DE4309771C2

DE4309771C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Fertigbearbeitung eines keramischen Turbinenrotors

Info

Publication number: DE4309771C2
Application number: DE4309771A
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Kawase
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1992-03-26
Filing date: 1993-03-25
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2013-03-26
Also published as: US5339521A; JPH05272301A; DE4309771A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fertigbearbeitungs verfahren für einen keramischen Turbinenrotor, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

In den letzten Jahren besteht ein gewisses Bestreben, verschie dene Bauteile von Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge aus keramischen Materialien zu fertigen, um die Leistungsfähig keit der Maschinen zu steigern. Bei einem Bearbeitungsprozeß eines keramischen Turbinenrotors, der zur Verwendung in einem Turbolader der Maschine geeignet ist, ist es erforderlich, den Turbinenrotor ganz genau in zentrierten Zustand zu bringen, um die Turbinenschaufeln feinzubearbeiten. Entsprechend die ser Forderung ist, wie in Fig. 7a gezeigt, ein herkömmlicher Turbinenrotor 1 an seinem Nabenteil 3 mit einer Zentrierbohrung 9 für einen Eingriff mit einer Spin del 14a eines Spindelstocks versehen, sowie mit einer metalli schen Lagerwelle 5 verbunden, die an ihrem anderen Ende mit einer Zentrierbohrung 9 zum Eingriff mit einer Spindel 14b eines Reitstocks ausgestattet ist. Alternativ dazu ist, wie in Fig. 7b gezeigt, der herkömmliche Turbinenrotor 1 an seinem Nabenteil 3 mit einem kegelförmigen Ansatz 15 ver sehen, der mit einer kegelförmigen Zentrierbohrung 16 in der Spindel 14a des Spindelstocks zum Eingriff gebracht wird. Im ersten Fall neigt der keramische Turbinenrotor da zu, an seiner Zentrierbohrung 9 Risse zu erhalten. Wenn das Vorhandensein eines Risses nicht eindeutig festgestellt wird, kann der keramische Turbinenrotor während des Bearbeitungspro zesses oder in seinem tatsächlichen Betrieb beschädigt werden. Im zweiten Fall neigt der kegelförmige Ansatz 15 des keramischen Turbinenrotors dazu, während des Bearbeitungs prozesses abgebrochen zu werden. Bleibt der kegelförmige Ansatz nach dem Bearbeitungsprozeß erhalten und wird er wäh rend des folgenden Montagevorgangs abgebrochen, so wird die Rotationsstabilität des Turbinenrotors beeinträchtigt und verschlechtert.

Aus der DE 38 40 596 A1 ist eine Feinschleifmaschine mit einer rotierbaren Aufnahme mit einer konischen Anlagefläche bekannt, die mit einer Umlaufkante oder einer Zentrierfase des Werkstücks in Eingriff bringbar ist, wobei die Zentrierfase der Aufnahme stets länger ist als die Zentrierfase des Werkstücks. Bei sehr harten Werkstücken wird bei dieser Vorgehensweise jedoch häufig nur eine unzureichende Zentrierung der Werkstücke erreicht.

Folglich ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Fertigbearbeiten eines keramischen Turbinenrotors und eine Vorrichtung zu dessen Umsetzung zu schaffen, mittels denen keramische Turbinenrotoren ohne Beschädigung zuverlässig präzise geschliffen werden können.

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.

Weitere Einzelheiten und Vorteile dieser Er findung werden aus der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes deutlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine Momentaufnahme eines Bearbeitungsverfahrensabschnitts für einen keramischen Tur binenrotor gemäß dieser Erfindung;

Fig. 2 eine Momentaufnahme in einem Verbindungsvorgang für den Turbinenrotor mit einer metallischen Lagerwelle;

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Eingriffszustan des des Turbinenrotors mit einem Befestigungsauf satz, der an der Spindel eines Spindelstocks an gebracht ist;

Fig. 4 eine Seitenansicht einer Abwandlung des in Fig. 1 dargestellen Turbinenrotors;

Fig. 5 eine Seitenansicht einer weiteren Abwandlung des Turbinenrotors;

Fig. 6 eine noch andere Abwandlung des Turbinenrotors;

Fig. 7a und 7b jeweils Momentaufnahmen eines herkömmlichen Bearbeitungs verfahrens für einen Turbinenrotor.

