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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspannen eines Bauteils für eine spanende Bearbeitung.
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Stand der Technik
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Die Bauteile eines Flugtriebwerks können im Betrieb bspw. hohen Temperaturen, Drücken, sowie Lastwechselzahlen ausgesetzt sein. Aufgrund dieser Einsatzbedingungen und der hohen Materialbeanspruchung können sich bereits in der Fertigung hohe Anforderungen ergeben, bspw. an die Bearbeitungsgenauigkeit. Dabei richtet sich der vorliegende Gegenstand speziell auf eine spanende Herstellung, insbesondere auf die Halterung des Bauteils dabei.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine vorteilhafte Vorrichtung zum Halten eines Bauteils für eine spanende Bearbeitung anzugeben.
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Dies wird erfindungsgemäß mit der Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Diese umfasst ein Bauteilspannsystem, in welches das Bauteil eingespannt wird, und eine Sensorik, die in das Bauteilspannsystem integriert ist. Die Sensorik umfasst einen Kraftmesssensor und eine Sendeeinheit, die dazu eingerichtet ist, Kraftmessdaten des Kraftmesssensors auszulesen und diese drahtlos zu übertragen. Sowohl der Kraftmesssensor als auch die Sendeeinheit ist in das Bauteilspannsystem integriert.
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Die integrierte Sensorik kann eine bauteilseitige Kraftmessung erlauben, bspw. während der spanenden Bearbeitung. Bauteilseitige Messungen können im Vergleich zu werkzeugseitigen Messungen, also einer Integration der Messsensoren in das Werkzeug, auch relativ geringe Prozesskräfte und Schwingungen auf Bauteiloberflächen messen und ermöglichen damit z. B. eine präzise Regelung des Zerspanungsprozesses, auch während der Bearbeitung. Die Integration der Sensorik in das Bauteilspannsystem kann bspw. auch einen Anpassungs- bzw. Umrüstaufwand verringern, das Bauteilspannsystem kann z. B. vergleichsweise einfach zwischen baugleichen Maschinen getauscht werden.
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Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei bei der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens-, bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Wird bspw. ein Vorteil der Vorrichtung in einer bestimmten Anwendung beschrieben, ist dies zugleich als Offenbarung einer entsprechenden Verwendung zu verstehen. „Ein“ und „eine“ sind als unbestimmte Artikel und damit ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe immer auch als „mindestens ein“ bzw. „mindestens eine“ zu lesen.
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Das Bauteilspannsystem dient der Einspannung des Bauteils für die Bearbeitung und kann bspw. ein Spannwerkzeug, einen Maschinentisch und optional einen Spannadapter umfassen. Das Spannwerkzeug bringt die notwendige Spannkraft auf, um das Bauteil sicher auf dem Maschinentisch zu fixieren, es kann bspw. an dem Maschinentisch verschraubt oder formschlüssig gehalten sein. Der Spannadapter kann das Bauteil aufnehmen und kann zwischen dem Bauteil und dem Maschinentisch eingespannt werden. Das Bauteil kann im Allgemeinen auch unmittelbar, also ohne den Spannadapter auf dem Maschinentisch fixiert werden. Der Spannadapter kann aber den Vorteil haben, dass bspw. Bauteile mit komplexer Formgebung aufgenommen und stabil eingespannt bzw. abgestützt werden können. Die Sensorik kann im Allgemeinen in den Maschinentisch und/oder in den Spannadapter und/oder in das Spannwerkzeug integriert sein.
