EP1206331A1 - Werkzeugmaschine mit spannvorrichtung - Google Patents

Werkzeugmaschine mit spannvorrichtung

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Publication number
EP1206331A1
EP1206331A1 EP00951184A EP00951184A EP1206331A1 EP 1206331 A1 EP1206331 A1 EP 1206331A1 EP 00951184 A EP00951184 A EP 00951184A EP 00951184 A EP00951184 A EP 00951184A EP 1206331 A1 EP1206331 A1 EP 1206331A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
clamping
clamping device
workpiece
machine tool
turbine blade
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00951184A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas KÜNZLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
STARRAGHECKERT AG
Original Assignee
STARRAGHECKERT AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by STARRAGHECKERT AG filed Critical STARRAGHECKERT AG
Publication of EP1206331A1 publication Critical patent/EP1206331A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q3/00Devices holding, supporting, or positioning work or tools, of a kind normally removable from the machine
    • B23Q3/02Devices holding, supporting, or positioning work or tools, of a kind normally removable from the machine for mounting on a work-table, tool-slide, or analogous part
    • B23Q3/06Work-clamping means
    • B23Q3/062Work-clamping means adapted for holding workpieces having a special form or being made from a special material
    • B23Q3/063Work-clamping means adapted for holding workpieces having a special form or being made from a special material for holding turbine blades
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23CMILLING
    • B23C3/00Milling particular work; Special milling operations; Machines therefor
    • B23C3/16Working surfaces curved in two directions
    • B23C3/18Working surfaces curved in two directions for shaping screw-propellers, turbine blades, or impellers

Definitions

  • the invention relates to a machine tool for milling elastically deformable, in particular metallic, workpieces, such as turbine blades and the like, comprising a processing unit in which a milling tool can be inserted and driven to generate a cutting speed, and a clamping device for receiving the Workpieces during processing, the
  • Clamping device is provided with clamping surfaces, which are provided for flat contact with the workpiece, and a drive unit for generating relative movements between the processing unit and the clamping device.
  • the invention also relates to a method which is suitable for processing elastically deformable workpieces and a clamping device for clamping turbine blades during their processing.
  • “Snubber” is the area of a turbine blade that is used to clamp the turbine blade in the turbine. Due to the precision forging, the blade already has a twisted, curved surface in its blade area. It is therefore advantageous if the blades are clamped in the blade area could be.
  • each blade must be cast in via a three-point support in the blade area, using a clamping device.
  • a casting device specially created for this purpose must be used for the casting process The casting material does not enter into a connection with the bucket and can be removed again after processing.
  • the clamping device with the bucket contained therein is clamped and machined in a machine tool.
  • the partially cast-in blade must be measured before milling. It is only on the basis of this measurement that the relative position of individual areas of the blade m in relation to its target contour and the clamping device can be determined. Since the clamping device itself assumes a predefined position in the machine tool, it can be determined on the basis of this measurement which paths the tool has to travel in order to achieve a specific target contour.
  • Another disadvantage of this tensioning device can be seen in the fact that the casting material, namely a lead alloy, contains toxic substances and therefore additional safety measures have to be taken to protect the persons coming into contact with it. Likewise, it cannot be satisfied that processing should be carried out immediately after the casting process. Due to a longer storage time, a preload, by means of which the blade is held in the tensioning device after the lead alloy has cooled, can be released again.
  • the object of the invention is therefore to create a generic tensioning device with which the disadvantages mentioned above can be avoided.
  • the clamping device has at least two clamping jaws which can be reused several times, and in that the clamping surfaces of the clamping device formed on the clamping jaws correspond to at least one section of a desired shape of the workpiece.
  • the object is also achieved by means of a tensioning device and a method as described in claims 8 and 10.
  • the invention can be used with particular advantage in connection with the machining of turbine blades.
  • their field of application also includes the machining of other workpieces, especially those in which workpieces are twisted or otherwise have complicatedly curved surfaces.
  • Workpieces such as turbine blades have a small thickness compared to their length and width. Since they generally consist of a titanium alloy, they have a comparatively good elastic deformability. By suitably arranging the clamping jaws in a machine tool, this can enable the workpieces to be clamped flat so that they at least approximate their target contour due to the deformation in the area of the clamping surfaces. In the case of clamping devices according to the invention, the workpiece should therefore be forced as far as possible from its position, starting from a position which does not correspond to the target contour, by fitting to the clamping surfaces.
  • target shape or contour is to be understood as a workpiece that has no dimensional, shape or position errors within the achievable manufacturing accuracy.
  • the clamping surfaces or any one or more predetermined locations of the clamping surfaces can be used as a reference for the subsequent machining process. Since the travels of the tool are now related to the position of the clamping surfaces, in which the corresponding section of the workpiece assumes its target contour or position, an essential systematic error is eliminated, which can result in manufacturing inaccuracies. Apart from other possible influences, the tool can ideally generate a contour on the workpiece that corresponds to the target contour without the workpiece having to be measured beforehand. The machining times of turbine blades on a milling machine can be reduced by approx. 10 - 15% simply by avoiding the measurement.
