DE3720096A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer fertigen turbinenschaufel aus einem rohen werkstueck - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer fertigen Turbinenschaufel aus einem rohen Werkstück mittels eines über einen Schleifschuh ge­ führten Schleifbandes und mit einem auf einer bewegbaren Plattform angeordneten Werkstückhalter.

Die Herstellung von Turbinenschaufeln ist ein schwieriges Fertigungsproblem. Turbinenschaufeln haben eine sehr komp­ lizierte Form mit räumlich gekrümmten Flächen. Das einzige bekannte Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel in einem einzigen automatisierten Verfahrensgang besteht darin, sie durch Präzisionsgießen herzustellen (siehe z. B. US-PS 45 26 747, 44 89 469). Das Präzisionsgießen von Turbinenschaufeln ist jedoch sehr teuer und nur sinnvoll, wenn eine große Zahl gleicher Turbinenschaufeln erzeugt wird. Auch ist das Bilden der Form für das Präzisionsgießen ein zeitaufwendiges und im wesentlichen von Hand auszuführendes Verfahren, das mit den gleichen Nachteilen verbunden ist, wie die anderen und nachfolgend angeführten Verfahren zum Herstellen von Turbinenschaufeln.

Es ist üblich, das Herstellverfahren in zwei Stufen durchzuführen, das Schaffen einer Rohform der Turbinen­ schaufel und einer nachfolgenden Präzisionsformgebung. Bekannte Verfahren zum Fertigstellen von Turbinenschaufeln schließen ein elektrisches und chemisches Materialabtragen ein (siehe z. B. US-PS 42 34 397, 41 41 127). Diese Ver­ fahren sind wie das Präzisionsgießen oder -schmieden teuer, zeitraubend und nur bei der Massenproduktion einer großen Anzahl identischer Turbinenschaufeln wirtschaft­ lich.

Eine andere bekannte Methode zum Herstellen von Turbinen­ schaufeln besteht im Glätten einer Rohform der Turbinen­ schaufel unter Verwendung eines Schleifbandes (siehe z. B. US-PS 44 73 931, 42 85 108, 40 31 699, 39 25 937, 36 85 219, 27 22 788). Bei dieser Methode wird eine Rohform der Turbinenschaufel durch Schmieden oder Gießen mit einer Ab­ weichung von 5/1000 Zoll von der Endform erzeugt. Die Roh­ form wird dann von Hand oder eingespannt in eine Band­ schleifmaschine geglättet oder poliert, wobei nicht mehr als 5/1000 Zoll von der Oberfläche der Rohform entfernt werden. Die Schaufel muß während der Schleifbehandlung dauernd mit Meßwerkzeugen (guillotine guages) überprüft werden, und die genommenen Meßwerte müssen mit einer Meß­ werttabelle verglichen werden, um eine genaue Übereinstim­ mung mit der speziellen gewünschten Form der einzelnen zu glättenden Schaufel zu garantieren. Um die bei den bekann­ ten Verfahren und Vorrichtungen zum Erzeugen von Turbinen­ schaufeln auftretenden Probleme zu verstehen, muß bedacht werden, daß die Oberfläche der Turbinenschaufelform räum­ lich gestaltet werden muß. Diese Abmessungen können in bezug auf X-, Y-, und Z-Achsen betrachtet werden. Die fer­ tige Oberfläche der Turbinenschaufel ist durch mindestens zwei Kurven definiert, eine in der Z-Y-Ebene und die ande­ re in der Z-X-Ebene. Typischerweise ist die Form einer Turbinenschaufel noch komplexer und durch eine große Zahl von Kurven in einer entsprechenden Zahl von Parallelebenen zur Z-Y-Ebene und/oder zur Z-X-Ebene gekennzeichnet. (Bei den nachfolgenden Ausführungen bedeutet der Ausdruck Z-Y- Ebene die Z-Y-Ebene und Parallelebenen dazu. In gleicher Weise bedeutet die Bezeichnung Z-X-Ebene die Z-X-Ebene und Parallelebenen zu ihr. Die Bezeichnung Z-Y-Kurve bedeutet eine Kurve in der Z-Y-Ebene, und die Bezeichnung Z-X-Kurve bedeutet eine Kurve in der Z-X-Ebene.)

Bei bekannten Verfahren und Maschinenwerkzeugen zum Glät­ ten von halbfertigen Turbinenschaufeln wird eine Band­ schleifvorrichtung verwendet, in welcher ein schmales Schleifband über eine als Schuh bezeichnete Rolle geführt ist. Die Achse des Schuhs ist üblicherweise parallel zur Längsachse oder X-Achse der Turbinenschaufel angeordnet. Die Rohform der Turbinenschaufel ist auf einer beweglichen Plattform unterhalb des Schleifbandes befestigt. Das Schleifband wird in Kontakt mit der zu glättenden Ober­ fläche der Schaufel gebracht, und die Schaufel wird mit­ tels der beweglichen Plattform gegenüber dem Schuh entlang der X-Achse bewegt. Während der Bewegung der Turbinen­ schaufel entlang der X-Achse wird die Stellung des Schuhs in der Vertikalachse oder Z-Achse entweder nach einem Computerprogramm oder durch eine Rolle verstellt, die ent­ lang einer Schablone o. dgl. geführt ist. Wenn die Schaufel ihre Bewegung in Richtung der X-Achse beendet hat, wird die Schaufel zur Bildung einer Kurve in der Z-X-Ebene geschliffen. Um die Kurve der Turbinenschaufel in der Z-Y- Ebene zu definieren, muß die Schaufel entlang der Y-Achse bewegt werden, und die Stellung des Schuhs in der Z-Achse muß auch entsprechend eingestellt werden. Typischerweise wird der beweglichen Plattform durch ein Programm oder einen Operateur eine Bewegung in der Y-Richtung um eine zusätzliche Strecke erteilt, die von der zu erzielenden fertigen Formbeschaffenheit abhängt (d. h. eine Verstellung um einen kleinen Betrag zur Erzielung einer sehr sauberen Endform, eine Verstellung um einen größeren Betrag für eine weniger feine Endform). Dabei macht die Plattform einen weiteren Durchgang in der X-Richtung und bewegt die Schaufel gegenüber dem Schuh, während dem Schuh eine pas­ sende Bewegung in der Z-Richtung erteilt wird.

