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Verfahren zur Herstellung von-Schaufeln für Kreiselmaschinen . Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur 3erstellung von Schaufeln aus einem
einstückigen Schaufelkranzkörper mittels eine topfförmige Rotat:jnsform beschreibender
Werkzeuge, wobei die Schaufelflanken von gekrümmten Flächen gebildet werden, die
je eine einzige kreisbogenförmige durch die Arbeitsspur der Werkzeugschneide dargestellte
Erzeugende aufweisen, deren Ebene mit der Achse des Schaufelkranzes einen von
900 abweichenden Winkel einschließt, oder zu dieser Achse parallel angeordnet
ist und deren Achse während der Bearbeitung einer Schaufelflanke aufgrund der Vorschubbewegung
des Werkzeuges ihre Stellung zur Schaufel fortlaufend verändert.
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Bekannt ist es, die Schaufel im Kopierverfahren mittels eines Fingerfräsers
oder Stichels nach einem Schablonenwerkstück aus dem-_ Vollen herauszuarbeiten.
Dieses Verfahren ist sehr langwierig und teuer. Es hat jedoch den Vorteil, daß die
SchaufeInbzw. Schaufelräder- mit einem einmaligen Aufspannen fertig bearbeitet werden
können.
Wird dagegen in bekannter Weise ein Walzenfräser mit der Schaufelform angepaßten
Schneidkanten verwendet, so kann der Übergang am Schaufelfuß nicht in einem Arbeitsgang
fertig bearbeitet werden. Vielmehr ist es dabei nur möglich, die Schaufel ohne Ansatz
oder Übergang zum Guß zu bearbeiten. Der Übergang muß dann nachträglich noch im
Kopierverfahren oder dgl. hergestellt werden.
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Dies bedeutet erhöhte Arbeitszeit und damit erhöhte Herstellungskosten.
Auch die Anwendung des sogenannten Genaugußverfahrens ist sehr teuer, wobei hiermit
ferner noch der Nachteil einer geringeren Homogenität gegenüber geschmiedetem Material
verbunden ist. Bei einem weiteren, bekannten Schaufelherstellungsverfahren nach
der deutschen Patentschrift 915 172 findet ein Werkzeug Verwendung, das mit-seiner
Schneidkante einen Kreiszylinder beschreibt. Dieses Verfahren ist deshalb nicht
dazu geeignet, Schaufeln herzustellen, die in Richtung zum Schaufelfuß gesehen eine
Verwindung der Schaufelflanken mit zurückweichendem Verlauf aufweisen, denn die
Werkzeugschneide würde bei fortschreitendem Vorschub in Richtung zum Schaufelfuß
die vorher bearbeitete Schaufelfläche wieder wegarbeiten. Mit diesem Verfahren können
daher nur Schaufelflanken.bearbeitet werden, die in Richtung zum Schaufelfuß gesehen
mehr und mehr aus der Fläche heraus durch Zurückweichen der Werkzeugschneide verwunden
sind.
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Ferner ist durch die deutsche Patentschrift 317 586 ein Verfahren
zum Fräsen von Dampfturbinenschaufeln mit verdicktem, mit der Schaufel aus einem
Stück hergestelltem Fuß und schief zur Radmittelebene gerichteter Begrenzungsfläche
des Fußes gegen die Schaufelhöhlung unter Verwendung von Fräsern, deren senkrecht
zur Fräserachse
gerichtete Querschnitte Kreisflächen sind, bekanntgeworden,
wobei der Schaufelstab gegen den Fußansatz hin mittels eines Fräsers ausgefräst
wird, dessen Meridianschnitt gegen den Schaufelfuß hin abgerundet ist und dessen
Achse zur Schaufel- (bzw. Rad-) Mittelebene schief steht und beim Fräsen zu sich
selbst parallel in Richtung der Schaufelmittelachse bewegt wird.
