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Verfahren und Vorrichtung zum Lösen gegossener Spann-
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blöcke von Werkstücken Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lösen
von Werkstücken aus gegossenen oder gespritzten Spannblöcken, in welche sie zur
belastungsfreien Halterung während ihrer Bearbeitung auf einer Werkzeugmaschine,
insbesondere auf einer Schleifmaschine, teilweise eingebettet sind, derart, daß
Werkstück und Spannblock jeweils eine Spanneinheit bilden, wobei der thermische
Ausdehnungskoeffizient des Spannblockmaterials größer ist als der des Werkstückmaterials.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Lösen von Werkstücken
aus gegossenen oder gespritzten Spannblöcken, in welche die Werkstücke zur belastungsfreien
Halterung während ihrer Bearbeitung auf einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer
Schleifmaschine, teilweise eingebettet sind, derart, daß Werkstück und Spannblock
eine Spanneinheit bilden, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des Spannblockmaterials
größer ist als der des Werkstückmaterials, insbesondere zum Durchführen des Verfahrens.
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Um mechanische Belastungen und damit verbundene Verformungen während
der Bearbeitung von Werkstücken auf Werkzeugmaschinen, insbesondere von zu schleifenden
Werkstücken auf Schleifmaschinen nach Möglichkeit zu vermeiden, ist es bekannt,
die Werkstücke in Spannblöcke einzugießen, die als Hilfsmittel beim Aufspannen und
Positionieren der Werkstücke dienen und die Werkstücke während der Bearbeitung weitgehend
belastungsfrei halten. Der Spannblock und das in den Spannblock zur Bearbeitung
eingegossene Werkstück bilden zusammen eine Einheit, die hier als Spanneinheit bezeichnet
wird. Zur Herstellung dieser Spannein-
heit wird das Werkstück in
eine Gußform eingelegt, die dann mit dem Material des Spannblocks ausgegossen wird.
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Das Material des Spannblocks ist so gewählt, daß sein thermischer
Ausdehnungskoeffizient größer ist als der des Werkstückmaterials. Beim Abkühlen
des zunächst flüssigen Spannblockmaterials in der Gußform schrumpft der Spannblock
also auf das Werkstück auf, so daß dieses im Spannblock ohne Spiel fest gehalten
wird. Die zu bearbeitenden Flächen des Werkstücks liegen dabei außerhalb des Spannblocks.
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Als typisches Beispiel, das auf diese Weise für die Bearbeitung in
einer Schleifmaschine vorbereitet wird, sei hier eine Turbinenschaufel genannt.
Als Material für die Turbinenschaufel kommen Nickelbasislegierungen in Betracht,
die die hohen Anforderungen an das Turbinenschaufelmaterial erfüllen. Als Material
für die Herstellung des die Turbinenschaufel haltenden Spannblocks haben sich Zink-oder
Zinklegierungen bewährt, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten größer sind als
die der für die Herstellung der Turbinenschaufeln verwendeten Nickelbasislegierungen,
so daß der Spannblock beim Abkühlen von der Gießtemperatur auf Zimmertemperatur
fest auf die Turbinenschaufel aufschrumpft.
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Besondere Probleme bietet das Entfernen des Spannblocks vom Werkstück.
Hierzu ist es aus der DE-AS 28 22 828 bekannt, dem Spannblock eine Form zu geben,
die es erlaubt, ihn entlang besonderer Sollbruchstellen auseinanderzubrechen. Hierzu
ist an vorgegebenen Stellen des Spannblocks eine mechanische Belastung anzusetzen,unter
welcher der Spannblock auseinanderbricht. Der Nachteil dieses Vorgehens besteht
darin, daß die mechanische Belastung nicht auf den Spannblock beschränkt werden
kann, so daß nicht auszuschließen ist, daß auch das im Spannblock enthaltene Werkstück
belastet und unter Umständen in schädlicher Weise
verformt wird.
