EP0290773B1 - Verfahren zum Herstellen von Profilteilen durch Schleifen und entsprechend hergestellte Turbomaschinenschaufel - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von Profilteilen durch Schleifen und entsprechend hergestellte Turbomaschinenschaufel Download PDF

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EP0290773B1 EP88105239A EP88105239A EP0290773B1 EP 0290773 B1 EP0290773 B1 EP 0290773B1 EP 88105239 A EP88105239 A EP 88105239A EP 88105239 A EP88105239 A EP 88105239A EP 0290773 B1 EP0290773 B1 EP 0290773B1
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B49/00—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B19/00—Single-purpose machines or devices for particular grinding operations not covered by any other main group
    • B24B19/14—Single-purpose machines or devices for particular grinding operations not covered by any other main group for grinding turbine blades, propeller blades or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2200/00—Mathematical features
    • F05B2200/30—Mathematical features miscellaneous
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49316—Impeller making

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a profile part from a blank, in particular for producing a turbomachine blade and an associated intermediate product.
  • the object of the present invention is to create a method which enables the most economical production of profile parts, the cross-sectional profile of which, at least in some areas, differs considerably from the cross-sectional profile of the associated blank.
  • the invention relates to a turbomachine blade manufactured according to this method, and to a typical associated intermediate product.
  • a typical application example is the production of a turbomachine blade.
  • the method according to the invention also occurs a very specific intermediate product, which is explained with its individual embodiments in claims 5 to 9.
  • the process is particularly suitable for the production of small turbomachine blades.
  • the The feed is therefore controlled or regulated in such a way that the machining volume per unit of time follows a predefinable function, preferably remains approximately constant. This means that the rotation and translation are slowed down if a lot of material has to be removed from the point just processed.
  • the entire constellation of the blank, the profile to be produced and the machining state achieved can be taken into account when determining an optimal function which the machining volume per unit time is to follow.
  • Decisive for the heating of the workpiece during grinding is the heat dissipation from the grinding point. Part of the heated material is removed immediately afterwards, for example, so that this heat input is not critical.
  • the dimensions of the workpiece, its heat capacity and thermal conductivity must be taken into account (in short: heat dissipation in the vicinity of the grinding point). It generally applies that the cutting volume per unit of time should be smaller the worse the heat dissipation at the grinding point. E.g. in very thin areas of the workpiece, the machining volume per unit of time must u. U. be reduced.
  • a method with the characterizing features of claim 5 is particularly economical. By grinding all non-concave contours of the blade in just one clamping, many work steps of the previously known machining steps can be saved. Manufacturing with very low tolerances is possible because of inaccuracies due to changing clamping of the workpiece. Considerable time savings in production can also be achieved since the intermediate storage of entire batches, from partially completed blades to the conversion of a machine to new machining tools, is practically completely eliminated.
  • the intermediate product has a total length f which is greater than the length a of the blade to be manufactured.
  • the blade itself consists of a blade root 2 with webs 2.1 and 2.2 grooves; all foot shapes known in the prior art can be used.
  • the blade has a head which has a parallelogram-shaped cross section and forms a closed shroud together with other blade heads during later installation.
  • the actual blade contour has a rounded inflow side 6, a pointed outflow side 7 and a convex suction side 4.
  • the later concave pressure side 5 is not yet finished in the intermediate product shown, but only ground flat.
  • the contour of the blade root 2 is lengthened by the length b, and the contour of the blade head 3 is lengthened by the length c.
  • a cutting device can later be attached in a defined manner. Further points the intermediate product has two remnants 8, 9 at the two ends, which do not necessarily have the same lengths c and e. These remnants serve to firmly clamp the blank or intermediate product during the entire grinding process.
  • the present invention enables e.g. an economical, precise manufacture of blades for turbomachinery, whereby a very fast production run is possible by saving many different work steps.
  • the production planning is simplified because intermediate storage is no longer necessary; the manufacturing time for an entire set of blades can be significantly reduced.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Profilteiles aus einem Rohling insbesondere zur Herstellung einer Turbomaschinenschaufel und eines zugehörigen Zwischenproduktes.
  • Die Herstellung von Profilteilen, z.B. Turbomaschinenschaufeln, insbesondere relativ kleinen Schaufeln, erfordert wegen deren komplizierter Form oft einen großen Bearbeitungsaufwand. Die bisher angewandten Methoden der zerspanenden Bearbeitung erfordern viele Arbeitsgänge mit unterschiedlichen Einspannungen und Bearbeitungswerkzeugen.