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Der in das Bauteilspannsystem integrierte Kraftmesssensor kann während der spanenden Bearbeitung Kraftmessdaten messen. Die ebenfalls in das Bauteilspannsystem integrierte Sendeeinheit kann diese z. B. in Echtzeit drahtlos an einen Empfänger außerhalb der Vorrichtung übertragen. Diese drahtlose Übertragung kann eine größere Bewegungsfreiheit des Bauteilspannsystems ermöglichen, was sich insbesondere bei einer spanenden dreidimensionalen Bearbeitung mit komplexer Formgebung vorteilhaft auswirken kann, weil dann z. B. auch das Bauteilspannsystem bewegt werden kann (in einem ruhenden Bezugssystem betrachtet). Die Sendeeinheit kann mit einer Funktechnik ausgestattet sein, um ein lokales Funknetzwerk aufzubauen oder mit einem vorhandenen Funknetzwerk zu kommunizieren. Ein solches Funknetzwerk kann ein WLAN-Netzwerk sein, was bspw. eine Kopplung mit bereits vorhandenen Datenempfängern ermöglicht. Der Datenempfänger kann also bspw. ein WLAN-Empfänger sein, der mit einem Rechner und/oder einer Steuereinheit verbunden ist.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die Sensorik in den Maschinentisch integriert, also sowohl der Kraftmesssensor als auch die Sendeeinheit. Während der Bearbeitung nimmt der Maschinentisch dann bspw. die bauteilseitigen Kräfte auf, die aus der Interaktion des Bauteils mit einem Zerspanwerkzeug resultieren, dies kann mit dem Kraftmesssensor erfasst werden. Der Maschinentisch mit der integrierten Sensorik sitzt im Nullpunktspannsystem der Zerspanungsmaschine. Der Maschinentisch kann generell mehrteilig sein, bspw. ein oberes und ein unteres Plattenelement aufweisen, wobei das obere Plattenelement dazu bestimmt ist, das Bauteil und/oder den Spannadapter zu tragen. Das untere Plattenelement kann dagegen am bzw. im Nullpunktspannsystem der Zerspanungsmaschine fixiert werden. Zwischen den zwei Plattenelementen ist dann bspw. der Kraftmesssensor angeordnet, der somit die bauteilseitigen Kräfte messen kann.
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Der Maschinentisch weist eine Auflagefläche auf, worauf das Bauteil eingespannt werden kann. Die Auflagefläche hat in bevorzugter Ausgestaltung eine mittlere Erstreckung von mindestens 30 cm, in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt mindestens 40 cm, 50 cm bzw. 60 cm. Vorteilhafte Obergrenzen können bspw. bei maximal 100 cm, 90 cm bzw. 80 cm liegen. Die mittlere Erstreckung entspricht einem Mittelwert aus kleinster und größter Erstreckung. Ist die Auflagefläche bspw. kreisrund, ergibt sich die mittlere Erstreckung als Kreisdurchmesser. Eine kreisrunde Auflagefläche kann bspw. von einem insgesamt als flacher Zylinder ausgeführten Maschinentisch gebildet werden. Generell wird die Erstreckung in der Auflagefläche genommen, wobei die Auflagefläche bevorzugt plan ist, sodass die Erstreckung in einer Ebene genommen wird.
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In bevorzugter Ausgestaltung weist die Vorrichtung einen Stromspeicher auf, der in das Bauteilspannsystem integriert ist, vorzugsweise in den Maschinentisch. Die Energieversorgung des Kraftmesssensors und der Sendeeinheit kann vorzugsweise autark erfolgen, also z. B. während der Messung unabhängig von einer Energiezufuhr von außen. Der Stromspeicher kann als Akkumulator die elektrische Energie auf elektrochemischer Basis speichern. Vorstellbare Akkumulatoren sind unter anderem Nickel-Metallhydrid-, Nickel-Kadmium- oder Lithium-Ionen-Akkumulatoren, letztere können bspw. eine platzsparende Integration in das Bauteilspannsystem bei gleichzeitig hoher Betriebsdauer gewährleisten.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die Vorrichtung mit einer Kopplungseinheit zur drahtlosen Energieeinspeisung von außen versehen, die in das Bauteilspannsystem integriert ist, vorzugsweise in den Maschinentisch. Die drahtlose Energieeinspeisung kann z. B. einen kabellosen Betrieb der Sensorik und/oder ein kabelloses Aufladen eines integrierten Stromspeichers ermöglichen. Die drahtlose Energieeinspeisung kann z. B. mittels einer induktiven Kopplung erfolgen.
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Die Sensorik weist in bevorzugter Ausgestaltung mindestens drei und maximal sechs Kraftmesssensoren auf, besonders bevorzugt sind vier Kraftmesssensoren, die in das Bauteilspannsystem integriert sind, vorzugsweise in den Maschinentisch. Die Kraftmesssensoren können die auftretenden Kräfte jeweils in mindestens einer Raumrichtung messen. Die Kombination mehrerer Kraftmesssensoren ermöglicht dann z. B. die Erfassung eines Drehmoments bei bekanntem Hebelarm. Mögliche Kraftmesssensoren sind bspw. Sensoren auf piezoelektrischer oder magnetoelastischer Basis oder auf Basis elastischer Verformung mit Wegmessung oder Widerstandsmessung, bspw. Dehnungsmessstreifen (DMS), wobei diese Sensortypen auch unabhängig von der Sensoranzahl offenbart sein sollen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Sensorik einen Messkraftverstärker auf, der in das Bauteilspannsystem integriert ist, vorzugsweise in den Maschinentisch. Dieser Verstärker kann die Ausgangssignale des bzw. der Kraftmessensoren verstärken, bspw. in Verbindung mit einer Filterung. Dazu kann der Messkraftverstärker z. B. eine Logikeinheit aufweisen, die die Ausgangssignale weiter verarbeitet, z. B. digitalisiert. Die Logikeinheit kann somit insbesondere ein Analog-DigitalWandler sein bzw. einen solchen umfassen. Die Ausgangssignale können an die Sendeeinheit und z. B. über das WLAN-Netzwerk an einen externen Empfänger übertragen werden.
