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Verfahren zum Herstellen eines Schaufelrades durch spanlose Formgebung
und dessen Ausbildung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren um sparlosen
Formen eines Schaufelrades, z. B.
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für Strömungsmaschinen, mit schraubenflächig oder schraubenflächenartig
verwundenen Schaufeln. Ferner wird durch die Erfindung eine Ausbildung eines für
dieses Herstellungsverfahren geeigneten Schaufelrades-angegeben, dessen Schaufeln
von Flächen begrenzt sind.
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Die Schaufeln von Strömungsmaschinen oder andere ähnliche Bauteile,
beispielsweise die Speichen oder Rippen von Rädern, Riemenscheiben oder sonstigen
radartigen Werkstücken, müssen sehr oft aus irgendwelchen Gründen in sich räumlich
verwunden sein. Derartige Werkstücke herzustellen ist aber meist sehr schwierig
und erfordert einen verhältnismäßig großen Aufwand an Arbeit und kostsY.:eligen
Hilfseinrichtungen. Es sind daher schon verschiedene Verfahren bekanntgeworden,
die sich insbesondere auf das Herstellen der Gießform für Schaufelr:Ude=- beziehen;
diese Verfahren befriedigen aber nicht immer.
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Sc «rarde z. B. schon vorgeschlagen, bei Schaufel-_;@dern mit
nur schwach verwundenen und sehr niedrigen Schaufeln die Schaufelpartie in einem
ungeteilten Kern herzustellen. Die Modellschaufeln werden hierbei nach dem Einformen
aus dem aufgestampften Kern einzeln entfernt, wobei aber oft Kernbeschädigungen
unvermeidbar sind. Auch ein anderes bekanntes Verfahren, bei dem die Modell-. schaufelt-
zur Erleichterung des Herausziehens mehrfach geteilt sind, ist nachteilig, da durch
die Vielzahl dür Modellschaufelteile die Genauigkeit der Form nicht mehr gewährleistet
ist und die Sauberkeit des Abgusses darunter leidet.
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Für Schaufelausführungen mit starker Verwindung ist ein weiteres Herstellungsverfahren
entwickelt worden. Im Gegensatz zu den vorgenannten - Verfahren mit unzeteiltern
Kern besteht hier die Schaufelpartie des Kernes aus mehreren Kernsegmenten, die
zu einem runden Kernpaket zusammengefügt werden. Auch diese Formmethode ist wegen
der Mehrteiligkeit des Kernes und des dadurch bedingten Zusammenbaues der Segmente
verhältnismäßig teuer und außerdem nur bei Schaufelrädern mit geringer pagenseitiger
LUberdeckung der Schaufeln anwendbar. 4 Des weiteren ist auch noch folgende Methode
der Kernherstellung für räumlich verwundene Schaufeln bekanntgeworden: Es werden
Modellabgüsse der einzelnen Schaufeln aus Wachs oder einem leichtschmelzenden Metall
hergestellt, die dann in die Kernbüchse eingesetzt werden. Beim Trocknen des Kernes
schmilzt das Wachs oder das Metall, versickert im Formsand und hinterläßt so im
Kern die entsprechenden Hohlräume für die Schaufeln.
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Bei allen diesen vorbekannten Formmethoden muß nach dem Abguß der
Sand- oder -Gipskern zerstört werden, um die Schaufelkanäle freizulegen; es muß
also für jeden Abguß ein weiterer Kern in Einzelanfertigung neu hergestellt werden.
Dies ist aber nicht nur teuer, sondern es erfordert auch einen großen Zeitaufwand,
so daß eine wirtschaftliche Serienfertigung von Schaufelrädern mit räumlich verwundenen
Schaufeln nach einem der vorbekannten Verfahren nicht möglich ist.
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Die Erfindung gibt nun eine Lehre, wie diese Nachteile der vorbekannten
Formverfahren in bestimmten Fällen vermieden werden können. Erfindungsgemäß wird
bei einem durch sparlose Formwie z. B. durch Gießen, Pressen, Spritzen od. dgI.,
herzustellenden Schaufelrad, z. B. für Ströznungsmäschinen mit schraubenflächig
verwundenen Schaufeln vorgeschlagen, das Schaufelrad nach dem sparlosen Formprozeß
durch Schraubbewegung um seine Achse von dem die Schaufeln begrenzenden Teil der
Form zu lösen.
