-
Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen
Isogittergehäusen
durch spangebende Bearbeitungsverfahren.
-
Isogitter
werden zur Verstärkung
dünnwandiger
Bauteile wie beispielsweise Gasturbinentriebwerksgehäuse oder
zur Herstellung gewichtsmäßig leichter
Strukturen der Gitterbauart verwendet, beispielsweise zur Verwendung
in Raumfahrzeuganwendungen. Ein Isogitter ist eine Struktur, die
ein Dreieckmuster von Rippen umfasst, die in Reihen von gleichseitigen
Dreiecken angeordnet sind. Isogitter werden zur Vergrößerung der
Steifigkeit dünnwandiger
Strukturen bei Minimierung des Gewichts eingesetzt. Isogitter finden
besondere Anwendung bei Gasturbinenflugzeugtriebwerken, wo dünnwandige
Triebwerksgehäusekanäle mit Isogittern
verstärkt werden,
um zusätzliche
Steifigkeit zum Tragen von Hilfseinheiten und Komponenten zu erzeugen.
-
Ein
Verfahren zum Herstellen einer zylindrischen Isogitter-Gehäusestruktur
ist in der US-A-3 940
891 beschrieben, wobei eine kegelstumpfförmige Struktur mit einer Isogitterverstärkung an
ihrer Innenwandfläche
aus einer Mehrzahl im wesentlichen identischer Tafeln gebildet wird.
Jede Tafel wird aus einer Metallplatte mit der Dicke der zu bildenden
Tafel hergestellt. Die Metallplatte wird in einer numerisch gesteuerten
Fräsmaschine
positioniert und das Material zwischen den Rippen wird zur Bildung
dreieckiger Taschen herausgefräst.
Das NC-Fräsen
kann zum Verringern der Wanddicke der Taschen auf 1 mm eingesetzt
werden, und wo Wanddicken von weniger als 1 mm verlangt werden,
werden die Taschen durch chemisches Fräsen auf die gewünschte Enddicke
weiter bearbeitet. Stege, Flansche und andere Elemente werden durch
Abdecken während
des chemischen Fräsverfahrens
geschützt.
Wenn die Bearbeitung beendet ist, wird die Tafel gerollt oder durch andere
Mittel in ihre gewünschte
Form gebracht. Die Tafeln werden aneinander befestigt, um die konische Gehäusestruktur
herzustellen.
-
Ein
Verfahren zur chemischen Bearbeitung von Isogittergehäusen ist
in der US-A-5 122 242 beschrieben, wo erwähnt ist, daß eine chemische Bearbeitung
zum Herstellen von Taschenwanddicken und Rippenbreiten bis zu einem
Minimum von 0,5 Millimeter eingesetzt werden kann.
-
Bei
der chemischen Bearbeitung wird der Materialabtrag durch einen umgekehrten
Elektroplattierungsprozess erreicht, der ein Metallhydroxid aus dem
abgetragenen Metall erzeugt, das als Emulsion in der Elektrolytlösung suspendiert
ist. Das Abführen und
Entsorgen der Metallhydroxidemulsion ist sowohl gefährlich als
auch teuer, und dies, kombiniert mit weiteren Faktoren, führt zu beträchtlichen
zusätzlichen
Kosten für
das bearbeitete Gehäuse.
-
Die
US-A-5 485 723 beschreibt ein zylindrisches Isogitter-Gebläseaufnahmegehäuse für ein Gasturbinenflugzeugtriebwerk,
bei welchem ein fräserartiges
Schneidwerkzeug zum Abtragen von Material aus den Taschen des zu
bildenden Isogitters eingesetzt wird. Bei diesem Dokument wird ein
erstes Werkzeug zum Abtragen von Material auf die gewünschte Taschenwanddicke
eingesetzt, und ein zweites Werkzeug wird zum Fräsen um die Peripherie der so
gebildeten Tasche eingesetzt. In diesem Dokument haben die Taschen
eine Wanddicke von zwischen 2,03 mm und 5,72 mm.
