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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf die Fertigung und spezieller
auf die Bearbeitung einzelner Werkstücke. Sie bezieht sich auf ein
Verfahren zur Nachbearbeitung eines im vorbearbeiteten Werkstückes, siehe
beispielsweise
US 5, 288, 209 und
auf ein Verfahren zum Reparieren eines Werkstückes, siehe beispielsweise
US 5, 285, 572 .
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Ein
Verdichter von einem Gasturbinentriebwerk enthält eine Reihe von Verdichterrotoschaufeln oder
stromlinienförmigen
Abschnitten, die sich von einer tragenden Scheibe radial nach außen erstrecken.
Jede Schaufel kann einen einstückigen Schwalbenschwanz
aufweisen zum lösbaren
Befestigen der Schaufel an dem Umfang von einer Scheibe, die eine
komplementäre
schwalbenschwanzförmige
Nut darin aufweist. Oder die Schaufeln können integral mit der Scheibe
in einer einstückigen
oder einheitlichen, mit Schaufeln versehenen Scheibenanordnung geformt
sein, die üblicherweise
als eine Blisk (bladed disk bzw. mit Schaufeln versehene Scheibe)
bezeichnet wird.
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Jede
Schaufel hat eine stromlinienförmige Konfiguration
mit einer im allgemeinen konkaven Druckseite und einer gegenüberliegenden
im allgemeinen konvexen Saugseite, die sich in radialer Richtung
vom Fuß bis
zur Spitze spannen zwischen axial im Abstand angeordneten Vorder-
und Hinterkanten. Der stromlinienförmige Abschnitt hat eine komplexe
dreidimensionale (3D) Konfiguration und ist üblicherweise um seine radiale
Stapelachse verdreht.
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Scheibenschaufeln
oder Bliskschaufeln können
auf verschiedene Arten und mit einem unterschiedlichen Grad an Schwierigkeit
und Kosten gefertigt werden. In jedem Fall muß Material von einem anfänglichen
Werkstück
entfernt werden, um die gewünschte
Konfiguration von dem stromlinienförmigen Abschnitt gemäß seiner
Designspezifikation zu erzielen.
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Die
Konfiguration von jedem stromlinienförmigen Abschnitt wird üblicherweise
durch eine geeignete Anzahl von Oberflächenpunkten in einem dreidimensionalen
Koordinatensystem definiert. Die nominale Konfiguration von jeder
Schaufel spezifiziert ihre gewünschte
aerodynamische Form und relative Position von ihren Merkmalen.
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Da
alle Fertigungsprozesse zufälligen Änderungen
in der Materialentfernung ausgesetzt sind, ist die nominale Konfiguration
durch geeignet kleine Toleranzen von größeren und kleineren Änderungen
in den Dimensionen begrenzt, die für ein bestimmtes Design akzeptabel
sind. Beispielsweise können
die Abmessungen von einem bestimmten Komponentendesign bis zu wenigen
hundertstel Millimeter (Mil) größer als
oder kleiner als die nominale Abmessung für die gewünschte Konfiguration variieren.
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Dementsprechend
ist während
der Fertigung der einzelnen Schaufeln deren Endkonfiguration niemals
exakt die gleiche wie die nominale Konfiguration, sondern ändert sich
innerhalb der zulässigen
Toleranzen über
der gesamten äußeren Oberfläche von der
Komponente. Da eine gegebene Rotorstufe eine beträchtliche
Anzahl von Schaufeln um den Umfang der tragenden Scheibe herum aufweist,
sind keine zwei Schaufeln identisch gleich, obwohl alle Schaufeln
innerhalb der zulässigen
Toleranzen der nominalen Konfiguration geformt werden.
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Zufällige Änderungen
in der Endkonfiguration der Schaufeln treten unabhängig von
dem jeweiligen Verfahren zum Formen der Schaufeln auf. Beispielsweise
erodiert elektrochemische Bearbeitung (ECM von elektrochemical machining)
Material von einem Stück,
wobei zwei Kathodenelektroden verwendet werden, die Konturen komplementär zu den gewünschten
Seitenkonturen der Schaufel haben.
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Einzelne
Schaufeln können
auch unter Verwendung einer numerisch gesteuerten Fräsmaschine
geformt werden, in der die nominale Konfiguration der Schaufel in
einem geeigneten Koordinatensystem gespeichert ist, und das Schneidwerkzeug
folgt einer entsprechenden Schneidbahn um das Werkstück herum,
um dessen Endkonfiguration zu formen.
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In
beiden oben beschriebenen Beispielen sind die einzelnen Schaufeln,
die unter Verwendung ihrer nominalen Konfiguration geformt werden,
den zulässigen
Toleranzen oder Änderungen
in den endgültigen
Oberflächenabmessungen
ausgesetzt.
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Schaufeln
eines Gasturbinentriebwerkes werden üblicherweise aus hochfesten
Materialien mit einem hohen Grad an Genauigkeit gefertigt, der durch
relativ kleine Fertigungstoleranzen reflektiert wird, und somit
sind die Herstellungskosten relativ hoch. Eine Schaufel kann während des
Fertigungsprozesses oder während
der Benutzung in dem Gasturbinentriebwerk beschädigt werden, und es ist deshalb
erwünscht,
diese Schaufel zu reparieren, um ihre verlustreiche Verschrottung
zu verhindern.
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Für eine Rotorscheibe
mit lösbaren
Schaufeln ist dies ein kleineres Problem, da eine einzelne Schaufel
entfernt von der Schaufel einfacher repariert werden kann oder einfach
gegen eine andere Schaufel ersetzt wird. Jedoch muß für eine mit Schaufeln
versehene Scheibe bzw. Blisk mit einstückigen Schaufeln eine beschädigte Schaufel
an Ort und Stelle repariert werden, da anderenfalls die gesamte
Blisk einschließlich
ihrer vielen Schaufeln zum Ausschuß gegeben werden müßte.
