-
Verfahren zur Herstellung von Laufrädern für Gasturbinen. Zur Herstellung
von mit Schaufeln versehenen Laafrädern für Gasturbinen müssen Legierungen verwendet
werden, die in heißem Zustande eine gute Festigkeit besitzen, und derartige Werkstoffe
sind sowohl beim Schmieden als auch mit Werkzeugmaschinen schwer zu bearbeiten.
Üblicherweise werden die Schaufeln auf dem Wege des Präzionsgusses hergestellt.
Besonders bei kleinen . Größen ist es wünschenswert, die Schaufeln und den Körper
des Laufrades einstückig auszubilden. Dies erforderte aber bisher-ein Herausarbeiten
aus einem vollen Werkstück, was ein sehr langwieriger und kostspieliger Vorgang
ist. Ein Einstück aus Laufrad und Schaufeln stellt einen Körper dar, der für die
Massenfabrikation durch Präzisionsguß zu kompliziert ist, während das Schmieden
bisher als unpraktisch erschien. Geschmiedet wurden höchstfalls flache Turbinenräder,
in die einzeln gefertigte Schaufeln eingesetzt wurden. Darüber 'hinaus ist es bekannt,
Gegenstände mit schwieriger Randform, dde weit vom Zentrum entfernt ist, beim Schlagen
ins Gesenk unter radialer Werkstoffverdrängung nach außen, ausgehend vön Rohlingen
mit kleineren Durchmessern als dem Enddurchmesser, zu bilden.
-
Gemäß der Erfindung werden Laufrad und Schaufeln einstückig hergestellt,
und zwar so, daß ein auf Schmiedetemperatur erhitzter Rohling von
geringerem
Durchmesser als dem Außendurchmesser des Schaufelkranzes zwischen einem Ober-und
Untergesenk unter radialer Werkstoffverdrängung nach außen zu einem im wesentlichen
die Endabmessungen aufweisenden Laufrad mit Schaufeln geschlagen wird, die an ihren
übereinanderliegenden Ein- und Austrittskanten durch Werkstoffbrücken 35 miteinander
zusammenhängen, so daß ein geschlossener, zickzackförmiger Radkranz entsteht, worauf
die Werkstoffbrücken zwisichen den Schaufeln durch Zerspanen beseitigt werden.
-
Ein weiteres Merkmal dieses Verfahrens besteht darin; daß ein Rohling,
der die für .die Herstellung des Laufrades erforderliche Metallmenge enthält, dessen
Durchmesser jedoch geringer ist, als der Durchmesser mit dem er zwischen die Gesenkflächen
paßt, zunächst zwischen Elektroden auf die Schmiedetemperatur gebracht und vorgestaucht
wird, so daß sich sein Durchmesser vergrößert, und anschließend ohne Zwischen-erhitzen
in das Fertiggesenk geschlagen wird.
-
Andernfalls kann ein Rohling in einem Glühofen erhitzt, in einen Vorgesenk
in eine der Radscheibe angenäherte Vorform gebracht, erneut erhitzt und dann ins
Fertiggesenk geschlagen werden.
-
Nachstehend wird das erfindungsgemäße Verfahren. an Hand der Darstellung
eines Gesenks zur Durchführung des Verfahrens beschrieben. In der Zeichnung zeigt
Fig. i einen Schnitt durch ein aus einem Oberteil und einem Unterteil bestehendes
Gesenk, Fig. 2 einen Grundriß des Untergesenks, Fig. 3 eine Seitenansicht eines
Teiles zweier Gesenkringe, aus der ihr gegenseitiger Eingriff ersichtlich ist, Fig.
4 ein Schaubild eines Teiles eines geschmiedeten Laufrades, Fig. 5 ein Schema der
elektrischen 'Stauchpresse, in der der Metallrohling gebildet wird, Fig.6 den Querschnitt
durch die Vorform eines Rohlings; Fig. 7 und 8 zeigen aufeinanderfolgende Stufen
des Schmiedevorganges.
-
Gemäß Fig. i und 2 besteht das dargestellte Gesenk aus einem Obergesenk
i i und einem Untergelenk 12, die in einer Spindelpresse oder in einer änderen Presse
angeordnet sein können.
-
Das Untergelenk 12 trägt vier Führungssäulen 13, die in entsprechende
Ausnehmungen 14 des Obergelenks i i eingreifen und sicherstellen, daß die Gelenkteile
miteinander ausgerichtet sind, wenn der Schmiedeschlag ausgeübt wird.
-
Jeder Gelenkteil enthält eine gehärtete Einlage, von denen diejenige
des Untergelenks mit 15, diejenige des Obergelenks mit 16 bezeichnet ist;
diese Einlagen bilden die formgebenden Gelenke. Das Untergelenk 15 enthält
einen mittleren Teil 17 mit einer Vertiefung 18, die der Nabe des
herzustellenden Turbinenschaufelrades entspricht. Die besagte Vertiefung ist von
einem erhöhten Teil i g umgeben, dessen Gestält der Scheibe des Laufrades entspricht.
