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Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Molekularpumpen für
Gaszentrifugen Die Erfindung bezieht sich auf die Vorrichtung sowie die Herstellung
von Molekularpumpen für Gaszentrifugen oder ähnliche Geräte.
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Nolekularpumpen sind besonders in der Trennphysik und in der Hochvakuumtechnik
bekannt geworden. Sie bestehen vorwiegend aus einem Hohlzylinders dessen innere
Wand mit mehrgängigen schraubenförmig umlaufenden Profilen, den eigentlichen Pumpenkanälen,
versehen ist. Die Pumpenwirkung beruht in etwa auf dem bekannten Fördereffekt von
Rückführgewinden bei Wellenabdichtungen und wird im vorliegenden Fall der Urangaszentrifugen
durch einen in der Molekularpumpe konzentrisch, berührungsfrei, mit hoher Umfangsgenchwindigkeit
umlaufenden Rotor erzeugt.
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Das bisher übliche Herstellungsverfahren von Nolekularpumpen von Gaszentrifugen
bestand darin, aus einem starkwandigen zylindrischen
Rohling das
entsprechende Kanalprofil spanend herauszuarbeiten. Der Wandstärke der Molekularpumpe
sind hier jedoch bestimmte Mindestgrenzen gesetzt. Da die P'niipe selbst mechanisch
nicht belastet wird ann die Wandstärke in keiner Weise ausgenutzt werden Bei den
bekannten spanenden Herstellungsverfahren sind die Kosten bezüglich des Materials
und der Bearbeitung sehr hoch. Fern liegen der Werkzeugverschleiß er und Energiebedarf
und die Ausschußquote in einer Höhe, die das übliche zulässige Maß übersteigt. Ferner
erfordert die Fertigung überdurchschnittlich handwerkliches Können. Molekularpumpen
mit Kühlsystem ergeben einen noch größeren Fertigungsaufwand.
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Da auf die Molekularpumpen keine bzw. sehr geringe mechanische Kräfte
wirken, ist es hierbei nicht nötig, eine stabile und starkwandige Ausführung zu
wählen; es ist dagegen nur der Forderung entgegenzukommen, ein für die Trennung
günstiges Kanalprofil herzustellen.
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Der Erfindung liegt zunächst die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zur Herstellung von Molekularpumpen zu schaffen, die sich durch ihre Einfachheit
auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf einer Planscheibe
einer mit Gewindeschneidemöglichkeit ausgestatteten Drehbank ein Gesenk montiert
wird, dessen dem Support zugewandter Teil der Innenfläche der Bohrung mit einem
mehrgängigen gewindeähnlichen
Profil versehen ist, dessen Steigungswinkel
d, beträgt, und daß im Support derselben Drehbank ein Rollwerkzeug zentriert zur
Planscheibe und dem Gesenk fliegend gelagert angeordnet ist, wobei das Rollwerkzeug
aus zwei Scheiben besteht, an deren Umfangslinie mehrere Rollen in gleichmäßigen
Anstand drehbar gelagert sind, deren Anstellwinkel t> dem Steigungswinkel dl
des Profils im Gesenk sind.
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Um trotz der geringen Distanz zwischen zwei Gewindegängen einen hohen
Werkstoffanteil für die Umformung aus der Rohrlänge zu entnehmen, sind die Profilrollen-Durchmesser
so klein wie möglich und ihr Anstellwinkel 2gleich oder größer als der Steigungswinkel
α1 des Gesenkprofils zu wählen.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß an der Stirnseite
des Gesenks die Befestigungseinrichtung eines äußeren und eines inneren Klemmringes
vorgesehen ist, die sowohl miteinander als auch gemeinsam mit dem Gesenk mittels
Schrauben in Verbindung stehen. Ferner besteht die Vorrichtung vorzugsweise darin,
daß das Rollwerkzeug aus zwei zylindrischen Scheiben hergestellt ist, die mit einem
im Support gelagerten Spannschaft verschraubt sind und an deren Umfang gleichmäßig
verteilt diejenige AnzahL von vorzugsweise lo bis 20 Rollen angeordnet ist, der
auch die Anzahl der im Gesenk eingearbeiteten Profilgewindegänge entspricht. Die
Oberfläche der Rollen und des in das Gesenk eingearbeiteten Profils sind zur Verbesserung
der Gleitvorgänge nitriert.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das im Gesenk
eingearbeitete mehrgängige Profil um einen bestimmten Betrag breiter ist, als das
Rollenprofil und die doppelte Rohrwandstärke. Dadurch, daß nur die Radien der Profilrollen
das Werkstück (Rohr) beim Rollen berühren, wird die Reibung auf ein Minimum beschränkt.
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Diese erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt den Vorteil, daß eine handelsübliche
Drehbank Verwendung finden kann, die zusätzlich mit dem entsprechenden Gesenk und
dem Rollwerkzeug ausgestattet ist. Da die Drehbank durch die beiden für die spanlose
Verformung notwendigen Konstruktionsteile ergänzt wird, ist die Vorrichtung sehr
einfach und leicht zu bedienen. Das mehrgängige gewindeähnliche trapezförmige Profil
wird in üblicher Weise in das Gesenk gedreht.
