NO336276B1 - Rotorskovlhjul i ett stykke og dets fremstilling - Google Patents

Description

Fagfelt

Denne oppfinnelse gjelder fremfor alt en fremgangsmåte for å fremstille et rotorskovlhjul i ett stykke, og oppfinnelsen gjelder også skovlhjul som er fremstilt med en slik fremgangsmåte og har fått sin karakteristiske form.

Bakgrunn

Beskrivelsen nedenfor vil gjennomgå maskineringen av rotorskovlhjulets enkelte skovler ut fra et relativt kompakt råemne for skovlhjulet. Ved en første maskinering brukes en fres med stor arbeidsradius for å frese inn i skovlhjulet og la det være igjen skovlemner som senere maskineres finere inntil de får sin endelige form. Det er vanlig å bruke ren fresing, særlig å bruke freseverktøy med spesialform, gjerne slikt verktøy som går under benevnelsen fingerfreser. Disse har delvis konisk form og er tilspisset mot sin avrundede ende, og verktøy av denne type er beregnet å kunne utføre maskinering med god nøyaktighet.

En kjent fremgangsmåte i denne sammenheng er ende- eller fingerfresing hvor freseverktøyets rotasjonsakse er orientert radialt i forhold til det skovlhjul som skal maskineres, idet fresen blir ført rundt hver av de skovlemner som skal bli til skovlene ved gradvis å senkes ned mot hjulets sentrale nav. Skovlene blir da maskinert langs en spiral-eller skruelinjeformet arbeidslinje/flate. Fingerfresens rotasjonsakse blir i realiteten lett skråstilt i forhold til sin radiale orientering for å kunne holdes i en viss avstand fra den skovl som maskineres og slik at hovedmaskineringen utføres av det avrundede endeområdet på fingerfresen. Høyden av det arbeidsområdet som bearbeides under hver fremmatingsfase (arbeidsdraget) følger skruelinjen og kan være omkring V2 mm, slik at den ferdige skovl ikke blir maskinert endelig før etter flere hundre arbeidsdrag. Fremgangsmåten tar altså meget lang tid, hvilket begrenser høyden av de skovler metoden kan brukes for.

Man har også forsøkt fresing fra flanken eller tangentialt ved hjelp av en tilsvarende konisk fingerfres og som dessuten har vært avrundet i enden, men hvor det koniske parti er betydelig lengre enn standardutgaven som har et relativt langt sylindrisk parti innerst. Fingerfresen brukes som tidligere radialt i forhold til arbeidsflaten, men skovlendene blir i dette tilfellet maskinert i et eneste bredt arbeidsområde ved hjelp av det koniske parti på fingerfresen, mens skovlenes festeområde som tidligere hovedsakelig ble frest med den avrundede ende og ved å bruke små arbeidsområder. Det brede arbeidsområde øverst gjør at man kan spare tid i forhold til den først nevnte fremgangsmåte, selv om fremdriftshastigheten av fingerfresverktøyet må reduseres. Imidlertid vil en raskere fresing også bevirke vibrasjoner og at arbeidsstykket gir etter mer, hvilket også hindrer slik maskinering av høye eller lange skovler. Videre er fremgangsmåten vanskelig å få tatt i bruk fordi man har risiko for uthulning av skovlen, hvilket vil kunne frembringe en utilsiktet ytterligere maskinering av det koniske parti på denne, nemlig på et parti som allerede er maskinert.

Man har således søkt etter nye og bedre metoder, og i denne sammenheng kommer oppfinnelsen inn i bildet. Den gjelder altså en bedre måte å fremstille rotorskovlhjul på ved fresing ut fra et råemne i ett stykke. Den foreslåtte fremgangsmåte er rask og vil egne seg for skovler i enhver høyde. Fremgangsmåten har likevel ulempen av å gi en fasettering av overflaten på skovlene, slik at denne overflate blir relativt grovstrukturert og faktisk slik at det kan oppstå overflatefriksjon, men det har vist seg at det ytelsestap man egentlig får kan holdes meget lite, dersom man holder uregelmessighetene under en viss grense.

