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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Bauteils durch elektrochemisches Abtragen.
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Stand der Technik
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Beim elektrochemischen Abtragen wird zwischen dem Bauteil und dem Werkzeug, also der Bearbeitungselektrode, ein Arbeitsspalt eingestellt, wobei das Bauteil dann als Anode und das Werkzeug als Kathode polarisiert wird. Aufgrund der insofern berührungslosen Bearbeitung lassen sich damit auch vergleichsweise harte Werkstoffe materialabtragend bearbeiten, weswegen das Verfahren bzw. entsprechende Vorrichtungen vorteilhaft bei der Herstellung von Bauteilen für axiale Strömungsmaschinen, insbesondere Flugtriebwerke, genutzt werden können.
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Eine solche Bearbeitungsvorrichtung weist zum einen eine Bauteilaufnahme, in der das Bauteil zum Bearbeiten angeordnet wird, und eine Bearbeitungsstation mit der Bearbeitungselektrode auf. Indem die Bearbeitungsstation und die Bauteilaufnahme um eine Bauteilachse relativ zueinander verdrehbar gelagert sind, typischerweise in einem ortsfesten Koordinatensystem betrachtet das Bauteil in der Bauteilaufnahme verdreht werden kann, können dabei mit derselben Bearbeitungsstation sequenziell unterschiedliche Stellen des Bauteils bearbeitet werden. Damit lässt sich nacheinander an unterschiedlichen Stellen, etwa auf unterschiedlichen Drehpositionen, eine identische oder vergleichbare Kontur einbringen. Dies soll ein bevorzugtes Anwendungsumfeld illustrieren, den Gegenstand aber zunächst nicht in seiner Allgemeinheit beschränken.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine vorteilhafte Vorrichtung zum Bearbeiten eines Bauteils durch elektrochemisches Abtragen anzugeben.
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Dies wird erfindungsgemäß mit der Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Bei dieser weist eine erste Bearbeitungsstation ein erstes Achsmodul und einen ersten Werkzeugträger auf, an dem die Bearbeitungselektrode angeordnet ist oder angeordnet werden kann. Dabei ist der erste Werkzeugträger an dem Achsmodul um eine erste Werkzeugachse drehbar gelagert, wobei diese Werkzeugachse gewinkelt zur Bauteilachse liegt. Damit lässt sich, wenn bspw. bezogen auf den eingangs geschilderten Anwendungsfall ein Schaufelblatt eines Schaufelkranzes materialabtragend herausgearbeitet wird, dessen Anstellwinkel einstellen (bezogen auf die Anströmung, also den Betrieb im Gaskanal). Es lassen sich also mit derselben Bearbeitungsstation Schaufelblätter mit unterschiedlichem Anstellwinkel herstellen, können also auf derselben Vorrichtung insbesondere unterschiedliche Schaufelkränze gefertigt werden.
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Betrachtet man zur Illustration die Herstellung einer sogenannten Blisk (blade integrated disc, Blisk), so kann die Bearbeitungselektrode zur Konturierung des Schaufelblatts zu dessen Saug- oder Druckseitenfläche hin bewegt werden, vgl. 4 zur Illustration. Aufgrund der Verdrehbarkeit um die Werkzeugachse lässt sich die Richtung dieser Relativbewegung im Verhältnis zur Bauteilachse, und da diese typischerweise mit der Rotations- bzw. Längsachse der Strömungsmaschine zusammenfällt, damit auch relativ zur Axialrichtung der Strömungsmaschine verändern (sodass der Anstellwinkel einstellbar ist).
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Ein weiterer bzw. alternativer Vorteil der Verdrehbarkeit um die Werkzeugachse kann sich bspw. dahingehend ergeben, dass sich mit derselben Bearbeitungsstation unterschiedliche Bearbeitungsarten realisieren lassen. Somit kann, wiederum bezogen auf eine Blisk, mit der Bearbeitungsstation bspw. in einem ersten Schritt eine Ausnehmung zwischen zwei Schaufelblättern eingebracht werden, was auch als „Schruppen“ bezeichnet wird. Anschließend kann mit derselben Bearbeitungsstation bzw. demselben Werkzeugträger aufgrund der Verdrehbarkeit um die Werkzeugachse auch die Seitenfläche des Schaufelblatts im Detail definiert werden, was als „Schlichten“ bezeichnet wird. Aufgrund der Verdrehbarkeit des Werkzeugträgers um die Werkzeugachse lassen sich also unterschiedliche Bearbeitungsarten realisieren, wozu ggf. nur die Bearbeitungselektrode ausgetauscht werden muss, das Achsenmodul und der Werkzeugträger aber unverändert bleiben können (was den Rüstaufwand reduziert).
