DE19607230C1 - Verfahren zur Herstellung bogenförmiger Nuten und Werkzeug dazu - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum spanenden Ausbilden bzw. Bearbeiten von bogenförmigen Nuten, insbesondere von bogenförmigen Rotornuten, beispielsweise bei der Herstellung von Turbi­ nenrotoren.

Solche Turbinenrotoren, wie sie beispielsweise für Dampfturbinen vorgesehen werden, weisen einen im wesent­ lichen zylindrischen Grundkörper auf, an dem mehrere scheibenförmige zylindrische Abschnitte ausgebildet sind. Diese sind an ihrem Umfang mit voneinander beabstandeten Nuten zur Aufnahme von Turbinenschaufeln versehen, deren Flanken in Nutenlängsrichtung gezahnt sind. Die Nuten weisen im Querschnitt deshalb ein sogenanntes Tannen­ baumprofil auf, das der formschlüssigen Aufnahme und Sicherung eines Fußes einer Turbinenschaufel dient. Dabei sind sowohl in Längsrichtung verlaufende, gerade ausge­ bildete Nuten als auch Schrägnuten und kreisbogenförmige Nuten bekannt.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausbildung von in Seitenansicht kreisbogenförmigen Rotornuten ist aus dem Fachartikel: "Methoden und Maschinen zur Fräs­ bearbeitung von Generator- und Turbinenrotoren", Ing. (Grad.) Siegfried Neumann, Sonderdruck Nr. 9 der Köllmann Maschinenbau GmbH, 5602 Langenberg/Rhld., be­ kannt. Die Ausbildung der Kreisbogen-Nuten erfolgt ausge­ hend von einem Rohling mit scheibenförmigen Zylinder­ abschnitten. Der Herstellung der Nuten dient eine Fräsma­ schine. Diese weist eine Werkzeugspindel auf, die axial verstellbar gelagert ist. Die Axialrichtung der Werkzeug­ spindel stimmt dabei im wesentlichen mit einer Radial­ richtung des Werkstückes überein bzw. ist zu dieser parallel. An der Werkzeugspindel ist ein sogenannter Glockenfräser (Glockensenker) befestigt, dessen Werkzeug­ grundkörper die Form einer kreisförmigen Platte mit axial vorstehendem Rand hat. Die im Längsschnitt betrachtete Kontur des Randes wird durch Schneidkanten tragende Schneidelemente definiert. Diese bestimmen mit ihrer Umlauffigur die Kontur der in einem Schruppfräsvorgang auszuhebenden und zunächst grob vorgeformten Nut. Das Profil ist aus mehreren Rechtecken zusammengesetzt und verjüngt sich zum Rand des Glockensenkers hin in Stufen. Es ist hinterschneidungsfrei und dient lediglich dazu, eine grob vorkonturierte Nut zu öffnen (schruppen).

Zur Formgebung und Fertigbearbeitung der Nut ist ein Rundfräsapparat vorgesehen, der einen Profil-Schaftfräser im Vorschub auf einer Kreisbogenbahn längs der Nut führt. Der Schaftfräser weist ein Profil auf, das der Form der zu erzeugenden Nutflanke entspricht. Bezüglich der Radi­ alrichtung des Werkstückes (Turbinenrotors) weist der Profil-Schaftfräser Hinterschneidungen auf.

Aufgrund der großen zur Ausbildung der Hinterschnei­ dungen erforderlichen Profiltiefe und des langen, mit der Nutlänge übereinstimmenden Fräsweges erfordert die Fräs­ bearbeitung mit dem Schaftfräser eine lange Bearbeitungs­ zeit. Diese summiert sich bei einer größeren Anzahl von entlang des Umfanges des Turbinenrotors verteilten Nuten zu einer erheblichen Gesamtbearbeitungszeit, die im Einzelbeispiel deutlich mehr als 5 Stunden allein für die Nuten an einem Kreisumfang betragen kann. Die hohe erfor­ derliche Maschinenzeit bringt hohe Produktionskosten bei der Herstellung von Turbinenrotoren mit sich.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausbildung profilier­ ter, bogenförmiger Nuten anzugeben, das eine verkürzte Bearbeitungszeit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ausbil­ dung bogenförmiger, hinterschnittener Nuten gemäß An­ spruch 1 sowie durch ein glockenförmiges Fräswerkeug mit den Merkmalen des Patentanspruches 6 gelöst.

Die auf das Verfahren bezogenen Ansprüche erbringen die im wesentlichen im Zusammenhang mit dem glockenförmi­ gen Fräswerkzeuges nachstehend diskutierten Vorteile.

Das glockenförmige Fräswerkzeug nach Anspruch 6 weist einen ringförmigen Trägerabschnitt auf, an dessen Plattensitzen Wendeschneidplatten gehalten sind. Der mit Wendeschneidplatten bestückte Trägerabschnitt ist dabei von seinen Abmessungen her derart festgelegt, daß er in eine vorgeschruppte, d. h. geöffnete hinterschneidungs­ freie Nut eingeführt werden kann, ohne daß die Wende­ schneidplatten mit dem Werkstück in Berührung kommen. In einer kurzen radialen Vorschubbewegung, deren Weite im wesentlichen der Tiefe der auszubildenden Hinterschnei­ dungen entspricht, sind alle Hinterschneidungen zeit­ gleich und in kürzester Zeit ausbildbar. Das glockenför­ mige Fräswerkzeug ermöglicht somit eine gegenüber einer Fräsbearbeitung mit herkömmlichen Formfräsern drastisch verkürzte Bearbeitungszeit. Während der herkömmliche Formfräser (Schaftfräser) die gesamte Profiltiefe in einer Vorschubbewegung ausfräsen muß, die der Länge der Nut entspricht, kann das glockenförmige Fräswerkzeug die gleiche Materialmenge in einer kurzen, seitlichen Vo­ rschubbewegung abtragen. Jede Schneide des glockenförmi­ gen Fräswerkzeuges wird bei jeder Werkzeugumdrehung über die gesamte Länge der Nutflanke geführt. Die Zerspanungs­ leistung ist dabei hoch.

