DE10309456A1

DE10309456A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstückes

Info

Publication number: DE10309456A1
Application number: DE10309456A
Authority: DE
Inventors: Götz Lebküchner
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2004-09-16
Also published as: EP1615748A1; WO2004078416A1; US20060234606A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung.
Die Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks, nämlich zum Druckfließläppen, verfügt über mindestens zwei sich gegenüberliegende Druckeinrichtungen (18, 19), wobei das zu bearbeitende Werkstück (21) zwischen den sich gegenüberliegenden Druckeinrichtungen (18, 19) angeordnet ist, und wobei ein Läppmittel (17) an dem zu bearbeitenden Werkstück (21) vorbei bewegbar ist. Erfindungsgemäß sind die sich gegenüberliegenden Druckeinrichtungen (18, 19) mit einem definierten Druck derart beaufschlagbar, dass sich im gesamten Läppmittel (27) zu jeder Seite des zu bearbeitenden Werkstücks (21) ein gleichmäßiger Druck einstellt. Die Bewegung des Läppmittels (27) relativ zum zu bearbeitenden Werkstück (21) ist unter Beibehaltung des gleichmäßigen Drucks durch eine gleichgerichtete Bewegung der Druckeinrichtungen (18, 19) einstellbar.

Description

Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Bei der Oberflächenbearbeitung von Werkstücken unterscheidet man zwischen spanenden Bearbeitungsverfahren und abtragenden Bearbeitungsverfahren. Spanende Bearbeitungsverfahren arbeiten mit mechanischer Einwirkung von Schneiden auf das Werkstück und bewirken so einen Abtrag an der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks. Abtragende Bearbeitungsverfahren nutzen chemische oder thermische Prozesse zur Oberflächenbearbeitung aus.
Zu den spanenden Bearbeitungsverfahren zählt das sogenannte Läppen. Beim Läppen dient ein Läppmittel, welches sich aus einem Läppulver und einem Trägermedium zusammensetzt, als Schneide. Beim Läppen wird mithilfe des lose im Trägermedium verteilten Läppulvers die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks bearbeitet, wobei das Läppulver in ungeordneten Schneidbahnen relativ zum zu bearbeitenden Werkstück geführt wird.

Eine Sonderform des Läppens ist das Druckfließläppen. Beim Druckfließläppen, welches als Abrasive Flow Machining (AFM) bezeichnet wird, wird das zu bearbeitende Werkstück in der Regel zwischen zwei gegenüberliegenden, vertikal angeordneten Druckkolben bzw. -zylindern eingespannt. Zwischen den beiden Druckkolben bzw. – zylindern wird das Läppmittel durch Heben und Senken der Druckkolben hin- und hergeschoben und damit an der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche vorbeigeführt. Ein Abtrag an der zu bearbeitenden Oberfläche wird durch verschiedene Prozessparameter wie Läppmitteldruck, Läppmitteltemperatur, Viskosität des Läppmittels oder Fließverhalten des Läppmittels bestimmt. Der größte Abtrag tritt im Bereich der größten Strömungswiderstände auf. Die hier vorliegende Erfindung betrifft das Druckfließläppen.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks, die das Druckfließläppen betreffen, besteht der Nachteil, dass keine konstanten Arbeitsergebnisse erzielt werden können. Dies liegt insbesondere an der hohen Anzahl sowie der Inkonstanz der Prozessparameter, die für den Abtrag verantwortlich sind. Insbesondere dann, wenn das zu bearbeitende Werkstück gekrümmte Oberflächen aufweist, zeigen sich erhebliche Unterschiede im Abtrag an den zu bearbeitenden Oberflächen, abhängig davon, ob die Oberfläche der Fließrichtung bzw. Bewegungsrichtung des Läppmittels zugewandt ist oder von dieser abgewandt ist. Weitere Unregelmäßigkeiten im Abtrag ergeben sich nach dem Stand der Technik dadurch, dass sich mit zunehmender Bearbeitungsdauer das Läppmittel erwärmt und sich dadurch die Viskosität sowie Fließgeschwindigkeit desselben ändert.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks sowie ein entsprechendes Verfahren zu schaffen.

Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die eingangs genannte Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.