  • a further advantage can be seen in the fact that the insertion points, ie the transitions, between the unmilled and milled areas of the workpieces can be designed with good quality despite less effort.
  • the tool whose travel path is based on the target contour, now actually engages m the target contour and not m a contour that is subject to a tolerance.
  • the clamping device according to the invention should have a basic body which is clamped in the machine tool.
  • one or more inserts can be inserted into the basic body, on which the clamping surfaces are designed for clamping the workpiece. This has the advantage that a substantial part of the clamping device can be used for different workpieces. If another type of workpiece is to be machined, only the insert (s) need to be replaced. Since the shape-relevant parts of the clamping device are thus designed to be exchangeable, the effort required for the production of different workpieces can be kept low with regard to the clamping devices.
  • Fig. 1 In a front view a section of a
  • Fig. 2 is a plan view of the invention
  • FIG. 3 shows a perspective illustration of a turbine blade to be clamped with a tensioning device according to the invention, the illustration showing two jaws of different tensioning units at a distance from the blade;
  • FIG. 4 shows the turbine blade from FIG. 3, in two different states, with a dashed line showing a deformation state of the blade m of the tensioning device.
  • a milling machine 1 partially shown in FIG. 1 has a round station 2, which is provided with a head part and a foot part 2a, 2b.
  • a clamping device 3 provided for receiving a workpiece can be arranged in the head part 2a.
  • the round station 2 is located on a carriage 4 which can be moved in the m X and m Z direction (orthognal to the plane of the drawing).
  • the round station 2 is also each provided with a driven rotation axis 5, by means of which the clamping device can be offset 3 m of rotational movements about the axis 5.
  • the machine tool or the clamping device and the workpiece form a system for manufacturing the workpiece which will be described in more detail below.
  • the milling machine also has a tool carrier 6, on which a milling tool 7 can be arranged and driven.
  • the tool carrier 6 can be moved in the X and Y directions and can be pivoted in a range of approximately ⁇ 80 ° around a tool tip 7a. In the area of the tool tip, a machining axis of the tool thus intersects with the swivel axis of the tool holder.
  • the basic structure and functioning of such The machine tool is shown in the European patent application No. 93 120 198.2 by the applicant, the content of which is incorporated in full by reference.
  • a clamping device 3 can be held in each of the round stations 2, the latter being provided for receiving a workpiece.
  • the workpiece is a turbine blade 8 pre-machined by precision forging, the blade of which already has a contour which is within an allowable tolerance limit. Because of the material of the turbine blade 8, namely a titanium alloy, and the ratio of the length and width to the thickness of the blade, it can be elastically deformed over a relatively wide range.
  • the clamping device 3 has a basic body 10 which is rotationally symmetrical with respect to an axis.
  • the basic body can be received in the area of a centering pin 11 of the round station 2 shown in FIG. 1.
  • its driven axis of rotation 5 is aligned with the axis of symmetry of the clamping device 3.
  • the base body 10 is fork-shaped. Two opposing jaws can be arranged on each leg 14a, 14b of the fork 14.
  • Each of the two legs 14a, 14b shown in FIG. 2 has a receptacle m which can be used as an insert designed as a clamping jaw 15a, 15b.
  • FIG. 3 A further clamping jaw 15a ', 15b' is placed flat on the turbine blade on the side opposite the clamping jaws 15a, 15b.
  • Each pair of clamping jaws 15a, 15a 'and 15b, 15b' formed in this way forms a clamping unit.
  • the clamping jaws can be fixed to one another by suitable means, but not shown, such as screws, whereby the clamping surfaces of the clamping jaws face each other in a predetermined manner.
  • clamping surfaces 21, 21 'and 22, 22' each form a laterally open volume or a cavity, the shape and position of which corresponds exactly to one section of the desired shape of the turbine blade.
  • FIG. 3 only one clamping jaw 15a ', 15b' from each clamping unit is shown in FIG. 2.
  • clamping jaws are shown at a distance from the turbine blade for better clarity.
  • the limits of the clamping surfaces 21, 21 '; 22, 22 'of clamping jaws of the same clamping unit are each aligned with the same lines 20.
  • a projection surface along the lines 20 of clamping surfaces opposite each other on different sides of the turbine blade is identical or congruent.
  • the turbine blade 8 is thus held at two points between two opposing jaws. Both clamping points are located in the blade area of the turbine blade, the first clamping point being arranged in the area of a blade end 16 and the second clamping point behind the foot area 17 of the turbine blade 8.
