DE10331706A1

DE10331706A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Rundum-Bearbeitung eines Rohlings

Info

Publication number: DE10331706A1
Application number: DE2003131706
Authority: DE
Inventors: Josef Prof. Dr. Scherer
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2023-07-12
Also published as: WO2005005093A2; WO2005005093A3; DE10331706B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rundum-Bearbeitung eines als Stange (12) zugeführten Rohlings (22) mit einer computergestützten Bearbeitungsmaschine. Das Verfahren erlaubt eine einfache Herstellung von z. B. Turbinenschaufeln aus Stangen von Rohmaterial ohne Erfordernis von roboterunterstützten Zwischenschritten infolge Umgreifens des Werkstücks bei gleichzeitig hoher Produktionsgenauigkeit. Dies wird erreicht, indem der Rohling (22) in einem ersten Bearbeitungsschritt von einer ersten Spannvorrichtung (35) einseitig gehalten und von der Bearbeitungsmaschine ein erster Bereich (37) des Rohlings (22) in seine endgültige Form gebracht wird und indem der teilbearbeitete Rohling (24) in einem zweiten Bearbeitungsschritt von einer zweiten Spannvorrichtung (36) im ersten bearbeiteten Bereich (37) gefasst und von der Stange (12) abgetrennt wird und anschließend der verbleibende Bereich (38) des teilbearbeiteten Rohlings (24) von derselben Bearbeitungsmaschine in seine entsprechende Form gebracht wird, so dass abschließend ein fertig bearbeitetes Werkstück (28) vorliegt. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rundum-Bearbeitung eines als Stange zugeführten Rohlings mit einer computergestützten NC-Bearbeitungsmaschine wie beispielsweise einer NC-Fräsmaschine. Ausserdem betrifft diese Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
STAND DER TECHNIK
Im Bereich der Herstellung von Turbinenschaufeln wird üblicherweise mit einer Mehrspindelbearbeitung gearbeitet. Dies bedeutet, dass ein Rohling zunächst einer groben Vorbearbeitung unterzogen wird, anschliessend der Blattbereich im Detail ausgearbeitet wird, dann der Kopf und zuletzt der Fuss gefertigt wird. Zwischen diesen einzelnen Bearbeitungsschritten muss das Werkstück jeweils von Hand oder durch einen Roboter umgespannt werden, dies weil sowohl häufig die Fräsmaschinen nur in der Lage sind, einzelne Bearbeitungsschritte durchzuführen, und insbesondere weil jede Fassung respektive Halterung des Werkstückes immer nur die Bearbeitung eines bestimmten Bereichs erlaubt. Diese Art der Fertigung wird üblicherweise als sogenannte "Kistenfertigung" bezeichnet, da üblicherweise jeweils eine Maschine für einen bestimmten Bearbeitungsschritt verantwortlich zeichnet, und weil nach jedem Bearbeitungsschritt das Werkstück in einer Kiste zwischengelagert wird.
Problematisch an einer derartigen Fertigung ist unter anderem die Tatsache, dass die Geschwindigkeit einer solchen Fertigungsstrasse stets von der Geschwindigkeit des langsamsten Bearbeitungsschrittes bestimmt wird. Ausserdem erfordert die Vielzahl von Transferprozessen von Werkstücken zwischen den einzelnen Einheiten wie Fräsmaschinen, Messstation, Waschstationen etc. aufwändige Einrichtungen und führt zu erheblichen Zeitverlusten im Herstellungsprozess.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Werkstücken aus Rohlingen vorzuschlagen, bei welchem die Rohlinge rundum in einer Bearbeitungsmaschine bearbeitet werden. Konkret geht es um die Verbesserung eines Verfahrens zur Rundum-Bearbeitung eines als Stange resp. Stab zugeführten Rohlings mit einer computergestützten NC-Bearbeitungsmaschine wie beispielsweise einer NC-Fräsmaschine.
Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäss kennzeichnendem Teil des Hauptanspruches dadurch erreicht, dass der Rohling in einem ersten Bearbeitungsschritt von wenigstens einer ersten Spannvorrichtung bevorzugt ausschliesslich einseitig gehalten wird und von der Bearbeitungsmaschine ein erster Bereich in seine der bestimmungsgemässen Verwendung entsprechende Form gebracht wird, und dass in einem zweiten Bearbeitungsschritt der von der ersten Spannvorrichtung einseitig gehaltene teilbearbeitete Rohling von wenigstens einer zweiten Spannvorrichtung im ersten bearbeiteten Bereich gefasst wird, der teilbearbeitete Rohling von der Stange abgetrennt wird, und anschliessend der verbleibende Bereich des teilbearbeiteten Rohlings von derselben Bearbeitungsmaschine in seine der bestimmungsgemässen Verwendung entsprechende Form gebracht wird, sodass abschliessend ein fertig bearbeitetes Werkstück vorliegt.
