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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren des spanenden Bearbeitens
und des Zusammenschweißens
einer Mehrzahl von Bauteilen entsprechend des Oberbegriffabschnitts
von Anspruch 1.
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Die 1A und 1B zeigen
den allgemeinen Aufbau einer Turbinenrotorwelle mit einstückigen Turbinenschaufeln
und der Rotorwelle. In diesen Figuren zweigt die 1A eine
fertig gestellte Turbinenrotorwelle 1 und die 2 ist
eine Ansicht, die die Turbinenrotorwelle 1 getrennt in
die Turbinenschaufeleinheit 2 und die Rotorwelle 3 zeigt.
Das rechte Ende der Turbinenrotorwelle 1 in der 1A ist
an dem Kompressor (nicht dargestellt) mit Schrauben befestigt, um
die Aufladeeinheit zu bilden. Solch eine Turbinenrotorwelle 1, insbesondere
kleine Typen, drehen so hoch wie mehrere Zehn- oder mehrerer Hundert
von Tausenden Umdrehungen pro Minute. Demzufolge ist es sehr wichtig,
dass sie genau ausgewuchtet sein sollten. Demzufolge wird ein Ungleichgewicht
(eine Unwucht) der Turbinenrotorwelle 1 durch eine dynamische
Ausgleichsprüfung gemessen
und dann werden die Teile A und B (2 Orte), die in den Figuren gestrichelt
sind, geschliffen, um das Ungleichgewicht zu beseitigen.
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Die 2 ist
ein Ablaufdiagramm von Vorgängen,
die verwendet werden, um eine Turbinenrotorwelle entsprechend eines
herkömmlichen
Verfahrens, das im Stand der Technik bekannt ist, spanend zu bearbeiten und
die 3A bis 3D sind
typische Ansichten, die die entsprechenden Schritte zeigen. Wie
in den 2 und 3 gezeigt,
wird zuerst der Verbindungsabschnitt der Präzisionsguss-Turbinenschaufeleinheit 2 spanen
bearbeitet und die Rotorwelle 3 wird auf eine annähernde Form,
die eine Toleranz für
die Endbearbeitung lässt, spanend
bearbeitet (3A, 3B). Als
nächstes
werden der Verbindungsabschnitt der Turbinenschaufeleinheit 2 und
die Rotorwelle 3 durch Elektronenstrahlschweißen in eine
einstückige
Turbinenrotorwelle 1 (3C) verbunden.
Dann wird die Rotorwelle spanend bearbeitet, gehärtet (durch ein Nitrierverfahren
oder durch Hochfrequenz-Abschrecken) und die Welle und der Außenumfang
der Turbinenschaufeln werden geschliffen (3D). Letztlich
wird der Grad des Ungleichgewichtes durch eine dynamische Ausgleichsprüfung gemessen,
wobei ein Teil der Turbinenschaufeleinheit weggeschnitten wird,
um das Ungleichgewicht zu korrigieren und die Turbinenrotorwelle 1 ist
fertig gestellt.
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Die 4A und 4B zeigen
ein Verfahren zum spanenden Bearbeiten des Verbindungsabschnittes
der Präzisionsguss-Turbinenschaufeleinheit 2 jeweils
vor und nach dem spanenden Bearbeiten. Wie in den Figuren gezeigt,
wird der Verbindungsabschnitt des Präzisionsgießens mit einer Nabenbohrung 2a gebohrt, und
in diesem spanenden Verfahren werden die Endoberfläche 2b und
die innere Oberfläche 2c des
Verbindungsabschnittes unter Verwendung der Endoberfläche A des
Verbindungsendes und des Außenumfanges
B der Turbinenschaufeleinheit als die Bezugsoberflächen spanend
bearbeitet. Zusätzlich
kann die Mittelbohrung 2d der Turbinenschaufeleinheit nicht
zentriert werden, wenn die Turbinenschaufeleinheit nicht verbunden
ist, so dass demzufolge die Rotorwelle 3 zuerst geschweißt und spanend
bearbeitet wird und dann die Mittelbohrung spanend bearbeitet wird.
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Überdies
gibt es ein Problem, dass ein großer Betrag des Ungleichgewichts
in der Turbinenschaufeleinheit 2 erzeugt wird, wenn dieses
spanende Verfahren entsprechend des herkömmlichen, in dem Stand der Technik
bekannten Verfahrens verwendet wird.
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5 ist
eine Darstellung, die ein Verfahren zum Schweißen der Turbinenschaufeleinheit 2 und
der Rotorwelle 3 durch Elektronenstrahlschweißen zeigt.
Wie in der Fig. gezeigt, wird entsprechend eines herkömmlichen
Elektronenstrahlschweißens
die Endoberfläche 3a der
Rotorwelle 3 in die Innenoberfläche 2c der Turbinenschaufeleinheit 2 eingesetzt,
wobei der gesamte Körper
unter Verwendung einer Schweißspannvorrichtung
vertikal gehalten wird und die Turbinenschaufeleinheit 2 durch
eine Kugel 5 eingepresst wird. Als nächstes wird in diesem Zustand
der Verbindungsabschnitt durch den Kopf 6 der Elektronenstrahlschweißvorrichtung
(mit einem Schweißwinkel
von z. B. 360°)
heft-geschweißt,
und endgültig
geschweißt
(mit einem Schweißwinkel
von z. B. 860°).