  • Zwar ist es auch bekannt, bei der zerspanenden Bearbeitung Schleifmaschinen einzusetzen, jedoch wurde dies für die Vorformung von komplizierterer Profilteile, bei denen das herzustellende Querschnittsprofil sich erheblich vom Querschnittsprofil des Rohlings unterscheidet, bisher nicht in Betracht gezogen. Bei bekannten Schleifverfahren werden im allgemeinen lediglich ebene oder einfach geformte, z.B. runde Flächen bearbeitet, wobei eine konstante Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück und Schleifscheibe eingehalten wird.
  • Aus dem Artikel "Schleifen von Rohteilen mit geregeltem Zeitspanvolumen", VDI-Z Bd. 128 (1986) Nr.23/24 Dezember (I/II), S. 935 bis 939, sind Regelungsmöglichkeiten beim Fertigschleifen von Rohteilen bekannt, jedoch handelt auch dieser Artikel nur von einfachen, beispielsweise runden Profilteilen und betrifft nur das Schruppen und Schlichten als letzten Fertigungsschritt. Die Problematik, die sich beim Vorformen von Profilteilen aus einem Rohling ergibt, bei denen an manchen Bereichen des Querschnittes viel Material abgetragen werden muß und an manchen wenig, wie dies z.B. bei Turbomaschinenschaufeln der Fall ist, wird nicht angesprochen.
  • Aus der DE-A-22 43 863 ist eine Schleifvorrichtung zum Bearbeiten von Schaufeln von Strömungsmaschinen bekannt, jedoch beschäftigt sich diese Schrift nicht mit dem Vorformen eines Profils aus einem Rohling, sondern lediglich mit der abschließenden Feinbearbeitung. Überhaupt ist es für Turbinenschaufeln durchaus bekannt, bei der Endbearbeitung und auch bei einzelnen Abschnitten Schleifverfahren einzusetzen. Aus der Zeitschrift "Werkstatt und Betrieb", 118 (1985) 3, München, Deutschland, S. 149 ff. sind bereits einige Probleme, die sich beim Vollschnitt- bzw. Tiefschleifverfahren ergeben, bekannt. Hier werden auch die Probleme der Wärmeeinbringung in das Werkstück erwähnt. Allerdings beschäftigt sich diese Schrift nicht mit dem Vorformen des eigentlichen Schaufelprofils, sondern lediglich mit der Bearbeitung der Schaufelenden und der abschließenden Feinbearbeitung. Die Probleme des Abtrages von ganz unterschiedlichen Differenzen zwischen Ausgangs- und Endprofil werden nicht angesprochen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, welches eine möglichst wirtschaftliche Herstellung von Profilteilen ermöglicht, deren Querschnittsprofil sich zumindest in Teilbereichen erheblich vom Querschnittsprofil des zugehörigen Rohlings unterscheidet. Insbesondere betrifft die Erfindung eine nach diesem Verfahren hergestellte Turbomaschinenschaufel, sowie ein typisches zugehöriges Zwischenprodukt.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 9 angegeben.
  • Als typisches Anwendungsbeispiel ist die Herstellung einer Turbomaschinenschaufel anzusehen.
  • Dabei tritt dem erfindungsgemäßen Verfahren ferner ein ganz spezifisches Zwischenproduckt auf, welches mit seinen einzelnen Ausgestaltungen in den Ansprüchen 5 bis 9 erläutert wird. Speziell zur Herstellung von kleinen Turbomaschinenschaufeln ist das Verfahren geeignet.
  • Zum prinzipiellen Verständnis des Wesens der Erfindung ist es notwendig, die unterschiedlichen technischen Gegebenheiten beim Vorformen und Fertigschleifen zu betrachten. Ausschlaggebend für die technische Realisierbarkeit eines Schleifverfahrens sind dabei auch wirtschaftliche Gesichtspunkte. Dies bedeutet, daß einerseits die Bearbeitungszeit nicht zu lang werden darf und andererseits der Verschleiß an Schleifscheiben in vernünftigen Grenzen bleiben muß. Außerdem darf die Qualität des herzustellenden Profilteiles nicht leiden. Während beim Fertigschleifen insgesamt nur noch geringe Volumina pro Zeiteinheit zerspant werden, wodurch sich kaum thermische Probleme ergeben, sind beim Vorformen große Volumina pro Zeiteinheit abzutragen, was wegen des damit verbundenen hohen Wärmeeintrages in das Werkstück und die Schleifscheibe nicht ganz unproblematisch ist. Bei komplizierten Profilteilen, wie z.B. Turbomaschinenschaufeln, gibt es Bereiche, bei denen sehr viel Material abgetragen werden muß und auch Bereiche mit nur einem geringen Materialabtrag. Dies macht eine besondere Regelung der Vorschübe von Rotation und Translation notwendig, wie dies in den Ansprüchen 2, 3 bzw. 4 beschrieben wird. Die Rotationen und Translationen des Rohlings relativ zur Schleifscheibe sind zunächst durch das herzustellende Profil im wesentlichen festgelegt. Nur die Geschwindigkeit dieser Bewegungen, im allgemeinen Vorschubgeschwindigkeit