Der Kern der Erfindung besteht somit darin, tatsächlich sämtliche Bearbeitungsschritte zur Herstellung der dreidimensionalen endgültigen Form in und unter Verwendung ausschliesslich einer Maschine derart zu gestalten, dass zunächst das eine Ende einer Stange vollständig fertig bearbeitet wird, und anschliessend dieses teilweise fertiggestellte Werkstück im fertig bearbeiteten Bereich von einer zweiten Spannvorrichtung gegriffen wird. Diese zweite Spannvorrichtung erlaubt es, anschliessend das teilweise fertiggestellte Werkstück von der Stange abzutrennen und das der Stange zugewandte Ende endgültig fertig zu bearbeiten. Dies ist möglich, da die zweite Spannvorrichtung nicht nur eine temporäre Halterungsfunktion beispielsweise zur Übergabe an einen Roboter oder Ähnliches übernehmen kann, sondern in der Lage ist, das teilweise fertiggestellte Werkstück für dessen endgültige Fertigstellung genügend fest zu halten.
Normalerweise handelt es sich beim Rohling um einen Rohling aus Metall oder einem Keramikwerkstoff in Form einer zylindrischen Stange mit rechteckigem, quadratischem, vieleckigem, kreisrundem, oder ovalem Querschnitt, wobei die Stange insbesondere ein unbearbeiteter Guss- oder Schmiederohling sein kann. Ausserdem handelt es sich bevorzugt beim fertig bearbeiteten Werkstück um eine Verdichterschaufel oder Turbinenschaufel, insbesondere für eine Gas- oder Dampfturbine, d.h. um eine Leit- oder Laufschaufel, wobei es sich beim ersten Bereich um den Kopf der Schaufel, den Blattbereich der Schaufel und den Fuss der Schaufel handelt, und wobei am Kopf und/oder am Fuss nach dem ersten Bearbeitungsschritt Überstände stehenbleiben, welche anschliessend im zweiten Bearbeitungsschritt entfernt werden.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spannvorrichtung vor dem ersten Bearbeitungsschritt mit einem zweiten Spannadapter mit insbesondere weichen, bevorzugt aus Aluminium bestehenden Spannbacken ohne Spannkontur bestückt wird, und dass vor dem Fassen des teilbearbeiteten Rohlings diese Spannbacken von der Bearbeitungsmaschine zur erforderlichen Schaufelspannkontur bearbeitet werden. Diese automatisierte Herstellung der spezifischen Spannbacken für eine vorgegebene Schaufel erlaubt eine besonders flexible und schnelle Fertigung. Die entsprechenden Daten zur Berechnung der Kontur für die Spannbacken können gegebenenfalls automatisch oder teil-automatisch aus den Formdaten der zu fertigenden Schaufel ermittelt werden und entsprechend können so die jeweils optimalen Spannbacken jederzeit zur Verfügung gestellt werden.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass vor dem ersten Bearbeitungsschritt eine Stange, insbesondere aus einem Stangenmagazin, durch die erste Spannvorrichtung hindurch bis zu einem Längsanschlag in einen Arbeitsbereich der Bearbeitungsmaschine geschoben wird, wobei dieser Längsanschlag bevorzugt an einem die zweite Spannvorrichtung tragenden Kreuzschlitten steuerbar (verschiebe-)beweglich angeordnet ist.
Auf die Verwendung eines Roboters oder die Notwendigkeit von Personal kann beim vorliegenden Verfahren vollständig verzichtet werden, wenn nach dem zwei ten Bearbeitungsschritt das fertig bearbeitete Werkstück über eine steuerbar beweglich ausgestaltete, in diesem Moment in den Arbeitsbereich oder unter den Arbeitsbereich geschwenkte oder verschobene Rutsche durch Öffnen der zweiten Spannvorrichtung aus dem Arbeitsbereich entfernt wird. So reicht es, das Stangenmagazin mit einem Roboter oder von Hand zu füllen, und neben respektive vor den Arbeitsbereich der Maschine eine passende Kiste zu stellen. Anschliessend kann die Bearbeitungsmaschine aus den Stangen die mögliche Anzahl Werkstücke herstellen, ohne dass eine weitere Einflussnahme durch Personal/Roboter erforderlich wäre. Typischerweise finden im vorliegenden Verfahren Stangen (Stäbe) einer Länge von bis zu 6 Metern Anwendung, normalerweise haben die Stangen einer Länge von 3 oder 1 Metern (letzteres insbesondere wenn die Bearbeitungsmaschine keinen drehbaren Bearbeitungskopf aufweist). Normalerweise haben die Stangen dabei Durchmesser im Bereich von 10 mm bis 120 mm.
