DE69931324T2

DE69931324T2 - Schrittfräsmethode

Info

Publication number: DE69931324T2
Application number: DE69931324T
Authority: DE
Inventors: Donald Dana Bow Lowe
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-10-05
Filing date: 1999-10-01
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2019-10-02
Also published as: US6077002A; SG87836A1; JP4486189B2; IL132011A0; EP0992310A3; EP0992310A2; EP0992310B1; IL132011A; DE69931324D1; JP2000135616A; ATE326304T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinentriebwerke und insbesondere das Fräsen von darin vorgesehenen Blisks (integrale Laufschaufel und Rotorscheibe), wie sie z.B. aus der US 2 633 776 bekannt sind.
Ein Turbofan-Gasturbinentriebwerk weist in serieller Strömungsverbindung ein Gebläse, durch das Umgebungsluft getrieben wird, einen mehrstufigen Verdichter, der dazu dient, einen Teil der Luft unter Druck zu setzen, eine Brennkammer, in der die komprimierte Luft mit Brennstoff vermischt und zur Erzeugung von heißen Verbrennungsgasen gezündet wird, und Hoch- sowie Niederdruckturbinen, die den Verbrennungsgasen Energie zum Antrieb des Verdichters beziehungsweise des Gebläses entziehen. Sowohl das Gebläse als auch der Verdichter beinhalten Schaufelblätter in Form von Laufschaufeln, die sich von einer Rotorscheibe aus radial nach außen erstrecken. Die Schaufeln sind freistehend oder radial nach außen von der Scheibe auskragend ausgebildet, so dass die Zentrifugallasten, die darin während des Betriebs erzeugt werden, innerhalb akzeptabler Beanspruchungsgrenzen durch die Scheibe getragen werden müssen.
Eine typische Laufschaufel wird in der Scheibe durch einen integralen Schwalbenschwanz getragen, der in eine zugehörige Schwalbenschwanznut an dem Umfang der Scheibe eingeschoben wird. Da in einigen Konstruktionen jedoch die Anzahl von um den Umfang der Scheibe herum angeordneten Laufschaufeln zunimmt, steht unzureichend Material um den Umfang der Scheibe herum zur Verfügung, um mehrere Laufschaufeln innerhalb akzeptabler Belastungsgrenzen zu haltern.
Dementsprechend sind Blisks entwickelt und kommerziell eingesetzt worden, und sie sind durch das Fehlen unabhängiger Schwalbenschwänze gekennzeichnet, wobei die Laufschaufeln stattdessen mit der Rotorscheibe integral zu einer einstückigen, eine Einheit bildenden Anordnung verbunden sind. Auf diese Weise können Gebläse- oder Verdichterblisks in einem Triebwerk eingesetzt werden, um bei gleichzeitiger Reduzierung der Zentrifugalbelastungen in der Tragscheibe dessen aerodynamischen Wirkungsgrad zu erhöhen.
Die Herstellung einer Blisk jedoch ist wesentlich komplexer als die Herstellung von individuellen Laufschaufeln und diskreten Rotorscheiben, wobei Herstellungsfehler in diesen ein wesentlich höheres Risiko bergen. Selbst wenn nur eine einzelne der mehreren hergestellten Laufschaufeln außerhalb der zulässigen Herstellungstoleranz liegt, ist die gesamte Blisk fehlerhaft und muss bei erheblichem finanziellem Aufwand verschrottet werden. Entsprechend erfordert die Herstellung einer einzigen Blisk eine große Sorgfalt und Aufmerksamkeit in Hinblick auf Herstellungstoleranzen, was die Herstellungszeit zur Herstellung der Blisk und dementsprechend ihre Kosten erhöht.
Ein herkömmliches Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Blisk enthält zum Beispiel ein mehrschrittiges punktweises maschinelles Bearbeiten oder abwechselndes Fräsen einzelner Schaufeln in dieser. Da die einzelnen Schaufeln Schaufelblätter aufweisen, die speziell für ihre Gebläse- oder Verdichterfunktionen konfiguriert sind, winden sich die Laufschaufeln typischerweise von ihren Füßen bis zu den Spitzen um eine radiale Achse, haben eine variierende Verjüngung und weisen im Wesentlichen konkave Drucksei ten mit entsprechenden gegenüberliegenden im Wesentlichen konvexen Saugseiten auf. Die komplexe dreidimensionale Gestalt der einzelnen Laufschaufeln wird mit einem passenden Fräser oder Fräswerkzeug in Form eines Kugelkopffräsers bzw. Kugelstirnfräsers präzise punktweise gefräst. Dieser Fräser enthält einen halbkugelförmigen Fräskopf, der an einem zylindrischen Schaft befestigt ist, der den Fräser rotiert, um in mehreren Durchgängen von dem Rohling Material in Nuten abzutragen.
