DE19742137A1 - Walzvorrichtung zum Erzeugen von Druckeigenspannungen in einem Bauteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Walzvorrichtung zum Erzeugen von Druckeigenspannungen in einer entlang einer Wandung einer Ma­ terialausnehmung eines Bauteils, insbesondere eines Turbinen­ läufers verlaufenden Kerbe. Die Walzvorrichtung hat ein ent­ lang einer Längsachse gestrecktes und verschiebliches Posi­ tionierungsteil, ein entlang einer Querachse angeordnetes, balliges Walzelement und ein Kraftübertragungssystem. Die Querachse verläuft im wesentlichen orthogonal zur Längsachse, und mit dem Krafterteilungssystem ist eine von der Längsachse weg gerichtete Kraft in Richtung der Querachse auf das Walz­ element übertragbar. Hierdurch können in Kerben, welche im wesentlichen orthogonal zu einer Hauptausdehnungsrichtung der Materialausnehmung verlaufen, Druckeigenspannungen erzeugt werden, die weitgehend parallel zur Hauptausdehnungsrichtung der Materialausnehmung verlaufen. Dies ist insbesondere für Materialausnehmungen zur Aufnahme von Turbinenschaufeln in einem Turbinenläufer günstig, da die Hauptausdehnungsrichtung der Materialausnehmung mit der Belastungsrichtung infolge der auftretenden betrieblichen Fliehkräfte zusammenfällt.

Eine derartige Walzvorrichtung ist in der deutschen Patentan­ meldung 195 16 834.8 derselben Anmelderin beschrieben. Diese Walzvorrichtung hat vorzugsweise ein Walzelement mit einer hydraulisch gelagerten Kugel, die über ein Hydrauliksystem mit einer Hochdruckpumpe an die Oberfläche der Kerbe mit ho­ hem Druck anpreßbar ist. Die Walzvorrichtung kann als nahezu universales Werkzeug mit einem Positionierungsteil und einem einzigen Walzelement ausgebildet sein, wodurch über das Posi­ tionierungsteil eine Grobjustierung und über das Walzelement eine Feinjustierung innerhalb der Materialausnehmung erfolgt. Die Walzvorrichtung kann für ein zeiteffizientes Festwalzen für eine große Anzahl von Materialausnehmungen gleicher Geo­ metrie mit mehreren Walzelementen ausgeführt sein, die einan­ der gegenüberliegend und in verschiedenen Positionen entlang einer Längsachse der Walzvorrichtung angeordnet sind. Die Walzelemente können auswechselbar sein, so daß mit einer Walzvorrichtung sowohl ein Festwalzen als auch ein Glattwal­ zen der entsprechenden Kerbe möglich ist. Diese bekannte Walzvorrichtung hat sich bewährt, ist jedoch verbesserungs­ würdig für den Einsatz in den Tannenprofilnuten eines Turbi­ nenläufers zur Verankerung von Turbinenschaufeln mit in axia­ ler Richtung gebogenem Verlauf, für die die bekannte Walzvor­ richtung besonderer Steuerungsvorrichtungen bedarf und mit der das Erzeugen einer Druckeigenspannung an den Kanten des Bauteils nicht ohne weiteres möglich ist.

Der Erfindung liegt folglich das Problem zugrunde, die Walz­ vorrichtung der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß sich damit Druckeigenspannungen entlang einer Wandung einer in einer Materialausnehmung eines Bauteils verlaufenden Kerbe, einschließlich des Kantenbereichs am Anfang und am Ende der Kerbe schnell und einfach erzeugen lassen.

Ausgehend von dieser Problemstellung wird bei einer Walzvor­ richtung der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, erfin­ dungsgemäß an einem wenigstens entlang der Kerbe beweglichen Träger wenigstens einen Halter für ein balliges Walzelement anzuordnen, wobei der Halter als zweiarmiger Hebel am Träger um eine parallel zur Kerbe verlaufenden Achse kippbar ange­ ordnet ist, und ein Kraftübertragungssystem zwischen dem Trä­ ger und dem Walzelement zum Einstellen einer quer zum Verlauf der Kerbe gerichteten Walzkraft vorzusehen.

