EP1623794A1 - Vorrichtung zum Oberflächenstrahlen von Bauteilen - Google Patents

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EP1623794A1
EP1623794A1 EP05016117A EP05016117A EP1623794A1 EP 1623794 A1 EP1623794 A1 EP 1623794A1 EP 05016117 A EP05016117 A EP 05016117A EP 05016117 A EP05016117 A EP 05016117A EP 1623794 A1 EP1623794 A1 EP 1623794A1
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EP
European Patent Office
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processing chamber
shaped
cross
legs
vibrator
Prior art date
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EP05016117A
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English (en)
French (fr)
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EP1623794B1 (de
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Erwin Dr. Bayer
Thomas Dautl
Thomas Peschke
Holger Polanetzki
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Publication date
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    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
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    • B24C5/005—Vibratory devices, e.g. for generating abrasive blasts by ultrasonic vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/10—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for compacting surfaces, e.g. shot-peening
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    • B24C5/08—Devices for generating abrasive blasts non-mechanically, e.g. of metallic abrasives by means of a magnetic field or by detonating cords
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    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/49336—Blade making

Definitions

  • the invention relates to a device for surface blasting, in particular for ultrasonic shot peening, of components, in particular gas turbine components, according to the preamble of patent claim 1.
  • Gas turbines in particular aircraft engines, have, in particular in the area of a compressor and a turbine, at least one rotor equipped with rotating blades, wherein the rotating rotor blades of the gas turbine are either anchored via profiled blade feet in recesses of the gas turbine rotor or are an integral part of a gas turbine rotor. If the blades are anchored via blade roots in corresponding recesses of the rotor, then the blades are either profiled according to the so-called fir-tree design or according to the so-called dovetail design.
  • the preferably fir-tree-profiled or dovetail-profiled surfaces of a blade root of a gas turbine blade are also referred to as support flanks or wings.
  • a surface treatment method for solidifying components in particular gas turbine components such as gas turbine blades, preferably shot peening is used.
  • shot peening In conventional shot peening, a significant surface roughening at the blasted surfaces can occur.
  • US 6,536,109 B2 discloses a corresponding device with an ultrasonic sonotrode, wherein the ultrasonic sonotrode a horizontal or horizontally extending, vibrating or vibrating surface, and extending above this vibrating surface, a processing chamber in which gas turbine blades are arranged standing with their blade roots for processing the same in the region of their wings.
  • the gas turbine blades to be machined are aligned in such a way that the profiled bearing surfaces of the blade roots to be machined run substantially perpendicular to the oscillating surface of the ultrasonic sonotrode. This only an insufficient quality can be achieved during shot peening of the profiled wings of the blade roots.
  • blasting of thin-walled components is not possible with the device disclosed in US Pat. No. 6,526,109 B2, since such thin-walled components would be exposed to unacceptable deformation during machining in this device known from the prior art.
  • the present invention is based on the problem to provide a novel device for surface blasting, in particular for ultrasonic shot peening, of components.
  • the processing chamber is limited in cross-section by at least three legs, namely at least two substantially vertically extending legs and at least one substantially horizontally extending leg, wherein at least the vertically extending legs of the processing chamber are formed by vibrating surfaces of a respective vibrator.
  • the processing chamber is formed in cross-section W-shaped or V-shaped, wherein at least the vertically extending legs of the cross-sectionally W-shaped or V-shaped processing chamber are formed by vibrating surfaces of a respective vibrator.
  • the horizontally extending legs may be formed as surfaces of a respective vibrator or as injectors, wherein the injectors move the balls back onto the vibrating, substantially vertically extending legs.
  • the device according to the invention for surface blasting of components, a significantly better quality of machining of the surfaces of a component to be machined can be achieved compared to the devices known from the prior art. Furthermore, the device according to the invention makes it possible, for example, to machine blade roots or blade leaves of gas turbine blades in such a way that sections to be consolidated are simultaneously blasted from two opposite sides. As a result, on the one hand, the effectiveness of surface blasting increases, on the other hand, inadmissible deformations of the radiating, thin-walled component sections are avoided in particular in thin-walled components. With the device according to the invention, even thin-walled disks with so-called wings on integrally bladed gas turbine rotors can be bombarded with high intensity during ultrasonic shot peening without unduly deforming these complex-shaped components during surface blasting.
  • the cross-sectionally W-shaped or V-shaped processing chamber of two outer, substantially vertically extending long legs and at least one inner, substantially horizontally extending short leg is limited, each of the legs of a vibrating surface each of a vibrator is formed.