Der Punktfräsprozess enthält gewöhnlich einen ersten Schritt eines groben Fräsens einzelner Taschen in Axialrichtung quer durch den Umfang des Rohlings zwischen seinen gegenüberliegenden axialen Stirnseiten in aufeinander folgenden Schritten oder Ebenen, bis die Tasche eine im Wesentlichen vollständige Tiefe erreicht. Der Rohling wird eingestellt, um das grobe Fräsen mehrerer Taschen um den Umfang des Rohlings herum zu wiederholen, wobei das dazwischen verbleibende Material der Rohlinge freistehende, sich radial nach außen erstreckenden Kragarme bildet, die sich grob der dreidimensionalen Form der einzelnen Schaufelblätter mit einem passenden Überschuss an Material um diese herum annähern. Für dieses grobe Fräsen wird ein relativ großer Kugelkopffräser eingesetzt, der in jedem Arbeitsgang im Wesentlichen über seinen vollen Radius in den Rohling eingetaucht bzw. eingestochen wird, um den Materialabtrag zu maximieren.
Ein zweiter Schritt in dem Prozess verwendet eine kleinere Kugelstirnfräse, um die Plattform an dem Boden jeder Tasche halbfertig zu bearbeiten und um passend kleine Radien an den freistehenden groben Schaufelblättern zu schaffen.
Ein dritter Schritt verwendet einen noch weiteren Kugelstirnfräser mit dem anfänglich großen Durchmesser, um im Wechsel die Druck- und Saugseiten der einzelnen groben Schaufelblätter halbfertig zu bearbeiten. Der Stirnfräser kreist gewöhnlich um jedes grobe Schaufelblatt in mehreren Frässchritten von der äußeren Spitze zu dem inneren Fuß in der Nähe der Plattform und verwendet geeignet kleinere Toleranzen, um ein halbfertig bearbeitetes Schaufelblatt herzustellen, das immer noch Überschussmaterial aufweist.
Ein vierter Schritt verwendet einen noch weiteren kleinen Kugelstirnfräser, um die einzelnen Plattformen an dem Boden der Taschen auf die Endmaße mit passend kleinen Toleranzen zu schlichten.
Und der letzte Schritt in der Fertigung der Laufschaufeln mit Schaufelblättern verwendet einen noch weiteren großen Kugelstirnfräser, um die einzelnen Schaufelblätter im Wechsel zu schlichten, indem dieser erneut die einzelnen Schaufelblätter von der Spitze bis zum Fuß in mehreren Schritten oder Gängen mit geeignet kleinen Toleranzen umrundet, um die präzisen Abmessungen der erforderlichen Schaufelblätter zu erzielen.
In einem weiteren herkömmlichen Fertigungsprozess können die einzelnen Schaufelblätter, wie in dem obigen Prozess, grob oder halbfertig gefräst werden, wobei ihre Endbearbeitung unter Verwendung einer elektrochemischen Bearbeitung (ECM, electrochemical machining) bewerkstelligt wird. Eine ECM-Bearbeitung ist genau und relativ schnell, erfordert jedoch eine teure Apparatur, die entsprechend die Herstellungskosten erhöht.
Nichtsdestoweniger müssen bei beiden Verfahren die einzelnen Schaufelblätter jedoch mit einem Kugelstirnfräser halbfertig gefräst werden, wodurch notwendigerweise eine Anpresskraft auf die Schaufelblätter ausgeübt wird. Da die Schaufelblätter frei vorstehen oder radial auskragen, biegen sie sich elastisch unter der Krafteinwirkung des Fräsers, was einer Anpassung in dem Fräsprozess bedarf um zu verhindern, dass zu viel Material abgetragen wird, was die Blisk fehlerhaft machen würde. Eine Flexibilität des Schaufelblatts wird durch den Abtrag von relativ wenig Material in jedem Gang berücksichtigt, um die elastische Durchbiegung der Schaufelblätter auf Kosten einer beträchtlichen Erhöhung der Fräszeit zu minimieren. Da das Kugelstirnfräsen eine Reihe von Nuten entlang der Oberfläche des Schaufelblatts fräst, hinterlässt es dazwischen liegende Spitzen bzw. Zacken, die in ihrer Höhe zur Erreichung einer akzeptabel glatten Endoberflächenkontur der Druck- und Saugseiten der einzelnen Schaufelblätter minimiert werden müssen.
Darüber hinaus werden die einzelnen Blisk-Schaufelblätter einzeln gefräst, und deshalb kommen statistisch weitere Fertigungsabweichungen von Schaufel zu Schaufel vor. Da die resultierende Blisk eine Rotorkomponente darstellt, die mit einer beachtlichen Drehgeschwindigkeit betrieben wird, muss sie während des Betriebs passend dynamisch ausgewuchtet sein. Die Auswuchtung wird gewöhnlich durch einen ringförmigen Ausgleichssteg in der Nähe der Nabe der Scheibe erzielt, von dem Material präzise abgespant werden kann, um die gesamte Blisk auszuwuchten.