  • the turbine blade 8 which is clamped with its longitudinal axis 18 essentially transversely to the axis of rotation 5, there is therefore a so-called “snubber” 19 between the two clamping units. Like the foot, this serves to clamp the blade in a turbine.
  • the blade end 16, the snubber 19 and the foot region 17 are thus for the Milling tool accessible. Due to the possible relative movements between workpiece and tool along three linear axes X, Y and Z, an axis of rotation 5 and a pivot axis of the tool carrier 6, as well as due to the good accessibility of the workpiece due to the structural design of the clamping device, all milling operations can be carried out in a particularly advantageous manner can be carried out in just one setup.
  • the clamping jaws 15a, 15a '; 15b, 15b ' are displaced in parallel along the lines 20 and lie flat against the turbine blade.
  • the turbine blade is shown with reference numeral 8 before clamping.
  • the contour of the turbine blade resulting from the elastic deformation during clamping is shown with dashed lines and designated 8 '.
  • the foot 17 of the turbine blade is shown without deformation, since it takes over the function of a reference point and is only manufactured after it has been clamped.
  • All jaws 15a, 15a '; 15b, 15b 'each have a clamping surface 21, 21'; 22, 22 ', which corresponds to the negative contour of a section of the turbine blade.
  • the clamping surfaces 21, 21 '; 22, 22 ' can therefore be manufactured on the basis of geometric data of the target contour of the turbine blade type to be clamped on the machine shown in FIG. 1.
  • a particularly simple and uncomplicated manufacture of the clamping jaws can be achieved if the same data are used for this, which were also used to produce the forging mold by milling. Since the clamping jaws are milled on the same machine on which the turbine blades are machined, very good manufacturing accuracy can be achieved with the turbine blades.
  • the two clamping jaws face each other, so that one clamping jaw lies against one side of the turbine blade and the other clamping jaw lies against a side opposite this. Since the sheet area is already finished after forging and the profile accuracy, deflection and torsion correspond to the target profile or the target values within a normally permissible tolerance, the blade area only needs to have its target position or target value within its elastic deformation range m Form are forced. So that the turbine blade assumes its correct position in the X direction shown in FIG. 1, at least one stop can be present on at least one clamping jaw, against which a blade edge comes to rest.
  • the correct position of the turbine blade in the Z direction, ie along a longitudinal axis of the turbine blade, and in the M Y direction, ie along a longitudinal extension of the snubbers, should essentially arise automatically due to the congruence of the blade profile and the profile of the clamping surfaces.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Jigs For Machine Tools (AREA)

Abstract

Spannvorrichtung mit Spannflächen, die zur flächigen Anlage am Werkstück vorgesehen sind, und eine Antriebseinheit zur Erzeugung von Relativbewegungen zwischen der Bearbeitungseinheit und der Spannvorrichtung, vorgeschlagen, dass die Spannvorrichtung (3) zumindest zwei Spannbacken (15a, 15a'; 15b, 15b') aufweist, die mehrfach wiederverwendbar sind, dass die an den Spannbacken (15a, 15a'; 15b, 15b') ausgebildeten Spanflächen (21, 21'; 22, 22') der Spannvorrichtung (3) zumindest einem Abschnitt einer Sollform des Werkstückes entsprechen.

Description

Werkzeugmaschine mit Spannvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine zur Frasbear- beitung von elastisch verformbaren, insbesondere metallischen, Werkstücken, wie Turbinenschaufeln und dergleichen, umfassend eine Bearbeitungseinheit, in welche ein Fraswerk- zeug einsetzbar und zur Erzeugung einer Schnittgeschwindigkeit antreibbar ist, sowie eine Spannvorrichtung zur Aufnah- e des Werkstuckes wahrend einer Bearbeitung, wobei die
Spannvorrichtung mit Spannflachen versehen ist, die zur flächigen Anlage am Werkstuck vorgesehen sind, und eine Antriebseinheit zur Erzeugung von Relativbewegungen zwischen der Bearbeitungseinheit und der Spannvorrichtung. Die Erfin- düng betrifft ausserdem ein Verfahren, das sich zur Bearbeitung von elastisch verformbaren Werkstucken eignet sowie eine Spannvorrichtung zur Einspannung von Turbmenschaufein wahrend ihrer Bearbeitung.