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Jedoch
wird dieses Schweißverfahren
entsprechend eines herkömmlichen
Verfahrens im Stand der Technik durch das Problem begleitet, dass
die Turbinenschaufeleinheit 2 und die Rotorwelle 3 bei
einem leicht gekippten Winkel zueinander geschweißt werden.
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Demzufolge
ist in der vorerwähnten
Ausgleichseinstellung in der endgültigen Stufe der Betrag des
Ungleichgewichts oft übermäßig groß, was zu
einer langen Zeit führt,
die notwendig ist, um Reparaturen, Aussondern von minderwertigen
Werkstücken,
etc. vorzunehmen.
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Herkömmlich wird
der Verbindungsabschnitt unter Verwendung des Außenumfanges der Turbinenschaufeleinheit 2 als
der Bezug für
das spanende Bearbeiten spanend bearbeitet. Jedoch ursprünglich war
die Turbinenschaufeleinheit ein Präzisionsguss und die Schaufelabschnitte,
die als Bezüge
für die
spanende Bearbeitung verwen det werden, haben komplizierte Formen
mit dünnen
Wänden
und weil die Gussabschnitte schnell abkühlen werden sie großen Deformationen,
die durch Schrumpfbeanspruchen hervorgerufen werden, unterworfen.
Daher ist die Abmessungsgenauigkeit dieser Abschnitte nicht so hoch
wie es in Anbetracht der Notwendigkeit für die Verwendung als ein Bezug
für die
spanende Bearbeitung (ungefähr ± 0,02
mm) erforderlich ist, d. h., tatsächlich beträgt die Genauigkeit ungefähr 0,2 mm.
Als ein Ergebnis weicht die Mitte des spanenden bearbeiteten Verbindungsabschnittes
unter Verwendung des Außenumfangs
der Schaufeln als der Bezug der spanenden Bearbeitung von der Mitte
des Gleichgewichts von der gesamten Turbinenschaufeleinheit ab,
so dass die Abweichung derselben ein Ungleichgewicht der Turbinenrotorwelle
als ein Ganzes bewirkt, wie es sich in den Ergebnissen der Messungen,
die später
beschrieben werden, zeigt.
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Andererseits
ist die Mitte des Gleichgewichts der Turbinenschaufeleinheit in
dem Mittelabschnitt, der langsam abkühlt, weil das Verhältnis der
Masse zu der Oberflächenfläche derselben
größer als
das der Schaufeln ist. Mit anderen Worten, dieser Abschnitt wird
durch Schrumpfbeanspruchungen weniger beansprucht und die Genauigkeit
desselben kann ziemlich leicht beibehalten werden. Als eine Konsequenz
ist die endgültige Genauigkeit
einer Nabenbohrung in dem Mittelabschnitt eines Präzisionsgussteiles
so hoch wie ungefähr ± 0,01
mm, wie durch die Ergebnisse der Messungen gezeigt wird.
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Weiterhin
wird in einem herkömmlichen,
im Stand der Technik bekannten Elektronenstrahl-Schweißverfahren,
die Turbinenrotorwelle einer Ablenkung infolge der Schrumpfbeanspruchungen
unterworfen, die verursacht werden, wenn das geschmolzene Metall
nach dem Schweißen
fest wird. Als ein Ergebnis werden die herkömmlichen Turbinenrotorwellen
um einen mittleren Winkel von 0,14° und einen 3 σ-Wert von
0,34° entsprechend
der Ergebnisse der Messungen abgelenkt. Dieser Ablenkungswinkel
entspricht einem mittleren Verlauf von 0,45 mm und einem 3 σ-Wert von
1,09 mm an der Spitze der Welle selbst für die kleinen Turbinenrotorwellen,
die in Personenkraftwagen verwendet werden. Falls solch eine Abweichung
durch Schleifen des Außenumfangs
der Turbinenschaufeln beseitigt werden muss, kann jemand, der auf
diesem Gebiet der Technik kundig ist, leicht verstehen, dass dies
zu einer sehr kleinen Gewinn führt.
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Eine
weitere Idee, die vorgeschlagen werden könnte, ist die, die Turbinenschaufeln
und die Turbinenrotorwelle mechanisch zu befestigen, um solch eine
Ablenkung, wie zuvor beschrieben, während des Verbindens zu reduzieren,
wobei jedoch diese Idee nicht so allgemein angewandt werden kann
und wegen der Anzahl der Faktoren, die gesteuert werden müssen, z.
B. wegen des Spanndrucks, der Vertikalität der Endoberfläche und
der Genauigkeiten der Spannvorrichtungen im Hinblick auf die Herstellungseffi zienz
nicht so wünschenswert
ist und weiterhin eine große
Vielzahl von Spannvorrichtungen in Abhängigkeit von der Länge der Welle
erforderlich ist.
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Demzufolge
werden in einem herkömmlichen,
im Stand der Technik bekannten Elektronenstrahl-Schweißverfahren
die Turbinenschaufeleinheit (2) und die Turbinenrotorwelle
(3) gemeinsam verschweißt und dann wird die hintere
Oberfläche
der Turbinenschaufeleinheit gegen die Oberfläche einer Spannvorrichtung
zum spanenden Bearbeiten gepresst und der Außenumfang der Turbinenschaufeln
wird durch ein Zangenspannfutter gespannt und der Außenumfang
wird mechanisch bearbeitet.
