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Die vorliegende Erfindung betrifft ein spanendes Fertigungsverfahren, insbesondere Räumverfahren, zur Herstellung von Schaufelfußaufnahmen in einer Schaufelscheibe einer Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, wobei die Schaufelfußaufnahme einen Grundabschnitt, mehrere im Betrieb der Gasturbine nicht tragende Flankenabschnitte und mehrere im Betrieb der Gasturbine tragende Flankenabschnitte aufweist, wobei die nicht tragenden Flankenabschnitte und die tragenden Flankenabschnitte ineinander übergehen.
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Richtungsangaben wie „Axial-“ bzw. „axial“, „Radial-“ bzw. „radial“ und „Umfangs-“ sind grundsätzlich auf die Maschinenachse der Gasturbine bzw. der Schaufelscheibe bezogen zu verstehen, sofern sich aus dem Kontext nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
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Schaufelfußaufnahmen einer Schaufelscheibe dienen dazu, Schaufelfüße von Laufschaufeln aufzunehmen, so dass die Laufschaufeln formschlüssig in den Schaufelfußaufnahmen gehalten sind. Entlang der Umfangsrichtung von Schaufelscheiben sind jeweils mehrere Schaufelfußaufnahmen ausgebildet. Zwischen zwei benachbarten Schaufelfußaufnahmen ist jeweils ein sogenannter Scheibenhöcker gebildet. Der Scheibenhöcker bildet in Umfangsrichtung sozusagen eine Trennwandung zwischen zwei Schaufelfußaufnahmen. Die Schaufelfußaufnahmen werden im Fachjargon auch als Schaufelnuten bezeichnet.
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Bei der Herstellung von Schaufelfußaufnahmen mittels spanender Bearbeitungsmethoden hat sich gezeigt, dass auf die Scheibenhöcker in Umfangrichtung bzw. in Tangentialrichtung große Kräfte einwirken. Diese Kräfte führen insbesondere dazu, dass die Scheibenhöcker während der spanenden Bearbeitung der Schaufelfußaufnahme in Umfangsrichtung elastisch ausgelenkt werden. Dieses Auslenken, führt dazu, dass die durch betreffende Räumwerkzeuge herzustellende Kontur der Schaufelfußaufnahme Abweichungen von einer Sollgeometrie aufweist. Diese Abweichungen betreffen insbesondere Abstandsfehler und Winkelfehler im Bereich der Flankenabschnitte. Dies führt insgesamt zu einer weniger genauen Anordnung von Laufschaufeln in der Schaufelscheibe, so dass etwa aufgrund eines schlechten Formschlusses zwischen Schaufelfuß und Schaufelfußaufnahme im Betrieb unerwünschte Kräfte wirken, die zu einem höheren Verschleiß der betroffenen Bauteile führen können.
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Bei bekannten Fertigungsverfahren werden Schaufelnuten in der Art hergestellt, dass zunächst über die gesamte radiale Tiefe der herzustellenden Schaufelfußaufnahme das Material abgetragen wird, so dass eine sich über die gesamte radiale Tiefe erstreckende einzige Auskammerung gebildet wird. Anschließend erfolgt die spanende Bearbeitung der seitlichen Bereiche der Auskammerung, wobei die betreffenden Räumwerkzeuge bedeutende Kräfte in Umfangsrichtung und in Axialrichtung ausüben. Dabei treten die bereits beschriebenen Auslenkungen der Scheibenhöcker auf. Diese Auslenkung und die wirkenden Kräfte sind dabei abhängig von der radialen Tiefe der Schaufelfußaufnahme bzw. der Auskammerung. Diese radiale Tiefe fließt unter der Berücksichtigung weiterer Parameter, wie Breite des Scheibenhöckers (gemessen in Umfangsrichtung bzw. tangential), Bearbeitungskraft und Tiefe des Scheibenhöckers (gemessen in Axialrichtung) in die Berechnung der Auslenkungen ein. Dabei hat sich gezeigt, dass insbesondere die radiale Tiefe einen Einfluss hat, der mit der dritten Potenz in die Berechnung eingeht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein spanendes Fertigungsverfahren so zu optimieren, dass die Schaufelfußaufnahmen mit hoher Genauigkeit und mit geringen Abweichungen von einer Sollgeometrie hergestellt werden können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- a) Bereitstellen einer zu bearbeitenden Schaufelscheibe;
- b) erstes spanendes Bearbeiten, insbesondere Schruppen, bis zum Erreichen einer ersten radialen Tiefe, die geringer ist als eine radiale Gesamttiefe der Schaufelfußaufnahme, so dass eine erste radiale Auskammerung gebildet wird;
- c) zweites spanendes Bearbeiten, insbesondere Schlichten, innerhalb der ersten radialen Auskammerung, wobei durch das zweite spanende Bearbeiten eine Vorform der Schaufelfußaufnahme im Bereich der ersten radialen Auskammerung gebildet wird, wobei im Bereich der ersten radialen Auskammerung insbesondere erste tragende Flankenabschnitte und erste nicht tragende Flankenabschnitte ausgebildet werden;
- d) wenigstens ein weiteres, insbesondere drittes spanendes Bearbeiten, insbesondere Schruppen, bis zum Erreichen einer weiteren radialen Tiefe, die größer ist als die erste radiale Tiefe, so dass eine weitere, insbesondere zweite radiale Auskammerung gebildet wird;
- e) wenigstens ein folgendes, insbesondere viertes spanendes Bearbeiten, insbesondere Schlichten, innerhalb der weiteren radialen Auskammerung, wobei durch das folgende, insbesondere vierte spanende Bearbeiten eine Vorform der Schaufelfußaufnahme im Bereich der weiteren radialen Auskammerung gebildet wird, wobei im Bereich der weiteren radialen Auskammerung weitere tragende Flankenabschnitte und weitere nicht tragende Flankenabschnitte ausgebildet werden.