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Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in 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. eine für einen bestimmten Betrieb geeignete Bearbeitungsvorrichtung beschrieben, ist dies zugleich als Offenbarung eines entsprechenden Betriebsverfahrens zu verstehen, und umgekehrt.
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Die erste Werkzeugachse liegt „gewinkelt“ zur Bauteilachse, also nicht parallel dazu, sondern unter einem Winkel (schräg oder auch senkrecht). Die erste Bearbeitungsstation und die Bauteilaufnahme sind um die Bauteileachse relativ zueinander verdrehbar, wobei in einem ortsfesten Koordinatensystem betrachtet beim Relativverdrehen bevorzugt die Bearbeitungsstation ruht und die Bauteilaufnahme verdreht wird. Auch unabhängig davon, wie das Relativverdrehen im Einzelnen realisiert ist, können bevorzugt mehrere Bearbeitungsstationen auf unterschiedlichen Drehpositionen um die Bauteilachse angeordnet sein, kann das Bauteil also auf unterschiedlichen Drehpositionen simultan bearbeitet werden (siehe unten im Detail). Wie eingangs erwähnt kann, wenn das Bauteil bevorzugt für eine Strömungsmaschine, insbesondere ein Flugtriebwerk, vorgesehen ist, die Bauteilachse bevorzugt mit deren Längsachse zusammenfallen. Ist das Bauteil als Rotor oder Bestandteil davon ausgelegt, fällt die Bauteilachse bevorzugt mit dessen Drehachse zusammen.
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Eine erste Werkzeugachsrichtung, die per definitionem parallel zur ersten Werkzeugachse liegt, steht in bevorzugter Ausgestaltung senkrecht auf der Bauteilachse. Da, wie nachstehend im Einzelnen erläutert, eine weitergehende Verdrehbarkeit des Achsenmoduls möglich ist, müssen sich die Bauteil- und die Werkzeugachse nicht zwingend schneiden; die Werkzeugachse kann aufgrund der Verdrehbarkeit des Achsmoduls in einer Ebene bewegbar sein, auf welche die Bauteilachse bevorzugt senkrecht steht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Bearbeitungselektrode an dem ersten Werkzeugträger translatorisch versetzbar gelagert, nämlich auf einer ersten Werkzeugträger-Translationsachse. Diese liegt gewinkelt zur ersten Werkzeugachse, bevorzugt steht sie senkrecht darauf. Mit der Bewegbarkeit der Bearbeitungselektrode auf der Werkzeugträger-Translationsachse lässt sich der Abstand der Bearbeitungselektrode von der Werkzeugachse verändern, diese kann zur Werkzeugachse hin oder von dieser Weg bewegt werden. Wird mit der materialabtragenden Bearbeitung bspw. ein Schaufelblatt konturiert, kann die Werkzeugträger-Translationsachse bei der abtragenden Bearbeitung im Wesentlichen senkrecht auf dessen Saug- bzw. Druckseitenfläche stehen.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist, wie bereits erwähnt, das erste Achsmodul um eine erste Achsmoduldrehachse drehbar gelagert, bevorzugt durchsetzt diese das erste Achsmodul. Aufgrund dieser Drehbarkeit des Achsmoduls „in sich“ lässt es sich relativ zum Bauteil schräg anstellen, insbesondere in Kombination mit einer zusätzlichen Translationsversetzbarkeit (siehe unten). Damit lässt sich bspw. der Drehversatz (Drehwinkel) relativ zu einer zweiten Bearbeitungsstation anpassen, was bspw. eine Anwendung bei einer Scheibe bzw. Blisk mit einer ungeraden Anzahl Schaufelblätter möglich macht. Die Ausführungsform „um erste Achsmodul-Drehachse drehbar gelagertes Achsmodul“ soll auch unabhängig von dem um die ersten Werkzeugachse drehbar am Achsmodul gelagerten Werkzeugträger offenbart sein, gleichwohl sind Kombinationen mit anderen vorliegend geschilderten Varianten möglich.
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In bevorzugter Ausgestaltung liegt die Achsmodul-Drehachse parallel zur Bauteilachse. Die erste Werkzeugachse liegt gewinkelt zur Achsmodul-Drehachse, bevorzugt steht sie senkrecht darauf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, die insbesondere mit der Verdrehbarkeit um die Achsmodul-Drehachse kombiniert sein kann, ist das erste Achsmodul relativ zur Bauteilaufnahme auf einer ersten Translationsachse translatorisch versetzbar gelagert. Bevorzugt ist es zusätzlich auf einer zweiten Translationsachse translatorisch versetzbar gelagert. Die erste und zweite Translationsachse spannen miteinander eine Translationsebene auf, bevorzugt stehen sie senkrecht aufeinander. Die Achsmodul-Drehachse durchsetzt die Translationsebene gewinkelt, vorzugsweise senkrecht.