Wie der Fig. 2 am besten zu entnehmen ist, besitzt ein gesin terter keramischer Turbinenrotor 1 ein Nabenteil 3, an dem einstückig mehrere radiale Schaufeln 2 ausgebildet sind, und ein Nabenteil 4 zur Verbindung mit einer metallischen Lager welle 5. Am Nabenteil 3 des Turbinenrotors 1 ist ein Sechs kant 7 ausgebildet, der mit einer entsprechenden Sechskant öffnung eines Mutternschlüssels in Eingriff gebracht werden kann. Die Lagerwelle 5 hat eine abgestufte Ausgestaltung, wo bei ihr eines Ende ein napfförmiges Teil 6 besitzt und im anderen Ende eine Zentrierbohrung 9 ausgearbeitet ist. In einem Schleifprozeß des Turbinenrotors 1 wird das Nabenteil 3 an seinem vergrößerten Teil P1 durch ein Abstützglied einer Schleifmaschine gelagert, während die radialen Schau feln 2 durch ein weiteres Abstützglied der Schleifmaschine an ihren rückwärtigen Stirnflächen P2 gestützt werden, um den Turbinenrotor exakt zu positionieren und zu halten. In dem beschriebenen positionierten Zustand des Turbinenro tors 1 wird am vorderen distalen Ende des Nabenteils 3 durch eine Schleifscheibe eine Zentrierfase 8 geschliffen, um den Turbinenrotor 1 während einer Feinbearbeitung zu zentrie ren. Hierauf wird der Turbinenrotor 1 an seinem vergrößerten Teil P1 und seiner Zentrierfase 8 positioniert oder ge lagert, um das Nabenteil 4 feinzubearbeiten.

Das Nabenteil 4 des Rotors 1 wird mit Preßsitz in eine axia le Bohrung 6a des napfförmigen Teils 6 der Lagerwelle 5 ein gesetzt, um den Rotor 1 mit der metallischen Lagerwelle 5 koaxial zu verbinden. Anschließend wird der Turbinenrotor 1 an seinem vergrößerten Teil P1 und der Zentrierfase 8 positioniert, um die Zentrierbohrung 9 im anderen freien Ende der Lagerwelle 5 auszubilden.

Im anschließenden Bearbeitungsverfahren wird die Lagerwelle 5 an ihrer Zentrierbohrung 9 mit einer Spindel 14 eines Reit stocks in Eingriff gebracht, während das Nabenteil 3 des Rotors 1 an seiner Zentrierfase 8 mit einer entsprechen den angefasten Fläche 10 eines Befestigungsaufsatzes in An lage gebracht wird, der an einer Spindel eines Spindelstocks montiert ist, um den Turbinenrotor 1 in den zentrierten Zu stand zu bringen. In dem vorstehend beschriebenen zentrierten Zustand des Turbinenrotors 1 werden die Turbinenschaufeln 2 durch einen Schleifvorgang an ihren Außenumfängen feinbear beitet, wie auch die Lagerwelle 5 durch Schleifen fertigbe arbeitet wird, um ein Wellenzapfenteil 12 zu bilden. Darüber hinaus wird das napfförmige Teil 6 der Lagerwelle 5 geschlif fen, um an diesem Ringnuten 13 auszubilden, und an seinem distalen Endstück 17 wird ein Gewinde ausgearbeitet.

Während des Bearbeitungsvorgangs wird die angefaste Fläche 10 des Befestigungsaufsatzes durch eine drehende Reibung mit der Zentrierfase 8 des Turbinenrotors 1 etwas beschä digt. Wenn die angefaste Fläche 10 des Befestigungsaufsatzes 11 teilweise mit der Zentrierfase 8 des Turbinenrotors 1 in Anlage ist, wird an der angefasten Fläche 10 des Befesti gungsaufsatzes 11 ein abgestufter Abschnitt oder Bereich bzw. Riefen ausgebildet, was in einer Störung der Bearbeitungsbezugsgrö ße oder der Konzentrizität des Turbinenrotors 1 resultiert. Aus diesem Grund wird vorgezogen, daß, wie in Fig. 3 gezeigt, die Breite L₁ der angefasten Fläche 10 so bestimmt wird, daß sie kleiner ist als die Breite L₂ der Zentrierfase 8 des Turbinenrotors 1, damit die angefaste Fläche 10 des Befestigungsaufsatzes 11 in ihrer Gesamtheit mit der Zentrierfase 8 des Turbinenrotors 1 zur Anlage kommt.