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Jedoch
wird entsprechend dieses Verfahrens ein weiteres Ungleichgewicht
erzeugt, weil die Mittellinie der Spannvorrichtung zum spanenden
Bearbeiten selbst von der der Hauptwelle infolge der Wirkung des
Zangenspannfutters abweicht und, wie zuvor beschrieben, die Mitte
des Kreises, der durch den Außenumfang
der Turbinenschaufeln gebildet wird, von der Mitte des Gleichgewichtes
versetzt ist. Mit anderen Worten, um mehrer Muster verwendet worden
sind, um die Spanneinrichtung einzustellen, sind die Variationen
zwischen den Erzeugnissen groß und
sie können
nicht genau positioniert werden. Auch verursacht die Biegeverdrehung,
die durch das zuvor erwähnte
Elektronenstrahlschweißen
verursacht wird, eine Ablenkung des Werkstückes vor dem spanenden Bearbeiten,
wobei folglich in der Praxis das Schneideverfahren intermittierend
abläuft
und demzufolge die in dem Werkstück
erzeugten Bearbeitungsbeanspruchungen ungleich sind, was, nachdem
das spanende Bearbeiten übrig
bleibt, zu einem Verlaufen führt.
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Dieses
Problem wird durch die Variationen zwischen jedem Produkt, den Fähigkeiten
des Bedieners etc. beeinflusst und kann nicht so leicht verbessert
werden. Zusätzlich
gibt es noch viele instabile Faktoren, die die Genauigkeit der Referenzproben,
die für
das spanende Bearbeiten verwendet werden, sowie das spanende Bearbeiten
der Verbindungsteile betreffen und demzufolge ist der spanende Bearbeitungsvorgang
auch ein weiterer Grund des Ungleichgewichts.
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Zusätzlich ist
aus der JP 59-218286 A, ein Verfahren des spanenden Bearbeitens
und des Schweißens
entsprechend des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Die
vorliegende Erfindung zielt darauf, die zuvor genannten Probleme
zu lösen.
D. h., ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
zur spanenden Bearbeitung und zum Schweißen zu schaffen, wobei der
Grad des Ungleichgewichts, das unvermeidlich bei den herkömmlichen
spanenden Bearbeitungsverfahren beträchtlich re duziert werden kann,
so dass folglich die erforderliche, um das Ungleichgewicht zu korrigieren, vermindert
werden kann und die Ausbeute der Werkstücke erhöht werden kann.
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Diese
Aufgabe wird in einer erfinderischen Weise durch ein Verfahren des
spanenden Verfahrens und Schweißens
gelöst,
das die Merkmale von Anspruch 1 hat.
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Bei
dem vorliegenden Verfahren von Anspruch 1 ist in der Praxis eine
Mehrzahl von Bauteilen auf derselben Achse verschweißt; während die
Mehrzahl der Bauteile in Positionen auf derselben Achse gehalten wird,
wobei die Verbindungsabschnitte durch Elektronenstrahlschweißen an einer
Mehrzahl von Punkten, die in gleichen Winkeln rund um den Umfang
beabstandet sind, gleichzeitig zusammen verschweißt werden,
was ein Verfahren des Herstellens der Turbinenrotorwelle für einen
Auflader ist.
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In
dieser Konfiguration werden die Verbindungsabschnitte an einer Anzahl
von Orten, die in gleichen Winkeln beabstandet sind, gleichzeitig
verschweißt,
wobei somit die Wirkungen des Schrumpfens, wenn das geschmolzene
Teil fest wird, ausgeglichen werden, da sie bei demselben Winkel
und Biegeverdrehungen reduziert werden. Das Zeitintervall und die
Energieeingabe an jedem zu bestrahlenden Punkt kann durch Einstellen
der Ausrüstung
leicht gesteuert werden, und überdies
gibt es keine zusätzlichen
Faktore, die gesteuert werden müssten,
so dass das Verfahren für
die Erhöhung
der Produktivität
effektiv ist. Zusätzlich
wird die Qualität
eines Werkstückes
durch äußere Faktoren,
z. B. die Genauigkeit der Spannvorrichtungen, nicht beeinträchtigt,
wobei demzufolge durch das Anwenden des Verfahrens ein hoch-qualitatives
Erzeugnis hergestellt werden kann.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
ist in dem abhängigen
Anspruch 2 niedergelegt.
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Entsprechend
des Ausführungsbeispieles
von Anspruch 2 weist das Verfahren des spanenden Bearbeitens der
Turbinenrotorwelle die Schritte auf von Ausbilden der zylindrischen
Nabenbohrung mit einer vorbestimmten notwendigen Toleranz in einem
Abschnitt der Turbinenschaufeleinheit, die mit der Rotorwelle verbunden
werden soll, wobei ein Ende der der zuvor fertig bearbeiteten Rotorwelle
in die Nabenbohrung eingesetzt wird und der Verbindungsabschnitt
durch Elektronenstrahlschweißen
geschweißt
wird.
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Unter
Verwendung dieser Konfiguration kann das Ungleichgewicht, das beim
Schneiden des Verbindungsabschnittes entsprechend des herkömmlichen
Verfahrens unvermeidlich erzeugt wurde, eliminiert werden und die
Rotorwelle kann bei der Mittellinie der Nabenbohrung (2a)
in der Nähe
der Gleichgewichtsmitte des Präzisionsguss
geschweißt
werden.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
ist in dem unabhängigen
Anspruch 3 niedergelegt.
