EP2886810A1 - Verfahren zur Herstellung eines zylinderförmigen Bauteils - Google Patents

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EP2886810A1
EP2886810A1 EP14193323.4A EP14193323A EP2886810A1 EP 2886810 A1 EP2886810 A1 EP 2886810A1 EP 14193323 A EP14193323 A EP 14193323A EP 2886810 A1 EP2886810 A1 EP 2886810A1
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EP
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blank
shell
housing
cylindrical
flat blank
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Helmut Eibl
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MTU Aero Engines AG
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/26—Making machine elements housings or supporting parts, e.g. axle housings, engine mountings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/20—Deep-drawing
    • B21D22/26—Deep-drawing for making peculiarly, e.g. irregularly, shaped articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/06—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor for performing particular operations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D5/00—Bending sheet metal along straight lines, e.g. to form simple curves
    • B21D5/01—Bending sheet metal along straight lines, e.g. to form simple curves between rams and anvils or abutments
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • 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
    • Y10T29/4932—Turbomachine making

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a cylindrical component according to the preamble of claim 1.
  • Raw parts for cylindrical housing, such. B. Tuebwerks housing are typically ring-rolled.
  • the heated toroidal blank is rolled between a cylindrical mandrel roller disposed within the blank and a cylindrical main roller disposed outside the blank, the axes of the mandrel roller and the main roller being parallel to the axis of the workpiece to be formed.
  • two conical-shaped axial rollers are arranged on the side diametrically opposite the blank above and below the blank.
  • the mandrel roll and the main roll determine the radial thickness of the blank (also referred to as the wall thickness of the blank) and the two axial rolls determine the axial length of the blank.
  • the housing has ribs, so that the wall thickness of the blank must be at least as large as the rib height.
  • cylindrical housings typically do not have a uniform thickness.
  • the ribs worked out. It is particularly disadvantageous because a very large chip volume is generated.
  • the ring must be cut into a half shell, so that a further working step is required in order to be able to produce the end product.
  • housings of turbomachinery must meet the so-called breakdown criterion (containment). This means that in the housing located rotating components in case of a defect, e.g. Break a blade, not allowed to penetrate through the housing. If the housing is cast so that the für Bachkriteuum can only be achieved by a correspondingly large mass. This has the disadvantage that the housing are heavier than machined housing.
  • the present invention is based on the object to present a method which results in the production of cylindrical components less chip volume and is more economical to manufacture.
  • the invention relates to a method for producing a cylindrical component, in particular of turbomachines.
  • a heated blank is provided.
  • the blank is pressure-formed into a flat blank.
  • the flat blank is bent into a cylindrical half-shell and / or rolled.
  • the blank can be heated above the recrystallization temperature of the blank material. This has the advantage that with respect to the ring rolling cutting to a half-shell is eliminated.
  • the flat blank is substantially cuboid. This has the advantage that little overhanging material is formed by the pressure forming and the flat blank has a similar shape as the later end product.
  • the flat blank on at least one of its contours on an allowance has the advantage that when printing, the missing dimensional accuracy can be compensated.
  • the allowance can be between 0 and 10 mm. In particular, the allowance may only be necessary on the contours, which later represent a bearing surface.
  • At least one rib and / or one eye is formed in at least one of the surfaces of the blank.
  • These elevations are mitgeformt same during the pressure deformation. This has the advantage that these surveys do not have to be worked out of the solid material. Compared to ring rolling produces no or hardly any chip volume. In this case, the elevations can advantageously be produced in the surface of the blank without oversize, so that the ribs, the eyes or Augan ceremoniesn must not be reworked.
  • At least one bearing surface of the half-shell is machined to a final dimension, in particular milled. This is particularly advantageous because it allows a higher dimensional accuracy can be achieved than with the pressure deformation is even possible. A finishing is then only in the required places, such as the bearing surfaces, necessary, so that only a minimum amount of chip volume.
  • the pressure forming is carried out by drop forging.