Besonders flexibel lässt sich der Fertigungsprozess fahren, wenn die drehbare zweite Spannvorrichtung auf dem Maschinentisch auf einem Kreuzschlitten steuerbar verschiebebeweglich gelagert ist, wobei die zweite Spannvorrichtung zudem bevorzugt um eine zweite Drehachse, welche bevorzugt im wesentlichen orthogonal zur Drehachse der zweiten Spannvorrichtung, der A2-Gegenachse, und parallel zur Ebene des Maschinentischs gelagert ist, und im zweiten Bearbeitungsschritt um diese zweite Drehachse in eine zum Bearbeitungswerkzeug geeignete Lage gebracht wird.
Das Verfahren kann in Bezug auf Genauigkeit und Qualitätssicherung weiter verbessert werden, wenn der teilbearbeitete Rohling und/oder das fertig bearbeitete Werkstück nach dem ersten respektive zweiten Bearbeitungsschritt gereinigt und/oder vermessen und/oder im Falle des fertigen Werkstücks ev. sogar beschichtet oder verpackt wird.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Bearbeitungsmaschine wie beispielsweise Fräsmaschine zur Durchführung eines Verfahrens, wie es oben be schrieben wurde. Das Verfahren zeichnet sich dabei insbesondere dadurch aus, dass die Bearbeitungsmaschine einen in drei Raumrichtungen verschiebbaren Bearbeitungskopf (Frässpindel) aufweist, mit welchem das Werkstück in einem Arbeitsbereich bearbeitet werden kann. Die Bearbeitungsmaschine weist wenigstens einen ersten Halterungsschlitten auf, mit welchem das Werkstück für den ersten Bearbeitungsschritt in einer ersten Spannvorrichtung gehaltert werden kann. Ausserdem weist die Bearbeitungsmaschine wenigstens einen zweiten, auf einem Kreuztisch angeordneten Halterungsschlitten auf, mit welchem der teilbearbeitete Rohling mit wenigstens einer drehbaren zweiten Spannvorrichtung im ersten bearbeiteten Bereich für den zweiten Bearbeitungsschritt gehaltert werden kann. Zur einfachen Ablängung der Stangen beim Hineinschieben in den Arbeitsbereich erweist es sich als vorteilhaft, einen steuerbar beweglich angeordneten Längsanschlag vorzusehen, welcher bevorzugt am die zweite Spannvorrichtung tragenden Kreuzschlitten angeordnet ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Bearbeitungsmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass eine steuerbar beweglich ausgestaltete, in den Arbeitsbereich oder unter den Arbeitsbereich (NC-gesteuert) schwenkbare oder verschiebbare Rutsche zur Abführung des fertigen Werkstücks aus dem Arbeitsbereich vorhanden ist. So können Roboter- oder Personal-geführte Prozesse innerhalb der Fertigung vermieden werden.
Insbesondere, wenn der Bearbeitungskopf (Frässpindel) nicht drehbar gelagert ist, ist es vorteilhaft, die drehbare zweite Spannvorrichtung auf einem Maschinentisch auf einem Kreuzschlitten steuerbar verschiebebeweglich zu lagern, und insbesondere weiterhin die zweite Spannvorrichtung zudem bevorzugt um eine zweite Drehachse drehbar auszugestalten, welche zweite Drehachse bevorzugt im wesentlichen orthogonal zur Drehachse des Sonderspannadapters, der A2-Gegenachse, und parallel zur Ebene des Maschinentischs gelagert ist.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des genannten Verfahrens respektive der genannten Bearbeitungsmaschine zur Herstellung einer Turbinenschaufel.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen beschrieben.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine 4-Achsen Tischmaschine mit drei Linearachsen und einer Drehachse in einer Frontansicht (a) und einer Seitenansicht (b);
2 eine Maschine gemäss 1 mit zusätzlicher A1-Rundachse sowie A2-Gegenachse auf einem Kreuzschlitten in einer Seitenansicht von rechts (a), in einer Seitenansicht von links (b) sowie in einer Frontansicht (c);
3 Fertigungsschritte für eine Turbinenschaufel in einer Maschine gemäss 2, 2a) Stange bis zum Längsanschlag vorschieben, b) A2-Gegenachse aus dem Arbeitsbereich schieben und Start des Bearbeitungsprozesses,
c) Ende des Bearbeitungsprozesses bei Halterung in der A1-Rundachse,
d) Spannen in A2-Gegenachse und Abstechen von halbfertiger Schaufel,
e) Bearbeitung der Schaufel bei Halterung in A2-Gegenachse, f) Abführen der fertigen Schaufel aus dem Arbeitsbereich;