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Dieses bekannte Schaufelherstellungverfahren ist jedoch nur beschränkt
anwendungfähig, insbesondere wenn es gilt, einen ganzen Schaufelkranz aus dem Vollen
herauszuarbeiten, da der bei diesem bekannten Verfahren zur Anwendung gelangende
Fräser beispielsweise zwischen der zu bearbeitenden Schaufel und einem noch nicht
bearbeiteten Schaufelteil einen Mindestabstand - mindestens also dem Schneidkantendurchmesser
des Fräsers zwischen beiden Schaufein entsprechend - voraussetzen würde, um den
hierbei noch nicht bearbeiteten Schaufelteil nicht zu beschädigen. Dieses bekannte
Verfahren setzt also einen Mindestabstand zwischen zwei benachbarten Schaufeln voraus.
Da aber bekanntlich in Abhängigkeit vom verlangten Strömungsmassendurchsatz bei
einem Schaufelkranz die Abstände zwischen den Schaufeln oft sehr gering sind, kann
dieses bekannte Verfahren nur äußerst beschränkt eingesetzt w'er'den und dürfte
aus den genannten Gründen lediglich bei der Einze'lherstellung von Turbinenschaufeln,
welche nach dem-Fertigfräsen beispielsweise in den Läufer einer Turbine eingesetzt
werden, angewendet werden können Es ist die Aufgabe der Erfindung, die bei den bekannten
Schaufelherstellungsverfahren auftretenden Nachteile zu beseitigen und -ein Schaufelherstellungverfahren
zu schaffen, welches eine ratio= nelle Herstellung eines Schaufelkranzes in einem
Arbeitsgang
ermöglicht, ohne daß das zugehörige Fräswerkzeug laufend
ausge-. wechselt werden muß. Ferner soll das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
die Herstellung verwundener Schaufeln gegenüber den bekannten Verfahren auf einfache
Weise ermöglichen.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die Erfindung bei einem
Verfahren der eingangs genannten Gattung vor, daß die Werkzeuge in an sich
bekannter Weise mit einer entsprechend der übergangsrundung am Schaufelfuß gerundeten
Schneide jeweils eine Schaufelflanke und die zugehörige Übergangsrundung durch eine
zur Achse des Schaufelkranzes hin gemäß dem Verlauf der Schaufelflanke gerichtete
Vorschubbewegung bearbeiten,_wobei die Werkzeuge unmittelbar nach Beendigung der
in Richtung der Schaufelflanke verlaufenden Vorschubbewegung und nach der dabei-erfolgenden
Formung der Übergangsrundung wenigstens den an diese anschließenden Teil' des Kanalgrundes
zufolge einer kreisförmig um die Achse des Schaufelkranzes verlaufenden Vorschubbewegung
bearbeiten und wobei ferner zur Erzielung von verwundenen Schaufeln in an sich bekannter
Weise die Achse der Erzeugenden ihre Stellung parallel zu sich selbst verändert,
wobei die Bahn der Mittelpunkte der Erzeugenden. eine Gerade ist, die die Achse
des Schaufelkranzes kreuzt, wodurch die Schaufelflanke die Form eines Ausschnittes
aus der Oberfläche eines elliptischen Zylinders erhält.
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Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren können Schaufeln eines
Schaufelkranzes hergestellt werden, bei denen beide Schaufelseitenflächen und die
Oberfläche am Fußkreis der Schaufel oder
des Schaufelkranzes gemeinsam einen
Kreisbogen als Erzeugende haben. Dabei sind die Schaufelflächen Teile eines Kreiszylinders
oder eines elliptischen Zylinders, während die Oberfläche arri Fußkreis
eine
Rotationsfläche ist. Die Schaufelflächen und die Oberfläche am Fußkreis können jedoch
sämtlich auch Rotationsflächen mit verschiedenen Rotationsachsen sein.