Die an dem Steg bewerkstelligte Auswuchtkorrektur hat jedoch eine Grenze, die manchmal im Falle einer zu hohen Abweichung der Endmaße der mehreren Blisk-Schaufelblätter unzureichend sein kann. Um solch eine Blisk auszuwuchten, kann es erforderlich sein, einzelne Schaufelblätter zusätzlich zu fräsen, vorausgesetzt dass auf ihnen genügend Material verbleibt, um den anfänglich unausgewuchteten Zustand der Blisk zu reduzieren.
Demgemäß ist es wünschenswert, einen verbesserten Prozess zum Fräsen von Gasturbinentriebwerksblisks mit verbesserter Effizienz und Genauigkeit zu schaffen.
Gemäß der Erfindung wird ein Monoblock- bzw. Bliskrohling gemäß Anspruch 1 gefräst. Da die Seitenwand in Schritten gebildet wird, wird hierfür eine verbesserte Effizienz und Genauigkeit erhalten.
Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels mit Hilfe von Zeichnungen detaillierter beschrieben, wobei:
1 zeigt eine schematische Darstellung einer mehrachsigen Fräsmaschine zum Punktfräsen mehrerer in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordneter Taschen in dem Umfang eines anfänglich festen Rohlings, um eine Rotorblisk eines Gasturbinentriebwerks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu bilden.
2 zeigt eine teilweise im Querschnitt dargestellte Draufsicht auf einen Teil des Umfangs des in 1 dargestellten Rohlings unter Veranschaulichung eines Kugelstirnfräsers, wie er anfänglich eine der Taschen in dem Rohling ausbildet.
3 zeigt eine vergrößerte Stirnansicht des in 2 veranschaulichten Fräsers, wie er mehrere Nuten durch den Umfang des Rohlings fräst, um darin eine der Taschen auszubilden, aufgenommen entlang der Linie 3–3.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens des Schrittfräsens der in den 1–3 dargestellten Blisk gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1 ist in schematisierter Weise ein Werkstück oder ein Rohling 10 in der beispielhaften Form einer festen kreisringförmigen Scheibe dargestellt, die eine ringförmige zentrale Nabe 12 oder einen inneren Teil der Scheibe aufweist, von der bzw. dem aus sich integral eine rohrförmige Welle 14 in einer einheitlichen oder einstückigen Anordnung erstreckt. Der Rohling 10 weist eine herkömmliche Form auf, die speziell für das Fräsen einer entsprechenden Gebläse- oder Verdichterblisk 16 eines Gasturbinentriebwerks gestaltet ist, die mehrere voneinander in Umfangsrichtung beabstandete Laufschaufeln 18 aufweist, die sich radial nach außen von der Nabe 12 erstrecken, die die fertig bearbeitete Rotorscheibe bildet, die an ihr integral die mehreren Laufschaufeln 18 trägt.
Jede Laufschaufel 18 weist einen herkömmlichen Aufbau, einschließlich einer im Wesentlichen konkaven Druckseite und einer im Wesentlichen konvexen Saugseite auf, die sich vom Fuß bis zur Spitze und zwischen entsprechenden Vorder- und Hinterkanten erstrecken. Jede Laufschaufel weist eine geeignete Schaufelblattkonfiguration auf, die sich typischerweise um eine zugehörige radiale Achse windet, die sich vom Fuß bis zur Spitze des Schaufelblatts durch dieses erstreckt, mit einer variierenden Verjüngung oder Änderung der dazwischen liegenden Sehnenlänge. Die Wölbung jeder Laufschaufel variiert gewöhnlich auch von dem Fuß bis zu der Spitze, so dass das sich ergebende Schaufelblatt eine relativ komplexe 3-D-Kontur hat, die an ihren Druck- und Saugseiten eine Endbearbeitung einer passend glatten Oberfläche zur Maximierung der aerodynamischen Leistungsfähigkeit bedarf.
Der Rohling 10 wird gefräst oder maschinell in einer herkömmlichen Mehrachsenfräsmaschine 20 bearbeitet, die gezielt gestaltet ist, um ein Schneid- bzw. Fräswerkzeug in der bevorzugten Form eines herkömmlichen Kugelstirnfräsers bzw. Kugelkopffräsers 22 für ein Punktfräsen des Rohlings 10 zu drehen. Der Rohling wird in der Maschine 20 relativ zu dem Fräser 22 typischerweise mit fünf Freiheitsgraden oder Bewegungsachsen befestigt, um komplexen 3-D-Fräspfaden durch den Rohling 10 zu folgen, was in mehreren Schritten oder Ebenen radial innen in Bezug auf den Umfang des Rohlings 10 bis hinunter zu der Nabe 12 bewerkstelligt wird, um eine resultierende radial innere Plattform 24 zwischen jeder der Laufschaufeln 18 auszubilden.