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In Verbindung mit der Verdrehbarkeit um die Achsmodul-Drehachse kann die Versetzbarkeit in der Translationsebene ein Verändern der Drehposition, auf welcher das Achsmodul relativ zum Bauteil bzw. zur Bauteilaufnahme liegt, bei gleichzeitiger Anpassung des Anstellwinkels erlauben, ist also insbesondere eine Anpassung in Abhängigkeit von gerader/ungerader Anzahl Schaufeln möglich. Dies ließe sich alternativ zwar bspw. auch mit einem auf einem Bogensegment um die Bauteilachse verschwenkbar gelagerten Achsmodul erreichen, was allerdings eine entsprechend komplexere Bogenmechanik erfordern würde.
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Im Vergleich dazu kann die Kombination aus Translationsebene und Verdrehbarkeit mit standardmäßig verfügbaren Antrieben und Aufbauten realisiert werden, was z. B. aus ökonomischen Gründen und auch hinsichtlich der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Ersatzteilen etc. von Vorteil sein kann. Ferner kann die Kombination aus Translations- und Drehversatz bspw. auch ein „schräges Einfädeln“ erlauben, was bspw. bei Schaufelblättern mit einem „tilt“ von Vorteil sein kann, bei denen die Fädelachse also zumindest abschnittsweise nicht in Richtung der Längs-/Drehachse des Bauteils ausgerichtet ist, sondern bspw. in einem radial äußeren Abschnitt weg kippt.
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In bevorzugter Ausgestaltung weist die Bearbeitungsvorrichtung eine zweite Bearbeitungsstation auf, wobei die erste und zweite Bearbeitungsstation auf unterschiedlichen Drehpositionen um die Bauteilachse angeordnet sind. Im Allgemeinen kann es auch weitere Bearbeitungsstationen geben, also insgesamt bspw. mindestens drei oder vier Bearbeitungsstationen (mit möglichen Obergrenzen bei z. B. höchstens acht oder sechs), besonders bevorzugt sind jedoch genau zwei Bearbeitungsstationen vorgesehen. Diese sind vorzugsweise auf einander gegenüberliegenden Seiten der Bauteilaufnahme platziert, besonders bevorzugt um 180° zueinander verdreht (bezogen auf ihre jeweilige Grundposition, unter Vernachlässigung einer Einstellung durch Translations-/Drehversatz).
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In bevorzugter Ausgestaltung weist auch die zweite Bearbeitungsstation ein Achsmodul und einen Werkzeugträger auf, die vorliegend als „zweites Achsmodul“ und „zweiter Werkzeugträger“ bezeichnet werden. An dem zweiten Werkzeugträger ist eine zweite Bearbeitungselektrode angeordnet oder anordenbar, vorzugsweise
- - ist der zweite Werkzeugträger an dem zweiten Achsmodul um eine zweite Werkzeugachse drehbar gelagert, wobei die zweite Werkzeugachse gewinkelt zu der Bauteilachse liegt, und/oder
- - ist das zweite Achsmodul um eine zweite Achsmodul-Drehachse drehbar gelagert, die das zweite Achsmodul durchsetzt (und vorzugsweise parallel zur Bauteilachse liegt), wobei das zweite Achsmodul zusätzlich bevorzugt auf einer ersten und einer zweiten Translationsachse versetzbar gelagert ist, die miteinander eine zweite Translationsebene aufspannen (welche die Bauteilachse durchsetzt, vorzugsweise senkrecht).
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Generell sollen alle hinsichtlich der ersten Bearbeitungsstation offenbarten Varianten auch hinsichtlich der zweiten Bearbeitungsstation als bevorzugt offenbart sein. In bevorzugter Ausgestaltung sind die erste und zweite Bearbeitungsstation baugleich zueinander, sind sie also identisch aufgebaut.
