DE3015970C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wiederherstellen oder Modifizieren der ursprünglichen Form metallischer Werk­ stücke, mit einem in einem Gehäuse untergebrachten Gesenk, das eine der gewünschten Form des Werkstücks entsprechende, dieses aufnehmende Stirnfläche aufweist, sowie mit einer Heizeinrichtung für das Werkstück, wobei das Gehäuse durch einen Deckel verschließbar und zwischen Gesenk und Deckel eine elastisch nachgiebige Membran angeordnet ist, die auf ihrer dem Deckel zugewandten Seite mit einem Druckmittel beaufschlagbar ist.

Eine Vorrichtung solcher Art ist aus der Zeitschrift "Metall", 1980, Heft 4, Seiten 314 bis 318 bekannt und für das Formen von Blechteilen vorgesehen. Die Blechteile sollen schnell und wirtschaftlich unter Benutzung einer weichen Membran gegen eine Formfläche gepreßt werden. Wesentlich für diese bekannte Vorrichtung ist es, daß der Preßvorgang schnell in Art eines Druckstoßes ablaufen soll.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine derartige Vorrichtung zum Wiederherstellen oder Modifizieren der ur­ sprünglichen Form massiver Werkstücke aus nur schwer ver­ formbarem, metallischem Werkstoff, beispielsweise für Kriech­ form-Behandlung von Turbinenschaufeln oder Verdichterschaufeln, einsetzbar zu machen, wobei die Behandlung solcher Werkstücke unter wirtschaftlich günstiger Kostenstellung bis etwa 15% Verformungsgrad einstufig durchführbar sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich zwischen Membran und Gesenk eine aus Teilchen nachgiebigen, wärmebeständigen und druckübertragenden Materials be­ stehende Masse befindet, die von dem Gesenk und dem Werkstück durch eine auf dem Werkstück und der das Werkstück aufnehmen­ den Gesenkstirnfläche liegende, aus elastischem, wärmebe­ ständigem Material bestehende Platte abgetrennt ist.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich die Wieder­ herstellung oder das Modifizieren der ursprünglichen Form metallischer Werkstücke in einem Kriechformvorgang ausführen. Hierzu bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung einerseits die für den Kriechformvorgang geeignete Kombination von Erhitzen und Druckausübung am Werkstück. Dabei wird der Druck gleichmäßig über die gesamte druckbeaufschlagte Werkstück­ oberfläche verteilt. Die gleichmäßige Druckausübung wird dabei nicht durch die Verformung des Werkstückes während des Kriechformvorganges gestört und auch nicht die Höhe des auf das Werkstück ausgeübten Druckes durch den Kriechformvorgang und die dabei auftretende Formänderung des Werkstückes ver­ ändert.

Die aus Teilchen gebildete Masse kann im Rahmen der Erfindung aus Asbest, Vermiculit oder einem wärmebeständigen Glas bestehen. Diese Materialien erfüllen in besonders vorteilhafter Weise die an die zwischen Membran und Ge­ senk angeordnete Masse gestellten Anforderungen.

Bevorzugt kann die der aus Teilchen bestehenden Masse zuge­ wandte Gesenkstirnfläche konkav ausgebildet sein. Die konkav ausgebildete Gesenkstirnfläche bietet den Vorteil, daß der von der aus Teilchen bestehenden Masse auf das Gesenk bzw. auf das in das Gesenk eingelegte Werkstück ausgeübte Druck stärker konzentriert wird, während bei konvex ausgebildeter Gesenkoberfläche die Druckwirkung stärker nach dem Gesenk­ umfang und der Gehäusewand abgelenkt wird. Darüber hinaus ist in einem konkav ausgebildeten Gesenk das Werkstück so ausgerichtet, daß der von der aus Teilchen gebildeten Masse auf das Werkstück ausgeübte Umformungsdruck im rechten Winkel bzw. so rechtwinklig wie möglich auf die konkave Seite des Werkstücks wirkt.

Zusätzlich zur Möglichkeit, die Membran an ihrer dem Deckel zugewandten Seite mit einem Druckmittel zu beaufschlagen kann im Rahmen der Erfindung auch noch das Gehäuse im Bereich zwischen der Membran und dem Gesenk einen zusätzlichen, zu dem die aus Teilchen bestehende Masse aufnehmenden Raum führenden Anschluß für eine Unterdruckleitung aufweisen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Umformen von metallischen Werkstücken in ursprüngliche bzw. neue Gestaltungsform;

Fig. 2 eine Vorderansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch die Vor­ richtung gemäß Fig. 1; und

Fig. 4 eine perspektivische Wiedergabe eines Werk­ stücks vor und nach der Behandlung in der Vorrichtung, wobei links eine Turbinenschaufel vor der Behandlung und rechts die umgeformte Turbinenschaufel dargestellt ist.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Vorrichtung 10 kann in Art einer Muffel ausgebildet sein und weist hierzu ein mit Schamottesteinen oder Ziegeln 40 isoliertes Gehäuse 12 auf, das auf einem durch Rollen 16 beweglich gemachten Ständer 14 getragen ist. Das Gehäuse 12 weist einen Deckel 18 auf, der durch Gelenke 20 drehbar angebracht ist. Der Deckel 18 läßt sich durch einen Handgriff 22 öffnen und schließen, wobei die Handhabung des Deckels durch das Gegen­ gewicht 24 erleichtert wird.