Insbesondere bei der Bearbeitung von kompliziert geformten, da beispielsweise mehrfach gekrümmten, Werkstucken stellt sich sehr häufig das Problem, dass die Art und Weise der Einspannung der Werkstucke m der Werkzeugmaschine sehr entscheidend Emfluss auf die Qualltat des Ergebnisses einer Bearbeitung nimmt. Einerseits soll das Werkstuck möglichst nahe an den zu bearbeitenden Stellen gespannt werden, um schädliche Biegemomente und Schwingungen des Werkstuckes wahrend der Bearbeitung zu vermeiden. Andererseits sind oftmals gerade die sich aufgrund dieses Gesichtspunktes zur Aufspannung anbietenden Stellen vorbearbeitet und weisen bereits eine zur konventionellen Einspannung kaum geeignete Kontur auf. Zudem muss berücksichtigt werden, dass die vorbearbeiteten Stellen durch die Einspannung nicht beschädigt werden. Dieses Problem stellt sich beispielsweise bei der Frasbear- beitung von durch eine Prazisionsschmiedung oder auf sonstige Weise vorbearbeiteten einzelnen Turbmenschaufein, die noch an ihrem Kopf, Fuss und dem dazwischenliegenden soge- nannten „Snubber" frasbearbeitet werden müssen. Mit
„Snubber" wird derjenige Bereich einer Turbinenschaufel bezeichnet, der zur Einspannung des Turbinenblattes m der Turbine dient. Durch die Prazisionsschmiedung weist die Schaufel m ihrem Blattbereich bereits eine tordiert ge- krümmte Oberflache auf. Es ist daher von Vorteil, wenn die Schaufeln im Blattbereich eingespannt werden konnte.
Um dies zu ermöglichen, wird bereits das sogenannte „Cerobend"-Verfahren angewandt, bei dem jede Schaufel em- zeln m einer Spannvorrichtung, über eine Dreipunkt-Aufläge im Blattbereich eingegossen werden muss. Für den Giessvor- gang muss eine eigens hierfür geschaffene Giessvorπchtung benutzt werden. Das Giessmaterial geht hierbei mit der Schaufel keine Verbindung ein und lasst sich nach der Bear- beitung wieder entfernen. Zur Bearbeitung der Schaufel wird die Spannvorrichtung mit der darin nun enthaltenen Schaufel m einer Werkzeugmaschine eingespannt und bearbeitet.
Da einerseits die Position der Schaufel m dieser Spannvor- richtung nicht eindeutig ist und andererseits die Schaufel Fertigungstoleranzen des Schmiedeprozesses aufweist, muss die teilweise eingegossene Schaufel vor der Frasbearbeitung vermessen werden. Erst aufgrund dieser Messung kann die relative Lage von einzelnen Bereichen der Schaufel m bezug auf ihre Sollkontur und die Spannvorrichtung festgestellt werden. Da die Spannvorrichtung selbst m der Werkzeugmaschine eine vordefinierte Position einnimmt, kann auf Basis dieser Messung bestimmt werden, welche Wege das Werkzeug fahren muss, um eine bestimmte Sollkontur zu erzielen. Ein weiterer Nachteil dieser Spannvorrichtung kann darin gesehen werden, dass das Giessmaterial, nämlich eine Blei- Legierung, toxische Stoffe enthalt und deshalb zusätzliche Sicherheitsmassnahmen getroffen werden müssen, um die damit m Kontakt kommenden Personen zu schützen. Ebenso kann nicht zufriedenstellen, dass sofort nach dem Giessvorgang die Bearbeitung durchgeführt werden sollte. Aufgrund einer längeren Lagerzeit kann sich eine Vorspannung, durch die die Schaufel nach dem Abkühlen der Blei-Legierung m der Spann- Vorrichtung gehalten wird, wieder losen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine gat- tungsgemasse Spannvorrichtung zu schaffen, mit welcher sich die oben genannten Nachteile vermeiden lassen.
Diese Aufgabe wird bei einer eingangs genannten Werkzeugmaschine erfmdungsgemass dadurch gelost, dass die Spannvorrichtung zumindest zwei Spannbacken aufweist, die mehrfach wiederverwendbar sind, und dass die an den Spannbacken aus- gebildeten Spannflachen der Spannvorrichtung zumindest einem Abschnitt einer Sollform des Werkstuckes entsprechen. Die Aufgabe wird auch durch eine Spannvorrichtung und ein Verfahren gelost, wie sie m den Patentansprüchen 8 und 10 beschrieben sind.
Die Erfindung lasst sich mit besonderem Vorteil im Zusammenhang mit der Bearbeitung von Turbinenschaufeln einsetzen. Selbstverständlich umfasst ihr Anwendungsgebiet aber auch die Bearbeitung von anderen Werkstucken, insbesondere solche Bearbeitungen, bei denen Werkstucke tordiert oder sonstwie kompliziert gekrümmte Oberflachen aufweisen.
