EP3233372A1 - Verfahren und vorrichtungssystem zur bearbeitung eines werkstückes sowie stabilisierungseinrichtung - Google Patents

Verfahren und vorrichtungssystem zur bearbeitung eines werkstückes sowie stabilisierungseinrichtung

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Publication number
EP3233372A1
EP3233372A1 EP15823144.9A EP15823144A EP3233372A1 EP 3233372 A1 EP3233372 A1 EP 3233372A1 EP 15823144 A EP15823144 A EP 15823144A EP 3233372 A1 EP3233372 A1 EP 3233372A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
workpiece
stabilizing device
stabilizing
clamping
machining
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Withdrawn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
EP15823144.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roman Kalocsay
Christian Kolvenbach
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.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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 Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3233372A1 publication Critical patent/EP3233372A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, 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
    • B23Q3/00—Devices holding, supporting, or positioning work or tools, of a kind normally removable from the machine
    • B23Q3/02—Devices 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
    • B23Q3/06—Work-clamping means
    • B23Q3/062—Work-clamping means adapted for holding workpieces having a special form or being made from a special material
    • B23Q3/063—Work-clamping means adapted for holding workpieces having a special form or being made from a special material for holding turbine blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23C—MILLING
    • B23C3/00—Milling particular work; Special milling operations; Machines therefor
    • B23C3/16—Working surfaces curved in two directions
    • B23C3/18—Working surfaces curved in two directions for shaping screw-propellers, turbine blades, or impellers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23C—MILLING
    • B23C9/00—Details or accessories so far as specially adapted to milling machines or cutter
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, 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
    • B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
    • B23Q11/0032—Arrangements for preventing or isolating vibrations in parts of the machine

Definitions

  • the invention relates to a method for machining a workpiece, a
  • Device system according to the preamble of claim 7 and a suitable for use in the device system stabilization device.
  • the object of the invention relates to the machining of workpieces, which tend due to their structure and / or suspension, the pressure of a
  • BLISK stands for "Blade Integrated Disk” and means a blade rotor in which the blades are integrally connected to the rest of the workpiece
  • Blade segments of a BLISK impeller form complex, thin-walled and cantilever structures made of high-strength materials at the time of finishing. Because of the resulting low static stiffness of the blades, it is due to the given process forces during processing, especially in the area of the upper blade end in the milling
  • the tolerance is one
  • US Pat. No. 5,867,885 A discloses a method and an apparatus for processing BLISK-type blades. It is disclosed, for fixing the blades, to provide a ring surrounding the blade rotor with radially inwardly projecting pins, which project into every second intermediate space between adjacent blades. The spaces provided with pins are poured out with a hardening material, which firmly fixes the ring on the workpiece. In the remaining free spaces, the surfaces of the blades are processed. In the next step, the hardening material is removed, the pins are continued a gap and surrounded with the hardening material, in order then to process the then accessible surfaces in the other spaces. This procedure is complex and also burdened with the disposal of the thermosetting material.
  • a supporting element is created by a casting process to give it a shape adapted to the blade shape. This procedure is also complicated.
  • the disclosed bezel is complex in construction, since the rotating part to be fixed on the workpiece must be rotatably supported relative to the base. In addition, measures to drive the rotary part are required.
  • flow-conducting thin-walled elements such as impellers and stators
  • Thin-walled carrier structures of aircraft or satellites, gearboxes and machine parts with high aspect ratios In general, the problem is found in all workpieces, which are clamped at widely spaced points in order to achieve high accessibility to the workpiece and a
  • the invention is based on the technical problem, a method, a
  • the workpiece is mechanically stabilized by means of a force and / or form-fittingly attached to the workpiece stabilizing means, wherein the fixed stabilizing means none for a relative rotational movement about a
  • the stabilization device can be used to reduce or eliminate oscillations of the workpiece occurring during the machining process and / or to minimize workpiece displacements. It can completely rely on the use of a complex design stabilization device in the
  • a stabilizing device may have one or more components, which before the finished fixation on the workpiece and, if provided, on another part, for. B. on Masch inen body, are rotatable or pivotable for positioning of the stabilizing device.
  • a stabilizing device according to the invention can also be designed entirely without a component which can be rotated about one of the body axes of the workpiece.
  • the stabilizing device serves to allow a workpiece which is completely fixed in the stabilizing device for machining and held in the workpiece holder to rotate relative to another component of the stabilizing device or to drive such a rotation.
  • the workpiece axis means a longitudinal, vertical or transverse axis or another axis passing through the workpiece.
  • Stabilization device can be achieved.
  • Workpieces with thin-walled structures are used. These include e.g. Thin-walled carrier structures of aircraft or satellites, gearboxes and machine parts with high aspect ratios and in particular flow-conducting thin-walled elements, such as blades of impellers and stators, especially those in BLISK design.
  • the method according to the invention is advantageously applicable to workpieces which are clamped at widely spaced points and in which the greatest possible accessibility to the workpiece and / or a multi-side treatment in one clamping are desired.
  • the inventive method can be carried out so that the
  • Stabilization device is used for vibration damping or vibration damping.
  • the inventive method can advantageously be carried out so that the workpiece is inserted into a workpiece holder of the stabilizing device and in the workpiece holder at least one clamping element is resiliently pressed in a clamping element pressing direction against the workpiece.
  • the stabilizing device contacts at least two different locations of the workpiece surface.
  • the method according to the invention can be carried out in such a way that the stabilization device is fastened on the one hand to a part element of the workpiece to be machined by clamping and on the other to at least one further part element of the workpiece or to a separate fastening unit.
  • Mounting unit is the stabilization of the part to be machined part particularly effective.
  • a separate attachment unit may be provided, for example, on the processing machine.
  • the at least one further subelement of the workpiece can likewise be provided for processing.
  • the subelement may e.g. be a flow-conducting element, such as a rotor or a stator.
  • a stabilizing device which is fastened by clamping, is in principle also detachable and can thus be used repeatedly. This results in significant advantages over the known from the prior art measures of mere damping by means of elastic damping elements or the encapsulation of the parts to be machined with a plastic.
  • a handling arm of the processing machine is used for gripping and applying the stabilizing device, which also for the
  • the stabilizer can be fully automated, e.g. CAM controlled, according to a tool used within a changing system.
  • CAM machining spindle
  • Stabilization device (s) can (can) be removed from a magazine, which preferably also contains machining tools.
  • the stabilizing device is fastened to the at least one further subelement of the workpiece, the stabilizing device in each case a further one for each further subelement provided for fastening
  • Has workpiece holder At least two of the workpiece holders will be in In this case, the part element to be machined introduced into the associated workpiece holder. In each having a partial element of the workpiece
  • Workpiece holder is at least one clamping element resilient in one
  • the workpiece holders are preferably designed with a suitable workpiece in such a way that the stabilizing device can be pushed onto the partial elements to be covered, whereby the insertion of the workpiece or of the partial element to be machined into the associated workpiece holders takes place.
  • the inventive method can also be carried out so that the at least one clamping element is fixed with a fixing force in the stabilizing device, wherein the fixing force has a force component acting perpendicular to the clamping element pressing direction.
  • the fixing force together with a between clamping element and an element of the stabilizing device, e.g. a wall of the body, given frictional force a particularly solid attachment of the stabilizer on the workpiece can be achieved.
  • fixing force and clamping element pressing direction are perpendicular to each other.
  • a particularly advantageous embodiment of the device system according to the invention is given by the fact that the CNC machine is set up to grip and guide both the stabilization device and the at least one machining tool by means of the at least one handling arm.
  • a single handling arm may thus sequentially handle stabilizer (s) and machining tool (s).
  • a high degree of automation is possible.
  • the stabilization device according to claim 14 has a main body, which is preferably made entirely of components of solid materials
  • the at least one tensioning element is movable relative to the base body.
  • at least one resilient element e.g. in the form of a spiral spring.
  • preferably rigid clamping element is pressed with the at least one resilient element against a introduced into the workpiece holder workpiece.
  • At least partially elastic clamping element can also be filled with a liquid or gaseous fluid and formed stretchable via the fluid pressure. By suitable stretching, the clamping element would be pressed against the workpiece introduced into the workpiece holder. In this case, a flat contact between clamping element and workpiece is easily realized.
  • the clamping element can contact flat sides of the associated workpiece.
  • the clamping element can also attack on edges of the workpiece.
  • the clamping elements can also be realized by other body shapes, eg rollers. In the case of roles these are also fixed with fixed stabilizer and not rotatable for the time of fixation.
  • the at least one tool holder can be U-shaped with an open side for the lateral insertion of a workpiece.
  • tool holder can also be closed annular and is then pushed over an open end of a workpiece from the top of the workpiece.