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In
einem kürzlichen
Entwicklungsprogramm ist die Schweißreparatur von Titan-Blisks
für eine
Anwendung in einem Verdichter von einem Gasturbinentriebwerk untersucht
worden. Eine Beschädigung an
den relativ dünnen
Vorder- oder Hinterkanten von einer einzelnen Schaufel kann repariert
werden, indem der beschädigte
Abschnitt entfernt und eine Schweißreparatur an dem verbleibenden
Ausschnitt vorgenommen wird. Entweder kann Schweißmaterial in
dem Ausschnitt aufgebaut werden oder es kann ein geeigneter Spaneinsatz
darin eingeschweißt
werden.
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In
jedem Fall wird die Schweißreparatur
absichtlich größer gemacht
als die nominale Konfiguration der Schaufel, so daß die Reparaturstelle
anschließend
an die ursprüngliche
Schaufelkontur angepasst werden muß. Da die Schaufel eine aerodynamische
Komponente ist, ist eine glatte Oberfläche von ihr ohne Stufen oder
Diskontinuitäten
erforderlich, die das aerodynamische Leistungsvermögen nachteilig
beeinflussen würden.
Die Schweißreparatur
kann manuell in Form gebracht werden, wobei beispielsweise eine
Schleifmaschine verwendet wird, aber sie ist entsprechenden Ungenauigkeiten
ausgesetzt.
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Eine
maschinelle Überarbeitung
der Schweißreparatur
ist erwünscht,
aber die von Natur aus auftretende Abweichung der Konfiguration
einer einzelnen Schaufel von der nominalen Konfiguration führt eine
zusätzliche
Ungewissheit in den Bearbeitungsprozess ein, der entweder eine unzureichende oder übermäßige Bearbeitung
an der Schweißreparatur
relativ zu den unbeschädigten
benachbarten Ober flächen
und entstehende Diskontinuitäten
oder Stufen dazwischen bewirkt.
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Dementsprechend
ist es erwünscht,
ein Verfahren zum Nachbearbeiten eines vorbearbeiteten Werkstückes auf
eine nominale Konfiguration innerhalb der ursprünglichen spezifizierten Toleranzen
dafür bereitzustellen.
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Die
Erfindung stellt ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstückes bereit,
bei dem die nominale Konfiguration von einem Werkstück in einer
numerisch gesteuerten Vielachsen-Maschine gespeichert ist. Das Werkstück wird
in der Maschine geprüft,
um eine Versetzung von der nominalen Konfiguration zu ermitteln.
Das Werkstück
wird dann um die Versetzung verschoben, um der nominalen Konfiguration
zu entsprechen. Das Werkstück
wird dann gemäß der nominalen
Konfiguration bearbeitet, während
die Versetzung beibehalten wird. Ein Verfahren zum Reparieren eines
Werkstückes
gemäß Anspruch
8 wird ebenfalls bereitgestellt.
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Die
Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen zusammen mit
ihren weiteren Aufgaben und Vorteilen in der folgenden detaillierten
Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben,
in denen:
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1 eine
schematische Darstellung von einer Fräsmaschine ist, die für eine Bearbeitung
eines Werkstückes
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung konfiguriert ist;
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2 eine
vergrößerte perspektivische
Ansicht von einem Teil der in 1 dargestellten
Maschine ist, in der als Beispiel ein Blisk-Werkstück angebracht
ist;
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3 ein
vergrößerter Abschnitt
von der in 2 dargestellten Blisk und eine
entsprechende Fließbilddarstellung
von einem Verfahren zu ihrer Reparatur gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist;
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4 eine
vergrößerte perspektivische
Ansicht von einem Ausführungsbeispiel
der in 3 dargestellten Bliskschaufeln ist und deren Prüfung darstellt;
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5 eine
schematische Darstellung von der in 4 dargestellten
geprüften
Schaufel und eine entsprechende Fließbilddarstellung von ihrer Prüfung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist.
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In 1 ist
schematisch eine numerisch gesteuerte Vielachsen-Maschine 10 dargestellt, die
gemäß der Erfindung
aufgebaut ist, zum Bearbeiten eines Werkstückes 12 in der Form
von einer mit Schaufeln versehenen Scheibe (Blisk) eines Verdichters von
einem Gasturbinentriebwerk. Die Maschine selbst kann irgend eine übliche Konfiguration
haben, wie beispielsweise eine Fünfachsen-Fräsmaschine in
der Form eines T30 Machining Center, das von der Cincinnati Machine
Company in Ohio handelsmäßig erhältlich ist.
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Die
Maschine enthält
einen Dreh-Leistungskopf oder eine -spindel 14, die ein
geeignetes Bearbeitungswerkzeug oder ein Schneidwerkzeug 16 darin
aufnimmt. Die Spindel 14 ist an einer Höhenverstellvorrichtung (Elevator)
schwenkbar angebracht, um eine Dreh-Bewegungsachse A auszubilden.
Der Elevator 18 ist an einem entsprechenden Rahmen angebracht
und sorgt für
eine zweite Achse einer vertikalen Translationsbewegung Y.
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Der
Rahmen ist an einem Wagen 20 angebracht, der für eine horizontale
Translations-Bewegungsachse X senkrecht zu der vertikalen Translationsachse
Y sorgt. Auf diese Weise kann der Ort des Schneidwerkzeuges 16 durch
die drei Bewegungsachsen X, Y, A gesteuert werden.
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Das
Werkstück 12 ist
auf einem Drehtisch 22 angebracht oder fixiert, der eine
Drehbewegung B des Werkstückes 12 um
eine vertikale Drehachse 24 einführt, um die das Werkstück koaxial
ausgerichtet ist. Der Drehtisch 22 sitzt auf einem weiteren
Translationswagen 26, der für eine dritte Translationsachse
der Bewegung Z sorgt, die senkrecht zu den horizontalen und vertikalen
Bewegungsachsen X, Y ist.
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Die
Maschine wird operativ gesteuert durch eine numerische Steuerung 28,
in der Bearbeitungsoperationen programmiert und gespeichert sind
zum Steuern der Bahn des Schneidwerkzeuges 16 im 3D Raum,
wobei die Kombination der fünf
Bearbeitungsachsen X, Y, Z, A, B in einer üblichen Weise verwendet wird.