Durch das vorstehend beschriebene Bearbeitungsverfahren kann die Zentrierfase 8 des Turbinenrotors 1 präzise durch Schleifen in einer einfachen Weise ausgebildet werden, wobei die im Stand der Technik auftretenden Probleme vermieden werden.

Bei einer praktischen Ausführungsform dieser Erfindung kann, wie in Fig. 4 gezeigt ist, das Nabenteil 3 des Turbinenrotors 1 im Durchmesser lediglich an seinem frontseitigen Endab schnitt vermindert werden, um das Ansetzen eines Muttern schlüssels zu erleichtern. Alternativ kann, wie in Fig. 5 gezeigt ist, das Nabenteil 3 des Rotors 1 mit einem Paar von parallelen Abflachungen 19 versehen werden, an die ein Schrau benschlüssel anzulegen ist. Darüber hinaus kann, wie in Fig. 6 gezeigt ist, der frontseitige Endabschnitt des Nabenteils 3 des Rotors 1 als ein Sechskantkopf 20 ausgestaltet werden, der an seinem frontseitigen freien Ende abgeschliffen wird, um eine Zentrierfase 8 zur Anlage mit der angefasten Fläche 10 des Befestigungsaufsatzes auszubilden. Des weite ren ist erwünscht, daß die Zentrierfase 8 des Nabenteils 3 unter einem Winkel Θ von 20° bis 50° mit Bezug zur Achse des Befestigungsaufsatzes 11 ausgestaltet wird.

Claims

1. Verfahren zur Fertigbearbeitung eines keramischen Turbinenrotors (1) mit einem Nabenteil (3), an dem einstückig eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln (2) ausgebildet ist, wobei das Nabenteil (3) ein rückwärtiges, mit einer metallischen Lagerwelle (5) koaxial verbundenes Ende (4) und ein freies vorderes Ende hat, wobei

- zunächst das Nabenteil (3) an seinem Außenumfang (P1) in der Nähe des rückwärtigen Endes (4) zentriert wird,
- danach eine zu dieser Zentrierung konzentrische Zentrierfase (8) am vorderen Ende des Nabenteils (3) geschliffen wird,
- danach das rückwärtige Ende (4) des Nabenteils (3) unter Beibehaltung der Zentrierung fertiggeschliffen wird, wobei zuvor die Zentrierfase (8) mit einer mit der gleichen Neigung angefasten Fläche (10) einer Aufnahme (11) in Anlage gebracht wird und die angefaste Fläche (10) innerhalb der Zentrierfase (8) liegt,
- danach ein koaxiales Aufpressen der Lagerwelle (5) auf das rückwärtige Ende (4) des Nabenteils (3) im eingespannten Zustand erfolgt,
- dann eine Zentrierbohrung (9) in das dem Nabenteil (3) abgewandte Ende der Lagerwelle (5) eingebracht wird und
- danach das Fertigschleifen des Turbinenrotors (1) und der Lagerwelle (5) erfolgt, wobei diese an der Zentrierfase (8) des Nabenteils (3) und der Zentrierbohrung (9) der Lagerwelle (5) gehalten sind.

2. Vorrichtung zum Fertigbearbeiten eines keramischen Turbinenrotors (1) mit einem Nabenteil (3), an dem einstückig eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln (2) ausgebildet ist, und das Nabenteil ein rückwärtiges, mit einer metallischen Lagerwelle (5) koaxial verbundenes Ende (4) und ein mit einer Zentrierfase (8) versehenes freies vorderes Ende hat, mit einer Aufnahme (11) für das Nabenteil (3), wobei die Aufnahme (11) eine konische Anlagefläche hat, deren Neigung der Zentrierfase (8) entspricht und deren axiale Länge geringer ist als die der Zentrierfase (8), so daß die konische Anlagefläche innerhalb der Zentrierfase (8) liegt.