Die Vorrichtung verfügt über mindestens zwei sich gegenüberliegende Druckeinrichtungen, wobei das zu bearbeitende Werkstück zwischen den sich gegenüberliegenden Druckeinrichtungen angeordnet ist, und wobei ein Läppmittel an dem zu bearbeitenden Werkstück vorbei bewegbar ist. Erfindungsgemäß sind die sich gegenüberliegenden Druckeinrichtungen mit einem definierten Druck derart beaufschlagbar, dass sich im gesamten Läppmittel zu jeder Seite des zu bearbeitenden Werkstücks ein gleichmäßiger Druck einstellt. Die Bewegung des Läppmittels relativ zum zu bearbeitenden Werkstück unter Beibehaltung des gleichmäßigen Drucks im Läppmittel ist durch eine gleichgerichtete Bewegung der sich gegenüberliegenden Druckeinrichtungen einstellbar. Der gleichmäßige Druck zu allen Seiten des zu bearbeitenden Werkstücks bewirkt einen gleichmäßigen Materialabtrag an allen Seiten des Werkstücks. Die Oberflächenbearbeitung wird hierdurch verbessert.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verfügt die Vorrichtung über zwei sich gegenüberliegende Druckeinrichtungen, zwischen denen das zu bearbeitende Werkstück mit Hilfe einer Einrichtung eingespannt ist. Eine erste, obere Druckeinrichtung ist an einer ersten, horizontal verlaufenden Traverse und eine zweite, untere Druckeinrichtung ist an einer zweiten, horizontal verlaufenden Traverse befestigt. Die beiden Traversen sind miteinander verbunden. Die beiden Druckeinrichtungen sind durch eine vertikale Bewegung der beiden Traversen relativ zu der Einrichtung bewegbar, wobei durch diese vertikale Bewegung der beiden Traversen die Bewegung des Läppmittels relativ zum zu bearbeitenden Werkstück einstellbar ist.