Werkstucke wie beispielsweise Turbmenschaufel haben eine im Vergleich zu ihrer Lange und Breite geringe Dicke. Da sie zudem m der Regel aus einer Titan-Legierung bestehen, haben sie eine vergleichsweise gute elastische Verformbarkeit. Durch eine geeignete Anordung der Spannbacken m einer Werkzeugmaschine kann dies ermöglichen, die Werkstucke flachig so einzuspannen, dass sie aufgrund der Verformung im Bereich der Spannflachen zumindest naherungsweise ihre Sollkontur einnehmen. Bei erfmdungsgemassen Spannvorrichtungen soll somit das Werkstuck - ausgehend von einer Position, welche nicht der Sollkontur entspricht, durch Anschmiegung an die Spannflachen, so weit als möglich m seine Sollform gezwungen werden. In diesem Zusammenhang ist unter „Sollform oder -kontur" ein Werkstuck zu verstehen, das innerhalb der erzielbaren Fertigungsgenauigkeit weder Mass-, Form- noch Lagefehler aufweist.
Dies hat den Vorteil, dass die Spannflachen bzw. irgend eine oder mehrere vorbestimmte Stellen der Spannflachen als Referenz für das nachfolgende Bearbeitungsverfahren verwendet werden kann. Da die Verfahrwege des Werkzeuges nun auf die Position der Spannflachen bezogen sind, m denen wiederum der entsprechende Abschnitt des Werkstuckes seine Sollkontur bzw. -position einnimmt, ist ein wesentlicher systematischer Fehler eliminiert, durch den sich Fertigungsungenauigkeiten ergeben können. Abgesehen von anderen möglichen Einflüssen kann nun im Idealfall das Werkzeug am Werkstuck eine Kontur erzeugen, die der Sollkontur entspricht, ohne dass hierzu vorab eine Vermessung des Werkstuckes erforderlich wäre. Die Bearbeitungszeiten von Turbmenschaufeln auf einer Fräsmaschine lasst sich alleine aufgrund der Vermeidung der Messung um ca. 10 - 15% verringern.
Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass die Einblendstellen, d.h. die Übergänge, zwischen den ungefra- sten und gefrästen Bereichen der Werkstucke trotz eines geringeren Aufwandes qualitativ gut gestaltet werden können. Das Werkzeug, dessen Verfahrweg auf der Sollkontur beruht, greift nun nämlich auch tatsächlich m die Sollkontur und nicht m eine mit einer Toleranz behaftete Kontur ein. In einer besonders gunstigen Ausführungsform sollte vorgesehen sein, dass die Spannflachen der Spannvorrichtung auf der gleichen Werkzeugmaschine gefertigt werden, auf der nachfol- gend auch die Bearbeitung des eigentlichen Werkstückes erfolgt. Hierdurch können Fertigungstoleranzen verringert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sollte die er- fmdungsgemasse Spannvorrichtung einen Grundkorper aufweisen, der m die Werkzeugmaschine eingespannt wird. In den Grundkorper können wiederum ein oder mehrere Einsätze eingefügt werden, an denen die Spannflachen zur Einspannung des Werkstuckes ausgebildet sind. Dies hat den Vorteil, dass ein wesentlicher Teil der Spannvorrichtung für unterschiedliche Werkstucke verwendet werden kann. Soll ein anderer Werkstucktyp bearbeitet werden, muss nur der bzw. die Einsätze ausgetauscht werden. Da somit die formrelevanten Teile der Spannvorrichtung auswechselbar gestaltet sind, kann bezug- lieh der Spannvorrichtungen der für die Fertigung von unterschiedlichen Werkstucken erforderliche Aufwand gering gehalten werden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen.
Die Erfindung wird anhand eines m den Figuren schematisch dargestellten Ausfuhrungsbeispiels naher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 In einer Vorderansicht ein Ausschnitt einer
Werkzeugmaschine, m der eine Spannvorrichtung angeordnet ist, welche ein Werkstuck halt; Fig. 2 eine Draufsicht auf die erfmdungsgemasse
Spannvorrichtung aus Fig. 1;
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer mit einer erfmdungsgemassen Spannvorrichtung einzuspannenden Turbinenschaufel, wobei der Darstellung zwei Spannbacken unterschiedlicher Spanneinheiten mit Abstand zur Schaufel gezeigt sind;
Fig. 4 die Turbinenschaufel aus Fig. 3, m zwei verschiedenen Zustanden, wobei mit Strich- lmien ein Verformungszustand der Schaufel m der Spannvorrichtung gezeigt ist.
Eine Fig. 1 teilweise gezeigte Fräsmaschine 1 weist eine Rundstation 2 auf, die mit einem Kopf- und einen Fussteil 2a, 2b versehen ist. Im Kopfteil 2a kann eine zur Aufnahme eines Werkstuckes vorgesehene Spannvorrichtung 3 angeordnet werden. Die Rundstation 2 befindet sich auf einem Schlitten 4, der m X- und m Z-Richtung (orthognal zur Zeichenebene) verfahrbar ist. Die Rundstation 2 ist ausserdem jeweils mit einer angetriebenen Rotationsachse 5 versehen, durch die die Spannvorrichtung 3 m Rotationsbewegungen um die Achse 5 versetzbar ist. Die Werkzeugmaschine bzw. die Spannvorrichtung und das Werkstuck bilden ein nachfolgend noch naher beschriebenes System zur Fertigung des Werkstuckes.