  • the shape of the forging (blank) is shown as a negative in the upper and lower die.
  • closed dies are used. This has the advantage that it is handled very sparingly with the blank material, since the volume of the blank is only slightly larger than the finished half-shell.
  • a housing has two half shells. These half-shells have identical outer contours after the pressure deformation. This has the advantage that the upper half-shell of a housing can be made with the same dies as the lower half-shell of the housing, so that only one set of dies is needed. This saves tool costs.
  • the different half shells may have different eyes for attaching holders. These differences are incorporated into the corresponding half shell only after the pressure has been converted.
  • FIG. 1 is a plan view of an inventive substantially cuboidal blank 2 to see.
  • the flat blank 2 is forged in advance with closed die in advance.
  • the blank 2 has an upper longitudinal edge 4 and a lower longitudinal edge 6, which at their ends via a in the FIG. 1 left first transverse edge 8 and one in the FIG. 1 Right second transverse edge 10 shown are connected. Between the edges 4 to 10, the outer surface 12 can be seen.
  • a first flange extension 14 is formed, which has the maximum thickness of the blank 2.
  • a second flange projection 16 is formed, which may also have the maximum thickness d m of the blank 2.
  • the blank 2 is designed somewhat thinner and has a thickness h R , which is smaller than the maximum thickness d m .
  • the front first abutment surface adjoins 13.
  • the rear, not shown second bearing surface 15 borders on the outer surface 12 along the first transverse edge 8, the third bearing surface adjacent 17.
  • the fourth bearing surface not shown 19th
  • transverse ribs 18 to 30 are typically defined by the strength requirements. In this case, all transverse ribs 18 to 30 may have the same thickness d R. Between the transverse ribs 22 and 24 two Augan accounts 32 and 34 are formed, which can be pierced in a later method step. It is also conceivable that, instead of eye attachments 32 and 34, eyes can be generated directly during pressure forming. This would save a subsequent machining (eg drilling).
  • transverse ribs 26 to 30 may be connected to one another via a longitudinal rib 36, if this is necessary, for example, for structur-mechanical reasons.
  • the outer surface 12 with all the corresponding contours, such as ribs and / or eyebrows or eyes, can preferably be produced without oversize for swaging, so that a later processing of this surface 12 is omitted.
  • the blank 2 is then bent or rolled, so that in the FIG. 2 Imaged substantially cylindrical half shell 40 is formed.
  • the longitudinal edges 4 and 6 are bent, so that the first and second support surface 13 and 15 describe a semicircle, wherein the outer surface 12 represents the lateral surface of the half-cylinder.
  • the individual support surface 13, 15, 17 and 19 can be additionally machined, preferably by machining, in order to obtain the required dimensional accuracy.
  • a high planarity of the bearing surfaces 17 and 19 is required if two such half-shells to be assembled into a housing. This then ensures that between the two half-shells 40 on the bearing surfaces 17 and 19, the required tightness is achieved.
