DE3150553A1

DE3150553A1 - Verfahren zur herstellung von profilteilen mit rippen

Info

Publication number: DE3150553A1
Application number: DE19813150553
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Shimizu Shizuoka Kawai; Isao Miki
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 1980-12-19
Filing date: 1981-12-21
Publication date: 1982-11-04
Also published as: FR2496528B1; US4520541A; GB2091137A; CA1183675A; FR2496528A1; GB2091137B

Description

NIPPON LIGHT METAL CO., LTD. No. 3-5, Ginza 7-chome, Chuo-ku, Tokyo, Japan

Verfahren zur Herstellung von Profi!teilen mit Rippen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Profilteilen mit Rippen, beispielsweise von Laufrädern oder Läufern für die Verwendung in Zentrifugal-Kompressoren, Radialturbinen und dgl.

Ein Laufrad der beschriebenen Art besteht im wesentlichen aus einem Radkörper, auf dem eine Anzahl von Schaufeln befestigt oder die einstückig an ihn angeformt sind. Sie erstrecken sich von der Drehachse des Radkörpers entweder im wesentlichen geradlinig radial oder in einer in Drehrichtung oder entgegengesetzter Richtung gekrümmten Form nach

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außen. Ferner ist oft ein Zuführungs- und Abführungsteil am Einlaßende und am Auslaßende jeder Schaufel vorgesehen, in dem diese in geeigneter Form gebogen sind, um den gewünschten Einlaß- und Auslaßwinkel an den jeweiligen Enden zu bilden.

Es sind Verfahren zur Herstellung von Läufern der vorbeschriebenen Art bekannt. Bei einem Verfahren werden die Schaufeln durch Bearbeitung oder Fräsen eines Materials einstückig mit dem Radkörper ausgebildet. Bei einem anderen Verfahren werden die Schaufeln getrennt hergestellt und danach auf dem Radkörper montiert. Die hierbei eingesetzten Schmiedeverfahren und Gußverfahren sind ebenfalls bekannt.

Da jedoch Läufer mit sehr verschiedenartig ausgebildeten Schaufeln hergestellt werden müssen, besteht die Möglichkeit, daß Spritzgußverfahren, die eine geteilte Gießform verwenden, dann nicht für die Herstellung eines Laufrades verwendet werden können, wenn die Form der Schaufeln sogenannte Unterschneidungen aufweist.

In einem solchen Fall muß im allgemeinen eine Gipsform, eine Sandform oder eine Dauerwachsform mit zerlegbaren Kernen verwendet werden. Derartige Gießverfahren haben den Nachteil, daß die Bearbeitbarkeit und die Produktivität sehr gering sind im Vergleich zu den. Spritzgußverfahren. Die Kosten werden

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hierdurch hoch, während die Genauigkeit der Abmessungen und die Oberflächenqualität des Produkts verschlechtert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein neues und wirkungsvolles Verfahren zur Kombination eines Gießverfahrens und eines plastischen Deformationsverfahrens für die Herstellung von Profilteilen mit unterschnittenen Leitflächen zu schaffen, beispielsweise von Laufrädern mit Schaufeln verschiedener Konfigurationen, die nicht direkt durch Gießverfahren ohne zerlegbare Kerne hergestellt werden können.

Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren erreicht, das folgende Schritte umfaßt:

Zunächst Herstellung eines Vorprodukts mit Ansätzen in einer Form,, die durch ein Gießverfahren, einschließlich einem Spritzgußverfahren, einem Schwerkraftguß oder Niederdruckguß ohne zerlegbare Kerne, und Quetschguß hergestellt werden kann. Dabei wird eine Seite der Wurzel jeder Rippe mit einem konkav ausgefüllten Teil versehen, dessen Form oder Menge längs der Längsausdehnung der Rippe sich in Abhängigkeit von der gewünschten Endkonfiguration der Rippe ändert, während ein korrespondierender ausgenommener Teil auf der entgegengesetzten Seite der Wurzel in einer korrespondierenden Stellung gebildet wird. Danach wird eine Kraft auf jede Rippe ausgeübt, um .diese an dem Teil plastisch zu deformieren,

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an dem die Rippe konkav ausgefüllt und der korrespondierend ausgenommen ist. Dies ermöglicht es, die Stelle der Wurzel jeder Rippe an den vorbeschriebenen Teilen auf die Seite, die mit dem konkaven ausgefüllten Teil versehen ist, zu verschieben um die Größe, die der Änderung in der Form oder der Menge des konkav gefüllten Teils und des korrespondierenden ausgenommenen Teils längs der Längenausdehnung der Rippe entspricht, so daß die gewünschte Endkonfiguration jeder Rippe erreicht wird.