Av tidligere kjent teknikk nevnes EP0992310A som omhandler en fremgangsmåte for fresing med en rotasjonsfres og EP0666407A som omhandler en fremgangsmåte for fremstilling av et skovlehjul i ett stykke.

Sammendrag

I den mest generelle form gjelder oppfinnelsen således en fremgangsmåte for fremstilling av et rotorskovlhjul i ett stykke og kjennetegnet ved, etter å ha grovmaskinert rotorskovlhjulet til et emne for å danne enkeltemner for dets skovler: Fresemaskinering av skovlene ved tangential fresing ved hjelp av et freseverktøy som i hovedsakelig radial retning i forhold til rotorskovlhjulet føres fremover i gjentatte arbeidssykluser over flere drag, under dreining over en fasettvinkel (a) etter hvert drag, hvilken dreining utføres i et tangentialplan til rotorskovlhjulet.

Et karakteristisk trekk ved denne fremgangsmåte er at skovlens endelige form fremkommer hovedsakelig ved fresevirkningen av hovedpartiet av freseverktøyet (det vil si dette verktøys koniske parti), heller enn den fremre ende av dette parti, det som er kalt den avrundede fingerfresende. De enkelte arbeidsområder for fresen strekker seg parallelle og har relativt liten utstrekning, og høyden av hvert arbeidsområde vil hovedsakelig være lik høyden av fresens hovedparti, for eksempel noen få mm. Siden fresens overflate er den samme i de fremgangsmåter som er skissert ovenfor vil man lett se at antallet drag blir betydelig redusert med oppfinnelsens fremgangsmåte, og således også bearbeidingstiden.

Ifølge oppfinnelsen er denne likeledes slik at verktøyet har et sentralt konisk parti, et avrundet endeparti og et indre parti, idet det siste parti er i form av et avrundet overgangsparti til verktøyets spindel, mens det sentrale parti på tilsvarende måte avsmalner forover mot endepartiet og har en jevn overgang mot dette, så vel som innover mot den fremre del av det indre parti, slik at det ikke dannes noen overgangskant.

En viktig fordel med oppfinnelsen er at den gir mulighet til å la det være igjen en utvendig ring som sammenføyer ytterenden av skovlene på rotorskovlhjulet og derved bidrar til å avstive disse og holde dem i riktig posisjon under fresebearbeidingen, hvilket i meget stor grad reduserer vibrasjonene og deformasjonene. Denne ring blir således en rest på skovlhjulet og hører med til dettes emne. Følgelig vil ringen også gå i ett med skovlene, men skilles naturligvis fra disse ved sluttmaskineringen som finner sted etter at samtlige skovler har fått sin endelige form.

Oppfinnelsens skovlhjul får med en slik fremgangsmåte en rekke flater som til-sammen danner en fasettstruktur med langsgående skillelinjer, hovedsakelig radiale i forhold til skovlhjulets nav. Et skovlhjul av denne type kan altså fremstilles med en fremgangsmåte slik som skissert, men det er ikke utelukket at man også kan gå frem på annen måte. De enkelte fasetter kan gå direkte over i hverandre, særlig på forsiden av skovlenes ryggflate, men de kan også være skilt fra hverandre over konkave forbindelseslengder, i det minste på frontflaten, og disse forbindelsesflater kan i alt vesentlig være fremstilt ved hjelp av fresens avrundede ende.

Det foreslås at fasettene har en bredde som høyst er 5 mm og retninger som skiller fra hverandre mellom to nabofasetter, på mindre enn 5°. Derved unngås at skovlen får dårligere aerodynamiske egenskaper. Forsøk har vist at man ved å holde fasettvinkelen under omkring 3° kan knapt ytelsen gi forhold til en skovl med perfekt glatt overflate knapt merkes.