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Entsprechend
des Ausführungsbeispieles
von Anspruch 3 wird die Rotorwelle spanend in einen fertig bearbeiteten
Zustand separat bearbeitet, wobei dann ein Ende der Rotorwelle in
die Nabenbohrung in der Turbinenschaufeleinheit eingesetzt und verschweißt wird,
wobei als nächstes
unter Verwenden des Außenumfangs
und der Endoberfläche
der Rotorwelle als Referenz für
das spanende Bearbeiten die Turbinenschaufeln spanend bearbeitet
wird.
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So
konfiguriert kann, weil die Rotorwelle separat spanend bearbeitet
worden ist, die Genauigkeit des spanenden Bearbeitens der Rotorwelle
verbessert werden und das Ungleichgewicht kann minimiert werden. Später kann,
da ein Ende der Rotorwelle in die Nabenbohrung in der Turbinenschaufeleinheit
eingesetzt ist und dann die Turbinenschaufeln unter Verwendung des
Außenumfangs
und der Endoberfläche
der Rotorwelle als Referenzen für
das spanende Bearbeiten verwendet werden, das Ungleichgewicht auch
auf einem Minimum gehalten werden.
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung in größerer Ausführlichkeit in Bezug auf mehre
Ausführungsbeispiele
derselben in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei:
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1A und 1B die
allgemeine Konfiguration einer Rotorwelle mit der Turbinenschaufeleinheit und
der damit zusammen verbundenen Rotorwelle zeigt.
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2 ein
Ablaufdiagramm ist, das die herkömmlichen
Verfahren zum spanenden Bearbeiten einer Turbinenrotorwelle zeigt.
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Die 3A bis 3D Zeichnungen
sind, die die Schritte in der 2 veranschaulichen.
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Die 4A und 4B Zeichnungen
sind, die die Verfahren zum spanenden Bearbeiten des Verbindungsabschnittes
einer Präzisionsguss-Turbinenschaufeleinheit 2 beschreiben.
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5 eine
beispielhafte Erläuterungszeichnung
ist, die ein herkömmliches
Elektronenstrahl-Schweißverfahren
zeigt.
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6 ein
Ablaufdiagramm des vorliegenden Verfahrens ist, das zum spanenden
bearbeiten einer Turbinenrotorwelle verwendet wird.
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Die 7A bis 7D die
Schritte in der 6 darstellen.
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8 eine
erläuternde
Zeichnung ist, die das vorliegende Elektronenstrahl-Schweißverfahren
beschreibt.
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9 die
allgemeine Konfiguration einer Turbinenrotorwelle zeigt, die entsprechend
des vorliegenden Verfahrens hergestellt wird.
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Die
folgenden Paragraphen beschreiben bevorzugte Ausführungsbeispiele
in Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen.
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6 zeigt
ein Ablaufdiagramm des vorliegenden Verfahrens, das zum spanenden
Bearbeiten einer Turbinenrotorwelle verwendet wird und
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die 7A bis 7D sind
Zeichnungen, die die Schritte in der 6 darstellen.
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Das
vorliegende, in der 6 gezeigte Verarbeitungsverfahren
besteht aus den Schritten des Präzisionsgießens S1
der Turbinenschaufeleinheit, die Aushärtbehandlung S3a der Rotorwelle,
dem Polieren S3b der Rotorwelle, dem Elektronenstrahlschweißen S4,
dem Schleifen S5 des Umfanges der Turbinenschaufeln und das dynamische
Auswuchten S6.
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In
dem Schritt S1 während
des Präzisionsgießens der
Turbinenschaufeleinheit wird, wie in der 7A gezeigt,
eine zylindrische Nabenbohrung 2a mit einer vorbestimmten
Toleranz in dem Abschnitt der Turbinenschaufeleinheit 2,
die mit der Rotorwelle 3 verbunden werden soll, gebildet.
Die vorbestimmte Toleranz sollte so klein wie möglich, z. B. ungefähr 0,01
mm, sein, so dass ein Ende der Rotorwelle ohne ein Spiel und ohne die
Notwendigkeit für
ein spanendes Bearbeiten eingesetzt werden kann. Zusätzlich sollte
die Mittelbohrung 2d der Turbinenschaufeleinheit 2 auch
vorher während
des Präzisionsgießverfahrens
gebildet werden, um eine ähnliche
Genauigkeit wie die der Nabenbohrung 2a zu haben. In anderer
Hinsicht ist dieses Präzisionsgießverfahren
S1 mit dem herkömmlichen
Verfahren identisch.
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Das
spanende Bearbeitungsverfahren S2 für die Rotorwelle unterscheidet
sich von den herkömmlichen
Schritten der spanenden Bearbeitung; die Zwischenbearbeitungsstufe
wird weggelassen und die Rotorwelle wird, wie in der 7B gezeigt,
in den endgültigen
Zustand als ein separates Stück
spanend fertig bearbeitet. In dem anschließenden Härtungsschritt S3a für die Rotorwelle
wird eine notwendige Nitrierbehandlung oder Hochfrequenzbehandlung
und ein Abschrecken ausgeführt,
und in dem Schritt S3b wird für
das Polieren der Rotorwelle die Oberfläche derselben poliert.