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Das
Blisk-Werkstück 12 ist
genauer in 2 dargestellt, wie es in der
Maschine angebracht ist. Es wird eine geeignete Halterung 30 verwendet,
um die Blisk 12 mit ihrer Mittellinie koinzident mit ihrer
Drehachse 24 des Drehtisches 22 anzubringen. Die
Blisk enthält
eine Stützscheibe 12a mit
mehreren auf dem Umfang im Abstand angeordneten Schaufeln oder stromlinienförmigen Abschnitten 12b,
die sich in einer einheitlichen oder einteiligen Anordnung von ihrem
Umfang radial nach außen
erstrecken.
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Die
Blisk selbst kann zunächst
in einer üblichen
Weise gefertigt werden, wie beispielsweise durch elektrochemische
Bearbeitung oder spanabhebende Bearbeitung auf ihre nominale Konfiguration innerhalb
geeigneter Toleranzen, wie es oben beschrieben ist. Beispielsweise
kann die Fräsmaschine zunächst in
einer üblichen
Art und Weise betrieben werden, in der die nominale Konfiguration
der Blisk in einem Speicher gespeichert ist mit einer entsprechenden
Bearbeitungsbahn für
das Schneidwerkzeug, um Material von einem ursprünglichen Werkstück-Rohling
zu entfernen, um die einzelnen Schaufeln 12d ihrerseits
zu formen.
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Wie
oben angegeben ist, kann die nominale Konfiguration der gewünschten
Endform und Position der einzelnen Schaufeln 12b, die durch
die Scheibe 12a gehalten sind, durch eine geeignet große Anzahl
von einzelnen Punkten über
der äußeren Kontur von
den einzelnen Schaufeln definiert werden, wie sie durch die entsprechenden
Koordinaten der Maschine dargestellt werden. Für die Fünfachsen-Maschine, die in 2 dargestellt
ist, wird jeder Punkt der nominalen Konfiguration von jeder Werkstück-Schaufel 12b durch
die fünf
Koordinaten X, Y, Z, A, B definiert.
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Die
nominale Konfiguration wird in geeigneter Weise in dem Speicher
der Maschinensteuerung 28 zusammen mit der gewünschten
Schneidbahn gespeichert, die für
das Schneidwerkzeug 16 erforderlich ist, um der nominalen
Konfiguration, die im Speicher gespeichert ist, zu folgen. Wie oben
angegeben ist, ist die Vielachsen-Fräsmaschine üblich und
kann in üblicher
Weise betätigt
werden zur Verwendung bei der Anfangsbearbeitung aller Schaufeln 12b der Blisk
auf ihre Endform und -position innerhalb der zulässigen Bearbeitungstoleranzen.
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Die üblichen
Bearbeitungsabweichungen verhindern, daß die vielen Schaufeln in ihrer
Konfiguration untereinander identisch sind, obwohl sie innerhalb
der zulässigen
Toleranzen im Wesentlichen identisch sind. Die zulässigen Toleranzabweichungen
in den Endabmessungen der einzelnen Schaufeln haben zur Folge, daß verschiedene
Abschnitte von ihnen entweder eine Untergröße oder Übergröße haben, die üblicherweise
von Schaufel zu Schaufel unterschiedlich sind.
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3 stellt
einen Abschnitt von der Werkstück-Blisk 12 mit
vier reprä sentativen
Schaufeln 12b dar, die zunächst auf die endgültige Konfiguration
bearbeitet wurden, aber eine Beschädigung erfahren haben, die
gemäß der Erfindung
repariert wird. Genauer gesagt, die zweite in 3 dargestellte
Schaufel ist mit einem Beispiel einer Beschädigung 32 in der Form
von einer Biegung an ihrer Vorderkante gezeigt, die durch eine Fremdkörper-Beschädigung während der
Benutzung des Triebwerkes aufgetreten ist. Es ist erwünscht, die
Beschädigung
zu reparieren und die beschädigte
Schaufel in eine nahezu originale Konfiguration innerhalb der zulässigen Toleranzen von
der nominalen Konfiguration zurückzubringen.
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Wie
zunächst
in 3 gezeigt ist, enthält jede Schaufel eine im allgemeinen
konkave Druckseite oder Oberfläche 34 und
eine gegenüberliegende
im allgemeinen konvexe Saugseite oder Oberfläche 36. Die zwei Seiten
verlaufen von einem mit der Scheibe 12a einstückigen Fuß 38 zu
einer radial äußeren Spitze 40.
Weiterhin verlaufen die zwei Seiten axial zwischen radial verlaufenden
Vorder- und Hinterkanten 42, 44.
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Wie
oben ausgeführt
wurde, kann die in 3 dargestellte Originalblisk 12 zunächst gefertigt werden,
indem ihre nominale Konfiguration in der Fräsmaschine gespeichert wird
und dann das Blisk-Werkstück
bearbeitet oder vorbearbeitet wird gemäß dieser nominalen Konfiguration,
um das Endprodukt zu bilden. Wie in 3 gezeigt
ist, kann die endgültige
Blisk eine Schaufelbeschädigung
unterschiedlicher Arten erfahren, einschließlich beispielsweise der Biegebeschädigung 32 an
der Vorderkante 42.
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Die
Blisk kann repariert werden, indem zunächst die Beschädigung beseitigt
wird, indem die Biegebeschädigung 32 weggeschnitten
und ein Ausschnitt 46 entlang der Vorderkante zurückgelassen wird,
die an unbeschädigtem
Material der Originalschaufel endet, wie es für die dritte Schaufel gezeigt ist.
Der Ausschnitt kann dann entweder mit Schweißmaterial alleine oder mit
einem metallischen ausgeschnittenen Einsatz gefüllt werden, der eingeschweißt wird,
um eine Schweiß-Reparaturstelle 48 zu
bilden, die in geeigneter Weise größer ist als die dortige nominale
Konfiguration der Schaufel, wie es durch die vierte Schaufel gezeigt
ist.