Die Fräsmaschine weist zudem als Bearbeitungseinheit einen Werkzeugträger 6 auf, m dem ein Fraswerkzeug 7 angeordnet und angetrieben werden kann. Der Werkzeugträger 6 ist m X- und Y-Richtung verfahrbar und m einem Bereich von ca. ± 80° um eine Werkzeugspitze 7a verschwenkbar. Im Bereich der Werkzeugspitze schneidet sich somit eine Bearbeitungsachse des Werkzeuges mit der Schwenkachse des Werkzeugträgers. Der grundsatzliche Aufbau und die Funktionsweise einer solchen Werkzeugmaschine ist m der europaischen Patenanmeldung Nr. 93 120 198.2 der Anmelderm gezeigt, deren Inhalt durch Bezugnahme vollständig aufgenommen wird.
In den Rundstationen 2 kann jeweils eine Spannvorrichtung 3 gehalten werden, wobei letztgenannte zur Aufnahme eines Werkstucks vorgesehen ist. In der Darstellung von Fig. 1 ist das Werkstuck eine durch Prazisionsschmieden vorbearbeitete Turbmenschaufel 8, deren Blatt bereits eine Kontur auf- weist, welche innerhalb einer zulassigen Toleranzgrenze liegt. Aufgrund des Werkstoffes der Turbmenschaufel 8, nämlich einer Titan-Legierung, und dem Verhältnis der Lange und Breite zur Dicke der Schaufel, ist diese einem relativ weiten Bereich elastisch verformbar.
Der vergrosserten Ausschnittsdarstellung von Fig. 2 ist zu entnehmen, dass die Spannvorrichtung 3 einen bezüglich einer Achse rotationssymmetrisch ausgebildeten Grundkorper 10 aufweist. Der Grundkorper kann im Bereich eines Zentrierzapfens 11 der m Fig. 1 gezeigten Rundstation 2 aufgenommen werden. In der Rundstation 2 fluchtet deren angetriebene Rotationsachse 5 mit der Symmetrieachse der Spannvorrichtung 3. An dem dem Zentrierzapfen 11 gegenüberliegenden Ende des Grundkorpers 10 ist dieser gabelförmig ausgebildet. An jedem Schenkel 14a, 14b der Gabel 14 können zwei sich gegenüberliegende Spannbacken angeordnet werden.
Jede der beiden Fig. 2 gezeigten Schenkel 14a, 14b weist eine Aufnahme auf, m die jeweils ein als Spannbacke 15a, 15b ausgebildeter Einsatz einsetzbar ist. Die Spannbacken
15a und 15b sind m Fig. 3 dargestellt. Jeweils eine weitere Spannbacke 15a' , 15b' ist auf der den Spannbacken 15a, 15b gegenüberliegenden Seite auf die Turbmenschaufel flachig aufgesetzt. Hierdurch liegen sich die Spannbacken 15a, 15a' einerseits und 15b, 15b' andererseits unmittelbar gegenüber, wobei die Turbmenschaufel jeweils zwischen ihnen an- geordnet ist. Jedes auf diese Weise gebildete Spannbacken- Paar 15a, 15a' und 15b, 15b' bildet eine Spanneinheit. Die Spannbacken können durch geeignete, jedoch nicht dargestellte, Mittel, wie beispielsweise Schrauben, aneinander fixiert werden, wobei sich hierdurch die Spannflächen der Spannbak- ken in vorbestimmter Weise gegenüberliegen. Die Spannflächen 21, 21' und 22, 22' bilden zwischen sich jeweils ein seitlich offenes Volumen bzw. eine Kavität aus, deren Form und Lage zueinander exakt einem Abschnitt der Sollform der Tur- binenschaufel entspricht. Anders als in Fig. 3 ist in Fig. 2 jeweils nur eine Spannbacke 15a', 15b' von jeder Spanneinheit gezeigt.
In Fig. 3 sind die Spannbacken zur besseren Übersichtlich- keit mit Abstand zur Turbinenschaufel dargestellt. Die Begrenzungen der Spannflächen 21, 21' ; 22, 22' von Spannbacken der gleichen Spanneinheit fluchten jeweils mit den gleichen Linien 20. Dadurch ist jeweils eine Projektionsfläche entlang den Linien 20 von sich auf unterschiedlichen Seiten der Turbinenschaufel gegenüberliegenden Spannflächen identisch bzw. deckungsgleich.