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Ferner ist es Aufgabe der Erfindung mit Hilfe der Vorrichtung Molekularpumpen
heraustellen, bei denen die oben genannten Nachteile vermieden werden können. Form
und Ausführung der Molekularpumpe sind auf ein einfaches Fertigungsverfahren abzustimmen,
wobei gleichzeitig der Funktionswert des Bauteiles verbessert werden soll.
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Erfindungsgemäß ist die Herstellung mittels der Vorrichtung dadurch
gekennzeichnet, daß die KanalproSile (Pumpenprofile) der Molekularpumpe spanlos
durch Einrollen eines dünnwandigen Rohres geschaffen werden.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das in das Gesenk
eingeschobene Rohr an seinem Bördelrand zwischen den Klemmringen befestigt und mittels
Bolzen mit demlGesenk verbunden wird, anschließend die Profilrollen des im Support
fliegend gelagerten Rollwerkzeugs zum Profil des Gesenks mittig gestellt und nach
entsprechender Einstellung der Vorschubgeschwindigkeit des Supportes und Umdrehungsgeschwindigkeit
des Gesenks alle Profilrollen gleichzeitig mit der Umformung der mehrgängigen Pumpenkanäle
durch Einrollen des Rohrmantes inddie Gesenkprofile beginnen und in einem Arbeitsgang
die volle Länge des Rohres fertig profilieren, wobei die fertiggerollte Molekularpumpe
nach dem Zurückfahren des Rollwerkzeuges mittels der Klemmring (7, 8) aus dem Gesenk
herausgeschraubt wird.
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Dieses mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgenommenez Verfahren
zur Herstellung einer Molekularpumpe ist besonders vorteilhaft, da die Profilierung
in einem Arbeitsdurchgang durchführbar ist, und daher eine weitgehende Mechanisierung
möglich ist.
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Die ursprünglich trapezähnliche Kanalform erhält dabei einen strömungstechnisch
günstigen Querschnitt und Verlauf, der sich bei der bisherigen Ausführung nur hätte
schwer erzeugen lassen.
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Die so hergestellte Molekul&rpumpe zeichnet sich deshalb durch
ihre geringe Wärementwicklung aus. Darüber hinaus können bei der gerollten Molekularpumpe
die gleichzeitig entstehenden Außenkanäle leicht für ein intensiv wirkendes Kühlsystem
genutzt werden.
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Ein weiterer beachtlicher Vorteil dieser neuen Molekularpumpe ist
ihr sich ergebender kleinerer Einbaudurchmesser, wodurch einerseits das Vakuumgehäuse
mit den stirnseitigen Deckeln der Urangaszentrifuge kleiner gehalten werden kann,
andererseits sich auch ein geringerer Raumbedarf für die Gesamt-Trennanlagen ergibt.
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Die nach diesem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Molekularpumpe
hat eine beachtliche Formsteifigkeit. Sie weist eine hohe Maßgenauigkeit auf, obwohl
die Fertigung keinerlei handwerkliche Ansprüche stellt. Durch die günstige Auslegung
der Vorrichtung verkürzt sich die Rohrausgangslänge um mehr als 30 %, während die
Wandstärke im größten Streckbereich um etwa 2o % abnimmt. Somit ist das Verformungsvermögen
eines duktilen Werkstoffes noch nicht ausgelastet. Gegenüber den bisherigen Molekularpumpen
sinken die Bearbeitungskosten auf weniger als 10 %, wahrend die Materialkosten nur
noch ca. 5 °% betragen.
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Daneben ergibt sich für die Ferti g der erfindungsgemäßen Molekularpumpen
eine starke Verminderung des Werkzeugverschleißes und nur ein Bruchteil des Energiebedarfs
bei der Formgebung. Es ist zu erwarten, daß die Ausschußquote um ein Mehrfaches
kleiner ist, als bei der alten Version und daß es im Vergleich zu ihr keine lästigen
Späneprobleme gibt.
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Die Erfindung wird beispielsweise anhand der Zeichnung erweitert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein auf der Planscheibe einer Drehbank befestigtes
erfindungsgemäßes Gesenk, in dem einerseits das unverformte Rohr eingeschoben und
andererseits das Rohr gerollt dargestellt ist.
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Fig. 1a ein auf dem Support der Drehbank zentriert zum Gesenk nach
Fig. 1 angeordnetes erfindungsgemäßes Rollwerkzeug Fig. 2 einen Schnitt durch das
gerollte Rohr (Fig. 1) Die Vorrichtung besteht aus einem Gesenk 1 und dem eigentlichen
Rollwerk.eug 3. Auf der Planscheibe einer Drehbank ist das Gesenk 1 befestigt (Fig.
1). Das Gesenk ist im wesentlichen ein Hohlzylinder mit einseitigem Flansch zum
zentrischen Spannen auf einer Drehba,nk-Planscheibe. Gesenk und Planscheibe besitzen
die gemeinsame Achse 12.