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Es ist zwar bereits bekanntgeworden, die Schaufeln von Pumpenlaufrädern
als reine Schraubenflächen auszubilden urr! dadurch das Modellieren nur mittels
Schablonen zu ermöglichen, aber zu der Erkenntnis; daß sich ein derart gestaltetes
Schaufelrad ohne Zerstörung der Gieß- oder Preßform .aus dieser herausschrauben
läßt, ist man dabei nichtgekommen.
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Um den Erfindungsgedanken auch bei einem Schaufelrad; das bezüglich
seiner Achse nur angenähert schraubenflächenartig verwundene Schaufeln
aufweist,
vorteilhaft anwenden zu können, wird für derartige Schaufelräder eine geeignete
Ausbildung vorgeschlagen. Zum Ermöglichen des Herausschraubens aus der Form soll
das Schaufelrad hierbei folgende Merkmale erfüllen: a) Alle Tangenten an die Schnittlinien,
die sich beim Schnitt der in Schraubrichtung um die Radachse hinteren Begrenzungsflächen
der Schaufeln mit einem zu dieser Achse koaxialen Zylinder mit dem Radius r1 ergeben,
bilden mit einer Normalen zur Achse Winkel, die einen für den jeweiligen Zylinderschnitt
charakteristischen Winkelbetrag, den Steigungswinkel a1, nicht unterschreiten.
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b) Alle Tangenten an die Schnittlinien, die sich beim Schnitt der
in Schraubrichtung vorderen Begrenzungsflächen mit demselben Zylinder ergeben, bilden
mit der Normalen zur Achse Winkel, die den Steigungswinkel a1 des Zylinderschnittes
nicht überschreiten.
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c) Bei allen Zylinderschnitten gilt die Bedingung r1 # tgal=r2 # tga2=konstant.
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d) Die zwischen benachbarten Schaufeln. befindlichen Räume sind mindestens
in einer Achsrichtung offen.
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Werden die vorgenannten Konstruktionsrichtlinien beim Entwurf von
Schaufelrädern mit nur angenähert schraubenflächenartig begrenzten Schaufeln eingehalten,
dann können auch derartige Werkstücke nach demFormprozeß leicht aus derFormherausgeschraubt
werden. Man ist also durch die erfindungsgemäße Schaufelradausbildung nicht mehr
an exakt schraubenflächig gewundene Schaufeln gebunden. Durch das leichte Lösen
von Schaufelrad und Form durch Verschrauben, ohne daß die Form dabei zerstört oder
beschädigt wird, ist es möglich, für den Formprozeß eine Dauerform zu verwenden,
in der dann beliebig viele Abgüsse od. dgl. hergestellt werden können. Dadurch verringern
sich die Fertigungskosten beträchtlich, denn die Kosten für das Herstellen der Dauerform
verteilen sich auf alle Werkstücke, so daß bei großen Stückzahlen der Kostenanteil
je Werkstück gering wird.
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Die Erfindung läßt sich besonders vorteilhaft bei seriengefertigten
Teilen anwenden, die durch selbsttätig arbeitende Maschinen hergestellt werden.
Dabei ist sowohl an kleinere Gußkörper als auch an gepreßte Werkstücke aus Kunststoff
od. dgl. gedacht, die räumlich verwundene Teile aufweisen.
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Ferner ist es durch die Dauerform gewährleistet, daß alle Abgüsse
untereinander vollkommen gleich ausfallen. Besonders bei Laufrädern für Strömungsmaschinen
ist dies wichtig, denn hier soll bei jeder Maschine der optimale Wirkungsgrad erreicht
werden, der bekanntlich in der Hauptsache von der Schaufelausführung abhängig ist.
Werden dagegen auch nur eine oder wenige Schaufeln beim Einformen ungenau wiedergegeben
- was bei den vorbekannten Formverfahren sehr leicht möglich ist -, so können die
optimalen Strömungsverhältnisse nicht erreicht werden.
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Auch die Ausschußquote ist bei nach den erfindungsgemäßen Richtlinien
konstruierten Teilen weit geringer als bei den nach den bisherigen Formmethoden
hergestellten Werkstücken.