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Für eine klare
Darstellung stellt 3 eine Schaufel mit der Biegebeschädigung 32,
eine andere Schaufeln mit dem Ausschnitt 46 und eine weitere Schaufel
mit der Schweiß-Reparaturstelle 48 dar. 3 stellt
noch eine weitere, erste Schaufel dar, in der die Schweiß-Reparaturstelle
auf die dortige nominale Konfiguration gemäß der Erfindung bearbeitet worden
ist, um einen Schweißreparatur-Übergang bzw. -Verschmelzung 48b zu
erzeugen, die mit der Oberflächenkontur
des benachbarten Schaufelmaterials innerhalb der zulässigen Toleranzen
von der nominalen Konfiguration zusammenzupassen, um irgendwelche
stufenförmigen
Diskontinuitäten
dazwischen zu eliminieren oder wesentlich zu minimieren.
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Um
durch maschinelle Bearbeitung einen Übergang bzw. eine Verschmelzung
der Schweißreparatur 48 mit
der nominalen Originalkonfiguration der Schaufel innerhalb der ursprünglichen
Toleranzen bereitzustellen, wird die einzelne Schaufel erfindungsgemäß geprüft, um zunächst die
Versetzung der tatsächlichen
Konfiguration der Schaufeloberfläche
von der nominalen Konfiguration aufgrund des ursprünglichen
Bearbeitungsvorganges zu ermitteln. 4 stellt
schematisch dar, wie diese Prüfung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ausgeführt
werden kann.
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Eine übliche Sonde 50 ist
in der Spindel 14 von der Vielachsen-Maschine angebracht,
um deren Koordinatenmessvermögen
zu benutzen, um die Oberfläche
von der Werkstück-Schaufel 12b zu
prüfen.
Obwohl die nominale Konfiguration von dem Werkstück in der Maschine gespeichert
ist, weicht die tatsächliche
Konfiguration der vorbearbeiteten Schaufel 12b in zufälliger Weise
innerhalb der zulässigen
ursprünglichen
Toleranzen davon ab. Jeder Versuch, die Schweiß-Reparaturstelle 48 einfach
auf der Basis der nominalen Konfiguration alleine zu bearbeiten,
wobei die Blisk in üblicher
Weise zu der Maschine in Bezug gesetzt wird, würde zur Folge haben, daß entweder
zuwenig oder zuviel Material an der Reparaturstelle entfernt wird
und eine entsprechende Stufe mit dem unbeschädigten Material ausgebildet wird,
da die tatsächliche
Position von dem benachbarten Material aufgrund der ursprünglich ausgebildeten
zufälligen
Abweichungen unbekannt ist.
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Indem
also zunächst
das Werkstück
geprüft wird,
das in der Maschine selbst fixiert ist, kann die Versetzung des
Werkstückes
von der nominalen Konfiguration, die in dem Maschinenspeicher gespeichert
ist, ermittelt werden. Wie in 1 gezeigt
ist, kann das Werkstück
dann durch die so ermittelte Versetzung in seiner Position in der
Maschine verschoben werden, um der nominalen Konfiguration, die
in der Maschine gespeichert ist, zu entsprechen.
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Auf
diese Weise kann die tatsächliche,
geprüfte
Konfiguration der unbeschädigten
Schaufel ermittelt und am besten angepaßt werden mit der gespeicherten
nominalen Konfiguration, so daß die
Bearbeitung der Schweiß-Reparaturstelle
entsprechend der gespeicherten nominalen Konfiguration besser an
die tatsächliche
Konfiguration der einzelnen Schaufel besser angepaßt ist,
um einen Bearbeitungsübergang
mit wenig oder gar keiner Stufe zu benachbartem unbeschädigtem Material
innerhalb der ursprünglichen
Fertigungstoleranzen herbeizuführen.
Das verschobene Werkstück
kann dann in üblicher
Weise bearbeitet werden gemäß der gespeicherten
nominalen Konfiguration zum Entfernen des überschüssigen Materials an der Schweiß-Reparaturstelle
und um für
einen relativ glatten Bearbeitungsübergang zu angrenzendem Ursprungsmaterial zu
sorgen.
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Wie
in 4 schematisch gezeigt ist, kann die nominale Konfiguration
der Schaufel 12b durch Koordinaten definiert werden, die
den verfügbaren vielen
Achsen der speziellen Maschine entsprechen, wie beispielsweise Koordinaten,
die die Bewegungsachsen X, Y, Z, A, B darstellen. Obwohl alle fünf Koordinaten
bei der Ermittlung der Versetzung der tatsächlichen Schaufelkonfiguration
von der gespeicherten nominalen Konfiguration verwendet werden können, gestattet
die Untersuchung der bestimmten Werkstück-Geometrie und das Testen
eine Prüfung des
Werkstückes
in weniger als allen verfügbaren vielen
Achsen, um die Versetzung ausreichend zu bestimmen, um die Stufendiskontinuität an der
Verbindungsstelle von der Schweiß-Reparaturstelle und dem ursprünglichen
Material nach der Übergangsbildung
durch Bearbeitung möglichst
klein zu machen.
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Da
beispielsweise die in 2 dargestellten einzelnen Schaufeln 12b von
der tragenden Scheibe 12a auskragen und sich von der Drehachse 24 des Drehtisches 22 radial
nach außen
erstrecken, kann die Prüfung
der Werkstück-Schaufel in der Maschine ausgeführt werden,
um eine Neigungsversetzung der Schaufel von der nominalen Konfiguration
entsprechend der Drehachse 24 des Drehtisches 22 der
Maschine zu ermitteln. Wie in 3 dargestellt
ist, können
die einzelnen Schaufeln 12b eine verdrehte oder geneigte
Konfiguration um entsprechende radiale Stapelachsen der Scheibe 12a haben,
die der Translationsachse Z entsprechen, wenn sie fluchtend damit
ausgerichtet ist. Dementsprechend können die Schaufeln 12b zusätzlich oder
alternativ in der Maschine geprüft
werden, um eine Lateral- oder Translations-Versetzung der Schaufel
von der nominalen Konfiguration entsprechend einer linearen Translationsachse
zu ermitteln, wie beispielsweise entweder der Maschinenachse X oder
Y, entlang der das Schneidwerkzeug während der Bearbeitung verschoben
wird.