Der Deckel 18 ist in der dargestellten, verschlossenen Lage durch eine Ringschraube 26 und eine auf diese Schraube auf­ geschraubte Mutter 28 fest verschließbar. Die Ringschraube 26 ist schwenkbar an einem am Gehäuse 12 gestützten Winkelstück 30 angebracht und erstreckt sich nach oben durch Schlitze 32 und 34 im Deckel. Durch Anziehen der Mutter 28 wird der Deckel gegen den Rand 36 am oberen offenen Ende des Gehäuses 12 gespannt.

Im Inneren des Gehäuses 12 ist ein einseitig ausgebildetes Gesenk 42 untergebracht, das eine Gesenkstirnfläche 44 auf­ weist, deren Profil die für das umzuformende Werkstück ge­ wünschte Form aufweist. Das Gesenk 42 kann entweder aus einem Metall oder aus keramischem Material hergestellt sein. Zu bevorzugen ist keramisches Material, weil dessen Ausdehnung regulierbar ist und geeignete keramische Werkstoffe bei Erwärmung nicht ihre Form verändern sowie längere Lebens­ dauer aufweisen. Ein geeigneter keramischer Werkstoff ist beispielsweise eine gießbare Glassteinkeramik. Das Gesenk 42 läßt sich mit der gewünschten Formgebung seiner Gesenk­ stirnfläche 44 gießen. Beispielsweise wird ein Gesenk 42 für das Umformen bzw. Umprofilieren von Turbinenschaufeln als Glasstein in das gewünschte Schaufelprofil mit Aus­ schnitten der Deckbänder und des Schaufelfußes gegossen. In der Nähe des Oberfläche der Gesenkstirnfläche 44 sind seitliche Löcher zur Aufnahme von als Heizeinrichtung dienenden Heizelementen 46 (Fig. 3) angebracht.

Das Gesenk 42 kann sowohl mit konkaver als auch mit konvexer Gesenkstirnfläche 44 ausgebildet werden. Für das Umformen bzw. Umprofilieren von Turbinenschaufeln wird ein Gesenk 42 mit konkav ausgebildeter Gesenkstirnfläche 44 bevorzugt, da sich solche Schaufeln dadurch leichter in der korrekten Lage halten lassen. Bei einem konkav ausgebildeten Gesenk ist darüber hinaus die zu behandelnde Schaufel so ausgerichtet, daß der Umformungsdruck im rechten Winkel bzw. so recht­ winklig wie möglich auf die konkave Seite der Schaufel wirkt. Dies trägt auch dazu bei, die Schaufel durch Begrenzung ihrer Bewegung in der korrekten Lage zu halten.

Das umzuformende Werkstück wird durch die obengenannten elektrischen Heizelemente 46 (von denen nur eines gezeigt ist) durch Wärmeleitung durch das Gesenk 42 erwärmt. Die typisch als Widerstandsheizelemente ausgebildeten und bei­ spielsweise aus Nickelchrom hergestellten Heizelemente 46 sind im dargestellten Beispiel im Gesenk 42 in der Nähe der Gesenkstirnfläche 44 eingebettet. Die Heizelemente 46 werden über die zu den Ausschnitten 50 im Gehäuse 12 aus­ gerichteten Anschlußblöcke 48 mit Strom versorgt. Die Temperatur in der Vorrichtung wird durch nicht gezeigte Thermoelemente überwacht, deren Leitungen sich durch Öffnungen 52 zur Außenseite des Gehäuses erstrecken.

Nachdem das zu behandelnde Werkstück auf der Gesenkstirn­ fläche 44 plaziert worden ist, wird es mit einer Platte 70 eines wärmebeständigen bzw. feuerfesten Materials wie Glaskeramik, Asbest usw. bedeckt. Der im Inneren des Ge­ häuses 12 oberhalb der Platte 70 gebildete Raum 72 wird sodann mit einer aus nachgiebigem, wärmebeständigem, druck­ übertragenden Teilchen gebildeten Masse 74, beispielsweise Stücken aus Glaskeramik aufgefüllt. Es können auch Asbeststreifen oder wärmebeständige Glasperlen hierfür verwendet werden.