Da eine Seite der Wurzel jeder Schaufel einen konkav ausgefüllten Teil der erforderlichen Menge an der gewünschten Stelle aufweist und ein entsprechend ausgenommener Teil an der entgegengesetzten Seite der Wurzel an einer entsprechenden Stelle, wird mit dem vorbeschriebenen Verfahren Die Lage der Wurzel jeder Schaufel an einer Stelle, an der der konkav ausgefüllte Teil und der entsprechende ausgenommene Teil gebildet sind, in Richtung der Seite versetzt, die mit einem konkav ausgefüllten Teil versehen ist, nachdem die Kraft zur plastischen Verformung auf die Rippe angewandt wird. Diese Kraft bringt die konkave Form des ausgefüllten Teils in eine gerade Form, die sich in die Richtung, in der die Kraft auf die Rippe angewandt wird, erstreckt, und der ausgenommene Teil auf der entgegengesetzten Seite unterstützt die Versetzung der Lage der Wurzel der Schaufel an der Stelle, an der der konkav ausgefüllte Teil vorgesehen

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ist> und er wird ebenfalls in eine gestreckte Form parallel zu der gestreckten Form, die durch die Deformation des ausgefüllten Teils erhalten wird, deformiert. So wird die gewünschte Endform der Rippen durch die Menge des konkav ausgefüllten Teils und des ausgeschnittenen Teils erhalten.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird jede Rippe in einer geneigten Stellung in Bezug auf die Oberfläche des Vorprodukts, mit dem die Wurzel jeder Rippe einstückig verbunden ist, durch Gießen ohne zerlegbare Kerne hergestellt. Auf jeder Seite der Wurzel jeder Rippe ist dabei ein konkav ausgefüllter Teil vorgesehen, der in seiner Breite, gemessen von der Oberfläche des Vorprodukts in Richtung der Länge der Rippe, in Abhängigkeit von der gewünschten Ausbildung der Rippe sich ändert. Dabei ist der konkav ausgefüllte Teil, der auf der Seite der Wurzel gebildet worden ist, die einen spitzen Winkel mit der Oberfläche des Vorprodukts bildet, nach innen vertieft in Bezug auf den konkav ausgefüllten Teil auf der entgegengesetzten Seite der Wurzel» Der vorbeschriebene, vertiefte, ausgefüllte Teil ist mit dem ausgefüllten Teil auf der entgegengesetzten Seite der Wurzel der benachbarten Rippe durch die leicht gekrümmte Oberfläche verbunden. Durch ein herabgehendes Preßwerkzeug wird eine Kraft auf jede Rippe ausgeübt, um die plastische Deformation der Rippe zu bewirken und um diese in eine aufrechte Stellung zu drücken. Hierbei wird

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die Wurzel jeder Rippe so deformiert und örtlich auf der Oberfläche des Vorprodukts um die Größe verschoben, die festgelegt ist. Durch die Veränderung der Breite des konkav ausgefüllten Teils wird die geforderte gekrümmte Endform jeder Rippe erhalten mit abgerundeten konkaven Flächen auf beiden Seiten der Wurzel, die deren Festigkeit vergrößern.

Die Erfindung ist im wesentlichen auf die Herstellung von Schaufelrädern mit Schaufeln gekrümmter Form gerichtet, die nicht direkt durch Gießen ohne zerlegbaren Kern aus Aluminium hergestellt werden können. Im allgemeinen.wird angenommen, daß die Streckung oder Biegung eines Spritzgußprodukts aus einer Aluminiumlegierung schwierig ist.