  • a further oscillating surface of a vibrator is positioned in transition regions between outer, long legs and inner, short legs or in low points of the processing chamber, which is W-shaped or V-shaped in cross-section, or an injector for the balls is provided.
  • Fig. 1 shows a highly schematic of an inventive device 10 for ultrasonic shot peening in conjunction with a gas turbine blade 11, which is to radiate in the inventive device 10 on profiled support flanks or wings 12 and 13 of a blade root 14.
  • the gas turbine blade 11 projects with the blade root 14 into a processing chamber 15 provided by the device according to the invention, wherein an airfoil 16 of the gas turbine blade 11, which is not to be processed in FIG. 1, emerges from the processing chamber 15 of the device 10 according to the invention protrudes.
  • the processing chamber 15 is W-shaped in cross-section or marked by a W-profile.
  • the cross-sectionally W-shaped processing chamber 15 is bounded by two outer, substantially vertically extending long legs 17 and 18 and two inner, substantially horizontally extending short legs 19 and 20.
  • each of these legs 17, 18, 19 and 20 is formed by a vibrating surface of a vibrator, namely an ultrasonic sonotrode.
  • the legs 17, 18, 19 and 20 of the W-shaped processing chamber 15 are therefore the vibrating surfaces of ultrasonic sonotrodes, wherein the oscillating portion of the surfaces is visualized by double arrows.
  • the support flanks or wings 12 and 13 of the radiant blade root 14 are fir tree profiled, and the legs 17 and 18 extend substantially parallel to an envelope 22 of the tannenbauprofil believing support flanks or wings 12 and 13.
  • the device 10 according to the invention thus makes it possible to radiate the blade root 14 simultaneously from both sides, that is to say in the area of both wings.
  • the processing chamber 15, which is W-shaped in cross section, is bounded by a total of six oscillating surfaces of corresponding ultrasonic sonotrodes or by four oscillating surfaces and two injectors. In the area of the outer, long legs 17 and 18 and the inner short leg 19 and 20, an ultrasonic sonotrode is positioned in each case. On the upper side, the processing chamber 15 is closed by a cover 21.
  • the projecting into the processing chamber 15 blade root 14 can be solidified in the device according to the invention in a particularly effective and gentle manner on the support flanks or wings 12 and 13.
  • the blade root 14 can be blasted from both sides at the same time, ie simultaneously in the area of both support flanks or wings 12 and 13.
  • FIG. 2 shows the device 10 according to the invention when blasting an integrally bladed gas turbine rotor 25 in the region of a rotor disk 26.
  • protrusions 27 - also called wings - extend almost completely over the open top W profile of the processing chamber 15, so can be dispensed with a cover at the top of the processing chamber 15.
  • the rotor disk 26 is blasted on both sides.
  • FIG. 3 shows the device 10 according to the invention during the blasting of an airfoil 29 of an integrally bladed gas turbine rotor 25. Also, airfoils 29 can be radiated effectively and at the same time gently by means of the device 10 according to the invention.
  • FIG. 4 shows the device 10 according to the invention when blasting the integrally bladed gas turbine rotor 25 in the region of a thin-walled wing 27 and a sealing fin 29.
  • the device 10 of FIG. 4 differs from the devices 10 of FIGS. 1 to 3 only in that Embodiment of Fig. 4, the two outer, long legs 17 and 18 are substantially parallel to each other. This W-shaped profile is particularly advantageous when blasting thin-walled wings.
  • FIG. 5 again shows in highly schematic form a device 30 according to the invention for ultrasound shot peening in conjunction with a gas turbine blade 11 which in the device 10 according to the invention has profiled support flanks or wings 12 and 13, respectively to radiate a blade root 14.
  • the gas turbine blade 11 projects with the blade root 14 into a processing chamber 15 provided by the device according to the invention, wherein an airfoil 16 of the gas turbine blade 11, which is not to be processed in FIG. 1, emerges from the processing chamber 15 of the device 10 according to the invention protrudes.
  • the processing chamber 31 of the device 30 is formed in cross-section V-shaped or marked by a V-profile.
  • the cross-sectionally V-shaped processing chamber 31 is bounded by two outer, substantially vertically extending long legs 32 and 33 and an inner, substantially horizontally extending short leg 34.
  • Each of these legs 32, 33 and 34 is formed by a vibrating surface of a vibrator, namely an ultrasonic sonotrode.
  • an injector may also be positioned. It is not only in the region of the legs 32, 33 and 34 of the cross-sectionally V-shaped processing chamber 31 vibrating surfaces of ultrasonic sonotrodes positioned, but also in transition regions 35 and 36 between the outer, long legs 32 and 33 and the inner , short leg 34.