Da das Z-X-Profil der Turbinenschaufel entlang der Y-Achse nicht zwingend konstant sein muß, muß die Bewegung des Schuhs in der Z-Richtung während jedes Durchganges der Turbinenschaufel in der X-Richtung nicht notwendigerweise die gleiche sein wie beim vorangehenden Durchgang. Wenn ein Computerprogramm zur Steuerung der Z-Bewegung des Schuhs verwendet wird, kann ein neuer Satz von Punkten oder Befehlen erforderlich werden.

Dieser Prozeß wiederholt sich, bis die Turbinenschaufel den Schuh in der X- und in der Y-Richtung ganz passiert hat. Der Prozeß resultiert in einer Reihe von Schritten benachbarter Kurven in den Ebenen parallel zu der Z-Y-Ebe­ ne (siehe Fig. 1 und 3). Diese Schritte nähern sich den zu erzielenden Kurven in Parallelebenen zu der Z-Y-Ebene durch eine Anzahl von Punkten, zwischen denen der Schuh eine relativ flache Fläche der Schaufel schleift (siehe Fig. 3). Normalerweise werden zwischen 400 bis 600 Punkte benötigt, um eine Näherungskurve in einer Z-Y-Ebene zu definieren. Die Anzahl der zugelassenen Punkte oder Schritte wird praktisch durch die verwendeten Maschinen begrenzt. Die bewegliche Plattform und die Stellungen des Schuhs werden durch Servomotoren gesteuert, die durch ihre Beschleunigung in der Anzahl von Zeitpunkten, in denen sie auf einer vorgegebenen Strecke gestartet und gestoppt wer­ den können, im Einsatz begrenzt sind. Wenn also das Schleifen mit dem Schleifband beendet ist, ist die Fläche der Kurven in den Z-Y-Ebenen angenähert und besteht aus einer Reihe von ebenen Flächenabschnitten und nicht aus einer kontinuierlich gekrümmten Fläche. Abhängig von der Anzahl der verwendeten Punkte oder Schritte kann ein zusätzlicher Handschliff erforderlich werden. Das Hand­ schleifen ist sehr zeitraubend und erfordert die Verwen­ dung von Meßwerkzeugen und einen dauernden Vergleich mit einer Meßtabelle.

Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Schleifen von Turbinenschaufeln sehen keine Möglichkeit vor, eine volle Drehbewegung der Turbinenschaufel um die X-Achse während des Schleifens vorzunehmen. Nur eine Seite der Turbinenschaufel kann geschliffen werden, die Schaufel muß dann umgespannt werden, um die andere Seite zu schleifen. Die bisher bekannten Bandschleifverfahren und -vorrichtun­ gen erlauben also keine vollautomatische Erzeugung der Turbinenschaufeln, sondern erfordern verschiedene Hand­ betätigungen, einschließlich einer zeitraubenden Fertig­ stellung in Handarbeit, um die komplizierte Form der Schaufel sauber fertigzustellen. Außerdem fordern die be­ kannten Verfahren, daß das Werkstück vorgefertigt oder zu­ nächst eine Rohform der Schaufel hergestellt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Turbinen­ schaufel in einem einzigen automatischen Fertigungsschritt zu schaffen, wobei ein Werkstück in Form eines rohen Blockes so geschliffen wird, daß die in den Z-X- und Z-Y- Ebenen erzeugten Kurven vollkommen glatt sind und keinen Handschliff mehr erfordern.

Die gestellte Aufgabe wird mit einem Verfahren und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schuh eine in vertikaler Richtung verstellbare Drehachse aufweist und die Plattform in zwei zueinander senkrechten Richtungen in einer Horizontalebene verstellbar ist, daß eine Einrichtung zum Bewegen der Schuh-Achse in einer Vertikalrichtung und eine Einrichtung zur Bewegung der Plattform in zwei zueinander senkrechten Richtungen in einer horizontalen Ebene vorgesehen sind, daß der Werkstückhalter eine Spindel mit einer parallel zu einer dieser Richtungen in der horizontalen Ebene verlau­ fenden Achse aufweist, wodurch das Werkstück um diese Spindelachse drehbar und in der horizontalen Ebene ver­ stellbar ist, und daß Mittel zur Synchronisierung der Bewegung des Schuhs, der Plattform und der Rotation der Spindel vorgesehen sind.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der Erfindung er­ lauben die Fertigstellung von Turbinenschaufeln innerhalb eines Toleranzbereiches von 10 Mikron, was vergleichbar ist mit der durch ein Präzisionsgießen erzielbaren Ge­ nauigkeit. Im Gegensatz zum Präzisionsgießen können aber das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung in sehr kurzer Zeit neu programmiert werden, um eine neue Turbinenschaufeloberfläche mit der gleichen Präzision zu erhalten. Dadurch erlauben das Verfahren und die Vorrich­ tung nach der vorliegenden Erfindung die wirtschaftliche Erzeugung von Präzisionsturbinenschaufeln in relativ kur­ zer Zeit.

Die vorliegende Erfindung sieht eine Änderung der Stellung des Schuhs in Richtung der Z-Achse vor, während das Werk­ stück den Schuh in Richtung der Y-Achse passiert und gleichzeitig gedreht wird, dergestalt, daß sich eine voll­ kommen glatte und kontinuierliche Relativbewegung von Werkstück und Schuh ergibt. Dadurch werden alle Ungenauig­ keiten in den Z-Y-Kurven der gebildeten Turbinenschaufel beseitigt. Darüber hinaus sieht die Erfindung eine Vor­ richtung und ein Verfahren vor, bei welchen die Achse des Schuhs in der Z-X-Ebene und in der X-Y-Ebene geneigt ist, wenn das Werkstück den Schuh in Richtung der X- und der Y- Achse passiert. Durch dieses Schrägstellen der Schuhachse wird eine stufenförmige Annäherungsform der Kurven vermie­ den. Die sich ergebenden Kurven der Turbinenschaufelober­ fläche sind sowohl in der Z-Y- als auch in der Z-X-Ebene glatt, und die Oberfläche muß keinem Handschliff mehr unterzogen werden.

Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ist auch einfacher und schneller als jede andere Methode, eine Tur­ binenschaufel mit einem Schleifband herzustellen, weil sie kein vorgefertigtes Werkstück voraussetzt und nicht so viele Schritte oder Bestimmungspunkte erforderlich sind, wie bei den bisher bekannten Verfahren zum Glätten von Turbinenschaufeln. Bekannte Verfahren zum Schleifen von Turbinenschaufeln erfordern 400 bis 600 Schritte oder Be­ zugspunkte, um eine Annäherung an eine Kurve zu erzielen, während mit dem vorliegenden Verfahren eine Kurve genau hergestellt werden kann mit nur vier Schritten oder Be­ zugspunkten. Dies ist außerordentlich bedeutend, wenn man in Betracht zieht, daß man mit der vorliegenden Erfindung kein vorgefertigtes Werkstück benötigt, sondern eine fer­ tige Turbinenschaufel ausgehend von einem blockförmigen Werkstück herstellen kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung, die nur Ausführungsbeispiele zeigt, näher er­ läutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Teiles einer typischen Turbinenschaufel, teilweise im Querschnitt entlang der Z-Y- Ebene;

Fig. 2 eine Draufsicht in der X-Y-Ebene auf die in Fig. 1 dargestellte Turbinenschaufel;

Fig. 3 einen Querschnitt in der Z-Y-Ebene der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Turbinen­ schaufel nach einem Bandschleifen auf bis­ her bekannte Art mit der Annäherungsform der Kurven in der Z-Y-Ebene;

Fig. 4 eine Seitenansicht des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Turbinenblattes mit einem Profil der Schaufel in der Z-X-Ebene;

Fig. 5 einen Querschnitt in der Z-Y-Ebene einer ideal fertiggestellten Turbinenschaufel, deren Oberfläche aus einer Anzahl von kontinuierlichen Kurvenabschnitten besteht, mit Angaben der entsprechenden Mittelpunkte und Winkellängen und eines beliebigen Mit­ telpunktes der Schaufel;

Fig. 5a-d der Fig. 5 entsprechende Darstellungen, welche die Schaufel mit einer Drehung ihres Mittelpunktes in der Z-Y-Ebene um die Mit­ telpunkte der Kurvenabschnitte um deren entsprechende Winkellängen zeigt;

Fig. 6 ein Diagramm, das den Weg des Turbinen­ schaufel-Mittelpunktes in der Z-Y-Ebene zeigt, wenn die Schaufel entsprechend den Fig. 5a; 5d gedreht wird;

Fig. 7 eine Seitenansicht des Bearbeitungsvorrich­ tung in der Z-X-Ebene;

Fig. 8 eine Seitenansicht der Bearbeitungsvorrich­ tung in der Z-Y-Ebene.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind völlig einzigartig und bisher unbekannt, da sie das Herstellen einer Turbinenschaufel in einem einzi­ gen automatisierten Prozeß, ausgehend von einem block­ artigen Werkstück erlauben. Wie vorstehend bereits er­ wähnt, erfordern bekannte Verfahren und Vorrichtungen das Vorfertigen einer Turbinenschaufel-Rohform, die dann durch Schleifen fertiggestellt wird. Die vorliegende Erfindung, die praktisch ein Schleifverfahren betrifft, kann angewen­ det werden, um eine fertige Turbinenschaufel aus einem völlig rohen Werkstückblock zu schaffen. Es bestehen be­ stimmte Ähnlichkeiten zwischen der vorliegenden Erfindung und den früheren bekannten Verfahren der Fertigstellung vorgefertigter Werkstücke. Um die wichtigen neuen Merkmale der vorstehenden Erfindung richtig zu verstehen, wird während der Beschreibung auf den bisher bekannten Fertig­ stellungsprozeß durch Schleifen Bezug genommen. Es muß aber betont werden, daß die vorliegende Erfindung nicht auf das Fertigstellungsschleifen begrenzt ist.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung las­ sen sich am besten aus zwei Blickrichtungen verstehen. Zunächst ist da das Problem der Bildung glatter Kurven in der Z-Y-Ebene (Fig. 3), und zum anderen besteht das Problem des Glättens der Kurven in den Z-X- und Y-X-Ebenen (Fig. 2 und 4). Beide Probleme werden mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung gelöst.

Was das erste Problem betrifft, das Glätten der Kurven in der Z-Y-Ebene, wird die Kurve nach den bekannten Verfahren als eine Reihe von Punkten definiert, die durch gerade Linien miteinander verbunden sind, wie dies aus Fig. 3 er­ sichtlich ist. Dies ist ein übliches Verfahren zur Annähe­ rung einer Kurve und, abhängig von der Anzahl der gewähl­ ten Punkte, führt es zu einer relativ glatten oder relativ rauhen Oberfläche. In der Praxis werden gewöhnlich 400 bis 600 Punkte gewählt, was zu einer relativ glatten Fläche nach dem Schleifen führt. Dieses Verfahren bedeutet aber zwischen 400 bis 600 Start- und Stopp-Befehle, wenn die Turbinenschaufel gegenüber dem Schleifschuh bewegt wird, und die Stellung des Schuhs ist anderseits festgelegt.

Da die Bewegungen des Schuhs und der Turbinenschaufel mittels Servomotoren bewirkt werden und die Anzahl der aufeinanderfolgenden, diesen Motoren zugeführten Befehle sehr groß ist, ist das Verfahren sehr zeitraubend. Nach der vorliegenden Erfindung wird die gekrümmte Oberfläche in einer im wesentlichen einzigen fortlaufenden Bewegung von Anfang bis zum Ende hergestellt, wobei nur eine kleine Anzahl von Befehlen (Punkten) erforderlich ist, wodurch viel Verfahrenszeit gespart wird, während gleichzeitig ein besseres Ergebnis erzielt wird.