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Durch das vorgeschlagene Fertigungsverfahren wird bei der Herstellung einer Schaufelfußaufnahme zunächst in radialer Richtung nur so weit eine erste Auskammerung gebildet, dass ein erster Teil der Vorform der Schaufelfußaufnahme innerhalb dieses ersten radialen Bereichs gebildet werden kann. Somit weisen die entstehenden Scheibenhöcker zunächst ebenfalls nur eine radiale Höhe auf, die im Wesentlichen der ersten radialen Tiefe entspricht. Somit ist die beim zweiten spanenden Bearbeiten (Schritt c) auf die Scheibenhöcker wirkende Kraft geringer und es erfolgt eine geringere Auslenkung der Scheibenhöcker in Umfangsrichtung bzw. tangential. Hierdurch kann die Vorform der Schaufelfußaufnahme maßhaltig und präzise hergestellt werden.
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Bei dem Fertigungsverfahren können die Schritte d) und e) wiederholt nacheinander ausgeführt werden, so dass mit zunehmender radialer Tiefe noch weitere Auskammerungen gebildet werden, in deren Bereich die Vorform der Schaufelfußaufnahme ausgebildet wird.
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Bei dem vorgestellten Verfahren wird die Schaufelfußaufnahme somit bezogen auf die radiale Richtung abschnittsweise ausgekammert und direkt im jeweils ausgekammerten Abschnitt die Vorform bzw. die Vorkontur hergestellt. Die Vorform bzw. die Vorkontur kann auch bereits eine Endform bzw. Endkontur sein, d.h. sie ist bereits endgültig bearbeitet bzw. stellt eine fertige Kontur dar.
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Es wird weiter vorgeschlagen, dass beim weiteren spanenden Bearbeiten und beim folgenden spanenden Bearbeiten im Bereich der ersten Auskammerung auf die bereits gebildete Vorform keine bearbeitenden Kräfte ausgeübt werden.
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Während der Schritte d) und e) ist es also insbesondere vorgesehen, dass im Bereich der ersten radialen Tiefe, keine weitere Bearbeitung erfolgt. Anders ausgedrückt wirken im Bereich der ersten radialen Tiefe keine Kräfte, wenn im Bereich der weiteren Auskammerung in Umfangsrichtung die Vorform der Schaufelfußaufnahme hergestellt wird. Auch bei der Herstellung der weiteren Vorform im Bereich der weiteren Auskammerung wirken die Kräfte nur entlang eines Teils der radialen Tiefe bzw. der radialen Höhe der Scheibenhöcker, so dass auch in diesem radial inneren Bereich eine verbesserte Maßhaltigkeit bei der spanenden Bearbeitung erreicht werden kann. Auch die weitere Vorform bzw. die weitere Vorkontur kann bereits eine weitere Endform bzw. weitere Endkontur sein, d.h. sie ist bereits endgültig bearbeitet bzw. stellt eine fertige Kontur dar.
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Das folgende, insbesondere vierte spanende Bearbeiten, insbesondere Schlichten, kann das Bilden des Grundabschnitts der Schaufelfußaufnahme umfassen. Dabei kann der Grundabschnitt, der auch als Nutgrund bezeichnet wird, entweder eine Vorform sein oder bereits endgültig bearbeitet werden.
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Für diejenigen Fälle, in denen die Vorform bzw. weitere Vorform noch nicht endgültig bearbeitet ist nach den zuvor beschriebenen Verfahrensschritten, wird weiter vorgeschlagen, dass die tragenden Flankenabschnitte und die nicht tragenden Flankenabschnitte der Vorform im Bereich der ersten Auskammerung und der Vorform im Bereich der weiteren Auskammerung mit einem Aufmaß ausgebildet werden.
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Dabei können nach dem Ausbilden der Vorform im Bereich der weiteren Auskammerung die tragenden Flankenabschnitte und die nicht tragenden Flankenabschnitte in Bereich der ersten Auskammerung und im Bereich der weiteren Auskammerung in wenigstens einem gemeinsamen spanenden Schritt bearbeitet werden, in dem das Aufmaß abgetragen wird, so dass eine fertige Kontur der Schaufelfußaufnahme gebildet wird.
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Schließlich kann die fertige Kontur der Schaufelfußaufnahme nach dem Abtragen des Aufmaßes mittels eines Kalibrierschritts überprüft werden.
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Um den Arbeitsablauf zu optimieren wird vorgeschlagen, dass die Schritte b) und c) in einem ersten Zugvorgang durchgeführt werden, in dem eine erste Räumeinheit mit aufeinander folgenden ersten Räumwerkzeugen relativ zur Schaufelscheibe bewegt wird.
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Dabei kann die Geschwindigkeit, mit der die erste Räumeinheit bewegt wird, während des ersten Zugvorgangs reduziert werden, wobei vorzugsweise die Geschwindigkeit für den Schritt b) größer ist als für den Schritt c), insbesondere für Schritt b) bei etwa 5m pro Minute liegt und für Schritt c) bei etwa 3m/min.
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Weiterbildend wird vorgeschlagen, dass die Schritte d) und e) in einem weiteren Zugvorgang durchgeführt werden, in dem eine weitere Räumeinheit mit aufeinander folgenden weiteren Räumwerkzeugen relativ zur Schaufelscheibe bewegt werden. Dabei kann die Geschwindigkeit, mit der die weitere Räumeinheit bewegt wird, während des weiteren Zugvorgangs reduziert werden, wobei vorzugsweise die Geschwindigkeit für den Schritt d) größer ist als für den Schritt e), insbesondere für Schritt d) bei etwa 5m pro Minute liegt und für Schritt e) bei etwa 3m/min.
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Zwischen den Schritten b) und c) sowie zwischen den Schritten d) und e) kann ein Verzögerungsschritt vorgesehen sein, während dem die Geschwindigkeit der jeweiligen Räumeinheit reduziert wird.
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Das Verändern der Geschwindigkeit berücksichtigt dabei die Art der spanenden Bearbeitung, also insbesondere, dass in den Schritten b) und d) ein Schruppen mit höherer Geschwindigkeit durchgeführt wird, und in den Schritten c) und e) ein Schlichten mit einer geringeren Geschwindigkeit.
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Es wird ferner vorgeschlagen, dass während des Verzögerungsschritts kein Schneidewerkzeug der jeweiligen Räumeinheit mit der Schaufelscheibe in Kontakt ist. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass Schneidewerkzeuge für einen Bearbeitungsschritt mit der gleichen Geschwindigkeit bewegt werden ohne dass während eines spanenden Kontakts eine Veränderung der Vortriebsgeschwindigkeit erfolgt.