Kort beskrivelse av tegningene

Oppfinnelsen vil nedenfor gjennomgås i nærmere detalj, og samtidig vises til tegningene, hvor: fig 1 og 2 viser generelt hvordan utfresing av skovler kan gjøres i henhold til kjent

teknikk,

fig. 3, 4 og 5 viser hvordan oppfinnelsen foreslår utfresing av skovler i de tre hovedakser

for et rotorskovlhjul,

fig. 6 viser hvordan de endelige skovler tar seg ut etter en slik fresemaskinering, og fig. 7 og 8 viser detaljer for den utvendige profil på skovlene.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Konvensjonelle freser, ofte benevnt fingerfreser og som kan være egnet til å bearbeide skovler med er på fig. 1 vist ved en og har et konisk hovedparti 2, et baken-forliggende sylindrisk parti, og en fremre avrundet ende 3, særlig med halvkulefasong. Utvendig har fingerfresen langsgående skjæretenner, og virkningen fremkommer ved at den roterer om en sentral langsgående rotasjonsakse, idet dette foregår ved at den er festet til en spindel 4 i bakre ende. Spindelen drives rundt av en drivmaskin 5 som kan være underlagt numerisk styring, men som her ikke er vist i nærmere detalj. I en fremgangsmåte for buttsveising eller lodding eller ved punktsveising ved hjelp av et slikt verktøy som er nevnt innledningsvis vil fresens ende 3 anvendes på skovlen 6 som sammen med andre tilsvarende skovler og et nav 7 danner det komplette rotorskovlhjul i ett stykke, for maskinering av dette til endelig form. Spindelen 4 og fingerfresen 1 holdes i en posisjon som hovedsakelig er radial, men med en mindre tangential helning (i forhold til skovlhjulets 8 hovedretninger). Fresen 1 forskyves under bearbeidingen normalt på skovlbladet og gjennomgår arbeidsdrag for gradvis å fjerne materialet, over den høyde skovlen 6 har. De enkelte drag forskyves en høyde h i forhold til hverandre, og med 9 er indikert den seksjon hvor sponfraskillingen skjer i den neste fremføring av verktøyet, idet denne fremføring også er kalt et arbeidsdrag.

Fresen 10 op fig. 2 har et noe lengre konisk hovedparti 2' (var kalt 3' i originaltegningene) mellom den halvkuleformede ende 3 og spindelen 4 (ikke vist). Hovedpartiet 2' er altså betydelig lengre enn hovedpartiet 2 på fig. 1. Skovlen 6 som skal maskineres til endelig form har som vist et første parti 11 som maskineres under ett av dette hovedparti 2', og et andre, komplementært parti 12 nærmere skovlhjulets 8 nav 7 for gradvis maskinering ved hjelp av enden 3. Også her er rotasjonsaksen (og spindelen 4) holdt i en posisjon tilnærmet radial i forhold til skovlhjulets rotasjonsakse, men likevel med en mindre helning.

Fig. 3, 4 og 5 viser hvordan oppfinnelsens fremgangsmåte arter seg. Samme henvisningstall 6, 7 og 8 er brukt for skovlene i emneform, navet 7 og det komplette rotorskovlhjul 8. Sistnevnte er fylt og innskrevet i en omslutning 13 som er noe romsligere enn ytterdiameteren av skovlene 6 etter deres sluttmaskinering.

En første etappe i maskineringen går ut på å grovforme rotorskovlhjulet 8 slik at de enkelte skovlemner for skovlene 6 blir skilt fra hverandre. Man kan for dette fjerne en varierende del av det mellommaterialet som ligger mellom dem.

I en foretrukket utførelsesmåte går man da frem med en stor sylindrisk eller konisk fres slik at det dannes utsparinger 14 med moderat dybde, og deretter lager man et eksentrisk hull 15 som føres gjennom ikke langt fra den endelige flate på en av skovlene 6, ved at man lar det være igjen en utvendig ring 16 på rotorskovlhjulet for å holde skovlendene sammen og i en god avstivning under den videre maskinering.