Bevorzugt ist, zwei in Richtung der Kerbe sowie in der Höhe versetzte Halter für je ein balliges Walzelement anzuordnen. Dadurch gelingt es, bei zwei übereinandergeordneten Kerben in einem Arbeitsgang die gewünschte Preßkraft jeweils gleichzei­ tig in jeder Kerbe aufbringen zu können.

Durch die gegeneinander versetzte Anordnung der Halter für die Walzelemente läßt sich die Walzvorrichtung mit großer Ei­ gensteifigkeit ausbilden, so daß sich hohe, mittels des Kraftübertragungssystems einstellbare, quer zum Verlauf der Kerbe gerichtete Walzkräfte erzeugen lassen. Diese führen zu Druckeigenspannungen entlang einer Belastungsachse des Bau­ teils in einer etwa senkrecht zu der Beiastungsachse verlau­ fenden Kerbe, die eine in einem zur Belastungsachse paralle­ len Querschnitt liegende Krümmung aufweisen kann. Die Kerbe wird dabei über mehrere, entlang der Belastungsachse ausge­ richtete Bahnen festgewalzt, wobei jede Bahn die Kerbe nur zu einem Teil erfaßt. Die Walzvorrichtung eignet sich insbeson­ dere zum Festwalzen von Halterungen in Profilnuten und ande­ ren Haltenuten für Turbinenschaufeln und ähnlichen Bauteilen.

Bevorzugterweise können mehrere Halter als zweiarmige Hebel am Träger auf einer parallel zur Kerbe verlaufenden Achse kippbar angeordnet sein, wobei das Kraftübertragungssystem im Träger jeweils an einem Ende eines Hebels angreift und ein balliges Walzelement jeweils am anderen Ende des Hebels ange­ ordnet ist. Durch Wahl der Hebeiübersetzung läßt sich mit ei­ nem verhältnismäßig kleinen Federsystem eine hohe Walzkraft einstellen, die für jedes Walzelement unterschiedlich sein kann. Entsprechend einer Weiterbildung kann die Hebelüberset­ zung auch geändert werden, beispielsweise über eine Verlage­ rung der Achse zur Drehung des Halters.

Um die Walzvorrichtung durch gekrümmte Tannenprofilnuten in einer Radscheibe eines Turbinenläufers führen zu können, kann der Träger um eine zum Verlauf der Kerbe senkrechten Achse drehbar sein, an einer Maschinenspindel befestigt sein und am Träger an die Wände der Profilnuten anlegbare Stütz- und Füh­ rungsrollen aufweisen. Dabei kann der Träger entweder mit Bezug auf die Maschinenspindei drehbar sein, oder er kann in einer Werkzeughalterung der Maschinenspindel undrehbar befe­ stigt sein, während die Maschinenspindel beim Walzvorgang frei drehbar ist.

Die Stütz- und Führungsrollen dienen im wesentlichen zum Füh­ ren der Walzvorrichtung beim Einführen in eine Materialaus­ nehmung, während die Maschinenspindel die Walzkraft aufnimmt.

Um die Stütz- und Führungsrollen im wesentlichen spielfrei durch die Materialausnehmung zu führen, können sie mittels einer exzentrischen Lagerung einstellbar am Träger angeordnet sein.

Die Verwendung eines zweiarmigen Hebels gestattet es, die Preßkraft in der Kerbe so aufzubringen, daß gerichtete Druck­ eigenspannungen entlang der Wandung und insbesondere entlang des Kantenbereiches am Anfang und am Ende erzeugt werden. Beim Verfahren steht das Walzelement beispielsweise bei einer umlaufenden nach oben gerichteten Hochfahrbewegung der Walz­ vorrichtung unterhalb der nächsten zu verfestigenden Ebene. Während des Hochfahrens gestattet der Hebel die Ausübung der Preßkraft gerichtet auf die Ebene entsprechend der dabei zu überfahrenden Kontur. Dieses erlaubt das Aufbringen einer Kraft nicht nur senkrecht zur Achse des Hebels sondern auch im Winkel dazu.