Die Vorschubbewegung ist eine geradlinige Seitenver­ schiebung des glockenförmigen Fräswerkzeuges. Diese kann auf einfache Weise erzielt werden. Die Einprogrammierung eines gekrümmten Vorschubweges, wie es bei dem Stand der Technik erforderlich war, entfällt bei diesem Bearbei­ tungsschritt.

Die Schneiden des glockenförmigen Fräswerkzeuges sind stückweise auf die Wendeschneidplatten aufgeteilt, deren gegenseitige Überlappung die zu fräsende Kontur bestimmt. Aufgrund des entlang des Umfanges des Träger­ abschnittes des Werkzeuggrundkörpers ausreichend vorhan­ denen Platzes zur Anordnung von Wendeschneidplatten, ist es möglich, mit dem wendeschneidplattenbestückten gloc­ kenförmigen Fräswerkzeuges auch relativ enge Nuten aus zu­ fräsen. Die Wendeschneidplatten sind bei Bedarf wechsel­ bar oder in anderer Position weiter verwendbar, so daß die Werkzeugkosten günstig beeinflußt werden. Im Ver­ gleich dazu kann ein als Schaftfräser ausgebildeter Form­ fräser wegen der beengten Platzverhältnisse an seinem Umfang bei den für Rotornuten üblichen Nutabmessungen in der Regel nicht mit Wendeschneidplatten bestückt werden. Es werden deshalb profilierte HSS-Fräser (Hochleistungs- Schnellstahl) verwendet, die im Verschleißfalle insgesamt nachgeschliffen werden müssen. Bei der Verwendung erfin­ dungsgemäßer glockenförmiger Fräswerkzeuge hingegen sind HSS-Fräser allenfalls zur Fertigbearbeitung der mit Hinterschneidungen vorgefrästen Nut erforderlich.

Der ringförmige Trägerabschnitt kann durch eine Folge von Ausnehmungen unterbrochen sein, die dazu die­ nen, anfallende Späne aufzunehmen und aus der Nut her­ auszuführen. Die zwischen den Ausnehmungen verbleibenden, axial vorstehenden Teile des ringförmigen Trägerabschnit­ tes bilden Stollen, die entsprechend der auszuarbeitenden Nut profiliert sind und Plattensitze zur Aufnahme von Wendeschneidplatten tragen. Die Stollen werden beim Vorschub des glockenförmigen Fräswerkzeuges vorwiegend in Umfangsrichtung und in geringerem Maße auch in Radial­ richtung beansprucht. Die Bemessung trägt dem Rechnung, indem die Stollen in Radialrichtung weniger dick sind als in Umfangsrichtung. Zur Aussteifung des Trägerabschnittes können die in ihrer Größe im wesentlichen mit den Stollen übereinstimmenden Ausnehmungen so geformt sein, daß zwischen einzelnen Stollen ein die Stollen miteinander verbindender Steg vorhanden bleibt.

Es ist vorteilhaft, wenn die Befestigungsmittel zur Halterung der Wendeschneidplatten lösbare Befestigungs­ mittel sind, die bei tangential angeordneten Wende­ schneidplatten freiflächenseitig zugänglich sind. Dies ist eine Zugangsrichtung, die quer zu dem Umfang liegt und mit der Axialrichtung einen spitzen Winkel ein­ schließt. Der Platztausch und das Auswechseln von Wende­ schneidplatten ist hier besonders einfach möglich.

Die an dem glockenförmigen Fräswerkzeug angeordneten Wendeschneidplatten sind gruppenweise entlang der Stollen angeordnet. Diese Reihen liegen damit quer zu der Um­ laufrichtung und im wesentlichen parallel bzw. im spitzen Winkel zu der Axialrichtung des Werkzeuges. Jeder Stollen trägt vorzugsweise wenige (eine bis vier) Wende­ schneidplatten pro Reihe. Die an einem einzelnen Stollen angreifenden Kräfte werden dadurch in Grenzen gehalten.

Die in den Unteransprüchen angegebene Ausrichtung der Schneidkanten der Wendeschneidplatten einer Reihe führt zu einer Kräftekompensation bezüglich der in axia­ ler Richtung wirkenden Komponenten der Schnittkräfte. Diese wenigstens teilweise Kompensation von Komponenten der Schnittkräfte führt dazu, daß sich diese innerhalb eines Stollens ausgleichen und nicht über das Werkzeug bzw. die Werkzeugspindel abgeleitet werden müssen. Das kommt der Bearbeitungsgenauigkeit zugute.

Die zu einer vollständigen Schneide gehörigen Wende­ schneidplatten sind vorzugsweise auf mehrere Stollen aufgeteilt, so daß insgesamt beispielsweise nur noch zwei vollständige Schneiden ausgebildet sind. Dennoch wird eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit erreicht, weil pro Umdrehung des glockenförmigen Fräswerkzeuges zwei voll­ ständige Schneiden über die gesamte Länge der Nut span­ abhebend geführt werden. Die Vorschubbewegung umfaßt lediglich wenige Millimeter. Zur Ausarbeitung des Nut­ profils wird deshalb eine Taktzeit benötigt, die deutlich geringer als eine Minute ist. Gegenüber der mehr als 5-stündigen Bearbeitung von beispielsweise 50 am Umfang eines Turbinenrotors verteilten bogenförmigen Nuten ist es möglich, die Bearbeitungszeit insgesamt auf weniger als eine halbe Stunde zu reduzieren. Bei Versuchen konn­ ten Bearbeitungszeiteinsparungen von deutlich über 90% erzielt werden.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Er­ findung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Turbinenrotor mit daran auszubilden­ den bogenförmigen Nuten in einer schemati­ sierten Seitenansicht,