  • a device for surface blasting of components wherein a processing chamber of the device has a W-profile or V-profile or in cross-section W-shaped or V-shaped, and wherein at least in the region of the substantially vertical legs of the profile vibrating surfaces of ultrasonic sonotrodes are positioned.
  • vibrating surfaces of ultrasonic sonotrodes or injectors are also positioned in the transition region between the outer and the inner legs, ie at the lowest point of the profiles.
  • the device according to the invention is preferably used for blasting thin-walled gas turbine components, in particular for blasting gas turbine blades in the area of their blade roots or blades, and for blasting integrally bladed gas turbine rotors in the area of the rotor disks and blades of the same.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Oberflächenstrahlen, insbesondere zum Ultraschall-Kugelstrahlen, von Bauteilen, insbesondere von Gasturbinenbauteilen, mit mindestens einem, eine schwingende Oberfläche aufweisenden Vibrator, insbesondere mit mindestens einer Ultraschall-Sonotrode, wobei sich an die oder jede schwingende Oberfläche des oder jedes Vibrators eine Bearbeitungskammer zur Aufnahme eines zu strahlenden Abschnitts des zu bearbeitenden Bauteils anschließt. Erfindungsgemäß ist die Bearbeitungskammer (15; 31) im Querschnitt von mindestens drei Schenkeln begrenzt, nämlich von mindestens zwei im wesentlichen vertikal verlaufenden Schenkeln (17, 18; 32, 33) und von mindestens einem im wesentlichen horizontal verlaufenden Schenkel (19, 20; 34), wobei zumindest die im wesentlichen vertikal verlaufenden Schenkel der Bearbeitungskammer (15; 31) von schwingenden Oberflächen jeweils eines Vibrators gebildet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Oberflächenstrahlen, insbesondere zum Ultraschall-Kugelstrahlen, von Bauteilen, insbesondere Gasturbinenbauteilen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, verfügen insbesondere im Bereich eines Verdichters sowie einer Turbine über mindestens einen mit rotierenden Laufschaufeln bestückten Rotor, wobei die rotierenden Laufschaufeln der Gasturbine entweder über profilierte Schaufelfüße in Ausnehmungen des Gasturbinenrotors verankert oder integraler Bestandteil eines Gasturbinenrotors sind. Sind die Laufschaufeln über Schaufelfüße in entsprechenden Ausnehmungen des Rotors verankert, so sind die Schaufelfü-βe entweder nach dem sogenannten Tannenbaum-Design (fir tree design) oder nach dem sogenannten Schwalbenschwanz-Design (dove tail design) profiliert. Die vorzugsweise tannenbaumprofilierten oder schwalbenschwanzprofilierten Flächen eines Schaufelfußes einer Gasturbinenschaufel werden auch als Tragflanken oder Tragflächen bezeichnet. Während des Betriebs einer Gasturbine werden die Schaufelfüße an ihren profilierten Tragflächen insbesondere durch Reibverschleiß stark beansprucht. Die Verschleißrate im Bereich der Schaufelfüße kann dadurch herabgesetzt werden, dass die Schaufelfüße an ihren Tragflächen durch spezielle Oberflächenbearbeitungsverfahren verfestigt werden. Eine ähnliche Problematik stellt sich auch bei integral beschaufelten Gasturbinenrotoren, die im Bereich ihrer Rotorscheiben zur Minimierung der Verschleißrate verfestigt werden. Auch werden Schaufelblätter von Gasturbinenschaufeln an ihren Oberflächen zur Minimierung der Verschleißrate verfestigt.
  • Als Oberflächenbearbeitungsverfahren zum Verfestigen von Bauteilen, insbesondere von Gasturbinebauteilen wie Gasturbinenschaufeln, kommt vorzugsweise das Kugelstrahlen zum Einsatz. Beim konventionellen Kugelstrahlen kann sich eine erhebliche Oberflächenaufrauung an den gestrahlten Flächen einstellen. Zur Verbesserung der sich beim Kugelstrahlen einstellenden Bearbeitungsqualität ist es aus dem Stand der Technik gemäß US 6,536,109 B2 bereits bekannt, zum Beispiel Schaufelfüße von Gasturbinenschaufeln im Bereich ihrer profilierten Tragflächen durch Ultraschall-Kugelstrahlen zu verfestigen.