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In
dem Schritt S4 Elektronenstrahlschweißen wird ein Ende 3a der
Rotorwelle 3, die zuvor auf die endgültige Abmessung in dem Schritt
S2 der endgültigen
spanenden Bearbeitung spanend bearbeitet worden ist, in die Nabenbohrung 2a,
die während
des Schrittes S1 des Präzisionsgießverfahren
gebildet worden ist, eingesetzt und, wie in der 7C gezeigt,
werden die Verbindungsabschnitte derselben unter Verwenden des Elektronenstrahlschweißens verschweißt.
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In
dem Schritt S5 wird das Schleifen des Außenumfangs der Turbinenschaufeln
ausgeführt
und wird, wie in der 7D gezeigt, die Turbinenschaufeleinheit 2 unter
Verwendung als Bearbeitungsbezüge
des Außenumfangs
C und der Endoberfläche
E der Rotorwelle 3, die in dem endgültigen spanenden Bearbeitungsschritt
S2 spanend fertigbearbeitet worden war, spanend bearbeitet. Die
Schaufeln können
auch unter Verwendung der Mittelbohrung D der Rotorwelle 3 und
der Mittelbohrung 2d der Turbinenschaufeleinheit als Bezüge für das spanende
Bearbeiten spanend bearbeitet werden.
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8 stellt
das gegenwärtige
Elektronenstrahl-Schweißverfahren
dar. In der 8, dem Schritt S4 des Elektronenstrahlschweißens ist,
wie zuvor beschrieben, ein Ende 3a der Rotorwelle 3 in
die in dem Abschnitt der Turbinenschaufeleinheit 2 gebildete
Nabenbohrung 2a eingesetzt, die mit der Rotorwelle 3 verbunden
werden soll, und während
sowohl die Turbinenschaufeleinheit, als auch die Rotorwelle in axialer
Anlage gehalten werden, wobei die Verbindungsabschnitte derselben
an einer Mehrzahl in Umfangsrichtung gleich beabstandeten Punkten
gleichzeitig Elektronenstrahl-geschweißt werden.
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Zum
Positionieren der Turbinenschaufeleinheit 2 und der Rotorwelle 3 werden
in dem derartigen Zustand, dass ein Ende 3a der Rotorwelle 3 in
engem Eingriff mit der Nabenbohrung 2a der Turbinenschaufeleinheit 2 ist,
die zwei Teile vertikal in einer Schweißspannvorrichtung 4 gehalten
und die Endoberfläche
der Turbinenschaufeleinheit 2 wird an Ort und Stelle durch
eine Kugel 5 gehalten. In diesem Vorgang ist die vertikale
Eingriffsbohrung in der Schweißspannvorrichtung 4 leicht
größer hergestellt
als die Rotorwelle 3, die fertig Präzisions-bearbeitet worden ist,
so dass die Rotorwelle 3 sehr genau in der vertikalen Richtung
gelagert werden kann. Zusätzlich
ist die Kugel 5 genau auf der Linie positioniert, die sich
durch die Mittellinie der Rotorwelle 3 erstreckt.
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Als
nächstes
wird, anders als in dem herkömmlichen
System, kein Heftschweißen
ausgeführt,
aber in diesem Zustand wird eine Mehrzahl von Schweißköpfen 6 verwendet,
um die Verbindungsabschnitte an einer Mehrzahl von Punkten, rund
um den Umfang (z. B., zwei oder drei gleich-beabstandete Punkte)
mit dem Elektronenstrahl zu verschweißen.
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9 zeigt
eine allgemeine Konfiguration der gegenwärtigen Turbinenrotorwelle.
In der 9 unterscheidet sich die Turbinenrotorwelle 1,
die entsprechend des gegenwärtigen
Verfahrens des spanenden Bearbeitens und des Schweißens verbunden
worden ist, von den herkömmlichen
Wellen dadurch, dass der Verbindungsabschnitt der Turbinenschaufeleinheit 2 nicht
spanend bearbeitet wird, aber die zylindrische Nabenbohrung 2a gehalten
wird, wie sie während
des Präzisionsgießens gebildet
worden ist, und dass die Start- und Endpunkte der Schweißwülste 7 zwischen
der Turbinenschaufeleinheit 2 und der Rotorwelle 3,
hergestellt durch Elektronenstrahlschweißen, an zwei oder mehr Orten
sind. In diesem Verfahren sind zwei oder mehr Start- und Endpunkte
einander gegenüberliegend
(in Bezug zu der Mittellinie symmetrisch) oder in gleichbeabstandeten
Winkeln um die Mittellinie angeordnet. Demzufolge können diese
Unterschiede durch Beobachten des geschweißten Abschnittes der vollständigen Turbinenrotorwelle 1 zur
Kenntnis genommen werden.
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Die
Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Ausgleichsmessungen, ausgeführt an fünf Mustern
des Verbindungsabschnittes der Präzisionsguss-Turbinenschaufeleinheit
2,
vor und nach dem spanenden Bearbeiten. In der Tabelle 1 zeigen jeweils
T-Endwinkel und B-Endwinkel die Richtungen (die Winkel) der Unwucht
an den Turbinen- und Lüfterenden;
wobei T-End-Teile und B-Endteile jeweils die Ausgleichsgewichte
an den Turbinen- und Lüfterenden
zeigen. In diesem Beispiel repräsentiert
ein Teil ein Ausgleichsgewicht von ungefähr 0,005 g. [Tabelle
1]
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Der
untere Teil der Tabelle 1 (nach dem spanenden Bearbeiten) zeigt,
dass das Ungleichgewicht nach dem spanenden Bearbeiten des Präzisionsgusses
so groß wie
ein Maximum von 140 Teilen sein kann und der Mittelwert 78 Teile
an dem B-Ende nach dem spanenden Bearbeiten beträgt, und dass die Richtungen
der Ausgleichsgewichte an den T- und B-Enden in vielen Fällen an
sehr unterschiedlichen Winkel sind.