Fig. 2 eine Fräsbearbeitungseinheit mit glocken­ förmigem Fräswerkzeug zur Profilierung ei­ ner zuvor geöffneten bogenförmigen Nut, in einer stark schematisierten Ansicht auf die Stirnseite des Rotors (Vorderansicht),

Fig. 3 das Fräswerkzeug nach Fig. 2 in einer per­ spektivischen Übersichtsdarstellung,

Fig. 4 das Fräswerkzeug nach Fig. 3 in einer schematisierten, ausschnittsweisen Längs­ schnittdarstellung mit einer schematisier­ ten Projektion aller zu einer Schneide ge­ hörigen Wendeschneidplatten, in eine die Axiale und die Radiale einschließenden Ebe­ ne, in schematisierter Darstellung,

Fig. 5 ein in seiner Außenumfangsfläche profi­ liertes glockenförmiges Fräswerkzeug, in schematisierter Längsschnittdarstellung mit einer Projektion aller zu einer Schneide gehörigen Wendeschneidplatten in die Zei­ chenebene,

Fig. 6a bis 6e das Fräswerkzeug nach Fig. 5, in einer ver­ einfachten ausschnittsweisen Schnittdar­ stellung eines Wendeschneidplatten tragen­ den Stollens,

Fig. 7 die Einstellung zweier zusammenwirkender, eine Längsausnehmung in die Nutwand fräsen­ der Wendeschneidplatten des Fräswerkzeuges nach Fig. 3 bezüglich des Sollmaßes, in schematisierter Darstellung,

Fig. 8a und 8b das Öffnen einer Nut mit Grobkontur durch Axialvorschub eines entsprechend ausgebil­ deten hinterschneidungsfreien Fräswerkzeu­ ges in einem ersten Arbeitsschritt, in schematisierter Darstellung,

Fig. 9a und 9b die Ausbildung der gewünschten Profilierung einer der beiden Nutflanken mit einem Fräs­ werkzeug nach Fig. 5, in einem zweiten Ar­ beitsschritt, in schematisierter Darstel­ lung,

Fig. 10a und 10b die Ausbildung der Profilierung der gegen­ überliegenden Nutflanke mit einem Fräswerk­ zeug nach Fig. 4, in schematisierter Dar­ stellung,

Fig. 11 eine alternative Ausführungsform eines an seiner Außenseite profilierten Fräswerkzeu­ ges, mit Projektion seiner zu einer voll­ ständigen Schneide gehörigen Wendeschneid­ platten in die Zeichenebene, in schemati­ sierter Darstellung und

Fig. 12 die Einstellung der Schneidkanten der Wen­ deschneidplatten des Fräswerkzeuges nach Fig. 11, in Bezug auf das auszubildende Nutprofil.

Beschreibung

In Fig. 1 ist ein Turbinenrotor 1 schematisch ver­ anschaulicht, der mehrere in Axialrichtung voneinander beabstandete scheibenförmige Abschnitte 2a bis 2f auf­ weist. Während die Abschnitte 2b bis 2e gerade ausgebil­ dete Nuten aufweisen, sind die Abschnitte 2a und 2f mit kreisbogenförmig gekrümmten Nuten 3a, 3b versehen. Die Nuten 3a, 3b weisen im Querschnitt ein in Fig. 1 unten gesondert schematisch angedeutetes Tannenbaumprofil auf und dienen der Halterung und Befestigung von Turbinen­ schaufeln. Die Nut 3 (3a, 3b) weist an ihren einander gegenüberliegenden Flanken 4, 5 längsverlaufende Stege auf, zwischen denen Ausnehmungen definiert sind.

Zur Ausbildung der in Fig. 1 veranschaulichten profilierten Nuten 3, zunächst mit einem einheitlichen Untermaß in Bezug auf das gewünschte Sollmaß, an den Flanken 4, 5 dient eine in Fig. 2 schematisch veranschau­ lichte Fräsmaschine 7 mit einem axial, d. h. auf den Turbinenrotor 1 zu und von diesem weg, bewegbaren Spin­ delstock 8. Dieser trägt an seiner vorzugsweise waage­ recht liegenden, um eine Drehachse 9 drehbaren Frässpin­ del 10 ein glockenförmiges Fräswerkzeug 11, wie es in Fig. 3 gesondert dargestellt ist.

Das Fräswerkzeug 11 weist einen etwa topfförmigen Werkzeugkörper 12 mit einem im wesentlichen ebenen Boden 13 auf, von dem sich ein als ringförmiger Trägerabschnitt 14 ausgebildeter Rand in Axialrichtung weg erstreckt, der koaxial zu der Drehachse 9 angeordnet ist.

In dem Trägerabschnitt 14 sind sich radial nach innen, außen und axial von dem Boden 13 weg öffnende Ausnehmungen 15 (15a, 15b, 15c . . . ) in Umfangsrichtung voneinander beabstandet ausgebildet, so daß zwischen den Ausnehmungen 15 untereinander gleich große, sich von dem Boden 13 in Axialrichtung weg erstreckende Stollen 16 (16a, 16b, 16c, . . . ) ausgebildet sind. Dabei sind benach­ barte Stollen jeweils über einen Steg 17 miteinander verbunden, der die jeweilige Ausnehmung 15 radial nach außen hin wenigstens teilweise abdeckt. Die Höhe der Stege 17 in Axialrichtung ist geringer als die Höhe der untereinander gleich großen Stollen 16.