  • different paragraphs 44 may be present.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zylinderförmigen Bauteils, insbesondere von Strömungsmaschinen. Dabei wird ein erwärmter Rohling bereitgestellt. Dann wird der Rohling zu einem flachen Rohteil (2) umgeformt. Anschließend wird das flache Rohteil (2) zu einer zylindrischen Halbschale (40) gebogen und/oder gerollt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zylinderförmigen Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Rohteile für zylinderförmige Gehäuse, wie z. B. Tuebwerksgehäuse, werden typischerweise ringgewalzt. Dabei wird der erwärmte torus-förmige Rohling zwischen einer innerhalb des Rohlings angeordneten zylindrischen Dornwalze und einer außerhalb des Rohlings angeordneten zylindrischen Hauptwalze gewalzt, wobei die Achsen der Dornwalze und der Hauptwalze parallel zur Achse des zu formenden Werkstücks ist. Gleichzeitig sind auf der zum Rohling diametral gegenüberliegenden Seite oberhalb und unterhalb des Rohlings zwei konisch-förmige Axialwalzen angeordnet. Die Dornwalze und die Hauptwalze bestimmen die radiale Dicke des Rohteils (auch als Wandstärke des Rohteils bezeichnet) und die beiden Axialwalzen bestimmen die axiale Länge des Rohteils. Aus Festigkeitsgründen weist das Gehäuse Rippen auf, so dass die Wandstärke des Rohteils mindestens so groß sein muss, wie die Rippenhöhe. Insbesondere weisen zylinderförmige Gehäuse typischerweise keine einheitliche Dicke auf. In die zylinderförmige Außenwandung des Rohteils werden nach dem Ringwalzen durch spanende Bearbeitung, wie z.B. Fräsen, die Rippen herausgearbeitet. Dabei ist insbesondere nachteilig, da ein sehr großes Spanvolumen erzeugt wird. Ferner muss bei längsgeteilten Gehäusen der Ring zu einer Halbschale aufgeschnitten werden, so dass ein weiterer Arbeitsschritt anfällt, um das Endprodukt herstellen zu können.
  • Ferner müssen insbesondere Gehäuse von Strömungsmaschinen das sogenannte Durchschlagskriterium (containment) erfüllen. Dies bedeutet, dass im Gehäuse befindliche rotierende Bauteile bei einem Defekt, z.B. Bruch einer Laufschaufel, nicht durch das Gehäuse dringen dürfen. Werden die Gehäuse gegossen, so dass das Durchschlagskriteuum nur durch eine entsprechend große Masse erreicht werden kann. Dies hat den Nachteil, dass die Gehäuse schwerer sind als spanend hergestellte Gehäuse.
  • Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren vorzustellen, das bei der Herstellung von zylinderförmigen Bauteilen weniger Spanvolumen entstehen und das in der Herstellung wirtschaftlicher ist.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Herstellung eines zylinderförmigen Bauteils, insbesondere von Strömungsmaschinen. Zuerst wird ein erwärmter Rohling bereitgestellt. Dann wird der Rohling zu einem flachen Rohteil druckumgeformt. Anschließend wird das flache Rohteil zu einer zylindrischen Halbschale gebogen und/oder gerollt. Dabei kann der Rohling über die Rekristallisationstemperatur des Rohlingmaterials erwärmt werden. Dies hat den Vorteil, dass gegenüber dem Ringwalzen das Aufschneiden zu einer Halbschale wegfällt.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das flache Rohteil im Wesentlichen quaderförmig. Dies hat den Vorteil, dass durch die Druckumformung wenig überstehendes Material entsteht und das flache Rohteil eine ähnliche Form aufweist, wie das spätere Endprodukt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das flache Rohteil an mindestens einer seiner Konturen ein Aufmaß auf. Dies hat den Vorteil, dass beim Druckumformen die fehlende Maßgenauigkeit damit ausgeglichen werden kann. Dabei kann das Aufmaß zwischen 0 und 10 mm betragen. Insbesondere kann das Aufmaß nur an den Konturen notwendig sein, die später eine Auflagefläche darstellen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in mindestens einer der Oberflächen des Rohteils mindestens eine Rippe und/oder ein Auge geformt. Dabei werden diese Erhebungen (Rippen, Augen bzw. Augansätze) bei der Druckumformung gleich mitgeformt. Dies hat den Vorteil, dass diese Erhebungen nicht aus dem Vollmaterial herausgearbeitet