Die erfindungsgemäße Walzvorrichtung ist besonders geeignet zum Erzeugen von Druckeigenspannungen in einer Tannenprofil­ nut einer Radscheibe eines Turbinenläufers zur Verankerung einer Turbinenschaufel, wenn drei Hebel am Träger in Richtung der Nut sowie in Höhe der Kerben in der Nut versetzt angeord­ net sind, die Vorspannung des Federsystems eines jeden Hebels mittels einer Einstellschraube einstellbar ist und die Stütz- und Führungsrollen am einlaufseitigen Bereich des Trägers zur im wesentlichen spielfreien Anlage an gegenüberliegende Wände der Nut einstellbar angeordnet sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine seitliche Teilansicht einer Radscheibe eines Turbinenläufers mit Tannenprofilnuten zur Aufnahme von Turbi­ nenschaufeln,

Fig. 2 eine teilweise Draufsicht auf eine Radscheibe mit gebogenen Tannenprofilnuten,

Fig. 3 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Walzvor­ richtung,

Fig. 4 eine Vorderansicht der Walzvorrichtung gemäß Fig. 3,

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Walzvorrichtung gemäß Fig. 4 und

Fig. 6 eine Weiterbildung der Walzvorrichtung gemäß Fig. 5.

In Fig. 1 weist eine nur teilweise dargestellte Radscheibe 4 eines Turbinenläufers, die das Bauteil ist, das mit einer er­ findungsgemäßen Walzvorrichtung 1 mit Druckeigenspannungen versehen werden soll, auf ihrem Umfang Materialausnehmungen 3 in Form von Tannenprofilnuten auf, die in Achsrichtung gebo­ gen verlaufen. Diese Tannenprofilnuten 3 weisen im wesentli­ chen parallele Wände 2 auf, die mit gegenüberliegenden Kerben 5 versehen sind.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Radscheibe 4 aus Fig. 2. Das Festwalzen von metallischen Bauteilen, die Kerben zur Halterung von Bauelementen aufweisen, wie z. B. Haltenuten zur Verankerung von Turbinenschaufeln in einem Turbinenläu­ fer, die betrieblichen Fliehkraftbelastungen unterliegen, die entlang einer zu den Kerben senkrechten Belastungsachse wir­ ken, erfolgt mit dem Ziel, die Dauerhaltbarkeit, insbesondere die Haltbarkeit unter Schwingungsriß-Korrosionsangriffen zu erhöhen. Beim Festwalzen ist die Oberflächendeformation zum Teil elastisch und zum Teil plastisch. Sie führt einerseits zur Steigerung der Härte des bearbeiteten Werkstoffes an sei­ ner Oberfläche sowie in oberflächennahen Schichten und ande­ rerseits zur Ausbildung von Druckeigenspannungen an und unter der Oberfläche. Diese Druckeigenspannungen sind unter Umstän­ den geeignet, Rißwachstum von der Oberfläche in den Werkstoff hinein zu unterbinden. Druckeigenspannungen kommen daher in Frage, um Schwingungsriß-Korrosionsangriffen entgegen zu tre­ ten. Die Vermeidung von Gefährdung von Schwingungsriß-Korro­ sion ist ein wichtiger Aspekt bei der Herstellung von rotati­ onsbeiasteten Komponenten von Gas- oder Dampfturbinen, wie Turbinenschaufein. In der bereits erwähnten deutschen Offen­ legungsschrift 195 16 834.8 derselben Anmelderin sind ver­ schiedene Walzvorrichtungen und die durch das mittels der Walzvorrichtung erzielten Effekte im einzelnen dokumentiert und beschrieben.