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Umgekehrt
ist es in dem oberen Teil der Tabelle 1 (vor dem spanenden Bearbeiten)
gezeigt, dass die Ungleichgewichte der Präzisionsguss-Turbinenschaufeleinheit 2 vor
dem spanenden Bearbeiten ein maximal 85 Teile betragen und der Mittelwert
45 Teile an dem T-Ende beträgt,
das kleiner als die entsprechenden Werte nach dem spanenden Bearbeiten
(ungefähr
ein und einhalbfach) sind und die Richtungen der Ausgleichsgewichte
bei ähnlichen
Winkeln an den T- und B-Enden sind.
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Tabelle
2 zeigt die Ergebnisse der Ausgleichsmessungen von 10 Mustern der
Präzisionsguss-Turbinenschaufeleinheit
2 vor
dem spanenden Bearbeiten. Für
diese Messungen wurden Mittelbohrungen gebohrt, um das Werkstück daran
zu hindern, während
der Ausgleichmessungen zu verlaufen. [Tabelle
2]
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Diese
Tabelle demonstriert, dass das jeweilige Ungleichgewicht der Präzisionsguss-Turbinenschaufeleinheiten 2 vor
dem spanenden Bearbeiten sogar kleiner sind, d. h., es beträgt maximal
55 Teile und der Durchschnitt beträgt 32 Teile an dem B-Ende,
das ungefähr
1/3 der entsprechenden Werte nach dem spanenden Bearbeiten ist,
und es gibt ein beträchtliche Übereinstimmung
zwischen den Richtungen des Aus-dem-Gleichgewicht-seins an dem T-Ende und
dem B-Ende.
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Wie
zuvor beschrieben wird entsprechend eines herkömmlichen Verfahrens der Außenumfang
der Turbinenschaufeln als eine Referenz für das spanende Bearbeiten der
Verbindungsabschnitte verwendet, jedoch hat der Abschnitt der Turbinenschaufeleinheit,
der als eine Referenz verwendet wird, eine komplizierte Form, wobei überdies
die Wanddicken derselben dünn
sind und daher nach dem Gießen
schnell abkühlen, wodurch
dieser Abschnitt großen
Verformungen, verursacht durch die Schrumpfspannungen, unterworfen wird.
Demzufolge wird die Genauigkeit (ungefähr ± 0,02 mm) bezogen auf die
Notwendigkeit für
einen Bezug bei der spanenden Bearbeitung nicht erreicht (in der
Praxis beträgt
sie ungefähr
0,2 mm). Als ein Ergebnis ist die Mitte des Verbindungsabschnittes
nach dem spanenden Bearbeiten, das den Außenumfang der Schaufeln als
eine Referenz verwendet, von der Gleichgewichtsmitte der gesamten
Turbinenschaufeleinheit versetzt, so dass es verstanden werden kann,
dass der Versatz ein Hauptgrund der Unwucht der kompletten Turbinenrotorwelle
ist. Zusätzlich
ist die Gleichgewichtsmitte der Turbinenschaufeleinheit nah an der
Mitte des Mittelabschnittes, wo das Verhältnis der Masse zu der Oberflächenfläche größer als
das der Schaufeln ist und das bei einer langsameren Geschwindigkeit
abkühlt.
Dieser abschnitt ist weniger durch Schrumpfbeanspruchungen als die
anderen Teile betroffen und die Genauigkeit derselben kann ziemlich
leicht beibehalten werden. Es wurde aus diesen Ergebnissen auch
demonstriert, dass die Genauigkeit dieser Nabenbohrung in dem Mittelabschnitt
des Präzisionsguss
entsprechend der Messungen eine Höhe von ungefähr ± 0,01
mm hatte.
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Demzufolge
wird entsprechend des zuvor erwähnten
Verfahrens die zylindrische Nabenbohrung 2a mit einer vorbestimmten
notwendigen Toleranz vor dem Verbindungs abschnitt der Präzisionsguss-Turbinenschaufeleinheit 2,
wo sie mit der Rotorwelle 3 verbunden werden soll, gebildet,
wobei mein Ende 3a der Rotorwelle 3, das im Voraus
endgültig
bearbeitet worden ist, in die Nabenbohrung 2a eingesetzt
wird und die Verbindungsabschnitte durch Elektronenstrahlschweißen geschweißt werden,
wodurch folglich die Unwucht, die unvermeidlich erzeugt wird, wenn
die Verbindungsabschnitte in dem herkömmlichen Verfahren spanend
bearbeitet werden, beseitigt wird, und die Rotorwelle 3 in
Ausrichtung mit der Nabenbohrung 2a mit ihrer Mittellinie nah
zu der Gleichgewichtsmitte des Präzisionsguss geschweißt werden
kann.