werden müssen. Im Vergleich zum Ringwalzen entsteht kein bzw. kaum Spanvolumen. Dabei können die Erhebungen in vorteilhafterweise in der Oberfläche des Rohteils ohne Aufmaß hergestellt werden, so dass die Rippen, die Augen bzw. Augansätzen nicht nachbearbeitet werden müssen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird mindestens eine Auflagefläche der Halbschale auf ein Endmaß bearbeitet, insbesondere gefräst. Dies ist insbesondere vorteilhaft, weil damit eine höhere Maßgenauigkeit erzielt werden kann, als mit der Druckumformung überhaupt möglich ist. Eine Endbearbeitung ist dann nur noch an den erforderlichen Stellen, wie z.B. die Auflageflächen, notwendig, so dass nur noch ein Mindestmaß an Spanvolumen entsteht.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Druckumformung per Gesenkschmieden. Bei diesem Verfahren ist die Form des Schmiedestücks (Rohteil) als Negativ im Ober- und Untergesenk abgebildet. Vorzugsweise werden geschlossene Gesenke verwendet. Dies hat den Vorteil, dass sehr sparsam mit dem Rohlingsmaterial umgegangen wird, da das Volumen des Rohlings nur etwas größer ist als die fertige Halbschale.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist ein Gehäuse zwei Halbschalen auf. Diese Halbschalen weisen nach der Druckumformung identische Außenkonturen auf. Dies hat den Vorteil, dass die obere Halbschale eines Gehäuses mit denselben Gesenken hergestellt werden kann, wie die untere Halbschale des Gehäuses, so dass nur ein Satz von Gesenken benötigt wird. Dies spart Werkzeugkosten. Die verschiedenen Halbschalen können unterschiedliche Augen für das Anbringen von Haltern aufweisen. Diese Unterschiede werden erst nach der Druckumformung in die entsprechende Halbschale eingearbeitet.
  • Weitere Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
  • Im Weiteren werden anhand der schematischen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Dabei zeigen:
    • Figur 1: eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Rohteil, und
    • Figur 2: eine Schrägansicht auf eine erfindungsgemäße Halbschale.
  • In der Figur 1 ist eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes im Wesentlichen quaderförmiges Rohteil 2 zu sehen. Vorzugsweise wird vorab das flache Rohteil 2 mit geschlossenem Gesenk senkgeschmiedet. Das Rohteil 2 weist eine obere Längskante 4 und eine untere Längskante 6 auf, die an deren Enden über eine in der Figur 1 links abgebildete erste Querkante 8 und über eine in der Figur 1 rechts abgebildete zweite Querkante 10 verbunden sind. Zwischen den Kanten 4 bis 10 ist die Außenfläche 12 zu sehen. Auf der Außenfläche 12 entlang der oberen Längskante 4 ist ein erster Flanschansatz 14 angeformt, der die maximale Dicke dem des Rohteils 2 aufweist. Ferner ist auf der Außenfläche 12 entlang der unteren Längskante 6 ein zweiter Flanschansatz 16 angeformt, der ebenfalls die maximale Dicke dm des Rohteils 2 aufweisen kann. Zwischen den beiden Flanschansätzen 14 und 16 ist das Rohteil 2 etwas dünner ausgelegt und weist eine Dicke hR auf, die kleiner ist als die maximale Dicke dm.
  • An der Außenfläche 12 grenzt entlang der unteren Längskante 6 die vordere ersteAuflagefläche 13. An der Außenfläche 12 grenzt entlang der oberen Längskante 4 die hintere nicht dargestellte zweite Auflagefläche 15. An der Außenfläche 12 grenzt entlang der ersten Querkante 8 die dritte Auflagefläche 17. An der Außenfläche 12 grenzt entlang der zweiten Querkante 10 die vierte nicht dargestellte Auflagefläche 19.
  • Zwischen den Flanschansätzen 14 und 16 verlaufen mehrere Querrippen 18 bis 30, die hier parallel zu den Querkanten 8 und 10 verlaufen. Die Lage der Rippen wird typischerweise von den Festigkeitsanforderungen definiert. Dabei können alle Querrippen 18 bis 30 die gleiche Dicke dR aufweisen. Zwischen den Querrippen 22 und 24 sind zwei Augansätze 32 und 34 angeformt, die in einem späteren Verfahrensschritt durchbohrt werden können. Es ist auch denkbar, dass statt Augansätzen 32 und 34 direkt Augen beim Druckumformen erzeugt werden können. Dies würde eine spätere spanende Bearbeitung ersparen (z.B. Bohren).