Die Turbinenschaufel 8 wird somit an zwei Stellen zwischen jeweils zwei sich gegenüberliegenden Spannbacken gehalten. Beide Spannstellen befinden sich im Blattbereich der Turbinenschaufel, wobei die erste Spannstelle im Bereich eines Blattendes 16 und die zweite Spannstelle hinter dem Fussbe- reich 17 der Turbinenschaufel 8 angeordnet ist. Bei der mit ihrer Längsachse 18 im wesentlichen quer zur Rotationsachse 5 eingespannten Turbinenschaufel 8 befindet sich somit ein sogenannter „Snubber" 19 zwischen den beiden Spanneinheiten. Dieser dient - ebenso wie der Fuss - zum Einspannen der Schaufel in einer Turbine.
Zur Bearbeitung der Turbinenschaufel 8 ist somit das Blattende 16, der Snubber 19 und der Fussbereich 17 für das Fräswerkzeug zugänglich. Aufgrund der möglichen Relativbewegungen zwischen Werkstück und Werkzeug entlang von drei Linearachsen X, Y und Z, einer Rotationsachse 5 und einer Schwenkachse des Werkzeugträgers 6, sowie durch die aufgrund des konstruktiven Aufbaus der Spannvorrichtung gegebenen guten Zugänglichkeit des Werkstückes, können sämtliche Fräsbearbeitungen in besonders günstiger Weise in nur einer Aufspannung durchgeführt werden.
In einer nicht gezeigten Spannstellung sind die Spannbacken 15a, 15a' ; 15b, 15b' entlang den Linien 20 parallel verschoben und liegen flächig an der Turbinenschaufel an. In Fig. 4 ist mit dem Bezugszeichen 8 die Turbinenschaufel vor der Einspannung gezeigt. Die sich bei der Einspannung aufgrund der elastischen Verformung ergebende Kontur der Turbmenschaufel ist mit Strichlinien dargestellt und mit 8' bezeichnet. Der Fuss 17 der Turbinenschaufel ist ohne Verformung gezeichnet, da dieser die Aufgabe einer Referenzstelle übernimmt und erst nach dem Einspannen gefertigt wird.
Sämtliche Spannbacken 15a, 15a'; 15b, 15b' weisen jeweils eine Spannfläche 21, 21' ; 22, 22' auf, welcher der negativen Kontur jeweils eines Abschnittes der Turbinenschaufel entspricht. Die Spannflächen 21, 21'; 22, 22' können deshalb auf Basis von geometrischen Daten der Sollkontur des einzuspannenden Turbinenschaufeltyps auf der in Fig. 1 gezeigten Maschine gefertigt worden. Eine besonders einfache und unaufwendige Fertigung der Spannbacken lässt sich erreichen, wenn hierfür die gleichen Daten verwendet werden, die auch zur Herstellung der Schmiedeform durch Fräsbearbeitung benutzt worden sind. Da die Spannbacken auf der gleichen Maschine gefräst werden, auf der auch die Bearbeitung der Turbinenschaufeln stattfindet, kann bei den Turbinenschaufeln eine sehr gute Fertigungsgenauigkeit erzielt werden. In der Spannvorrichtung liegen sich die beiden Spannbacken gegenüber, so dass die eine Spannbacke gegen eine Seite der Turbinenschaufel und die andere Spannbacke an einer dieser gegenüberliegenden Seite anliegt. Da der Blattbereich nach dem Schmieden bereits fertiggestellt ist und in der Profilgenauigkeit, Durchbiegung und Torsion innerhalb einer üblicherweise zulässigen Toleranz dem Sollprofil bzw. den Sollwerten entspricht, muss der Blattbereich durch die Spanneinheiten nur innerhalb seines elastischen Verformungsbereiches m seine Soll-Lage bzw. Soll-Form gezwungen werden. Damit die Turbmenschaufel ihre lagerichtige Position m der m Fig. 1 gezeigten X-Richtung einnimmt, kann an zumindest einer Spannbacke zumindest ein Anschlag vorhanden sein, gegen den eine Blattkante zu liegen kommt. Die lagerichtige Posi- tion der Turbinenschaufel m Z-Richtung, d.h. entlang einer Langsachse der Turbmenschaufel, und m Y-Richtung, d.h. entlang einer Langserstreckung der Snubber, sollte sich aufgrund der Kongruenz des Blattprofils und des Profils der Spannflachen im wesentlichen von selbst ergeben.
Nach Fertigstellung und Herausnahme der Turbmenschaufel aus der Spannvorrichtung entspannt sich die Schaufel wieder. Dadurch ergeben sich die ungenauen Stellen wieder um den Betrag, den sie aufgrund des Schmiedeprozesses vor der E - Spannung hatten und der bereits innerhalb der zulassigen
Grenzen lag. Die wahrend der Einspannung erzeugten Konturen der Schaufel - eine hohe Fertigungsgenauigkeit beim Fräsen vorausgesetzt - liegen damit ebenfalls innerhalb der zulassigen Grenzen.