  • So offenbart die US 6,536,109 B2 eine entsprechende Vorrichtung mit einer Ultraschall-Sonotrode, wobei die Ultraschall-Sonotrode eine horizontal bzw. waagrecht verlaufende, vibrierende bzw. schwingende Oberfläche aufweist, und wobei sich oberhalb dieser schwingenden Oberfläche eine Bearbeitungskammer erstreckt, in welcher Gasturbinenschaufeln mit ihren Schaufelfüßen zur Bearbeitung derselben im Bereich ihrer Tragflächen stehend angeordnet sind. Gemäß der US 6,526,109 B2 sind dabei die zu bearbeitenden Gasturbinenschaufeln derart stehend ausgerichtet, dass die zu bearbeitenden, profilierten Tragflächen der Schaufelfüße im wesentlichen senkrecht zu der schwingenden Oberfläche der Ultraschall-Sonotrode verlaufen. Hiermit kann nur eine ungenügende Qualität beim Kugelstrahlen der profilierten Tragflächen der Schaufelfüße erreicht werden. Weiterhin ist mit der in der US 6,526,109 B2 offenbarten Vorrichtung ein Strahlen dünnwandiger Bauteile nicht möglich, da solche dünnwandigen Bauteile bei einer Bearbeitung in dieser aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung einer unzulässigen Verformung ausgesetzt wären.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Vorrichtung zum Oberflächenstrahlen, insbesondere zum Ultraschall-Kugelstrahlen, von Bauteilen zu schaffen.
  • Dieses Problem wird durch eine Vorrichtung im Sinne von Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist die Bearbeitungskammer im Querschnitt von mindestens drei Schenkeln begrenzt, nämlich von mindestens zwei im wesentlichen vertikal verlaufenden Schenkeln und von mindestens einem im wesentlichen horizontal verlaufenden Schenkel, wobei zumindest die vertikal verlaufenden Schenkel der Bearbeitungskammer von schwingenden Oberflächen jeweils eines Vibrators gebildet sind. Die Bearbeitungskammer ist im Querschnitt W-förmig oder V-förmig ausgebildet, wobei zumindest die vertikal verlaufenden Schenkel der im Querschnitt W-förmig oder V-förmig ausgebildeten Bearbeitungskammer von schwingenden Oberflächen jeweils eines Vibrators gebildet sind. Die horizontal verlaufenden Schenkel können als Oberflächen jeweils eines Vibrators oder als Injektoren ausgebildet sein, wobei die Injektoren die Kugeln zurück auf die vibrierenden, im wesentlichen vertikal verlaufenden Schenkel bewegen.
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Oberflächenstrahlen von Bauteilen lässt sich gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen eine deutlich bessere Bearbeitungsqualität an den zu bearbeitenden Oberflächen eines Bauteils erzielen. Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beispiel eine Bearbeitung von Schaufelfüßen oder auch Schaufelblättern von Gasturbinenschaufeln derart, dass zu verfestigende Abschnitte gleichzeitig von zwei gegenüberliegenden Seiten gestrahlt werden. Hierdurch wird einerseits die Effektivität beim Oberflächenstrahlen erhöht, andererseits werden insbesondere bei dünnwandigen Bauteilen unzulässige Verformungen der zu strahlenden, dünnwandigen Bauteilabschnitte vermieden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können erstmals auch dünnwandige Scheiben mit sogenannten Wings an integral beschaufelten Gasturbinenrotoren beim Ultraschall-Kugelstrahlen mit einer hohen Intensität beschossen werden, ohne diese komplex geformten Bauteile beim Oberflächenstrahlen unzulässig zu verformen.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die im Querschnitt W-förmig oder V-förmig ausgebildete Bearbeitungskammer von zwei äußeren, im wesentlichen vertikal verlaufenden langen Schenkeln und mindestens einem inneren, im wesentlichen horizontal verlaufenden kurzen Schenkel begrenzt, wobei jeder der Schenkel von einer schwingenden Oberfläche jeweils eines Vibrators gebildet ist. Vorzugsweise ist in Übergangsbereichen zwischen äußeren, langen Schenkeln und inneren, kurzen Schenkeln bzw. in Tiefpunkten der im Querschnitt W-förmig oder V-förmig ausgebildeten Bearbeitungskammer jeweils eine weitere schwingende Oberfläche eines Vibrators positioniert oder es ist ein Injektor für die Kugeln vorgesehen.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    eine stark schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Oberflächenstrahlen, insbesondere zum Ultraschall-Kugelstrahlen, beim Strahlen einer Gasturbinenschaufel im Bereich eines Schaufelfußes;
    Fig. 2
    die erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Oberflächenstrahlen, insbesondere zum Ultraschall-Kugelstrahlen, beim Strahlen einer Rotorscheibe eines integral beschaufelten Gasturbinerotors;
    Fig. 3
    die erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Oberflächenstrahlen, insbesondere zum Ultraschall-Kugelstrahlen, beim Strahlen eines Schaufelblatts eines integral beschaufelten Gasturbinerotors;
    Fig. 4
    die erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Oberflächenstrahlen, insbesondere zum Ultraschall-Kugelstrahlen, beim Strahlen eines dünnwandigen Wings eines integral beschaufelten Gasturbinerotors; und
    Fig. 5
    eine stark schematisierte Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Oberflächenstrahlen, insbesondere zum Ultraschall-Kugelstrahlen, beim Strahlen einer Gasturbinenschaufel im Bereich eines Schaufelfußes.
  • Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 5 in größerem Detail beschrieben.
  • Fig. 1 zeigt stark schematisiert eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zum Ultraschall-Kugelstrahlen in Verbindung mit einer Gasturbinenschaufel 11, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 an profilierten Tragflanken bzw. Tragflächen 12 bzw. 13 eines Schaufelfußes 14 zu strahlen ist. Wie Fig. 1 entnommen werden kann, ragt hierzu die Gasturbinenschaufel 11 mit dem Schaufelfuß 14 in eine von der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereitgestellte Bearbeitungskammer 15 hinein, wobei ein in Fig. 1 nicht zu bearbeitendes Schaufelblatt 16 der Gasturbinenschaufel 11 aus der Bearbeitungskammer 15 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 herausragt.
  • Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist die Bearbeitungskammer 15 im Querschnitt W-förmig ausgebildet bzw. durch ein W-Profil gekennzeichnet. So ist die im Querschnitt W-förmig ausgebildete Bearbeitungskammer 15 von zwei äußeren, im wesentlichen vertikal verlaufenden langen Schenkeln 17 und 18 sowie von zwei inneren, im wesentlichen horizontal verlaufenden kurzen Schenkeln 19 und 20 begrenzt. Erfindungsgemäß wird jeder dieser Schenkel 17, 18, 19 und 20 von einer vibrierenden bzw. schwingenden Oberfläche eines Vibrators, nämlich einer Ultraschall-Sonotrode, gebildet. Bei den Schenkel 17, 18, 19 und 20 der W-förmig ausgebildeten Bearbeitungskammer 15 handelt es sich demnach um die schwingenden Oberflächen von Ultraschall-Sonotroden, wobei der schwingende Abschnitt der Oberflächen durch Doppelpfeile visualisiert ist.
  • Mithilfe der als schwingende Oberflächen von Ultraschall-Sonotroden ausgebildeten Schenkeln 17, 18, 19 und 20 werden in der Bearbeitungskammer 15 positionierte, nicht-dargestellte Kugeln beschleunigt und in Richtung auf die zu bearbeitenden Tragflanken bzw. Tragflächen 12, 13 des Schaufelfußes 14 geschleudert. Oben ist die Bearbeitungskammer 15 von einer nicht-schwingenden Abdeckung 21 begrenzt, an der die mithilfe der Ultraschall-Sonotroden beschleunigten Kugeln reflektiert werden. Aus der Anordnung der Fig. 1 folgt unmittelbar, dass sich für die Kugeln innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 bzw. innerhalb der Bearbeitungskammer 15 keine Vorzugsrichtung einstellt. Die Kugeln werden demnach aus allen Richtungen gleich verteilt auf die zu bearbeitenden Tragflanken bzw. Tragflächen 12 und 13 des Schaufelfußes geschleudert. Hierdurch ergibt sich eine besonders gleichmäßige Verfestigung des zu bearbeitenden Schaufelfußes 14 an den Tragflanken bzw. Tragflächen 12 und 13.
  • Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird weiterhin vorgeschlagen, die als vibrierende Oberflächen von Ultraschall-Sonotroden ausgebildeten Schenkel 17 und 18 der im Querschnitt W-förmig ausgebildeten Bearbeitungskammer 15 so auszurichten, dass die Schenkel 17 und 18 im Wesentlichen parallel zu der zu strahlenden Oberflächenkontur verlaufen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind die Tragflanken bzw. Tragflächen 12 und 13 des zu strahlenden Schaufelfußes 14 tannenbaumprofiliert, und die Schenkel 17 und 18 verlaufen im Wesentlichen parallel zu einer Einhüllenden 22 der tannenbauprofilierten Tragflanken bzw. Tragflächen 12 und 13. Hierdurch ist einerseits eine gute Bearbeitungsqualität an den zu strahlenden Tragflanken bzw. Tragflächen 12 und 13 des Schaufelfußes 14 realisierbar, andererseits können die beiden Tragflanken bzw. Tragflächen 12 und 13 gleichzeitig gestrahlt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ermöglicht demnach, den Schaufelfuß 14 gleichzeitig von beiden Seiten, also im Bereich beider Tragflächen, zu strahlen.