Die Fräsmaschine 20, der Kugelstirnfräser 22 und der Rohling 10 weisen alle einen herkömmlichen Aufbau und eine herkömmliche Betriebsweise auf. Wie in dem Hintergrundabschnitt erläutert, wurde die Fräsmaschine 20 früher über viele Jahre hinweg zur kommerziellen Herstellung von Blisks in mehreren Prozessschritten zur groben Bearbeitung einzelner Laufschaufeln, halbfertigen Bearbeitung der einzelnen Laufschaufeln und Plattformen und zur End- oder Feinbearbeitung der einzelnen Laufschaufeln in einem relativ kom plizierten, langwierigen und kostspieligen Fräsprozess verwendet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die gleiche herkömmliche Mehrachsenfräsmaschine 20 in einem neuen und verbesserten Prozess zum Fräsen des gleichen Typs eines Rohlings 10 mit einer wesentlich verbesserten Effizienz und Genauigkeit sowie bei reduzierter Zeitdauer und reduzierten Kosten benutzt werden. Der Schrittfräsprozess gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zunehmend detaillierter in den 2 und 3 veranschaulicht und ist allgemein durch das Flussdiagramm veranschaulicht, das in 4 dargestellt ist.
Indem zu Beginn auf 2 Bezug genommen wird, wird der Fräsprozess durch das Fräsen einer länglichen Nut 26, die einen bogenförmigen Grund hat, eingeleitet, um teilweise eine Seitenwand 28 freizulegen, die an dem Umfang des Rohlings beginnt, indem der Rotationsfräser 22 quer über den Rohling geführt wird. Die so freigelegte Seitenwand 28 wird dann durch die Führung des Fräsers 22 quer über den Rohling und entlang der zuvor gefrästen Nut 26 gefräst. Danach wird durch abwechselndes Wiederholen des Nut- und Seitenwandfräsens die Nut schrittweise radial tiefer in den Rohling gefräst, und sie bildet eine entsprechende Tasche 30 entlang derer sich die Seitenwand 28 erstreckt.
Das untere Ende des Kugelstirnfräsers 22 ist in größeren Einzelheiten insbesondere in 3 dargestellt. Wie oben angedeutet, weist der Kugelstirnfräser eine halbkugelförmige Gestalt mit einem Außendurchmesser 2R und einem Radius R auf. Ein zylindrischer Schaft, der nicht länger als der äußere Durchmesser des Schneidendes des Fräsers ist, ist betriebsmäßig in der Fräsmaschine zur Drehung und Führung entlang eines beliebigen gewünschten Fräspfades montiert, wie er in der digital programmierbaren Steuerung der Maschine geeignet einprogrammiert ist. Das gesamte halbkugelförmige Kugelende des Fräsers 22 trägt daran passende Schneidezähne, die schematisch dargestellt sind, und enthält insbesondere einen konvexen unteren Teil 32, der sich diametral zu einem Umfang oder einer Seite 34 des Fräsers 22 erstreckt, die ebenfalls in der Lage ist zu fräsen.
Im Betrieb rotiert der Fräser 22, um die Nut 26 vorzugsweise lediglich mit der Fräserunterseite 32 zu fräsen. Die Taschenseitenwand 28 wird unabhängig davon gefräst, indem lediglich die Fräserseite 34 an ihrer Berührungsstelle verwendet wird.
Wie anfänglich in 2 veranschaulicht, ist die Fräsmaschine geeignet programmiert, um den Rotationsfräser 22 in mehreren abwechselnden Durchgängen, die im Wesentlichen in Axialrichtung angeordnet sind, zu führen, um entsprechende mehrere Nuten 26 zu fräsen, die an Grundspitzen 36 aneinander angrenzen, die ein gemeinsames Niveau haben, um die Tasche 30 zwischen einem Paar einander gegenüberliegender oder in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter Seitenwände 28 zu verbreitern. Nachdem die Nuten 26 gleichen Niveaus bzw. gleicher Ebene gefräst sind, werden die beiden Seitenwände 28 anschließend abwechselnd mit entsprechenden Seiten 34 der Fräse 22 gefräst.
Auf diese Weise wird die Fräserunterseite 32 zum Fräsen der mehreren Nuten 26 auf eine passende Grobtoleranz von plus minus einiger Millizoll und mit einem relativ zur geforderten Endbearbeitungsseite der jeweiligen Laufschau fel 18 geeigneten Überschussseitenmaterial verwendet. Die Taschenseitenwand 28 kann dann mit der Fräserseite 34 auf eine passende Endtoleranz feingefräst bzw. geschlichtet werden, die wesentlich geringer ist als die Grobtoleranz und bspw. bis zu 0,8 Millizoll (0,02 mm) beträgt.