Während die Stollen an ihrer radial außen liegenden Seite in Axialrichtung hinterschneidungsfrei gestuft ausgebildet sind, sind sie an ihrer jeweiligen radial innen liegenden Seite, dem in Fig. 1 dargestellten Flan­ kenprofil der Nut 3 entsprechend, profiliert. Die außen liegende Seite weist Stufen 18 auf, die zu ihrer Unter­ scheidung in Fig. 4 Buchstabenindizes a bis d tragen. Die Stufen werden jeweils durch eine axiale, die Umfangs­ fläche eines Zylinders beschreibende Fläche und eine Schrägschulter gebildet, die auf einem Kegelmantel liegt. Die Stufen 18 sind so ausgebildet, daß das glockenförmige Fräswerkzeug außermittig in eine hinterschneidungsfrei geöffnete Nut axial eingefahren werden kann, ohne die Flanke 4 der Nut 3 zu berühren.

Die Stollen 16 sind an ihrer profilierten (Innen-) Seite mit Plattensitzen 19 versehen, an denen Wende­ schneidplatten 21 gehalten sind. Die Innenseite weist der Anzahl der zu erzeugenden Hinterschneidungen (fünf) entsprechende, einzeln axial nach innen vorstehende und sich in Umfangsrichtung erstreckende Rippen 20 (20a bis 20e) auf. Die Plattensitze 19 sind an den Rippen 20 vor­ gesehen, wobei auf alle in Umfangsrichtung hintereinander liegende Rippen 20 einer Schneide zwei Plattensitze entfallen. Eine Schneide ist dabei durch eine Gruppe von Wendeschneidplatten definiert, deren Schneidkanten in Umfangsrichtung übereinanderprojiziert die Kontur der Nutflanke vollständig bestimmen.

Die Wendeschneidplatten sind in der Regel quaderför­ mig, d. h. in Draufsicht viereckig, ausgebildet, wobei endständige Wendeschneidplatten 21′ von dieser Form abweichend ausgebildet sein können. Die Wendeschneid­ platten 21, 21′ sind tangential angeordnet, d. h. sie sitzen auf Plattensitzen 19, deren Anlageflächen im wesentlichen in Umfangsrichtung liegen. Befestigungs­ schrauben 24 durchgreifen die Wendeschneidplatten 21 bei deren Zentralöffnungen und sind in in den Plattensitzen 19 ausgebildete Gewindebohrungen eingeschraubt.

Das in Fig. 3 dargestellte Fräswerkzeug 11 weist insgesamt vier Schneiden auf, die jeweils auf fünf Stol­ len 16 aufgeteilt sind. Dies bedeutet, daß die Wende­ schneidplatten 21 einer ersten Stollengruppe 16 mit ihren jeweils aktiven Schneidkanten die gewünschte Kontur der Flanke 5 vollständig definieren. Dabei ist an jeder Wendeschneidplatte 21 lediglich eine Schneidkante aktiv. Das Fräswerkzeug 11 mit vier vollständigen Schneiden weist vier solcher Stollengruppen auf. Bedarfsweise ist es auch möglich, die Anzahl der Schneiden größer oder kleiner festzulegen.

Zur Veranschaulichung der Position der einzelnen zu einer Schneide gehörigen Wendeschneidplatten 21 sind diese in Fig. 4 entlang des Umfanges in die Zeichenebene projiziert dargestellt. Dabei ist ersichtlich, daß die vollständige von den Wendeschneidplatten 21 definierte Schneide insgesamt 5 Hinterschneidungen bezüglich der durch einen Pfeil 25 angedeuteten Axialrichtung defi­ niert. Die zur Ausbildung der Hinterschneidungen an der Flanke 5 der Nut 3 vorgesehenen Wendeschneidplatten sind bis auf die endständige Wendeschneidplatte im wesentli­ chen quaderförmig ausgebildet, wobei die entsprechenden Plattensitze 19 in Umfangsrichtung liegend gegen die Radiale (Pfeil 26) einheitlich geneigt sind. Entsprechend sind die Befestigungsschrauben 24 von der Innenseite des Werkzeugkörpers 12 her zugänglich.

Die endständige Wendeschneidplatte 21′ weist einen näherungsweise dreieckigen Querschnitt auf. Zusätzlich sind innenliegende Wendeschneidplatten 21′′ vorgesehen, die der Bearbeitung des Randes der Nut 3 dienen.

Während die Kontur des Fräswerkzeuges 11 an seiner Innenseite von den Wendeschneidplatten 21, 21′, 21′′ definiert ist, wird sie an der Außenumfangsfläche durch die Außenseiten der Stollen 16 definiert. Das Profil des Fräswerkzeuges 11 ist hier hinterschneidungsfrei. Der von den Stollen 16 gebildete ringförmige Trägerabschnitt 14 verjüngt sich über die Länge der Stollen 16 in Axialrich­ tung (Pfeil 25) stufenförmig. Die Stufen sind dabei so bemessen, daß das Fräswerkzeug 11 mit seinen Wende­ schneidplatten bestückten Stollen 16 in die vorgefertigte in Fig. 4, gestrichelt veranschaulichte Nut 3 einfahrbar ist, ohne die Flanken 4, 5 der Nut 3 zu berühren. Dabei ist eine zusätzliche Maßzugabe bezüglich des Abstandes 27 zwischen der an der zugeordneten Flanke 5 anliegenden Schneide sowie der Außenumfangsfläche der Stollen 16 und der Nutflanke 3 erforderlich. Dieser zusätzliche Freiraum ermöglicht ein Eintauchen der Stollen 16 in Axialrichtung (Pfeil 25) in die Nut 3 ohne Flankenberührung.

