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Vorrichtung und Verfahren zum Fräsen der Schaufelkanäle von Turbinenrädern
Die l#.'rfiiidiiii" betrifft eine Vorrichtung und ein Vurfahreu zur \verkstattmäßigen
Herstellung von solcheu Turbinenrädern für Dampf-, Gas- oder Wasserturl)iiien, 1)ei
denen die das Treibmittel umlenkeiiden Schaufeln aus einem Stück mit dem Radkörper
besteheu. Die Beschaufelung wird dabei in der Welse erzeugt, daß miteinemoder
mehrerenFingerfri ' isern ' gekrümmte Kanäle in den Radkranz ge-Schnitten
werden. Die Erfindung betrifft Turbinenräder für in axialerRichtungströmendeTreibmittel,
die Erzen,-euden der Schaufelflächen und auch die Achsen der Fräser stehen somit
annähernd radial zur Achse des Werkstückes.
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Die 1-eOirietrische Form der Schaufelflächen und der dazwisclien
befiudlichen Kanäle ist durch die Str(")muiigs\-erh#il.tiiisse bestimmt, und damit
ist auch die Relativl)ewegung vorgeschrieben, welche Werkzeug und \\`erkstück, also
der Fingerfräser und (las Turbinenrad, gegeneinander vollführen müssen. Hierbei
ist es unwesentlich, ob das Werkstück stillsteht und der Fräser sich bewegt, oder
iiiiil"clzelirt; immer aber muß die Relativbewegung eine zwe fache se n, nämlich
in der Richtung parallel zur TurbineAachse und in der Umfangsrichtutig, damit die
erforderliche krumine Form der Kanahnittelliiiie zustande kommt.
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Es sind Verfahren bekannt, bei welchen diese zweifache Relativbewegungmittelseinermateriellen
]Zolll#tirN-c und einer an dieser sich abwälzenden Kopierrolle erzwungen wird, wobei
entweder das
\Verkstück oder das Werkzeug mit der Rolle und der
andere Teil mit der materiellen Kurve verbunden ist und ein zwangsläufiger Antrieb
die Bewegung lierbeiführt. Eine Feder oder sonst geeignete 1,#raftquelle drückt
die Rolle dauernd gegen die so daß die genaue Einhaltung der Relativbewe,-ung gewährleistet
ist. Bei diesen bekannten Verfahren ist die Bahn des Mittelpunktes der Kopierrolle
deckungsgleich mit der Mittelkurve des zit fräsenden. Schaufelkanals oder doch dieser
Mittelkurve geometrisch ähnlich, wobei sie dann durch ein storchenschnabelartiges
Getriebe verkleinerf oder vergrößert wird.
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Schaufülformen mit sehr spitzen Ein- und Austrittsv,-inkeln, wie sie
bei Druckturbinen häufig verlangt werden, können auf diese Weise nicht gut hergestellt
werden, weil die Rollen an den Ein- und Austrittsstellen wegen der steilen Form
der Kurve zur Selbsthemmung neigen. Auch wenn die Selbstliemmung noch nicht eintritt,
entstehen doch große Kräfte, welche die Rollenlager stark belasten und das Gestell
und die Getriebeteile verformefi, so daß die Arbeit ungenau wird.
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Nach der Erfindung wird dieser Übelstand dadurch beseitigt, daß die
Baihn des Mittelpunktes der Kopierrolle eine flachere Form hat als die Mittelkurve
des zu friis-enden Schaufelkanals, in der Weise, daß die parallel zur Turbinenachse
liegenden Abmessungen ein-en größeren Maßstab haben als die in Umfangsrichtung liegenden
Abniessungen. Durch ein entsprechendes Getriebe ist dafür gesorgt, daß das Werkstück
gegenüber dem Werkzeug in Richtung der Turbinenachse kleinere Wege zurücklegt als
die Kopierrolle gegenüber der Kopierkurve, so daß die Verflachung der Kopierkurve
aufgehoben wird. Wenn die Verflachung dadurch zustande gekommen ist, daß die Wege
des Rolbenmittelpunktes gegenüber der Rollenkurve in Umfangsrichtung kleiner sind
als die entsprechenden Abmessungen der Mittelkurve des zu fräsenden Kanals, dann
muß das Getriebe so angeordnet werden, daß die Wege des Werkstückes gegenüber dem
Werkzeug in der Umfangsrichtung entsprechend größer werden als die Wege des Rollenmittelpunktes
gegen#über der Kopierkurve. Im einen wie im anderen Fall wird erreicht, daß #die
Kopierkurve eine verhältnismäßig flache Baihn aufweist, der die Rolbe ohne übermäßige
Kraftwirkung und ohne die Gefahr der Selbsthemmung folgen kann.