4 eine 4-Achsen Tischmaschine mit drei Linearachsen und einer Drehachse im Werkstück in einer Frontansicht (a) und einer Seitenansicht (b); und
5 Fertigungsschritte für eine Turbinenschaufel in einer Maschine gemäss 4, 4a) Stange bis zum Längsanschlag vorschieben, b) A2-Gegenachse aus dem Arbeitsbereich schieben und Start des Bearbeitungsprozesses,
c) Ende des Bearbeitungsprozesses bei Halterung in der A1-Rundachse,
d) Spannen in A2-Gegenachse und Abstechen von halbfertiger Schaufel,
e) Verschieben von A2-Gegenachse, f) Bearbeitung der Schaufel bei Halterung in A2-Gegenachse unter unterschiedlichen Halterungswinkeln, g) Abführen der fertigen Schaufel aus dem Arbeitsbereich.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt eine Standard-4-Achsen Flachbett NC-Fräsmaschine 1. Eine derartige Maschine ist nach dem Stand der Technik bekannt. Sie umfasst einen Maschinentisch 2, auf welchem sich der Arbeitsbereich der Maschine befindet, sowie ein Maschinenbett 9, auf welchem der Maschinentisch 2 angeordnet ist. Hinter dem Maschinentisch 2 ist ein Werkzeugaufbau 3 angeordnet. Dieser umfasst einen X-Achsenschlitten 4, welcher eine Verschiebbarkeit des Aufbaus entlang der Längsachse X des Maschinentisches 2 erlaubt. Ausserdem umfasst der Werkzeugaufbau 3 einen Y-Achsenschlitten 5, welcher eine Verstellbarkeit des Werkzeugs in vertikaler Richtung (Y-Achse) ermöglicht. Die Verschiebbarkeit in die dritte Raumrichtung, die Z-Richtung wird durch einen Z-Achsenschlitten 6 ermöglicht, welcher an seiner Vorderseite einen Bearbeitungskopf 8 oder die sog. Frässpindel trägt. Dieser Bearbeitungskopf 8 ist um eine Spindeldrehachse 7 drehbar gelagert.
Der Maschinenaufbau bedingt eine 4-Achsen Flachbett NC-Maschine, auf der eine Zusatzrotationsachse und die Gegenspindel montiert ist.
Eine Standard 4-Achsen Flachbett NC-Fräsmaschine (z.B. CHIRON Mill 2000) ist zur automatisierten Stangendrehfräsmaschine wie folgt umzubauen bzw. nachzurüsten:
Grundmaschine ist eine 4-Achsen-Standard-Fräsmaschine mit drei Linearachsen X, Y, Z und einer oder mehreren Rundachsen B in der Frässpindel.
Als Basis sei exemplarisch für viele Grundmaschinen das Upgrading an den beiden Typen

a) Mill 800 oder 2000 (Fa. CHIRON – WERKE GmbH & CO. KG, Tuttlingen. DE), wie in den 1–3 dargestellt und
b) Maschinen der Fa. STAMA, Schlierbach, DE, wie in den 4 und 5 dargestellt.

Der konstruktive Unterschied zwischen beiden Varianten a) und b) ist, dass in der Version a) die B-Achse in der Frässpindel liegt und in der Variante b) die B-Achse im Werkstück liegt.
Das Upgrading der Version a) am Beispiel Mill 2000 ist aus 2 ersichtlich.
Auf der rechten Maschinentischseite wird eine A1-Rundachse 10 (hydrostatische Lagerung, Direktantrieb) mit einer integrierten ersten Spannvorrichtung (Stab-/Stangenspannsystem)installiert. Die Spannvorrichtung 35 umfasst einen Spannadapter 17 sowie Spannbacken 19. Die Stangen werden durch die erste Spannvorrichtung 35 hindurch zugeführt und in den Arbeitsbereich zur Bearbeitung gefahren.
Dahinter steht ein als Stangenlade- und Wechselmagazin ausgebildetes Stangenmagazin 11, in welchem einzelne Stangen 12 zur Zuführung bereitgehalten und verwaltet werden.
Das Stangenmagazin 11 und die erste Spannvorrichtung 35 sind so konzipiert, dass sie sowohl Rund- als auch Rechteckmaterial aufnehmen können. Die Materiallänge kann bis zu 6 m sein, normal sind 3 m.
Auf der linken Maschinentischseite wird ein Kreuzschlitten 39 montiert, der in der U-Achse 14 (Spindellängsverfahrachse) einen Verfahrweg über den kompletten Maschinentisch 2 hat. Die V-Achse 13 (Spindelquerverstellachse) senkrecht dazu hat einen kleineren Verfahrweg.
Auf dem Kreuzschlitten 39 ist eine A2-Gegenachse 15 (Gegenspindel zur A1-Rundachse) montiert. Die Spindelnase der A2-Gegenachse 15 ist mit einer Hohlschaftkegelschnittstelle (HSK-Schnittstelle) versehen. In dieser Schnittstelle wird eine zweite Spannvorrichtung 36 aufgenommen, welche einen Spannadapter 18 mit auswechselbaren Spannbacken 20 (weiche Backen oder Sonderformbacken) aufweist.