  • Wie Fig. 1 entnommen werden kann, sind nicht nur im Bereich der Schenkel 17, 18, 19 und 20 der im Querschnitt W-förmig ausgebildeten Bearbeitungskammer 15 schwingende Oberflächen von Ultraschall-Sonotroden positioniert, sondern vielmehr auch in Übergangsbereichen 23 und 24 zwischen den äußeren, langen Schenkeln 17 und 18 und den inneren, kurzen Schenkeln 19 und 20. Die Übergangsbereiche 23 und 24 stellen sozusagen die am tiefsten gelegenen Punkte bzw. die Tiefpunkte des W-Profils der Bearbeitungskammer 15 dar, wobei die mithilfe der Ultraschall-Sonotroden beschleunigten Kugeln unter dem Einfluss der Schwerkraft sich im Bereich dieser Tiefpunkte sammeln und von den dort positionierten Ultraschall-Sonotroden bzw. den schwingenden Oberflächen derselben wieder zurück in den Bearbeitungsraum 15 geschleudert werden. Anstelle der Ultraschall-Sonotroden können in den Übergangsbereiche 23 und 24 auch Injektoren für die Kugeln angeordnet sein, welche die Kugeln zurück auf die vibrierenden Schenkel bewegen. Die schwingenden Abschnitte der in den Übergangsbereichen 23 und 24 positionierten Ultraschall-Sonotroden oder Injektoren sind wiederum durch Doppelpfeile visualisiert.
  • Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist demnach die im Querschnitt W-förmig ausgebildete Bearbeitungskammer 15 von insgesamt sechs schwingenden Oberflächen entsprechender Ultraschall-Sonotroden oder von vier schwingenden Oberflächen und zwei Injektoren begrenzt. Im Bereich der äußeren, langen Schenkel 17 und 18 und der inneren, kurzen Schenkel 19 sowie 20 ist jeweils eine Ultraschall-Sonotrode positioniert. Auf der Oberseite ist die Bearbeitungskammer 15 von einer Abdeckung 21 verschlossen. Der in die Bearbeitungskammer 15 hineinragende Schaufelfuß 14 kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf besonders effektive und schonende Art und Weise an den Tragflanken bzw. Tragflächen 12 und 13 verfestigt werden. Da sich keine Vorzugsrichtung für die mithilfe der Ultraschall-Sonotroden beschleunigten Kugeln ergibt, werden unerwünschte Materialverformungen sowie Beschädigungen im Bereich der zu strahlenden Tragflanken bzw. Tragflächen 12 und 13 vermieden. Weiterhin kann der Schaufelfuß 14 von beiden Seiten gleichzeitig, also gleichzeitig im Bereich beider Tragflanken bzw. Tragflächen 12 und 13, gestrahlt werden.
  • Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 beim Strahlen eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors 25 im Bereich einer Rotorscheibe 26. Im Beispiel der Fig. 2 erstrecken sich Vorsprünge 27 - auch Wings genannt - nahezu vollständig über das oben offene W-Profil der Bearbeitungskammer 15, sodass auf eine Abdeckung an der Oberseite der Bearbeitungskammer 15 verzichtet werden kann. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wird die Rotorscheibe 26 beidseitig gestrahlt. Wie insbesondere Fig. 2 entnommen werden kann, ergibt sich für die mithilfe der im Bereich der Schenkel 17, 18, 19 und 20 angeordneten Sonotroden beschleunigten Kugeln keine Vorzugsrichtung, sodass die beschleunigten Kugeln aus allen Richtungen auf die zu verfestigende Oberflächen der Rotorscheibe 26 treffen. Dies ist in Fig. 2 durch die Linien 28 schematisiert dargestellt. Bedingt dadurch, dass sich für die Mithilfe der Sonotroden beschleunigten Kugeln keine Vorzugsrichtung einstellt und dass des weiteren gleichzeitig ein beidseitiges Bestrahlen der Rotorscheibe 26 möglich ist, ergibt sich auch dann eine gute Qualität beim Oberflächenstrahlen, wenn die Rotorscheibe 26 dünnwandig ausgebildet ist.
  • Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 beim Strahlen eines Schaufelblatts 29 eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors 25. Auch Schaufelblätter 29 lassen sich demnach mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 effektiv und gleichzeitig schonend strahlen.
  • Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 beim Strahlen des integral beschaufelten Gasturbinenrotors 25 im Bereich eines dünnwandigen Wings 27 und eines Dichtfinträgers 29. Die Vorrichtung 10 der Fig. 4 unterscheidet sich von den Vorrichtungen 10 der Fig. 1 bis 3 lediglich dadurch, dass im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 die beiden äußeren, langen Schenkel 17 und 18 im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Dieses W-förmige Profil ist insbesondere beim Strahlen von dünnwandigen Wings vorteilhaft.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt Fig. 5. So zeigt Fig. 5 wiederum stark schematisiert eine erfindungsgemäße Vorrichtung 30 zum Ultraschall-Kugelstrahlen in Verbindung mit einer Gasturbinenschaufel 11, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 an profilierten Tragflanken bzw. Tragflächen 12 bzw. 13 eines Schaufelfußes 14 zu strahlen ist. Wie Fig. 1 entnommen werden kann, ragt hierzu die Gasturbinenschaufel 11 mit dem Schaufelfuß 14 in eine von der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereitgestellte Bearbeitungskammer 15 hinein, wobei ein in Fig. 1 nicht zu bearbeitendes Schaufelblatt 16 der Gasturbinenschaufel 11 aus der Bearbeitungskammer 15 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 herausragt. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 ist die Bearbeitungskammer 31 der Vorrichtung 30 im Querschnitt V-förmig ausgebildet bzw. durch ein V-Profil gekennzeichnet. So ist die im Querschnitt V-förmig ausgebildete Bearbeitungskammer 31 von zwei äußeren, im wesentlichen vertikal verlaufenden langen Schenkeln 32 und 33 sowie einem inneren, im wesentlichen horizontal verlaufenden kurzen Schenkel 34 begrenzt. Jeder dieser Schenkel 32, 33 und 34 ist von einer vibrierenden bzw. schwingenden Oberfläche eines Vibrators, nämlich einer Ultraschall-Sonotrode, gebildet. Im Bereich des im wesentlichen horizontal verlaufenden Schenkels 34 kann auch ein Injektor positioniert sein. Es sind nicht nur im Bereich der Schenkel 32, 33 und 34 der im Querschnitt V-förmig ausgebildeten Bearbeitungskammer 31 schwingende Oberflächen von Ultraschall-Sonotroden positioniert, sondern vielmehr auch in Übergangsbereichen 35 und 36 zwischen den äußeren, langen Schenkeln 32 und 33 und dem inneren, kurzen Schenkel 34.
  • Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Oberflächenstrahlen von Bauteilen vorzuschlagen, wobei eine Bearbeitungskammer der Vorrichtung über ein W-Profil oder V-Profil verfügt bzw. im Querschnitt W-förmig oder V-förmig ausgebildet ist, und wobei zumindest im Bereich der im wesentlichen vertikal verlaufenden Schenkel des Profils schwingende Oberflächen von Ultraschall-Sonotroden positioniert sind. Vorzugsweise sind auch im Übergangsbereich zwischen den äußeren und den inneren Schenkeln, also im Tiefpunkt der Profile schwingende Oberflächen von Ultraschall-Sonotroden oder auch Injektoren positioniert. Mithilfe einer solchen Vorrichtung ist ein gleichzeitiges, beidseitiges Ultraschallstrahlen von dünnwandigen Bauteilen besonderes effektiv und schonend möglich.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet bevorzugt Verwendung beim Strahlen von dünnwandigen Gasturbinenbauteilen, insbesondere beim Strahlen von Gasturbinenschaufeln im Bereich ihrer Schaufelfüße bzw. Schaufelblätter sowie beim Strahlen von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren im Bereich der Rotorscheiben sowie Schaufelblätter derselben.