Det verktøy 17 som man særlig vil bruke når man utførerer oppfinnelsens fremgangsmåte, kan deretter tas i bruk. Verktøyet er også en fres med tre partier som i de kjente utførelser, men med en noe mer avkortet og avrundet form, nemlig med et sentralt parti 18 med konisk form og hvis konisitet danner en vinkel på omkring 10° i forhold til verktøyets eller fresens rotasjonsakse. Videre har fresen et avrundet endeparti 19 og et indre parti 20 inn mot fresens spindel 21. Dette indre parti 20 er avrundet avsmalnende innover mot spindelen 21 og går foran jevnt over i det sentrale parti 18. Partiene 18 og 19 tilsvarer partiene 2 og 3 på de kjente freser, men med visse nyanser som forskjell: således har det sentrale parti 18 mindre lengde, for eksempel omkring 10 mm som fresen 17 er et halvslurtende verktøy eller bare 5 mm dersom det er et avsluttende verktøy. Videre er endepartiet 19 ikke nødvendigvis halvkuleformet, men mer avflatet i enden. Krumningsradiene for endepartiet 19 og det indre parti 20 kan være omkring 10 mm ved overgangen mot det sentrale parti 18 og mindre ellers. Hensikten er at den utvendige kontur av fresen 17 er jevn, slik at det ikke er noen skarpe kanter i overgangsområdene mellom partiene. Fresen 17 kan ha en maksimal diameter på 20 mm.

Rotasjonsaksen som går midt gjennom spindelen 21 er her dirigert i alt vesentlig mot skovlhjulets rotasjonsakse, men med en liten tangential helning som fig. 4 viser, eller radialt som fig. 5 viser. Disse helningene er i alt vesentlig lagt inn for å korrigere for det sentrale partis 18 konisitet og for å oppnå overflater som blir maskinelte i den ønskede retning. Konisiteten gir fordelen at fresingen utføres med spindelen 21 i en viss avstand fra den plate som blir bearbeidet, og den tangentiale helning er lagt inn for å frese skovlene 6 slik det er ønsket, idet fresen 17 er skrådd i et plan hovedsakelig radialt i forhold til navet 7 eller ringen 16, ved endene av arbeidsdragene 22. Disse drag strekker seg parallelle og vertikale langs skovlene 6, og fra fig. 3 ser man at de starter foran hullet 15 og kan følge en lukket kontur rundt partiet mellom to skovler ved å føres ned langs en av skovlene 6 og opp igjen langs den motsatte skovlen etter å ha gått langsetter navet 7, slik at fresen til sist ender opp ved ringen 16. De bånd som maskineres ved hver arbeidssyklus er gitt henvisning stallet 22 som arbeidsdragene på fig. 3 og 5, og deres bredde tilsvarer hovedsakelig høyden av det sentrale parti 18 som utfører hoveddelen av utfresingsarbeidet og nesten alene sørger for den endelig form av skovlen 6. Man har således en fresing som nesten utelukkende er tangential, i motsetning til de løsninger som er kjent fra tidligere. Fresingen fremstilles først og fremst av et halvfabrikasjonsverktøy, og deretter av et sluttverktøy, men begge tilsvarer beskrivelsen av verktøyet eller fresen 17, med unntak av at det sentrale parti 18 på den andre type er langt kortere.

Fresen eller verktøyet 17 gjennomløper arbeidsdragene 22 det ene etter det andre og blir matet inn noe dypere for hver syklus i utfresingene 14. Fresen dreies over fasettvinkelen a, høyst 5° i et tangentialplan til skovlhjulet 8 mellom to arbeidsdrag 22. Når samtlige skovler 6 på hjulet 8 er maskinelte kan ringen 16 tas bort: skovl emnene blir da skåret av i endene ved å legge inn en tråd i en elektroerosjonsmaskin. Når angrepskantene og den bakre kant på skovlene 6 er ferdig maskinelte på en eller annen måte som her ikke skal beskrives siden oppfinnelsen ikke gjelder perfeksjonering av dette, har man kommet frem til den endelige form av skovlene 6.

Fig. 6 viser hvordan skovloverflatene da tar seg ut: arbeidsdragene har altså for hver syklus dannet en langsgående fasett 23 slik fig. 7 viser, og de sidestilte fasetter 23 på bakflaten blir i dette tilfellet skilt med et spisst utvendig hjørne 24 som danner fasettvinkelen a utvendig, mens fasettene 23 på den innvendige flate av skovlene sammenføyes via et konkavt innvendig og avrundet hjørne 25 som fremkommer ved fresing ved hjelp av det avrundede endeparti 19 på fresen 17.1 disse to tilfeller forutsettes at vinkelforskj ellen som tilsvarer fasettvinkelen a mellom to nabofasetter 23 er mindre enn 3°, hvilket gjør at man ikke får vesentlige svekkinger i de aerodynamiske egenskaper, i alle fall ikke med mer enn omkring 0,1%, eller at det hoper seg opp oppvarmet luft tvers over skovlhjulet 8, med mer enn omkring 0,1 °C. Fasettvinkelen a kan variere opp til ca. 5° i praksis. Avstanden mellom en jevn, glatt profil 26 som er strekpunktert indikert på fig. 7 og 8, og den reelle fasettprofil av skovlene 6 vil således ikke overstige den beskjedne verdi 0,02 mm for fasetter 23 med 5 mm bredde. Enda mindre tap kan påregnes når man bruker fasetter 23 som er smalere enn dette, og dette kan fremstilles med en fres som er kortere, men hvor antall arbeidsdrag er øket.