genannt, ist frei wählbar. Für ein wirtschaftliches Verfahren muß im allgemeinen diese Vorschubgeschwindigkeit möglichst groß gewählt werden. Hier sind jedoch u.a. durch den Wärmeeintrag in das Werkstück Grenzen gesetzt. In Abhängigkeit von der herzustellenden Kontur wird der Vorschub daher gerade so gesteuert oder geregelt, daß das Zerspanungsvolumen pro Zeiteinheit einer vorgebbaren Funktion folgt, vorzugsweise ungefähr konstant bleibt. D.h., daß die Rotation und Translation jeweils verlangsamt werden, wenn sehr viel Material an der gerade bearbeiteten Stelle abzutragen ist. Um einerseits in unkritischen Bereichen schnell schleifen zu können, andererseits aber schädliche Gefügeänderungen an der Oberfläche der endgültig herzustellenden Kontur zu vermeiden, kann auch in zwei oder mehreren Schritten vorgegangen werden, wobei zunächst mit einem großen Zerspanungsvolumen pro Zeiteinheit und bei Annäherung an die endgültig herzustellende Kontur oder in kritischen Bereichen mit einem geringeren Zerspanungsvolumen pro Zeiteinheit gearbeitet wird. Auf diese Weise kann der schädliche Wärmeeintrag in das Werkstück beim Vorschleifen auf die Bereiche begrenzt werden, die beim Fertigschleifen schließlich noch abgetragen werden.
  • Gemäß Anspruch 4 kann bei der Festlegung einer optimalen Funktion, der das Zerspanungsvolumen pro Zeiteinheit folgen soll, die gesamte Konstellation von Rohling, herzustellendem Profil und erreichtem Bearbeitungszustand berücksichtigt werden. Entscheidend für die Erwärmung des Werkstückes beim Schleifen ist die Wärmeabfuhr von der Schleifstelle aus. Ein Teil des erwärmten Materials wird beispielsweise direkt anschließend abgetragen, so daß dieser Wärmeeintrag unkritisch ist. Außerdem sind die Maße des Werkstückes, seine Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit zu berücksichtigen (kurz: Wärmeabfuhr in der Umgebung der Schleifstelle). Es gilt generell, daß das Zerspanungsvolumen pro Zeiteinheit um so kleiner sein sollte, je schlechter die Wärmeabfuhr an der Schleifstelle ist. Z.B. in sehr dünnen Bereichen des Werkstückes muß daher das Zerspanungsvolumen pro Zeiteinheit u. U. reduziert werden.
  • Ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 5 ist besonders wirtschaftlich. Durch Schleifen aller nicht konkaven Konturen der Schaufel in nur einer Einspannung können viele Arbeitsschritte der bisher bekannten Bearbeitungsgänge eingespart werden. Eine Fertigung mit sehr geringen Toleranzen ist möglich, da Ungenauigkeiten durch wechselnde Einspannung des Werkstückes entfallen. Auch kann eine erhebliche Zeitersparnis bei der Herstellung erreicht werden, da die Zwischenlagerung ganzer Chargen von teilweise fertiggestellten Schaufeln bis zur Umrüstung einer Maschine auf neue Bearbeitungswerkzeuge praktisch völlig entfällt.
  • Ein bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Herstellung von Turbomaschinenschaufeln entstehendes typisches Zwischenprodukt ist mit seiner Form und seinen Größenverhältnissen zur Erläuterung in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigen
    • Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Zwischenproduktes,
    • Fig. 2 eine Seitenansicht und
    • Fig. 3 einen Querschnitt durch das Zwischenprodukt entlang der Linie III-III.
  • Das Zwischenprodukt weist eine Gesamtlänge f auf, welche größer ist als die Länge a der herzustellenden Schaufel. Die Schaufel selbst besteht aus einem Schaufelfuß 2 mit Stegen 2.1 und Nuten 2.2; dabei kommen alle nach dem Stand der Technik bekannten Fußformen in Betracht. Ferner weist die Schaufel einen Kopf auf, welcher einen parallelogrammförmigen Querschnitt hat und beim späteren Einbau zusammen mit anderen Schaufelköpfen ein geschlossenes Deckband bildet. Die eigentliche Schaufelkontur weist eine gerundete Anströmseite 6, eine spitze Abströmseite 7 und eine konvexe Saugseite 4 auf. Die später konkave Druckseite 5 ist bei dem dargestellten Zwischenprodukt noch nicht fertig hergestellt, sondern nur plan geschliffen. Die Kontur des Schaufelfußes 2 ist um die Länge b verlängert, ebenso ist die Kontur des Schaufelkopfes 3 um die Länge c verlängert. Im Bereich dieser Verlängerungen b, c kann später eine Schneidvorrichtung definiert angesetzt werden. Ferner weist das Zwischenprodukt zwei Reststücke 8, 9 an den beiden Enden auf, welche die nicht notwendigerweise gleichen Längen c bzw. e haben. Diese Reststücke dienen zur festen Einspannung des Rohlings bzw. Zwischenproduktes während des gesamten Schleifvorganges.