Claims (15)

  1. Vorrichtung zum Oberflächenstrahlen, insbesondere zum Ultraschall-Kugelstrahlen, von Bauteilen, insbesondere von Gasturbinenbauteilen, mit mindestens einem, eine schwingende Oberfläche aufweisenden Vibrator, insbesondere mit mindestens einer Ultraschall-Sonotrode, wobei sich an die oder jede schwingende Oberfläche des oder jedes Vibrators eine Bearbeitungskammer zur Aufnahme eines zu strahlenden Abschnitts des zu bearbeitenden Bauteils anschließt,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Bearbeitungskammer (15; 31) im Querschnitt von mindestens drei Schenkeln begrenzt ist, nämlich von mindestens zwei im wesentlichen vertikal verlaufenden Schenkeln (17, 18; 32, 33) und von mindestens einem im wesentlichen horizontal verlaufenden Schenkel (19, 20; 34), wobei zumindest die im wesentlichen vertikal verlaufenden Schenkel der Bearbeitungskammer (15; 31) von schwingenden Oberflächen jeweils eines Vibrators gebildet sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Bearbeitungskammer (15; 31) im Querschnitt W-förmig oder V-förmig ausgebildet ist
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Bearbeitungskammer (15) im Querschnitt W-förmig ausgebildet ist, mit zwei im wesentlichen vertikal verlaufenden Schenkeln (17, 18) und zwei im wesentlichen horizontal verlaufenden Schenkel (19, 20), wobei zumindest die im wesentlichen vertikal verlaufenden Schenkel (17, 18) der im Querschnitt W-förmig ausgebildeten Bearbeitungskammer (15) von schwingenden Oberflächen jeweils eines Vibrators gebildet sind.
  4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die im Querschnitt W-förmig ausgebildete Bearbeitungskammer (15) von zwei äußeren, im wesentlichen vertikal verlaufenden langen Schenkeln (17, 18) und zwei inneren, im wesentlichen horizontal verlaufenden kurzen Schenkeln (19, 20) begrenzt ist, wobei jeder der Schenkel (17, 18, 19, 20) von einer schwingenden Oberfläche jeweils eines Vibrators gebildet ist.
  5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in Übergangsbereichen (23, 24) zwischen äußeren, langen Schenkeln (17, 18) und inneren, kurzen Schenkeln (19, 20) der im Querschnitt W-förmig ausgebildeten Bearbeitungskammer (15) jeweils eine weitere schwingende Oberfläche eines Vibrators oder ein Injektor positioniert ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die in den Übergangsbereichen (23, 24) positionierten, schwingenden Oberflächen oder die Injektoren in Tiefpunkten des W-Profils der Bearbeitungskammer (15) angeordnet sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die im Querschnitt W-förmig ausgebildete Bearbeitungskammer (15) von sechs schwingenden Oberflächen oder von vier schwingenden Oberflächen und zwei Injektoren begrenzt wird.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Bearbeitungskammer (31) im Querschnitt V-förmig ausgebildet ist mit zwei im wesentlichen vertikal verlaufenden Schenkeln (32, 33) und einem im wesentlichen horizontal verlaufenden Schenkel (34), wobei zumindest die im wesentlichen vertikal verlaufenden Schenkel der im Querschnitt V-förmig ausgebildeten Bearbeitungskammer (31) von schwingenden Oberflächen jeweils eines Vibrators gebildet sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der im wesentlichen horizontal verlaufende Schenkel (34) als schwingende Oberfläche eines Vibrators ausgebildet ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der im wesentlichen horizontal verlaufende Schenkel (34) als Injektor ausgebildet ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in Übergangsbereichen (35, 36) zwischen den im wesentlichen vertikal verlaufenden Schenkeln (32, 33) und dem im wesentlichen horizontal verlaufenden Schenkel (34) der im Querschnitt V-förmig ausgebildeten Bearbeitungskammer (31) jeweils eine weitere schwingende Oberfläche eines Vibrators oder ein Injektor positioniert ist.
  12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die äußeren, langen Schenkel (17, 18; 32, 33) der im Querschnitt W-förmig oder V-förmig ausgebildeten Bearbeitungskammer (15; 31) in etwa parallel zu der zu strahlenden Oberflächenkontur bzw. einer Einhüllenden der zu strahlenden Oberflächenkontur des in die Bearbeitungskammer (15; 31) hineinragenden Abschnitts des zu bearbeitenden Bauteils ausgerichtet sind.
  13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die im Querschnitt W-förmig oder V-förmig ausgebildete Bearbeitungskammer (15; 31) nach oben hin von einer Abdeckung (21) begrenzt ist, wobei das Bauteil mit dem zu strahlenden Abschnitt die Abdeckung (21) durchdringt und mit dem zu strahlenden Abschnitt in die Bearbeitungskammer (15; 31) hineinragt.
  14. Verwendung einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 zum gleichzeitig beidseitigen Ultraschall-Kugelstrahlen von Bauteilen, insbesondere von Gasturbinenbauteilen.
  15. Verwendung einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 zum gleichzeitig beidseitigen Ultraschall-Kugelstrahlen von Gasturbinenschaufeln oder integral beschaufelten Gasturbinenrotoren vorzugsweise im Bereich dünnwandiger Abschnitte derselben.
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