Hiervon ausgehend liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, Verfahren zu schaffen, womit beschaufelte
Bauteile bzw. geschmiedete Rohlinge zur Herstellung beschaufelter
Bauteile im Vergleich zu bekannten Verfahren wirtschaftlicher herstellbar
sind.
Ein zur Lösung dieser Aufgabe dienendes Verfahren
zur Herstellung von beschaufelten Bauteilen für insbesondere Strömungsmaschinen
weist die Merkmale des Anspruchs 1 auf. Dieses Verfahren zeichnet
sich besonders dadurch aus, dass der Rohling "konturnah" geschmiedet
wird. Unter konturnahe ist in diesem Zusammenhang das Schmieden
zu verstehen, das nicht nur wie beim Stand der Technik einen Rohling
schafft, der der Hüllkontur
des fertigen Bauteils entspricht, sondern auch eine Profilierung schafft,
die sich innerhalb der Hüllkontur
befindet. Dadurch können
einzelne Schaufeln oder auch Gruppen mehrerer Schaufeln beim Schmieden
weitestgehend vorgeformt werden, wobei die geschmiedete Kontur noch
ein ausreichendes Aufmaß zur
Endbearbeitung der Schaufeln aufweist, damit die Flächen aller
Schaufeln vollständig
von der nachfolgenden spanenden Bearbeitung erfasst werden. Durch
ein derartiges konturnahes Schmieden des Rohlings braucht im Vergleich
zu herkömmlichen
Verfahren nur ein Bruchteil des Volumens des geschmiedeten Rohlings zerspant
zu werden. Dadurch kann der Zerspanvorgang erheblich rascher erfolgen,
wodurch Maschinenlaufzeiten, insbesondere von Fräsmaschinen zur Durchführung der
spanenden Bearbeitung, eingespart werden kann. Aber auch der Materialverbrauch wird
durch das erfindungsgemäße Verfahren
reduziert; es geht nämlich
weniger Rohmaterial verloren.
Des Weiteren ist vorgesehen, den
Rohling derart konturnahe zu schmieden, dass nur noch das Schmiedeaufmaß spanend
bearbeitet werden muss. Vorzugsweise werden beim Schmieden Zwischenräume zwischen
wenigstens einigen Schaufeln mindestens teilweise hergestellt. Dadurch
wird beim Schmieden bereits die Kontur der Schaufeln vorgeformt.
Entweder wird die Kontur jeder Schaufel vorgeformt oder es werden
bei Bauteilen mit Gruppen von kleinen und großen Schaufeln die Umrisslinien jeder
Gruppe aus einer großen
und einer kleinen Schaufel vorgeformt. Die Schaufeln erhalten dabei prinzipiell
schon wenigstens annähernd
die Gestalt der fertigen Schaufeln, wobei jedoch ein Schmiedeaufmaß erhalten
bleibt, damit der so hergestellte Schmiederohling noch über genügend Material
verfügt,
um die Kontur des fertigen Bauteils, insbesondere die Flächen der
Schaufeln, vollflächig
durch eine sparende Bearbeitung bilden zu können. Dadurch lassen sich durch
das erfindungsgemäße Verfahren
beschaufelte Bauteile bilden, die hinsichtlich ihrer Präzision sich
nach bekannten Verfahren hergestellten Bauteilen nicht unterscheiden.
Jedoch kann durch das Schmieden des Rohlings mit Zwischenräumen zwischen
benachbarten Schaufeln und/oder mit dem erforderlichen Schmiedeaufmaß der Zerspanungsaufwand
deutlich reduziert werden.
Ein weiteres Verfahren zur Lösung der
eingangs genannten Aufgabe weist die Merkmale des Anspruchs 4 auf.
Dieses Verfahren bezieht sich auf die Herstellung von Rohlingen
für beschaufelte
Bauteile zur Bildung von insbesondere Strömungsmaschinen. Durch das konturnahe
Schmieden, insbesondere Gesenkschmieden, entsteht ein Rohling, aus
dem beschaufelte Bauteile oder auch einzelne Schaufeln bzw. Propeller
mit einem verhältnismäßig geringem
Zerspanungsaufwand hergestellt werden können. Das konturnahe Schmieden
erfolgt unter einem solchen Umfang, wie im Zusammenhang mit dem
eingangs beschriebenen Verfahren definiert worden ist.