Vorzugsweise ist der oder jeder Traverse eine regelbare Antreibseinrichtung zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Fließgeschwindigkeit des Läppmittels relativ zum zu bearbeitenden Werkstück zugeordnet. Durch Einhaltung einer konstanten Fließgeschwindigkeit des Läppmittels lässt sich das Ergebnis der Oberflächenbearbeitung verbessern.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine regelbare Kühl- und/oder Heizeinrichtung für das Läppmittel zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Temperatur des Läppmittels vorgesehen. Durch Einhaltung einer konstanten Temperatur des Läppmittels lässt sich das Ergebnis der Oberflächenbearbeitung nochmals verbessern.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 9 gekennzeichnet.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1: eine stark schematisierte Darstellung einer Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks nach dem Stand der Technik;
2: eine stark schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks; und
3: einen vergrößerten Ausschnitt aus der Anordnung gemäß 2 mit zusätzlich vorgesehenen Leitkörpern.
1 zeigt eine stark schematisierte Vorrichtung 10 zum Druckfließläppen nach dem Stand der Technik. Bei der Vorrichtung 10 nach dem Stand der Technik sind zwei Druckzylinder 11, 12 vertikal übereinander angeordnet, wobei zwischen den beiden Druckzylindern 11, 12 ein zu bearbeitendes Werkstück 13 eingespannt ist. Bei der in 1 dargestellten Anordnung ist in das Werkstück 13 eine Bohrung eingebracht, deren innenliegende Oberfläche bearbeitet werden soll. Hierzu wird zwischen den vertikal übereinander angeordneten Druckzylindern 11, 12 ein Läppmittel 14 hin- und hergeschoben. Die Bewegung des Läppmittels 14 erfolgt über den Druckzylindern 11, 12 zugeordnete Druckkolben 15, 16.
2 zeigt eine Vorrichtung 17 zum Druckfließläppen im Sinne der Erfindung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 17 verfügt über zwei sich gegenüberliegende Druckeinrichtungen 18, 19, nämlich eine erste, obere Druckeinrichtung 18 und eine zweite, untere Druckeinrichtung 19. Die beiden Druckeinrichtungen 18, 19 sind als Zylinder-Kolben-Systeme ausgebildet.
Mithilfe einer Einrichtung 20 ist ein zu bearbeitendes Werkstück 21 zwischen den beiden Druckeinrichtungen 18, 19 positioniert sowie zwischen denselben eingespannt. Das Werkstück 21 ist im Ausführungsbeispiel gemäß 2 als Gasturbinenbaugruppe ausgebildet, wobei in 2 drei Schaufeln 22 der Gasturbinenbaugruppe dargestellt sind.
Gemäß 2 ist die erste, obere Druckeinrichtung 18 mit einer ersten, horizontal verlaufenden Traverse 23 verbunden. Die zweite, untere Druckeinrichtung 19 ist mit einer zweiten, ebenfalls horizontal verlaufenden Traverse 24 verbunden. Die beiden horizontal verlaufenden Traversen 23, 24 sind an jeweils gegenüberliegenden Enden durch vertikal verlaufende Streben 25, 26 miteinander verbunden. Die beiden Druckeinrichtungen 18, 19 sind derart mit einem definierten Druck beaufschlagbar, dass sich im gesamten Läppmittel und damit zu jeder Seite des zu bearbeitenden Werkstücks 21 bzw. der zu bearbeitenden Schaufeln 22 ein gleichmäßiger Druck einstellt. Durch Bewegung der gesamten Einheit aus den Traversen 23 und 24, den Streben 25 und 26 sowie den mit den Traversen 23, 24 verbundenen Druckeinrichtungen 18 und 19 relativ zur Einrichtung 20 ist die Bewegung des Läppmittels 27 relativ zum zu bearbeitenden Werkstück 21 bzw. zu den zu bearbeitenden Schaufeln 22 unter Beibehaltung des gleichförmigen Läppmitteldrucks einstellbar. Hierdurch lässt sich auch bei gekrümmten Oberflächen des zu bearbeitenden Werkstücks 21 ein gleichmäßiger Abtrag an den Oberflächen des Werkstücks 21 erzielen.
Den Traversen 23, 24 bzw. den Streben 25, 26 ist eine nicht-dargestellte, regelbare Antriebseinrichtung zugeordnet. Die Antriebseinrichtung dient der Realisierung der Bewegung der Einheit aus den Traversen 23 und 24, den Streben 25 und 26 sowie den mit den Traversen 23, 24 verbundenen Druckeinrichtungen 18 und 19 relativ zur Einrichtung 20. Mithilfe dieser regelbaren Antriebseinrichtung ist eine gleichmäßige Fließgeschwindigkeit des Läppmittels 27 relativ zum zu bearbeitenden Werkstück 21 einstellbar.
Weiterhin liegt es im Sinne der Erfindung, dass die Vorrichtung 17 eine nichtdargestellte, regelbare Kühl- und/oder Heizeinrichtung für das Läppmittel 27 aufweist. Mithilfe dieser Kühl- und/oder Heizeinrichtung für das Läppmittel 27 lässt sich eine gleichmäßige Temperatur für das Läppmittel 27 einstellen.
Mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich demnach die Prozessparameter Läppmitteldruck, Läppmittelfließgeschwindigkeit sowie Läppmitteltemperatur gleichmäßig einstellen bzw. auf einen konstanten Wert regeln. Hierdurch ist es erstmals möglich, mit der sogenannten Druckfließläpptechnik reproduzierbare Ergebnisse der Oberflächenbearbeitung herbeizuführen. Durch den gleichmäßigen Läppmitteldruck wird eine gleichmäßige Bearbeitung jeder Stelle der zu bearbeitenden Ober fläche des Werkstücks erzielt, und zwar auch dann, wenn das Werkstück über gekrümmte Oberflächen verfügt.
3 zeigt eine Weiterentwicklung der Erfindung. So sind bei der in 3 gezeigten Anordnung Leitkörper 28 im Bereich des zu bearbeitenden Werkstücks 21 bzw. der zu bearbeitenden Schaufeln 22 angeordnet. Mithilfe der Leitkörper 28 kann einerseits die Bewegungsrichtung und andererseits die Fließgeschwindigkeit des Läppmittels 27 beeinflusst werden. Damit lässt sich der Abtrag an der zu bearbeitenden Oberfläche lokal beeinflussen.
Mithilfe der im Zusammenhang mit 2 und 3 beschriebenen, erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren ausführen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Läppmittel 27 an dem zu bearbeitenden Werkstück 21 vorbeigeführt, wobei im gesamten Läppmittel 27 und damit zu jeder Seite des zu bearbeitenden Werkstücks 21 ein gleichmäßiger Druck eingestellt wird. Das Läppmittel 27 wird relativ zu dem zu bearbeitenden Werkstück 21 unter Beibehaltung dieses gleichmäßigen Drucks bewegt. Die Fließgeschwindigkeit des Läppmittels sowie die Temperatur des Läppmittels sind auf einen konstanten Wert regelbar. Mithilfe von Leitkörpern 28 wird eine Bewegungsrichtung und/oder die Fließgeschwindigkeit des Läppmittels beeinflusst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich insbesondere zur Oberflächenbearbeitung komplexer, dreidimensionaler Geometrien, insbesondere zur Bearbeitung von Blisks einer Gasturbine.

