DE10319020A1

DE10319020A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verrunden von Kanten an Bauteilen

Info

Publication number: DE10319020A1
Application number: DE10319020A
Authority: DE
Inventors: Klemens Werner
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2003-04-27
Filing date: 2003-04-27
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2023-04-28
Also published as: US20070050977A1; US7950121B2; DE10319020B4; RU2005136898A; EP1617972A1; EP1617972B1; RU2348505C2; DE502004003770D1; WO2004096493A1

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Verrunden von Kanten an Bauteilen, insbesondere von Turbomaschinen, wobei eine Kante (2, 3) zu wenigstens zwei angrenzenden Oberflächen (4, 5) des Bauteils (1) hin zu verrunden ist. DOLLAR A Ein großteils aus abrasiven Partikeln bestehender Strahl (7) wird mit seiner Mitte etwa tangential zur Winkelhalbierenden (6) zwischen zwei Oberflächen (4, 5) an der Kante (2, 3) gelenkt und mit definiertem Vorschub in der Weise relativ zum Bauteil (1) längs der Kante (2, 3) bewegt, dass ein definierter Abtrag des Bauteilmaterials unter Verrundung zu den Oberflächen (4, 5) hin erfolgt (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verrunden von Kanten an Bauteilen, insbesondere von Turbomaschinen, gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 15.
Das Verrunden von Kanten an Bauteilen, insbesondere von Turbomaschinen, kann aus verschiedensten Gründen erforderlich sein. Hierzu zählen die Verbesserung der Festigkeit und/oder Aerodynamik sowie die Vermeidung von Verletzungsgefahr. In Abhängigkeit vom Bauteil kann es sich dabei um scharfe Kanten an Bauteilen handeln, die zu den angrenzenden Oberflächen des Bauteils zu verbunden sind. Alternativ können die Kanten auch ebene oder räumliche Flächen bilden, die angrenzende, im Allgemeinen erheblich größere Oberflächen des Bauteils verbinden. Der letztgenannte Fall liegt üblicherweise bei relativ grob vorgefertigten Kanten an strömungsmechanisch wirksamen Schaufeln von Turbomaschinen, insbesondere an Leit- und Laufschaufeln von Gasturbinen, vor, bei dem die Schaufelkanten zur angrenzenden Druck- und/oder Saugseite der Schaufel aus Festigkeits- und Aerodynamikaspekten zu verbunden sind.

Das Verrunden wird im Fall von Schaufelkanten, welche fertigungsbedingt im allgemeinen nur relativ grob vorbearbeitet sind, bis dato weitgehend in Handarbeit ausgeführt, wobei ggf. handgeführte Maschinen, wie Bandschleifer etc., eingesetzt werden. Dies ist mit einem hohen Personal- und Zeitaufwand verbunden, wobei auch mit gezielter Kontrolle und Prüfung letztlich kein reproduzierbares, gleichbleibendes Bearbeitungsergebnis gewährleistet ist.

Es ist bekannt, Schaufeloberflächen vor Beschichtungsvorgängen durch abrasives Strahlen aufzurauhen, um die Oberflächen zu reinigen und die Haftung zur Schicht zu verbessern.

Angesichts dieser bekannten Verfahren und ihrer Nachteile bzw. ihrer anwendungstechnischen Grenzen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zum Verrunden von Kanten bereitzustellen, welches durch eine maschinelle, ggf. automa tisierbare Arbeitsweise eine erhebliche Zeit- und Personaleinsparung ermöglicht und zu reproduzierbaren Ergebnissen führt. Letztere sollen möglichst qualitativ einwandfrei bei möglichst kleiner Ausschussrate sein.

Des weiteren besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung zum maschinellen und reproduzierbaren Verbunden von Kanten bereitzustellen.

Die Aufgabe im Hinblick auf das Verfahren wird durch in Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die Aufgabe im Hinblick auf die Vorrichtung wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 15 gelöst.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass durch abrasives Strahlen unter Beachtung definierter Bearbeitungsparameter und Düsendefinitionen relativ genaue, gerundete Oberflächengeometrien an scharfen Kanten von Bauteilen oder relativ grob vorbearbeiteten Schaufelkanten herstellbar sind. Die Funktionstüchtigkeit dieses Verfahrens sowie seine Reproduzierbarkeit wurden in Versuchen bestätigt.