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Die oben beschriebenen Zugvorgänge können für eine Schaufelfußaufnahme direkt hintereinander ausgeführt werden. D.h. jede Schaufelfußaufnahme wird fertiggestellt, bevor eine nächste (benachbarte) Schaufelfußaufnahme hergestellt wird. Entsprechend werden alle Schaufelfußaufnahmen gebildet während die Schaufelscheibe eine volle Umdrehung erfährt. Die Schaufelscheibe wird dabei um ihre Drehachse gedreht und relativ zur betreffenden Räumeinheit bewegt.
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Alternativ kann der erste Zugvorgang zunächst für alle Schaufelfußaufnahmen einer Schaufelscheibe durchgeführt werden. Dabei wird die Schaufelscheibe inkrementell gedreht bis eine vollständige Umdrehung erfolgt ist. Danach wird der weitere Zugvorgang für alle Schaufelfußaufnahmen der Schaufelscheibe durchgeführt, wobei die Schaufelschiebe wieder inkrementell gedreht wird und eine weitere Umdrehung erfährt. Die Schritte b) bis e) werden somit für alle Schaufelfußaufnahmen durchgeführt, während die Schaufelscheibe zwei Umdrehungen erfährt. Die Schaufelscheibe wird dabei um ihre Drehachse gedreht und relativ zur betreffenden Räumeinheit bewegt.
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Ferner ist es auch denkbar, dass für alle Schaufelfußaufnahmen der Schaufelscheibe zunächst der Schritt b) ausgeführt wird. Dabei wird die Schaufelscheibe inkrementell gedreht bis eine vollständige Umdrehung erfolgt ist. Anschließend wird für alle Schaufelfußaufnahmen der Schritt c) durchgeführt, während die Schaufelscheibe eine weitere Drehung erfährt. Gleich wird mit den Schritten d) und e) verfahren. Entsprechend werden alle Schaufelfußaufnahmen hergestellt, wobei die Schaufelscheibe vier Umdrehungen erfährt. Die Schaufelscheibe wird dabei um ihre Drehachse gedreht und relativ zur betreffenden Räumeinheit bewegt.
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Die Erfindung betrifft ferner auch eine Räumeinheit mit mehreren aufeinander folgend angeordneten Räumwerkzeugen, wobei die Räumwerkzeuge entlang einer auf ein zu bearbeitendes Werkstück bezogenen Bewegungsrichtung der Räumeinheit in wenigstens zwei Gruppen angeordnet sind, wobei in Bewegungsrichtung zwischen einem letzten Räumwerkzeug einer vorderen Gruppe und dem ersten Räumwerkzeug einer nachfolgenden Gruppe ein Abstand vorgesehen ist, wobei vorzugsweise der Abstand so dimensioniert ist, dass Räumwerkzeuge benachbarter Gruppen, insbesondere das letzte Räumwerkzeug der vorderen Gruppe und das erste Räumwerkzeug der nachfolgenden Gruppe, nur zu verschiedenen Zeitpunkten mit dem zu bearbeitenden Werkstück in Kontakt stehen.
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Schließlich betrifft die Erfindung auch eine Räumvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, das oben beschriebene Verfahren, wobei die Räumvorrichtung wenigstens zwei zuvor beschriebene Räumeinheiten, wobei eine erste Räumeinheit dazu eingerichtet ist, die Schritte b) und c) des Verfahrens durchzuführen, und eine weitere Räumeinheit dazu eingerichtet ist, die Schritte d) und e) durchzuführen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass bei dem hier vorgestellten Fertigungsverfahren die Bewegung von Schneidewerkzeugen im Wesentlichen entlang der Axialrichtung der Schaufelscheibe erfolgt, wobei die Bewegungsrichtung parallel zur Axialrichtung sein kann oder aber auch in geringem Maße geneigt zur Axialrichtung sein kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren beispielhaft und nicht einschränkend beschrieben.
- 1 zeigt schematisch und vereinfacht eine Schnittdarstellung einer Schaufelfußaufnahme.
- 2 zeigt schematisch und vereinfacht die Herstellung einer Schaufelfußaufnahme gemäß einem bekannten Fertigungsverfahrens.
- 3 zeigt in einer schematischen und vereinfachten Darstellung einen Teil der Herstellung einer Schaufelfußaufnahme gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens, wobei die 3 sehr ähnlich zur 2 ausgestaltet ist, um den Unterschied zwischen den Verfahren besser verstehen zu können.
- 4 zeigt in einer schematischen Darstellung ein erstes spanendes Bearbeiten und ein zweites spanendes Bearbeiten eines Bereichs mit einer ersten radialen Tiefe entsprechend dem hier vorgestellten Fertigungsverfahren.
- 5 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres spanendes Bearbeiten und ein darauf folgendes spanendes Bearbeiten eines Bereichs mit einer weiteren radialen Tiefe entsprechend dem hier vorgestellten Verfahren, wobei in den beiden Darstellungen der dritten Zeile finale Bearbeitungsschritte dargestellt, die im Bereich der gesamten radialen Tiefe erfolgen.
- 6 zeigt eine sequenzielle Abfolge von Schritten des hier vorgestellten Verfahrens, wobei in der ersten Zeile ein erster Zugvorgang und in der zweiten Zeile ein weiterer Zugvorgang dargestellt sind, und wobei jedem mit „Dxx“ bezeichneten Kästchen eine Darstellung aus den 4 und 5 zugeordnet werden kann.
- 7 zeigt zum Vergleich eine sequenzielle Abfolge von Schritten des Fertigungsverfahrens gemäß dem Stand der Technik.
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1 zeigt in einer vereinfachten und schematischen Schnittdarstellung eine einzelne Schaufelfußaufnahme 10 einer hier nur angedeuteten Schaufelscheibe 12 einer Gasturbine. Die Schaufelscheibe 12 ist in der Regel kreisförmig ausgebildet und mit einer Welle der Gasturbine verbunden. Entlang eines gestrichelt angedeuteten Umfangrandes 14 der Schaufelscheibe sind mehrere Schaufelfußaufnahmen 10 nebeneinander angeordnet. Jeweils zwei benachbarte Schaufelfußaufnahmen werden durch einen sogenannten Scheibenhöcker 16 voneinander getrennt. In 1 ist links und rechts der Schaufelfußaufnahme 10 jeweils ein Scheibenhöcker 16 etwa halb dargestellt.