  • Es sei noch darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Verfahren naturgemäß auf Profile beschränkt ist, die weniger konkav sind als es der Form der kleinsten verwendeten Schleifscheiben im Neuzustand entspricht.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht z.B. eine wirtschaftliche, präzise Herstellung von Schaufeln für Turbomaschinen, wobei durch Einsparung vieler verschiedener Arbeitsgänge ein sehr schneller Fertigungsdurchlauf möglich ist. Die Fertigungsplanung wird vereinfacht, da Zwischenlagerungen entfallen; die Herstellungszeit für einen ganzen Satz Schaufeln kann deutlich verkürzt werden.

Claims (9)

1. Verfahren zum Herstellen eines Profilteiles (1) aus einem Rohling, wobei sich das Querschnittsprofil des herzustellenden Teiles zumindest in Teilbereichen quantitativ und qualitativ vom Querschnittsprofil des Rohlings unterscheidet, so daß unterschiedliche Differenze zwischen Ausgangs- und Endprofil abzutragen sind, mit folgenden Merkmalen:
a) Das herzustellende Teil wird in einer Aufspannung mit mindestens einer Schleifscheibe, die vorzugsweise kontinuierlich abgerichtet wird, vorgeformt und fertiggeschliffen.
b) Beim Vorformen wird dem Rohling durch Translation und Rotation relativ zu der oder den, ggf. profilierten Schleifscheibe(n) annähernd das gewünschte Profil gegeben, wobei die örtlichen Schleiftiefen annähernd gleich den abzutragenden Differenzen gewählt werden.
c) Das Fertigschleifen erfolgt vollständig oder abschnittsweise nach dem Vorformen und dient der Glättung der Oberflächen und der maßgenauen Herstellung des Endprofils.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vorformen die Vorschübe der für die Herstellung des gewünschten Profils nötigen Rotationen und Translationen des Rohlings relativ zur Schleifscheibe in Abhängigkeit von den abzutragenden Differenzen so geregelt oder gesteuert werden, daß das Zerspanungsvolumen pro Zeiteinheit einer vorgebbaren, ggf. ortsabhängigen und/oder zeitabhängigen Funktion folgt, insbesondere zumindest in Teilbereichen konstant bleibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vorformen einem ersten Arbeitsschritt mit großem Zerspanungsvolumen pro Zeiteinheit bei Annäherung an die endgültig herzustellende Kontur mindenstens noch ein Arbeitsschritt mit geringerem Zerspanungsvolumen pro Zeiteinheit folgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vorformen das Zerspanungsvolumen pro Zeiteinheit in Abhängigkeit von der Wärmeabfuhr im Werkstück in der Umgebung der jeweiligen Schleifstelle gesteuert oder geregelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung eines Zwischenproduktes (1) für eine Turbomaschinenschaufel, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Ein langgestreckter Metallblock, vorzugsweise mit etwa rechteckigem oder parallelogrammförmigem Querschnitt, dessen Länge (f) 5 bis 30%, vorzugsweise etwa 20%, größer als die Länge (a) der herzustellenden Schaufel ist, wird an seinen beiden Enden eingespannt.
b) Durch Rotation um die Längsachse des Metallblockes und Translation relativ zu einer schnellrotierenden Schleifscheibe werden die Konturen von Saugseite (4), Schaufelfuß (2) und Schaufelkopf (3) in den Metallblock hineingeschliffen, wobei sowohl an der Fuß- wie an der Kopfseite überstehende Reststücke (7, 8) mit dem ursprünglichen Querschnitt des Stahlblockes verbleiben.
c) Die Längenmaße der Fußkontur und der Kopfkontur überschreiten geringfügig die tatsächlich herzustellenden Maße, vorzugsweise um mindestens die Schnittbreite einer Säge- oder Schneideinrichtung.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verkippen des Metallblockes um einen bestimmten Winkel auch eine radiale Verjüngung der Schaufel ohne Änderung der Einspannung hergestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Überstand (d, e) der Reststücke (8, 9) an der Fuß- bzw. Kopfseite mindestens 2 mm beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Übermäß (b, c) der Fuß- bzw. Kopfkontur zwischen 0,5 und 4 mm, vorzugsweise etwa 3 mm, beträgt.
9. Verfahren nach Anspruch 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckseite (5) der Schaufel zumindest bis zur Verbindungsebene zwischen Anström- und Abströmkante vorgeschliffen ist.
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