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An Hand des erfindungsgemäßen. Herstellungsverfahrens ergibt sich
also, daß die beiden Seltenflächen jeder Schaufel nacheinander mittels eines bzw.
je_eines topfförmigen Fräsers durch deren innere bzw. äußere Schneidkanten bearbeitet
werden können, wobei die Kreisbahn der umlaufenden Schneidkanten in Verbindung mit
der in Achsrichtung des Werkzeuges oder unter einem Winkel dazu geradlinig oder
kurvenförmig verlaufenden Vorschubbewegung als Erzeugende für die Schaufelflächen
dient. Im gleichen Arbeitsgang, d.h. unmittelbar anschließend an die Bearbeitung
einer Schaufelfläche, kann auch die Übergangsrundung am Grund der Schaufel zum Nabenkörper
bearbeitet werden, da die Kreisbahn der gegebenenfalls bogenförmig verlaufenden
Werkzeugschneidkanten zugleich Erzeugende der Schaufeloberflächen und der Nabenmantelfläche
ist. Ferner kann nach der Bearbeitung der Übergangsrundung am Schaufelgrund durch
Drehen des Werkstückes oder entsprechendes Bewegen des Werkzeuges die Nabenmantelfläche
wenigstens teilweise bearbeitet werden. Der gegebenenfalls jeweils zwischen zwei
Schaufeln verbleibende Restwerkstoff kann durch Nacharbeit mittels eines erfindungsgemäß
vorgeschlagenen, weiteren, gleichfalls topfförmigen Werkzeuges entfernt werden.
In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes soll die Achse der Erzeugenden
ihre Stellung in gegeneinander geneigte Lagen innerhalb einer Ebene verändern, wobei
die Bahn der Mittelpunkte der Erzeugenden ein Kreis ist; es ergibt sich so für die
Schaufelflanken die Form eines Ausschnittes aus der Oberfläche eines durch Rotation
eines Kreises um eine zu ihm beliebig an- ` gesellte Achse entstandenen Rotationskörpers
(Torus).
Zur Bearbeitung der Kanalgrundfläche oder von Teilen derselben
wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, die Achse der Erzeugenden
derart sich in gegeneinander geneigte Lagen zu verändern, daß die. Bahn der Mittelpunkte
der Erzeugenden ein konzentrischer Kreis um die Achse des Schaufelkranzes ist, mit
der die Achse der Erzeugenden einen gleichbleibenden Winkel einschließt, Die Kanalgrundfläche
erhält dadurch die Form eines eingeschnürten Zylinders, der denselben Kreis als
Erzeugende enthält wie die angrenzende Schaufelflanke.
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Zur Herstellung eines Schaufelkranzes mit einem etwa axial und einem
etwa radial gerichteten Kanalende, einem sogenannten Radiallaufrad, wird erfindungsgemäß
weiter eine Schwenkbewegung des Werkstückes relativ zum Werkzeug'um eine Achse vorgeschlagen,
die eine annähernd mit der Tellerfläche des Laufrades zusammenfallende, zur Drehachse
des Laufrades rechtwinkelige Ebene in dem Kreissektor durchstößt, über den sich
die jeweils zu bearbeitende Schaufel erstreckt und die ihren Punkt größter Annäherung
an die Drehachse des Rades auf der den Schaufeln entgegengesetzten Seite des Tellers
hat, wobei dieser Durchstoßpunkt vorzugsweise-außerhalb des Radumfangkreises liegt.
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Der hauptsächliche Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
für Schaufeln von Kreiselmaschinen ist gegenüber bisher bekannten Herstellungsverfahren
in der kurzen Bearbeitungszeit zu sehen, die sich daraus ergibt, daß die Schnittlänge
des Werkzeuges stets über die ganze Schaufelbreite reicht, wodurch in einem Vorschubbewegungszug
eine Schaufelflanke vollständig fertig bearbeitet werden kann. Aus der gegebenenfalls
schräg im Raum stehenden, kreisförmigen Bahn-der Schneidspitzen
des
Werkzeuges lassen sich beliebige Bereiche unter beliebiger' Winkeleinstellung für
den Eingriff am Werkstück auswählen, so daß sowohl flache als auch enge Krümmungen
und in ihrer Krümmung stark zunehmende elliptische Flächen hergestellt werden können.