  • a stabilizing device in the variants just presented can be used for
  • the resilient pressing of the clamping elements against the associated workpiece with a small amount of force can be performed to mechanically load the material of the workpiece as low as possible. It is only relevant that a preferably clamping contact by means of positive and / or positive connection between the
  • Workpiece and the stabilizer preferably the workpiece holder, is given.
  • each clamping element may be at least two resilient elements which act between the clamping element and the base body. Assign the resilient elements a sufficient distance from each other, they can simultaneously form a guide for the associated clamping element and additional management measures can be omitted. This is especially true when the clamping element has a longitudinal extent in order to contact the workpiece at two spaced-apart points can.
  • a particularly effective fixation of the stabilizing device on the workpiece can be achieved if means for fixing the at least one clamping element are provided within the stabilizing device.
  • Stabilization device only then be moved relative to the workpiece against the given at the press contacts between the workpiece and clamping element friction force when an absolutely parallel movement of the press contacts is possible.
  • tortuous structure of thin-walled workpieces e.g.
  • the means for fixing the clamping elements preferably act non-positively.
  • the means for fixing may comprise, for example, a hydraulics or a pneumatics, which preferably acts on at least one cylinder, which is an associated one
  • Clamping element used fixing force a component perpendicular to
  • the fixing force together with a given between the clamping element and preferably the basic body friction force causes the fixation of the clamping element.
  • the stabilization device in a modular manner, so that the stabilization device can be expanded, for example by adding further workpiece holders.
  • the stabilizer can accommodate two, three or more blades simultaneously.
  • the stabilization device can also be designed so that all the blades of a blade ring are picked up and stabilized simultaneously.
  • a stabilization device may comprise means for fastening the stabilization device to a workpiece and means for damping or eliminating workpiece vibrations. Vibration dampers or vibration absorbers are in connection with buildings, such as bridges, chimneys or
  • Vibration damper or vibration absorber take at least a portion of the vibration energy of a vibrating workpiece, preferably by means of at least one mounted on at least one spring element
  • Oscillating mass and optionally at least one damping element and thus prevent a rocking of the workpiece vibration by a
  • Vibration damper or vibration absorber are adjustable in their vibration characteristics, z. B. on the number and arrangement of the spring elements used, the spring constants, preferably modular vibration mass or the nature of the damping element.
  • Vibration damper or vibration damper according to the present invention may as well as the stabilizing device according to one of claims 13 to 18 have a preferably self-clamping workpiece holder, the
  • the attachment of the vibration damper or vibration absorber can be automated, e.g. in a machine, such as a CNC processing machine, by means of a handling arm, which preferably serves simultaneously for processing and z.
  • a handling arm which preferably serves simultaneously for processing and z.
  • B. includes a machining spindle done.
  • 1 shows a detail of a processing device with an impeller to be machined
  • 2 shows a stabilizing device in the assembled state
  • Fig. 5 fixed to an impeller stabilization device with decoupled
  • Fig. 6 the fixed to the impeller stabilization device acc. 5 in an enlarged view
  • FIG. 8 a Blade and vibration absorber according to FIG. 7 in a first section.
  • Fig. 8b the vibration damper in section acc. 8a in an enlarged view
  • FIG. 9 Blade and vibration absorber according to FIG. 7 in a second section.
  • Fig. 1 shows a manufactured in BLISK construction impeller 1, which in a
  • Machining device is clamped.
  • the arranged in a base plate 19 workpiece holder 2 is pivotally supported by adaleschwenkarm 3.
  • a processing arm 4 carries a stabilizing device 5, which by means of
  • Processing arm 4 is automatically inserted and fixed in the impeller 1 such that the stabilizing device 5 comprises three blades 6 of the impeller 1. The position of the stabilizer 5 on the blades 6 is described later in FIG.
  • stabilized blades 6 are processed. After completed processing of the stabilized blades 6, the machining tool is removed, for. B. by filing in a tool magazine. Subsequently, by means of the machining arm 4, the stabilizer 5 is released from the blades 6 to either be re-used for stabilization on the same blades 6 in a different position or to stabilize another group of blades 6 for subsequent processing.
  • FIGS. 2 to 6 the stabilizing device 5 is shown in greater detail in construction and in use on the blades 6 of the impeller 1.
  • the stabilization device 5 comprises a base body 7 with a shaft receptacle 8 for an application shaft 9 of the machining arm 4 (see FIG. 1).
  • Application shaft 9 may be e.g. be embodied in the form of a conventional hollow shaft taper tool holder or include such.
  • the main body 7 has three blade receptacles 12. In each blade receptacle 12 in each case two clamping elements 1 1 protrude into it, as a pair of clamping elements
  • FIG. 3 the stabilizing device 5 is shown partially dismantled to clearly illustrate the structure.
  • all blade receptacles 12 are covered by cover plates 13, which are fixed by means of screws 14 on the base body 7.
  • the clamping elements 1 1 are each held on two spaced-apart spring elements 10 on the base body 7.
  • the spring elements 10 of each clamping element 1 1 act with its spring force in the direction of the other
  • FIG. 4 shows the stabilization device 5 fixed to the application shaft 9.
  • Fig. 5 shows the stabilizer 5 mounted on the impeller 1, which is shown here only in part.
  • Each of the three blade receptacles 12 comprises one of the blades 6.
  • the stabilization device 5 is pushed laterally onto the blades 6, so that the blades 6 slide into the blade receptacle 12.
  • Blade receptacle 12 formed rounded towards.
  • the clamping elements 1 1 are clamped in a direction perpendicular to the direction of force of the spring elements 10 by the clamping elements 1 1 are pressed by lifting cylinders 15 against the associated cover plate 13 ,
  • the operation of the lifting cylinder 15 is hydraulically or
  • processing arm 4 pneumatically by means of a fluid via the processing arm 4, which preferably also serves as a cooling lubricant for processing.
  • an inlet opening of the base body 7, not shown here for the admission of the fluid is closed in the main body 7 to maintain the fluid pressure.
  • This can e.g. mechanically by a movement, e.g. a rotary motion, the
  • Application shaft 9 or a part thereof, e.g. a front engaging pin 16, relative to the stabilizing device 5 can be achieved. With the pressure at the same time the clamping action on the clamping elements 1 1 is maintained.
  • the engagement pin 16 is preferably designed such that it can be received by a conventional hollow shaft taper tool holder, which can then form the application shaft 9 with the engagement pin 16.
  • the clamping of the clamping elements 1 1 by means of the lifting cylinder 15 causes the stabilizing device 5 is rigidly fixed to the blades 6. Since the clamping force is aligned perpendicular to the spring force of the spring elements 10, the clamping force has no component in the direction of the blades 6, which are not burdened thereby. After the stabilization device 5 has been attached, the blades 6 can, in their part of a machining which projects beyond the stabilizing device 5,
  • the stabilizing device 5 ensures that the blades 6 do not yield to the tool pressure during processing or at best reduce it in a significantly reduced manner.
  • the stabilizing device 5 ensures that the blades 6 do not yield to the tool pressure during processing or at best reduce it in a significantly reduced manner.
  • Machining tool for stabilizing device 5 are kept low. In the area of the blade root 17, a finishing without inserted
  • FIG. 6 shows the situation according to FIG. 5 without the application shaft 9 of FIG
  • the existing pressure lines for the hydraulic fluid are not visible in the figures, as they are advantageously carried out in the base body 7 as internal holes.
  • the pressure of the hydraulic fluid is discharged, preferably via a fluid lock, not shown here, which e.g. can be opened and closed by a relative movement between application shaft 9 and stabilizing device 5.
  • FIG. 7 shows schematically a blade 20, as it is typically used for stationary power generation in steam turbines, with a vibration damper 21, which with its workpiece holder 18 on the blade 20 self-clamping is attached.
  • FIG. 8a shows the vibration damper 21 in section II of FIG. 7 with a perspective representation of the blade 20
  • FIG. 8B shows the vibration absorber 21 in an enlarged representation of the section according to FIG. Fig. 8a.
  • the vibration damper 21 is enlarged in section II-II of Fig. 7 can be seen.
  • a spring 23 In a main body 22 of the vibration absorber 21 is a spring 23
  • Mass support 24 is held, which oscillates when excited relative to the main body 22. The vibration is guided by guide pins 25. At the mass support 24 are
  • Additional masses 26 are provided, which are preferably modular, so that the entire oscillating mass of springs 23, mass carrier 24 and additional masses 26 is variable.
  • the interior of the body is removable
  • Housing cover 27 accessible. By closing the housing cover 27, the springs 23 are biased and the housing 27 sealed. Over a
  • the closed body 22 can be filled with a viscoelastic damping fluid.