Vorzugsweise wird der Rohling derart
gesenkgeschmiedet, dass überwiegend
nur noch das Schmiedeaufmaß spanend
bearbeitet werden muss. Zweckmäßigerweise
werden dabei wenigstens größtenteils
Zwischenräume
zwischen benachbarten Schaufeln oder Gruppen mehrerer Schaufeln
hergestellt. Diese Zwischenräume
sind so bemessen, dass sie gegenüber
dem fertigen beschaufelten Bauteil im Wesentlichen nur noch um das
Schmiedemaß kleiner sind
und dadurch im Bereich der geschmiedeten Zwischenräume nur
noch das Schmiedemaß bei
der Endbearbeitung spanend vom Rohling entfernt werden muss.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung
des Verfahrens, wobei es sich auch um eine Weiterbildung des zuvor
beschriebenen Verfahrens handeln kann, wird der Rohling – wenn es
das fertige Bauteil erfordert – mit
Hinterschneidungen, und zwar entweder allen Hinterschneidungen oder
nur einen Teil Hinterschneidungen versehen. Die Hinterschneidungen kommen
dadurch zustande, dass die zu schmiedende Kontur des beschaufelten
Bauteils in Längsrichtung
desselben bzw. in Pressrichtung zurückspringt, insbesondere negativ
geneigt ist. Dadurch, dass der Rohling bereits beim Gesenkschmieden
Hinterschneidungen erhält,
ist auch bei Bauteilen mit komplexer Kontur, beispielsweise Laufrädern mit
schräggerichteten
Schaufeln, ein konturnahes Schmieden möglich. Insbesondere können Zwischenräume zwischen
benachbarten schräggerichteten
Schaufeln soweit der Kontur des fertigen Bauteils angenähert werden,
dass nur noch ein solches Übermaß vorhanden
ist, das im Wesentlichen dem Schmiedemaß entspricht. Dadurch kann
das zu zerspanende Materialvolumen auf unter 40% des Rohlingsvolumens
gesenkt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung
des Verfahrens kann der Rohling beim Gesenkschmieden mit Hinterschneidungen
versehen werden, indem mindestens ein Teil des Gesenks, vorzugsweise ein
Obergesenk, verdreht wird. Insbesondere bei rotationssymmetrischen
beschaufelten Bauteilen wie zum Beispiel Laufrädern, Leiträdern oder Propellern, werden
Obergesenk und/oder das Untergesenk um eine in Pressrichtung verlaufende
Drehachse verdreht. Das Verdrehen des Obergesenks oder des Untergesenks
erfolgt beim Schmieden um das Maß der Hinterschneidung. Entsprechend
wird das Obergesenk oder das Untergesenk zurückgedreht, wenn nach dem Schmieden
das Gesenk geöffnet
wird. Denkbar ist es aber auch, sowohl das Obergesenk, als auch
das Untergesenk gleichzeitig oder nacheinander zu verdrehen, wobei
dann nur jedes Gesenkteil um das halbe Maß der Hinterschneidung zu verdrehen
ist. Das Verdrehen des Obergesenks und/oder Untergesenks erfolgt
vorzugsweise nach dem vollständigen
Zusammenfahren des Gesenks, kann aber auch während des Zusammenfahrens des
Gesenks kontinuierlich erfolgen.
Die Erfindung bezieht sich des Weiteren
auf die Verwendung eines durch mindestens teilweises konturnahes
Gesenkschmieden hergestellten Schmiedeteils als spanend zu bearbeitenden
Rohling für
Schaufeln aufweisende Laufräder,
Leiträder
bzw. Leitkränze
von Verdichtern, Turboladern bzw. Pumpen oder auch Propellern bzw.
einzelnen Schaufeln. Die genannten beschaufelten Bauteile erfordern
wegen ihrer komplexen und vielfach gewölbten Kontur eine aufwändige, kostenintensive
spanende Bearbeitung. Durch die Verwendung von konturnah geschmiedeten
Rohlingen zur Herstellung der genannten beschaufelten Bauteile kann
die nachfolgende spanende Bearbeitung dieser Rohlinge mit einem
geringeren Zerspanvolumen durchgeführt werden, wodurch beträchtliche
Kosten für
den Zerspanvorgang eingespart werden können, ohne dass dadurch der Schmiedevorgang
sich in entsprechendem Maße verteuert,
weil das konturnahe Schmieden abgesehen von nur einmalig anfallenden
geringfügig
höheren
Gesenkkosten im Vergleich zum Schmieden von Rohlingen mit grober
Kontur keine nennenswerten Mehrkosten verursacht.
Die Verwendung eines konturnah gesenkgeschmiedeten
Rohlings zur spanenden Herstellung der genannten beschaufelten Bauteile
wie insbesondere Verdichter, Turbolader, Pumpen oder Propeller ist
vor allem deshalb besonders wirtschaftlich, weil die genannten Bauteile überwiegend
eine Vielzahl von Schaufeln aufweisen.