Fig. 5 zeigt beispielsweise die ideale Oberfläche einer typischen Turbinenschaufel im Querschnitt in einer Z-Y- Ebene. Die komplexe Kurve der Oberfläche kann in verschie­ dene Abschnitte unterteilt werden, von denen jeder ein Ab­ schnitt (Bogen) eines Kreises R mit einem Mittelpunkt c und mit einer Winkellänge alpha ist. Die in Fig. 5 bei­ spielsweise dargestellte Turbinenschaufelkurve kann in vier Kreisabschnitte R 1 bis R 4 gegliedert werden, von denen jeder einen zugehörigen Mittelpunkt c 1 bis c 4 und eine Winkellänge alpha 1 bis alpha 4 aufweist. Darüber hinaus kann ein beliebiger Mittelpunkt CR des Turbinen­ schaufelquerschnitts gewählt werden. Hypothetisch ist es möglich, eine vollständig glatte Kurve in der Z-Y-Ebene mit einem Schleifband zu erzielen, indem man den Mittel­ punkt CR der Turbinenschaufel um den Mittelpunkt c über den Winkel alpha eines jeden Kreisabschnittes R bewegt, wenn der Schuh V für das Schleifband in der Z-Achse fest­ stehend bleibt. Die Fig. 5a-d zeigen, wie das Werkstück gegenüber dem Schuh V bewegt würde, um den glatten Schliff zu erzielen. Fig. 6 zeigt schematisch den Weg des Turbi­ nenschaufel-Mittelpunkts in der Z-Y-Ebene, wenn die Turbinenschaufel, also das Werkstück, um den annähernden Bereich alpha um jeden Kreisabschnitt-Mittelpunkt c ent­ sprechend den Fig. 5a-d gedreht wird. Um die Turbinen­ schaufel gegenüber dem Schuh zu bewegen, wie dies in den soeben beschriebenen Figuren dargestellt ist, würde man eine äußerst komplizierte Vorrichtung benötigen. Eine ein­ fache Drehung der Schaufel um ihren eigenen Mittelpunkt CR würde jedoch keine Schwierigkeiten bringen. Bei dem Ver­ fahren und der Vorrichtung nach der Erfindung ist vorge­ sehen, die gleiche Relativbewegung der Turbinenschaufel und des Schuhs, wie sie in den Fig. 5a-5d dargestellt ist, durch eine synchronisierte Bewegung des Schuhs in der Z-Richtung mit einer Drehung der Schaufel um eine durch ihren Mittelpunkt CR gehende Achse auszuführen, wenn die Turbinenschaufelachse in der Y-Richtung bewegt wird.

Das Verfahren nach der Erfindung wird am besten anhand der Fig. 5, 5a-5d und 6 verständlich. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:

• (1) Wahl eines beliebigen Mittelpunktes CR des Turbinen­ schaufelquerschnitts in der Z-Y-Ebene (Fig. 5),
• (2) Festlegung jedes Z-Y-Profiles (d. h. P 1, P 2, P 3 usw., wie in den Fig. 2 und 4 dargestellt) der Turbinen­ schaufel als eine Reihe von Kreisabschnitten R 1, R 2 usw., von denen jeder einen zugehörigen Mittelpunkt c 1, c 2 usw. und eine zugehörige Winkellänge alpha 1, alpha 2 usw. (Fig. 5), aufweist,
• (3) Bestimmung der Abstände D 1, D 2 usw. vom Schaufel­ mittelpunkt CR zu jedem Kreisabschnitt-Mittelpunkt c 1, c 2 usw. (Fig. 5a-5d),
• (4) Aufzeichnen des Weges des Schaufelmittelpunktes CR in der Z-Y-Ebene dergestalt, daß der Schaufelmittelpunkt CR sich nacheinander um jeden Kreisabschnitt-Mittel­ punkt c 1, c 2 usw. über eine Winkellänge alpha 1, alpha 2 usw. bewegt (Fig. 5a-5d und 6), wobei der Weg des Mittel­ punktes CR aus einer Folge von Kreisabschnitten be­ steht, die an Endpunkten (Z 1, Y 1), (Z 2, Y 2) usw. in der Z-Y-Ebene miteinander verbunden sind (Fig. 6),
• (5) synchrones Bewegen des Schuhs in der Z-Richtung und der Schaufel in der Y-Richtung und Drehen der Schaufel um ihren Mittelpunkt CR so, daß bei der Drehung der Schaufel um ihren Mittelpunkt CR über einen Winkel alpha n entsprechend dem Kreisabschnitt Rn die Schau­ fel und der Schuh in der Y- bzw. in der Z-Richtung vom Anfangspunkt (Zn, Yn) entsprechend dem Kreisabschnitt Rn bis zu dem Punkt (Zn+1, Yn+1), der dem Beginn des Kreisabschnittes Rn+1 entspricht, bewegt werden, wobei der Wechsel in der Z-Position gegenüber dem Wechsel in der Y-Position durch eine Kreiskurve mit einem Radius Dn definiert ist (Fig. 5a-5d),
• (6) Wiederholung des letzten Schrittes für jeden Kreis­ abschnitt R 2, R 3 usw.,
• (7) Verstellen der Stellung der Schaufel gegenüber dem Schuh in der X-Richtung und
• (8) Wiederholung der Schritte (3) bis (8) für jedes Z-Y- Profil, das im Schritt (2) definiert ist, bis die Schaufel fertiggeschliffen ist.

Das vorstehend beschriebene Verfahren wird noch besser verständlich durch die Beschreibung der Vorrichtung, mit welcher es ausgeführt wird.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Vorrichtung zur Bewegung der Turbinenschaufel (Werkstück) in der X-Richtung und in der Y-Richtung mittels einer beweglichen Plattform 111, auf der das Werkstück aufgespannt wird. Ein Schuh 105 ist in der Z-Richtung verstellbar. Die Turbinenschaufel (das Werkstück) kann mittels einer Spindel 101 um eine Achse A gedreht werden. Die Bewegung der Turbinenschaufel und des Schuhs bei der Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens wird mittels einer bekannten Steuereinrichtung durchgeführt, die als CNC-Einrichtung bezeichnet wird.