Wird in einer fortlaufenden Arbeitsfolge eine Schaufelflanke, die zugehörige Übergangsrundung
zur Kanalgrundfläche und auch die Kanalgrundfläche nacheinender bearbeitet, so ist.
es sogar möglich, durch eine geringe Änderung der Lage des Werkstückes zum Werkzeug
nach der Bearbeitung jeweils einer Flanke sämtlicher Schaufeln sowie die Übergangsrundungen
und die daran anschließende Kanalgrundfläche ohne Umspannender Werkstücke mit dem
gleichen oder einem anderen Werkzeug fertig zu bearbeiten. Damit ergibt sich ferner
die Möglichkeit, mittels einer automatisch gesteuerten und beispielsweise auch automatisch
beschickten Werkzeugmaschine, die Beschaufelung eines einstückgen Laufrades selbsttätig
herzustellen und eine weitere Ersparnis an Arbeitszeit zu erzielen..
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In der Zeichnung ist das erfindungsgemäße Zierfahren an Hand beispielsweiser
Anordnungen für Werkstück und Werkzeug sowie an Hand eines nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren bearbeiteten Vorsatzteiles eines Radialverdichterlaufrades dargestellt:
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung der Herstellung einer verwundenen
Kreiselmaschinenschaufel in Achsrichtung des Werkzeuges gesehen, Fig. 2 eine Ansicht
in Richtung II nach- Fig. 1 sowie einen Querschnitt durch den: von. der Bahn des
Werkzeuges beschriebenen
elliptischen Zylinder in Achsrichtung
desselben gesehen, Fig. 3 eine schematische Darstellung eines etwa axial durchströmten
Kreiselmaschinenlaufrades in Richtung einer Schaufelstirnkante gesehen, Fig. 4 eine
Ansicht in Richtung IV nach Fig. 3, Fig. 5 eine durch eine kreisbogenförmige Bewegung.
des Werkzeuges beschriebene Kreisringhälfte mit elliptischem Querschnitt, Fig. 6
ein Vorsatzteil zu einem Radialverdichterlaufrad in Ansicht, Fig. 7 ein Vorsatzteil
nach Fig. 6 in Seitenansicht, Fig: 8 ein Vorsatzteil nach Fig. 6 und 7 im Längsschnitt
mit Angabe der übrigen Radialverdichterlaufradformp Fig. 9 ein topfförmiges Fräswerkzeug
zum Herausarbeiten der Schaufeln aus einem einstückigen Schaufelkranz, Fig. 10@
eine schematische Darstellung eines Radialverdichter= Laufrades in Seitenansicht
mit Verlauf des Werkzeugsehneidkantenkreises für das Herausarbeiten der Schaufeln
aus dem einstückigen Schaufelkranz, Fig. 11 eine Ansicht der Darstellung-nach Fig.
10 1n Richtung XI, Fig. 12 ein Fräswerkzeug zur Bearbeitung einer Schaufelflanke
des Radialverdichterlaufrades nach den Fig. 10 und 11, -' Fig. 13 ein Fräswerkzeug
zur Bearbeitung der anderen Schaufelflänke des Radialverdichterlaufrades nach Fig.
10 und 11 und Fig. 14 ein Radialverdichteriaufrad mit Darstellung des Verlau-
Ton der Werkzeugschneidspitze eines umlaufenden Werkzeuges wird
nach Fig. 1 und 2 eine Erzeugende 20 beschrieben, die-ein Kreis ist. Zum Herausarbeiten
einer Kreiselmaschinenschaufel 21 aus einem Schaufelkranzkörper 22 erhält die Erzeugende
20 eine bestimmte Einstellung der von ihr bestimmten Ebene und damit auch ihrer
Mittelachse 23 zum Schaufelkranzkörper 22 und zu der Achse 22' desselben. Die Erzeugende
20 schneidet dadurch den Schaufelkranzkörper 22 entlang eines Kreisbogenstückes
24. Diese., Kreisbogenstück 23 ist Bestandteil der Oberfläche einer Schaufelflanke
der Schaufel 21. Durch eine Relativbewegung (25) der Erzeugenden 20 gegenüber dem
Schaufelkranzkörper 22 in. eine Richtung schräg zur Mittelachse 23 der Erzeugenden
20 entlang der Linie 25, welche die dabei von dem Mittelpunkt 26 der Erzeugenden
20 bestrichene Bahn darstellt, wird von der Erzeugenden ein schräg verschobener
Kreiszylinder bzw. ein im Querschnitt elliptischer Zylinder 27 beschrieben, Die
Erzeugende 20 verändert dabei auch ihre Eingriffslage am Schaufelkranzkörper 22
derart, daß in deren Stellung 201 das Kreisbogenstück 241 als Schnittlinie entsteht.