Ein komplementäres, an seiner Außenseite mit Wende­ schneidplatten 21, 21′, 21′′ bestücktes Fräswerkzeug 11′ ist in Fig. 5 dargestellt. Sein Trägerabschnitt 14 ist symmetrisch zu einer in Fig. 5 durch eine Strich-Punkt- Linie bezeichnete, kreisbogenförmig gekrümmte Längsmit­ telebene 28 der Nut 3 ausgebildet. Hinsichtlich der Aus­ bildung und Anordnung der Wendeschneidplatten 21, 21′, 21′′ sowie der Plattensitze 19 gilt die zu dem Fräswerk­ zeug 11 (Fig. 4) gegebene Beschreibung entsprechend. Gleichermaßen gilt die folgende, sich auf die Fig. 6a bis 6e sowie die Fig. 7 stützende Beschreibung der Anordnung der Wendeschneidplatten 21, 21′, 21′′ des Fräs­ werkzeuges 11′ entsprechend für das Fräswerkzeug 11 mit seinen an der Innenseite angeordneten Wendeschneidplatten 21, 21′, 21′′.

Wie Fig. 6 zeigt, sind die zu einer vollständigen Schneide gehörigen Wendeschneidplatten 21, 21′, 21′′ auf insgesamt 5 Stollen 16a, 16b, 16c, 16d, 16e aufgeteilt. Diese Stollen 16a bis 16e sind in Umfangsrichtung aufein­ ander folgende Stollen des Trägerabschnittes 14. Der Stollen 16a trägt insgesamt vier Schneidplatten. Dies sind eine quaderförmige Wendeschneidplatte 21′′a zur Bearbeitung des Nutrandes, eine erste Wendeschneidplatte 211a zur Ausbildung bzw. Bearbeitung einer dem Nutrand am nächsten liegenden Hinterschneidung, eine Wendeschneid­ platte 213a zur Ausbildung der übernächsten Hinterschnei­ dung der Flanke 4 und eine im Querschnitt im wesentlichen dreieckige Wendeschneidplatte 21′a zur Ausbildung der dem Nutboden am nächsten liegenden Hinterschneidung.

Der Abstand zwischen der Wendeschneidplatte 211a und der Wendeschneidplatte 213a stimmt im wesentlichen mit dem Abstand zwischen der Wendeschneidplatte 213a und der Wendeschneidplatte 21′a überein. Zwischen den genannten Schneidplatten ist jeweils eine Plattenposition frei, bei der weder Plattensitze noch Schneidplatten angeordnet sind.

Der in Drehrichtung folgende Stollen 16b ist in Fig. 6b veranschaulicht. Er trägt eine quaderförmige Wende­ schneidplatte 21′′b zur Bearbeitung des Nutrandes sowie zwei weitere Wendeschneidplatten 212b, 214b zur Bearbei­ tung der, vom Nutrand gesehen, zweiten und vierten Hin­ terschneidung. Wiederum ist zwischen den einzelnen Schneidplatten jeweils eine Plattenposition freigelassen und die Abstände zwischen den Schneidplatten sind unter­ einander im wesentlichen gleich.

Darüber hinaus ist ersichtlich, daß die Wende­ schneidplatten 212b, 214b mit den Wendeschneidplatten 211a, 213a, 21′a des vorauseilenden Stollens 16a auf Lücke stehen.

Dies gilt auch im Verhältnis zu dem nachfolgenden Stollen 16c, der Wendeschneidplatten 211c, 213c, 21′c zur Bearbeitung der, vom Nutrand gesehen, ersten, dritten und fünften Nut trägt. Die Abstände zwischen benachbarten Schneidplatten sind auch an diesem Stollen 16c wie bei dem nachfolgenden Stollen 16d (Fig. 6d) einheitlich festgelegt. Der Stollen 16d weist drei Wendeschneidplat­ ten 21′′d, 212d und 214d auf. Während die Wendeschneid­ platte 21′′d der Bearbeitung des Nutrandes dient, sind die Wendeschneidplatten 212d, 214d zur Bearbeitung der zwei­ ten und vierten Hinterschneidung vorgesehen und stehen mit den Wendeschneidplatten 211c, 213c, 21′c des voraus­ eilenden Stollens 16c auf Lücke.

Dies gilt prinzipiell auch für den nachfolgenden Stollen 16e, der lediglich eine Wendeschneidplatte 21′′e zur Bearbeitung des Nutrandes im Übergang zu der ersten Ausnehmung und endständig eine im wesentlichen flach ausgebildete Wendeschneidplatte 215 zur Bearbeitung des Nutbodens trägt.

Hinsichtlich der auszubildenden Hinterschneidungen bearbeiten der erste und der dritte Stollen 16a, 16c die erste, dritte und fünfte Hinterschneidung, während der zweite und der vierte Stollen 16b, 16d die zweite und vierte Hinterschneidung bearbeiten. Dabei wird jede Hinterschneidung von zwei einander überlappenden Schneid­ platten ausgebildet. Die vorauseilende Wendeschneidplatte 211a ist dabei mit ihrer zum Nutboden hin liegenden Schneidkante 211A aktiv, während die zugeordnete nachei­ lende Wendeschneidplatte 211c mit ihrer von dem Nutboden weg weisenden Schneidkante 211C aktiv ist.