Insbesondere bei hochempfindlichen Werkstücken, wie Turbinenschaufeln, können derartige
Verformungen schnell zu Ausschuß führen, auch wenn sie nur im tausendstel Millimeterbereich
liegen. Außerdem kann durch den zum Auseinanderbrechen des Spannblocks erforderlichen
Druck und durch die beim Auseinanderbrechen auftretende Relativbewegung Material
des Spannblocks auf das Werkstück aufgeschmiert werden, was eine Nachreinigung bzw.
eine zusätzliche Bearbeitung des Werkstücks erforderlich macht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die es ermöglichen,
Werkstücke rückstandsfrei und ohne die Werkstücke verformende mechanische Belastungen
von den Spannblöcken zu lösen, in welche sie für die Bearbeitung eingegossen sind.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß der Spannblock
aus einem bei einer materialcharakteristischen Temperatur versprödenden Material
hergestellt wird, daß die Spanneinheit nach der Bearbeitung des Werkstücks mindestens
bis zu dieser Versprödungstemperatur des Spannblockmaterials abgekühlt wird und
daß der Spannblock durch Nutzung der bei der Abkühlung infolge der unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Spannblock und Werkstück auftretenden inneren
Spannungen von dem Werkstück abgesprengt wird. Da der Spannblock bei der Abkühlung
der Spanneinheit auf die Versprödungstemperatur des Spannblockmaterials stärker
schrumpft als das Werkstück, entstehen im Spannblock hohe innere mechanische Spannungen,
die zum Absprengen des Spannblocks vom Werkstück führen können. Für den Fall, daß
die entstehenden inneren mechanischen Spannungen zum Absprengen des Spannblocks
vom Werkstück noch nicht ausreichen, ist gemäß
der Erfindung weiter
vorgesehen, daß der mindestens auf seine Versprödungstemperatur abgekühlte Spannblock
von außen mechanisch beaufschlagt wird, um das Absprengen vom Werkstück zu initiieren.
Hierzu genügt es, den auf seine Versprödungstemperatur abgekühlten Spannblock impulsartig
anzuschlagen oder anzustoßen. Es ist auch möglich, lediglich die Oberfläche des
auf seine Versprödungstemperatur abgekühlten Spannblocks anzuritzen, um das Absprengen
des Spannblocks vom Werkstück zu initiieren. Wenn das Abkühlen der Spanneinheit
auf die Versprödungstemperatur des Spannblocks zum Absprengen des Spannblocks vom
Werkstück also nicht ausreicht, genügt es,den auf seine Versprödungstemperatur abgekühlten
Spannblock von außen leicht mechanisch zu beaufschlagen, um das Absprengen zu bewirken.
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Das Werkstück kann dann ohne Nachbearbeitung weiterverarbeitet oder
entsprechend seinem Zweck eingesetzt werden.
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Der Spannblock wird durch das Absprengen bei tiefen Temperaturen rückstandsfrei
vom Werkstück getrennt. Eine mechanische Belastung, die zu einer Verformung des
Werkstücks führen könnte, tritt dabei nicht auf, weil die Schrumpfung des Spannblocks
bei der Abkühlung auf seine Versprödungstemperatur eine allseitige Druckerhöhung
am Werkstück bewirkt.
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Als Material für die Herstellung des Spannblocks werden Zink oder
Zinklegierungen bevorzugt, es sind aber auch andere Legierungen, z. B. auf der Basis
von Blei, Antimon oder Zinn, denkbar, die bei tiefen Temperaturen verspröden und
deren thermischer Ausdehnungskoeffizient größer ist als der des Werkstückmaterials.
Handelt es sich bei den Werkstücken um Turbinenschaufeln, so bestehen diese aus
Nickel bzw. Nickel-Basis-Legierungen, die auch bei tiefen Temperaturen nicht verspröden,
so daß sie nach der Tieftemperaturbehandlung der Spanneinheiten unversehrt
der
Kühleinrichtung entnommen werden können.
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Vorzugsweise werden die Spanneinheiten nach der Bearbeitung der Werkstücke
auf die Temperatur des flüssigen Stickstoffs abgekühlt.