Computer-Numerische-Steuer(CNC)-Einrichtungen sind für den Betrieb verschiedener Maschinenwerkzeuge bekannt. Mit solchen Einrichtungen können geradlinige, kurvenförmige oder schraubenförmige Bewegungen gesteuert werden. Beispielsweise wird eine Linearbewegung mittels einer CNC- Einrichtung durch die Eingabe eines X- und eines Y-Wertes gesteuert. Die CNC-Einrichtung errechnet die Neigung einer Linie, die von einem Punkt 0,0 bis zu einem Punkt X, Y verläuft. Während des Betriebs vergrößert die CNC-Einrich­ tung die X- und Y-Werte proportional entsprechend der er­ rechneten Neigung. Diese X- und Y-Werte können zur Steue­ rung verschiedener Teile von Maschinenwerkzeugen verwendet werden, so daß jeder Teil des Maschinenwerkzeugs gleich­ zeitig mit anderen Teilen an seiner entsprechenden Posi­ tion erscheint. Eine CNC-Einrichtung für eine Linearsteue­ rung kann so zwei Teile eines Maschinenwerkzeuges steuern, indem sie sie in einem errechneten Verhältnis so führt, daß sie eine vorgegebene Position X, Y zur selben Zeit in einem stufenlosen Verfahren erreichen.

Die meisten CNC-Einrichtungen sind auch für eine Bogen­ steuerung ausgelegt, wobei drei variable Größen, bei­ spielsweise X, Y, R eingegeben werden können. Bei einer Kreisbewegung errechnet die CNC-Einrichtung die Gleichung eines Kreises, der den Radius R hat und durch die Punkte X, Y verläuft. Bei der Ausführung der Kreisbogensteuerung kann die CNC-Einrichtung die veränderlichen Werte für X und Y erhöhen oder vermindern, wie dies zur Bestimmung einer Kreisbahn von Punkt 0,0 zum Punkt X, Y erforderlich ist, die einen Radius R hat. Es gibt zwei mögliche Wege, wenn die Endpunkte eines Bogens und ein Radius angegeben sind, nämlich einen konvexen Weg und einen konkaven Weg. Die CNC-Einrichtung erlaubt die Wahl zwischen diesen beiden Möglichkeiten.

CNC-Einrichtungen für eine kreisförmige Bewegungssteuerung sind praktisch für die Steuerung eines Maschinenwerk­ zeuges, das sich auf einem Kreis bewegen soll. Solche Ein­ richtungen haben aber noch keine Anwendung beim Schleifen (oder Herstellen) von Turbinenschaufeln gefunden, da die Kontur einer Turbinenschaufel einen wechselnden Radius hat.

Viele CNC-Einrichtungen können auch schraubenförmige Be­ wegungen steuern, wobei eine einzige lineare Veränderliche zu den drei Kreisveränderlichen hinzugefügt wird. Für eine schraubenförmige Steuerung beginnt also eine CNC-Einrich­ tung mit vier Veränderlichen, beispielsweise X, Y, Z und R. Während des Betriebs vergrößert oder verkleinert die CNC-Einrichtung die Werte für Z und Y, um einen Kreis in der Z-Y-Ebene mit einem Radius R zu beschreiben, und ver­ größert gleichzeitig den Wert für X von 0 bis X linear, um den Endwert gleichzeitig mit den Werten für Z und Y zu er­ reichen. Dieses Verfahren wird als Schraubensteuerung be­ zeichnet, da es allgemein bei Maschinenwerkzeugen verwen­ det wird, die einen schraubenförmigen Weg beschreiben soll­ len.

Durch die Verwendung einer Schraubensteuerung einer be­ kannten CNC-Einrichtung kann die vorstehend beschriebene Vorrichtung so gesteuert werden, daß die Positionen des Schuhs für das Schleifband und der Turbinenschaufel in Übereinstimmung mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren in einer stufenlosen Bewegung geändert werden können, wo­ bei sie eine Kurve mit wechselndem Radius in zwei Dimensionen beschreiben. Dabei wird die CNC-Einrichtung dazu verwendet, das Schleifwerkzeug (den Schuh) in der Z- Achse und das Werkstück (die Turbinenschaufel) in der Y- Achse in einer Reihe von Kreisbahnen vom Endpunkt eines Kreisabschnittes bis zu dem Endpunkt des nächsten Kreis­ abschnittes zu führen, beispielsweise von dem Punkt Z 1, Y 1 bis zu dem Punkt Z 2, Y 2 in Fig. 6. Die CNC-Einrichtung erlaubt auch die Veränderung einer linearen Veränderlichen gleichzeitig mit der Kreisbewegung. Diese lineare Verän­ derliche wird verwendet, um gleichzeitig die Turbinen­ schaufel (das Werkstück) um ihren Mittelpunkt CR über die Winkellänge alpha zu drehen, die jedem Kreisabschnitt wie eingangs beschrieben zugeordnet ist.

Durch den Einsatz einer CNC-Einrichtung für die Ausführung einer Schraubenbewegung in der Vorrichtung zum Schleifen einer Turbinenschaufel läßt sich mit dem Verfahren gemäß der Erfindung die gleiche glatte Oberfläche erzielen, wie wenn die Turbinenschaufel gegenüber einem stationären Schleifschuh bewegt worden wäre, wie dies in den Fig. 5a-5d dargestellt ist. Die Erfindung resultiert also in einer Z-Y-Kurve, die völlig glatt ist und keinen zusätzlichen Handschliff erfordert. Mit der vorliegenden Erfindung wird also das Verfahren der Herstellung einer Turbinenschaufel sehr vereinfacht, indem die Anzahl von Koordinaten ver­ mindert wird, die zur Bestimmung der herzustellenden ge­ krümmten Oberfläche erforderlich sind. So müssen bei­ spielsweise zum Schleifen der in Fig. 5 gezeigten Ober­ fläche nur vier Koordinatensätze in die CNC-Einrichtung nacheinander eingegeben werden, während nach den früheren Verfahren zwischen 400 bis 600 Koordinatensätze erforderlich waren. Beispielsweise definiert der erste Satz von Koordinaten X, Y, Z und R, der in die CNC-Einrichtung ein­ gegeben werden muß, den ersten in Fig. 5 mit R 1 bezeichne­ ten Kreisabschnitt, ein zweiter Koordinatensatz definiert den Kreisabschnitt R 2 usw.