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Die Befestigung des Gesenks an der Planscheibe, welche sich in der
Richtung des angegebenen Pfeiles umzudrehen vermag, ist mit den Schrauben 1a gewährleistet.
An der anderen Stirnseite des Gesenks befindet sich eine Ringnut, in welcher der
Klemmring 8 angeordnet ist. Die Stirnseite des Gesenks, sowie die des Klemmringes
8 werden von einem zweiten Klemmring 7 abgeschlossen, wobei
einerseits
Bolzen 9 die Klemmring mit dem Gesenk und andererseits Schraube 9a die Klemmringe
7 und 8 miteinander verbindet.
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Mit 2 ist das mehrgängige gewindeaknliche Profil bezeichnet, das sich
an der Innenfläche des Hohl zylinders von der Stirnseite etwa über 2/3 des Gesenks
erstreckt. Der äußere Durchmesser des Profils'2 ist mit DD bezeichnet, Im unteren
Schnittbild der Fig. 1 ist das im Gesenk einge schobene Rohr ersichtlich, das mit
seiner äußeren Mantelfläche am gewindeähnlichen Profil anliegt. Das an einer Stirnseite
umgebördelte Rohr 5 wird an seinem Bördelrand 6 zwischen dem Klemmring 7 und 8 eingespannt.
Bolzen 9 dient als Mitnehmer zwischen Gesenk und Rohr.
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Vor Beschreibung der oberen Schnitthälfte, Fig. 1, erscheint es notwendig
und zweckmäßig zu sein, das erfindungsgemäße Rollwerkzeug nach Fig. 1 zu beschreiben.
Im Support 11 ist das Rollwerkzeug 3 zentriert zur Planscheibe - gegen das Gesenk
hinweisend, fliegend gelagert. Durch die nach links und rechts zeigenden Pfeile
wird die Verschiebemöglichkeit des Supportes angedeutet. Das Rollwerkzeug besteht
aus zwei zylindrischen Scheiben 13 mit dem Durchmesser D5, die gemeinsam mit einem
Spannschaft verschraubt sind und im Beispiel gleichmäßig am Umfang verteilte, drehbar
gelagerte Profilrollen 4 tragen. Die Rollen 4 mit dem Durchmesser d sind gegen die
Achse 12 und dem
Anstellwinkel 42 geneigt, der erfindungsgemäß
gleich oder größer ist als der Steigungswinkel 41 des gewindeähnlichen Profils 2
im Gesenk. Durch die in den Scheiben 13 gelagerten Rollen wird der Rollenkreisdurchmesser
DR bestimmt, der um den Betrag der Rückfederung größer ist als der Werkstück-Durchmesser
Dwi (Fig. 2). Der Scheibendurchmesser D5 entspricht etwa dem Innendurchmesser des
nicht verformten Rohrs 5.
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Nach Beschreibung des Rollwerkzeuges nach Fig. 1a kann die obere Schnitthälfte
der Fig. 1 verständlich gemacht werden. Hier wird des der Zustand/bis etwa zur Hälfte
gerollten Rohres 5 gezeigt. Die Profilrollen werden zum Profil des Gesenks mittig
gestellt, so daß beim Einrollen alle 16 Profilrollen gleichzeitig mit der Umformung
beginnen. Jede der 16 Profilrollen 4 drückt den Rohrmantel in das gewindeähnliche
Kanalprofil (Fig. 2), dessen Steigungswinkel i1 beträgt. Jede Rolle zieht trotz
der geringen zwischen den angerenzenden Rollen bestehenden Distanz den größter Teil
des benötigten Werkstoffes aus dem noch nicht umgeformten Rohrstück. Das gerollte
Rohr verkürzt sich gegenüber seiner ursprünglichen Länge um den Wert a, so daß -
wie dies in Fig. 1 ersichtlich ist - das Rohr in den Bereich des gewindeähnlichen
Profiles des Gesenks gezogen wird.
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Aus Fig. 2 geht das in Fig. 1 gezeigte gewindeähnliche Profil (Schnitt
II/II) hervor. Mit 2 ist das trapeeahnliche, mehrgängige gewindeähnliche Profil
dargestellt, welches in etwa einem
einem Innengewinde des Gesenks
4 entspricht. Das Rohr 5 wird mittels der Profilrollen 4 im Gesenk umgeformt, wobei
sich die Wandstärke des Rohres im größten Streckbereich auf die endgültige Wandstärke
b reduziert. Als Durchmesserwerte sind mit DD der äußere.Gewindedurchmesser im Gesenk,
mit Dwi der innere Gewindedurchmesser des umgeformten Rohres 5, welcher etwa dem
Rollenkreisdurchmesser Dß (Fig. 1a) entspricht, angeführt.
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Die Breite der Profilrollen ist gegenüber der Profilbreite des Gesenks
so schmal, daß nur ihre Radien das Werkstück beim Rollen berühren. Der Reibungswert
zwischen Profilrollen und Rohr einerseits und Gesenk und Rohr andererseits wird
hiermit bei der Umformung sehr niedrig gehalten.