Obwohl der gleiche Fräser 22 in einem ersten Arbeitsgang benutzt werden kann, um eine einzige Nut 26 zu fräsen und dann erneut über die Nut geführt werden kann, um die Fräserseite 34 zum Endbearbeiten der Seitenwand 28 zu verwenden, wird es bevorzugt, die mehreren Nuten 26 zu fräsen, um zuerst die Tasche 30 in mehreren groben radialen Bearbeitungsebenen oder -schritten zu verbreitern, gefolgt wiederum von der Endbearbeitung der beiden Seitenwände 28 unter Verwendung des gleichen Fräsers 22, und dann abwechselnd das Nut- und Seitenwandfräsen zu wiederholen, um die Tasche 30 in dem Umfang des Rohlings auf ihre endgültige und volle Tiefe zu vertiefen.
Diese bevorzugte Ausführungsform ist in größeren Einzelheiten in 3 dargestellt, wobei drei in Umfangsrichtung nebeneinander liegende Nuten 26 zunächst in Axialrichtung quer durch den Umfang des Rohlings 10 gebildet werden, um die Erzeugung einer einzigen Tasche 30 einzuleiten. Der Fräser 22 wird quer über den Umfang des Rohlings in drei beispielhaften Durchgängen geführt, wie in 2 veranschaulicht, um abwechselnd eine zentrale Nut, eine linke Nut und eine rechte Nut zu bilden.
Der Fräser 22 kann einen beispielhaften Außendurchmesser 2R von ca. 500 Millizoll (12,7 mm) haben, wobei der Fräser derart positioniert ist, dass lediglich die Fräserunterseite 32 benutzt wird, um die Nuten 26 auszubilden.
Auf diese Weise wird die radiale Schnitttiefe des Fräsers gewählt, um in jedem Gang eine Nut 26 zu fräsen, deren Tiefe wesentlich kürzer ist als der Radius R des Fräsers. Z.B. kann die radiale Schnitttiefe des Fräsers ca. 50 Millizoll (1,27 mm) betragen, wodurch lediglich ein Fünftel des verfügbaren Schnittradius des Fräsers verwendet wird.
Der Fräser wird dann wiederholt quer durch den Rohling in mehreren Quergängen und mehreren radialen Schritten oder Ebenen geführt, wobei die ersten sieben Ebenen 1–7 in 3 teilweise mit einer Strichlinie veranschaulicht sind. Die sieben Radialebenen haben jeweils eine radiale Tiefe von ungefähr einem Fünftel der Schnitttiefe des Fräsers 22, was ausreicht, um anfänglich den radial äußersten Teil der einsetzenden Seitenwände 28 zu bilden.
Nachdem die siebte Ebene gefräst ist, wird die Fräserunterseite 32 schrittweise radial nach außen von einer zugehörigen der neben der Seitenwand 28 liegenden Nuten 26 aus zurückgeführt, bevor diese Seitenwand gefräst wird. Auf diese Weise wird eine endliche Lücke zwischen der Fräserunterseite 32 und der darunter liegenden zuvor gefrästen Nut 26 geschaffen. Der gleiche oder gemeinsame Fräser 22 kann dann entlang des Pfads der darunter gelegenen Nut 26 in der Nähe einer der Seitenwände 28 zum Fertigfräsen dieser Seitenwand auf eine passende Seitentiefe geführt werden, um eine geeignete fertig bearbeitete bzw. geschlichtete Oberfläche der Laufschaufel 18 zu erzielen. Danach wird die andere Seitenwand 28 in ähnlicher Weise auf das Fertigmaß seitengefräst.
Der gleiche Fräser wird dann abwechselnd benutzt, um das Schrittfräsen nach unten hin zum Fräsen der Nut 26 mit der Fräserunterseite 32 fortzusetzen und anschließend die Seitenwände 28 der Fräserseite 34 zu fräsen. Wie in der 3 veranschaulicht, ist der Fräser 22 gegenüber der Radialachse leicht geneigt, um seine Seite 34 für das Seitenfräsen einer der Seitenwände 28 zu benutzen, und wird dann wieder mit einer entgegen gesetzten Neigung in der Nähe der gegenüber liegenden Seitenwand 28 für das Seitenfräsen dieser Seitenwand positioniert.
Auf diese Weise können die einzelnen Taschen 30 schrittweise in kleinen Tiefenzuwächsen gefräst werden, die jeder der anfänglichen Ebenen 1–7 und so vielen zusätzlichen Ebenen, d.h. einer Ebene 8 und folgenden Ebenen, entsprechen, wie sie notwendig sind, um die endgültige Tiefe der Tasche an der Plattform zu erreichen. Ein derartiges Teiltiefenfräsen ermöglicht sehr hohe Rotationsgeschwindigkeiten des Fräsers 22 und entsprechend hohe Vorschubraten, die wesentlich höher sind als jene, die beim konventionellen Fräsen möglich sind, bei dem ein Kugelstirnfräser typischerweise radial bis zu einer Schnitttiefe seines vollen Radius eingestochen wird, um den Materialabtrag entlang aller verfügbaren Schneidflächen des Fräsers zu maximieren.