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Die
Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse der Messungen des Verlaufs und die
Verlaufswinkel von 10 Mustern der Turbinenschaufeleinheit
2 und
der Rotorwellen
3, die durch Elektronenstrahlschweißen entsprechend
des herkömmlichen,
in der
5 gezeigten Verfahrens, gemeinsam verbundenen
worden sind. [Tabelle
3]
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Die
Tabelle 3 zeigt offensichtlich, dass ziemlich große Verläufe mit
einer mittleren Ablenkung von 0,06 mm und einem 3 σ-Wert von
0,14 mm durch das Verwenden des herkömmlichen Schweißverfahrens
erzeugt worden sind.
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Noch
deutlicher, in dem herkömmlichen
Elektronenstrahl-Schweißverfahren
werden die Turbinenrotorwellen wegen der Kontraktionsbeanspruchungen,
die erzeugt werden, wenn das geschmolzene Metall nach dem Schweißen erstarrt,
der Ablenkung unterworfen. Messungen zeigen, dass die herkömmliche
Turbinenrotorwelle um einen mittleren Winkel von 0,14° mit einem
3 σ-Wert
von 0,34° abgelenkt
wurde. Dieser Winkel entspricht einem Verlauf bei einem Mittelwert
vom 0,45 mm und einem 3 σ-Wert
von 1,09 mm an der Spitze für
eine gerade Turbinenrotorwelle für
Personenkraftwagen und wenn dieser Verlauf durch Schleifen des Außenumfanges
der Turbinenschaufeln entfernt werden soll wird die Ausbeute offensichtlich
vermindert.
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Obwohl
es eine weitere Idee des mechanischen Klemmens der Turbinenschaufeleinheit
und der Rotorwelle während
des Schweißens
gibt, um die zuvor erwähnte
Ablenkung zu reduzieren, erhöht
sich unvermeidlich die Anzahl der zu steuernden Faktoren, z. B.
der Klemmdruck, die Vertikalität
der Endoberfläche
und die Genauigkeit der Spannvorrichtung, und es muss eine Menge
von Spannvorrichtungen verwendet werden, um mit unterschiedlichen
Wellenlängen
umgehen zu können,
wodurch die Idee in der Praxis nicht weit verbreitet angewandt werden
kann und dies im Hinblick auf die Effektivität der Produktion nicht wünschenswert
ist.
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Demzufolge
wird entsprechend des vorerwähnten
Verfahrens eine Mehrzahl von Bauteilen auf derselben Achse gemeinsam
verschweißt;
wobei die Mehrzahl der Bauteile zusammen auf derselben Mittellinie
platziert wird, die Verbindungsabschnitte derselben gleichzeitig
an einer Mehrzahl von Punkten, die bei gleichen Winkel rund um den
Umfang gesondert angeordnet worden sind, Elektronenstrahl-geschweißt werden.
D. h., mittels eines Verfahrens des gleichzeitigen Verschweißens bei
einer in gleichen Winkeln voneinander getrennten Anzahl von Punkten
werden die Bedingungen der Verbindungsabschnitte während des
Schrumpfens, wenn dass Metall fest wird, rund um die Schweißstellen
ausgeglichen und die Ablenkung zwischen den Abschnitten kann reduziert
werden. Zusätzlich
können
das Zeitintervall und die Energieeingabe an jedem Punkt während des
Schweißens
durch Einstellen der Schweißausrüstung leicht
gesteuert werden, und überdies
gibt es keine zusätzlichen
zu steuernden Faktoren, so dass das Verfahren im Hinblick auf die
Produktivität
effektiv ist. Überdies
wird die Qualität
des Werkstückes
nicht durch äußere Faktoren,
z. B. die Genauigkeiten der Erzeugnisse und der Spannvorrichtungen,
beeinflusst, so dass demzufolge es auch verstanden werden kann, dass
das Verfahren effektiv angewandt werden kann, um ein hoch-qualitatives
Erzeugnis herzustellen.
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In
einem herkömmlichen
Elektronenstrahl-Schweißverfahren
wird, nachdem die Turbinenschaufeleinheit 2 und die Rotorwelle 3 verschweißt sind,
die Rückseite
der Turbinenschaufeleinheit gegen die Oberflächenplatte einer Spannvorrichtung
zum spanenden Bearbeiten gepresst und der Außenumfang der Turbinenschaufeln
wird durch ein Spannfutter geklemmt und spanend bearbeitet. Weil
jedoch die Spannvorrichtung zum spanenden Bearbeiten selbst nicht
mit der Hauptachse infolge der Wirkung des Zangenspannfutters präzis ausgerichtet
ist und weil die Mitte des Außenumfangs
der Turbinen schaufeln von der Mitte des Gleichgewichts verlagert
ist verursacht das zuvor erwähnte
spanende Bearbeiten ein Ungleichgewicht. Tatsächlich obwohl die Spannvorrichtung
durch Ausgleichen mit Mustern von mehreren Spannfuttern, ist die
Genauigkeit ihrer Position nicht sehr zuverlässig, so dass die Variationen
zwischen jedem der Produkte beträchtlich
sind. Zusätzlich
führt die
Ablenkung, die durch das zuvor erwähnte Elektronenstrahl-Schweißverfahren
erzeugt worden ist, zu einem Verlaufen des zu schneidenden Werkstückes, wodurch
demzufolge der spanende Bearbeitungsvorgang in der Praxis intermittierend
ist, so dass die Beanspruchungen, die durch die spanende Bearbeitung hervorgerufen
werden, demzufolge nicht gleichmäßig verteilt
werden und die verbleibenden Beanspruchungen zu einer Ablenkung
nach der Fertigstellung führen.