In Fig. 3 ist die erfindungsgemäße Walzvorrichtung 1 an ei­ ner im einzelnen nicht dargestellten Werkzeughalterung einer Maschinenspindel 6 undrehbar befestigt und weist einen Träger 7 für drei Halter 8 in Form von zweiarmigen Hebein für bal­ lige Walzelemente 9 auf. Jeder dieser Halter 8 ist um eine Kippachse 11 kippbar, die im wesentlichen in Richtung der Ma­ terialausnehmung 3, d. h. der Tannenprofilnut verlaufen. Je­ des im Träger 7 liegende Ende der Halter 8 ist von einem Kraftübertragungssystem 10 in Form eines Federsystems beauf­ schlagt, dessen die Walzkraft bestimmende Kraft mittels Ein­ stellschrauben 15 für jeden Halter 8 getrennt einstellbar ist.

Fig. 4 zeigt eine Vorderansicht der Walzvorrichtung 1 gemäß Fig. 3. An einem Ende des Trägers 7, das jeweils das ein­ laufseitige Ende beim Einlauf in eine Tannenprofilnut 3 ist, ist eine Konsole 16 aufgebracht, in der zwei Träger 14 für ein Paar Stütz- und Führungsrollen 13 drehbar und feststell­ bar gelagert sind. Die Konsole 16 kann ein Lagerbock sein.

Die Stütz- und Führungsrollen 13 sind an den Trägern 14 ex­ zentrisch gelagert, so daß sich der Abstand der Stütz- und Führungsrollen 13 durch Drehen der Träger 14 verändern und an den Abstand der Wände 2 einer Tannenprofilnut 3 anpassen läßt, so daß die Stütz- und Führungsrollen 13 im wesentlichen spielfrei an diesen Wänden 2 anliegen. Die Träger 14 weisen dazu beispielsweise eine exzentrische Stirnbohrung für die Stütz- und Führungsrollenachse auf.

Fig. 5 zeigt, wie die erfindungsgemäße Walzvorrichtung 1 am Werkstück, d. h. beispielsweise einer Radscheibe 4 eines Tur­ binenläufers mit Bezug auf eine Tannenprofilnut 3 positio­ niert und ausgerichtet ist. Der zum Erzeugen von Druckeigen­ spannungen benötigte Anpreßdruck der Walzelemente 9 an die Kerben 5 wird über die Vorspannungen jedes einzelnen Federsy­ stems 10 mittels der Einsteilschrauben 15 für jedes Walzele­ ment 9 gesondert eingestellt.

Bereits beim Einlaufen in die Tannenprofilnut 3 wird auf diese Weise eine Druckeigenspannung an den Kanten der Tannen­ profilnut 3 erzeugt.

Während des Walzvorgangs ist die Maschinenspindel 6 freige­ schaltet und kann sich, durch die Stütz- und Führungsrollen 13 geführt, frei um ihre Achse 12 drehen und damit dem Ver­ lauf der Tannenprofilnut 3 folgen. Die Achse 12 kann über ei­ nen Einspannzapfen, der die Drehachse vorgibt, definiert sein. Beim Einlauf in die Tannenprofilnut 3 wird das durch den außen liegenden Halter 8 bzw. Walzelement 9 erzeugte Drehmoment um die Achse 12 durch die Stütz- und Führungsrol­ len 13 ausgeglichen. Diese erzeugen ein entgegengesetztes Drehmoment, das zur Führung entlang des Verlaufes des Tannen­ baumprofiles 3 dient.

Die Walzvorrichtung 1 wird zeilenweise durch eine Tannenpro­ filnut 3 oder eine Ausnehmung eines anderen Bauteils geführt, bis die einzelnen Walzelemente 9 über die Kanten der Tannen­ profilnut 3 aus der Radscheibe austreten und dabei auch diese Kanten festwalzen.

Die zeilenweise Zustellung erfolgt über den Vorschub der Ma­ schinenspindel 6, an der die Walzvorrichtung 1 gehalten ist. Die Steuerung der Bewegung der Walzvorrichtung 1 mit Bezug auf das Bauteil 4, in diesem Fall die Radscheibe eines Turbi­ nenläufers, kann mittels einer NC-Steuerung erfolgen.