Gemäß der Erfindung wird, wenn jede neue Ebene des Materials abgetragen wird, eine kleine Menge überschüssigen Seitenmaterials 38 an jeder Seite der entsprechenden Laufschaufel 18, die gerade bildet wird, gelassen. Die Seitenbearbeitung der Seitenwände 28 ist vorzugsweise eine End- oder Feinfräsung, die vorzugsweise gerade über der vorherigen groben Nutebene durchgeführt wird. Dies erlaubt eine Endfräsung an der Seite des Stirnfräsers, an dem Berührungspunkt der Kugel, indem ein Teil des Stirnfräsers lediglich für das Endbearbeiten bzw. Schlichten reserviert ist, während die Unterseite des Stirnfräsers lediglich für die grobe Bearbeitung reserviert ist.
Dieser Prozess des schrittweisen Hinunterschreitens in der Tasche 30 bei gleichzeitigem Aufrauhen und Schlichten des Bodens der Tasche 30 und der Seitenwände 28 hat eine genauere Schaufelblattform zur Folge, da die gebildete Laufschaufel 18 stets durch festes Material gestützt ist, das unmittelbar unter dem Bereich angeordnet ist, in dem das Endfräsen der Seitenwand vorgenommen wird. Dieser Schrittprozess wird durch Grobbearbeitung der Taschentiefe in Inkrementen und durch abwechselnde Endbearbeitung der Taschenseitenwände 28 fortgesetzt, bis die gesamte Tasche bis zu der Plattform fertig ist. Die sich ergebende Tasche 30 wird eine konvexe Saugseite einer Laufschaufel 18 und eine konkave Druckseite einer daneben liegenden Laufschaufel aufweisen, die beide auf Fertigtoleranz gefertigt sind. Der Rohling wird dann für die nächste Tasche eingestellt, und der Prozess wird vorzugsweise mit einem neuen Stirnfräser 22 wiederholt, um einen übermäßigen Verschleiß des bereits verwendeten Fräsers zu vermeiden.
In der bevorzugten Ausführungsform, die in 3 dargestellt ist, wird jede der Seitenwände 28 in mehreren Unterschritten oder Unterebenen gefräst, die im Abstand radial über der Ebene der zuletzt gefrästen Nut 26 liegen. So kann z.B. der Fräser 22 von der Ebene 7 auf die Ebene 5 erhöht und dann entlang des Pfads der darunter liegenden Nut 26 geführt werden, um den radial äußersten Abschnitt der Seitenwand 28 z.B. auf ihre Fertigmaße zu bearbeiten. Der Fräser 22 kann dann um einen Bruchteil der vollen Grobfräsebene gesenkt werden und erneut entlang der entsprechenden Nut 26 geführt werden, um einen weiteren radial innen gelegenen Abschnitt der Seitenwand 28 zu bearbeiten.
In der in 3 dargestellten beispielhaften Ausführungsform wird der Fräser 22 in vier Unterebenen, die mit 5, 5a, 5b und 6 gekennzeichnet sind, für die Seitenfräsung der Seitenwand 28 auf ihre Endmaße bis zur vorletzten Nut auf der Ebene 6 geführt, um einen Abstand zwischen dem Stirnfräser 22 und der zuletzt gefrästen Nut 26 auf der Ebene 7 aufrechtzuerhalten. Da die Fräserseite 34 ebenfalls gekrümmt ist, werden bei jedem Seitenfräsgang auch kleine Seitenspitzen entlang der Seitenwand 28 geformt. Durch die Verwendung mehrerer Unterebenendurchgänge werden die resultierenden Seitenspitzen im Wesentlichen entfernt, was eine im Wesentlichen glatte Seitenwand 28 für die fertige Laufschaufel 18 zur Folge hat.
Wie in 1 dargestellt, wird der Schrittfräsprozess anfänglich für das Schrittfräsen einer vollständigen ersten Tasche 30 der vollen Tiefe in dem Umfang des Rohlings 10 verwendet, wobei der Rohling anschließend in Umfangsrichtung für die nächst benachbarte zweite Tasche eingestellt wird, die dann in einer identischen Weise schrittweise gefräst wird, um eine Laufschaufel mit freistehendem Schaufelblatt in Form eines Kragarms zu fräsen, der sich von der Nabe 12 des Rohlings aus radial nach außen erstreckt.
In der bevorzugten Ausführungsform wird ein erster Kugelstirnfräser 22 benutzt, um die gesamte erste Tasche 30 schrittweise zu fräsen, bis ihre beiden Seitenwände 28 endbearbeitet bzw. geschlichtet sind. Dann wird ein anderer zweiter Kugelstirnfräser 22 mit einem identischem Aufbau zum Schrittfräsen einer zweiten Tasche 30 benutzt, um vollständig ihre beiden Seitenwände 28 zu beenden.