Ein Gesenk zur Lösung der eingangs genannten
Aufgabe weist die Merkmale des Anspruchs 13 auf. Dadurch, dass mindestens
Teile des Obergesenks und/oder des Untergesenks verdrehbar sind, können in
einfacher Weise Hinterschneidungen des zu schmiedenden Rohlings
erzeugt werden. Vor allem lassen sich die Hinterschneidungen mit
verhältnismäßig einfachen
Mitteln bilden, ohne dass dadurch das Gesenk komplexer wird oder
zusätzliche Teile
erfordert.
Vorzugsweise werden das Obergesenk und/oder
das Untergesenk um jeweils eine in Pressrichtung verlaufende Achse
verdrehbar. Alternativ ist es auch denkbar, die Oberform und die
Unterform relativ zueinander zu verdrehen oder auf einer schräg oder senkrecht
zur Pressrichtung verlaufenden Bahn zu verschieben.
Mit den erfindungsgemäßen Verfahren
und das erfindungsgemäße Gesenk
lassen sich alle gängigen
Materialien für
beschaufelte Bauteile bearbeiten, und zwar insbesondere alle schmiedbaren
Metalle, insbesondere Titan, Aluminium und Nickelbasislegierungen.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, und zwar die Herstellung eines beschaufelten Bauteils,
das als rotationssymmetrisches Laufrad ausgebildet ist, näher beschrieben:
Als Ausgangsmaterial für
das herzustellende Laufrad dient ein Abschnitt einer Stange oder ein
Knüppel
aus einem schmiedbaren Werkstoff. Der Knüppel bzw. die Stange sind vorgeschmiedet, stranggegossen,
stranggepresst und/oder gewalzt. Aus einem Abschnitt einer solchen
Stange oder dem Knüppel
wird ein Rohling für
das herzustellende Laufrad geschmiedet.
Das Schmieden erfolgt je nach Art
des verwendeten Werkstoffs im warmen oder auch kalten Zustand. Geschmiedet
wird in einem weiter unten noch näher beschriebenem Gesenk, und zwar
erfindungsgemäß konturnah.
Das heißt,
der beim Schmieden hergestellte Rohling wird nicht lediglich in eine
Gestalt gebracht, die der Hüllkontur
des herzustellenden Laufrads zuzüglich
dem Schmiedemaß entspricht;
vielmehr erhält
der Rohling beim erfindungsgemäßen konturnahen
Schmieden eine Kontur, die weitestgehend an das herzustellende fertige Laufrad
angenähert
ist. Diese Kontur weist Vertiefungen auf, die sich in die Hüllkontur
des Laufrads hinein erstrecken. Durch die Vertiefungen werden Zwischenräume zwischen
benachbarten Schaufeln oder Gruppen mehrerer Schaufeln bereits beim
Schmieden mindestens teilweise hergestellt. Die Vertiefungen haben
solche Abmessungen, dass ein Schmiedeaufmaß erhalten bleibt, damit die
Schaufeln vollflächig
spanend endbearbeitet werden können.
Bei Laufrädern mit gleichen Schaufeln
befindet sich ein geschmiedeter Zwischenraum zwischen allen benachbarten
Schaufeln, wobei sich der Zwischenraum mindestens teilweise zwischen
benachbarten Schaufeln erstreckt. Bei Laufrädern mit Gruppen aus großen oder
kleinen Schaufeln sind die Zwischenräume so ausgebildet, dass sie
sich zwischen jeweils einem Schaufelpaar aus einer großen und
einer kleinen Schaufel erstrecken, aber nicht zwischen einer großen Schaufel
und die ihr zugeordnete kleine Schaufel.
Überwiegend
verfügen
die Laufräder über in Richtung
ihrer Längsmittelachse
leicht schräg
gestellte Schaufeln. Dadurch entstehen an der Rückseite der Schaufeln Hinterschneidungen.
Diese werden zum Teil auch beim Gesenkschmieden gebildet, und zwar
durch das Verdrehen von Gesenkteil, insbesondere einer Gesenkhälfte, oder
eine Relativverdrehung beider Gesenkhälften zueinander. Vorzugsweise
wird die jeweilige Gesenkhälfte
um eine in Pressrichtung verlaufende Achse gedreht. Diese Achse läuft bei
rotationssymmetrischen Laufrädern
gleichzeitig entlang der Längsmittelachse
der Laufräder. Das
Verdrehen der mindestens einen Gesenkhälfte, beispielsweise des Obergesenks,
kann nach dem Schließen
des Gesenks erfolgen, wenn also beide Gesenkhälften zusammengefahren sind.