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Die
auskragenden Schaufeln 12b, die in 3 dargestellt
sind, sind einer elastischen Auslenkung während der ursprünglichen
Bearbeitung ausgesetzt, die eine Abweichung in ihrer tatsächlichen bearbeiteten
Konfiguration entlang den drei Koordinatenachsen X, Y, Z bewirkt.
Indem die Anfangs-Referenzposition der Blisk 12 verschoben
wird, um die geprüfte
Versetzung zwischen der tatsächlichen
Konfiguration jeder Schaufel und ihrer nominalen Konfiguration zu
kompensieren, paßt
die Bearbeitungsbahn des Schneidwerkzeugs, die in der Maschine programmiert
ist, um der nominalen Konfiguration zu entsprechen, mit der tatsächlichen
Konfiguration von jeder Schaufel besser zusammen, die vor der Bearbeitung
geprüft
worden ist, um die Schweiß-Reparaturstelle
innerhalb der ursprünglichen
Toleranzen von der nominalen Konfiguration zu bearbeiten.
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4 stellt
schematisch als Beispiel eine Art der Prüfung der Werkstück-Schaufel 12b dar.
Die dargestellte Schaufel 12b hat eine vorbearbeitete tatsächliche
Konfiguration, die in ausgezogenen Linien gezeigt ist, und die als
Beispiel gezeigte Schweiß-Reparaturstelle 48 entlang
dem äußeren Spannenabschnitt
von der Vorderkante 42. In gestrichelten Linien und die
Schaufel umgebend ist eine Hülle 52 gezeigt,
die die nominale Konfiguration des stromlinienförmigen Abschnitts und die maximale
positive Toleranz, die dafür
gestattet ist, dargestellt. Die positive Toleranz ist üblicherweise
wenige hundertstel Millimeter (Mil) größer als die Abmessungen der nominalen
Konfiguration. Die minimale oder negative Toleranz gestattet Untergrößen-Abmessungen,
die durch Oberflächenkonturen
innerhalb der in ausgezogener Linie gezeigten Kontur der dargestellten Schaufel
dargestellt sind.
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Um
die tatsächliche
Schaufel 12b in der Maschine in geeigneter Weise zu der
gespeicherten nominalen Konfiguration für die Schaufel in Beziehung zu
setzen, wird die Schaufel an einem oder mehreren im Abstand angeordneten
Prüfpunkten P1–12 geprüft. Da nur
die Schweiß-Reparaturstelle 48 eine Bearbeitung
benötigt,
sind die Prüfpunkte
vorzugsweise eng neben der Grenze der Reparaturstelle 48 auf
dem ursprünglichen
Ausgangsmaterial der Schaufel 12b angeordnet, das keine
Reparatur durchlaufen hat.
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5 stellt
schematisch Beispiele von Verfahren zum Prüfen der Schaufel 12b dar,
die in einem entsprechenden Schnitt entlang den als Beispiel gezeigten
zwölf Prüfpunkten
in einer stark vergrößerten Konfiguration
für eine
klarere Darstellung gezeigt ist. In gestrichelten Linien ist an
der linken Seite von 5 ein Abschnitt von der nominalen
Konfiguration 54 gezeigt, die in dem Maschinenspeicher
gespeichert ist und nach der die ursprüngliche Schaufel 12b bearbeitet
wurde. Die nominale Konfiguration 54 hat üblicherweise
eine Mittellinie, die mit der radialen Achse 56 der Schaufel
ausgerichtet ist, die sich von der axialen Mittelachse der Rotorscheibe
radial nach außen
erstreckt, die koaxial mit der Drehachse 24 des tragenden
Drehtisches angebracht ist. Die in 5 dargestellte
nominale Konfiguration 54 stellt dar, wie die Maschine
die darin angebrachte tatsächliche
Schaufel 12b sieht. Wie jedoch oben ausgeführt wurde,
variiert die Schaufel aufgrund der ursprünglichen Bearbeitungsabweichungen
der Schaufel in einer zufälligen
Art und Weise von der nominalen Konfiguration.
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5 stellt
auch auf der linken Seite eine vergrößerte Schwenk-Versetzung der Schaufel
relativ zu der nominalen Konfiguration dar, und diese ist durch
einen Schwenkwinkel T dargestellt, der relativ zur radialen Achse 56 gemessen
sein kann. Um die Schwenk-Versetzung T zwischen der tatsächlichen Schaufel
und der nominalen Konfiguration zu ermitteln, wird die Schaufel
vorzugsweise an zwei oder mehr Punkten geprüft.
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Da
die Schaufel auf ihren gegenüberliegenden
Seiten 34, 36 Bearbeitungsabweichungen ausgesetzt
ist, wird die Schaufel vorzugsweise an zwei radial im Abstand angeordneten
Punkten P1, 6 und P7, 12 auf jeder der zwei Seiten geprüft, um dort
die Neigung des Werkstückes
zu ermitteln.
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Da
die Schaufel 12b in der Maschine für eine Rotation um die Drehachse 24 gehaltert
ist, sind die Prüfpunkte
zur Ermittlung der Neigungsversetzung vorzugsweise im Abstand radial
entlang der radialen Achse 56 angeordnet und radial außen von
der Drehachse 24. Die Prüfpunkte P1, 7 sind nahe der
Schaufelspitze 40 auf der unbeschädigten Ursprungsfläche eng
neben der Grenze von der Schweiß-Reparaturstelle 48 angeordnet,
wie es zusätzlich
in 4 dargestellt ist. Die Prüfpunkte P6, 12 sind radial
innen davon, nahe der innersten Grenze der Schweiß-Reparaturstelle 48 angeordnet.
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Die äußeren zwei
Prüfpunkte
P1, 7 sind vorzugsweise einander gegenüberliegend entlang der Spanne
der Schaufel angeordnet, und die inneren Prüfpunkte P6, 12 sind vorzugsweise
ebenfalls einander gegenüberliegend
nahe der Unterseite der Schaufel angeordnet. Die Sonde 50 wird
dann zu jedem der vier Prüfpunkte
P1, 6, 7, 12 bewegt, um deren tatsächlichen Koordinaten zu ermitteln,
wobei das der Maschine innewohnende Koordinatenmessvermögen verwendet
wird.