Der zur Erzielung der in den Fig. 5 und 6 eingezeichneten Kurven in die CNC-Einrichtung einzugebende erste Koordina­ tensatz kann sein: die lineare Veränderliche X=alpha 1, die Winkellänge des ersten Kreisabschnitts. Die Kreisveränder­ lichen Y, Z und R sind folgende: Y=Y 2-Y 1, die Änderung in der Y-Position des in Fig. 6 dargestellten Mittelpunktes CR der Schaufel; Z=Z 2-Z 1, die Änderung in der Z-Position des Mittelpunktes CR der Schaufel wie in Fig. 6 dargestellt; R=D 1, der Radius der Kreisbahn, die der Mittel­ punkt CR der Schaufel wie in Fig. 5a dargestellt be­ schreibt, welches ist der Abstand des Mittelpunktes CR der Schaufel von dem Mittelpunkt c 1 des ersten Kreisab­ schnitts. Zusätzlich muß eine weitere Veränderliche einge­ geben werden, mit welcher die CNC-Einrichtung informiert wird, daß der zu beschreibende Weg konvex ist, wie in Fig. 6 dargestellt. Mit diesem ersten Satz von Veränderlichen steuert die CNC-Einrichtung die Vorrichtung zum Schleifen des in Fig. 5 mit R 1 bezeichneten ersten Abschnittes der Turbinenschaufel.

Der Schleifbandschuh beginnt seine Bewegung in der Z-Rich­ tung, wenn die Plattform, auf welcher die Turbinenschaufel befestigt ist, in der Y-Richtung bewegt wird, wobei beide Bewegungen durch die CNC-Einrichtung gesteuert sind, die gleichzeitig eine Drehung der Turbinenschaufel um ihren Mittelpunkt CR steuert. Die CNC-Einrichtung steuert den Schuh so, daß er am Punkt Z=Z 2-Z 1 zur gleichen Zeit ein­ trifft, wenn die Turbinenschaufel auf der Plattform den Punkt Y=Y 2+Y 1 erreicht, und während der gleichen Zeit hat der Mittelpunkt CR der Turbinenschaufel sich auf einem Kreisbogen um den Winkel alpha 1 gedreht. An dieser Stelle wird der CNC-Einrichtung der nächste Satz von Veränder­ lichen X=alpha 2, Y=Y 3-Y 2, Z=Z 3-Z 2 und R=D 2 sowie der Befehl für eine konvexe Bewegung eingegeben. Der nächste Abschnitt des Z-Y-Profiles der Turbinenschaufel wird an­ schließend geschliffen usw. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis das ganze erste Z-Y-Profil fertiggestellt ist. Dann wird in der Vorrichtung die das Werkstück haltende Plattform um einen Schritt in der X-Richtung verstellt und dann das zweite Z-Y-Profil in der gleichen Weise, mög­ licherweise mit einem neuen Satz von Veränderlichen, ge­ schliffen. Dies wiederholt sich, bis jedes Z-Y-Profil ge­ schliffen ist.

Die vorstehende Beschreibung betrifft die erste Form der vorliegenden Erfindung, die zum Erhalt von glattgeschlif­ fenen Kurven in der Z-Y-Ebene eingesetzt werden kann. Um glatte Kurven in der Z-X-Ebene (Fig. 4) und der Y-X-Ebene (Fig. 2) ebenfalls zu bekommen, wird eine zweite Form der Erfindung eingesetzt.

In der vorstehend beschriebenen Vorrichtung wird nach jedem Durchgang der beweglichen und die Turbinenschaufel tragenden Plattform in der Y-Richtung die Plattform 111 mit der Turbinenschaufel um einen kleinen Betrag (bestimmt durch die Breite des Schleifbandes) entlang der X-Achse verstellt und ein neues Profil in der Z-Y-Ebene geschlif­ fen. Dieser Vorgang wiederholt sich mehrfach, bis auf der Oberfläche der Turbinenschaufel in der X-Richtung ein Profil gebildet ist, wie es in den Fig. 2 und 4 dargestellt ist. Das Verfahren und die Vorrichtung, die nach­ folgend beschrieben werden, erlauben ein Glätten dieses Profils in der X-Richtung, so daß kein Handschliff zum Ausglätten der Oberfläche der Schaufel nötig ist.

An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, daß beim Fertigen einer Turbinenschaufel aus einem rohen Werkstück, also nicht nur beim einfachen Polieren einer vorgefertig­ ten Rohform, es ratsam ist, das Schleifband der Vorrich­ tung während des Verfahrens zu wechseln. Der Erfinder hat in der Vorrichtung Schleifbänder der Bezeichnung "norton norzone" erfolgreich eingesetzt, und es ist empfehlens­ wert, daß ein sandbesetztes Band mit der Körnung 24 zum Schleifen des rohen Werkstückes verwendet wird, bis die Form in einem Toleranzbereich von 2/1000 bis 3/1000 Zoll von der Endform erreicht wird, und dann ein Schleifband mit der Körnung 180 bis 200 einzusetzen und die Turbinen­ schaufel fertigzuschleifen mit einem Toleranzbereich von 10 Mikron. Während jeder Schleifoperation sollte der Schleifstelle natürlich Kühlöl zugeführt werden. Es ist ratsam, Kühlöl in einer Menge von bis zu 30 Gallonen/Minu­ te der Schleifstelle, an welcher der Schuh Kontakt mit dem Werkstück hat, zuzuführen.