Zwischen den Stellungen 20. und 201 der Erzeugenden bzw. zwischen den Stellungen
24 und 2't1 der Schnittlinie erstreckt sich eine Schnittfläche 28, die eine verwundene
Fläche bildet. Diese Schnittfläche 28 ist ein Ausschnitt aus der Oberfläche des
elliptischen Zylinders 27 und bildet eine Flanke der Kreiselmaschinenschaufel 21.
Die Verwindung . der Schaufelflanke kann durch Auswahl der Stellung der Mittelachse
23 der Erzeugenden 20 und der Richtung der Relativbewegung (Linie 25) der Erzeugenden
20 gegenüber der Achse 221 des Schaufelkranzkörpers 22 in weiten Grenzen verändert
werden.
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Nach den Fig3 und.4 ist demgemäß bei einem-weiteren Ausführungsbeispiel
die Linie 35 der Relativbewegung als Kreisbogen gewählt.
Diese
Bewegung setzt sich aus einer Schwenkbewegung 35' um eine gerade Schaufelkante 39
als Achse dieser Schwenkbewegung und einer geradlinigen Bewegung 35" parallel zu
dieser Schaufelkante 39 zusammen. Die Erzeugende verlagert dabei ihre Stellung von
der Lage 30 zur Lage 30', wodurch eine Schaufelflanke entsteht, die von dem freien
Ende 34 zum Ende 34' an der Schaufelwurzel in dieser Richtung gesehen zurückweichend
verwunden ist. Ähnliche Ausbildungen der Schaufelflanken sind insbesondere bei Vorsatzeilen
von Radialverdichtern vorgesehen.
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Zur Bearbeitung der Kanalgrundfläche zwischen den Schaufelflanken
wird die Relativbewegung der Erzeugenden 30' gegenüber dem Schaufelkranzkörper 32
auf einen konzentrisch zur Achse 32' angeordneten Kreis umgeschaltet. Dadurch beschreibt
die Erzeugende 40 einen in Fig. 5 dargestellten Kreisring 48 mit kreisförmigem oder
elliptischem Querschnitt 47, einen sogenannten Torus. Je nach Anordnung des erzeugenden
Kreises 40 gegenüber der Achse des Schaufelkranzkörpers ergibt sich dabei ein mehr
oder weniger stark gekrümmter Ausschnitt aus der Fläche des Torus für die Kanalgrundfläche.
Ein Ausschnitt aus der Oberfläche des Torus kann auch für die Bearbeitung von Schaufelflanken
herangezogen werden. Eine Linie 49 an der Oberfläche des Torus nach Fig. 5, die
nahezu eine Gerade bildet, kann dabei beispielsweise als Annäherung für eine gerade
Schaufelkante ausgewählt werden.
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In den Fig. 6 bis 8 ist ein Vorsatzteil 10 eines_Radialverdichterlaufrades
dargestellt, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. In Fig. 8
ist das ergänzende Teil des Laufrades strichpunktiert angedeutet. Die beiden Seitenflächen
12, 13 der Laufradschaufeln 14, sowie die Oberflächen 15 am Kreis 16 der
Kanalgrundfläche
des Vorsatzteiles haben jeweils einen gemeinsamen Kreisbogen als Erzeugende. Die
radial außenliegende Kontur 17 des Vorsatzteiles 10 ist schon bei
der Herstellung des Laufrad-Rohlings bearbeitet: -Die Fig. g zeigt ein topfförmiges
Fräswerkzeug 50 zum Herausarbeiten der Schaufeln aus einem einstüekigen Schaufelkranzkörper.