Die nachgiebige, aus wärmebeständigen Teilchen gebildete Masse 74 wird durch die Platte 70 gegen Berührung mit dem umzuformenden Werkstück abgeschlossen. Demzufolge können sich Teilchen dieser Masse 74 nicht in dem Werkstück ein­ betten oder dem Werkstück aufprägen.

Nach dem Füllen des Hohlraumes 72 mit der Masse 74 wird eine Membran 76 aus wärmebeständigem Gummi oder Silicon über die nachgiebige Masse 74 gelegt. Wenn der Deckel 18 geschlossen und durch Anziehen der Mutter 28 an Ort und Stelle festgespannt ist, bildet die Membran 76 eine vakuum- bzw. druckdichte Abdichtung; sie dient darüber hinaus als auf die Masse 74 einwirkendes druckübermittelndes Organ.

Das zu behandelnde Werkstück, beispielsweise eine Turbinen­ schaufel 68, kann jetzt dadurch über die Masse 74 mit regel­ barem Druck beaufschlagt werden, daß Druckmittel durch eine mit einem Ventil 56 ausgerüstete Leitung 54 zwischen der Membran 76 und dem Deckel 18 eingeführt wird. Der Druck wird durch das Manometer 58 überwacht. Das Druckmittel kann durch eine Leitung 60 abgelassen werden. Im dargestellten Beispiel kann nach dem Abdichten des Gehäuses 12 zwischen dem Deckel 18 und der Oberseite der Membran 76 beispielsweise ein Luft­ druck von 13,8 bis 20,7 kPa angelegt werden, während den Heizelementen 46 zum Erwärmen des Werkstückes Strom zugeführt wird. Die Temperatur wird durch die oben erwähnten Thermo­ elemente, die sich entlang des Werkstückes befinden, gemessen und geregelt. Wenn das Werkstück die für das Umformen ge­ wünschte Temperatur erreicht hat, wird an die Oberseite der Membran 76 der maximale Luftdruck angelegt, beispielsweise bis zu 830 kPa Überdruck.

Für viele Anwendungsbereiche kann das zu formende Werkstück auch (zusätzlich oder statt dessen) durch Erzeugen von Unter­ druck im Inneren des Gehäuses 12 unter Druck gesetzt werden. Das Innere des Gehäuses 12 kann durch eine mit einem Sicherheitszapfen 64 ausgerüstete Unterdruckleitung 62 evakuiert werden. Der Unterdruck im Gehäuse 12 kann durch einen Unterdruckmesser 66 überwacht werden. In solchem Fall übt die Membran 76 durch den auf ihrer Oberseite herrschenden Differenzdruck, beispielsweise den Druck der umgebenden Atmosphäre über die Masse 74 den gewünschten Druck auf das Werkstück aus. Der an dem zu formenden Werkstück über die nachgiebige Masse 74 ausgeübte Druck bewirkt zusammen mit der auf das Werkstück übertragenen Hitze, daß das Metall unter einer Belastung, die unterhalb seiner Elastizitäts­ grenze liegt, einer Kriechumformung unterworfen wird. Dieses Kriechumformen (plastisches Fließen) gestattet, daß sich das Werkstück der Form der Gesenkstirnfläche 44 anpaßt und diese beibehält. Bei der Kriechumformung von Metallwerk­ stücken in der Vorrichtung 10 können verschiedenste Kombi­ nationen von Unterdruck und Überdruck mit Hitze angewandt werden. Beispielsweise können mit einem Hochvakuum im Raum 72 und bei Umgebungs-Luftdruck auf der Oberseite der Membran 76 Turbinenschaufeln bzw. Verdichterschaufeln aus Titan durch Kriechumformung auf ihre ursprüngliche Form bzw. eine neue Form ohne zusätzlichen Druck umgeformt werden. Ebenso können verschiedene Erwärmungsanordnungen zur Anwendung kommen.

Zum Umformen oder Profilieren einer Turbinenschaufel oder Verdichterschaufel aus Titan ist zunächst zu überprüfen, um welchen Grad eine Umformung nötig ist. Werkstücke, bei­ spielsweise Turbinen- und Verdichterschaufeln mit Ver­ windung oder übermäßiger Biegung oder örtlichen Verformungen von nicht mehr als 15% können in der Vorrichtung 10 neu geformt werden. Werkstücke mit örtlichen Verformungen von mehr als 15% können durch vorherige Behandlung in Warm­ plattengesenken in die Toleranzgrenzen der Verformungs­ möglichkeit der Vorrichtung 10 gebracht werden. Werkstücke, die in der Vorrichtung 10 zu behandeln sind, werden zunächst mit normalen Methoden gereinigt, beispiels­ weise durch ein Alkali- oder Säurebad und Spülen. Danach werden sie mit einem Schutzüberzug überzogen. Bei Werk­ stücken aus Titan benutzt man eine handelsübliche Graphit- Molybdändisulfid-Mischung. Für Werkstücke aus Aluminium und anderen metallischen Stoffen stehen andere bekannte Schutzüberzüge zur Verfügung.