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Die Schaufelfußaufnahme 10 umfasst einen Aufnahmegrund 18 bzw. Grundabschnitt, der im Fachjargon auch als Nutgrund bezeichnet wird. Die Schaufelfußaufnahme 10 weist eine Aufnahmekontur 20 auf. Die Aufnahmekontur 20 ist so ausgebildet, dass sie im Betrieb der Gasturbine tragende Flankenabschnitte 22a, 22i und nicht tragende Flankenabschnitte 24a, 24i aufweist. Die Aufnahmekontur 20 weist zwischen den tragenden Flankenabschnitte 22a, 22i und den nicht tragenden Flankenabschnitten 24a, 24i jeweilige Übergangsabschnitte 26a, 26i auf.
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Die Schaufelfußaufnahme 10 ist dazu eingerichtet, einen Schaufelfuß einer Laufschaufel aufzunehmen. Ein solcher Schaufelfuß weist dabei in an sich bekannter Weise eine zur Aufnahmekontur 20 der Schaufelfußaufnahme 10 komplementäre Außenkontur auf, so dass zwischen der Schaufelscheibe, insbesondere der Schaufelfußaufnahme 10, und dem Schaufelfuß der Laufschaufel eine formschlüssige Verbindung hergestellt werden kann bzw. hergestellt ist. Im Betrieb der Gasturbine wird der Schaufelfuß aufgrund der wirkenden Zentrifugalkräfte gegen die tragenden Flankenabschnitte 22a, 22i der Schaufelfußaufnahme 10 gedrückt und in dieser gehalten.
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Entlang der Aufnahmekontur 20 bilden der Flankenabschnitt 22a, der Übergangsabschnitt 26a und der nicht tragende Flankenabschnitt 24a einen konkaven Abschnitt der Aufnahmekontur 20. Dies gilt auch für den Flankenabschnitt 22i, den Übergangsabschnitt 26i und den nicht tragenden Flankenabschnitt 24i. Der nicht tragende Flankenabschnitt 24i geht fließend in den Aufnahmegrund 18 über. Zwischen dem nicht tragenden Flankenabschnitt 24a und dem tragenden Flankenabschnitt 22i ist in der Aufnahmekontur 20 ein konvexer Übergangsabschnitt 26k ausgebildet.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die hier dargestellte Aufnahmekontur 20 einer Schaufelfußaufnahme 10 rein beispielhaft ist. Eine solche Ausgestaltung der Schaufelfußaufnahme wird auch als zweiflankiges Design bezeichnet. Die tragenden Flankenabschnitte 22a, 22i oder/und die nicht tragenden Flankenabschnitte 24a, 24i oder/und die Übergangsabschnitte 26a, 26i können aber anders ausgestaltet sein, insbesondere andere Neigungen oder/und Krümmungsverläufe aufweisen. Ferner kann eine Schaufelaufnahme bezogen auf eine Seite der Aufnahmekontur 20 mehr als die in 1 dargestellten zwei tragenden Flankenabschnitte 22a, 22i und nicht tragenden Flankenabschnitte 24a, 24i aufweisen. Insbesondere können auch drei oder mehr tragende bzw. nicht tragende Flankenabschnitte vorgesehen sein. Auch wenn Schaufelaufnahmen unterschiedliche Konturen bzw. Geometrien aufweisen können, wird das hier vorgestellte Fertigungsverfahren nachfolgend anhand des Beispiels der Schaufelfußaufnahme 10 der 1 genauer erläutert werden.
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Schaufelfußaufnahmen 10 werden in einer Schaufelscheibe 12 insbesondere durch spanende Bearbeitung von radial außen nach radial innen hergestellt. Es ist bekannt, wie dies in 2 exemplarisch dargestellt ist, dass in einem ersten Bearbeitungszug, der mehrere spanende Bearbeitungsschritte umfasst, eine Auskammerung 30 hergestellt wird, die eine radiale Tiefe RT bzw. radiale Ausdehung aufweist, die im Wesentlichen einer radialen Endtiefe RE einer fertig hergestellten Schaufelfußaufnahme 10 entspricht. Nach dem Herstellen einer Auskammerung 30 mit der radialen Tiefe RT (Schritt I) erfolgt in einem nächsten Schritt (II) eine spanende Bearbeitung in Umfangsrichtung UR bzw. tangentialer Richtung. Auch in Schritt III wird im Wesentlichen spanend in Umfangsrichtung UR bzw. tangentialer Richtung gearbeitet.
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Bei allen Bearbeitungsschritten I-III werden entsprechende Räumwerkzeuge im Wesentlichen parallel oder leicht geneigt zur Axialrichtung (orthogonal zur Zeichnungsebene bzw. Schnittebene der Figuren) bewegt. Insoweit erfolgt bei solchen spanenden Fertigungsverfahren immer auch eine spanende Bearbeitung in Axialrichtung. Dabei wirken bei diesen Bearbeitungsschritten II und III große Kräfte auf die Scheibenhöcker 16. Die Scheibenhöcker 16 werden insbesondere in Umfangsrichtung UR bzw. tangentialer Richtung ausgelenkt. Somit wird die Kontur in den ausgelenkten Scheibenhöcker 16 geschnitten. Nachdem die spanende Bearbeitung abgeschlossen ist, nimmt der Scheibenhöcker 16 wieder seine nicht ausgelenkte Stellung ein. Dies führt dazu, dass die im ausgelenkten Zustand geschnittene Kontur nicht einer gewünschten Kontur entspricht. Insbesondere liegen die tragenden Flankenabschnitte radial weiter innen als bei einer optimal ausgebildeten Kontur.