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Die
verschiedenen Prüfpunkte
entsprechen vorzugsweise ähnlichen
Punkten, die die nominale Konfiguration der Schaufel definieren.
Demzufolge können
die Mittelpunkte zwischen den äußeren Prüfpunkten
P1, 7 und den inneren Prüfpunkten
P6, 12 berechnet werden, um eine Linie dazwischen zu definieren.
Die Orientierung dieser Mittellinie kann dann mit der entsprechenden
Orientierung der ähnlichen Mittellinie
verglichen werden, die aus den entsprechenden vier Punkten der nominalen
Konfiguration berechnet ist. Auf diese Weise kann die relative Schwenk-Versetzung T dazwischen
ermittelt werden und ist in 5 dargestellt.
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Diese
relative Schwenk-Versetzung T zwischen der tatsächlichen Schaufel, die in der
Maschine gehaltert ist, und der nominalen Konfiguration, die darin
gespeichert ist, kann korrigiert werden, wobei das in der Maschine
gefundene B Versetzungsmerkmal verwendet wird. Nach dem Prüfen der
Schaufel zum Ermitteln der Schwenk-Versetzung T kann der die Blisk
tragende Drehtisch gedreht werden, um die geprüfte Schaufel um den gleichen
Betrag der Versetzung T zu verschieben, um der nominalen Schwenk-Konfiguration
zu entsprechen, die in dem Maschinenspeicher gespeichert ist, und
die tatsächliche
Schaufel mit der nominalen Konfiguration radial auszurichten. Dies
ist in 5 gezeigt, wo die tatsächliche Schaufel 12b an
der linken Seite nach rechts verschoben werden kann, um die B Dreh-Versetzung,
die die Größe der geprüften Schwenk-Versetzung
T hat. Diese Drehverschiebung oder Indexierung von der Schaufel
positioniert effektiv die Schaufel parallel zu der in der Maschine
gespeicherten nominalen Konfiguration und verkleinert oder eliminiert
die geprüfte
Schwenk-Versetzung.
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Da
die Schaufel 12b auch einer lateralen Abweichung in der
Konfiguration relativ zu der nominalen Konfiguration 54 ausgesetzt
ist, wird die Schaufel vorzugsweise auch an einem der Prüfpunkte
auf wenigstens einer der zwei Seiten 34, 36 geprüft, um dort die
laterale Versetzung L zu ermitteln. Wenn die Schweißreparatur
allein auf einer der zwei Seiten gemacht wird, dann braucht die
laterale Prüfung
nur auf dieser Seite ausgeführt
zu werden.
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Da
jedoch die als Beispiel gezeigte Schweißreparatur, wie sie in 4 dargestellt
ist, auf beiden Seiten der Schaufel ausgeführt wird, wird die Schaufel
vorzugsweise an zwei gegenüber
liegenden Prüfpunkten
auf gegenüber
liegenden Seiten der Schaufel geprüft, um dort eine mittlere laterale
Versetzung der Schaufel zu ermitteln. Da jede Seite der Schaufel einer
Bearbeitungsabweichung innerhalb der spezifizierten Konfigurations-Toleranzen
ausgesetzt ist, wird eine laterale Prüfung auf beiden Seiten bevorzugt.
Indem die laterale Versetzung auf beiden Seiten der Schaufel mit
entsprechenden Punkten der nominalen Konfiguration gemittelt wird,
kann die Schaufel für
eine beste Passung in der Maschine zentriert werden, um der gespeicherten
nominalen Konfiguration zu entsprechen.
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Die
laterale Versetzung L, wie sie in 5 dargestellt
ist, kann in die Maschine implementiert werden, indem das übliche Querachsen-X-Versetzungsmerkmal
verwendet wird, das darin bereitgestellt wird und eine Größe hat,
die gleich der geprüften
lateralen Versetzung L ist. Die laterale Verschiebung oder Indexierung
der Schaufel reduziert oder eliminiert die geprüfte laterale Versetzung. Die
Bearbeitung der Schweißreparatur
kann dann genauer gemäß der ursprünglichen,
gespeicherten Nominalkonfiguration innerhalb ihrer spezifizierten
Toleranzen ausgeführt
werden.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
die Schaufel an mehreren Prüfpunkten
auf jeder der zwei gegenüber
liegenden Seiten geprüft,
wobei die dortigen Punkte auf entsprechende Weise einander gegenüberliegend
sind, um dort eine mittlere laterale Versetzung des Werkstückes zu
ermitteln. 4 und 5 stellen
12 Prüfpunkte
P1–12
als Beispiel dar, die in gegenüber
liegenden Gruppen von sechs Punkten entlang der Grenze der Schweißreparatur 48 angeordnet
sind.
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Da
jeder der Prüfpunkte
einen entsprechenden Punkt in der nominalen Konfiguration der Schaufel
hat, kann das Koordinaten-Messvermögen der Maschine verwendet
werden, um die laterale Versetzung entlang beispielsweise der in 5 dargestellten
Translationsachse X zwischen jedem Prüfpunkt und seinem nominalen
Gegenstück
zu ermitteln. Indem die lateralen Versetzungen der zwölf Prüfpunkte gemittelt
werden, kann eine durchschnittliche laterale Versetzung L dafür ermittelt
werden. Die X-Querversetzung der in 1 dargestellten
Maschine kann dann verwendet werden, um die geprüfte laterale Versetzung L entlang
der X-Achse zu bewirken, um die Werkstück-Schaufel um die laterale
Versetzung L zu verschieben, damit sie der nominalen Konfiguration
entlang dieser Achse entspricht.