-
Bisher
war es nicht möglich,
isogitterverstärkte
Gehäuse
herzustellen, bei denen die Taschenwanddicke kleiner als 1 mm ist,
außer
durch chemische Bearbeitung. Die minimale Taschenwanddicke, die
mit NC-gesteuerten Fräsmaschinen
und dergleichen erreichbar ist, ist durch die Verzerrung des Gehäuses aufgrund
der fräserinduzierten
Spannungen begrenzt, die zum Bruch und zum Reißen der dünnwandigen Taschenabschnitte
führen
können.
-
Daher
besteht ein Bedürfnis
nach einem Verfahren zum Herstellen von isogitterverstärkten Gehäusen mit
dünnem
Wandquerschnitt, welches die Verwendung gefährlicher Chemikalien wie bei
der chemischen Bearbeitung vermeidet, jedoch leicht Taschenwanddicken
von 1 mm oder weniger ohne Bruch oder Beschädigung des Isogitters aufgrund von
induzierten Bearbeitungsspannungen erreichen läßt.
-
Nach
einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines
dünnwandigen
Isogittergehäuses
durch einen spangebenden Bearbeitungsvorgang vorgesehen, das folgende
Schritte aufweist:
Positionieren eines im wesentlichen zylindrischen Gehäuses auf
einem Träger,
wobei der Träger
eine im wesentlichen durchgehende zylindrische Stützfläche aufweist,
die an mindestens einem Teil der inneren oder äußeren Oberfläche des
Gehäuses
anliegt,
Einarbeiten einer Mehrzahl ausgesparter Taschen in die
innere oder äußere Oberfläche des
Gehäuses
gegenüber
der vom Träger
erfassten Oberfläche,
wobei der Träger
die durch das spangebende Bearbeitungswerkzeug während der Bearbeitung auf das Gehäuse ausgeübten Kräfte aufnimmt,
um den Verzug des Gehäuses
und ein Reißen
der gebildeten Taschen zu minimieren.
-
Der
Träger
ermöglicht
leicht die Aufnahme der bearbeitungsinduzierten Spannungen durch
Ergreifen des Gehäuses
durch den Träger
auf der gegenüber
der bearbeiteten Seite gegenüberliegenden Seite
des Gehäuses.
Auf diese Weise ist das Gehäuse
zwischen dem Träger
und dem spannungsinduzierenden spangebenden Bearbeitungswerkzeug
angeordnet. Dies kann eine relative Bewegung des Gehäuses mit
Bezug auf das spangebende Bearbeitungswerkzeug verhindern. Es kann
außerdem
einen Verzug des Gehäuses
und ein Reißen
und einen Bruch der Taschen durch das Werkzeug vermeiden. Der Träger kann
die Wahrscheinlichkeit eines Verzugs des zylindrischen Gehäuses verringern,
beispielsweise durch Buckeln aufgrund relativ hoher induzierter
Bearbeitungskräfte,
die während
der Bearbeitung auf das Gehäuse
wirken.
-
Vorzugsweise
umfasst das Verfahren weiter den Schritt des Einbringens eines Füllermaterials zwischen
das Gehäuse
und den Träger.
Das Füllermaterial
kann leicht Spalte ausfüllen,
die zwischen dem Gehäuse
und dem Träger
aufgrund geometrischer Differenzen zwischen dem Gehäuse und
dem Träger
auftreten, beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen, die
in geringfügig
ovalen Gehäusequerschnitten
resultieren. Das Füllermaterial
ergibt eine Abstützung
des Gehäuses
in Bereichen, wo ein Spalt ansonsten gebildet wäre, so daß das Füllermaterial leicht die auf
das Gehäuse
während
der spangebenden Bearbeitung wirkenden Kräfte aufnehmen kann. Dies ermöglicht das
leichte Herstellen von Taschen mit dünnem Wandquerschnitt ohne Beschädigung der
gebildeten Taschen, beispielsweise durch Abreißen der dünnen radialen Wandquerschnitte
der Taschen durch das spangebende Bearbeitungswerkzeug, das ansonsten
ohne ausreichende Abstützung auftreten
könnte.