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Die Auslenkung der Scheibenhöcker 16 hängt insbesondere auch von deren Höhe ab, die im Wesentlichen der radialen Tiefe RT bzw. der radialen Endtiefe RE entspricht. Bei einer Berechnung der wirkenden Kräfte auf den Scheibenhöcker 16 hat die radiale Tiefe RT bzw. die Höhe des Scheibenhöckers 16 einen wesentlichen Einfluss in der dritten Potenz. Es wird darauf hingewiesen, dass die in der 2 dargestellten Zustände I, II und III in der Regel für die gesamte Schaufelscheibe hergestellt werden. D.h. der Zustand I liegt entlang des gesamten Umfangs der Schaufelscheibe für alle Schaufelfußaufnahmen vor, bevor die Schritte zur Erreichung von Zustand II und Zustand III für alle Schaufelfußaufnahmen durchgeführt werden. D.h. der Übergang von Zustand I zu Zustand III erfolgt in einem zusammenhängenden Bearbeitungsschritt. Insoweit stellt die 2 lediglich ein Schaubild für drei Zustände I, II und II dar, wobei diese Zustände beim Fertigen nicht so nebeneinander vorkommen.
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Um den Einfluss der radialen Tiefe RT bei der spanenden Bearbeitung gering zu und um damit die Auslenkung der Scheibenhöcker 16 zu reduzieren, wird gemäß dem hier vorgestellten verbesserten Verfahren die Auskammerung 30a zunächst bis auf eine erste radiale Tiefe RT1 hergestellt, was in 3 beim Zustand I angedeutet ist. Anschließend wird im Bereich der ersten radialen Tiefe RT1 die spanende Bearbeitung in Umfangsrichtung bzw. tangentialer Richtung durchgeführt, um die Zustände II und III zu erreichen und die Aufnahmekontur 20a im Bereich der ersten radialen Tiefe RT1 herzustellen.
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Es hat sich gezeigt, dass durch ein solches Vorgehen bei der Fertigung der von der radialen Tiefe RT abhängige relevante Hebelarm auf eine minimal erforderliche Länge, also radiale Höhe des Scheibenhöckers, reduziert werden kann. Nachdem der wirkende Hebelarm, wie bereits oben erläutert, bei der spanenden Bearbeitung in die tangentiale Auslenkung des Scheibenhöckers 16 mit der dritten Potenz eingeht, kann die Auslenkung auf diese Weise um ein Vielfaches, insbesondere etwa um einen Faktor acht reduziert werden.
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Nachdem in 3 das Verfahren für eine erste radiale Tiefe RT1 der Auskammerung 30a bzw. eine Aufnahmekontur 20a im Bereich der ersten radialen Tiefe RT1 in Kurzform vorgestellt worden ist, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 4 bis 6 beispielhaft ein vollständiges Verfahren zur Herstellung einer Schaufelfußaufnahme 10 erläutert.
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Bei dem spanenden Fertigungsverfahren wird zunächst bei einem ersten spanenden Bearbeiten S1 (6) eine erste Auskammerung 30a bis zum Erreichen einer ersten radialen Tiefe RT1 hergestellt. Die erste radiale Tiefe RT1 ist geringer als eine in 2 bereits gezeigte radiale Gesamttiefe RT bzw. radiale Endtiefe RE der Schaufelfußaufnahme 10. Das erste spanende Bearbeiten S1 erfolgt hier beispielhaft unter Verwendung von mehreren, insbesondere fünf Räumwerkzeugen 40a bis 40e, die in 4 rein schematisch dargestellt sind. Das aktiv spanend arbeitende Räumwerkzeug ist jeweils dunkel eingefärbt dargestellt. Die weißen Flächen entsprechen der jeweils bereits ausgekammerten bzw. geräumten Teilfläche bzw. dem zugehörigen Teilvolumen. Vorzugsweise sind die Räumwerkzeuge 40a bis 40e dazu eingerichtet, die Auskammerung 30a mittels Schruppen herzustellen. Im Ablaufdiagramm der 6 entsprechen die Teilschritte D1 bis D5 den jeweiligen Bearbeitungsschritten mit dem entsprechenden Räumwerkzeug 40a bis 40e (4).
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Es folgt ein zweites spanendes Bearbeiten S3 bis S5, das innerhalb der ersten radialen Auskammerung 30a erfolgt. Dabei wird durch das zweite spanende Bearbeiten S3 bis S5 eine Vorform der Schaufelfußaufnahme 10 im Bereich der ersten radialen Auskammerung 30a gebildet. Im Bereich der ersten radialen Auskammerung 30a werden insbesondere erste tragende Flankenabschnitte 22a und erste nicht tragende Flankenabschnitte 24a ausgebildet. Die hergestellte Vorform kann auch als Aufnahmekontur 20a mit einem Aufmaß bezeichnet werden. Es wird darauf hingewiesen, dass im Teilschritt D11 ein sogenannter Kopfbereich der Schaufelfußaufnahme 10 bearbeitet wird, was durch die punktierte Linie angedeutet. In Teilschritt D13a wird die Aufnahmekontur 20a im Bereich der punktierten Line bearbeitet. Beim spanenden Bearbeiten S3 bis S5 werden weitere Räumwerkzeuge 40f bis 40i eingesetzt. Die Räumwerkzeuge 40f bis 40i sind dazu eingerichtet, das spanende Bearbeiten mittels Schlichten durchzuführen.
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Das spanende Bearbeiten S1 kann mit einer höheren Geschwindigkeit erfolgen als das spanende Bearbeiten S3 bis S5, was in der 6 durch einen dickeren Pfeil V1 und einen dünneren Pfeil V2 illustriert ist. V1 kann beispielsweise etwa 4 bis 6 m/min, bevorzugt etwa 5 m/min (ca. 0,083m/s) betragen. V2 beträgt beispielsweise 2 bis 4 m/min, bevorzugt etwa 3 m/min (ca. 0,05 m/s). Wie aus dem Diagramm der 6 ersichtlich gibt es einen Teilschritt S2, der zwischen dem ersten spanenden Bearbeiten S1 und dem zweiten spanenden Bearbeiten S3 bis S5 vorgesehen ist. Dieser Teilschritt S2 ist ein Verzögerungsschritt, während dem eine die verschiedenen Räumwerkzeuge 40a bis 40i aufweisende Räumeinheit von der höheren Geschwindigkeit V1 für das spanende Bearbeiten S1 auf eine geringere Geschwindigkeit V2 für das spanende Bearbeiten S3 bis S5 reduziert wird. Die Räumeinheit bzw. die einzelnen Räumwerkzeuge 40a bis 40i werden dabei relativ zur Schaufelscheibe bewegt. Geht man davon aus, dass die Schaufelscheibe im Bereich einer ihrer Axialflächen abgestützt ist, erfolgt die Bewegung der Räumeinheit im Wesentlichen parallel oder leicht geneigt zur Axialrichtung. Das spanende Bearrbeiten S3 bis S5 erfolgt ausgehend von der ersten radialen Auskammerung 30a im Wesentlichen in Umfangsrichtung UR bzw. in tangentialer Richtung, um die Aufnahmekontur 20a herstellen zu können.