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Die Erfindung betrifft auch eine Zerspanungsmaschine mit einem vorliegend offenbarten Bauteilspannsystem und einem Zerspanwerkzeug. Die Zerspanungsmaschine kann bspw. eine Fräsmaschine sein, im Allgemeinen aber z. B. auch eine Schleif- oder Räummaschine.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils in einer Zerspanungsmaschine, wobei das Bauteil in das Bauteilspannsystem eingespannt wird und mit dem Zerspanwerkzeug spanend bearbeitet wird. Der Begriff „Bauteil“ wird im Rahmen dieser Offenbarung unabhängig vom Bearbeitungszustand verwendet, betrifft also sowohl das originäre Werkstück als auch das fertig hergestellte Bauteil.
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In bevorzugter Ausgestaltung werden während der spanenden Bearbeitung Kraftmessdaten des Kraftmesssensors ausgelesen und mit der Sendeeinheit drahtlos an eine Empfangseinheit übertragen. Dies kann bspw. eine Echtzeitfertigungsprozesssteuerung und/oder eine Echtzeitprozessüberwachung ermöglichen. Dies kann bspw. Fertigungsfehler bereits während der Fertigung erkennen und den Einbau eines fehlerbehafteten Bauteils verhindern helfen, ferner ist auch eine Dokumentation möglich.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird das Bauteil auf dem Maschinentisch in mehreren aufeinanderfolgenden Bearbeitungsschritten bearbeitet und wird der Maschinentisch zwischen den Bearbeitungsschritten segmentweise gedreht. Dies ist aufgrund der drahtlosen Datenübertragung gut möglich und kann bspw. eine segmentweise Bearbeitung ermöglichen, bspw. einer Scheibe bzw. Laufscheibe von Schaufelfußaufnahme zu Schaufelfußaufnahme. Die Drehachse kann bspw. senkrecht zur Auflagefläche liegen, welche das Bauteil trägt.
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In bevorzugter Ausgestaltung kann das hergestellte Bauteil eine Schaufel, eine Scheibe oder eine Blisk (sogenannte „Blade-Integrated Disk“) einer Strömungsmaschine sein. Bei der Strömungsmaschine kann es sich bspw. um ein Flugtriebwerk handeln, z. B. um ein Mantelstromtriebwerk. Die Schaufel kann eine Verdichter-, Fan- oder Turbinenschaufel sein, und die Scheibe kann eine Laufscheibe für den Verdichter- oder die Turbine sein. Bei der Herstellung einer Scheibe zur Aufnahme von Schaufeln können umlaufend verteilt mehrere Schaufelfußaufnahmen spanend eingebracht werden (siehe vorne), in welche dann die Schaufelfüße gesetzt werden. Bei der Fertigung einer Blisk können direkt die Schaufelprofile herausgearbeitet werden, z. B. ebenfalls segmentweise. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die bauteilseitigen Kräfte für jedes produzierte Bauteil auch in Serienfertigung ohne komplexen Messaufbau dokumentiert werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird ein Bauteil für eine Strömungsmaschine bzw. ein Flugtriebwerk hergestellt oder repariert, das Bauteil kann also erneuert oder neuhergestellt werden.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
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Im Einzelnen zeigt
- 1 eine Strömungsmaschine, konkret ein Mantelstromtriebwerk in einem Längsschnitt;
- 2 eine Zerspanungsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bearbeiten eines Bauteils der Strömungsmaschine gemäß 1,
- 3 einen erfindungsgemäßen Maschinentisch mit integrierter Sensorik.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine Strömungsmaschine 1, konkret ein Mantelstromtriebwerk, in einem Axialschnitt. Die Strömungsmaschine 1 gliedert sich funktional in Verdichter 1a, Brennkammer 1b und Turbine 1c. Sowohl der Verdichter 1a als auch die Turbine 1c sind jeweils aus mehreren Stufen aufgebaut, jede Stufe setzt sich aus einem Leit- und einem Laufschaufelkranz zusammen. Die Laufschaufelkränze rotieren im Betrieb um die Längsachse 2 der Strömungsmaschine 1. Im Verdichter 1a wird dabei die angesaugte Luft komprimiert, und dann in der nachgelagerten Brennkammer 1b mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das Heißgas wird in der Turbine 1c expandiert und treibt die Laufschaufelkränze an. Das Bezugszeichen 3 referenziert exemplarisch eine Rotorscheibe im Hochdruckverdichter, z. B. in Blisk-Bauweise.