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Mit Rücksicht auf die vorgenannten Vorteile ist es daher besonders
zweckmäßig, wenn bei durch Gießen herzustellenden Werkstücken das an sich bekannte
Druckgießverfahren verwendet wird.
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Doch auch bei Einzelanfertigung eines Schaufelrades od. dgl. ist die
erfindungsgemäße Ausbildung vorteilhaft,: da sich hierbei das Modell leichter als
bisher --nämlich ebenfalls durch eine Schraubbewegung - aus der Sandform herausnehmen
läßt und ein Beschädigen der Form vermieden wird.
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Die Erfindung ist zum Herstellen und Ausbilden eines zweiflutigen
Laufrades ebenfalls geeignet; sie ist aber auch ganz allgemein auf alle Arten von
durch spanlose Verformung, wie z. B. Gießen, Pressen od. dgl., herstellbaren Werkstücken
mit zwei Gruppen räumlich verwundener Begrenzungsflächen anwendbar, wobei diese
Flächen zu einer gemeinsamen Achse oder aber zu einer für jede Gruppe je gesonderten
Achse angenähert schraubenflächenartig geformt sind. Hierbei ist derart zu verfahren,
daß jede Gruppe der schraubenflächenartigen Begrenzungsflächen je für sich gemäß
den vorgenannten Merkmalen a) bis d) ausgebildet wird. Auf diese Weise werden die
bereits erwähnten Vorteile auch bei zweiflutigen Schaufelrädern od. dgl. erreicht.
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An Hand einiger Ausführungsbeispiele ist die erfindungsgemäße Ausbildung
von Schaufelrädern mit räumlich verwundenen Schaufeln näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Ausschnitt eines Schaufelrades mit räumlich verwundenen Schaufeln in
Ansicht in Achsrichtung, Fig.2 einen Axialschnitt des gleichen Schaufelrades, Fig.
3 einen Teil einer Abwicklung eines durch das Schaufelrad geführten Zylinderschnittes
mit dem Radius r1, Fig. 4 einen Teil einer Abwicklung eines Zylinderschnittes mit
dem Radius r2, Fig. 5 und 6 die den Zylinderschnitten nach den Fig. 3 und 4 entsprechenden
Bewegungsdreiecke, Fig.7 ein zweiflutiges Schaufelrad mit geteiltem Formkasten und
Fig. 8, 8 a und 9, 9 a zwei axial durchströmte Schaufelräder mit Formkasten.
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Bei dem Schaufelrad nach den Fig. 1 bis 4 ist der Radboden mit 1 bezeichnet,
auf dem die räumlich verwundenen Schaufeln 2 angeordnet sind. 3 und 4 sind hierbei
die schraubenflächenartigenBegrenzungsflächen der Schaufeln 2 des radial durchströmten
Schaufelrades. Die Achsrichtungen der Radachse 7 sind mit 8 und 9 beziffert, während
17 die Schraubrichtung angibt, in der das Schaufelrad zu verdrehen ist, um es aus
der Form herauszuschrauben. 18 sind die Räume zwischen den Schaufeln 2.
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Die eingangs genannten konstruktiven Richtlinien werden beim Entwurf
des gezeigten Schaufelrades nun wie folgt angewandt: Zuerst wird die Form der Schaufeln
2 nach hydraulischen Gesichtspunkten entworfen. Sodann legt man durch das Schaufelrad
einen Zylinderschnitt mit einem beliebigen Radius r1, der die Schaufeln 2 möglichst
in ihrer größten Höhe schneidet. Aus der Abwicklung dieses Zylinderschnittes (Fig.