Entsprechend wird man vorzugsweise mehrere unterschiedliche Kugelstirnfräser identischer Gestalt zum abwechselnden Schrittfräsen von entsprechend mehreren Taschen 30 verwenden, um mehrere Blisk-Laufschaufeln 18 mit Schaufelblättern herzustellen, wobei jede in Form eines freistehenden Kragarms mit variierender Verwindung und Verjüngung von ihrem Fuß bis zu ihrer Spitze ausgebildet ist, um die resultierende Blisk 16 zu bilden, wie sie in 1 veranschaulicht ist.
Da der Fräser 22 sich während des Fräsens notwendigerweise abnutzt, ist es wünschenswert, den gleichen Fräser sowohl für die Grobfräsung als auch für die Endfräsung in jeder Tasche, wenn möglich, ohne einen Wechsel zu benutzen, um die Bildung von diskontinuierlichen Spitzen zu verhindern, die ansonsten bei einem Austausch eines neuen Fräsers für einen verbrachten Fräser in einer Halbtasche auftreten würden. Der einzelne, derselbe Fräser 22 verwendet seine unterschiedlichen Abschnitte, um die aufeinander folgenden Nuten 26 und die entstehenden Seitenwände 28 gesondert voneinander zu bearbeiten, um die Fräseffizienz zu steigern. Die Fräserunterseite 32 verwendet lediglich einen kleinen Teil des gesamten Fräsers für die Grobbearbeitung der entsprechenden Nuten 26, wobei die Fräserseiten 34 zur davon unabhängigen Seitenfräsung der Seitenwände 28 benutzt werden.
In beiden Fällen werden lediglich jeweilige Teile oder Abschnitte des Fräsers 22 benutzt, was es deshalb möglich macht, den Fräser mit einer wesentlich höheren Rotationsge schwindigkeit als bei herkömmlichen Volltiefenkugelstirnfräsern und auch mit einer wesentlich höheren Vorschubrate zu betreiben. Da im Vergleich zu dem Volltiefenfräsen im konventionellen Prozess weniger Material in jedem Fräsdurchgang abgetragen wird, erzeugt der Fräser weniger Fräsbelastungen und verbessert die Werkzeugstandzeit.
Da die Endseitenfräsung der Seitenwände 28 nach dem Grobfräsen einer entsprechenden darunter liegenden Nut 26 in einer abwechselnden Weise bewerkstelligt wird, ist die Seitenwand 28 darüber hinaus starr gehaltert, wobei in Umfangsrichtung, wenn überhaupt, nur wenig Flexibilität, wie sie in dem freistehenden herkömmlichen Prozess vorkommt, vorhanden ist. Demzufolge können die fertig gefrästen Laufschaufeln 18 mit geeignet kleineren Fertigungstoleranzen und mit genaueren nominalen Maßen sowie mit höherer Genauigkeit von Schaufel zu Schaufel hergestellt werden. Dies eliminiert effektiv das Problem der Fertigungsschwankungen zwischen einzelnen Laufschaufeln, wie sie in herkömmlichen Prozessen vorkommen und die zu einer unakzeptablen Unwucht in der bearbeiteten Blisk führen können.
Da es wünschenswert ist, relativ kleine Übergangsradien zwischen den Füßen der verschiedenen Laufschaufeln 18 und den entsprechenden Plattformen 24 zu haben, kann eine nachfolgende Fräsoperation zur Endbearbeitung der einzelnen Plattformen 24 in konventioneller Weise durch Verwendung einer Kugelstirnfräse mit kleinerem Radius bewerkstelligt werden.
Entsprechend wird ein einziger Typ eines Kugelstirnfräsers 22 sowohl für die Grobfertigung der Nuten 26 in den Taschen 30 als auch für die Endbearbeitung der Seitenwände 28 zur Bildung der entsprechenden fertig bearbeiteten Laufschaufeln 18 verwendet. Ein einzelner Kugelstirnfräser 22 kann deshalb zur vollständigen Herstellung einer einzelnen Tasche 30 benutzt werden, während der herkömmliche Prozess drei Kugelstirnfräser benötigte, um die Taschen, die die entsprechenden Laufschaufeln definieren, getrennt grob, halbfertig und fertig zu bearbeiten.
Zusätzlich zu der Anforderung nach wenigen Kugelstirnfräswechseln von Tasche zu Tasche ist die gesamte Anzahl der für die vollständige maschinelle Bearbeitung der gesamten Blisk benötigten Kugelstirnfräser ungefähr halb so groß wie die gesamte Anzahl von Kugelstirnfräsern, die im herkömmlichen Prozess eingesetzt werden. Ferner wird gemäß der Erfindung eine deutliche Reduzierung der Anzahl einzelner Fräsungen oder Durchgänge erzielt.
Darüber hinaus haben die gemeinsamen Vorteile der Verwendung eines einzelnen Stirnfräsers sowohl für die Grobbearbeitung als auch das Schlichten jeder Tasche 30 eine wesentliche Reduzierung der gesamten Zeitdauer zur Herstellung der vollständigen Blisk 16, grob gesagt eine 50%-ige Reduzierung der Gesamtzeit, zur Folge.