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2 zeigt in schematischer Darstellung eine Zerspanungsmaschine 21 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Halten, wobei ein Bauteil 13 mit einem Zerspanwerkzeug 22 bearbeitet wird. Bei dem Bauteil 13 kann es sich bspw. um die Rotorscheibe 3 in Blisk-Bauweise gemäß 1 handeln, ebenso kann aber bspw. auch eine Laufscheibe zur Aufnahme von Laufschaufeln oder ein anderes Bauteil hergestellt werden. Das Bauteil 13 wird in der Vorrichtung 10 mittels eines Spannwerkzeugs 14 auf dem Maschinentisch 11 eingespannt, zwischen letzterem und dem Bauteil 13 ist ein Spannadapter 12 angeordnet, diese bilden das Bauteilspannsystem 16. Während der spanenden Bearbeitung mit dem Zerspanwerkzeug 22 werden dabei mit einer in den Maschinentisch 11 integrierten Sensorik 15 Kraftmessdaten ausgelesen und drahtlos an einen WLAN-Empfänger 25 einer Steuereinheit 23 übertragen, welche das Zerspanwerkzeug 22 ansteuert.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung des Maschinentisches 11, in den die Sensorik 15 integriert ist. Das Bauteil bzw. der Spannadapter (beides hier nicht dargestellt) wird auf einer Auflagefläche 34 platziert. Die Sensorik 15 umfasst vier Kraftmesssensoren 42, eine Sendeeinheit 41, einen Stromspeicher 45, einen Messkraftverstärker 46 und eine Kopplungseinheit 44 zur induktiven Stromversorgung. Die Sendeeinheit 41, der Stromspeicher 45 und die Kopplungseinheit 44 sind in den unteren Teil des Maschinentisches 32 integriert, der obere und der untere Teil 31, 32 sind über die Kraftmesssensoren 42 aneinander gelagert.
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Die Kraftmesssensoren 42 können somit die auftretenden bauteilseitigen Kräfte am oberen Teil des Maschinentisches 31 messen, auf dem das Bauteil 13 angeordnet wird. Der Maschinentisch 11 sitzt dann im Nullpunktspannsystem der Zerspanungsmaschine 11, wird also an den Haltevorrichtungen 33 befestigt. Der Durchmesser 35 der kreisrunden Auflagefläche des Maschinentisches 34 beträgt vorliegend 70 cm. Während der Bearbeitung mit der Zerspanungsmaschine 21 kann das Bauteil 13 auf dem Maschinentisch 11 in mehreren aufeinanderfolgenden Bearbeitungsschritten bearbeitet werden und kann der Maschinentisch zwischen den Bearbeitungsschritten segmentweise gedreht (Drehachse liegt in der Zeichenebene).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strömungsmaschine
- 1a
- Verdichter
- 1b
- Brennkammer
- 1c
- Turbine
- 2
- Längsachse
- 3
- Rotorscheibe in Blisk-Bauweise
- 10
- Vorrichtung
- 11
- Maschinentisch
- 12
- Spannadapter
- 13
- Bauteil
- 14
- Spannwerkzeug
- 15
- Sensorik
- 16
- Bauteilspannsystem
- 21
- Zerspanungsmaschine
- 22
- Zerspanwerkzeug
- 23
- Steuereinheit
- 25
- WLAN-Empfänger
- 31
- Oberes Teil des Maschinentisches
- 32
- Unteres Teil des Maschinentisches
- 33
- Haltevorrichtungen des Maschinentisches
- 34
- Auflagefläche des Maschinentisches
- 35
- Durchmesser der Auflagefläche
- 41
- Sendeeinheit
- 42
- Kraftmesssensoren
- 44
- Kopplungseinheit zur induktiven Stromversorgung
- 45
- Integrierter Stromspeicher
- 46
- Messkraftverstärker