Die Verwendung eines Füllermaterials
zwischen dem Gehäuse
und dem Träger ist
besonders vorteilhaft, wenn das Gehäuse aus einer Mehrzahl von
geeignet geformten Metallplatten hergestellt wird. Ein typisches
geschweißtes
Gehäuse kann
bis zu 4 mm oval sein und örtliche
geometrische Verzerrungen können
entlang der Schweißlinien
vorhanden sein. Die Einflüsse
dieser geometrischen Schwankungen können durch das Füllermaterial
zwischen dem Gehäuse
und dem Träger
aufgenommen werden.
-
Vorzugsweise
ist das Füllermaterial
ein aushärtbares
Harz. Auf diese Weise kann das Harz auf die Trägeroberfläche des Trägers oder auf das Gehäuse oder
auf beide aufgebracht und an Ort und Stelle ausgehärtet werden,
wenn das Gehäuse
auf dem Träger
positioniert wird, so daß das
nicht ausgehärtete
Harz leicht zwischen dem Träger
und dem Gehäuse
in Bereiche einfließen
kann, wo Spalte vorhanden sein können.
Dies stellt sicher, daß das
Gehäuse
durch das ausgehärtete
Harz und den Träger vollständig abgestützt ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen
ist das Harz ein Epoxiharz und wird zwischen das Gehäuse und
den Träger
eingespritzt. Bei einer Ausführungsform
wird das Gehäuse
als kegelstumpfförmiges
Gehäuse
hergestellt, und der Träger hat
eine entsprechende kegelstumpfförmige
Trägeroberfläche zur
Aufnahme des Gehäuses.
-
Bei
einer anderen Ausführungsform
ist das Gehäuse
ein geschmiedetes kegelstumpfförmiges Gehäuse. Wenn
das Gehäuse
aus einem Schmiedeteil unter Verwendung eines NC-gesteuerten spangebenden Bearbeitungswerkzeugs
bearbeitet wird, kann das kegelstumpfförmige Gehäuse innerhalb sehr enger Toleranzgrenzen
genau bearbeitet werden, so daß das
Gehäuse
direkt auf dem Träger
montiert werden kann, ohne das zuvor beschriebene aushärtbare Harz
oder Füllermaterial.
-
Vorzugsweise
ergreift die Trägeroberfläche im wesentlichen
die gesamte innere oder äußere Oberfläche des
Gehäuses.
Dies ergibt eine maximale Abstützung,
so daß das
Gehäuse
vollständig
mit Bezug auf den Träger
abgestützt
ist. Auf diese Weise können
die ausgesparten Taschen über
die gesamte Oberfläche
des Gehäuses
in einem einzigen Bearbeitungsvorgang eingearbeitet werden, d. h.
ohne Neupositionieren des Gehäuses
mit Bezug auf den Träger.
-
Bei
bevorzugten Ausführungsformen
wird das Gehäuse
auf seiner radialäußeren Oberfläche bearbeitet,
und das Abstützen
durch den Träger
erfolgt auf seiner radial inneren Ober fläche. Dies ist besonders vorteilhaft
bei der Ausführungsform,
wo das Gehäuse
ein Triebwerksgehäuse
und einen Gasströmungskanal
für ein
Gasturbinentriebwerk umfasst, da die Taschen und Verstärkungsrippen
auf der äußeren bzw.
externen Seite des Gehäuses
gebildet werden, wobei die Innenoberfläche eine im wesentlichen glatte
Oberfläche
für die
Gasströmung
durch das Triebwerk bildet. Durch Bearbeitung der radial äußeren Oberfläche kann
das Gehäuse
leicht auf einem Träger
im Inneren des Gehäuses
abgestützt werden,
was den zur Bearbeitung erforderlichen Raum im Vergleich zu Ausführungsformen
reduziert, wo das Gehäuse
auf seiner äußeren Oberfläche abgestützt wird
und die Rippen und Taschen des Isogitters auf der Innenoberfläche eingearbeitet
werden. Das Bearbeiten der radial äußeren Oberfläche des Gehäuses ermöglicht auch
leichter eine visuelle Inspektion des Gehäuses während der Bearbeitung.