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Das spanende Bearbeiten S1 und das spanende Bearbeiten S3 bis S5 sowie der Teilschritt S2 (Verzögerungsschritt) bilden einen ersten Zugvorgang Z1. Dieser erste Zugvorgang Z1 erfolgt mittels einer entsprechend ausgestalteten Räumeinheit mit zugehörigen Räumwerkzeugen 40a bis 40i, Dabei wird die Räumeinheit in einem Zug entlang der die Schaufelscheibe bewegt, um die entsprechenden spanenden Bearbeitungsschritte sequentiell durchführen zu können. Die Räumeinheit ist insbesondere so ausgeführt, dass die Räumwerkzeuge 40a bis 40e eine erste Gruppe von Räumwerkzeugen bilden und die Räumwerkzeuge 40f bis 40i eine zweite Gruppe von Räumwerkzeugen bilden. Die erste Gruppe und die zweite Gruppe sind getrennt durch einen Zwischenbereich ohne Räumwerkzeug, wobei der Zwischenbereich während der Dauer des Teilschritts S2 (Verzögerungsschritt) entlang der Schaufelscheibe bewegt wird. Während des Verzögerungsschritts S2 ist keines der Räumwerkzeuge 40a bis 40i in spanendem Kontakt mit der Schaufelscheibe. Insbesondere ist das letzte Räumwerkzeug 40e der ersten Gruppe gerade nicht mehr in Kontakt mit Schaufelscheibe und das erste Räumwerkzeug 40f der zweiten Gruppe noch nicht in Kontakt mit der Schaufelscheibe. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass eine jeweilige Gruppe von Räumwerkzeugen mit konstanter Geschwindigkeit (V1 bzw. V2) in spanendem Eingriff mit der Schaufelscheibe bewegt wird, also keine Änderung der Geschwindigkeit bei spanendem Bearbeiten erfolgt.
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Nachdem mittels der spanenden Bearbeitung S1 und S3 bis S5 die Aufnahmekontur 20a im Bereich der ersten radialen Tiefe RT1 hergestellt worden ist, folgt ein weiteres, insbesondere drittes spanendes Bearbeiten S6 mit den Teilschritten D6 bis D8 (5 und 6). Hierdurch wird eine weitere, insbesondere zweite Auskammerung 30i bis zum Erreichen einer weiteren, insbesondere zweiten radialen Tiefe RT2 hergestellt. Die weitere radiale Tiefe RT2 ist größer als die erste radiale Tiefe RT1. Die zweite radiale Tiefe RT2 entspricht im Wesentlichen der in 2 bereits gezeigten radialen Gesamttiefe RT bzw. radialen Endtiefe RE der Schaufelfußaufnahme 10. Die weitere Auskammerung 30i erstreckt sich in radialer Richtung also über eine Tiefe DRT, die im Wesentlichen der Differenz „weitere radiale Tiefe RT2 minus erste radiale Tiefe RT1“ entspricht. Das weitere spanende Bearbeiten S6 erfolgt hier beispielhaft unter Verwendung von mehreren, insbesondere drei Räumwerkzeugen 42a bis 42c, die in 5 rein schematisch dargestellt sind. Das aktiv spanend arbeitende Räumwerkzeug ist jeweils dunkel eingefärbt dargestellt. Die weißen Flächen entsprechen der jeweils bereits ausgekammerten bzw. geräumten Teilfläche bzw. dem zugehörigen Teilvolumen. Vorzugsweise sind die Räumwerkzeuge 42a bis 42c dazu eingerichtet, die weitere Auskammerung 30i mittels Schruppen herzustellen. Im Ablaufdiagramm der 6 entsprechen die Teilschritte D6 bis D8 den jeweiligen Bearbeitungsschritten mit dem entsprechenden Räumwerkzeug 42a bis 42c (5).
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Danach wird ein folgendes, insbesondere viertes spanendes Bearbeiten S8 bis S10 durchgeführt, das innerhalb der zweiten radialen Auskammerung 30i erfolgt. Dabei wird durch das vierte spanende Bearbeiten S8 bis S10 eine Vorform der Schaufelfußaufnahme 10 im Bereich der zweiten radialen Auskammerung 30i gebildet. Im Bereich der zweiten radialen Auskammerung 30i werden insbesondere weitere (zweite) tragende Flankenabschnitte 22i und weitere (zweite) nicht tragende Flankenabschnitte 24i ausgebildet. Die hergestellte Vorform kann auch als Aufnahmekontur 20i mit einem Aufmaß bezeichnet werden. Die radial äußere Aufnahmekontur 20a und die radial innere Aufnahmekontur 20i bilden gemeinsam die gesamte Aufnahmekontur 20. Es wird darauf hingewiesen, dass im Teilschritt D12 der sogenannte Aufnahmegrund (Grundabschnitt) 18 bzw. Nutgrund der Schaufelfußaufnahme 10 bearbeitet wird, was durch die punktierte Linie angedeutet. In Teilschritt D13i wird die Aufnahmekontur 20i im Bereich der punktierten Line bearbeitet. Beim vierten spanenden Bearbeiten S8 bis S10 werden weitere Räumwerkzeuge 42d bis 42g eingesetzt. Die Räumwerkzeuge 42d bis 42g sind dazu eingerichtet, das spanenden Bearbeiten mittels Schlichten durchzuführen.