Bei erfindungsgemäßem Verfahren und Vorrichtung wird der Strahl mit seiner Mitte etwa tangential zur Winkelhalbierenden an der Kante zwischen den im Allgemeinen zwei Oberflächen, zu denen die Verrundung erfolgen soll, eingestellt. Bei in Form einer scharfen Kante aufeinandertreffenden Oberflächen ist die Lage der Winkelhalbierenden unmittelbar klar. Bei nicht unmittelbar aufeinandertreffenden Oberflächen, die z.B. durch eine Kante in Form einer ebenen oder räumlichen Fläche verbunden sind, wie z.B. die Druck- und Saugseite einer grob vorgefertigten Kante einer Schaufel einer Gasturbine, werden Tangenten an die beiden Oberflächen an einer solchen Kante gelegt und die Winkelhalbierende zwischen den sich schneidenden Tangenten festgelegt. Im letztgenannten Fall einer zur Druck- und Saugseite einer Schaufel zur verrundenden Kante tangiert diese Winkelhalbierende die Profilmittellinie der Schaufel an der Kante, d.h. im Staupunkt.

Zur Reduzierung einer etwaigen Nachbearbeitung der verrundeten Kanten werden relativ kleine Partikel mit einer Größe von 0 bis 500 mesh, vorzugsweise von 180 bis 320 mesh, verwendet. Hierdurch wird mit dem Verfahren ein Materialabtrag zum Verrunden erzeugt und Risse oder Rauigkeiten an den Oberflächen vermieden.

Unter anderem zur Erzeugung eines Strahls mit definierter Geometrie und Energie im Hinblick auf Querschnitt, Form etc. wird der Strahl mittels einer Düse mit definiertem Austrittsdurchmesser und definiertem Austrittwinkel erzeugt.

Zur Erzeugung einer gleichbleibenden Geometrie entlang der Kante kann die Relativbewegung zwischen Düse und Bauteil bevorzugt in einem definierten, variierbaren Abstand zwischen Düse und Schaufelkante erfolgen.

Der Abstand wird im allgemeinen bei flächigen Kanten mit sich über deren Länge ändernder Breite in entsprechender Weise stufenlos angepasst.

Bevorzugt kann die Richtung der Mitte des Strahls zur Profilmittellinie der Schaufel an der Schaufelkante in einem Winkel β angestellt und/oder zur Profilmittellinie in Richtung Druck- oder Saugseite seitlich versetzt eingestellt werden, um z.B. Aerodynamik gewollte Konturasymmetrien an der zu verrundenden Kante auszubilden.