Ringen 16 for å holde skovlemnene på plass under maskineringen er naturligvis ikke obligatorisk for oppfinnelsens del, men den brukes for å redusere risikoen for vibrasjoner og deformasjon av skovlemnene 6 under fresingen. På denne måte unngås at skovlene utsettes for resonansfrekvenser som kan påvirke posisjonsinnstillingen av verktøyet eller fresen 17 i avhengighet av hvilken innbøyning eller deformasjon skovlene 6 får, idet denne da vil variere med avstanden til navet 7.

Claims (10)

1 Fremgangsmåte for fremstilling av et rotorskovlhjul (8) i ett stykke ogkarakterisert ved, etter å ha grovmaskinert rotorskovlhjulet (8) til et emne for å danne enkeltemner for dets skovler (6): fresemaskinering av skovlene (6) ved tangential fresing ved hjelp av et freseverktøy (17) som i hovedsakelig radial retning i forhold til rotorskovlhjulet (8) føres fremover i gjentatte arbeidssykluser over flere drag, under dreining over en fasettvinkel (a) etter hvert drag, hvilken dreining utføres i et tangentialplan til rotorskovlhjulet.

2 Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert vedat ifølge oppfinnelsen er denne likeledes slik at verktøyet har et sentralt konisk parti (18), et avrundet endeparti (19) og et indre parti (20), idet det siste parti er i form av et avrundet overgangsparti til verktøyets spindel (21), mens det sentrale parti på tilsvarende måte avsmalner forover mot endepartiet og har en jevn overgang mot dette, så vel som innover mot den fremre del av det indre parti, slik at det ikke dannes noen overgangskant.

3 Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert vedat arbeidsdragene (22) strekker seg fra et nav (7) på rotorskovlhjulet (8) til en ring (16) som forbinder skovlemnenes ytterender med hverandre, idet denne ring (16) etter ferdigmaskineringen av skovlene (6) fra skovlemnene, blir fjernet.

4 Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert vedat ringen (16) skilles fra de ferdig maskinelte skovler ved hjelp av en elektroerosjonstråd (28).

5 Fremgangsmåte ifølge krav 1 -4, karakterisert vedat verktøyet (17) er skråstilt i et plan hovedsakelig radialt i forhold til minst én av endene av arbeidsdraget (22).

6 Fremgangsmåte ifølge krav 1 -5, karakterisert vedat skovlemnene blir fresbearbeidet fullstendig to ganger, idet verktøyet (17) først er et halvfabrikata verktøy og deretter et sluttverktøy.

7 Fremgangsmåte ifølge krav 2 og 6, karakterisert vedat halvfabrikata verktøyet har et sentralt parti (18) som er høyere enn sluttverktøyet.

8 Rotorskovlhjul (8) i ett stykke, karakterisert vedskovler (6) hvis skovlflate er dannet av fasetter (23) som strekker seg langsetter skovlen og hovedsakelig radialt.

9 Rotorskovlhjul ifølge krav 8, karakterisert vedat fasettene (23) er skilt fra hverandre via konkave sammenføynings-partier (25) i det minste på skovlenes bakside.

10 Rotorskovlhjul ifølge krav 8 eller 9, karakterisert vedat fasettene (23) har retninger som danner en fasettvinkel (a) mellom to og to nabofasetter, idet denne vinkel er mindre enn 5°, fortrinnsvis mindre enn 3°, og hvor fasettenes (23) bredde høyst er 5 mm.