Zum Umformen oder Profilieren können in der Vorrichtung 10 Turbinenschaufeln oder Verdichterschaufeln aus Titan auf zwischen 593°C und 705°C bei einem Überdruck zwischen 100 und 350 kPa über Zeiten zwischen 30 Minuten und 4 Stunden erwärmt werden. Bei der Umformung von Werkstücken aus Titan lassen sich in der Vorrichtung 10 auch Behandlungsgänge ausführen, bei welchen das Werkstück auf 315°C zu erwärmen und etwa 30 Minuten lang auf dieser Temperatur zu halten ist, ehe die Temperatur auf das Umformungsniveau von 593°C erhöht wird. Während der Erwärmung kann u. U. auch in dem mit der Masse 74 angefüllten Hohlraum 72 eine Inertgas-Atmosphäre aufrechterhalten werden. Für diesen Zweck kommen Unterdrucke von 0,8 bis 1,0 bar und Argongas in Betracht. Beide sind durchaus wirksam beim Verringern einer Alphaschicht oder Oxidation von Titan. Im Interesse der Übersichtlichkeit ist bisher hauptsächlich auf die Um­ formung von Werkstücken aus Titan Bezug genommen. In der Vorrichtung 10 können aber ebenso auch Werkstücke aus anderen metallischen Werkstoffen umgeformt werden, bei­ spielsweise Werkstücke aus Aluminium, Eisen, Nickel und Kobalt und deren Legierungen usw.

Ebenfalls im Interesse der Übersichtlichkeit behandeln die obigen Erläuterungen zum größten Teil die Wiederherstellung der ursprünglichen Form von Werkstücken. Es läßt sich in der Vorrichtung 10 jedoch auch ebenso eine Änderung der Konstruktionsform eines Werkstücks in eine neue Form aus­ führen, beispielsweise Änderung der Verwindung eines Profils oder der Tangentialversetzung einer Turbinen- oder Verdichterschaufel zu einer neuen Konstruktionsform, wie es im Fall der in Fig. 4 dargestellten Schaufel geschah. Ferner kann eine Turbinen- oder Verdichterschaufel neu um ihre ursprüngliche Mittellinie umgeformt werden, oder die Mittellinie kann beispielsweise im Verhältnis zum Schaufelfuß versetzt werden. Hierzu wird jeweils ein auf die neue Schaufelkonstruktion profiliertes Gesenk 42 in die Vorrichtung 10 eingesetzt.

Ziemlich radikale Formänderungen können mit einem einzigen Gesenk 42 durchgeführt werden; durch aufeinanderfolgende Anwendung von konvexen und konkaven Gesenken können auch noch radikalere Formänderungen mittels der Vorrichtung 10 durchgeführt werden.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Wiederherstellen oder Modifizieren der ursprünglichen Form metallischer Werkstücke, mit einem in einem Gehäuse untergebrachten Gesenk, das eine der gewünschten Form des Werkstücks entsprechende, dieses aufnehmende Stirnfläche aufweist, sowie mit einer Heiz­ einrichtung für das Werkstück, wobei das Gehäuse durch einen Deckel verschließbar und zwischen Gesenk und Deckel eine elastisch nachgiebige Membran angeordnet ist, die auf ihrer dem Deckel zugewandten Seite mit einem Druck­ mittel beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Membran (76) und Gesenk (42) eine aus Teil­ chen nachgiebigen wärmebeständigen und druckübertragenden Materials bestehende Masse (74) befindet, die von dem Gesenk und dem Werkstück (68) durch eine auf dem Werk­ stück und der das Werkstück aufnehmenden Gesenkstirnfläche (44) liegende, aus elastischem, wärmebeständigem Material bestehende Platte (70) abgetrennt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Teilchen bestehende Masse (74) aus Asbest, Vermiculit oder einem wärmebeständigen Glas besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der aus Teilchen bestehenden Masse (74) zuge­ wandte Gesenkstirnfläche (44) konkav ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) im Bereich zwischen der Membran (76) und dem Gesenk (42) einen zusätzlichen, zu dem die aus Teilchen bestehende Masse (74) aufnehmen­ den Raum (72) führenden Anschluß für eine Unterdruckleitung (62) aufweist.