  • Die Querrippen 26 bis 30 können über eine Längsrippe 36 miteinander verbunden sein, wenn dies beispielsweise aus struktmmechanischen Gründen erforderlich ist.
  • Die Außenfläche 12 mit allen entsprechenden Konturen, wie Rippen und/oder Augansätzen bzw. Augen, kann vorzugsweise ohne Aufmaß beim Gesenkschmieden hergestellt werden, so dass eine spätere Bearbeitung dieser Ausfläche 12 entfällt.
  • Das Rohteil 2 wird dann gebogen bzw. gerollt, so dass die in der Figur 2 abgebildete im Wesentlichen zylinderförmige Halbschale 40 entsteht. Dabei werden insbesondere die Längskante 4 und 6 gebogen, so dass die erste und zweite Auflagefläche 13 und 15 einen Halbkreis beschreiben, wobei die Außenfläche 12 die Mantelfläche des Halbzylinders darstellt. Nach dem Biegen können die einzelnen Auflagefläche 13, 15, 17 und 19 zusätzlich, vorzugsweise spanend, bearbeitet werden, um die erforderliche Maßgenauigkeit zu erhalten. So ist insbesondere eine hohe Planarität der Auflageflächen 17 und 19 erforderlich, wenn zwei solcher Halbschalen zu einem Gehäuse zusammengebaut werden sollen. Damit wird dann sichergestellt, dass zwischen den zwei Halbschalen 40 an den Auflageflächen 17 und 19 die erforderliche Dichtigkeit erreicht wird. Auf der Innenfläche 42 der Halbschale 40 können verschiedene Absätze 44 vorhanden sein.
    • Bezugszeichenliste
    • 2
    Rohteil
    4
    obere Längskante
    6
    untere Längskante
    8
    erste Querkante
    10
    zweite Querkante
    12
    Außenfläche von 2
    13
    erste Auflagefläche
    14
    erster Flanschansatz
    15
    zweite Auflagefläche
    16
    zweiter Flanschansatz
    17
    dritte Auflagefläche
    18
    Querrippe
    19
    vierte Auflagefläche
    20
    Querrippe
    22
    Querrippe
    24
    Querrippe
    26
    Querrippe
    28
    Querrippe
    30
    Querrippe
    32
    Augansätze
    34
    Augansätze
    36
    Längsrippe
    40
    Halb schale
    42
    Innenfläche der Halbschale
    44
    Absätze

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung eines zylinderförmigen Bauteils, insbesondere für Strömungsmaschinen, mit folgenden Schritten:
    - Bereitstellen eines erwärmten Rohlings,
    - Druckumformen des Rohlings zu einem flachen Rohteil (2),
    durch gekennzeichnet, dass
    das flache Rohteil (2) zu einer zylindrischen Halbschale (40) gebogen und/oder gerollt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flache Rohteil (2) im Wesentlichen quaderförmig ist.
  3. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flache Rohteil (2) an mindestens einer seiner Konturen (13, 15, 17, 19) ein Aufmaß aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufmaß zwischen 0 und 10 mm beträgt.
  5. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer der Oberflächen (12) des Rohteils mindestens eine Rippe (18, 20, 22, 24, 26, 28, 30) und/oder ein Auge (32, 34) geformt ist.
  6. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Auflagefläche (13, 15) der Halbschale (40) auf ein Endmaß bearbeitet, insbesondere gefräst, wird.
  7. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckumformung per Gesenkschmieden erfolgt.
  8. Gehäuse mit mindestens zwei Halbschalen nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die beiden Halbschalen (40) nach der Druckumformung identische Außenkonturen aufweisen.
  9. Strömungsmaschine mit mindestens einem Gehäuse nach Anspruch 8 und/oder mit mindestens einer Halbschale (40) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7.
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