-
Vorzugsweise
werden die Taschen mit einer radialen Dicke von weniger als 1 mm
eingearbeitet, und bei bevorzugten Ausführungsformen werden die Taschen
so bearbeitet, daß sie
eine radiale Dicke im wesentlichen im Bereich von 0,45 mm bis 0,85
mm haben. Dies ist mit dem Verfahren nach dem oben erwähnten Aspekt
der Erfindung möglich,
wenn ein spangebender Bearbeitungsprozeß eingesetzt wird, weil die
dünnen
Wandquerschnitte (0,45 mm bis 0,85 mm) leicht während der Bearbeitung durch
den Träger
abgestützt
werden.
-
Vorzugsweise
werden die Taschen durch einen NC-gesteuerten Fräser und/oder Punktbohrer eingearbeitet.
Durch Verwendung eines NC-gesteuerten Werkzeugs können leicht
genaue und reproduzierbare Isogitter auf der Oberfläche des
Gehäuses eingearbeitet
werden.
-
Bei
bevorzugten Ausführungsformen
werden die Taschen zuerst durch Punktbohren und dann durch einen
Fräser
eingearbeitet. Auf diese Weise kann die Masse des abzutragenden
Materials mittels eines Punktbohrers entfernt werden, der auf nahezu die
erforderliche Tiefe bohrt, d. h. zur Herstellung der erforderlichen
radialen Wanddicke der Taschen. Die Taschen können dann durch Fräsen mit
oder ohne einen im Prozeß einbezogenen
Messschritt fertigbearbeitet werden, der zwischen dem Punktbohren
und den Frässchritten
implementiert wird.
-
Das
Verfahren umfasst weiter den Schritt des Bestimmes maßmäßiger Verzerrungen
im Gehäuse vor
dem Einarbeiten der Taschen, und das Justieren der Positionssteuerparameter
des NC-gesteuerten Werkzeugs entsprechend den gemessenen Verzerrungen.
Eine anfängliche
Maßprüfung ist
besonders wichtig, wenn hergestellte Gehäuse zu bearbeiten sind.
-
Bei
bevorzugten Ausführungsformen
umfasst das Verfahren weiter den Schritt des Prüfens der Abmessungen der Taschen
während
der Bearbeitung. Wie erwähnt
wurde, kann dies den Schritt des Messens der Dicke jeder oder einer
Probe von Taschen nach dem Punktbohren umfassen, so daß die so
bestimmten Dickenmessdaten zum Einstellen der NC-Steuerparameter für das anschließende Fertigfräsen benutzt
werden können.
Dies ist besonders nützlich,
wenn das zu bearbeitende Gehäuse
durch Schweißen
hergestellt worden ist, weil Abweichungen der tatsächlichen
Wanddicke leichter nach dem anfänglichen
Punktbohrschritt auftreten können.
-
Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Isogitterstruktur vorgesehen,
die nach dem oben erwähnten
Verfahren hergestellt wird.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Gasturbinentriebwerksgehäuse vorgesehen,
das eine Isogitterstruktur aufweist, das nach dem Verfahren nach
dem oben zuerst erwähnten
Aspekt hergestellt ist.
-
Verschiedene
Ausführungsformen
der Erfindung werden nun mehr im einzelnen beispielshalber beschrieben,
und zwar unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen, in denen
zeigt:
-
1 eine
perspektivische Darstellung eines Gasturbinentriebwerksgehäuseabschnitts
mit einer Isogitter-Verstärkungsstruktur
an seiner Außenseite,
-
2 einen
Querschnitt eines Trägers
und eines Gehäuses
zur Verwendung bei der spangebenden Bearbeitung der Isogitterverstärkung an
den Gehäuse
nach 1,
-
3 eine
detaillierte Schnittdarstellung längs I-I in 2 von
Isogittertaschen, die auf der Außenfläche des Gehäuses nach 1 eingearbeitet werden,
wobei das Gehäuse
auf dem Träger
montiert ist, und
-
4 einen
Querschnitt ähnlich
demjenigen nach 3 für ein maßmäßig genau geschmiedetes Isogittergehäuse.