Die Fig. 7 und 8 zeigen die Vorrichtung in Seitenansichten in der Z-X- und in der Z-Y-Ebene. Eine Spindel 101 zum Drehen des Werkstückes (die Turbinenschaufel ist nicht dargestellt) um eine Drehachse A ist senkrecht zu der Z-Y- Ebene gerichtet. Die Spindel 101 ist auf einer beweglichen Plattform 111 gelagert, die in der X- und in der Y-Rich­ tung verstellbar ist. Über den Schuh 105 ist ein durch einen Motor 109 angetriebenes Schleifband 107 geführt. Der Schuh 105, das Schleifband 107 und der Motor 109 können zusammen in der Z-Richtung, also auf und ab, bewegt wer­ den. Diese Bewegung in der Z-Richtung kann mit bekannten Verstelleinrichtungen 120 durchgeführt werden, von denen in Fig. 8 eine schematisch dargestellt ist. Üblicherweise wird die Plattform 111 in der Y-Richtung bewegt, wie dies in Fig. 8 angezeigt ist, während der Schuh 105 sich in der Z-Richtung bewegt und die auf der Spindel 101 befestigte Turbinenschaufel um die Achse A gemäß dem vorstehend be­ schriebenen Verfahren gedreht wird. Nach jedem Schliff in der Z-Y-Ebene wird das Werkstück mittels der Plattform 111 in der X-Richtung verstellt, wie dies in Fig. 7 angezeigt ist, um dann einen weiteren Schliff in der Z-Y-Ebene aus­ zuführen. Die Verstellung der Plattform in der Y- und der X-Richtung kann mittels bekannter Verstelleinrichtungen 122 und 124 durchgeführt werden, die in Fig. 8 schematisch eingezeichnet sind.

Zusätzlich zu den vorstehend erwähnten Bewegungen weist die Vorrichtung auch in Fig. 8 bezeichnete Teile 126, 128 auf, um das Schleifband 107, den Schuh 105 und den Motor 109 gemeinsam um eine Achse U und eine Achse W gleichzei­ tig zu drehen. Die U-Achse verläuft senkrecht zur X-Z-Ebe­ ne und parallel zur Y-Achse, die durch den Rand des in Fig. 7 dargestellten Schleifbandes 107 verläuft. Dieser Rand ist derjenige, der dem bereits geschliffenen Teil der Turbinenschaufel zugewandt ist, also der hintere Rand, wenn die Turbinenschaufel entlang der X-Achse bewegt wird. Der vordere Rand wird auf dem Werkstück entlang der X-Ach­ se bewegt. Die W-Achse verläuft parallel zur Z-Achse und schneidet die U-Achse und die Achse des Schuhs 105, wie aus Fig. 8 ersichtlich ist. Durch ein Verschwenken des Schuhs 105 gegenüber der U- und der W-Achse beim Vorbei­ lauf der auf der Plattform 111 befestigten Turbinenschaufel am Schuh 105 in der Y-Richtung wird die Schleiffläche des Bandes relativ zur Turbinenschaufel eingestellt und es wird ein Turbinenschaufelprofil in den Z-X- und Y-X-Ebenen (Fig. 2 und 4) erzeugt, was ohne diese Neigung nicht er­ zeugt werden könnte.

Wie vorstehend beschrieben worden ist, wird nach jedem Vorbeigang der Turbinenschaufel in der Y-Richtung am Schuh 105 die Turbinenschaufel entlang der X-Achse verstellt. Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist aber der Schuh in Richtung der U- und der W-Achse geneigt, wenn die Turbinenschaufel in der Y-Richtung bewegt und um ihren Mittelpunkt CR gedreht wird. Die Neigung des Schuhs 105 in diesen beiden Richtungen ist dem wechselnden Profil der Turbinenschaufel in der X-Richtung angepaßt (siehe Fig. 2 und 4). Wenn die Turbinenschaufel um ihren Mittelpunkt ge­ dreht wird, kann die Stärke der Neigung in der U- und W- Richtung an eine aus Fig. 2 ersichtliche Abschrägung der Turbinenschaufel in der X-Richtung angepaßt sein.

Zur Steuerung der Schwenkbewegung des Schuhs wird eine CNC-Einrichtung zur Steuerung der Bewegung der Vorrichtung und des Werkstückes relativ zueinander verwendet. In die­ sem Falle ist es jedoch notwendig, mit sechs Veränderlichen anstatt vier zu steuern. Um dies zu bewirken, wird eine CNC-Einrichtung für eine Kreissteuerung und drei Linear­ steuerungen erforderlich. Solch eine Einrichtung gibt es beispielsweise von Siemens (CNC-Gerät Nr. 850). Diese Ein­ richtung erlaubt die gleichzeitige Steuerung von drei Kreisveränderlichen (d. h. X, Y und R) und drei linearen Veränderlichen, also insgesamt sechs Veränderlichen. Das verwendete Verfahren schließt das vorstehend beschriebene Verfahren ein und arbeitet zusätzlich mit zwei Veränder­ lichen zum Neigen des Schuhs sowohl in der U- als auch in der W-Achse. Diese zusätzlichen Veränderlichen zur Steue­ rung des Schuhs können durch einen Vergleich der aufein­ anderfolgenden Z-Y-Profile der Turbinenschaufel in der X- Richtung gefunden werden (siehe z. B. P 1 und P 2 in Fig. 2 und 4). Durch Feststellung des Unterschieds im Radius von entsprechenden benachbarten (in der X-Richtung) Kreis­ abschnitten der benachbarten Z-Y-Profile und des Abstandes zwischen den Profilen kann ein Winkel gamma für einen Anstieg oder ein Abfallen in der X-Richtung gefunden wer­ den. Dieser Winkel wird verwendet, um den Schuh in der U- Achse zu neigen (siehe z. B. Fig. 4). Auch kann die Neigung der Kontur der Turbinenschaufel in der Y-X-Ebene um den in Fig. 2 gezeigten Winkel theta verwendet werden, um eine passende Neigung des Schuhs in der W-Achse zu bestimmen. Falls erforderlich, kann der CNC-Einrichtung der Befehl gegeben werden, die Drehbewegung der Turbinenschaufel an­ zuhalten, während ein Verschwenken des Schuhs in der W- oder U-Achse ausgeführt wird. Anschließend kann die Dre­ hung fortgesetzt werden, wenn der Schuh sich in der rich­ tigen Stellung zum Schleifen der geneigten Oberfläche der Turbinenschaufel befindet.