10: Vorrichtung
11: Druckzylinder
12: Druckzylinder
13: Werkstück
14: Läppmittel
15: Druckkolben
16: Druckkolben
17: Vorrichtung
18: Druckeinrichtung
19: Druckeinrichtung
20: Einrichtung
21: Werkstück
22: Schaufel
23: Traverse
24: Traverse
25: Strebe
26: Strebe
27: Läppmittel
28: Leitkörper

Claims

Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks, nämlich zum Druckfließläppen, mit mindestens zwei sich gegenüberliegenden Druckeinrichtungen (18, 19), wobei das zu bearbeitende Werkstück (21) zwischen den sich gegenüberliegenden Druckeinrichtungen (18, 19) angeordnet ist, und wobei ein Läppmittel (17) an dem zu bearbeitenden Werkstück (21) vorbei bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die sich gegenüberliegenden Druckeinrichtungen (18, 19) mit einem definierten Druck derart beaufschlagbar sind, dass sich im gesamten Läppmittel (27) zu jeder Seite des zu bearbeitenden Werkstücks (21) ein gleichmäßiger Druck einstellt, und dass die Bewegung des Läppmittels (27) relativ zum zu bearbeitenden Werkstück (21) unter Beibehaltung des gleichmäßigen Drucks durch eine gleichgerichtete Bewegung der Druckeinrichtungen (18, 19) einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zu bearbeitende Werkstück (21) zwischen den sich gegenüberliegenden Druckeinrichtungen (18, 19) mit Hilfe einer Einrichtung (20) eingespannt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeinrichtungen (18, 19) an mindestens einer Traverse (23, 24) befestigt sind, und dass die Bewegung des Läppmittels (27) relativ zu dem zu bearbeitenden Werkstück (21) durch eine Bewegung der oder jeder Traverse (23, 24) einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch zwei sich gegenüberliegende Druckeinrichtungen (18, 19), zwischen denen das zu bearbeitende Werkstück (21) mit Hilfe einer Einrichtung (20) eingespannt ist, wobei eine erste, obere Druckeinrichtung (18) an einer ersten, horizontal verlaufenden Traverse (23) und eine zweite, untere Druckeinrichtung (19) an einer zweiten, horizontal verlaufenden Traverse (24) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass, die beiden Traversen (23, 24) miteinander verbunden sind, und dass die beiden Druckeinrichtungen (18, 19) durch eine vertikale Bewegung der beiden Traversen (23, 24) relativ zu der Einrichtung (20) bewegbar sind, wobei durch diese vertikale Bewegung der beiden Traversen (23, 24) die Bewegung des Läppmittels (27) relativ zum zu bearbeitenden Werkstück (21) einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Traverse (23, 24) eine regelbare Antreibseinrichtung zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Fließgeschwindigkeit des Läppmittels (27) relativ zum zu bearbeitenden Werkstück (21) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine regelbare Kühl- und/oder Heizeinrichtung für das Läppmittel (27) zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Temperatur des Läppmittels (27).
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch mindestens einen im Bereich des zu bearbeitenden Werkstücks (21) positionierten Leitkörpern (28) zur Beeinflussung der Bewegungsrichtung und/oder Fließgeschwindigkeit des Läppmittels (27).
Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks, nämlich zum Druckfließläppen, wobei ein Läppmittel (27) an dem zu bearbeitenden Werkstück (21) vorbei bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe von sich gegenüberliegenden Druckeinrichtungen (18, 19) im gesamten Läppmittel (27) zu jeder Seite des zu bearbeitenden Werkstücks (21) sich ein gleichmäßiger Druck einstellt, und dass das Läppmittel (27) unter Beibehaltung des gleichmäßigen Drucks relativ zum zu bearbeitenden Werkstück (21) durch eine gleichgerichtete Bewegung der sich gegenüberliegenden Druckeinrichtungen (18, 19) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fließgeschwindigkeit des Läppmittels (27) relativ zum zu bearbeitenden Werkstück (21) auf einen konstanten Wert geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur des Läppmittels (27) auf einen konstanten Wert geregelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegungsrichtung und/oder Fließgeschwindigkeit des Läppmittels (27) beeinflusst wird.