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Das Verfahren nach der Erfindung kann vollautomatisch ablaufen. Hierzu
ist vorgesehen, daß aufeinanderfolgende Spanneinheiten nach der Werkstückbearbeitung
selbsttätig nacheinander aus der Werkzeugmaschine in eine Kühleinrichtung gefördert
werden, wo sie zum Absprengen des Spannblocks mindestens auf die Versprödungstemperatur
des Spannblockmaterials abgekühlt werden und daß die Werkstücke nach dem Absprengen
des Spannblocks zur Weiterbearbeitung oder Weiterverarbeitung abgefördert werden.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei einer Vorrichtung
der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Werkzeugmaschine
eine Kühleinrichtung und Fördermittel zugeordnet sind, welche die Spanneinheiten
nach der Werkstückbearbeitung in der Werkzeugmaschine erfassen, sie in die Kühleinrichtung
transportieren und nach dem Abkühlen wenigstens auf die Versprödungstemperatur des
Spannblockmaterials das Werkstück aus der Kühleinrichtung herausfördern. Für den
Fall, daß die Materialien des Spannblocks und des Werkstücks so gewählt sind, daß
die bei der Abkühlung auftretenden inneren Spannungen für das Absprengen des Spannblocks
vom Werkstück ausreichen, wird der Spannblock in der Regel schon in der Kühleinrichtung
abgesprengt werden. In diesem Fall wird das vom Spannblock befreite Werkstück allein
aus der Kühleinrichtung herausgefördert. Die abgesprengten Spannblockteile werden
der Kühleinrichtung getrennt entnommen und können gegebenenfalls einer Wiederverwendung
zugeführt werden.
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Es kann vorkommen, daß die bei der Abkühlung erzeugten inneren Spannungen
in den Spannblöcken zum selbsttätigen Absprengen vom Werkstück nicht ausreichen.
Für diesen Fall sieht die Erfindung vor, daß in oder stromab der Kühleinrichtung
ein Anschlagmittel zur mechanischen Beaufschlagung des auf seine Versprödungstemperatur
abgekühlten Spannblocks vorgesehen ist. Dieses Anschlagmittel kann als ein in die
Förderbahn der abgekühlten Spanneinheiten bewegbares Schlagwerkzeug ausgebildet
sein. Es kann auch als eine in die Förderbahn der abgekühlten Spanneinheiten ragende
Anschlagkante ausgebildet sein, so daß die aus der Kühleinrichtung herausgeförderten
Spanneinheiten gegen die Anschlagkante stoßen, was das Absprengen der Spannblöcke
von den Werkstücken zur Folge hat. Schließlich kann als Anschlagmittel auch ein
die Oberfläche der abgekühlten Spanneinheiten anritzend ausgeführtes Werkzeug vorgesehen
sein. Als Kühleinrichtung ist in erster Linie ein mit flüssigem Stickstoff gefülltes
Kältebad vorgesehen.
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Der Vorteil der Erfindung liegt insbesond#e darin, daß die Spannblöcke
belastungsfrei von den Werkstücken abgetrennt werden können. Verformungen der Werkstücke
während des Absprengens der Spannblöcke sind nicht zu befürchten.
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Darüber hinaus geschieht das Trennen der Spannblöcke von den Werkstücken
absolut rückstandsfrei, so daß eine Nachbearbeitung der Werkstücke zum Entfernen
von Resten des Spannblockmaterials nicht erforderlich ist. Das abgesprengte Spannblockmaterial
kann unmittelbar seiner Wiederverwendung zugeführt werden. Die Vorrichtung für die
Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens ist darüber hinaus konstruktiv
sehr einfach. Das Verfahren ist vollautomatisch durchführbar.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nun näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung
nach der Erfindung und Figur 2 ein typisches Beispiel einer Spanneinheit, die aus
einer Turbinenschaufel als Werkstück und einem Spannblock besteht.
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In Figur 1 ist mit 1 als Werkzeugmaschine eine herkömmliche Schleifmaschine
bezeichnet. Auf einem Maschinenbett 2 trägt ie Schleifmaschine einen in X-Richtung
verschiebbaren Support 3, auf dem wiederum ein in Z-Richtung verschiebbarer Tisch
4 gelagert ist. Der Tisch trägt in einer nicht gesondert gezeigten Halterung eine
Spanneinheit 6, die, wie Figur 2 zeigt, aus einem Spannblock 7 und einem in den
Spannblock 7 eingebetteten Werkstück 8 besteht.
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Als Werkstück ist in Figur 2 eine Turbinenschaufel dargestellt. Die
Schleifmaschine 1 weist eine Maschinensäule 9 auf, an welcher in Y-Richtung eine
Schleifspindel mit einer Schleifscheibe 11 gelagert ist.
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Gemäß der Erfindung ist der Schleifmaschine 1 eine Kühleinrichtung
in Form eines Tiefkühlbades 12 zugeordnet.