  • a viscoelastic damping fluid about the viscosity of the
  • damping properties of the absorber can be adjusted

Landscapes

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

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes mittels eines Bearbeitungswerkzeuges wird vorgeschlagen, das Werkstück (1, 20) in einer Werkstückhalterung (2) zu halten und eine von der Werkstückhalterung (2) verschiedene und das Werkstück (1, 20) während der Bearbeitung mechanisch stabilisierende Stabilisierungseinrichtung (5, 21) kraft- und/oder formschlüssig am Werkstück (1, 20) zu befestigen, wobei die fixierte Stabilisierungseinrichtung (5, 21) keinen für eine relative Drehbewegung um eine Werkstückachse vorgesehenen Bestandteil aufweist. Ein Vorrichtungssystem zur Bearbeitung eines Werkstückes, umfassend einen mindestens eine Werkstückhalterung (2) aufweisenden Maschinenkörper, mindestens ein Bearbeitungswerkzeug und mindestens eine von der Werkstückhalterung (2) verschiedene und zur kraft- und/oder formschlüssigen Befestigung am Werkstück (1, 20) geeignete Stabilisierungseinrichtung (5, 21), kennzeichnet sich dadurch, dass die fixierte Stabilisierungseinrichtung (5, 21) keinen für eine relative Drehbewegung um eine Werkstückachse vorgesehenen Bestandteil aufweist. Schließlich wird eine Stabilisierungseinrichtung (5, 21) vorgeschlagen, umfassend einen Grundkörper (7) mit mindestens einer Werkstückaufnahme (12, 18) und mindestens ein in der mindestens einen Werkzeugaufnahme (12, 18) relativ zum Grundkörper (7) bewegbares Spannelement (11). Alternativ weist die Stabilisierungseinrichtung (5, 21) Mittel zu ihrer Befestigung an einem Werkstück (1, 20) sowie Mittel zur Dämpfung oder Tilgung von Werkstückschwingungen auf.

Description

Verfahren und Vorrichtungssystem zur Bearbeitung eines Werkstückes sowie Stabilisierungseinrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes, ein
Vorrichtungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 sowie eine zum Einsatz im Vorrichtungssystem geeignete Stabilisierungseinrichtung.
Der Gegenstand der Erfindung bezieht sich auf die Bearbeitung von Werkstücken, die aufgrund ihrer Struktur und/oder Aufhängung dazu neigen, dem Druck eines
Werkzeuges auszuweichen und/oder während der Bearbeitung in Schwingungen zu geraten, wodurch die Bearbeitung ungenau werden kann und zudem Werkstück und Werkzeug einer ungewünscht hohen Belastung ausgesetzt sein können. Diese
Problematik ist nicht auf bestimmte Werkstücke eingeschränkt, ist aber z.B. bei der Bearbeitung von Schaufeln von Laufrädern, insbesondere von Schaufeln in BLISK- Bauweise gegenwärtig und hat erhebliche Folgen für Fertigungsaufwand und Kosten. BLISK steht für„Blade Integrated Disk" und bedeutet einen Schaufelrotor, bei dem die Schaufeln einstückig mit dem Rest des Werkstückes verbunden sind. Durch die
Integralbauweise werden Montagekosten und ein erhebliches Gewicht eingespart. Derartige Schaufelrotoren finden z.B. im Triebwerks- und Turbinenbau Verwendung
Für die Produktion von Laufrädern in BLISK-Bauweise werden bekanntermaßen entweder die groben Außenkonturen der Schaufel profile durch spanende Bearbeitung aus einer geschmiedeten Scheibe ausgearbeitet oder die bereits im Groben gefertigten Schaufelprofile durch Reibschweißen auf eine geschmiedete Scheibe aufgesetzt. Bei beiden Verfahren ist jedoch noch eine spanende Endbearbeitung notwendig, um die geforderte hochgenaue Endkontur des Laufrades zu realisieren.
Die Schaufelsegmente eines Laufrades in BLISK-Bauweise bilden zum Zeitpunkt der Endbearbeitung komplexe, dünnwandige und weitauskragende Strukturen aus hochfesten Materialien. Wegen der hierdurch bedingten geringen statischen Steifigkeit der Schaufeln kommt es wegen der gegebenen Prozesskräfte während der Bearbeitung besonders im Bereich des oberen Schaufelendes bei der Fräsbearbeitung zu
unerwünscht großen statischen Werkstückabdrängungen. Dies hat zur Folge, dass im Fräsprozess nicht der geplante Material abtrag erfolgt, sondern zumeist positive
Aufmaße auf dem Werkstück verbleiben. Um dem entgegenzuwirken ist es bekannt, CAM-Programme zur Werkzeugsteuerung in der Serienbearbeitung aufwendig zu korrigieren, wodurch das Einfahren eines Prozesses durch die notwendigen, häufigen Versuche unerwünscht lange dauert und entsprechend hohe Kosten erzeugt. CAM- Lösungen, die ohne aufwändige Korrekturschleifen die statische Werkstückabdrängung bei der Bahnplanung berücksichtigen, befinden sich derzeit erst noch in der
Entwicklung.
Ein weiteres erhebliches Problem bei der Fertigung von Laufrädern in BLISK-Bauweise bilden unerwünschte Werkstückschwingungen. Die dünnwandigen und direkt stoffschlüssig mit dem massiven Grundkörper verbundenen Metallschaufeln bilden ein schwingendes System mit sehr geringen Dämpfungswerten von in der Regel weniger als 1 %o. Während des Fräsprozesses werden die Schaufeln durch den unterbrochenen Schnitt des Fräsers periodisch mit der Zahneingriffsfrequenz und deren harmonischen Vielfachen angeregt. Aufgrund von Unwuchten im Werkzeug, durch
Aufbauschneidenbildung und durch den Werkzeugverschleiß kann zudem ein ungleichmäßiger Zahneingriff gegeben sein, der die Anregungsfrequenzen
amplitudenmoduliert, wodurch zu der Anregungsfrequenz zahlreiche Seitenbänder entstehen, mit denen die bearbeitete Schaufel ebenfalls angeregt wird. Ein stabiles Prozessfenster zu finden, bei dem keine Eigenfrequenz der Schaufel bei der
Bearbeitung getroffen wird, ist schwierig und oftmals unmöglich, insbesondere da die Eigenfrequenzen der Schaufeln durch den fortlaufenden Materialabtrag verändert werden. Aufgrund der Schwingungsproblematik sind insbesondere die Schlichtprozesse bei der Endbearbeitung der Schaufeln in der Regel dynamisch instabil, wodurch Formabweichungen, schlechte Oberflächen und ein sehr hoher Werkzeugverschleiß entstehen. Ein kostenintensiver Nachbearbeitungsprozess, z. B. durch Schleifen, Strömungsläppen oder Trowalisieren ist daher eine zwingende Folge.
Aufgrund der hohen Sensibilität der Prozesse ist die Toleranz gegenüber einem
Verschleiß der eingesetzten Werkzeuge sehr gering, so dass diese nach kurzer Einsatzdauer gewechselt werden und somit der Werkzeugverbrauch
überdurchschnittlich kostentreibend ist. Außer bei der Fertigung treten die oben angesprochenen Probleme auch bei spanenden Reparaturmaßnahmen auf.
Um den oben angesprochenen Problemen zu begegnen, ist es - abgesehen von den schon oben angesprochenen Versuchen einer Anpassung der Prozessparameter - bekannt, die Schaufeln blockweise zu bearbeiten. Bei der blockweisen Bearbeitung wird die jeweilige Schaufel in verschiedene Höhensegmente eingeteilt. Der oberste Bereich wird direkt fertig bearbeitet, während z. B. der mittlere Höhenbereich nur vorgeschlichtet wird und im Bereich des Schaufelfußes noch größere Aufmaße beibehalten werden. Durch diese Methode wird das Flächenträgheitsmoment der bearbeiteten Schaufel im Schaufelfuß und damit die Stabilität erhöht. Die Block-Methode hat jedoch zwei wesentliche Nachteile: Zum einen werden bei der Bearbeitung Eigenspannungen frei, die bei der schmiedenden Erzeugung in das Material eingearbeitet werden und die auch durch eine thermische Nachbehandlung nicht zuverlässig beseitigt werden können. Die Freisetzung der Eigenspannungen führt zu einer zumeist tordierenden Verformung, die die Schaufel aus dem Toleranzbereich bringen kann. Der mögliche Weg, die in Folge der Eigenspannung entstehenden Verformungen durch eine Bahnanpassung im CAM- Programm zu kompensieren, ist aufwändig und insbesondere dann problematisch, wenn sich das Herstellungsverfahren des Werkstückes verändert, z. B. durch einen geänderten Schmiedeprozess oder bei einem Wechsel zu einem anderen Zulieferer. Eine Anpassung der Prozessparameter gelingt oftmals erst nachdem erheblicher Ausschuss mit entsprechend hohen Kostenfolgen produziert wurde.