Jedoch ist eine solche Streckung oder Biegung eines Spritzgußproduktes aus einer Aluminiumlegierung möglich durch Verwendung einer Al-Si-Fe-Mg-Mn-Legierung, wie sie in der japanischen, offengelegten Patentanmeldung Nr. 86011/1976 (K.K. Nippon Light Metal Research Institute) beschrieben und auf dem Markt unter der Bezeichnung "DX3O Legierung" vertrieben wird, oder einer Al-Si-Fe-Cu-Mg-Mn-Legierung, die gebildet wird durch Zufügung von 0,5 bsi 1,5 Gew% Kupfer zu der vorbeschriebenen Al-Si-Fe-Mg-Mn-Legierung und die unter dem Handelsnamen "DX31 Legierung" vertrieben werden, oder einer Al-Mg-Zn-Legierung, wie sie in der japanischen

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Patentanmeldung Nr. 32808/1970 beschrieben ist und unter dem Handelsnamen "DX2A Legierung" vertrieben wird. Ein Produkt, das aus einer solchen Legierung hergestellt wird, kann einer ausreichenden Wärmebehandlung unterzogen werden, so daß die vorliegende Erfindung mit den vorstehend genannten Verbindungen eingesetzt werden kann.

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Der Gegenstand der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Laufrades

als Beispiel eines Produkts, das Schaufeln aufweist, die erfindungsgemäß hergestellt worden sind;

Fig. 2-4 schematische Darstellungen der Aufeinanderfolge der Verfahrensschritte nach der Erfindung;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der aufeinanderfolgenden Veränderung der Gestalt der Schaufeln eines Laufrades, das durch die in den Figuren 2 bis 4 dargestellten Verfahrensschritte erzeugt wird;

Fig. 6-8 perspektivische Ansichten der aufeinanderfolgenden Deformation der Schaufeln eines Laufrades durch die erfindungsgemäßen Schritte;

Fig. 9-11 schematische Darstellungen der in den Figuren

6 bis 8 dargestellten, aufeinanderfolgenden Deformation der Schaufeln des Laufrades, von der Oberseite der Schaufeln aus gesehen;

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Fig„ 12 - 14 Querschnitte, die den Figuren 6 bis 8 entsprechen;

Fig» 15 einen Querschnitt mit den Merkmalen eines abgewandelten Verfahrens nach der Erfindung für die Herstellung eines Laufrades;

Fig. 16 eine perspektivische Ansicht eines Laufrades, das durch ein abgewandeltes, erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt worden ist;

Fig_o 17 einen Grundriß der Fig. 16;

Fig« 18 einen Längsschnitt durch die Fig. 17, längs der Linie A-A¹.

Die Fig. 1 zeigt ein Laufrad mit einem Radkörper 1 und einer Anzahl von gekrümmten Schaufeln 2, die mit dem Verfahren nach der Erfindung einstückig mit dem Radkörper 1 hergestellt worden sind. Hierbei haben die Schaufeln 2 gekrümmte Formen,, die es unmöglich machen, sie direkt durch ein Gießverfahren ohne zerlegbare Kerne herzustellen. Wie in Fig. 1 dargestellt, hat jede Schaufel zur Erzielung eines geeigneten Ein- und Äusströmwinkels einen Einlaßteil 2A an ihrer Einlaßseite und einen Auslaßteil 2B an der Auslaßseite.

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Wie in den Figuren 2 bis 4 dargestellt, ist jede Schaufel des Laufrades, das ursprünglich durch ein Gußverfahren hergestellt ist, mit einem abgerundet ausgefüllten Teil 10 versehen, der eine konkave Oberfläche 1OA auf der einen Seite der Wurzel der Schaufel 2 aufweist, welche mit der Oberfläche des Radkörpers 1 verbunden ist, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

Auf der anderen Seite der Wurzel ist, entsprechend dem ausgefüllten Teil 10, ein ausgeschnittener oder ausgesparter Teil 11 vorgesehen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, der gleichzeitig oder nach der Bildung des ausgefüllten Teils hergestellt wird. Die Menge oder die Größe des ausgefüllten Teils 10 und des entsprechenden ausgeschnittenen Teils 11 ändern sich längs der radialen Länge der Schaufel 2' in bestimmter Weise, die abhängig ist von der Endkonfiguration der Schaufel 2. Die Dicke zwischen der Oberfläche 1OA und der geneigten Fläche des ausgeschnittenen Teils entspricht der Dicke, die für die Schaufel 2 benötigt wird.

Danach wird eine Kraft auf jede Schaufel 2¹ ausgeübt, um diese plastisch zu deformieren. Dabei wird die Schaufel 2" so deformiert, wie dies durch den vertikalen Pfeil in Fig. dargestellt ist. Die Schaufel 2', wie sie mit der strichpunktierten Linie dargestellt ist, wird so in eine aufrechte Form, die die Endform der Schaufel 2 bildet, deformiert,

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wie dies durch die ausgezogene Linie dargestellt ist. Gleichzeitig wird die Schaufel 2 versetzt, wie dies durch den horizontalen Pfeil dargestellt ist.