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Dementsprechend
kann die in 5 dargestellte Schaufel 12b in
der B-Versetzungsrotation entsprechend
der geprüften
Schwenk-Versetzung T und in der X-Versetzungs-Translation entsprechend der
lateralen Versetzung L verschoben werden, die dann in einer besten
Anpassung die tatsächliche
geprüfte
Konfiguration der Schaufel mit der in der Maschine gespeicherten
nominalen Konfiguration ausrichtet. Die Maschine kann dann betätigt werden,
um die Schweißreparatur
auf die nominale Konfiguration dafür zu bearbeiten, um die bearbeitete
Anpassung 48b zu erhalten, die in 3 gezeigt
ist. Der Übergang
der bearbeiteten Anpassung 48b auf das ursprüngliche
benachbarte Schaufelmaterial wird innerhalb der ursprünglichen
Toleranzen für
die nominale Konfiguration herbeigeführt und minimiert oder eliminiert
dort jede diskontinuierliche Stufe. Auf diese Weise kann eine anschließende manuelle
Anpassung der Schweißreparatur
minimiert oder eliminiert werden.
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Für das Beispiel
der radial verlaufenden Schweißreparatur 48,
wie sie in 4 dargestellt ist, haben Tests
gezeigt, daß zwölf Prüfpunkte,
die in Gruppen von sechs Stück
auf gegenüber
liegenden Seiten der Schaufel gleichmäßig verteilt sind, für eine optimale
beste Anpassung der tatsächlichen
Schaufel an die nominale Konfiguration sorgen, um eine entstehende
stufenförmige
Diskontinuität
an der Verbindungsstelle von der Schweißreparatur und dem Ausgangsmaterial
zu minimieren. Wesentlich mehr als zwölf Prüfpunkte wurden ebenfalls untersucht und
erzeugten keine bessere Anpassung und sind somit unerwünscht in
Anbetracht der zusätzlichen
Inspektionszeit, die dafür
erforderlich ist. Es wurden auch weniger als zwölf Prüfpunkte getestet und hatten
eine weniger genaue Anpassung der Schaufel an die nominale Konfiguration
zur Folge.
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Die
Anzahl der Prüfpunkte,
die zur Ermittlung der Schwenk-Versetzung T verwendet werden, ist vorzugsweise
kleiner als die lateralen Prüfpunkte, und
sie beträgt
vorzugsweise vier Prüfpunkte,
wie es oben angegeben ist, zur Ermittlung der Schwenk-Versetzung,
wobei beide Seiten der Schaufel verwendet werden. Es könnten jedoch
nur zwei Schwenk-Prüfpunkte
für eine
einseitige Reparatur verwendet werden, wenn dies gewünscht wird.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das
in den 1 und 2 dargestellt ist, wird die Schwenk-Versetzung
T zunächst
in der Maschine ermittelt, und dann wird die Schaufel um die so
ermittelte Schwenk-Versetzung verschoben, wobei das B-Dreh-Versetzungsmerkmal
verwendet wird. Die in Drehrichtung verschobene Schaufel wird dann
lateral geprüft
zum Ermitteln der lateralen Versetzung L, und dann wird sie um die
so ermittelte laterale Versetzung L weiter verschoben, wobei die
X-Translationsversetzung verwendet wird. Die Bearbeitung der so
versetzten Schaufel 12b kann dann in üblicher Weise in dem Bereich
ausgeführt
werden, der auf die Schweißreparatur
beschränkt
ist, um diesen Bereich auf die nominale Konfiguration innerhalb
der dafür spezifizierten
Toleranzen zurückzubringen.
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Die
Schwenk- und Lateralprüfung
des Werkstückes,
gefolgt von einer entsprechenden Verschiebung dafür, ist üblicherweise
in einer einzelnen Sequenz ausreichend für eine beste Anpassung der Schaufel
an die nominale Konfiguration und zum Erzielen einer genauen Maschinenanpassung
an die Schweißreparatur
innerhalb der spezifizierten Toleranzen. Allerdings kann vor der
tatsächlichen
Bearbeitung die Schwenk- und Lateralprüfung noch einmal in einer zweiten
Betriebssequenz durchgeführt werden,
um entweder die erforderlichen Dreh- und Lateralversetzungen zu
verfeinern oder die zunächst ermittelten
Werte zu bestätigen.
Tests haben gezeigt, daß eine
einzelne Sequenz ausreichend ist. Jedoch kann in anderen Werkstück-Konfigurationen
eine iterative Prüfung
wünschenswert
sein, um die Genauigkeit der nachfolgenden Bearbeitung auf die ursprüngliche
nominale Konfiguration zu verbessern.
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In
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Werkstück, das
eine Bearbeitung durchläuft,
eine von mehreren im allgemeinen identischen Schaufeln, die von
der tragenden Scheibe 12a der Blisk sich radial nach außen erstrecken.
In der Praxis ist nicht jede der Schaufeln identisch in ihrer Konfiguration,
sondern ist der zufälligen
Abweichung und Konfiguration aufgrund des ursprünglichen Fertigungsprozesses
dafür ausgesetzt.
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Da
die Scheibe in der Maschine für
eine Rotation um die Drehachse 24 gehaltert ist, kann der gleiche
Prüfprozeß für jede Schaufel
wiederholt werden, die eine Reparatur benötigt. Da jede Schaufel in der
Konfiguration von der nominalen Konfiguration in zufälliger Weise
unterschiedlich ist, wird jede Schaufel, die eine Reparatur benötigt, vorzugsweise
an den gewünschten
Prüfpunkten
geprüft,
die radial im Abstand zueinander von der Drehachse 24 angeordnet sind.
Eine Prüfung
der einen Schaufel wird mit größter Wahrscheinlichkeit
andere Schwenk- und Lateral-Versetzungen
gegenüber
denjenigen zur Folge haben, die für eine der anderen Schaufeln
verantwortlich sind, die eine Reparatur benötigen.
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Jedoch
kann der Prüfvorgang
selbst in die Steuerung 28 einprogrammiert sein, um den
Vorgang zu automatisieren und automatisch die erforderlichen B und
X Versetzungen zu ermitteln, die beim Bearbeiten einer gegebenen
Schaufel verwendet werden. Die nominale Konfiguration des Werkstückes bleibt
in der Maschine unverändert,
und stattdessen werden die entsprechenden Versetzungen herbeigeführt, indem
zunächst
eine einzelne Schaufel in der Maschine in Beziehung gesetzt wird.