Um den Teil 19 herum ist eine tiefe Ausnehmung 20 vorgesehen. Da die Scheibe
des Laufrades im Querschnitt keilförmig, und zwar am dicksten in der Nähe der Nahe
und am dünnsten in der Nähe der Schaufel sein muß, steigt der erhöhte Teil ig radial
nach außen an und- geht dann in eine Ausnehmung 21 über, die zum B.nlden eines Flansches
am Fuße der Turbinenschaufeln dient.
-
In der Mitte des Untergesenks liegt ein Auswerfer 22. Die Ausnehmung
2o nimmt einen Einsatz zum Formen der Schaufeln auf. Das formgebende Obergesenk
16 ist ähnlich geformt wie das formgebende Untergesenk und enthält eine Ausnehmung
23, die der Ausnehmung 20 entspricht. Das Obergesenk hat keinen Auswerfer. Vier
Richtzapfen 24 ragen in die Ausnehmung 2o des Untergesenks hinein, und entsprechende
Richtzapfen 25 ragen in die Ausnehmung 23 des Obergesenks. Zwischen .den Richtzapfen
jedes Gesenkteiles liegen Befestigungsschrauben 26, 27 für die Einsätze.
-
Die Ausnehmungen 20,.23 in dem Untergesenk und dem Ob.ergesenk sind
ringförmig und dienen zur Aufnahme ringförmiger Einsätze 30, 3 i, die in Fig.3 in
Seitenansicht dargestellt und so geformt sind, d aß, wenn Obergesenk und Untergesenk
miteinander in Berührung sind, ein zickzackförmiger Raum 32 zwischen den Einsätzen
30, 3 i verbleibt, zwischen denen die Vorder- und Rückflächen 33, 34 der herzustellenden
Schaufeln des Laufrades liegen, die miteinander durch schwach geneigte Werkstoffbrücken
35 verbunden sind. Die Zähne 36 des unteren ringförmigen Stempels bilden mit ihren
Arbeitsflächen die hohlen Vorderflächen 34 der Schaufeln des Laufrades, und die
Zähne 36 des oberen ringförmigen Stempels 30 haben konkave Arbeitsflächen,
die die konvexen Rückflächen 33 der Laufradsehaufeln bilden. Die Zähne sind sorgfältig
der schraubenförmigen Schaufelform angepaßt. Die Verbindungsbrücken 35 der Schaufeln
sind so steil wie möglich ausgeführt, ohne daß ein Unterschneiden stattfindet-.
Fig.4 zeigt einen Teil eines vollständigen Laufrades mit einer Nabe 37, einer Radscheibe
38 und Schaufeln 32, die durch die Brücken 3 5 miteinander verbunden sind. Die Räume
zwischen den oberen und unteren ringförmigen Stempeln 30, 3 i entsprechen, wie aus
der Zeichnung ersichtlich ist, den Schaufeln mit ihren Rückflächen 33 und konkaven
Vorderflächen 34. In Fig. 4 ist eine der Brücken 3 5 zwischen benachbarten Zähnen
weggeschnitten dargestellt, vergleiche die strichpunktierten Linien 40. Es ist ersichtlich,
daß durch Zerspanen der Brücke die Schaufeln voneinander getrennt werden und damit
das Laufrad fertiggestellt wird. Es bleibt dann nur noch übrig, die Vorder- und
Rückflächen der Laufradschaufeln zu glätten.
-
Die ringförmigen Stempel 30, 3 i werden in den Ausnehmungen des Gelenks
durch die Richtzapfen 24,25 festgelegt und mit den bereits erwähnten Schrauben 26,
27 befestigt. Ein Teil eines ringförmigen Stempels ist in Fig.2 dargestellt.
-
Der zu schmiedende Werkstoff ist ein Metall, im allgemeinen Stahllegierung,
das bzw. die ihre Festigkeit selbst bei Rotglut beibehält. Solch ein Werkstoff ist
schwer zu schmieden, da das Schmieden
bei Temperaturen -stattfinden
muß, die beträchtlich über der Rotglut liegen, der sie im Betriebe ausgesetzt sind,
die aber andererseits nicht so hoch liegen dürfen, daß sie in der Nähe der Schmelztemperatur
liegen. Dies bedeutet, daß die Schmiedetemperatur innerhalb sehr enger Grenzen liegt,
beispielsweise zwischen io5o und i15 o° C.
-
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird ein Stababschnitt 5o (Fig.