Die Verhältnisse sind bei den Wendeschneidplatten 213a, 213c für die dritte Hinterschneidung gerade umge­ kehrt. Die Wendeschneidplatte 213a ist mit ihrer von dem Nutboden weg liegenden Schneidkante 213A aktiv, während die Wendeschneidplatte 213c mit ihrer zum Nutboden hin liegenden Schneidkante 213C aktiv ist. Schließlich schneidet die Wendeschneidplatte 21′a mit ihrer bodensei­ tigen Schneidkante 21′A, während die Wendeschneidplatte 21′c mit ihrer von dem Nutboden weg weisenden Schneidkan­ te 21′C aktiv ist. Dies wird bei allen drei genannten Platten 211, 213, 21′ durch einen geringfügigen Axialver­ satz der jeweiligen Schneidplatten gegeneinander er­ reicht, wie in Fig. 7 anhand der Wendeschneidplatten 211a, 211c (Plattenpaar 211) veranschaulicht ist. Beide Wendeschneidplatten 211a, 211c sind in die Zeichenebene projiziert, um die Überdeckung ihrer Schneidkanten 211A, 211C zu veranschaulichen. Die Benutzung jeweils lediglich nur einer Schneidkante jeder Schneidplatte wird durch einen Versatz V der Wendeschneidplatten gegeneinander erreicht. In der Projektion definieren beide Schneidkan­ ten 211A, 211C eine Kontur, die ein einheitliches Unter­ maß U in Bezug auf eine endgültig gewünschte Form F der Hinterschneidung aufweist.

Die Verhältnisse sind für die Wendeschneidplatten 213a, 213c sowie für die Wendeschneidplatten 21′a, 21c entsprechend. Aufgrund der an jedem Stollen 16a, 16c jeweils abwechselnden Anordnung von aktiven Schneidkan­ ten, d. h. die Schneidkante 211a ist nach unten orien­ tiert, die nächste Schneidkante 213A nach oben und die nächstfolgende Schneidkante 21′A wieder nach unten, wird in jedem Stollen eine weitgehende Kompensation der Axial­ komponenten der Schnittkräfte erreicht, was der Bearbei­ tungsgenauigkeit zugute kommt. Verallgemeinernd gilt für die Anordnung der Schneidkanten benachbarter Schneid­ platten eines Stollens, daß sie miteinander einen Winkel einschließen, der radial nach innen oder nach außen geöffnet und dessen Winkelhalbierende im wesentlichen in Radialrichtung orientiert ist.

Die vorstehende Beschreibung gilt entsprechend für die Stollen 16b, 16d. Die Wendeschneidplatten 212b, 212d bilden ein Plattenpaar 212 zur Bearbeitung der vierten Hinterschneidung, wobei die Schneidkante 212B zum Nutbo­ den und die Schneidkante 212D von dem Nutboden weg orien­ tiert sind. Umgekehrt ist die Schneidkante 214B von dem Nutboden weg und die Schneidkante 214D zu dem Nutboden hin orientiert.

Zur Ausbildung der üblicherweise bezüglich der Längsmittelebene 28 im Querschnitt symmetrisch geformten Nut 3 sind vorzugsweise zwei zusammengehörige glockenför­ mige Fräswerkzeuge 11, 11′ vorgesehen, deren eines die Wendeschneidplatten an der Innenumfangsseite des ringför­ migen Trägerabschnittes 14 an seinen Stollen 16 trägt und deren anderes entsprechend an der Außenumfangsseite des ringförmigen Trägerabschnittes mit Wendeschneidplatten versehen ist. Obwohl das glockenförmige Fräswerkzeug 11 prinzipiell auch beidseitig, d. h. sowohl an seiner Innen­ als auch an seiner Außenseite, Wendeschneidplatten tragen könnte, wird mit der Aufteilung auf zwei einen zusammen­ gehörigen Satz bildende Fräswerkzeuge 11, 11′ erreicht, daß der ringförmige Trägerabschnitt (Stollen 16, 16′) ausreichend dick gehalten werden kann. Dies ist insbeson­ dere bei der Bearbeitung von engen Nuten 3 von Bedeutung. Die radiale Dicke des Stollens 16, 16′ ist geringer als die um die Profiltiefe verminderte Nutbreite.

Bei der Bearbeitung bzw. Herstellung von bogenförmi­ gen Nuten 3 in einem Turbinenrotor 2 kommt das vorstehend beschriebene Fräswerkzeug 11 folgendermaßen zur Anwen­ dung:
In einem ersten in den Fig. 8A, 8B veranschaulichten Arbeitsschritt wird ein in Fig. 8A schematisch veran­ schaulichter, an sich bekannter Glockensenker 110 in der durch den Pfeil 25 angedeuteten Axialrichtung auf den Abschnitt 2a des Turbinenrotors 1 zu bewegt. Der um seine Drehachse 9 (Fig. 2) umlaufende Glockensenker 110 weist bei seinem ringförmigen Trägerabschnitt 140 seines topf­ förmigen Werkzeugkörpers 120 sowohl an der Innenseite als auch an der Außenseite Wendeschneidplatten auf, die ein sich stufenweise verjüngendes Profil bestimmen. Nach einem etwa der Tiefe der gewünschten Nut 3 entsprechenden Axialvorschub ist die Nut 3 zunächst mit einer sich stufenweise verjüngenden hinterschneidungsfreien Kontur geöffnet, wie in Fig. 8B dargestellt ist.

Nachdem die Nut 3 in einem Schrupp-Fräsvorgang grob geöffnet ist, kommt das in Fig. 9A schematisiert ver­ anschaulichte Fräswerkzeug 11′ zum Einsatz, indem dieses in einer Eintauchbewegung in die vorgeöffnete Nut 3 eingefahren wird. Seine Drehachse 9 (Fig. 2) ist dabei im wesentlichen um die Hinterschneidungstiefe gegen den Krümmungsmittelpunkt der zu erzeugenden bogenförmigen Nut 3 versetzt, so daß das Fräswerkzeug 11′ ohne Wand- oder Flankenberührung in die Nut 3 eintaucht. Die Eintauchbe­ wegung ist in Fig. 9B mit einem Pfeil 31 angedeutet. Sie endet, sobald die aus Fig. 6E hervorgehende endständige Wendeschneidplatte 215 mit gewünschter Tiefe in den grob vorbearbeiteten Nutboden eingestochen ist.