In der Mitte des Maschinentisches 2 ist eine Rutsche 16 mit einer Klappe montiert, mittels welcher die fertigen Schaufeln aus der Maschine respektive aus dem Arbeitsbereich der Maschine geführt werden.
Eine derartige Maschine kann zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens verwendet werden. Die einzelnen Schritte dieses Verfahrens in der Maschine ge mäss 2 sollen in der Folge angeführt werden.
Fertigungsprozessfolge für Variante a):

a1: Das Stabmagazin 11 wird mit dem benötigten Stangenmaterial 12 geladen (Rund- oder Rechteck/Quadratmaterial bis zu 6 m Länge).
a2: Die NC-Steuerung erhält das NC-Fertigungsprogramm.
a3: Die benötigten Zerspanungswerkzeuge werden in das Werkzeugmagazin geladen.
a4: In den Spannadapter 18 werden neue weiche Spannbacken 20 (meist Aluminiumbacken) ohne Spannkontur befestigt.
a5 Im ersten Schritt werden die später benötigten Schaufelspannkonturen von der Bearbeitungsmaschine mittels eines NC-Programms in die weichen Spannbacken 20 gefräst. Dies ist notwendig, um ein definiertes Spannen der fertigen Schaufel garantieren zu können. Nach dieser einmalig, für jede neue Schaufelgeometrie durchgeführte Operation, beginnt der eigentliche Fertigungsprozess.
a6: Durch Ausfahren eines Längsanschlages 21, welcher ebenfalls auf dem Kreuzschlitten 39 der A2-Gegenachse 15 verschiebebeweglich gelagert ist, und Positionieren der U-Achse 14, wird die erforderliche Anschlagposition definiert.
a7: Das Stangenmaterial 12 wird durch die A1-Rundachse 10 bis zu diesem Längsanschlag 21 geschoben. Der Überstand vor der A1-Rundachse 10 bildet einen zu bearbeitenden Rohling 22, welcher der fertigen Schaufellänge plus einer definierten Zugabe, die vom Fertigungsprozess und den eingesetzten Werkzeugen abhängt, entspricht). Diese Situation ist in 3a) dargestellt.
a8: Das Stangenmaterial wird durch die in die A1-Rundachse 10 integrierte erste Spannvorrichtung 35 gespannt (vgl. 3a). Der Längsanschlag 21 wird wieder aus dem Arbeitsbereich heraus gefahren.
a9: Nach dem Spannen des Stangenmaterials 12 wird der Rohling 22 in einem ersten Bereich 37 mittels des geladenen NC-Programms und der dazugehörigen Bearbeitungswerkzeuge 23 (Fräser, Bohrer, etc.) in seine der bestimmungsgemässen Verwendung entsprechende Form gebracht. Dies, nachdem die A2-Gegenachse 15 genügend weit aus dem Arbeitsbereich nach links verschoben wurde. Diese Situation ist in 3c) dargestellt.
a10: Ist eine Verbesserung der gefrästen Oberflächen notwendig, werden diese durch Polierschleifen oder durch den Einsatz der Ultrasonicglättungstechnologie mit den notwendigen NC-Programmen hergestellt. Ausserdem ist es möglich, an dieser Stelle den nunmehr teilbearbeiteten Rohling 24 (automatisch) auszumessen, und gegebenenfalls Korrekturen nachzuführen. Auch eine Reinigung des teilbearbeiteten Rohlings 24 kann an dieser Stelle vorgenommen werden.
a11 War der Ausgangsquerschnitt eine Rechteckstange, werden die Ecken vor dem darauf folgenden Abstechprozess rundgefräst. Diese Operation ist notwendig, wenn der Abstechprozess mit einem sehr schmalen Abstechwert (ca. 1 mm breit) erfolgt.
a12: Die A1-Rundachse 10 wird in die festgelegte Übergabeposition gedreht.
a13: Die A2-Gegenachse 15 mit der zweiten Spannvorrichtung 36, d.h. mit dem Spannadapter 18 und den Spannbacken 20 wird ebenfalls in die Rotationsübergabeposition gedreht.
a14: Die profilierten Spannbacken 20 werden geöffnet.
a15: Zum Spannen des gefrästen, teilbearbeiteten Rohlings wird die A2-Gegenachse 15 mit der zweiten Spannvorrichtung 36 durch ein NC-Verfahren der U- und V-Achse 14, 13 zur Spannposition gefahren.
a16: Durch Schliessen der weichen Spannbacken 20 wird der teilbearbeitete Rohling 24 gespannt.
a17: Die erste Spannvorrichtung 35 in der A1-Rundachse 10 wird gelöst.