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Ein Fördermittel, in Figur 1 als gestrichelte Linie 13 angedeutet,
verbindet die Schleifmaschine 1 mit dem Tiefkühlbad 12.
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Stromab des Tiefkühlbades 12 ist ein Anschlagmittel in Form eines
in die Förderbahn 13 bewegbaren Hammers 14 vorgesehen. Der Hammer 14 ist an einem
Arm 16 eines um eine Achse 17 schwenkbaren Winkelhebels 18 angeordnet, dessen zweiter
Arm 19 an das Betätigungsglied 21 eines als steuerbares Betätigungsglied vorgesehenen
Elektro-Magnetantriebs 22 angelenkt ist.
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Zur Bearbeitung der Turbinenschaufel 8 in der Schleifmaschine 1 wird
das Werkstück in einen Spannblock 7 eingegossen, der die in Figur 2 gezeigte Form
oder auch eine andere, einfachere Form haben kann. Wegen der unterschiedlichen thermischen
Kontraktionskoeffizienten des Schaufelmaterials und des Spannblockmaterials schrumpft
der Spannblock beim Abkühlen von der Gießtemperatur auf Zimmertem-
peratur
fest auf die Turbinenschaufel auf, so daß die Turbinenschaufel fest in den Spannblock
eingespannt ist. Mit dem Spannblock kann die Turbinenschaufel in der Schleifmaschine
1 in eine definierte Position gebracht werden. Nach der Bearbeitung der Turbinenschaufel,
hier also nach der Bearbeitung des Turbinenschaufelfußes bzw. des Tur#binenschaufelkopfes,
wird die Spanneinheit aus Turbinenschaufel 8 und Spannblock 7 der Schleifmaschine
entnommen und über das Fördermittel 13 in das Tiefkühlbad 12 gebracht. Das Tiefkühlband
12 enthält vorzugsweise flüssigen Stickstoff, der eine Siedetemperatur von -196
0C hat. Durch Abkühlen der Spanneinheit 6 mindestens auf die Versprödungstemperatur
des Spannblockmaterials wird der Spannblock 7 versprödet. Gleichzeitig schrumpft
er durch die Abkühlung weiter auf die Turbinenschaufel auf, die weniger schrumpft
als der Spannblock, so daß im Spannblock innere mechanische Spannungen entstehen,
die bei entsprechender Materialwahl und bei geeigneter Gestaltung des Spannblocks
unmittelbar zum Absprengen des versprödeten Spannblocks von dem Werkstück 8 führen.
Mit dem Fördermittel 13 wird in diesem Fall allein die aus dem Spannblock 7 befreite
Turbinenschaufel 8 aus dem Tiefkühlbad herausgefördert. Die abgesprengten Spannblockteile
werden, was in der Figur 1 nicht dargestellt ist, getrennt aus dem Tiefkühlbad entnommen
und der erneuten Verwendung zugeführt.
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Für den Fall, daß die bei der Abkühlung entstehenden inneren Spannungen
im Spannblock 7 nicht ausreichen, diesen von der Turbinenschaufel 8 abzusprengen,
ist stromab des Tiefkühlbades 12 das Anschlagmittel in Gestalt des Hammers 14 vorgesehen.
Sobald die Spanneinheit 6 nach dem Verlassen des Tiefkühlbades und nach dem Abkühlen
auf die Versprödungstemperatur des Spannblockmaterials den Bereich des Hammers 14
erreicht, wird der Elektromagnet 22 betätigt, so daß er den Hammer durch Schwenken
des Winkelhebels 18 um die
Achse 17 gegen den Spannblock 7 schlägt,
der dann infolge seiner inneren Spannungen zerspringt. Ein leichtes Anschlagen des
auf tiefe Temperaturen gebrachten Spannblocks 7 mit dem Hammer 14 genügt, um den
Spannblock 7 von der Turbinenschaufel 8 abzusprengen. So wird eine sichere Ablösung
des Spannblockmaterials von der bearbeiteten Turbinenschaufel 8 erreicht, die ohne
Nachbearbeitung der weiteren Bearbeitung zugeführt werden kann. Der Spannblock 7
löst sich rückstandsfrei von der Turbinenschaufel und das Ablösen des Spannblocks
7 führt nicht zu Verformungen der Turbinenschaufel.
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