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Hinsichtlich der Orientierung der Vorrichtung in einem ortsfesten Koordinatensystem betrachtet wäre im Allgemeinen auch eine stehende Montage möglich, könnte die Bauteilachse also horizontal liegen. Bevorzugt ist jedoch eine Bettbauweise, liegt die Bauteilachse also parallel zur Vertikalen. Die Translationsebene bzw. -ebenen können dann bevorzugt j eweils horizontal liegen, gleiches gilt für die Werkzeugachse bzw. -achsen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Bearbeiten eines Bauteils mit einer vorliegend offenbarten Vorrichtung, in deren Bauteilaufnahme das Bauteil angeordnet wird. Das Bauteil wird dann mit der ersten Bearbeitungselektrode materialabtragend bearbeitet, wozu diese als Kathode und das Bauteil als Anode polarisiert wird. Nach dem Bearbeiten an einer ersten Stelle kann das Bauteil relativ zur (ersten) Bearbeitungsstation verdreht werden, anschließend kann es mit der ersten Bearbeitungselektrode an einer zweiten Stelle materialabtragend bearbeitet werden.
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Auf diese Weise kann das Bauteil an einer Vielzahl Stellen nacheinander mit der ersten Bearbeitungselektrode bearbeitet werden. Bevorzugt wird das Bauteil, wenn es mit der ersten Bearbeitungselektrode materialabtragend bearbeitet wird, zugleich mit der zweiten Bearbeitungselektrode materialabtragend bearbeitet. Das Bauteil wird also an den unterschiedlichen Bearbeitungsstationen simultan bearbeitet, was den Durchsatz erhöhen kann. Bevorzugt können dabei, von Bauteil zu Bauteil, bspw. in Abhängigkeit von dessen Schaufelzahl (gerade/ungerade), unterschiedliche Drehwinkel von Bearbeitungsstation zu Bearbeitungsstation (um die Bauteileachse) eingestellt werden, und zwar über den Versatz in der Translationsebene und das Verdrehen um die Achsmodul-Drehachse.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils für eine Strömungsmaschine, wobei dieses in einer vorliegend geschilderten Weise materialabtragend bearbeitet wird. Bei dem Bauteil handelt es sich bevorzugt um eine Blisk.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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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 erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bearbeiten eines Bauteils durch elektrochemisches Abtragen in einer schematischen Aufsicht;
- 2 die Vorrichtung gemäß 1 in einer schematischen Seitenansicht;
- 3 ein Flugtriebwerk in einem schematischen Längsschnitt zur Illustration eines typischen Anwendungsgebiets eines mit der Vorrichtung gemäß den 1 und 2 hergestellten Bauteils;
- 4 eine schematische Radialansicht bei der Herstellung einer Blisk.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Bearbeiten eines Bauteils 2 durch elektrochemisches Abtragen. Das Bauteil 2 ist in einer Bauteilaufnahme 3 angeordnet, in dieser ist es um eine zur Zeichenebene senkrechte Bauteilachse 4 drehbar. Auf unterschiedlichen Drehpositionen 4.1, 4.2 sind eine erste Bearbeitungsstation 10 und eine zweite Bearbeitungsstation 20 angeordnet.
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Die erste Bearbeitungsstation 10 weist ein erstes Achsmodul 11 und einen ersten Werkzeugträger 12 auf, wobei der erste Werkzeugträger 12 um eine Werkzeugachse 13 drehbar an dem ersten Achsmodul 11 gelagert ist. Die erste Werkzeugachse 13 liegt parallel zur Zeichenebene, eine dazu parallele erste Werkzeugachsrichtung 13.1 steht senkrecht auf der Bauteilachse 4. An dem ersten Werkzeugträger 12 ist eine erste Bearbeitungselektrode 14 angeordnet. Diese kann um die erste Werkzeugachse 13 verdreht werden, was die Einstellung unterschiedlicher Anstellwinkel erlaubt, vgl. 4 zur Illustration.
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Das erste Achsmodul 11 ist ferner um eine erste Achsmodul-Drehachse 15, die das erste Achsmodul 11 durchsetzt und vorliegend senkrecht auf der Zeichenebene steht, verdrehbar gelagert. Ferner ist es auf einer ersten Translationsachse 16.1 und einer zweiten Translationsachse 16.2 jeweils translatorisch versetzbar gelagert. Die beiden Translationsachsen 16.1, 16.2 spannen miteinander eine Translationsebene 16.3 auf, die vorliegend parallel zur Zeichenebene liegt. Mit der Versetzbarkeit in der Translationsebene 16.3 und der Verdrehbarkeit um die erste Achsmodul-Drehachse 15 lässt sich das erste Achsmodul 11 relativ zur Bauteilaufnahme 3 so anstellen, dass die Bearbeitungselektrode 14 auf einem anderen Drehwinkel/einer anderen Drehposition (nach links oder rechts versetzt), dabei aber unter dem gleichen Winkel zur Bauteilachse 4 positioniert werden kann, vgl. die strichlierten Linien zur Illustration. Damit lassen sich mit derselben Vorrichtung 1 unterschiedliche Bauteile 2, insbesondere mit sowohl gerader als auch ungerader Schaufelzahl herstellen.