a18: Durch NC-Verfahren der U-Achse 14 wird der teilbearbeitete Rohling 24 incl. der Stange 12 so weit nach vorn gezogen, bis das benötigte neue Stangenmaterial für den nächsten Rohling 22 vor der A1-Rundachse 10 positioniert ist.
a19: Danach werden sowohl der teilbearbeitete Rohling 24 in der zweiten Spannvorrichtung 36 als auch die Stange 12 in der ersten Spannvorrichtung 35 eingespannt. Diese Situation ist in 3d) dargestellt.
a20: Ein Abstechdrehmeissel 26 (1 mm Breite) wird im Bearbeitungskopf 8 (z.B. Spindel) oder in einer anderen definierten Spannstelle am Bearbeitungskopf 8 befestigt.
a21: Mittels des Abstechdrehmeissels 26 wird der teilbearbeitete Rohling 24 von der Stange 12 abgestochen (vgl. 3d). Dieser Prozess kann auch durch Fräsen erfolgen, wenn die Materialkosten keine Bedeutung haben.
a22: Der so in der A2-Gegenspindel 15 gespannte teilbearbeitete Rohling 24 wird zur letzten Fertigungsoperation mittels der U- und V-Achse 14, 13 in die linken Referenzpunkte gefahren.
a23: Mittels des letzten NC-Programms und der dazugehörigen Werkzeuge wird in einem zweiten Bearbeitungsschritt der verbleibende Bereich des teilbearbeiteten Rohlings 24, d.h. wenigstens die abgestochene oder abgefräste Restfläche (Schaufelfussende) fertig gefräst, resp. bearbeitet (vgl. 3e). Es entsteht das fertige Werkstück 28 resp. die fertige Schaufel. Diese kann ggf. in der Aufspannung noch ausgemessen und erforderlichenfalls nachbearbeitet werden.
a24: Die Rutsche 16 mit der Klappe wird, wie in 3f) dargestellt, in Position gefahren (NC-Steuerung).
a25: Die weichen Spannbacken 20 werden geöffnet. Hierdurch fällt die fertige Schaufel in die Rutsche 16 und verlässt so die Maschine.

Für die Herstellung der nächsten Schaufel 28 werden die Positionen a9 bis a25 durchgeführt, wenn es sich bei der nächsten Schaufel um eine identische Schaufel handelt, und wenn die weichen Spannbacken 20 unversehrt sind. Sind neue Spannbacken 20 erforderlich, so werden ausserdem die Schritte a4 und a5 vorgeschaltet. Soll die nächste zu fertigende Schaufel eine andere Kontur erhalten, so werden die Schritte a2–a25 durchgeführt.
In 4 ist der Aufbau einer Maschine des genannten Typs b) dargestellt. Auch diese Maschine verfügt über 3 Linearachsen 30 (X), 31 (Y) sowie 32 (Z). Der Werkzeugaufbau 3 verfügt hier aber nicht über eine drehbare Spindel, d.h. diese weitere Drehachse B muss, wenn erforderlich, im Werkstück angeordnet werden. Die einzelnen Schritte unter Verwendung einer Maschine des Typs gemäss 4 sind in 5 dargestellt. Grundsätzlich werden dabei im wesentlichen die gleichen Schritte wie bei einem Modell des Typs a) durchlaufen, entsprechend sollen nur die Unterschiede zum Verfahren gem. der Fertigungsprozessfolge a1–a25, wie oben beschrieben, erläutert werden.
Wie in 5 erkennbar, verfügt die A1-Rundachse 10 über eine Drehachse 33, welche es erlaubt, den Rohling 22 relativ zum Bearbeitungswerkzeug 23, welches eben seinerseits nicht gedreht werden kann, auszurichten. Auch die A2-Gegenachse 15 ist ihrerseits um eine Drehachse 34 drehbar gelagert. Da die Verwendung von Stangen 12 die Beweglichkeit um die Drehachse 33 einschränkt, ist es in diesem Aufbau je nach gewünschter Schaufelform (und damit je nach der erforderlichen Bearbeitung) in vielen Fällen nicht möglich, ein Stangenmagazin 11, welches eine Bewegung um die Drehachse 33 verunmöglicht, zu verwenden. Muss Beweglichkeit um die Drehachse 33 gewährleistet sein, empfiehlt es sich, nur Stangen einer Länge von weniger als 1 m zu verwenden. 5a) entspricht 3a) und damit den Bearbeitungsschritten a7 resp. a8. 5b) entspricht 3b), und stellt damit den Schritt a9 dar, wobei nun aber gegebenenfalls bei der Bearbeitung auch um die Drehachse 33 gedreht werden kann, um die Zugänglichkeit vom Bearbeitungswerkzeug 23 zum Rohling 22 zu gewährleisten. 5c) entspricht 3c) und stellt das Ende von Schritt a9 respektive Schritt a10 dar. 5d) entspricht 3d) und stellt den Schritt a21 dar. 5e) entspricht 3e) und zeigt, wie die A2-Gegenachse 15 derart verschoben wird, dass die Weiterbearbeitung des teilbearbeiteten Rohlings 24 möglich wird (Verschiebung über die V-Spindellängsverfahrachse 14, Schritt a22). 5f stellt dar, wie der teilbearbeitete Rohling 24 unter Verwendung der Drehung um die Drehachse 34 weiterbearbeitet wird. Es ist dabei nicht nur eine vertikale Position möglich, sondern auch beliebige schräge Positionen. Diese 5f) stellt den Schritt a23 dar. 5g) entspricht 3f) und beschreibt den Schritt a24.