3) kann nun die für diesen Zylinderschnitt maßgebende Teilung t1 der Schaufeln 2
sowie die Neigung und Krümmung der sich bei diesem Schnitt mit den Begrenzungsflächen
3 und 4 ergebenden Schaufelschnittlinien 5 und 6 entnommen werden. Legt man nun
an die Schaufelschnittlinie 5 bzw. 6 jeweils in einem beliebigen Punkt, z. B. in
x
bzw. y, Tangenten 13 bzw. 14, so bilden diese Tangenten
mit der Normalen 10 zur Achse 7 die Winkel alx bzw. aly. Durch die Bestimmung weiterer
Winkel zwischen der Normalen 10 und den Tangenten für beliebige andere Punkte
der Schnittlinie 5 bzw. 6 erhält man jeweils einen bestimmten Winkelbereich, nämlich
a1,0 bis alxn bz'. alxo bis alyn. Es wird nun ein zwischen diesen Winkelbereichen
liegender Winkel a1 gewählt, der für den Zylinderschnitt mit dem Radius r1 den charakteristischen
Steigungswinkel ai darstellt. Dieser Steigungswinkel a1 ergibt sich somit aus dem
oberen und unteren Grenzwert der nach dem vorgenannten Verfahren ermittelten Winkel
zwischen den Tangenten 13 bzw. 14 und der Normalen 10 zur Radachse 7.
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Sollten sich allerdings die beiden Winkelbereiche alxo bis alxn und
aly, bis alyn überdecken, so ist der Schaufelentwurf derart abzuändern, daß keine
überdeckung der nach dem vorgenannten Verfahren neuerlich ermittelten Winkelbereiche
mehr eintritt.
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Mit dem so ermittelten Steigungswinkel a1 und der Teilung t1 läßt
sich nun ein rechtwinkliges Bewegungsdreieck A1, B1, C1 zeichnen (Fig. 5),
aus dem dann die dem Schaufelrad entsprechende Schraubenhöhe h entnommen werden
kann. Diese Schraubenhöhe h ist das Maß dafür, wie weit das Schaufelrad in Achsrichtung
verschraubt werden muß, um die Schaufeln 2 um eine Teilung t1 zu verdrehen; die
Schraubenhöhe h muß für alle Bewegungsdreiecke der Zylinderschnitte des Schaufelrades
konstant sein.
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In Fig. 4 ist ein Teil einer Abwicklung eines anderen Zylinderschnittes
mit dem Radius r2 dargestellt. Aus der bereits bestimmten konstanten Schraubenhöhe
h und der diesem Zylinderschnitt zugeordneten Teilung t2 läßt sich der entsprechende
Steigungswinkel a2 aus dem Bewegungsdreieck A2, B2, C2 (Fig. 6) leicht ermitteln.
Die Schaufelschnittlinien 11 bzw. 12, die bei dem Zylinderschnitt mit dem Radius
r2 entstehen, sind nun daraufhin zu überprüfen, ob ihre Tangenten 15 bzw.
16 mit der Normalen 10 zur Achse 7 Winkel bilden, die den vorgenannten
Bedingungen a2xo bis a2xn G a2 < a,yo bis a2yn ebenfalls genügen. Erforderlichenfalls
sind auch diese Schaufelschnittlinien 11 und 12 entsprechend zu korrigieren. Bei
weiteren Zylinderschnitten verfährt man analog.
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In Fig. 7 ist ein zweiflutiges Schaufelrad 30 gezeigt. Die linke Hälfte
31 des Schaufelrades 30 steckt dabei noch in einem Teil 33 der Form, während der
andere Teil 34 der Form bereits durch schraubenförmige Bewegung von der rechten
Hälfte 32 des Schaufelrades 30 gelöst wurde.
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Die Fig. 8, 8 a und 9, 9 a veranschaulichen, wie ein axial durchströmtes
Schaufelrad 40 einzuformen ist. Die links dargestellte Hälfte 41 des Schaufelrades
40 ist hierbei mit einem Außenkranz 44 versehen, der die Schaufeln. untereinander
verbindet. Der untere Teil 45 dieser Schaufelradausführung liegt ebenfalls noch
in einem Teil 45 der zweiteiligen Form. Bei der rechts dargestellten Hälfte des
Schaufelrades 42 sind 5 die Schaufeln frei tragend. Mit 46 ist in
Fig. 9 a die überdeckung der einzelnen Schaufeln bezeichnet. Die vorerwähnten Konstruktionsregeln
gelten auch für andere durch Gießen oder Pressen herstellbare Bauteile, z. B. für
Bauteile mit Rippen od. dgl., die 1o aus irgendwelchen Gründen mit räumlich verwundenen
Flächen versehen sein müssen.