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Zusätzlich zu der bis dato geschilderten Kinematik ist die Bearbeitungselektrode 14 an dem ersten Werkzeugträger 12 auf einer ersten Werkzeugträger-Translationsachse 17 translatorisch versetzbar gelagert. Damit kann die Bearbeitungselektrode 14 bezogen auf das Bauteil 2 tangential versetzt, also in Umlaufrichtung angestellt werden. Die Orientierung der ersten Werkzeugträger-Translationsachse 17 relativ zur Bauteilachse 4 kann mit dem Verdrehen um die erste Werkzeugachse 13 verändert werden.
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Die zweite Bearbeitungsstation 20 weist ein zweites Achsmodul 21 und einen zweiten Werkzeugträger 22 auf, dieser ist um eine zweite Werkzeugachse 23 verdrehbar am zweiten Achsmodul 21 gelagert. Ferner ist das zweite Achsmodul 21 um eine zweite Achsmodul-Drehachse 25 verdrehbar, sowie auf einer ersten und zweiten Translationsachse 26.1, 26.2 in einer zweiten Translationsebene 26.3 versetzbar gelagert. Damit kann auch die zweiten Bearbeitungselektrode 24 schräg bzw. auf unterschiedlichen Winkelpositionen angestellt werden. Die zweite Bearbeitungszeit 20 ist baugleich zur ersten Bearbeitungsstation 10, bezüglich weiterer Details wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.
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2 zeigt die Vorrichtung gemäß 1 in einer Seitenansicht, und zwar bezogen auf 1 von der linken Seite auf die Vorrichtung 1 blickend. Die einzelnen Bestandteile und Achsen sind mit denselben Bezugszeichen wie in 1 versehen, bezüglich der jeweiligen Funktion wird auf die vorstehende Schilderung verwiesen. Bezogen auf ein ortsfestes Koordinatensystem 40 kann die Vorrichtung 1 wie dargestellt auf dem Boden 41 platziert werden, können also die Bauteilachse 4 und Achsmodul-Drehachsen 15, 25 vertikal liegen. Die Translationsebenen 16.3, 26.3 liegen jeweils horizontal.
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3 zeigt eine Strömungsmaschine 50, konkret ein Mantelstromtriebwerk, in einem schematischen Axialschnitt, also in einer seine Drehsachse 51 beinhaltenden Schnittebene betrachtet. Funktional gliedert sich das Mantelstromtriebwerk in Verdichter 52, Brennkammer 53 und Turbine 54, wobei im Betrieb angesaugte Luft im Verdichter 52 komprimiert und in der nachgelagerten Brennkammer 53 mit hinzugemischtem Treibstoff verbrannt wird. Das entstehende Heißgas expandiert dann in der Turbine 54 und treibt damit deren Rotoren an. Diese können teils als Blisk 55 ausgeführt sein, eine solche Blisk 55 lässt sich in einer Vorrichtung gemäß den 1 und 2 herstellen.
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4 zeigt die Herstellung einer Blisk 55 in einer schematischen Radialansicht, also radial zur Drehachse 51 von außen darauf blickend. Die Drehachse 51 fällt mit der Bauteilachse 4 zusammen, ferner ist schematisch ein Schaufelblatt 60 dargestellt, dessen Saug- und Druckseitenfläche 60.1, 60.2 bei der materialabtragenden Bearbeitung mit der Bearbeitungselektrode 14 konturiert werden. Aufgrund der Verdrehbarkeit um die Werkzeugachse 13 lassen sich Schaufelblätter 60 mit unterschiedlichem Anstellwinkel 61 herstellen.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Bauteil
- 3
- Bauteilaufnahme
- 4
- Bauteilachse
- 4.1-4.2
- Drehpositionen
- 10, 20
- Bearbeitungsstationen
- 11, 21
- Achsmodule
- 12, 22
- Werkzeugträger
- 14, 24
- Bearbeitungselektrode
- 13
- Erste Werkzeugachse
- 13.1
- Werkzeugachsrichtung
- 15
- Achsmodul-Drehachse
- 16.1-16.2
- Translationsachse
- 16.3
- Translationsebene
- 17
- Werkzeugträger-Translationsachse
- 20
- Bearbeitungsstation
- 40
- Koordinatensystem
- 50
- Strömungsmaschine
- 55
- Blisk