Demzufolge weist die fertige Blisk 16, die gemäß der vorliegenden Erfindung schrittweise gefräst wird, mehrere Schaufeln 16, die sich von der gemeinsamen Nabe 12 aus radial nach außen erstrecken, mit einer im Vergleich zu einer herkömmlichen punktweise gefrästen Blisk verbesserten Genauigkeit und Oberflächenfeinbearbeitung auf. Die 3-D-Kontur der einzelnen Schaufeln ist präziser von Schaufel zu Schaufel und weist eine merklich andere und wesentlich glattere Oberflächenkontur auf, die bei einer wesentlichen Reduzierung der Anzahl von Fräsgängen erzielt wird. Die verbesserte Blisk 16 selbst weist deshalb gegenüber der herkömmlich punktgefrästen Blisk aeorodynamische und strukturelle Vorteile auf.
Der Schrittfräsprozess verkürzt wesentlich die Bearbeitungszeit, weil weniger Fräsungen erforderlich sind, um die Blisk grob und fein zu bearbeiten, und solche Fräsungen können aufgrund der seichten Tiefe jeder Fräsung mit einer wesentlich höheren Vorschubrate und Rotationsgeschwindigkeit durchgeführt werden. Dies wiederum reduziert die Schnittkräfte, so dass Verschleiß und Abnutzung an dem Kugelstirnfräser wie auch an der der Fräsmaschine 20 selbst verringert werden. Der Schrittfräsprozess zielt nun darauf ab, eine genau dimensionierte Tasche 30 zu fräsen, anstatt um einzelne Schaufeln herum zu fräsen, was zu einem genaueren Luftstrompfad durch die Tasche und zwischen den einander benachbarten Schaufeln führt.
Während hierin die als bevorzugt und exemplarisch anzusehenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, sollten andere Modifikationen der Erfindung für Fachleute, die in der hier angegebenen Lehre fachkundig sind, offensichtlich sein. Es können auch andere Formen von Stirn- bzw. Schaftfräsern verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Fräsen eines Monoblock-Rohlings (10) mit einem Rotationsfräser, mit den Schritten: Fräsen einer Nut (26) mit einem Boden, um teilweise eine Seitenwand (28) in dem Rohling freizulegen, indem der Rotationsfräser (22) quer über den Rohling geführt wird; dann Schlichten der Seitenwand (28) durch Führen des Fräsers (22) entlang der Nut (26); und abwechselndes Wiederholen des Nut- und Seitenwand-Fräsens, um schrittweise die Nut (26) tiefer in den Rohling (10) zu fräsen und eine Tasche (30) auszubilden, entlang derer sich die Seitenwand (28) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit den Schritten: Schneiden der Nut (26) mit einer Unterseite (32) des Rotationsfräsers (22); und Fräsen der Seitenwand (28) mit einer Seite (34) des Rotationsfräsers (22).
Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit den Schritten: schrittweises Zurückführen der Fräserunterseite (32) aus der Nut (26) vor dem Schneiden der Seitenwand (28); und Verwenden eines gemeinsamen Fräsers (22) zum abwechselnden Fräsen der Nut (26) mit der Fräserunterseite (32) und der Seitenwand (28) mit der Fräserseite (34).
Verfahren nach Anspruch 3, ferner mit den Schritten: Fräsen mehrerer Nuten (26), die aneinander auf einer gemeinsamen Ebene angrenzen, um die Tasche (30) zwischen einem Paar von Seitenwänden (28) zu verbreitern; und wiederum abwechselndes Fräsen beider Seitenwände (28) mit der Fräserseite (34).
Verfahren nach Anspruch 3, ferner mit dem Schritt: Fräsen der Seitenwand (28) in mehreren über der Nut (26) beabstandeten Unterschritten.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner mit den Schritten: schrittweises Fräsen einer ersten Tasche (30) in dem Rohling; und schrittweises Fräsen einer von der ersten Tasche (30) beabstandeten zweiten Tasche (30) in dem Rohling (10), um einen sich aus dem Rohling (10) heraus erstreckenden Kragarm (18) zu fräsen.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit den Schritten: Verwenden eines ersten Fräsers (22), um schrittweise die erste Tasche (30) zu fräsen; und Verwenden eines anderen zweiten Fräsers (22), um schrittweise die zweite Tasche (30) zu fräsen.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit dem Schritt: Verwenden mehrerer unterschiedlicher Fräser (22), um schrittweise mehrere Taschen (30) zu fräsen, um mehrere Kragarme (18) in der Form von Schaufelblättern mit variierender Verwindung und Verjüngung von ihrem Boden bis zur Spitze zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei: die Nutfräsung eine grobe Toleranz aufweist; und die Seitenwandfräsung eine geringere Endtoleranz als die grobe Toleranz aufweist.