Ein weiterer Nachteil der Block-Methode sind die Übergänge, die zwischen den einzelnen Blocksegmenten nach dem Schlichtprozess verbleiben. Die stets deutlich sichtbar verbleibenden Übergangsstreifen stören das Erscheinungsbild der Schaufeln erheblich und verursachen den Bedarf an Nacharbeit durch Schleifen, auch wenn aus strömungstechnischer Sicht ein optisch sichtbarer Übergang möglicherweise tolerierbar wäre.
Aus der DE 10 2009 004 791 A1 ist als Darstellung des vorherigen Standes der Technik die Methode bekannt, zwischen den Schaufeln elastische Dämpfungselemente zu montieren oder die Schaufeln mit Elastomerelementen zu umgeben oder den Raum zwischen den Schaufeln zu vergießen. Hierdurch können Schwingungen in gewissem Maße gedämpft werden; einer Werkstückabdrängung wirkt das elastische Material jedoch nicht in hinreichender Weise entgegen. Plastische Dämpfungsmaterialien sind überdies umweltbelastend. Da die Dämpfungsmaterialien während des
Bearbeitungsprozesses mit abgearbeitet werden, vermischen sich die
Dämpfungsmaterialien mit den Spänen und erschweren deren Recycling. Zudem sind die Prozesse zur Anbringung der Dämpfungsmaterialien kostenintensiv und können nicht automatisiert werden.
Aus der US 5,867,885 A sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Schaufeln in BLISK-Bauweise bekannt. Es ist offenbart, zur Fixierung der Schaufeln einen den Schaufelrotor umgebenden Ring mit radial nach innen vorstehenden Pins vorzusehen, die in jeden zweiten, zwischen benachbarten Schaufeln gegebenen Zwischenraum hineinragen. Die mit Pins versehenen Zwischenräume werden mit einem aushärtenden Material ausgegossen, welches stoffschlüssig den Ring am Werkstück fixiert. In den freibleibenden Zwischenräumen werden die Oberflächen der Schaufeln bearbeitet. Im nächsten Schritt wird das aushärtende Material entfernt, die Pins werden einen Zwischenraum weitergesetzt und mit dem aushärtenden Material umgössen, um anschließend die dann zugänglichen Oberflächen in den anderen Zwischenräumen zu bearbeiten. Diese Vorgehensweise ist aufwändig und zudem mit der Entsorgung des aushärtenden Materials belastet.
Aus der US 2,612,082 A ist eine Vorrichtung zur Bearbeitung einzelner, für ein Laufrad vorgesehener Schaufeln bekannt, bei der die Schaufel selbst als Werkstück
eingespannt wird und zur Bearbeitung einer der Schaufelflächen auf der anderen Schaufelfläche abgestützt wird. Hierzu wird ein abstützendes Element durch einen Gießprozess erstellt, um ihm eine an die Schaufelform angepasste Form zu geben. Diese Vorgehensweise ist ebenfalls aufwändig.
Aus der Bearbeitung von Wellen oder Achsen ist zur Vermeidung von Schwingungen und Verbiegungen während des Bearbeitungsprozesses der Einsatz einer Lünette allgemein bekannt (siehe z.B. EP 2 218 542 A2), welche auf dem Maschinenkörper abgestützt ist und die Welle oder Achse diese umschließend fixiert. Eine solche Lünette ist zur Unterstützung der Bearbeitung von dünnwandigen Werkstücken, insbesondere von Schaufeln eines Schaufelrotors ungeeignet.
Aus der DE 20 2010 008 628 U1 ist eine Einrichtung zur Bearbeitung einer einzelnen Turbinenschaufel bekannt, bei der die Turbinenschaufel zwischen zwei Spannstellen und zusätzlich in eine speziell hergerichtete Lünette eingespannt wird. Die Lünette weist hydraulisch bewegte Spannelemente auf, die sich beidseitig auf die
Schaufeloberflächen pressen und anschließend geklemmt werden. Antriebe
ermöglichen es, zum einen die Lünette entlang der Längsachse der Turbinenschaufel zu bewegen und zum anderen die in einem gegenüber einem Grundteil der Lünette drehbaren Drehteil eingespannte Turbinenschaufel um ihre Längsachse zu drehen. Eine Bearbeitung der Schaufeln eines eine Vielzahl von Schaufeln aufweisenden Werkstückes ist damit nicht möglich. Zudem ist die offenbarte Lünette aufwendig im Aufbau, da das am Werkstück zu fixierende Drehteil drehbar gegenüber dem Grundteil gelagert werden muss. Außerdem sind Maßnahmen zum Antrieb des Drehteils erforderlich.
Die vorgenannten beispielhaft im Zusammenhang mit Laufrädern in BLISK-Bauweise dargestellten Probleme und Nachteile des Standes der Technik sind in entsprechender Weise auch bei anderen Werkstücken gegeben, die ein Teilelement aufweisen, das während der Bearbeitung ein Ausweichverhalten und/oder Schwingverhalten zeigen kann. Beispiele für solche Werkstücke sind solche mit insbesondere
strömungsleitenden dünnwandigen Elementen, wie Laufräder und Statoren,
dünnwandige Trägerstrukturen von Flugzeugen oder Satelliten, Getriebegehäuse und Maschinenteile mit hohen Aspektverhältnissen. Generell findet sich die Problematik bei allen Werkstücken, die an weit auseinander liegenden Punkten aufgespannt werden, um eine hohe Zugänglichkeit zum Werkstück zu realisieren und um eine
Mehrseitenbehandlung in einer Aufspannung zu ermöglichen.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren, ein
Vorrichtungssystem sowie eine Stabilisierungsvorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die eine Ausweichbewegung oder ein unerwünschtes Schwingungsverhalten eines zu bearbeitenden Teilelements des Werkstückes verhindern oder zumindest erheblich reduzieren können.
Bei einem Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes wird das technische Problem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach wird mittels einer kraft- und/oder formschlüssig am Werkstück befestigten Stabilisierungseinrichtung das Werkstück mechanisch stabilisiert, wobei die fixierte Stabilisierungseinrichtung keinen für eine relative Drehbewegung um eine
Werkstückachse vorgesehenen Bestandteil aufweist.