Auf diese Bewegung folgt die Vorschubbewegung, die in Fig. 9B durch einen Pfeil 32 veranschaulicht ist. Es kommen nun alle Wendeschneidplatten 21, 21′, 21′′ (Fig. 5) mit der entsprechenden Flanke der Nut 3 in Eingriff, wobei in einer kurzen, der Hinterschneidungstiefe ent­ sprechenden Vorschubbewegung die in Fig. 9B dargestellte Nutform mit der aus Fig. 7 hervorgehenden Genauigkeit ausgebildet wird. Die gesamte Flanke 4 wird mit allen Hinterschneidungen mit einem konstanten Untermaß bezüg­ lich der gewünschten Nutweite ausgebildet. Hingegen können sowohl der Nutboden als auch der von den Wende­ schneidplatten 21′′ auszubildende Nutrand bedarfsweise auf Maß in der gewünschten Oberflächengüte hergestellt wer­ den. Nach Beendigung des Vorschubhubes stimmt die Dreh­ achse 9 des Fräswerkzeuges 11′ mit dem Krümmungsmittel­ punkt der zu erzeugenden Nut überein. Der Radius des Fräswerkzeuges 11 bestimmt somit die Krümmung der Nut 3.

Die Vorschubbewegung ist sehr kurz und bei jeder Umdrehung des Fräswerkzeuges 11 wird jede seiner Schnei­ den einmal über die gesamte Länge der Nut 3 geführt. Wegen der nur kurzen Vorschubbewegung und der gleichzei­ tigen Bearbeitung der gesamten Flanke 4 über die gesamte Nutlänge wird eine sehr kurze Bearbeitungszeit erreicht.

Zum Herausfahren des Fräswerkzeuges 11′ aus der Nut 3 wird dieser von der Flanke 4 radial weg bewegt, bis alle Wendeschneidplatten 21, 21′, 21′′ aus den Hinter­ schneidungen der Flanke 4 herausgekommen sind. Danach wird das Fräswerkzeug 11′ axial aus der Nut 3 entfernt, ohne die Flanke 4 zu berühren.

Nach dem Herausfahren des Fräswerkzeuges 11′ aus der Nut 3, wird, wie aus den Fig. 10A, 10B hervorgeht, das Fräswerkzeug 11 außermittig, d. h. ohne Berührung der Flanken 4, 5, in die Nut 3 eingefahren. Die nun folgende Seitbewegung infolge einer radialen Vorschubbewegung in Richtung des Pfeiles 33, bei der die Drehachse 9 (Fig. 2) des Fräswerkzeuges 11 parallel verschoben wird, gibt der Flanke 5 der Nut 3 die in Fig. 10B dargestellte Form. Hinsichtlich Bearbeitungszeit und -qualität gelten die obigen Ausführungen.

Die soweit vorbearbeitete Nut 3 wird in einem letz­ ten Arbeitsschritt zur Fertigbearbeitung mit einem Form­ fräser bearbeitet, der, mit beiden Flanken 4, 5 zugleich in Eingriff stehend, längs durch die Nut 3 geführt wird. Aufgrund der lediglich geringen und gleichmäßig abzutra­ genden Materialstärke, die dem in Fig. 7 veranschaulich­ ten Untermaß U entspricht, ist nur wenig Zerspanung erforderlich und es kann mit großem Vorschub gefahren werden, wobei der Formfräser lange maßhaltig bleibt.

In Fig. 11 ist eine abgewandelte Ausführungsform eines Fräswerkzeuges 11′′ veranschaulicht. Dieses unter­ scheidet sich von den vorstehend beschriebenen Fräswerk­ zeugen 11′, 11 lediglich durch die Ausbildung der Plat­ tensitze und die Form der daran gehaltenen Wendeschneid­ platten. Das Fräswerkzeug 11′′ weist, wie das Fräswerk­ zeug 11, einzelne Stollen 16 auf, die in Fig. 11 überein­ ander projiziert sind. Es gehören mehrere Stollen zu einer einzigen Schneide, wobei jeder Stollen ein bis zwei, maximal vier Wendeschneidplatten trägt. Im einzel­ nen sind die Plattensitze 40, 41, 42 (a bis e) zur tan­ gentialen Anordnung der jeweiligen Schneidplatten vor­ gesehen. Sie weisen eine in Umfangsrichtung liegende Anlagefläche mit einer entsprechenden radial orientierten Auflagefläche zur Aufnahme der Schneidkräfte auf.

Die Hinterschneidungen werden mittels im Querschnitt der Form der jeweiligen Hinterschneidung entsprechenden Wendeschneidplatten 210 (a bis i) ausgebildet. Wie be­ reits bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbei­ spielen der Fräswerkzeuge 11, 11′ sind die Wendeschneid­ platten 210b bis 210i durch jeweils ein Wendeschneid­ plattenpaar gebildet, deren Schneidkanten gegeneinander in Axialrichtung (Pfeil 25) versetzt sind. Dies ist in der im wesentlichen der Fig. 7 entsprechenden Fig. 12 veranschaulicht, in der die Schneidkante 210B der Wende­ schneidplatte 210b an der von dem Nutboden weg liegenden Seite und die Schneidkante 210C der Wendeschneidplatte 210c an der zu dem Boden hin liegenden Seite die jeweils andere Wendeschneidplatte überragt und somit aktiv ist. Hinsichtlich der Aufteilung der Wendeschneidplatten 210 auf unterschiedliche Stollen 16 und unterschiedliche Hinterschneidungen gelten die im Zusammenhang mit den Fig. 6A bis 6E getroffenen Ausführungen.