Da der Abstand S der horizontalen Versetzung der Schaufel 2 eine Funktion der Menge des ausgefüllten Teils 10 und des ausgenommenen Teils 11 ist, die sich längs der radialen Länge der Schaufel in bestimmter Weise ändern, wird die Endform der Schaufel 2 durch geeignete Wahl der Menge des ausgefüllten Teils 10 und des ausgenommenen Teils 11 längs der radialen Erstreckung der Schaufel erhalten.

Gleichzeitig wird die Schaufel 2 in Bezug auf die Originalform,, die durch eine ausgezogene Linie dargestellt ist, bewegt? wie dies durch die strichpunktierte Linie in Fig. 5 dargestellt ist.

Die Figuren 6 bis 8 zeigen die Schritte, durch die ein Beispiel einer Endform der Schaufeln 2 hergestellt wird, von denen zum besseren Verständnis nur eine dargestellt ist. Die Fig. 6 zeigt die ursprüngliche Form der Schaufel 2', ■wie sie durch den Gießvorgang ohne entfernbare Kerne erhalten wird. Hierbei 1st lediglich der Auslaufteil 2B in gekrümmter Form hergestellt, und der ausgefüllte Teil 10 und der entsprechende ausgenommene Teil (nicht dargestellt) sind im oberen Teil nahe, dem Einlaßteil 2A gebildet.

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Nach der Anwendung der Kraft auf die Schaufel 2' in Richtung ihrer Höhe nimmt die Schaufel 2 die in Fig. 7 dargestellte Form an. Hierbei wird der obere Teil der Schaufel nahe dem Einlaßende 2A nach links versetzt, um als Folge des ausgefüllten Teils 10 und des zurückversetzten Teils 11 um einen gewünschten Betrag die gekrümmte Form der Schaufel zu bilden.

Dann wird der obere Teil nahe dem Einlaßteil 2A in die gewünschte Form gebogen, um den gewünschten Einlaufwinkel des Einlaßteils ·. 2A zu erhalten, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist.

Die Figuren 9 bis 11 zeigen ebenfalls schematisch die Schritte der Bildung der Endform der Schaufel, die in den Figuren 6 bis 8 dargestellt ist.

Die Figuren 12 bis 14 zeigen die Form der Schaufel in jedem Schritt der Bildung der Endform, beginnend mit der Originalform, wie sie durch den in den Figuren 6 bis 8 dargestellten Gießvorgang erhalten wird.

Vor und nach der Anwendung der Kraft und dem Biegen des Vorproduktes, das durch den Gießvorgang gebildet worden ist, wird eine geeignete Wärmebehandlung angewandt, um die Bearbeitung zu erleichtern und die Festigkeit zu vergrößern.

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Vorzugsweise wird folgende Wärmebehandlung angewandt: Das Vorprodukt wird zuerst einem Fließprozeß bei Temperaturen zwischen 450° C und 530° C und einem Abschreckverfahren unteworfen. Dann wird das so behandelte Produkt einem heißen Biegeverfahren unterworfen und danach einer Härtung bei Temperaturen zwischen 140° C und 200° C. Die vorbeschriebene Wärmebehandlung dient dazu, das Biegen und Strecken der Schaufel leichter zu machen, während die mechanische Festigkeit des Produktes vergrößert wird.

Die FIg₀ 15 zeigt ein abgewandeltes Verfahren nach der Erfindung für die Herstellung eines Laufrades als Beispiel, das ähnlich dem in Fig. 1 dargestellten ist, außer daß an beiden Seiten der Wurzel jeder Schaufel ein konkav ausgefüllter Teil gebildet ist, so daß die Stärke der Schaufel vergrößert wird.

Wie in Fig« 15 dargestellt, wird jede Schaufel 2" ursprünglich durch Gießen in einer geneigten Lage in Bezug auf die Oberfläche des Radkörpers 1 hergestellt, wobei die Wurzel auf der Seite der Schaufel, auf der sie einen spitzen Winkel mit der Oberfläche des Radkörpers 1 bildet, mit der Oberfläche des Radkörpers 1 durch eine konkave Oberfläche 1OB verbunden ist, die tangential zu einem Kreis N¹ ist, der einen kleineren Durchmesser hat als der Kreis N, der die Bezugsoberfläche des Radkörpers 1 bildet. Die Wurzel

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der entgegengesetzten Seite jeder Schaufel 2" ist mit der Oberfläche des Radkörpers 1 über eine konkave Oberfläche 1OA eines relativ großen Krümmungsradius verbunden, der im wesentlichen tangential zum Kreis N verläuft. Daher ist die konkave Oberfläche 1OB zurückversetzt oder vertieft in Beziehung auf die konkave Oberfläche 1OA.