Beim Auseinanderfahren der Gesenkhälften wird das Obergesenk in
entgegengesetzter Richtung verdreht. Denkbar ist es aber auch, mindestens
das Obergesenk während
des Zusammenfahrens der Gesenkhälften kontinuierlich
zu verdrehen.
Durch das Verdrehen mindestens von
Teilen des Gesenks während
des Gesenkschmiedens können
die Zwischenräume
zwischen benachbarten Schaufeln der schrägen Richtung der Schaufeln
folgend ebenfalls schräg
verlaufen, wodurch ein besonders konturnahes und hinterschnittenes
Gesenkschmieden des Rohlings möglich
ist.
Nachdem der Rohling gesenkgeschmiedet ist,
wird hieraus spanend, und zwar vorzugsweise durch Fräsen, das
fertige Laufrad hergestellt. Das Fräsen erfolgt vorzugsweise mit
einer fünfachsigen CNC-Fräsmaschine.
Dabei werden mindestens die Flächen
aller Schaufeln vollständig
spanend bearbeitet. Durch das erfindungsgemäß konturnahe Gesenkschmieden
braucht spanend im Wesentlichen nur noch das Schmiedeaufmaß beseitigt
zu werden. Dadurch ist durch die spanende Bearbeitung nur noch maximal
die Hälfte
des Volumens des Rohlings, vorzugsweise deutlich weniger, durch
Zerspanen abzutragen. Die Laufzeiten der Maschinen zur spanenden
Bearbeitung des Rohlings und die Menge des zu zerspanenden und somit
ungenutzten Volumens des Rohlings können so gegenüber dem
Stand der Technik reduziert werden.
Der nach dem beschriebenen Verfahren
hergestellte Rohling aus z. B. Titan, Aluminium und Nickelbasislegierungen,
aber auch andere Knetlegierungen, eignet sich besonders zur spanenden
Endbearbeitung von beschaufelten Bauteilen für Verdichter, und zwar sowohl
Verdichter für
den Flugzeugtriebwerksbau als auch stationären Verdichtern sowie Verdichter
für Gas-,
Dampf- oder sonstigen Turbinen. Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte
Rohling kann aber auch zur spanenden Herstellung von Laufrädern für Turbolader,
für Pumpenräder, für Propeller
und einzelne Schaufeln dienen.
Ein Gesenk zur Herstellung des Rohlings
für ein
vorzugsweise rotationssymmetrisches Laufrad weist ein Untergesenk
und ein Obergesenk auf. Das Obergesenk ist gegenüber dem Untergesenk auf- und
abbewegbar, und zwar in Pressrichtung. Die Pressrichtung entspricht
dabei der Längsmittelachse, also
der Drehachse, des Laufrads. Die Gravur im Obergesenk weist auch
Vorsprünge
auf, die dazu dienen, beim Gesenkschmieden Zwischenräume zwischen
benachbarten Schaufeln oder benachbarten Gruppen kleiner und großer Schaufeln
herzustellen.
Bei Laufrädern mit schräggestellten
Schaufeln weist der Zwischenraum an der Rückseite der jeweiligen Schaufel
eine Hinterschneidung auf. Der Zwischenraum verläuft dann an der Rückseite
der jeweiligen Schaufel schräg
einwärts
gerichtet, springt also zurück.
Um solche Hinterschneidungen beim Gesenkschmieden herstellen zu
können,
wird das Obergesenk um eine in Pressrichtung verlaufende Achse,
die vorzugsweise auf der Längsmittelachse des
Schaufelrades liegt, verdreht. Demzufolge ist das Obergesenk nicht
nur in Pressrichtung gegenüber
dem feststehenden Untergesenk auf- und abbewegbar; das Obergesenk
ist auch drehbar um die Längsmittelachse
des Schaufelrads oder Laufrads. Dem Obergesenk ist dazu eine entsprechender
Antrieb zugeordnet. Dieser kann das Obergesenk entweder nach dem
Zufahren des Gesenks, also nach vollständigem Absenken des Obergesenks
auf das Untergesenk verdrehen oder es erfolgt beim Herunterfahren
des Obergesenks kontinuierlich eine Verdrehung desselben.
Die beschriebenen Verfahren sowie
das beschriebene Gesenk eignen sich nicht nur zur wirtschaftlichen
Herstellung eines in der vorstehenden Beschreibung exemplarisch
erwähnten
Laufrades, sondern auch zur Herstellung anderer beschaufelter Bauteile
für Verdichter,
Turbolader, Pumpen oder auch Propeller.