In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen sowie Anwendungen des Verfahrens und der Vorrichtung beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung mit Bezug auf Ausführungsbeispiele näher erläutert:
1 zeigt in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung die Bearbeitung einer Eintrittskante einer Schaufel;
2 zeigt in entsprechender Darstellung wie 1 ein alternatives Ausführungsbeispiel für die Bearbeitung.
Das Verfahren und die Vorrichtung zum Verrunden von Kanten sind bei verschiedensten Bauteilen anwendbar. Anwendungsfälle liegen insbesondere überall dort, wo scharfe Kanten an Bauteilen zu angrenzenden Oberflächen hin zu verrunden sind oder wo vorgefertigte Kanten zur Gestaltung des Übergangs zwischen angrenzenden Oberflächen mit definierter Gestalt zu verrunden sind.
Nachfolgend werden das Verfahren und die Vorrichtung anhand einer Kante an einer strömungsmechanisch wirksamen Schaufel einer Gasturbine beschrieben, wobei eine relativ grob vorgefertigte Schaufelkante zu angrenzenden Oberflächen, im vorliegenden Fall der Druck- und/oder Saugseite der Schaufel, zu verrunden ist.
Die Schaufel 1 soll im fertigbearbeiteten Zustand eine strömungsgünstige Gestalt aufweisen. Dies setzt voraus, dass die Druckseite 4 und die Saugseite 5 des Schaufelprofils bestmöglich der Sollkontur entsprechen. Dies setzt ebenfalls voraus, dass die Schaufelkanten 2,3, d.h. die Eintrittskante und die Austrittskante der Schaufel 1, die angrenzenden Oberflächen, d.h. die Druck- und Saugseite 4,5, strömungsgünstig verbinden. Neben den aerodynamischen Anforderungen spielen auch festigkeits- und verschleißtechnische Aspekte bei den Schaufelkanten 2,3 eine wichtige Rolle. In der Regel werden die Ein- und Austrittskanten von Schaufeln definiert gerundet ausgeführt, um all diesen Anforderungen gerecht zu werden.
Schaufeln mit relativ dünnem Profil und relativ spitzen Ein- und Austrittskanten, wie insbesondere Verdichterschaufeln von Axialverdichtern, werden häufig durch Schmieden und/oder Fräsen und/oder elektrochemische Bearbeitung (ECM) gefertigt, wobei die Schaufelkanten zunächst geometrisch nur relativ grob ausgeführt sind, d.h. mit ebenen Flächen, Ecken, Fasen etc.. Die großflächigen Druck- und Saugseiten 4,5 entsprechen häufig schon relativ genau der Sollkontur, so dass dort, falls überhaupt, nur noch eine Feinbearbeitung mit geringem oder keinem Materialabtrag nötig ist. Somit sind die vorgefertigten Ein- und Austrittskanten in der Weise zu runden, dass sie ohne Knicke, Stufen oder andere Störstellen in die Druck- und Saugseiten 4,5 übergehen.
Erfindungsgemäß wird hierfür das abrasive Strahlen als Bearbeitungsverfahren mit gezieltem Abtrag des Schaufelmaterials verwendet. Man erkennt in der 1 eine Düse 8 einer nicht näher dargestellten Strahlvorrichtung, aus der ein Strahl 7 austritt, welcher aus abrasiven Partikeln und einem Trägergas bzw. einer Trägerflüssigkeit besteht. Zumindest ein erheblicher Teil der abrasiven Partikel trifft mit hoher Geschwindigkeit senkrecht oder näherungsweise senkrecht auf die nur vorbearbeitete, mehr oder weniger noch eckige Schaufelkante 2, deren Ausgangszustand in der 1 gestrichelt angedeutet ist. Die Mitte der Strahlrichtung R verläuft hier tangential zur Profilmittellinie 6 der Schaufel 1 an