Die Stabilisierungseinrichtung kann dazu eingesetzt werden, beim Bearbeitungsprozess auftretende Schwingungen des Werkstückes zu reduzieren oder zu eliminieren und/oder Werkstückabdrängungen zu minimieren. Dabei kann vollständig auf den Einsatz einer aufwändig aufgebauten Stabilisierungseinrichtung mit im
Bearbeitungseinsatz um eine Körperachse herum drehbarem Bestandteil, insbesondere auf den Einsatz einer Lünette, verzichtet werden. Das Fehlen eines relativ um eine Werkstückachse drehbaren Bestandteils im Sinne der Erfindung bezieht sich auf die für die Werkstückbearbeitung fertig fixierte Stabilisierungseinrichtung. Bestandteile der Stabilisierungseinrichtung können einen oder mehrere Bestandteile aufweisen, welche vor der fertigen Fixierung am Werkstück und, sofern vorgesehen, an einem sonstigen Teil, z. B. am Masch inen körper, zur Positionierung der Stabilisierungseinrichtung drehbar oder schwenkbar sind. Eine erfindungsgemäße Stabilisierungseinrichtung kann aber auch gänzlich ohne einen um eine der Körperachsen des Werkstückes drehbaren Bestandteil ausgebildet sein. Insbesondere ist an der Stabilisierungseinrichtung kein Bestandteil vorgesehen, der dazu dient, einem in der Stabilisierungseinrichtung für die Bearbeitung fertig fixierten und in der Werkstückhalterung gehaltenen Werkstück eine Drehung relativ zu einem anderen Bestandteil der Stabilisierungseinrichtung zu erlauben oder eine solche Drehung anzutreiben. Die Werkstückachse meint eine Längs-, Hoch- oder Querachse oder eine sonstige durch das Werkstück laufende Achse. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine vereinfachte aber hocheffektive Möglichkeit der Bearbeitung gegeben. Die kraft- und/oder formschlüssige Fixierung bedeutet den Verzicht auf die in der Regel aufwändige Verwendung aushärtender Massen, insbesondere den Verzicht auf den in der Regel damit verbundenen Stoffschluss zum Werkstück. Mit der kraft- und/oder formschlüssigen Fixierung kann insbesondere eine klemmende Fixierung der
Stabilisierungseinrichtung erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in besonderer Weise vorteilhaft an
Werkstücken mit dünnwandigen Strukturen eingesetzt werden. Hierzu gehören z.B. dünnwandige Trägerstrukturen von Flugzeugen oder Satelliten, Getriebegehäuse und Maschinenteile mit hohen Aspektverhältnissen und insbesondere strömungsleitende dünnwandige Elemente, wie Schaufeln von Laufrädern und Statoren, insbesondere solcher in BLISK-Bauweise. Generell ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft bei Werkstücken anwendbar, die an weit auseinander liegenden Punkten aufgespannt werden und bei denen eine möglichst weitgehende Zugänglichkeit zum Werkstück und/oder eine Mehrseitenbehandlung in einer Aufspannung erwünscht sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann so ausgeführt werden, dass die
Stabilisierungseinrichtung zur Schwingungsdämpfung oder Schwingungstilgung eingesetzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft so ausgeführt werden, dass das Werkstück in eine Werkstückaufnahme der Stabilisierungseinrichtung eingeführt wird und in der Werkstückaufnahme mindestens ein Spannelement federelastisch in einer Spannelement-Pressrichtung gegen das Werkstück gepresst wird. Durch das Pressen des Spannelements gegen das Werkstück kontaktiert die Stabilisierungseinrichtung mindestens zwei unterschiedliche Orte der Werkstückoberfläche.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass die Stabilisierungseinrichtung zum einen an einem zu bearbeitenden Teilelement des Werkstückes klemmend und zum anderen an mindestens einem weiteren Teilelement des Werkstückes oder an einer gesonderten Befestigungseinheit befestigt wird. Durch die Befestigung der Stabilisierungseinrichtung an mindestens einem weiteren Teilelement des Werkstückes oder an mindestens einer gesonderten
Befestigungseinheit wird die Stabilisierung des zu bearbeitenden Teilelements besonders wirkungsvoll. Eine gesonderte Befestigungseinheit kann zum Beispiel an der Bearbeitungsmaschine vorgesehen sein. Das mindestens eine weitere Teilelement des Werkstückes kann ebenfalls zur Bearbeitung vorgesehen sein. Das Teilelement kann z.B. ein strömungsleitendes Element, beispielsweise eines Rotors oder eines Stators sein.
Eine Stabilisierungseinrichtung, welche klemmend befestigt wird, ist grundsätzlich auch lösbar und kann somit wiederholt eingesetzt werden. Hierdurch ergeben sich erhebliche Vorteile gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen der bloßen Dämpfung mittels elastischer Dämpfungselemente oder des Umgießens der zu bearbeitenden Teilelemente mit einem Kunststoff.
Eine wiederholte Einsetzbarkeit der Stabilisierungseinrichtung ist insbesondere bei Nutzung mit CNC-Bearbeitungsmaschinen nützlich und kann automatisiert werden. Vorzugsweise wird zum Greifen und Applizieren der Stabilisierungseinrichtung ein Handhabungsarm der Bearbeitungsmaschine eingesetzt, der auch für das
Bearbeitungswerkzeug vorgesehen ist und z.B. eine Bearbeitungsspindel umfasst. So kann vorzugsweise die Stabilisierungseinrichtung vollständig automatisiert, z.B. CAM- gesteuert, entsprechend einem Werkzeug innerhalb eines Wechselsystems eingesetzt werden. Je nach zu bearbeitendem Werkstück kann es zudem vorteilhaft sein, mehrere gleiche oder unterschiedliche Stabilisierungseinrichtungen vorzusehen, die an unterschiedlichen Werkstückteilen eingesetzt werden. Die
Stabilisierungseinrichtung(en) kann (können) aus einem Magazin entnommen werden, das vorzugsweise auch Bearbeitungswerkzeuge enthält.
Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren so
auszuführen, dass die Stabilisierungseinrichtung an dem mindestens einen weiteren Teilelement des Werkstückes befestigt wird, wobei die Stabilisierungseinrichtung für jedes weitere zur Befestigung vorgesehene Teilelement jeweils eine weitere
Werkstückaufnahme aufweist. Bei mindestens zweien der Werkstückaufnahmen wird in diesem Fall das zu bearbeitende Teilelement in die zugehörige Werkstückaufnahme eingeführt. In jeder ein Teilelement des Werkstückes aufweisenden
Werkstückaufnahme wird mindestens ein Spannelement federelastisch in einer
Spannelement-Pressrichtung gegen das zu bearbeitende Teilelement gepresst.
Die Werkstückaufnahmen sind bei geeignetem Werkstück vorzugsweise so gestaltet, dass die Stabilisierungseinrichtung auf die zu umfassenden Teilelemente aufgeschoben werden kann, wodurch das Einführen des Werkstückes oder des zu bearbeitenden Teilelements in die zugehörige Werkstückaufnahmen erfolgt.
Es ist vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren so auszuführen, dass in jeder Werkstückaufnahme mindestens zwei einander gegenüberliegende und mit den federelastischen Elementen gegeneinander arbeitende Spannelemente vorgesehen sind, welche das in die Werkstückaufnahme eingeführte Werkstück oder Teilelement zwischen sich aufnehmen. Bei mindestens zwei in Werkstückaufnahmen
aufgenommenen Teilelementen werden auf diese Weise Toleranzen in den Abständen zwischen den Teilelementen und/oder den Werkstückaufnahmen aufgefangen.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Bearbeitung von Schaufeln eines Laufrades in BLISK-Bauweise eingesetzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass das mindestens eine Spannelement mit einer Fixierkraft in der Stabilisierungseinrichtung fixiert wird, wobei die Fixierkraft eine senkrecht zur Spannelement-Pressrichtung wirkende Kraftkomponente aufweist. Durch die Fixierkraft kann zusammen mit einer zwischen Spannelement und einem Element der Stabilisierungseinrichtung, z.B. einer Wand des Grundkörpers, gegebenen Reibungskraft eine besonders solide Befestigung der Stabilisierungseinrichtung am Werkstück erreicht werden. Vorzugsweise sind Fixierkraft und Spannelement-Pressrichtung senkrecht aufeinander.
Bei einem Vorrichtungssystem der eingangs genannten Art wird das technische
Problem durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 7 gelöst. Eine vorteilhafte Ausbildungsform des Vorrichtungssystems ergibt sich aus den Merkmalen der Ansprüche 8 bis 13. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vorrichtungssystems ist dadurch gegeben, dass die CNC- Maschine eingerichtet ist, mittels des mindestens einen Handhabungsarms sowohl die Stabilisierungseinrichtung als auch das mindestens eine Bearbeitungswerkzeug zu greifen und zu führen. Ein einzelner Handhabungsarm kann somit nacheinander Stabilisierungseinrichtung(en) und Bearbeitungswerkzeug(e) handhaben. Denkbar ist es aber auch, für eine oder mehrere Stabilisierungseinrichtung(en) mindestens einen Handhabungsarm und für das oder die Bearbeitungswerkzeug(e) mindestens einen weiteren Handhabungsarm vorzusehen. Somit ist ein hoher Automatisierungsgrad möglich.
Bei einer zum Einsatz in einem erfindungsgemäßen Vorrichtungssystem geeigneten Stabilisierungseinrichtung wird das technische Problem durch die Merkmale des Anspruchs 14 oder des Anspruchs 20 gelöst.
Vorteilhafte Ausbildungsformen der erfindungsgemäßen Stabilisierungseinrichtung gemäß Anspruch 14 ergeben sich aus den Ansprüchen 15 bis 18.
Die Stabilisierungseinrichtung gemäß Anspruch 14 weist einen Grundkörper auf, der vorzugsweise vollständig aus Bestandteilen aus massiven Materialien
zusammengesetzt ist. Das mindestens eine Spannelement ist relativ zum Grundkörper bewegbar. Vorzugsweise wirkt zwischen dem Spannelement und dem Grundkörper mindestens ein federelastisches Element, z.B. in Form einer Spiralfeder. Das
vorzugsweise starre Spannelement wird mit dem mindestens einen federelastischen Element gegen ein in die Werkstückaufnahme eingeführtes Werkstück gepresst.
Alternativ kann das in diesem Fall zumindest teilelastische Spannelement auch mit einem flüssigen oder gasförmigen Fluid befüllbar und über den Fluiddruck dehnbar ausgebildet sein. Durch eine geeignete Dehnung würde das Spannelement gegen das in die Werkstückaufnahme eingeführte Werkstück gepresst. Dabei ist auch ein flächiger Kontakt zwischen Spannelement und Werkstück leicht realisierbar.