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Das
zuvor geschilderte Problem wird beträchtlich durch Variationen zwischen
den Produkten, den Fähigkeiten
des Bedieners etc. betroffen, so dass es nicht leicht verbessert
werden kann. Überdies
gibt es viele Faktoren, die eine Instabilität infolge der Genauigkeit der
Referenzen für
die spanende Bearbeitung hervorrufen, z. B. in dem Fall des spanenden
Bearbeitens der Verbindungsabschnitte, wodurch der spanende Bearbeitungsvorgang
selbst ein Ungleichgewicht hervorruft.
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Unter
diesen Umständen
wird entsprechend des zuvor erwähnten
Verfahrens die Rotorwelle 3 abschließend separat spanend, als eine
einzelne Einheit bearbeitet und dann wird ein Ende der Rotorwelle 3 mit einer
engen Passform in die Nabenbohrung 2a, die in der Turbinenschaufeleinheit 2 gebildet
ist, eingesetzt und darin verbunden. Als nächstes werden unter Verwenden
des Außenumfangs
und der Endoberfläche
der Rotorwelle als Referenz für
die spanende Bearbeitung die Turbinenschaufeleinheiten spanend bearbeitet. Folglich
kann, weil die Rotorwelle 3 separat als eine Einzeleinheit
spanend bearbeitet und fertig gestellt wird, die Genauigkeit des
spanenden Bearbeitens der Rotorwelle erhöht und das Ungleichgewicht
minimiert werden. Danach, da ein Ende der Rotorwelle in die Nabenbohrung 2a eingesetzt
ist, die in der Turbinenschaufeleinheit 2, verbunden durch
Schweißen,
vorgesehen ist, und dann die Turbinenschaufeln unter Verwendung des
Außenumfangs
und der Endoberfläche
der Rotorwelle als Referenzen für
das spanende Bearbeiten spanend bearbeitet werden, kann das Ungleichgewicht
der Turbinenschaufeln auf einem Minimum gehalten werden.
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Das
zuvor erwähnte
vorliegende Verfahren bietet die folgenden Vorteile.
- 1. Reduzierung des Grades des Ungleichgewichts, d. h. (1) Reduzierung
in der Belastung um das Ungleichgewicht zu korrigieren und der Anzahl
der fehlerhaften Teile, die infolge des Ungleichgewichts ausgeworfen werden,
und (2) Verbesserung in der Leistung des mechanischen Ausgleichsvorgangs.
- 2. Stabilisierung der Positionen des Ungleichgewichts und der
Größe, nämlich (1)
durch den gebrauch der statistischen Verfahrenssteuerung, und (2)
durch Verbessern der Verfolgung der Ursachen jedes Ungleichgewichts,
das auftritt und Zielverfolgung der Gegenmaßnahmen.
- 3. Beschleunigen des Verfahren der spanenden Bearbeitung, mit
anderen Worten (1) Reduzierung der Durchlaufzeiten und (2) Aufstellen
von Produktionsplänen.
- 4. Verbessern der Gleichmäßigkeit
der Impellerformen, d. h., (1) Verbessern der aerodynamischen Leistung durch
Verbessern des Gleichgewichts der Fluid-Strömung, und (2) Reduzierung des
Geräuschs.
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Mit
anderen Worten, in der Annahme, dass die geometrische Mitte des
Bauteils im Wesentlichen die Mitte des Schwerpunkts ist, könnten Ungleichgewichte
in der Fluid-Strömung eng
mit dem mechanischen Ungleichgewicht zugehörig sein und je größer das
mechanische Ungleichgewicht ist, desto größer kann auch die Fluid-Strömung unausgeglichen
sein. Demzufolge wird in einem herkömmlichen spanenden Verfahren,
obwohl das mechanische Ungleichgewicht korrigiert werden kann, da
das Ungleichgewicht durch Einstellen des Gewichts durch das spanendende
Bearbeiten kompensiert werden kann, das Ungleichgewicht in der Fluid-Strömung unbehandelt
gelassen. Jedoch ist das Gleichgewicht der Fluid-Strömung einer
der wichtigsten Faktoren für
den Auflader, da es für
die aerodynamische Leistung maßgeblich
ist und abnormale Geräusche
verursachen kann, d. h., es ist ein entscheidendes Problem für einen
Auflader. Unter diesen Umständen
wird durch spanendes Bearbeiten eines Werkstückes entsprechend des vorliegenden
Verfahrens, in dem die geometrische Mitte des Bauteils (die Mitte
des mechanischen und des Fluid-Strömungs-Gleichgewichts) als Referenz verwendet
wird, die Form jedes Impellers gleichmäßig fertig bearbeitet und es
kann sowohl eine Verbesserung in der aerodynamischen Leistung, als
auch eine Reduzierung in dem Geräuschniveau
erwartet werden.
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Daraus
schlussfolgernd kann das vorliegende Verfahren zum spanenden Bearbeiten
der Turbinenrotorwelle eines Aufladers das Ungleichgewicht, das
ein herkömmliches
spanendes Bearbeitungsverfahren unvermeidlich begleitet, beträchtlich
reduzieren. Demzufolge kann die Zeit, die für das Korrigieren der Ungleichgewichte
erforderlich ist, reduziert werden, kann die Ausbeute der Produkte
verbessert werden und können auch
weitere Vorteile erhalten werden.