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Abb. i zeigt die Ansicht eines Turbinenkranzes in radialer Richtung
gesehen, bei welchem die Ein-und Austrittswinikel je 28' betragen. Die strichpunktierte
Kurve stellt die Mittellinie des zu f räse#nden Kanals dar und #damit auch
die Bahn, längs welcher der Fräser bewegt werden muß. Die kleinen Kreise i und 2
stellen den Fräser vor und nach einem Durchgang durch den Kanal dar. Bei
3 ist der Fräser in einer Zwischen,stellung während der Arbeit angedeutet.
Der Fräser schneidet nur mit zwei kurzen Schneidkanten an seiner Stirnfläche, welche
nach Abnutzung ohne Verringerung ihrer Arbeitsbreite axial nachgeschliffen werden
können. Der Fräser bewegt sich während der Zerspanung periodisch hin und her aus
Stellung i Über 3 nach 2 und zurück von 2 über 3 nach i. Nach jedem
Durchgang wird. er in Richtung der Fräserachse, also radial zum Turbinenrad, urn
einen kleinen Betrag vorgeschoben, so daß er init den Schneidkanten an der Stirnfläche
im Grunde des Kanals immer tiefer einfräst, bis die gewünschte Kanaltiefe,
d. ;h. radiale Länge der Schaufeln, erreicht ist. Der Fräser führt hierbei
um seine eigene Achse verhÜltnismäßig rasche Umdrehungen aus, so daß nur sehr kleine
Späne anfallen und die Schneiddrücke gering bleiben.
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Wicilitig ist, daß bei Verwendung derartiger Inigerförmiger Stirnfräser
seitliche Drücke so gut wie -ar nicht auftreten. Es genügt deshal,1) schon ein geringer
Druck der Feder8, um zwischen den K'opierrollen io und den Kurveribalinen i i sowie
zwischen den Tragrolleno und dem Spannstück7 einen sicheren Kraftschluß herzustellen.
Dieser Umstand kommt der ganzen Arbeitsweise zugute, da er dazu beiträgt, das Abrollen
der Kopierrollen io auf den Kurvenbahnen ii zu erleichtern und die
Gefähr
der Selbstliemmung weiter zu vermindern, ohne daß die Sicherheit der Führung gefährdet
würde. Derartige Fräser sind an sich bekannt, und zwar in ihrer An #vendung zur
Herstellung von Nuten. Bekannt ist auch hierbei ihre Eigenschaft, (laß sie beim
Nachschleifen, (las lediglich an der Stirnseite geschieht, ihren Durchmesser nicht
ändern und somit stets gleichbleibende Nutenbreite ergeben. Neu ist dagegen ilire
Verwendung zur Herstellung von gekrümmten Schaufelkanälen unter Anwendung einer
Kopiervorrichtung, wozu sie sich wegen des fast gänzlichen Fehtens voll
Seitendrücken
und der scliwachen Spanabnahnie besonders eignen, da sie einen leichten Bau und
ein reibungsloses Arbeiten der Kopiervorrichtung bei (lein häufigen Hinundfiergang
stark begünstigen.
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In Abb.2 ist das NVerkstück und das Werkzeug ;ii Richtun- der Turbinenachse
-esehen dar-estellt. Der Fr:iser4, welclicr in dein Futter5 eingespannt ist, hat
in dein dargestellten Zeitpunkt einen Schaufelkanal bis züi etwa halber Tiefe fertiggestellt.
nie in der Zeichnung unterhalb des Fräsers liegenden Kanäle sind bereits gefräst,
während der oherhalb des Fräsers liegende Teil des Turbinenrades6noch nicht mit
Kanälen versehen ist.
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Die Abb. i und 2 zeigen nur (las Werkzeug und (las Werkstück und den
zur Herstellung der Kanäle erforderlichen Weg beider gegeneinander, der, wie, deutlich
zu sehen ist, für eine unmittelbare Darstellung mittels RollenktirN'e und Rolle
eine viel Zu spitzige, haarnadelfÖrinige Gestalt hat.