Das Spannelement kann Flachseiten des zugehörigen Werkstückes kontaktieren. Das Spannelement kann aber auch an Kanten des Werkstückes angreifen. Die Spannelemente können auch durch andere Körperformen, z.B. Rollen, realisiert werden. Im Falle von Rollen sind diese bei fixierter Stabilisierungseinrichtung ebenfalls fixiert und für die Zeit der Fixierung nicht drehfähig.
Die mindestens eine Werkzeugaufnahme kann u-förmig mit einer offenen Seite zum seitlichen Einschieben eines Werkstückes sein. Die mindestens eine
Werkzeugaufnahme kann aber auch ringförmig geschlossen sein und wird dann über ein offenes Ende eines Werkstückes von oben auf das Werkstück geschoben.
Eine Stabilisierungseinrichtung in den soeben vorgestellten Varianten kann zur
Dämpfung des zu bearbeitenden Werkstückes dienen, wenn die durch das
federelastische Element beziehungsweise das Fluid ausgeübte Presskraft hinreichend ist, die Stabilisierungseinrichtung am Werkstück zu halten. Grundsätzlich kann jedoch die federelastische Pressung der Spannelemente gegen das zugehörige Werkstück mit einem geringen Kraftaufwand durchgeführt werden, um das Material des Werkstückes mechanisch möglichst gering belasten. Es ist lediglich relevant, dass eine vorzugsweise klemmende Kontaktierung mittels kraft- und/oder Formschlusses zwischen dem
Werkstück und der Stabilisierungseinrichtung, vorzugsweise der Werkstückaufnahme, gegeben ist.
Es kann vorteilhaft sein, für jedes Spannelement mindestens zwei federelastische Elemente vorzusehen, die zwischen dem Spannelement und dem Grundkörper wirken. Weisen die federelastischen Elemente einen hinreichenden Abstand zueinander auf, können sie gleichzeitig eine Führung für das zugehörige Spannelement bilden und zusätzliche Führungsmaßnahmen können entfallen. Dies gilt insbesondere, wenn das Spannelement eine Längsausdehnung aufweist, um das Werkstück an zwei zueinander beabstandeten Punkten kontaktieren zu können.
Eine besonders wirkungsvolle Fixierung der Stabilisierungseinrichtung am Werkstück kann erreicht werden, wenn Mittel zum Fixieren des mindestens einen Spannelements innerhalb der Stabilisierungseinrichtung vorgesehen sind. Eine Fixierung bedeutet, dass das fixierte Spannelement relativ zum Grund körper festgelegt ist. Wenn Grundkörper und das mindestens eine Spannelement starr aneinander fixiert sind, während die Stabilisierungseinrichtung mittels des Spannelements an einem in der mindestens einen Werkstückaufnahme befindlichen Werkstück geklemmt ist, kann die
Stabilisierungsvorrichtung nur noch dann gegen die an den Presskontakten zwischen Werkstück und Spannelement gegebene Reibungskraft relativ zum Werkstück bewegt werden, wenn eine absolut parallele Bewegung der Presskontakte möglich ist. Bei der oftmals gewundenen Struktur von dünnflächigen Werkstücken, wie sie z.B.
typischerweise bei Schaufeln eines Laufrades gegeben sind, hingegen ist bei fixierten Spannelementen, jedenfalls sofern diese aus einem starren Material sind, die
Spanneinrichtung am Werkstück stabil festgelegt.
Die Mittel zur Fixierung der Spannelemente wirken vorzugsweise kraftschlüssig. Die Mittel zur Fixierung können zum Beispiel eine Hydraulik oder eine Pneumatik umfassen, die vorzugsweise auf mindestens einen Zylinder wirkt, welcher ein zugehöriges
Spannelement gegen den Grundkörper oder ein sonstiges mit dem Grundkörper verbundenes Element presst.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zum Fixieren des mindestens einen
Spannelements aufgewendete Fixierkraft eine Komponente senkrecht zur
Spannelement-Pressrichtung aufweist. Vorzugsweise sind Fixierkraft und
Spannelement-Pressrichtung senkrecht aufeinander. Die Fixierkraft bewirkt zusammen mit einer zwischen Spannelement und vorzugsweise dem Grundkörper gegebenen Reibungskraft die Fixierung des Spannelements.
Insbesondere kann es auch vorteilhaft sein, die Stabilisierungseinrichtung modular aufzubauen, so dass die Stabilisierungseinrichtung erweiterbar ist, zum Beispiel durch Hinzufügung weiterer Werkstückaufnahmen. Im Falle eines Laufrades oder Stators mit Schaufeln als Werkstück kann die Stabilisierungseinrichtung zwei, drei oder mehr Schaufeln gleichzeitig aufnehmen. Die Stabilisierungseinrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass sämtliche Schaufeln eines Schaufel kranzes gleichzeitig aufgenommen und stabilisiert werden. Alternativ kann eine Stabilisierungseinrichtung Mittel zur Befestigung der Stabilisierungseinrichtung an einem Werkstück sowie Mittel zur Dämpfung oder Tilgung von Werkstückschwingungen umfassen. Schwingungsdämpfer oder Schwingungstilger sind im Zusammenhang mit Bauwerken, wie z.B. Brücken, Schornsteinen oder
Treppen, bekannt. Schwingungsdämpfer oder Schwingungstilger nehmen zumindest einen Teil der Schwingungsenergie eines schwingenden Werkstückes vorzugsweise mittels mindestens einer an mindestens einem Federelement gelagerten
Schwingmasse, sowie optional mindestens eines Dämpfungselements auf und verhindern so ein Aufschaukeln der Werkstückschwingung indem sie eine
phasengleiche Gegenkraft erzeugen und, je nach Bauform, die Energie der Schwingung im Dämpfungselement verbrauchen. Schwingungsdämpfer oder Schwingungstilger sind in ihren Schwingungseigenschaften einstellbar, z. B. über die Anzahl und Anordnung der eingesetzten Federelemente, die Federkonstanten, die vorzugsweise modulare Schwingmasse oder die Art des Dämpfungselements.
Schwingungsdämpfer oder Schwingungstilger gemäß der diesseitigen Erfindung können wie auch die Stabilisierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18 eine vorzugsweise selbstklemmende Werkstückaufnahme aufweisen, die zum
Aufstecken auf das Werkstück dient.
Das Anbringen des Schwingungsdämpfers oder Schwingungstilgers kann automatisiert, z.B. in einer Maschine, beispielsweise einer CNC-Bearbeitungsmaschine, mittels eines Handhabungsarmes, der vorzugsweise gleichzeitig zur Bearbeitung dient und z. B. eine Bearbeitungsspindel umfasst, erfolgen.
Im Folgenden werden beispielhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens, des erfindungsgemäßen Vorrichtungssystems und der erfindungsgemäßen Stabilisierungseinrichtung anhand von Figuren dargestellt.
Es zeigt schematisch
Fig. 1 : ausschnittsweise eine Bearbeitungsvorrichtung mit einem zu bearbeitenden Laufrad, Fig. 2: eine Stabilisierungseinrichtung im zusammengesetzten Zustand,
Fig. 3: die Stabilisierungseinrichtung in einem teildemontierten Zustand,
Fig. 4: die Stabilisierungseinrichtung an einem Applikationsschaft eines
Bearbeitungsarmes,
Fig. 5: die an einem Laufrad fixierte Stabilisierungseinrichtung mit abgekoppeltem
Applikationsschaft,
Fig. 6: die am Laufrad fixierte Stabilisierungseinrichtung gem. Fig. 5 in vergrößerter Darstellung,
Fig. 7: eine Schaufel mit einem Schwingungstilger,
Fig. 8a: Schaufel und Schwingungstilger nach Fig. 7 in einem ersten Schnitt
Fig. 8b: der Schwingungstilger im Schnitt gem. Fig. 8a in vergrößerter Darstellung,
Fig. 9: Schaufel und Schwingungstilger nach Fig. 7 in einem zweiten Schnitt.