Mit dem Verfahren können insbesondere Schaufeln mit einer Gesamtlänge von bis 450 mm und mit einem maximalen Querschnitt (Sehne/Rhombus) von bis zu 110 mm hergestellt werden. Das Gewicht sollte nicht mehr als 15 kg betragen.

1: Grundmaschine
2: Maschinentisch
3: Werkzeugaufbau
4: X-Achsenschlitten
5: Y-Achsenschlitten
6: Z-Achsenschlitten
7: Spindeldrehachse
8: Bearbeitungskopf
9: Maschinenbett
10: A1-Rundachse
11: Stangenmagazin
12: Stangen
13: V-Spindelquerverstellachse
14: U-Spindellängsverfahrachse
15: A2-Gegenachse
16: Rutsche
17: Spannadapter
18: Spannadapter
19: Spannbacke
20: Spannbacke
21: Längsanschlag
22: Rohling
23: Bearbeitungswerkzeug
24: teilbearbeiteter Rohling
25: spätere Trennstelle
26: Abstechdrehmeissel
28: Werkstück, Schaufel
30: X-Achsenschlitten
31: Y-Achsenschlitten
32: Z-Achsenschlitten
33: B1-Achse von 10
34: B2-Achse von 15
35: erste Spannvorrichtung
36: zweite Spannvorrichtung
37: erster Bereich von 22
38: verbleibender Bereich von 22
39: Kreuzschlitten

Claims

Verfahren zur Rundum-Bearbeitung eines als Stange (12) zugeführten Rohlings (22) mit einer computergestützten (NC) Bearbeitungsmaschine wie beispielsweise einer Fräsmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling (22) in einem ersten Bearbeitungsschritt von wenigstens einer ersten Spannvorrichtung (35) bevorzugt einseitig gehalten wird und von der Bearbeitungsmaschine ein erster Bereich (37) des Rohlings (22) in seine der bestimmungsgemässen Verwendung entsprechende Form gebracht wird, und in einem zweiten Bearbeitungsschritt der nunmehr teilbearbeitete Rohling (24) von wenigstens einer zweiten Spannvorrichtung (36) im ersten bearbeiteten Bereich (37) gefasst wird, der teilbearbeitete Rohling (24) von der Stange (12) abgetrennt wird, und anschliessend der verbleibende Bereich (38) des teilbearbeiteten Rohlings (24) von derselben Bearbeitungsmaschine in seine der bestimmungsgemässen Verwendung entsprechende Form gebracht wird, so dass abschliessend ein fertig bearbeitetes Werkstück (28) vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Rohling (22) um einen Rohling aus Metall oder einem Keramikwerkstoff in Form einer zylindrischen Stange (12) mit rechteckigem, quadratischem, vieleckigem, kreisrundem, oder ovalem Querschnitt handelt, wobei die Stange (12) ein insbesondere unbearbeiteter Guss- oder Schmiederohling sein kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spannvorrichtung (36) vor dem ersten Bearbeitungsschritt mit einem zweiten Spannadapter (18) mit insbesondere weichen, bevorzugt aus Aluminium bestehenden Spannbacken (20) ohne Spannkontur bestückt wird, und dass vor dem Fassen des teilbearbeiteten Rohlings (24) diese Spannbacken (20) von der Bearbeitungsmaschine zur erforderlichen Spannkontur, insbesondere Schaufelspannkontur, bearbeitet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem ersten Bearbeitungsschritt eine Stange (12), insbesondere aus einem Stangenmagazin (11), durch die erste Spannvorrichtung (35) hindurch bis zu einem Längsanschlag (21) in einen Arbeitsbereich der Bearbeitungsmaschine geschoben wird, wobei dieser Längsanschlag (21) bevorzugt an einem die zweite Spannvorrichtung (36) tragenden Kreuzschlitten (39) steuerbar beweglich angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (28) nach dem zweiten Bearbeitungsschritt über eine steuerbar beweglich ausgestaltete, in diesem Moment in den Arbeitsbereich oder unter den Arbeitsbereich geschwenkte oder verschobene Rutsche (16) durch Öffnen der Spannvorrichtung (36) aus dem Arbeitsbereich entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare zweite Spannvorrichtung (36) auf einem Maschinentisch (2) auf einem Kreuzschlitten (39) steuerbar verschiebebeweglich gelagert ist, und dass die zweite Spannvorrichtung (36) zudem bevorzugt um eine zweite Drehachse (34), welche bevorzugt im wesentlichen orthogonal zur A2-Gegenachse (15) der zweiten Spannvorrichtung (36) und parallel zur Ebene