Claims

Patentansprüche
1. Werkzeugmaschine zur Fräsbearbeitung von elastisch verformbaren, insbesondere metallischen, Werkstucken, wie Turbinenschaufeln und dergleichen, umfassend eine Bearbeitungseinheit, in welche ein Fraswerkzeug einsetzbar und zur Erzeugung einer Schnittgeschwindig- keit antreibbar ist, sowie eine Spannvorrichtung zur Aufnahme des Werkstuckes wahrend einer Bearbeitung, wobei die Spannvorrichtung mit Spannflachen versehen ist, die zur flachigen Anlage am Werkstuck vorgesehen sind, und eine Antriebseinheit zur Erzeugung von Relativbewegungen zwischen der Bearbeitungseinheit und der Spannvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (3) zumindest zwei Spannbacken (15a, 15a'; 15b, 15b') aufweist, die mehrfach wiederver- wendbar sind, und dass die an den Spannbacken (15a,
15a'; 15b, 15b') ausgebildeten Spannflachen (21, 21'; 22, 22') der Spannvorrichtung (3) zumindest einem Abschnitt einer Sollform des Werkstuckes entsprechen.
2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, dass die Spannbacken (15a, 15b) sich der Spannvorrichtung m einer Weise anordnen lassen, wodurch sich eine geometrische Form des Werkstuckes durch eine Verformung an die Kontur der Spannflachen (21, 21'; 22, 22' ) anpasst .
3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannflachen (21, 21'; 22, 22') an eine Sollform einer Turbmenschaufel (8) angepasst ist.
4. Werkzeugmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (3) mit einer Turbinen- schaufei (8) m einer Rundstation (2) angeordnet ist, und die Turbmenschaufel mit einer Langsachse (18) im wesentlichen quer zu einer Rotationsachse (5) der Rundstation ausgerichtet ist.
5. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest zwei Paare von Spannbacken (15a, 15a'; 15b, 15b') .
6. Werkzeugmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Spannflachen (21, 21'; 22, 22') der Spannbak- kenpaare jeweils mit Abschnitten der Sollform der Turbinenschaufel (8) kongruent sind, zwischen denen em Snub- ber (19) angeordnet ist.
. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Grundkorper (10), welcher zumindest eine Aufnahme aufweist, in die als Spannbacken ausgebildete austauschbare Einsätze angeordnet werden können, wobei an den Einsätzen Spannflachen (21, 21'; 22, 22') vorgesehen sind.
8. Spannvorrichtung zur Positionierung und zum Halten von Turbinenschaufeln wahrend ihrer Bearbeitung, die mit an
Spannbacken ausgebildeten Spannflachen (21, 21'; 22, 22') versehen ist, die zur Anlage gegen sich gegenüberliegende Flachenabschnitte der Turbinenschaufel vorgesehen sind, gekennzeichnet durch zumindest zwei Spannbak- ken (15a, 15a'; 15b, 15b'), die wiederverwendbar sind, wobei eine geometrische Form der Spannflachen (21, 21'; 22, 22') zumindest einem Abschnitt einer Sollform der Turbmenschaufel entsprechen.
9. Spannvorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch em oder mehrere Merkmale der in den vorhergehenden Ansprüchen 2 bis 7 beschriebenen Spannvorrichtung.
0. Verfahren zur Bearbeitung von elastisch verformbaren Werkstücken, wie Turbinenschaufeln und dergleichen, bei dem zunächst eine Spannvorrichtung geschaffen wird, nacheinander mehrere Werkstücke des gleichen Typs in die sich in einer Werkzeugmaschine befindenden und baulich unverändert bleibenden Spannvorrichtung angeordnet und bearbeitet werden, die Werkstücke jeweils zwischen Spannflächen mehrerer Spannbacken der Spannvorrichtung an zumindest einem von einer ebenen Fläche abweichenden Flächenbereich des Werkstückes gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannflächen (21, 21' ; 22, 22' ) jeweils eine Kontur aufweisen, welche einem Abschnitt der Sollkontur des Werkstückes entspricht, und das Werkstück, sofern es von einer Sollkontur abweicht, beim Einspannen elastisch verformt wird, wodurch sich eine
Form des Werkstückes während der Einspannnung zumindest der Sollform annähert.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spannvorrichtung (3) mit dem Werkstück in einer Rundstation (2) befindet, welche die Spannvorrichtung während einer Bearbeitung um eine Rotationsachse (5) der Rundstation nach Bedarf dreht, und das Werkstück eine Turbinenschaufel (8) ist, welchs quer zur Rotationsachse ausgerichtet ist.
12. Verfahren nach einem oder beiden der vorhergehenden Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass Spannflächen (21, 22) der Spannvorrichtung (3) auf der gleichen Werkzeugmaschine gefertigt werden, auf der auch die Werkstücke bearbeitet werden.
EP00951184A 1999-08-27 2000-08-24 Werkzeugmaschine mit spannvorrichtung Withdrawn EP1206331A1 (de)

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