Fig. 1 zeigt ein in BLISK-Bauweise hergestelltes Laufrad 1 , welches in einer
Werkstückhalterung 2 einer hier nur ausschnittsweise dargestellten
Bearbeitungsvorrichtung eingespannt ist. Die in einer Grundplatte 19 angeordnete Werkstückhalterung 2 ist über einen Aufnahmeschwenkarm 3 schwenkbar gehalten. Ein Bearbeitungsarm 4 trägt eine Stabilisierungseinrichtung 5, die mittels des
Bearbeitungsarms 4 derart in das Laufrad 1 automatisiert eingesetzt und fixiert wird, dass die Stabilisierungseinrichtung 5 drei Schaufeln 6 des Laufrades 1 umfasst. Die Position der Stabilisierungseinrichtung 5 an den Schaufeln 6 ist weiter unten im
Zusammenhang mit den Figuren 5 und 6 ausführlich dargestellt. Nach dem Einsetzen der Stabilisierungseinrichtung 5 auf das Laufrad 1 wird der Bearbeitungsarm 4, der auch eine Bearbeitungsspindel umfassen kann, von der Stabilisierungseinrichtung 5 gelöst und nimmt automatisiert ein hier nicht dargestelltes Bearbeitungswerkzeug auf, womit die mittels der Stabilisierungseinrichtung 5
stabilisierten Schaufeln 6 bearbeitet werden. Nach vollzogener Bearbeitung der stabilisierten Schaufeln 6 wird das Bearbeitungswerkzeug entfernt, z. B. durch Ablage in ein Werkzeugmagazin. Anschließend wird mittels des Bearbeitungsarms 4 die Stabilisierungseinrichtung 5 von den Schaufeln 6 gelöst, um entweder an denselben Schaufeln 6 in einer anderen Position erneut zur Stabilisierung eingesetzt zu werden oder um eine weitere Gruppe von Schaufeln 6 für eine anschließende Bearbeitung zu stabilisieren.
In den Figuren 2 bis 6 wird die Stabilisierungseinrichtung 5 im Aufbau sowie im Einsatz an den Schaufeln 6 des Laufrades 1 näher dargestellt.
Die Stabilisierungseinrichtung 5 umfasst einen Grundkörper 7 mit einer Schaftaufnahme 8 für einen Applikationsschaft 9 des Bearbeitungsarmes 4 (siehe Fig. 1 ). Der
Applikationsschaft 9 kann z.B. in der Form einer üblichen Hohlschaftkegel- Werkzeugaufnahme ausgeführt sein oder eine solche umfassen.
Der Grundkörper 7 weist drei Schaufelaufnahmen 12 auf. In jede Schaufelaufnahme 12 ragen jeweils zwei Spannelemente 1 1 hinein, die als Spannelemente-Paar
zusammenwirken. In Fig. 3 ist die Stabilisierungseinrichtung 5 teildemontiert dargestellt, um den Aufbau deutlich darzustellen. Im fertig montierten Zustand sind sämtliche Schaufelaufnahmen 12 durch Deckplatten 13 abgedeckt, die mittels Schrauben 14 am Grundkörper 7 fixiert sind. Die Spannelemente 1 1 sind jeweils über zwei zueinander beabstandete Federelemente 10 am Grundkörper 7 gehalten. Die Federelemente 10 jedes Spannelements 1 1 wirken mit Ihrer Federkraft in Richtung auf das andere
Spannelement 1 1 desselben Spannelemente-Paares.
Fig. 4 zeigt die Stabilisierungseinrichtung 5 an dem Applikationsschaft 9 fixiert. Fig. 5 zeigt die Stabilisierungseinrichtung 5 aufgesetzt auf dem Laufrad 1 , welches hier nur ausschnittsweise dargestellt ist. Jede der drei Schaufelaufnahmen 12 umfasst eine der Schaufeln 6. Die Stabilisierungseinrichtung 5 wird seitlich auf die Schaufeln 6 aufgeschoben, so dass die Schaufeln 6 in die Schaufelaufnahme 12 eingleiten. Um das Eingleiten der Schaufeln 6 zu erleichtern sind die durch die Federelemente 10 gegeneinander verspannten Spannelemente 1 1 zur Eingangsseite der
Schaufelaufnahme 12 hin abgerundet ausgebildet.
Wenn sich die Stabilisierungseinrichtung 5 noch vom Applikationsschaft 9 gehalten auf den Schaufeln 6 in der Endposition befindet, werden die Spannelemente 1 1 in einer zur Kraftrichtung der Federelemente 10 senkrechten Richtung verklemmt, indem die Spannelemente 1 1 mittels Hubzylindern 15 gegen die zugehörige Deckplatte 13 gepresst werden. Die Bedienung der Hubzylinder 15 erfolgt hydraulisch oder
pneumatisch mittels eines Fluids über den Bearbeitungsarm 4, welches vorzugsweise auch als Kühlschmierstoff für die Bearbeitung dient.
Vor dem Abkoppeln des Applikationsschaftes 9 von der Stabilisierungseinrichtung 5 wird zur Erhaltung des Fluiddrucks im Grundkörper 7 eine hier nicht dargestellte für den Eintritt des Fluids vorgesehene Eintrittsöffnung des Grundkörpers 7 verschlossen. Dies kann z.B. mechanisch durch eine Bewegung, z.B. eine Drehbewegung, des
Applikationsschaftes 9 oder eines Teils hiervon, z.B. eines vorderen Eingriffsstifts 16, relativ zur Stabilisierungseinrichtung 5 erreicht werden. Mit dem Druck wird gleichzeitig die Klemmwirkung auf die Spannelemente 1 1 aufrechterhalten. Der Eingriffsstift 16 ist vorzugsweise derart gestaltet, dass er von einer üblichen Hohlschaftkegel- Werkzeugaufnahme aufgenommen werden kann, der dann mit dem Eingriffsstift 16 den Applikationsschaft 9 bilden kann.
Die Klemmung der Spannelemente 1 1 mittels der Hubzylinder 15 bewirkt, dass die Stabilisierungseinrichtung 5 starr an den Schaufeln 6 fixiert ist. Da die Klemmkraft senkrecht zur Federkraft der Federelemente 10 ausgerichtet ist, hat die Klemmkraft keine Komponente in Richtung auf die Schaufeln 6, die dadurch nicht belastet werden. Nachdem die Stabilisierungseinnchtung 5 angebracht ist, können die Schaufeln 6 in ihrem die Stabilisierungseinrichtung 5 überragenden Teil einer Bearbeitung,
insbesondere einer Endbearbeitung, unterzogen werden. Die Stabilisierungseinrichtung 5 sorgt dafür, dass die Schaufeln 6 während der Bearbeitung dem Werkzeugdruck nicht oder allenfalls in deutlich reduzierter Weise nachgeben. Zudem wird die
freischwingende Länge der Schaufeln 6 derart reduziert, dass störende Schwingungen unterbleiben oder zumindest minimiert werden.
Es ist möglich, die Stabilisierungseinrichtung 5 an denselben Schaufeln 6 nacheinander in unterschiedlichen Höhen zu fixieren und die Bearbeitung immer in lediglich geringem Abstand zur Stabilisierungseinrichtung 5 durchzuführen. So kann mit einer obersten Stabilisierungsposition begonnen und sukzessive die Stabilisierungseinrichtung 5 in zunehmend niedrigeren Höhen der Schaufeln 6 fixiert werden. Auf diese Weise kann Während der Bearbeitung der Schaufeln 6 der Abstand des nicht dargestellten
Bearbeitungswerkzeuges zur Stabilisierungseinrichtung 5 gering gehalten werden. Im Bereich des Schaufelfußes 17 kann eine Endbearbeitung ohne eingesetzte
Stabilisierungseinrichtung 5 erfolgen, da dort die Stabilität der Schaufeln 6 hinreichend ist und sich ergebende Schwingungsamplituden gering sind.
Fig. 6 zeigt die Situation gemäß Fig. 5 ohne den Applikationsschaft 9 des
Bearbeitungsarms 4 (siehe Fig. 1 ) in vergrößerter Darstellung.
Die für die Hydraulikflüssigkeit vorhandenen Druckleitungen sind in den Figuren nicht sichtbar dargestellt, da sie vorteilhaft im Grundkörper 7 als innenliegende Bohrungen ausgeführt sind. Zum Lösen der Stabilisierungseinrichtung 5 von den Schaufeln 6 wird der Druck der Hydraulikflüssigkeit abgelassen, vorzugsweise über einen hier nicht dargestellten Fluidverschluss, welcher z.B. durch eine Relativbewegung zwischen Applikationsschaft 9 und Stabilisierungseinrichtung 5 geöffnet und verschlossen werden kann.
Fig. 7 zeigt schematisch eine Schaufel 20, wie sie typischerweise für die stationäre Energieerzeugung in Dampfturbinen eingesetzt wird, mit einem Schwingungstilger 21 , welcher mit seiner Werkstückaufnahme 18 auf die Schaufel 20 selbstklemmend aufgesetzt ist. Fig. 8a zeigt den Schwingungstilger 21 im Schnitt l-l der Fig. 7 mit perspektivischer Darstellung der Schaufel 20 und Fig. 8b den Schwingungstilger 21 in vergrößerter Darstellung des Schnittes gem. Fig. 8a. In Fig. 9 ist der Schwingungstilger 21 vergrößert im Schnitt II-II der Fig. 7 zu sehen.