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Da
das in 1 dargestellte Schneidwerkzeug 16 in
der Spindel 14 angebracht wird für eine Translation in zwei
Achsen X, Y und auch angebracht wird für eine Schwenkung in einer
Drehachse A, kann die in 5 dargestellte laterale Versetzung
L entlang jeder der zwei Translationsachsen X, Y ermittelt werden.
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Wie
in 3 dargestellt ist, enthält jede Schaufel Verdrehungen
entlang ihrer radialen Spannenachse und ist somit schräg gegenüber beiden Translationsachsen
X, Y und deshalb treten Fertigungsabweichungen in der Konfiguration
der Schaufel üblicherweise
entlang beiden Achsen X, Y auf. Die laterale Versetzung L kann deshalb
entlang jeder der beiden Achsen X, Y ermittelt werden, aber in dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird sie entlang der horizontalen Translationsachse X ermittelt,
die sich im allgemeinen tangential zum Umfang der Scheibe erstreckt,
von der sich die Schaufeln radial nach außen erstrecken.
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Da
beide Seiten von jeder Schaufel einer ursprünglichen Bearbeitungsabweichung
entlang den X und Y Achsen ausgesetzt sind, wird jede Schaufel vorzugsweise
auf ihren beiden Seiten geprüft
zum getrennten Ermitteln der erforderlichen Schwenk-Versetzung T
von der nominalen Konfiguration entsprechend der Drehachse 24 entlang
der Mittellinie der Scheibe und der lateralen Versetzung L von der
nominalen Konfiguration entsprechend der linearen Translationsachse
X, die senkrecht zur radialen Achse 56 ist.
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Das
oben beschriebene Reparaturverfahren ist besonders brauchbar zum
Reparieren teurer einheitlicher, beschaufelter Scheiben bzw. Blisks,
die eine Beschädigung
an den Vorder- oder Hinterkanten von einer oder mehreren ihre Schaufeln
haben. Der lokal beschädigte
Bereich der Schaufel wird weggeschnitten und eine Schweißreparatur
wird verwendet, um den ausgeschnittenen Bereich größer als
die dortige nominale Konfiguration wieder aufzubauen. Die Schweißreparatur
muß dann
erneut bearbeitet werden, um sie zurück auf ihre nominale Konfiguration innerhalb
spezifizierter Toleranzen zu bringen, wobei nur eine kleine oder
gar keine stufenförmige
Diskontinuität
an der Grenzfläche
zwischen der Schweißreparatur
und dem originalen Schaufelmaterial zurückbleiben soll.
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Durch
Prüfen
der reparierten Schaufel eng neben der Schweißreparatur kann die Versetzung zwischen
der tatsächlichen
Konfiguration und der nominalen Konfiguration, die in der Maschine
gespeichert ist, präzise
ermittelt werden. Die geprüften
Versetzungen können
dann für
die beste Anpassung der Schaufel an die nominale Konfiguration verwendet werden,
wobei die verfügbaren
Versetzungs-Koordinaten
der Maschine benutzt werden, was die nominale Konfiguration und
entsprechend die numerisch gesteuerte Bahn des Schneidwerkzeuges
der speziellen Schaufel entsprechend verschiebt, die für die Reparaturbearbeitung
präsentiert
ist. Die daraus resultierende Bearbeitung der Schweißreparatur
kann innerhalb der spezifizierten Toleranzen von der nominalen Konfiguration
herbeigeführt
werden.
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Testteile
sind nachbearbeitet worden auf weniger als etwa zwei hundertstel
Millimeter (Mils) innerhalb der nominalen Konfiguration für die Schaufel an
allen Stellen entlang der Ausdehnung der Schweißreparatur. Die maschinelle
Anpassung von zwei hundertstel Millimeter (Mils) Zoll liegt gut
innerhalb des Vermögens
von manuellem Handpolieren, um die Anpassung der Schweißreparatur
zu vollenden, wenn dies gewünscht
wird.
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Obwohl
das oben beschriebene Verfahren besondere Anwendbarkeit zur Bearbeitung
von reparierten stromlinienförmigen
Abschnitten von beschaufelten Scheiben hat, kann es für jeden
Typ eines vorbearbeiteten Teils verwendet werden, das eine anschließende Bearbeitung
auf die nominale Konfiguration dafür erfordert. Jedes Werkstück, das aus
seiner Halterung in einer numerisch gesteuerten Maschine herausgenommen
wird, verliert notwendigerweise seine ursprüngliche Bezugnahme auf die nominale
Konfiguration, die in der Maschine gespeichert ist. Der ursprüngliche
Bezug für
ein Werkstück ist
nützlich
während
der ersten Bearbeitung des Werkstückes, er ist aber überflüssig gemacht,
wenn die Bearbeitung abgeschlossen ist und die zufälligen Abweichungen
der Konfiguration von der nominalen Konfiguration gemacht sind.
Weiterhin sind alle anfänglichen
Versetzungen, die für
eine anfängliche Bezugnahme
auf ein Werkstück
verwendet werden, nach Abschluß der
ersten Bearbeitung der Komponente überflüssig gemacht.
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Die
Ausführungsbeispiele
der oben beschriebenen Prüfung
gestatten, daß die
verfügbaren Versetzungs-Fähigkeiten
von einer Maschine benutzt werden können, um ein Werkstück in einer
am besten passenden Näherung
zu der ursprünglichen
nominalen Konfiguration dafür
neu zu positionieren. Auf diese Weise kann eine Nachbearbeitung
des gleichen Werkstückes
herbeigeführt
werden, wobei die ursprüngliche
nominale Konfiguration des Werkstückes verwendet und die tatsächliche
Konfiguration im 3D Raum von dem neu gehalterten Werkstück eingestellt
wird, um dieser am besten zu entsprechen. Eine Nachbearbeitung des
ursprünglichen
Werkstückes, beispielsweise
am Ort einer Schweißreparatur,
kann dann in einer anderen üblichen
Weise mit dem Vorteil der präzisen
Entsprechung zwischen den tatsächlichen
und nominalen Konfigurationen der Komponente ausgeführt werden,
so daß sie
innerhalb der ursprünglichen
Fertigungstoleranzen nachbearbeitet werden kann.