstens einen konkaven oder konvexen Teilbereich (22) des Trägers (16) oder der Befestigungsvorrichtung (14) und durch einen korrespondierend geformten Aufnahmebereich (24) der Befestigungsvorrichtung (26) oder des Trägers (16) vorgegebenen Drehpunkt (28) des Trägers (16) wenigstens teilweise ausgeglichen werden; und – Anschließendes Aushärten des Klebstoffs an den jeweiligen Klebeflächen (30, 32, 48) zum Herstellen einer jeweiligen Klebeverbindung (30, 32) zwischen dem Rohteil (12) und dem Träger (16) und dem Träger (16) und der Befestigungsvorrichtung (14).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff mittels einer Strahlungsquelle, insbesondere einer Lichtquelle, ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohteil (12) und/oder die Befestigungsvorrichtung (14) nach der Anordnung an der jeweiligen Zentrierung mittels einer Fixiervorrichtung der Haltevorrichtung fixiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichungen des Rohteils (12) von einer Sollgeometrie durch translatorisches Bewegen eines Befestigungselement (26) der Befestigungsvorrichtung (14) mit dem konkaven oder konvexen Teilbereich (22) oder mit dem Aufnahmebereich (24) zu einem Grundkörper (34) entlang einer Klebefläche zwischen dem Befestigungselement (26) und dem Grundkörper (34) wenigstens teilweise ausgeglichen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichungen des Rohteils (12) von einer Sollgeometrie durch Drehen des Trägers (16) und/oder durch translatorisches Bewegen des Befestigungselements (26) ausgeglichen werden, indem eine Kraft auf den Träger (16) bei und/oder nach dessen Anordnung zwischen dem Rohteil (12) und der Befestigungsvorrichtung (14) ausgeübt wird.
Haltevorrichtung mit einer ersten Zentrierung für ein Rohteil (12) eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine, und mit einer zweiten Zentrierung für eine Befestigungsvorrichtung (14) für ein Verfahren zum Verbinden eines Rohteils (12) mit einer Befestigungsvorrichtung (14) über einen Träger (16) mittels wenigstens einer Verklebung nach einem der Ansprüche 10 bis 14.