Wie in Fig. 15 dargestellt, ist die konkave Oberfläche 1OB einer Schaufel mit der konkaven Oberfläche 1OA der benachbarten Schaufel durch eine schwach gekrümmte Oberfläche verbunden.

Die Breite W (Fig. 16) der konkaven Oberflächen 1OA und 1OB verändern sich längs der Länge L der Schaufel in Abhängigkeit von der gewünschten Versetzung der Wurzel der Schaufel in gleicher Weise, wie dies vorstehend beschrieben worden ist.

Nachdem dann eine geeignete Wärmebehandlung durchgeführt worden ist, wird jede Schaufel 2' durch Anwendung einer Kraft in der radialen oder nach außen gerichteten Richtung der Schaufel 2¹ in eine aufrechte Stellung deformiert, wie dies in Fig. 15 dargestellt ist, so daß die Endform der Schaufel 2 erhalten wird. Hierbei wird die Stellung der Wurzel der Schaufel 2 im Umfang verschoben oder versetzt durch die Größe, die der Größe oder Menge der konkaven Oberfläche 1OB

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und 1ΟΆ entspricht, welche sich in Richtung der Länge der Schaufel in Abhängigkeit von der gewünschten Form der Schaufel verändert, während konkave Oberflächen 2OA und 2OB geeigneter Größe an beiden Seiten der Wurzel jeder Schaufel gebildet werden.

Danach wird eine geeignete Wärmebehandlung durchgeführt, um die Festigkeit der Schaufel zu vergrößern.

So wird ein Laufrad, das Schaufeln der vorbeschriebenen Konfiguration aufweist, mit einem abgewandelten Verfahren nach der vorliegenden Erfindung erhalten, wie dies vorstehend besehrieben worden ist, bei dem konkave Oberflächen auf beiden Seiten der Wurzel jeder Schaufel gebildet worden sind.

Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Laufrad hat eine überlegene innere Struktur im Vergleich zu den nach konventionellen Gießverfahren in Sandformen oder Gipsformen hergestellten. Auch der Gewichtsausgleich, der sehr wichtig für ein bei hoher Geschwindigkeit rotierendes Schaufelrad ist, ist überlegen. Da die Biegung zusätzlich zu dem Extrudergießverfahren durchgeführt wird, wird durch das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ein Produkt mit einer sehr hohen Maßhaltigkeit erhalten im Vergleich zu anderen Verfahren s wie Gießverfahren mit zerlegbaren Kernen.

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L e e r s e i t e

Claims

PATENTANWALT DR. GERH ARD SCHAB FBR D I P LOM PH YS IKER

8023 München - Pullach Seitnerstraße 13 P 769 Telefon 7 93 0901

Patentansprüche

„ Verfahren zur Herstellung eines Profilteils mit Rippen, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein Vorprodukt durch Gießen hergestellt wird, beidem auf einer Seite der Wurzel der Rippen 2' ein konkav aufgefüllter Teil (10A) und auf deren entgegengesetzter Seite ein entsprechender ausgenommener Teil (11) vorgesehen ist, und daß die Rippen des Vorprodukts durch plastische Verformung in ihre Endform gebracht werden.

ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aufgefüllte Teil (10A) in Längsrichtung in Form und Größe in Abhängigkeit von der gewünschten Endform variiert .

3ο Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgenommene Teil (11) gleichzeitig mit dem konkav ausgefüllten Teil (10A) gebildet wird.

4ο Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgenommene Teil (11) gebildet wird, nachdem das Vorprodukt durch ein Gießverfahren hergestellt worden ist.

Seh/D, ' ./.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch der ausgenommene Teil (.1OB) der Wurzeln konkav ausgebildet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorprodukt mit zu seiner Oberfläche schräg verlaufenden Rippen versehen ist, deren Wurzeln (1OA, 10B) unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorprodukt vor oder nach der Bildung der Endform jeder Rippe einer geeigneten Wärmebehandlung unterzogen wird.

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