Insbesondere zur Herstellung von kreisbogenförmigen Rotornuten mit Tannenbaum-Querschnitt in Turbinenrotoren sind Fräswerkzeuge 11, 11′, 11′′ vorgesehen, die nach Öffnen einer grob konturierten bogenförmigen Nut in diese eingetaucht und seitlich auf die Flanke der Nut hin zugestellt werden. Ein solches Fräswerkzeug weist einen topfförmigen Werkzeugkörper 12 auf, von dessen Boden 13 sich ein ringförmiger Trägerabschnitt 14 mit einzelnen Stollen 16 weg erstreckt. Die Stollen tragen an ihrer Innen- oder Außenseite Wendeschneidplatten, die in ihrer Überdeckung das Flankenprofil der Nut bestimmen. Solche Fräswerkzeuge ermöglichen eine Bearbeitung der kreisbo­ genförmigen Nuten in einer Bearbeitungszeit, die gegen­ über der zur Bearbeitung mit herkömmlichen Formfräsern erforderlichen Zeit drastisch verkürzt ist.

Claims (17)

1. Verfahren zur Herstellung kreisbogenförmiger hinterschnittener Nuten in der Mantelfläche wenigstens abschnittsweise zylindrischer Werkstücke, insbesondere zur Ausbildung von Rotornuten in Turbinenrotoren, wobei die Nuten mittels eines unter axialem Vorschub geführten Glockensenkers ohne Hinterschneidungen vorbearbeitet, und anschließend die Nutflanken mit den erforderlichen Hin­ terschneidungen mittels eines entsprechend der Flanken­ form der Nuten profilierten Formfräswerkzeuges bearbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung der Nutflanke mit den Hinterschneidungen mittels eines gloc­ kenförmigen Formfräswerkzeuges mit der Krümmung der kreisbogenförmigen Nuten entsprechendem Durchmesser ausgeführt wird, das hierzu in die vorgeformte Nut axial eingeführt wird und dem dann eine bezüglich seiner Dreh­ achse radiale Vorschubbewegung auf die Nutflanke zu erteilt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Nutflanken nacheinander mit einem außen profilierten und mit einem innen profilierten Formfräswe­ rkzeug bearbeitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Nutflanken mit den Formfräswerkzeugen bis auf ein konstantes Aufmaß bearbeitet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Fertigbearbeitung der Nut ein entsprechend der Flankenform profilierter Schaftfräser in Längsrich­ tung der Nut geführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die einander gegenüberliegenden Flanken der Nut mit dem Schaftfräser beim Vorschub des Schaftfräsers entlang der Nut gleichzeitig bearbeitet werden.

6. Glockenförmiges Formfräswerkzeug (11), insbeson­ dere zur spanenden Bearbeitung bogenförmiger Nuten (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
mit einem Werkzeuggrundkörper (12), der einen ring­ förmigen, koaxial zu einer Drehachse (9) angeordneten Trägerabschnitt (14) aufweist,
mit an dem Trägerabschnitt (14) ausgebildeten Plat­ tensitzen (19) und Befestigungsmitteln (24) zur Aufnahme und Halterung von Wendeschneidplatten (21, 21′, 21′′),
wobei die Wendeschneidplatten (21, 21′, 21′′) bei einer Drehung des Werkzeuggrundkörpers (12) um die Dreh­ achse (9) mit ihren aktiven Schneidkanten eine zu der Drehachse (9) koaxiale Umlauffigur definieren, die in Richtung der Drehachse (9) wenigstens eine Hinterschnei­ dung aufweist.

7. Formfräswerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der ringförmige Trägerabschnitt (14) eine Folge voneinander beabstandeter Ausnehmungen (15) auf­ weist, zwischen denen Schneidplatten (21, 21′, 21′′) tra­ gende Stollen (16) ausgebildet sind.

8. Formfräswerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der ringförmige Trägerabschnitt (14) durch die Ausnehmungen (15) unterbrochen ist.

9. Formfräswerkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stollen (16) und die Ausnehmungen (15) in ihrer Größe im wesentlichen übereinstimmen.

10. Formfräswerkzeug nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an den Plattensitzen (19) bezüglich der tangential angeordneten Wendeschneidplatten (21, 21′, 21′′) freiflächenseitig zugängliche Befestigungsmittel (24) angeordnet sind.

11. Formfräswerkzeug nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schneidplatten (21, 21′, 21′′) aus­ schließlich an der Außenumfangsseite des ringförmigen Trägerabschnittes (14) angeordnet sind.

12. Formfräswerkzeug nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schneidplatten (21, 21′, 21′′) aus­ schließlich an der Innenumfangsseite des ringförmigen Trägerabschnittes (14) angeordnet sind.

13. Formfräswerkzeug nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die von den Schneidkanten der Wende­ schneidplatten (21, 21′, 21′′) definierte Umlauffigur eine in Axialrichtung gewellte Ringfläche ist.

14. Formfräswerkzeug nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schneidplatten (21, 21′, 21′′) an dem Trägerabschnitt (14) gruppenweise in sich jeweils quer zu der Umlaufrichtung erstreckenden Reihen angeord­ net sind.

15. Formfräswerkzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei der in einer Reihe angeordneten Wendeschneidplatten (21, 21′, 21′′) einer Gruppe unterschiedlich orientierte aktive Schneidkanten aufweisen.

16. Formfräswerkzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Gruppe in einer Reihe angeord­ neter Wendeschneidplatten (21, 21′, 21′′) zwei Wende­ schneidplatten (211a, 213a) gehören, deren Schneidkanten (211A, 213A) miteinander einen Winkel einschließen, dessen Winkelhalbierende im wesentlichen in Radialrich­ tung liegt.

17. Formfräswerkzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendeschneidplatten (21, 21′, 21′′) mehrerer hintereinanderliegender Reihen miteinander eine vollständige Schneide definieren.