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Abschließend erfolgt eine Endbearbeitung (Teilschritt D13e) der gesamten Aufnahmekontur 20 (20a und 20i) über im Wesentlichen die gesamte radiale Tiefe RT. Dabei erfolgt in der Regel keine Bearbeitung des Aufnahmegrunds 18 und des sogenannten Kopfbereichs 32, die bereits in den Teilschritten D11 und D12 bearbeitet worden sind. Die Schaufelfußaufnahme 10 bzw. deren Aufnahmekontur 20 wird danach noch einem Kalibrierschritt D14 unterzogen.
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Das weitere (dritte) spanende Bearbeiten S6 kann mit einer höheren Geschwindigkeit erfolgen als das folgende (vierte) spanende Bearbeiten S8 bis S10, was in der 7 durch einen dickeren Pfeil V1 und einen dünneren Pfeil V2 illustriert ist. V1 kann beispielsweise etwa 4 bis 6 m/min, bevorzugt etwa 5 m/min (ca. 0,083m/s) betragen. V2 beträgt beispielsweise 2 bis 4 m/min, bevorzugt etwa 3 m/min (ca. 0,05 m/s). Wie aus dem Diagramm der 6 ersichtlich, gibt es einen Teilschritt S7, der zwischen dem dritten spanenden Bearbeiten S6 und dem vierten spanenden Bearbeiten S8 bis S10 vorgesehen ist. Dieser Teilschritt S7 ist ein Verzögerungsschritt (ähnlich oder gleich wie der Verzögerungsschritt S2), während dem eine die verschiedenen Räumwerkzeuge 42a bis 42g aufweisende Räumeinheit von der höheren Geschwindigkeit V1 für das spanende Bearbeiten S6 auf eine geringere Geschwindigkeit V2 für das spanende Bearbeiten S8 bis S10 reduziert wird. Die Räumeinheit bzw. die einzelnen Räumwerkzeuge 42a bis 42g werden dabei relativ zur Schaufelscheibe bewegt. Geht man davon aus, dass die Schaufelscheibe im Bereich einer ihrer Axialflächen abgestützt ist, erfolgt die Bewegung der Räumeinheit im Wesentlichen parallel oder leicht geneigt zur Axialrichtung. Das spanende Bearbeiten S8 bis S10 erfolgt ausgehend von der zweiten radialen Auskammerung 30i im Wesentlichen in Umfangsrichtung UR bzw. in tangentialer Richtung, um die Aufnahmekontur 20i herstellen zu können.
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Es wird darauf hingewiesen, dass während der Bearbeitungsschritte S6 bis S10 keine Kräfte im Bereich der ersten radialen Tiefe RT1 und der dortigen ersten Auskammerung 30a mit der Aufnahmekontur 20a ausgeübt werden, insbesondere auch keine Kräfte in Umfangsrichtung bzw. tangentialer Richtung, die auf den Scheibenhöcker 16 wirken könnten.
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Das weitere (dritte) spanende Bearbeiten S6 und das folgende (vierte) spanende Bearbeiten S8 bis S10, der Teilschritt S7 (Verzögerungsschritt) sowie die abschließende Bearbeitung S11 (D13e und D14) bilden einen weiteren bzw. zweiten Zugvorgang Z2. Dieser weitere Zugvorgang Z2 erfolgt mittels einer entsprechend ausgestalteten Räumeinheit mit zugehörigen Räumwerkzeugen 42a bis 42g, Dabei wird die Räumeinheit in einem Zug entlang der die Schaufelscheibe bewegt, um die entsprechenden spanenden Bearbeitungsschritte sequentiell durchführen zu können. Die Räumeinheit ist insbesondere so ausgeführt, dass die Räumwerkzeuge 42a bis 42c eine erste Gruppe von Räumwerkzeugen bilden und die Räumwerkzeuge 42d bis 42g eine zweite Gruppe von Räumwerkzeugen bilden. Die erste Gruppe und die zweite Gruppe sind getrennt durch einen Zwischenbereich ohne Räumwerkzeug, wobei der Zwischenbereich während der Dauer des Teilschritts S7 (Verzögerungsschritt) entlang der Schaufelscheibe bewegt wird. Während des Verzögerungsschritts S7 ist keines der Räumwerkzeuge 42a bis 42g in spanendem Kontakt mit der Schaufelscheibe. Insbesondere ist das letzte Räumwerkzeug 42c der ersten Gruppe gerade nicht mehr in Kontakt mit Schaufelscheibe und das erste Räumwerkzeug 42d der zweiten Gruppe noch nicht in Kontakt mit der Schaufelscheibe. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass eine jeweilige Gruppe von Räumwerkzeugen mit konstanter Geschwindigkeit (V1 bzw. V2) in spanendem Kontakt mit der Schaufelscheibe bewegt wird, also keine Änderung der Geschwindigkeit bei spanendem Bearbeiten erfolgt.
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Beim spanenden Bearbeiten S8 bis S10, bei dem in Umfangrichtung bzw. tangentialer Richtung die größten Kräfte auf die Scheibenhöcker 16 wirken, weist der relevante Hebelarm lediglich eine Höhe DRT auf, die im Wesentlichen der Differenz RT2 minus RT1 entspricht. Somit kann auch in diesem Bereich der zweiten Auskammerung 30i die Auslenkung der Scheibenhöcker 16 um ein Vielfaches reduziert werden.
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Die im Bearbeitungsschritt S11 mit den Teilschritten D13i und D14 abschließende Bearbeitung über im Wesentlichen die gesamten radiale Tiefe RT ist insoweit unkritisch, weil in diesen Schritten lediglich ein kleiner Materialüberstand (Aufmaß) der Vorform der Aufnahmekontur 20 entfernt werden muss bzw. beim Kalibrieren die Maßhaltigkeit überprüft wird. Entsprechend wirken dabei keine bedeutenden Kräfte auf die Scheibenhöcker 16, die zu einer großen Auslenkung führen könnten.
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Die oben beschriebenen Schritte S1 bis S10, optional auch S11 können für eine Schaufelfußaufnahme direkt hintereinander ausgeführt werden. D.h. jede Schaufelfußaufnahme wird fertiggestellt, bevor eine nächste (benachbarte) Schaufelfußaufnahme hergestellt wird. Entsprechend werden alle Schaufelfußaufnahmen gebildet während die Schaufelscheibe eine volle Umdrehung erfährt. Die Schaufelscheibe wird dabei um ihre Drehachse gedreht und relativ zur betreffenden Räumeinheit bewegt.