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In Abb.3 ist eine vollständige Einrichtung zur Ausführung dieser Relativbewegung
dargestellt. Das zu fräsende Turbinenrad6 ist an dem Aufspannstück7 befestigt, das
durch geeignete Führungen so gehalten ist, (laß es in der Zeichenebene nach jeder
Richtung bewegt werden kann. Eine Feder8 drückt es gegen zwei Rolleng, auf deren
Achsen weitere Rollen io drehbar sind. Die Rollen i o wälzen sich in den beiden
Kurvenbahnen i i ab. i Die Rollenachsen sind miteinander durch einen
Palltuell
12 verbunden, und dieser ist mittets eines 1,ellkers 13 all cillcil
Hebel 14 angeschlossen. Der Ilcl)el 14 sitzt fest auf einer drehbar gelagerten \Velle
1 3, und auf dieser ist wiederum ein Hebel 16 fest#gek-eilt, der inittels
eines Lenkers 17 an das aii-ehängt ist. Eine in der Zeichnun- nicht dar-estellte
Antriebsvorrichtung versetzt die Welle i #s in periodische Schwingbewegun-#'en,
,
(1 --o daß die Hebel 14 und 16 zwischen den beiden St(#lltiii",uti
18 iiiid ig Iiiii. und her sclhwingen. Da d('t- 1 Icbel io kürzer ist als
der Hebel 14 und beide 1 lebul uni denselben Winkel schwingen, vollführt
das All fsPalluStück 7 und mit ihm das Werkstück 6
in Richtiiii-
der Turhinenachse kleinere Bewegun-,`c11 aIS d('U l-,2LIIII1Crl 1 2 und die
Rollen. Die in der l'iiif;iii"#,i-iclittiii" des Turbinenrades liegenden Bede,;
WerkstÜckes und der Rollen dalIelleil silld einander genau gleich. Dementsprechend
die Kopierkurven i i flacher ausgebildet als, die MittelkurN-e des zu fräsenden
Schaufelkanals. i-,ii(1 die Einrichtung arbeitet sicher, ohne (;efahr dur Selbstheinmung
und mit geringen l#I'iftell.
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1)ic .\iioi-(Iiitiii"l, nach Abb. 3 ist nur eine bei-Ausbildun-smii-lichkeit
der erfindungs-#güll]#i13c11 l',iiii-ichtung. ein anderes Beispiel ist in 4 dargestellt,
und diese Ausführungsart eignet sich zur .,Julchzeitigen Arbeit mit mehreren Fräscrn.
11 '(#rhei ist (las Turhinenrad 6 an einem Aufspannkopf 2o hefestigt,
und dieser trägt drei um radiale \chsen drehbare ROlleil 21, welche mit in 1Ziclitiiiilyeii
stehenden Kopierktirven 22 ill stehen. Diese Kopierkurven22 sind init (Icin
in der Zeichnung nicht dargestellten ruhenden Gestell der Einrichtung fest verbunden,
(ICI- l"illlI)atilll,#01)f20 uni die -.Mittelachse iiiid auGierdein in axialer Richtung
veran-cordnet ist. Mit dein Einsl)annkopf2o verhund(-ii ist eiiie l#oll)eiistan(.'C23,
die an ihrem 1111tUr(11 Vildc Clillell Kolhe1124 trägt, der in einem 2,3
\-erschiebbar ist. Durch die 2011re20 Ulld 27 wird abwechselnd Drucköl zuiiii(1
abgeführt, so daß (las Werkstück6 zu einer gezwungen wird.
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dUlu 20 einerseits und an dem des Olzylinders andererseits ist eine
gewundelle l'#ie"Ull(",fe(ICI-20 1)efestl",#t und mit Vorspanmitig iiii 1)re#lisliiii
so eingebaut, daß sie die ROI1C1) 2 7 1 datieriid und mit "eii#i-ender
Kraft an die Kol)lei-kttr\-uii 22 anpreßt. NVährend der Aufunddie dem E'Inspatinkopf2o
durch den Ko11)#Cil -2-4 tlll(l die Stall;ze 23 erteilt #vird, muß
daher das I',anze S\-stem eine Drehschwingung 11111 die Mittelachse ausfÜliren,
und zwar mit der doppulten Schwingungszahl der Aufundabbewegung, \\,(#il die, 1Zollk-iii-N-eii
einen Scheitelpunkt enthalten. 1 )ci- 1 Ialbinesser a, auf
welchem die Rollen und die l#mweii Ilugen, ist kleiner als der Halbmesser r, auf
welchem die 1,r'iser arbeiten. Die Kopierkurven Izi")iiiieii dalier genau in gleicher
Weise wie bei der ,#\nordnung nach Abh. 3 flacher ausgeführt werden,
als die Mittelkurve des zu fräsenden Kanals. Es ist also auch hier ein ru-higes
und sicheres Arbeiten mit geringen Kräften und ohne Gefahr der Selbsthemniung gewährleistet.
Abb. 5 stellt einen zu Abb. 4 gehörigen Grundrißschnitt in der Ebene der
Rollen dar.
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Über die erwähnten Vorteile hinaus hat die Anordnung von drei Rollen
und drei Kopierkurven in drei tangentiafen, sich unter 6o' schneidenden Ebenen noch
die Wirkung, daß die Achse des AufspannkopfeS 20 und damit auch die des Werkstückes
6 ohne Anwendung eines besonderen Lagers vollkommen spielfrei gehalten ist
und trotzdem die erforderlichen Freiheitsgrade zur Drehung und erti -alverschiebung
behält. Für eine saubere Fräsarbeit und zur Vermeidung von Brüchen der verhältnismäßig
schwachen Fräser ist eine spielfre:e und reibungslose Führung des Werkstückes von
großem Vorteil. Diese wird durch die beschriebene und in den Abb. 4 und
5 dargestellte Anordnung mit drei Roflen und drei Kopierkurven in vollkommener
Weise erreicht.