Dieses Fräswerkzeug 50 trägt eine abgerundete Schneidspitze 51, die während der
Vorschubbewegung jeweils nur mit einem Punkt ihrer Schneidkante. die Fläche einer
Schaufelflanke bestreicht. Bei geradlinigem Vorschub ist dies stets derselbe Punkt
der Schneidkante. Die Abrundung der Schneidspitze wird zweckmäßig so gewählt, daß
deren Radius mit dem Ausrundungsradius am 'Übergang zwischen Schaufelflanke und
Kanalgrundfläche übereinstimmt.
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Zur Herstellung eines Aadialverdichterlaufrades 1 nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren ist dieses gemäß den Fig. 10 bis 13 zum Schneidkantenkreis 2 eines um
die Achse 2t umlaufenden Fräswerkzeuges 3, 4 durch geeignete Befestigung auf einer
Werkzeug= maschine gedreht (Winkel -a) und geneigt (Winkel b) angeordnet. Die dadurch
erzielte Schrägstellung in Verbindung ,mit der Vorsehubbewegung von Laufrad 1 und
Sehneidkantenkreis 2 zueinander um zwei Schwenkachsen A1 und A2 ermöglicht eine
Bearbeitung der Schaufelflächen derart, daß einerseits am Eintritt 5 eine radial
gerichtete Eintrittskante 5t entsteht und sieh andererseits am Austritt 6 entlang
..der Austrittskante 6t ein-etwa radial gericht-eter Verlauf der,-Schaufelfläche
ergibt. Die Schwenkachse Ai, die vorteilhaft mit der Achse eines Werkzeugmaschinendrehti
sches - zusammenfallen kann, läuft durch den Fußpunkt F und der radial gerichteten
Eintrittskante 5t und steht senkrecht
einerseits auf einem radialen
Strahl S durch diesen Punkt F und' andererseits auf einer in diesem Punkt F an-den
Schneidkantenkreis 2 angelegten Tangente T. Die Schwenkachse A2 deckt sich -mit
der vorbeschriebenen Tangente T an den Schneidkantenkreis 2. Nach diesem Verfahren
läßt sich ein derartiges Laufrad sehr wirtschaftlich herstellen. Es 'werden dabei
bei einer Einstellung zunächst nacheinander sämtliche Schaufeln auf einer Seite
durch jeweiliges Verdrehen des Laufrades mittels eines Teilkopfes bearbeitet. Hierzu
wird das eine der beiden Fräswerkzeuge, die für den Eingriff in den Schaufelkanal
besonders geformt sind, verwendet. Für die Bearbeitung der anderen Schaufelseite
mit dem zweiten Fräswerkzeug ist nur eine geringe Korrektur der Werkstückeinstellung
zum Werkzeugschneidkantenkreis notwendig, damit eine gewünschte Verjüngung der Schaufeln
zu ihren freien Enden hin erreicht wird.
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Aus Fig. 14 geht der Formverlauf einer Schaufelflanke 68 eines nach
der Erfindung gefertigten Radialverdichterlaufrades 62 hervor. Der erzeugende Kreisbogen
60 verläuft über die Schaufel= flanke 68 in seinen verschiedenen Stellungen derart
hinweg, daß sich eine etwa radial gerichtete Eintrittskante 69 am axial gerichteten
Kanaleintritt und ein etwa radialer Verlauf der Schaufelflanke 68 am Kanalaustritt
ergibt. Eine Tangente T' an die Stellung der Erzeugenden 60 im Bereich der Schaufelwurzel
68'
am-Kanalaustritt schließt demgemäß mit einem-von der Achse 62'
des
Laufrades 62 ausgehenden radialen Strahl S' einen spitzen Winkel: -ß, ein.
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