-
Gemäß 1 hat
ein etwa zylindrischer Triebwerksgehäuseabschnitt 10 eine
an seiner Außenseite
eingearbeitete Isogitterverstärkungsstruktur.
Das Isogitter umfasst ein Muster von gleichseitig dreieckig geformten
Taschenaussparungen 12, die durch eine Reihe von aufstehenden
Rippen 14 getrennt sind. Die dreieckförmigen Taschen sind in axial verlaufenden
Linien über
im wesentlichen die gesamte Oberfläche des Gehäuseabschnitts angeordnet. Die
Taschen sind durch Abtragen von Material zwischen den Rippen durch
spangebende Bearbeitung gemäß dem Verfahren
nach der vorliegenden Erfindung gebildet. Die Taschen haben eine
minimale radiale Wanddicke von 0,45 mm, und daher ist die Steifigkeit
des Gehäuses
wesentlich durch die in der Isogitterstruktur angeordneten Rippen 14 hergestellt. Weitere
Steifigkeit wird durch radial angeordnete Montageflansche 16 und 18 an
entgegengesetzten axialen Enden des Gehäuses hergestellt.
-
Das
zylindrische Gehäuse
nach 1 zeigt eine schwache Verjüngung in der Axialrichtung
und hat daher eine kegelstumpfförmige
Form. Das Gehäuse
kann entweder aus einem massiven Schmiedeteil herausgearbeitet werden,
oder es kann durch Schweißen
aus Blechmaterial hergestellt werden. Für Gasturbinenanwendungen wird
bevorzugt, daß das
Gehäuse
aus Titan besteht, obwohl Aluminium und Legierungen von Titan und
Aluminium ebenfalls verwendet werden können, je nach den mechanischen
Anforderungen.
-
Bei
dem Verfahren der Herstellung eines dünnwandigen Isogitter-Flugzeugtriebwerkgehäuses durch
spangebende Bearbeitung gemäß dem Verfahren
nach der Erfindung wird das Isogitter durch Positionieren des Gehäuses auf
einem Träger
gebildet. Ein Träger 20,
der zum Bearbeiten des Isogittergehäuses nach 1 geeignet
ist, ist in 2 mit dem darauf montierten
Gehäuse
dargestellt. Der Träger 20 hat
im wesentlichen die gleiche Form wie das Gehäuse 10, und hat eine
radial äußere Trägerfläche 22,
die im wesentlichen identisch zu Größe und Form der radial inneren
Oberfläche
des Gehäuses 10 ist. Dies
ermög licht
das konzentrische und koaxiale Montieren des Gehäuses auf dem Träger, so
daß die Innenoberfläche des
Gehäuses
an der Außenoberfläche des
Trägers über dessen
gesamten Oberflächenbereich
anliegt. Die Anlage zwischen dem Gehäuse und dem Träger kann
ein Festsitz sein, oder es kann ein geringer Spielraum zur Aufnahme
eines Füllermaterials
wie beispielsweise eines aushärtbaren Harzes
vorhanden sein, wie mit Bezug auf 3 noch mehr
im einzelnen beschrieben wird. Der Träger hat ebenfalls eine kegelstumpfförmige Form,
so daß das
Gehäuse
den Träger
im wesentlichen umschließt.
-
Es
wird nun auf 3 Bezug genommen, wo schwache
Differenzen in der geometrischen Form der Trägeroberfläche 22 und dem Gehäuse durch Vorsehen
eines Füllermaterials
in Form eins aushärtbaren
Harzes 24 aufgenommen werden können, beispielsweise eines
Epoxyharzes auf der Oberfläche des
Trägers
oder der Innenoberfläche
des Gehäuses,
so daß das
nicht ausgehärtete
Harz irgendwelche Spalte ausfüllt,
beispielsweise den Spalt 26 zwischen dem Gehäuse und
der Trägeroberfläche 22. Solche
Spalte können örtlich an
der Verbindung von Träger
und Gehäuse
aufgrund geringfügiger
Unterschiede der Abmessungen der beiden angrenzenden Komponenten
auftreten, beispielsweise weil das Gehäuse eine schwach ovale Querschnittsform
als Resultat von Herstellungs- und Bearbeitungstoleranzen hat. Das
nicht ausgehärtete
Harz kann in den Bereich zwischen dem Gehäuse und dem Träger eingespritzt werden,
um die Spalte 26 auszufüllen,
oder die miteinander zusammenwirkenden Oberflächen des Trägers und des Gehäuses können beschichtet
werden, bevor sie zusammengefügt
werden. Das Harz wird ausgehärtet,
bevor die spangebende Bearbeitung der Taschen stattfindet.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein numerisch gesteuertes drehendes
Schneidwerkzeug in Form eines Bohrers 28 zunächst zum
rohen Einarbeiten der Taschen auf der Außenseite des Gehäuses eingesetzt.