des Maschinentischs (2) gelagert ist und im zweiten Bearbeitungsschritt um diese zweite Drehachse (34) in eine zum Bearbeitungswerkzeug (23) geeignete Lage gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim fertig bearbeiteten Werkstück (28) um eine Turbinenschaufel oder eine Verdichterschaufel in Form einer Leit- oder Laufschaufel handelt, und dass es sich beim ersten Bereich (37) um den Kopf der Schaufel, den Blattbereich der Schaufel und den Fuss der Schaufel handelt, wobei am Kopf und/oder am Fuss nach dem ersten Bearbeitungsschritt Überstände stehenbleiben, welche anschliessend im zweiten Bearbeitungsschritt entfernt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling (22, 24) in beiden Bearbeitungsschritten von einer einzigen, in drei Raumrichtungen (X, Y, Z) verschiebbaren, und bevorzugt einen drehbaren Bearbeitungskopf (8) zur Halterung eines Bearbeitungswerkzeugs (23) tragenden Einheit bearbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (38) des teilbearbeiteten Rohlings (24) und/oder das fertig bearbeitete Werkstück (28) nach dem ersten respektive zweiten Bearbeitungsschritt gereinigt und/oder vermessen und/oder im Falle des fertig bearbeiteten Werkstücks (28) verpackt wird.
Bearbeitungsmaschine wie beispielsweise Fräsmaschine zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsmaschine einen in drei Raumrichtungen verschiebbaren Bearbeitungskopf (8) aufweist, mit welchem der Rohling (22, 24) in einem Arbeitsbereich bearbeitet werden kann, dass die Bearbeitungsmaschine wenigstens einen ersten Halterungsschlitten (10, 17, 19) aufweist, mit welchem der Rohling (22) für den ersten Bearbeitungsschritt in einer ersten Spannvorrichtung (35) gehaltert werden kann, und dass weiterhin die Bearbeitungsmaschine wenigstens einen zweiten, auf einem Kreuzschlitten (39) angeordneten Halterungsschlitten (15, 18, 20) aufweist, mit welchem der teilbearbeitete Rohling (24) mit wenigstens einer drehbaren zweiten Spannvorrichtung (36) in seinem Bereich (37) für den zweiten Bearbeitungsschritt gehaltert werden kann.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein steuerbar beweglich angeordneter Längsanschlag (21) bevorzugt am die zweite Spannvorrichtung (36) tragenden Kreuzschlitten (39) angeordnet ist.
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine steuerbar beweglich ausgestaltete, in den Arbeitsbereich oder unter den Arbeitsbereich schwenkbare oder verschiebbare Rutsche (16) zur Abführung des fertigen Werkstücks (28) aus dem Arbeitsbereich vorhanden ist.
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare zweite Spannvorrichtung (36) auf einem Maschinentisch (2) auf einem Kreuzschlitten (39) steuerbar verschiebebeweglich gelagert ist, und dass die zweite Spannvorrichtung (36) zudem bevorzugt um eine zweite Drehachse (34) drehbar angeordnet ist, welche zweite Drehachse (34) im wesentlichen orthogonal zur A2-Gegenachse (15) der zweiten Spannvorrichtung (36) und parallel zur Ebene des Maschinentischs (2) gelagert ist.
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungskopf (8) über eine mittels an einem Grundgestell angeordnete Führungen in X-Richtung verschiebbare Grundschlitteneinheit (4, 30), über eine auf dieser Grundschlitteneinheit in Y-Richtung verschiebbare Y-Schlitteneinheit (5, 31), und über eine auf der Y-Schlitteneinheit (5, 31) in Z-Richtung verschiebbare Z-Schlitteneinheit (6, 32) sowie bevorzugt über einen in der Z-Schlitteneinheit (6, 32) um eine Rundachse drehbaren, das Bearbeitungswerkzeug (23) tragenden Bearbeitungskopf (8) verfügt.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14 zur Herstellung einer Verdichterschaufel oder Turbinenschaufel, insbesondere einer Turbinenschaufel mit oder ohne Deckband mit einer Oberfläche im Bereich von N4 bis N5 bei Toleranzen von + – 0,002 mm, einer Länge von im Bereich von 120 bis 2400 mm bei einem rotierenden Durchmesser von 50 bis 400 mm und einem Gewicht von 10 bis 400 kg.