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Alternativ können die Schritte S1 bis S5 zunächst für alle Schaufelfußaufnahmen einer Schaufelscheibe durchgeführt werden. Dabei wird die Schaufelscheibe inkrementell gedreht bis eine vollständige Umdrehung erfolgt ist. Danach werden die Schritte S6 bis S10, optional S11 für alle Schaufelfußaufnahmen der Schaufelscheibe durchgeführt, wobei die Schaufelschiebe wieder inkrementell gedreht wird und eine weitere Umdrehung erfährt. Die Schritte S1 bis S10, optional S11 werden somit für alle Schaufelfußaufnahmen durchgeführt, während die Schaufelscheibe zwei Umdrehungen erfährt. Die Schaufelscheibe wird dabei um ihre Drehachse gedreht und relativ zur betreffenden Räumeinheit bewegt.
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Ferner ist es auch denkbar, dass für alle Schaufelfußaufnahmen der Schaufelscheibe zunächst der Schritt S1 ausgeführt wird. Dabei wird die Schaufelscheibe inkrementell gedreht bis eine vollständige Umdrehung erfolgt ist. Anschließend werden für alle Schaufelfußaufnahmen die Schritte S3 bis S5, während die Schaufelscheibe eine weitere Drehung erfährt. Gleich wird dann mit den Schritten S6 und S8 bis S10, optional S11 verfahren. Entsprechend werden alle Schaufelfußaufnahmen hergestellt, wobei die Schaufelscheibe vier Umdrehungen erfährt. Die Schaufelscheibe wird dabei um ihre Drehachse gedreht und relativ zur betreffenden Räumeinheit bewegt.
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Aus rein illustrativen Gründen ist in 7 noch ein Ablaufdiagramm des Fertigungsverfahrens gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Wie bereits unter Bezugnahme auf die 2 erläutert, wird die Auskammerung 30 hierbei über die gesamte radiale Tiefe RT hergestellt, entsprechend etwa den Bearbeitungsschritten S1 und S6 des vorliegenden Verfahrens. Diese vollständige Auskammerung erfolgt in einem Zugvorgang Z3. Anschließend erfolgt die weitere spanende Bearbeitung der Aufnahmekontur 20 über die gesamte radiale Tiefe RT, Im Wesentlichen etwa entsprechend den Schritten S3, S4, S8-11. Aus dem Vergleich der 6 und 7 wird sofort ersichtlich, dass beim hier vorgestellten verbesserten Fertigungsverfahren, die Teilschritte D1 bis D8 aufgeteilt sind in die Gruppen D1 bis D5 und D6 bis D8. Ferner werden die bekannten Teilschritte D9 und D10 (7) beim verbesserten Verfahren jeweils zweimal auf unterschiedlichen radialen Tiefen RT1, RT2 durchgeführt (Teilschritte D9a, D10a, D9i, D10i in 6).
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Das hier vorgestellte Verfahren kann nicht nur auf zwei radialen Tiefen RT1, RT2 durchgeführt werden. Es ist vielmehr denkbar, dass auch noch eine Auskammerung auf einer dritten oder noch weiteren radialen Tiefe ausgeführt wird, und anschließend im Bereich dieser tieferen Auskammerung eine spanende Bearbeitung des Aufnahmekontur erfolgt.
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Das hier vorgestellte Verfahren zeichnet sich insbesondere auch dadurch aus, dass innerhalb eines Zugvorgangs (Z1, Z2) zwei Arten der spanenden Bearbeitung, insbesondere Schruppen (D1-D5 bzw. D6-D8) und Schlichten (D9a. D10a, D11, D13a bzw. D91, D10i, D12, D13i), miteinander kombiniert bzw. nacheinander durchgeführt werden. Dabei ist zwischen den beiden Arten der spanenden Bearbeitung ein Verzögerungsschritt (S2 bzw. S7) vorgesehen, um die Werkzeuggeschwindigkeit anpassen zu können.
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Bei dem hier vorgestellten verbesserten Fertigungsverfahren wird also anstatt am Anfang der spanenden Bearbeitung gleich bis zum Aufnahmegrund bzw. Grundabschnitt (Nutgrund) auszukammern, eine radiale Schruppbearbeitung abschnittsweise nur so tief gesetzt, wie sie für die Bearbeitung eines radialen Teilabschnitts einer Schaufelfußaufnahme erforderlich ist. Erst wenn ein radialer Teilabschnitt komplett oder nahezu (mit minimalem Aufmaß) fertiggestellt ist, wird die Auskammerung eines nächsten (tieferen) radialen Teilabschnitts vorgenommen. Hierdurch kann der relevante Hebelarm immer auf eine minimal erforderliche Länge gekürzt werden. Bei einem hier in den Beispielen vorgestellten zweiflankigen Design kann die radiale Tiefe pro Teilabschnitt etwa die Hälfte der gesamten radialen Tiefe betragen. Dieses Konzept ist ohne weiteres auch auf drei- oder mehrflankige Ausgestaltungen übertragbar.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schaufelfußaufnahme
- 12
- Schaufelscheibe
- 14
- Umfangsrand
- 16
- Scheibenhöcker
- 18
- Aufnahmegrund
- 20
- Aufnahmekontur
- 22a, 22i
- tragender Flankenabschnitt
- 24a, 24i
- nicht tragender Flankenabschnitt
- 26a, 26i, 26k
- Übergangsabschnitt
- 30
- Auskammerung
- 32
- Kopfbereich
- 40a-i
- Räumwerkzeug
- 42a-g
- Räumwerkzeug
- AR
- Axialrichtung
- D1-D14
- Teilschritte des Verfahrens
- RT
- radiale Tiefe
- RT1
- erste radiale Tiefe
- RT2
- zweite radiale Tiefe
- RTD
- Differenz RT2-RT1
- RE
- radiale Endtiefe
- RR
- Radialrichtung
- S1 -S11
- Vorgänge des Verfahrens
- UR
- Umfangsrichtung
- Z1-4
- Zugvorgang