der Schaufelvorderkante 2 und entspricht somit zumindest annähernd der späteren Anströmung im Betrieb. Es besteht selbstverständlich die Möglichkeit, die Längsmittelachse der Düse 8 und damit die Mitte des Strahles 7 bedarfsweise mehr zur Saugseite 5 oder zur Druckseite 4 zu verschieben und/oder den Anströmwinkel der Strahlrichtung R in gewissen Grenzen zu ändern, wie es in 2 anhand des Winkels β gezeigt ist. Auf diese Art lässt sich ein asymmetrischer Abtrag mit Schwerpunkt zur Druck- oder Saugseite hin erzielen, was unter gewissen Umständen sinnvoll sein kann.
Das Abtragergebnis hängt von mehreren Faktoren ab, wie dem Strahldruck, dem Austrittswinkel α des Strahles 7 aus der Düse 8, dem Austrittsdurchmesser D der Düse 8, dem Abstand A der Schaufelkante 2 von der Düse 8, der Art des Strahlmittels einschließlich der Partikelgröße und Partikelverteilung im Strahl 7, der Strahlrichtung R, und der lokalen Einwirkdauer in Abhängigkeit von der schaufelkantenparallelen, relativen Vorschubgeschwindigkeit zwischen der Düse 8 und dem Bauteil 1. Diese Faktoren sind in Abhängigkeit von der Schaufelgeometrie und dem Schaufelwerkstoff zu optimieren, wofür in aller Regel praktische Versuche erforderlich sein werden. Ist beispielsweise der Abstand zwischen Schaufelkante 2,3 und Düse 8 zu gering, so kann es statt zu einer Verrundung zu einer konkaven Aushöhlung der Schaufelkante 2,3 mit maximalen Abtrag im Bereich des Staupunktes kommen, was unbedingt zu vermeiden ist. Bei korrektem Abstand ergibt sich ein gewisser Partikelauftrag im Bereich des Staupunktes, wodurch dieser weitgehend vor Abtrag geschützt ist, und der eigentliche Abtrag zur Verrundung stromabwärts zur Druck- und Saugseite hin erfolgt. Nach einer solchen experimentellen Prozessoptimierung sind die Strahlergebnisse bei einem bestimmten Schaufeltyp jedoch sehr gleichmäßig und reproduzierbar, so dass eine maschinelle bzw. automatisierte Arbeitsweise möglich wird.
Die Vorrichtung zum Verrunden von Kanten umfasst eine Einspannvorrichtung für wenigstens eine Schaufel 1 oder ein Schaufelsegment mit mehreren Schaufeln 1 oder einem integral beschaufelten Rotor, an dessen Umfang mehrere Schaufeln 1 ausgebildet sind. Die Einspannvorrichtung ist so auszubilden, dass die zu verrundenden Kanten 2,3 frei bleiben und der Weg der abrasiven Partikel zur Vermeidung von Partikelstau nicht gestört ist. Die Strahlvorrichtung umfasst neben der Düse 8 flexible oder feste Zuleitungen und ein Reservoir für die abrasiven Partikel sowie einen Energieerzeuger für das Trägerfluid, so dass sich ein zumindest großteils aus den abrasiven Partikeln bestehender Strahl 7 ergibt. Die mit der Vorschubeinrichtung erzielte Kinematik kann auf die Einspannvorrichtung für das Bauteil 1 und/oder die die Düse 8 umfassende Strahlvorrichtung einwirken. Die weiteren Bewegungen, wie die Verstellung des Winkels β und die Seitenverschiebung, können in gleicher Weise durch die Einspannvorrichtung und/oder die Strahlvorrichtung erzeugt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ebenso wie die erfindungsgemäße Vorrichtung prinzipiell bei allen Arten von Bauteilen und insbesondere Turbomaschinenschaufeln anwendbar, sei es bei Gehäusen, Scheiben, Ringen, Verdichtern, Pumpen und Turbinen in Axial-, Diagonal- und Radialbauweise.