Das Gehäuse
kann eine anfängliche
radiale Wanddicke von 5,6 mm haben, und die Taschen können anfänglich so
gebohrt werden, daß die
Wanddicke auf 1,06 mm durch den drehenden Schneidbohrer 28 reduziert
wird. Während
des Punktbohrverfahrens wird das Gehäuse über seine gesamte Fläche durch
den Träger 20 abgestützt, so
dass örtliche
Verformungen im Gehäuse
aufgrund der Schneidwerkzeuginduzierten Belastungen nicht auftreten.
Nachdem die Taschen eingebohrt sind, werden sie durch ein zweites umlaufendes
Schneidwerkzeug 30 in Form eines Stirnfräsers mit
einer Schneidkante von 3 nun Radius, so daß zwischen den dünnwandigen
Hautabschnitten der Taschen und den aufstehenden Rippen 12 ein
Radius gebildet wird. Der Stirnfräser kann weitere 0,5 mm der
Taschenwanddicke abtragen, so daß die fertig bearbeitete Tasche
eine Wanddicke von 0,56 mm hat. Der Träger 20 und Füllermaterial 24,
wo es vorhanden ist, stützen
die dünnwandigen
Abschnitte der Taschen während
diesem abschließenden
metallabtragenden Bearbeitungsprozeß ab.
-
Gemäß 4,
wo das Gehäuse 10 ein Schmiedeteil
ist anstatt ein Fertigungsteil ist, kann die Innenfläche des
Gehäuses
durch Drehen oder andere Mittel auf hochgenaue Abmessungen gearbeitet
werden, so daß das
Füllermaterial 24 nicht
benötigt
wird.
-
Bei
dem beschriebenen Verfahren wird ein adaptive Bearbeitung vorzugsweise
angewendet, um sicher zu stellen, daß die Taschen auf die verlangten Abmessungen
gearbeitet werden. Bei einem Beispiel werden die Gehäuseabmessungen
mittels einer Sonde gemessen, beispielsweise mittels einer Ultraschallmesssonde,
wenn das Gehäuse
auf dem Träger
montiert ist. Wenn das NC-Bearbeitungswerkzeug, das die Sonde enthält, Abweichungen
der Abmessungen des Gehäuses
feststellt, wird das NC-Steuerprogramm zur Steuerung des Bohrers
und des Fräsers
entsprechend eingestellt, und die Taschen werden dann grob bearbeitet.
Eine Tasche oder ein Probe aller Taschen können erneut gemessen werden,
um die Abmessungen der roh bearbeiteten Taschen vor der abschließenden Fertigbearbeitung
zu prüfen.
-
Obwohl
die Erfindung unter Bezugnahme auf in den anliegenden Zeichnungen
gezeigte Ausführungsformen
beschrieben worden ist, versteht es sich, daß die Erfindung nicht auf diese
genauen Ausführungsformen
beschränkt
ist, und daß verschiedene
Veränderungen
und Modifikationen ohne weitere erfinderische Tätigkeit erfolgen können. Beispielsweise
kann die Isogitterverstärkung
auf einer inneren Oberfläche
des Gehäuses
eingearbeitet werden, wobei der Träger um die Außenfläche des
Gehäuses positioniert
ist. Weitere spangebende Bearbeitungsprozesse können eingesetzt werden, um
das Material aus den Taschen abzutragen, einschließlich beispielsweise
Hochgeschwindigkeitsschleifen und dergleichen.