Fig. 6 zeigt eine Weiterbildung der Walzvorrichtung gemäß Fig. 5. An beiden Enden des Trägers 7 ist eine Konsole 16 aufgebracht, in der zwei Träger 14 für ein Paar Stütz- und Führungsrollen 13 drehbar und feststellbar gelagert sind. Die Konsole 16 ist als Lagerbock ausgebildet, in dem die Stütz- und Führungsrollen 13 exentrisch gelagert sind. Dadurch, daß an jedem Ende des Trägers 7 die Möglichkeit zur Aufnahme bzw. Einleitung eines Drehmomentes um die Achse 12 des Trägers 7 gegeben ist, kann die Walzvorrichtung nicht nur die Verfahr­ richtung ohne Probleme ändern. Vielmehr ermöglicht dieses insbesondere bei runden Kerben eine mehrfache Führung, was die Genauigkeit nochmals erhöht.

Die erfindungsgemäße Walzvorrichtung läßt sich für ein ra­ sches Festwalzen einer großen Anzahl von Materialausnehmungen in gleicher Geometrie mit mehreren Walzelemente ausführen. Die Walzelemente können auswechselbar sein, so daß mit einer einzigen Walzvorrichtung sowohl ein Festwalzen als auch ein Glattwalzen der entsprechenden Kerben möglich ist.

Claims (9)

1. Walzvorrichtung (1) zum Erzeugen von Druckeigenspannungen in einer entlang einer Wandung (2) einer Materialausnehmung (3) eines Bauteils (4) verlaufenden Kerbe (5) mit einem we­ nigstens entlang der Kerbe (5) beweglichen Träger (7), wenig­ stens einem Halter (8) für ein balliges Walzelement (9), wo­ bei der Halter (8) als zweiarmiger Hebel am Träger (7) um eine parallel zur Kerbe (5) verlaufende Kippachse (11) kipp­ bar angeordnet ist, und einem Kraftübertragungssystem (10) zwischen dem Träger (7) und dem Walzelement (9) zum Einstel­ len einer quer zum Verlauf der Kerbe (5) gerichteten Walz­ kraft.

2. Walzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei am Träger (7) angeordnete, in Richtung der Kerbe (5) sowie in der Höhe versetzte Halter (8) für je ein balliges Walzelement (9) vorhanden sind.

3. Walzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungssystem (10) im Träger (7) an einem Ende des Halters (8) angreift und ein balliges Walzelement (9) am an­ deren Ende des Halters (8) angeordnet ist.

4. Walzvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungssystem (10) ein für das Walzelement (9) ein­ stellbares Federsystem aufweist, insbesondere für jeweils ein Walzelement ein Federsystem.

5. Walzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hebe­ lübersetzung des zweiarmigen Hebels änderbar ist, insbeson­ dere über eine Lageänderung der Kippachse (11).

6. Walzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (7) um eine zum Verlauf der Kerbe (5) senkrechte Achse (12) drehbar ist, an einer Maschinenspindel (6) befestigt ist und am Träger (7) an die Wände (2) der Kerbe (5) anlegbare Stütz- und Führungsrollen (13) angeordnet sind.

7. Walzvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (7) an der Maschinenspindel (6) in einer Werkzeughalterung undrehbar befestigt und die Maschinenspindel (6) während des Walzvorganges frei drehbar ist.

8. Walzvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütz- und Führungsrollen (13) mittels einer exzentrischen Lagerung (14) einstellbar am Träger (7) angeordnet sind.

9. Walzvorrichtung zum Erzeugen von Druckeigenspannungen in einer Tannenprofilnut (3) einer Radscheibe (4) eines Turbi­ nenläufers zur Verankerung einer Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß drei Hal­ ter (8) am Träger (7) in Richtung der Nut (3) sowie in der Höhe der Kerben (5) in der Nut (3) versetzt angeordnet sind, die Vorspannung des Federsystems (10) eines jeden Halters (8) mittels einer Einstellschraube (15) einstellbar ist und die Stütz- und Führungsrollen (13) am einlaufseitigen Bereich des Trägers (7) zur im wesentlichen spielfreien Anlage an gegen­ überliegende Wände (2) der Nut (3) einstellbar angeordnet sind.