5) verwendet, der ein hinreichendes Volumen hat, um das Schmieden durchführen zu
können, und dessen Länge etwa das i1/2fache seines Durchmessers beträgt. Dieser
Stababschnitt wird zwischen die Elektroden 51, 52
eines bekannten elektrischen
Widerstandserhitzers eingesetzt und auf die Schm@edztemperatur gebracht. In Richtung
des Pfeiles 53 wird ein axialer Druck auf den Stababschnitt ausgeübt, während dieser
zwischen den Elektroden liegt; er wird zusammengedrückt, bis sein Durchmesser ungefähr
gleich dem Durchmesser der Laufradscheibe innerhalb des Flansches am Fuße der Schaufeln
ist, vergleiche die strichpunktierte Linie 54 (Fig. 5). Bei diesem Durchmesser ist
der Rohling in axialer Richtung noch erheblich dicker als das fertige Schmiedestück,
während sein Durchmesser geringer ist als der Durchmesser des Laufrades an den Wurzeln
der Schaufeln.
-
Der Rohling befindet sich gleichmäßig auf Schmiedetemperatur. Die
elektrische Erhitzung hat den Vorteil, dge -der Rohling sehr schnell auf diese gleichmäßige
Schmiedetemperatur gelangt. Ferner hat das Stauchen des Stababschnittes am Rohling
bereits schon den Beginn des Gefügeflusses. in der für das Schmieden günstigen Richtung
eingeleitet. Indessen kann auch die Erhitzung des Stababschnittes in einem Ofen
vorgenommen. werden. Er wird dann vorzugsweise in einem Verformungsgesenk vorgeformt,
damit er sich mehr seiner @endgültigen Form nähert. Die betreffende Vorforin ist
in Fig.6 veranschaulicht. Daraufhin wird der Rohling in einem Ofen erneut erhitzt.
-
Der vorgeformte Rohling wird zentrisch auf das Untergesenk 15 gelegt
(Fig. 7) und mit dem Preßbären ein heftiger Schlag auf den Rohling ausgeübt. Bei
der Ausübung des Schlages wird der Werkstoff, da er einwärts nicht entweichen kann,
radial nach außen gequetscht. Gleichzeitig nähern sich die Zähne 36 der ringförmigen
Stempel 30, 31, zwischen denen zu Beginn des Schlages wenig Werkstoff liegt, einander,
und in dem Ausmaße, in dem sie sich einander nähern, wird der Werkstoff weiter zwischen
ihnen nach außen verdrängt, soweit sich die Laufradschaufeln erstrecken. Zugleich
werden diese zwischen den Zähnen der beiden Stempel durch den Axialdruck geformt.
Bei Beendigung des Schlages ist der Werkstoff bis zu den Schaufelspitzen nach außen
gelangt und geformt. Ist das Schmiedestück hierbei nicht vollständig maßgerecht
ausgebildet -worden, so muß es nochmals erhitzt und erneut einem oder mehreren Schmiedeschlägen
ausgesetzt werden. Wird ein Schmiedeschlag ausgeübt, nachdem die richtige Schmiedetemperatur
verlorengegangen ist, so wird die Mikrostruktur des Metalls zerstört, und das Schmieden
ist zwecklos. Man sollte daher danach trachten, mit einem Schmiedeschlag auszukommen;
falls dieser nicht ausreicht, muß das Schmiedestück erneut erhitzt werden, ehe man
es wieder in das Gesenk einsetzt.
-
Mit dem Schmieden im Gesenk wird Werkstofffluß angestrebt; der derart
ist, daß der Werkstoff in radialer Richtung nach außen zur Bildung der Schaufeln
fließt, ohne daß eine plötzliche Änderung in der Richtung des Flusses an der Verbindungsstelle
mit denn Körper des Laufrades stattfindet.
-
Der Flansch des Laufrades wird durch den Werkstofffluß zur gleichen
Zeit wie die Zähne gebildet, und der Werkstofffluß erfolgt in - zufriedenstellender
Weise radial von der Laufradscheibe in der. Flansch hinein.
-
Die Schmiedestücke werden nach einer thermischen Nachbehandlung durch
spanabhebendes Bearbeiten der Schaufeln vollends fertiggestellt. Bei dieser Bearbeitung,
die vorzugsweise durch einen Fzngerfräser oder eine Anzahl gleichzeitig arbeitender
Fingerfräser bewirkt wird, werden hauptsächlich die Werkstoffbrücken 35 entfernt,
die die übereinanderliegenden Längsenden der Schau-. feln miteinander verbinden;
es muß jedoch auch die gesamte Oberfläche jeder Schaufel bearbeitet werden. Diese
spanabhebende Bearbeitung ist verhältnismäßig leicht im Vergleich zu derjenigen,
die erforderlich ist, wenn die Schaufeln aus dem Vollen herausgearbeitet werden
müssen, wie dies bisher der Fall war. Die Herstellungsweise ist daher wesentlich
schneller und wirtschaftlicher als die bisherige und ergibt auch ein besseres Gefüge.
Ferner erfordert das Schmieden gemäß der Erfmdixng- viel weniger Metall, als wenn
alle Schaufeln aus dem Vollen herausgearbeitet werden müssen; diese Metallersparnis
ist wichtig, da es sich um wertvolle Legierungen handelt.