1: Bauteil/Schaufel
2: Kante/Schaufelkante
3: Kante/Schaufelkante
4: Oberfläche/Druckseite
5: Oberfläche/Saugseite
6: Winkelhalbierende/Profilmittellinie
7: Strahl
8: Düse
A: Abstand
D: Austrittsdurchmesser
R: Strahlrichtung
α: Austrittswinkel
β: Winkel

Claims

Verfahren zum Verrunden von Kanten an Bauteilen, insbesondere von Turbomaschinen, wobei eine Kante (2,3) zu wenigstens zwei angrenzenden Oberflächen (4,5) des Bauteils (1) hin zu verrunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zumindest großteils aus abrasiven Partikeln bestehender Strahl (7) mit seiner Mitte etwa tangential zur Winkelhalbierenden (6) zwischen zwei Oberflächen (4,5) an der Kante (2,3) eingestellt wird und der Strahl (7) und die Kante (2,3) mit definiertem Vorschub in der Weise relativ zueinander längs der Kante (2,3) bewegt werden, dass ein definierter Abtrag des Bauteilmaterials unter Verrundung zu den Oberflächen (4,5) hin erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bauteile Schaufeln von Turbomaschinen, insbesondere Leit- und Laufschaufeln von Gasturbinen, sind, und wobei eine vorgefertigte Schaufelkante (2,3) zur angrenzenden Druck- und Saugseite (4,5) der Schaufel (1) hin zu verrunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (7) mit seiner Mitte etwa tangential zur Profilmittellinie (6) der Schaufel (1) an der Schaufelkante (2,3) eingestellt wird und der Strahl (7) und die Schaufelkante (2,3) in der Weise relativ zueinander längs der Schaufelkante (2,3) bewegt werden, dass die Verrundung zur Druck- und Saugseite (4,5) hin erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (7) aus abrasiven Partikeln, einem Trägergas und/oder einer Trägerflüssigkeit, wie z.B. Wasser, besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als abrasive Partikel Metalloxide, wie Al₂O₃ oder SiO, andere keramische Verbindungen, Salze, wie NaCl, oder organische Verbindungen, wie Kunststoffe oder Maiskolbenschrot, verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel mit einer Größe von 0 bis 500 mesh, vorzugsweise von 180 bis 320 mesh, verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (7) mittels einer Düse (8) mit definiertem Austrittsdurchmesser (D) und definiertem Austrittswinkel (α) erzeugt wird, wobei insbesondere ein Teil des Strahlquerschnitts zumindest weitgehend von Partikeln freigehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Strahls (7) auf etwa 3 bis 3,5 bar eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung von Düse (8) und Bauteil (1) mit einem definierten, variierbaren Abstand (A) zwischen der Düse (8) und der Kante (2,3) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die abrasive Bearbeitung mindestens eine weitere Bearbeitung, wie Scheuern oder Kugelstrahlen, folgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Bearbeitung von durch Schmieden und/oder Fräsen und/oder elektrochemischen Bearbeiten (ECM) vorgefertigten Bauteilen, insbesondere Schaufeln (1), aus Legierungen auf Basis von Titan (Ti) Nickel (Ni) oder Kobalt (Co) verwendet wird, insbesondere von Verdichterschaufeln in Axialbauart.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Bearbeitung von Einzelschaufeln, von Schaufelsegmenten oder von integral beschaufelten Scheiben oder Ringen verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung (R) der Mitte des Strahls (7) zur Profilmittellinie (6) der Schaufel (1) an der Schaufelkante (2,3) in einem Winkel (β) angestellt und/oder zur Profilmittellinie (6) in Richtung Druck- oder Saugseite seitlich versetzt eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verrundenden Schaufelkanten (2,3) eine zumindest annähernd quer zur angrenzenden Druck- und/oder Saugseite (4,5) stehende Fläche sowie mehr oder weniger eckige Übergänge zur Druck- und/oder Saugseite (4,5) aufweist und der Strahl (7) senkrecht oder annähernd senkrecht auf die Fläche der Schaufelkante (2,3) gelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung (R) der Mitte des Strahls (7) etwa tangential zur Profilmittellinie (6) der Schaufel (1) an der Schaufelkante (2,3) eingestellt wird.
Vorrichtung zum Verrunden von Kanten an Bauteilen, insbesondere von Turbomaschinen, wobei eine Kante (2,3) zu wenigstens zwei angrenzenden Oberflächen (4,5) des Bauteils (1) hin zu verrunden ist, umfassend eine Einspannvorrichtung für wenigstens ein Bauteil (1), eine Strahlvorrichtung (8) zur Erzeugung eines zumindest großteils aus abrasiven Partikeln bestehenden Strahls (7) und eine Vorschubeinrichtung zum Bewegen des Bauteils (1) und/oder der Strahlvorrichtung (8) relativ zueinander längs der Kante (2,3).
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Bauteile strömungsmechanisch wirksame Schaufeln (1) von Turbomaschinen, insbesondere Leit- und Laufschaufeln von Gasturbinen, sind, und wobei die Vorschubeinrichtung die Schaufel (1) und/oder die Strahlvorrichtung (8) relativ zueinander längs der Schaufelkante (2,3) bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, die Strahlvorrichtung eine Düse (8) mit definiertem Austrittsquerschnitt (D) und Austrittswinkel (α), insbesondere mit einem den Strahlquerschnitt teilweise von Partikeln freihaltenden Düsenkern, umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (A) zwischen der Kante (2,3) und der Düse (8), insbesondere stufenlos, verstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (β) zwischen der Richtung (R) der Mitte des Strahl (7) und der Winkelhalbierenden (6) zwischen zwei Oberflächen (4,5) an der Kante (2,3), insbesondere der Profilmittellinie (6) der Schaufel (1) an der Schaufelkante (2,3), verstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (1) und die Strahlvorrichtung (8) in der Weise zueinander verfahrbar sind, dass die Mitte des Strahls (7) zur Druck- oder Saugseite (4,5) verschiebbar ist.