Obgleich die Erfindung im Hinblick auf eine Vielzahl von Ausführungsbeispielen beschrieben und dargestellt ist, ist die Erfindung keinesfalls auf die Offenbarung dieser be­ vorzugten Ausführungsformen begrenzt, sondern kann auch in zahlreichen Abwandlungen im Rahmen der Fassung der Patent­ ansprüche verwirklicht werden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Herstellung einer fertigen Turbinen­ schaufel aus einem rohen Werkstück, mit einem umlaufen­ den und über einen Schuh geführten Schleifband und einem auf einer beweglichen Plattform angeordneten Werkstückhalter, dadurch gekennzeichnet, daß der Schuh (105) eine in vertikaler Richtung (Z) verstellbare Drehachse aufweist und die Plattform (111) in zwei zueinander senkrechten Richtungen (X, Y) in einer Horizontalebene verstellbar ist, daß eine Einrichtung zum Bewegen der Schuh-Achse in einer Vertikalrichtung (Z) und eine Einrichtung zur Bewegung der Plattform (111) in zwei zueinander senkrechten Richtungen (X, Y) in einer horizontalen Ebene vorgesehen sind, daß der Werkstückhalter eine Spindel (101) mit einer parallel zu einer dieser Richtungen in der horizontalen Ebene verlaufenden Achse (A) aufweist, wodurch das Werkstück um diese Spindelachse drehbar und in der horizontalen Ebene verstellbar ist, und daß Mittel zur Synchroni­ sierung der Bewegung des Schuhs (105), der Plattform (111) und der Rotation der Spindel (101) vorgesehen sind.

2. Verfahren zur Herstellung einer fertigen Turbinen­ schaufel aus einem rohen Werkstück, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• (1) Wahl eines beliebigen Drehpunktes (CR) des Werk­ stücks zur Anordnung des Werkstücks auf einer Spindel (101),
• (2) Festlegung einer Mehrzahl von Profilen des Werk­ stücks in einer entsprechenden Anzahl von Ebenen, die senkrecht zu der Spindelachse (A) verlaufen, wobei jedes Profil aus einer Reihe von Kreisab­ schnitten (R 1; R 4) mit einem Kreismittelpunkt (c 1- c 4) und einer Winkellänge (alpha 1-4) besteht,
• (3) Messen des Abstandes des Drehmittelpunkts (CR) von jedem Kreisabschnitt-Mittelpunkt (c 1- c 4),
• (4) Eingeben auf einen Datenträger die hypothetischen Bahnen des Drehmittelpunktes (CR) des Werkstücks in jeder dieser senkrecht zur Spindelachse (A) ver­ laufenden Ebenen, wobei jede dieser hypothetischen Bahnen der Weg des Drehmittelpunktes (CR) ist, den er beschreibt, wenn er nacheinander um jeden der Kreisabschnitt-Mittelpunkte (c 1- c 4) über jede der entsprechenden Winkellängen (alpha 1-4) bewegt wird, und wobei jede dieser hypothetischen Bahnen aus einer Reihe von Kreisabschnitten besteht, die durch eine Reihe von Endpunkten bestimmt sind, wobei jeder Endpunkt einem jeden der Kreisabschnit­ te zugeordnet ist,
• (5) Synchronisieren
  • (a) der Bewegung der Schuhachse (A) in der Vertikalrichtung (Z) und
  • (b) der Bewegung des Werkstücks in einer Horizontalrichtung senkrecht zur Spindelachse (A) und
  • (c) der Drehung des Werkstücks auf der Spindelachse (a), dergestalt, daß bei einer Drehung des Werkstücks über eine im Schritt (2) definierte Winkellänge (alpha 1 - alpha 4) die Horizontalposition des Werkstücks und die Vertikalposition des Schuhs auf einer Kreisbahn bewegt werden, wobei diese Bahn einen Radius hat, die gleich dem im Verfahrensschritt (3) gemessenen Abstand entspricht, in der entsprechenden Ebene senkrecht zur Spindelachse von dem entsprechenden Endpunkt, welcher der entsprechenden Winkellänge entspricht, bis zu dem nächsten entsprechenden Endpunkt in der Reihe der im Verfahrensschritt (4) definierten Endpunkte,
• (6) Wiederholung des Verfahrensschrittes (5) für jeden aufeinanderfolgenden Kreisabschnitt,
• (7) Verschiebung der Stellung des Werkstücks in einer Horizontalrichtung parallel zur Spindelachse (A) und
• (8) Wiederholung der Verfahrensschritte (5)-(7) für jedes Profil des Werkstücks, bis die Turbinen­ schaufel fertiggeschliffen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich eine Einrichtung zum Drehen der Schuhachse um eine Vertikalachse (W) und eine Einrich­ tung zum Drehen der Schuhachse um eine Horizontalachse (U) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeich­ net, daß sie zusätzlich eine Einrichtung zum Synchroni­ sieren der Drehung der Schuhachse um die Vertikalachse und die Horizontalachse mit der Drehung der Spindel (101) und der Bewegung der Plattform (111) aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Verfahrensschritt zwischen den Schritten (4) und (5), bestehend aus dem Messen des ansteigenden oder abfallenden Neigungswinkels (gamma) zwischen ent­ sprechenden Kreisabschnitten (R 1- R 4) von jedem der be­ nachbarten Profile (P 1- P 3), und nach dem Verfahrensschritt (5) Synchronisieren der Drehung der Schuhachse um die horizontale und die vertikale Achse mit der Bewegung des Werkstücks in einer horizontalen Richtung senkrecht zu der Spindel­ achse (A) und der Drehung des Werkstücks um die Spindelachse, dergestalt, daß die Schuhachse einen Winkel gleich dem Neigungswinkel (gamma) zwischen benachbarten Profilen (P) annimmt.