In einem Grundkörper 22 des Schwingungstilgers 21 ist über Federn 23 ein
Massenträger 24 gehalten, der bei Anregung relativ zum Grundkörper 22 schwingt. Die Schwingung ist über Führungsbolzen 25 geführt. Am Massenträger 24 sind
Zusatzmassen 26 vorgesehen, die vorzugsweise modular aufgebaut sind, so dass die gesamte schwingende Masse aus Federn 23, Masseträger 24 und Zusatzmassen 26 veränderbar ist. Das Innere des Grundkörpers ist über einen abnehmbaren
Gehäusedeckel 27 zugänglich. Durch das Schließen des Gehäusedeckels 27 werden die Federn 23 vorgespannt und das Gehäuse 27 dicht verschlossen. Über eine
Oleinlassschraube 28 kann anschließend der verschlossene Grundkörper 22 mit einem viskoelastischen Dämpfungsfluid befüllt werden. Über die Viskosität des
Dämpfungsfluids und die Füllhöhe können die Dämpfungseigenschaften des Tilgers eingestellt werden,
Bezugszeichenliste
1 Laufrad
2 Werkstückhalterung
3 Aufnahmeschwenkarnn
4 Bearbeitungsarm
5 Stabilisierungseinrichtung
6 Schaufel
7 Grundkörper
8 Schaftaufnahmen
9 Applikationsschaft
10 Federelement
1 1 Spannelement
12 Schaufelaufnahme
13 Deckplatte
14 Schraube
15 Hubzylinder
16 Eingriffsstift
17 Schaufelfuß
8 Werkstückaufnahme
19 Grundplatte
20 Schaufel
21 Schwingungstilger
22 Grundkörper
23 Feder
24 Masseträger
25 Führungsbolzen
26 Zusatzmasse
27 Gehäusedeckel
28 Öleinlassschraube

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes mittels eines
Bearbeitungswerkzeuges, bei dem
das Werkstück (1 , 20) in einer Werkstückhalterung (2) gehalten und eine von der Werkstückhalterung (2) verschiedene und das Werkstück (1 , 20) während der
Bearbeitung mechanisch stabilisierende Stabilisierungseinrichtung (5, 21 ) kraft- und/oder formschlüssig am Werkstück (1 , 20) befestigt wird, wobei die fixierte
Stabilisierungseinrichtung (5, 21 ) keinen für eine relative Drehbewegung um eine Werkstückachse vorgesehenen Bestandteil aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Stabilisierungseinrichtung (5, 21 ) zur Schwingungsdämpfung oder Schwingungstilgung eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass a) das Werkstück (1 , 20) in eine Werkstückaufnahme (12, 18) der
Stabilisierungseinrichtung (5, 21 ) eingeführt wird und
b) in der Werkstückaufnahme (12, 18) mindestens ein Spannelement (1 1 )
federelastisch in einer Spannelement-Pressrichtung gegen das Werkstück gepresst wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungseinrichtung zum einen an einem zu bearbeitenden Teilelement (6) klemmend und zum anderen an mindestens einem weiteren Teilelement (6) des Werkstückes (1 , 20) oder an mindestens einer gesonderten Befestigungseinheit befestigt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungseinrichtung (5, 21 ) an dem mindestens einem weiteren Teilelement (6) des Werkstückes (1 , 20) befestigt wird, wobei die Stabilisierungseinrichtung (5, 21 ) für jedes weitere zur Befestigung vorgesehene Teilelement (6) jeweils eine weitere Werkstückaufnahme (12, 18) aufweist und bei mindestens zweien der
Werkstückaufnahmen (12, 18) gemäß den Verfahrensschritten a) und b) des Anspruchs 3 vorgegangen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Spannelement (1 1 ) mit einer Fixierkraft in der
Stabilisierungseinrichtung (5, 21 ) fixiert wird, wobei die Fixierkraft eine senkrecht zur Spannelement-Pressrichtung wirkende Kraftkomponente aufweist.
7. Vorrichtungssystem zur Bearbeitung eines Werkstückes, umfassend einen mindestens eine Werkstückhalterung (2) aufweisenden Maschinenkörper, mindestens ein Bearbeitungswerkzeug und
mindestens eine von der Werkstückhalterung (2) verschiedene und zur kraft- und/oder formschlüssigen Befestigung am Werkstück (1 , 20) geeignete Stabilisierungseinrichtung (5, 21 ),
dadurch gekennzeichnet, dass
die fixierte Stabilisierungseinrichtung (5,21 ) keinen für eine relative Drehbewegung um eine Werkstückachse vorgesehenen Bestandteil aufweist.
8. Vorrichtungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungseinrichtung (5, 21 ) eingerichtet ist, Schwingungen des Werkstückes (1 , 20) zu dämpfen oder zu tilgen.
9. Vorrichtungssystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungseinrichtung (5, 21 ) mindestens eine Werkstückaufnahme (12, 18) für ein erstes Teilelement (6) des in der Werkstückhalterung (2) gehaltenen
Werkstückes (1 , 20), erste Befestigungsmittel zur klemmenden Befestigung der
Stabilisierungseinrichtung (5, 21 ) am ersten Teilelement (6) des Werkstückes (1 , 20) und zweite Befestigungsmittel zur Befestigung der Stabilisierungseinrichtung (5, 21 ) an einem zweiten Teilelement (6) des Werkstückes (1 , 20) oder an einer nicht zum
Werkstück (1 , 20) gehörenden Befestigungseinheit aufweist.
10. Vorrichtungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch Betätigungsmittel zur Betätigung der Stabilisierungseinrichtung (5, 21 ) mittels eines Fluids, wobei vorzugsweise das Fluid auch ein bei der Werkstückbearbeitung vorgesehener Kühlschmierstoff ist.
1 1 . Vorrichtungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorrichtungssystem eine CNC-Maschine umfasst, wobei die CNC-Maschine mindestens einen Handhabungsarm (4) mit Mitteln zum gesteuerten Greifen und Führen der Stabilisierungseinrichtung (5, 21 ) aufweist.
12. Vorrichtungssystem nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die CNC-Maschine eingerichtet ist, mittels des mindestens einen Handhabungsarms (4) sowohl die Stabilisierungseinrichtung (5, 21 ) als auch das mindestens eine
Bearbeitungswerkzeug zu greifen und zu führen.
13. Vorrichtungssystem nach Anspruch 1 1 oder 12 mit Rückbezug auf Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid durch den mindestens einen Handhabungsarm (4) geführt ist.
14. Zum Einsatz in einem Vorrichtungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 13 geeignete Stabilisierungseinrichtung (5, 21 ), umfassend einen Grundkörper (7) mit mindestens einer Werkstückaufnahme (12, 18) und mindestens ein in der mindestens einen Werkzeugaufnahme (12, 18) relativ zum Grundkörper (7)
bewegbares Spannelement (1 1 ).
15. Stabilisierungseinrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch mindestens ein zwischen dem mindestens einen Spannelement (1 1 ) und dem
Grundkörper (7) wirkendes federelastisches Element (10).
16. Stabilisierungseinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (1 1 ) oder mindestens eines der Spannelemente (1 1 ) durch mindestens zwei zueinander beabstandete federelastische Elemente (10) am
Grundkörper (7) gehalten ist.
17. Stabilisierungseinrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch
gekennzeichnet, dass an mindestens einer der Werkstückaufnahmen (12, 18) zwei Spannelemente (1 1 ) vorgesehen und derart ausgerichtet sind, dass die Spannelemente (1 1 ) mittels der zugehörigen federelastischen Elemente (10) aus zwei
entgegengesetzten Richtungen und auf zwei einander gegenüberliegende
Oberflächenelemente eines in der Werkstückaufnahme (12, 18) befindlichen
Teilelements (6) des Werkstückes (1 , 20) pressend wirken.
18. Stabilisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, gekennzeichnet durch Fixierungsmittel zum Fixieren des mindestens einen
Spannelements (1 1 ) innerhalb der Stabilisierungseinrichtung (5, 21 ), wobei die
Fixierungsmittel vorzugsweise eine kraftschlüssige Fixierung bewirken.
19. Stabilisierungseinrichtung nach Anspruch 18 mit Rückbezug auf einen der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch die Fixierungsmittel erzeugte Fixierkraft eine Komponente senkrecht zur Federkraft des federelastischen Elementes (10) oder der federelastischen Elemente (10) aufweist.
20. Zum Einsatz in einem Vorrichtungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 13 geeignete Stabilisierungseinrichtung (5, 21 ), umfassend Mittel zur Befestigung der Stabilisierungseinrichtung (5, 21 ) an einem Werkstück (1 , 20) sowie Mittel zur Dämpfung oder Tilgung von Werkstückschwingungen.
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