PL199599B1 - Sposób wytwarzania monolitycznej tarczy wirnika z łopatkami i tarcza wytwarzana tym sposobem - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób wy- twarzania monolitycznej tarczy wirnika z lo- patkami (6), które s a obrabiane skrawaniem przez frezowanie styczne narz edziem, które ma o s obrotu prostopad la do kierunku promieniowe- go i przebiega przej scia promieniowe wzd lu z lopatek (6), przy czym dopuszczalne jest tworze- nie faset (23) na powierzchniach lopatek. Przed- miotem wynalazku jest równie z tarcza wytwa- rzana tym sposobem. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania monolitycznej tarczy wirnika z łopatkami oraz tarcza wytwarzana tym sposobem.

Wynalazek dotyczy dziedziny obróbki skrawaniem łopatek tarczy począwszy od formy pełnej jaką tworzy tarcza w stanie surowym. Wstępne skrawanie tarczy frezem o dużym promieniu umożliwia nacinanie tarczy z pozostawieniem wstępnych form łopatek, które należy obrabiać dokładniej aż do kształtu ostatecznego. Zwykle do tego celu stosuje się frezowanie, zwłaszcza z zastosowaniem frezów o specjalnym kształcie stożkowym, zwężającym się w kierunku zaokrąglonego końca, które umożliwiają wykonanie skrawania z dużą dokładnością.

Znanym sposobem jest frezowanie czołowe, przy którym oś obrotu frezu jest skierowana promieniowo do tarczy i obraca się wokół każdej z łopatek zagłębiając się stopniowo ku wieńcowi tarczy, obrabiając łopatkę po śrubowej trajektorii.

Oś obrotu frezu jest w rzeczywistości lekko nachylona, tak że jest ona oddalona od obrabianej łopatki i skrawanie wykonywane jest głównie przez zaokrąglony koniec frezu. Wysokość przejścia, to znaczy skok śruby, wynosi około „1/2 mm, tak że obróbka łopatki jest zakończona dopiero po kilkuset przejściach. Proces ten jest więc długotrwały, co ogranicza wysokość łopatek, do których może on być zastosowany. Opracowano także sposób frezowania z boku czyli frezowanie styczne, za pomocą frezu o takim samym kształcie stożkowym, lecz zaokrąglonego na końcu, w którym część stożkowa jest dłuższa. Frez jest, jak poprzednio, ustawiony promieniowo, ale tutaj końcówka łopatki frezowana jest w jednym szerokim przejściu częścią stożkową, podczas gdy dolna część łopatki jest, jak poprzednio, frezowana głównie końcem frezu małymi przejściami. Szerokie przejście umożliwia zyskanie na czasie w porównaniu z poprzednim sposobem, nawet jeśli prędkość posuwania się narzędzia musi być zmniejszona; szybsze frezowanie łączy się jednak z wibracjami i zginaniem łopatki, co czyni je nieodpowiednim dla łopatek o dość dużej wysokości. Skądinąd, sposób ten wymaga dużej dokładności przy stosowaniu z powodu ryzyka wydrążenia łopatki, które mogłoby być spowodowane nieumyślnym dodatkowym skrawaniem przez część stożkową na fragmencie już obrobionym.

Poszukiwano zatem, tworząc ten wynalazek, bardziej wygodnego sposobu wytwarzania przez frezowanie monolitycznej tarczy z łopatkami. Zaproponowany tu sposób jest szybki i można go stosować do łopatek o wszystkich wysokościach. Jego wadą jest to, że otrzymuje się powierzchnie łopatek z fasetami, mniej dokładnie obrobione i zapewniające gorszy przepływ, ale stwierdzono, że łącząca się z tym strata wydajności może być bardzo niewielka, jeśli dopuści się tylko umiarkowane nieregularności.

Wynalazek dotyczy ogólnie, sposobu wytwarzania monolitycznej tarczy wirnika z łopatkami, charakteryzującego się tym, że po nacięciu tarczy w stanie surowym, dla uformowania w niej zgrubnie obrobionych łopatek, frezuje się zgrubne formy łopatek przez frezowanie styczne narzędziem wykonującym kolejne przejścia, zasadniczo promieniowe w stosunku do tarczy i obracanym o pewien kąt względem faset, w płaszczyźnie stycznej w stosunku do tarczy, po każdym przejściu.

Jedną z cech sposobu jest to, że kształt łopatki wynika zasadniczo z obróbki częścią główną (zwłaszcza stożkową) frezu bardziej niż jego końcem zaokrąglonym. Przejścia są równoległe i o słabym skoku czołowym; wysokość przejścia jest zasadniczo równa wysokości części głównej frezu, to znaczy kilka milimetrów. Ponieważ powierzchnia do frezowania jest taka sama we wszystkich sposobach, można ocenić o ile zmniejszona jest liczba przejść i w konsekwencji czas obróbki.

Narzędzie może mieć część środkową stożkową, część końcową zaokrągloną i część połączenia z osią obrotu zaokrągloną i zwężającą się w kierunku osi obrotu, przy czym część środkowa zwęża się w kierunku części końcowej i łączy się z częścią końcową i z częścią połączeniową w sposób gładki, bez tworzenia krawędzi.

Ważną zaletą wynalazku jest możliwość pozostawienia pierścienia zewnętrznego łączącego końce łopatek, który przyczynia się do ich usztywnienia i podtrzymywania ich podczas frezowania, co znacznie zmniejsza wibracje i ugięcia. Pierścień jest pozostałością tarczy w stanie surowym i stanowi jeden blok z łopatkami; jest on od nich oddzielany przez obróbkę wykończeniową podjętą po tym, jak łopatki przyjmą swój kształt ostateczny.

PL 199 599 B1

Monolityczna tarcza z łopatkami charakterystyczna dla wynalazku ma powierzchnie utworzone z wydłużonych faset, które są zasadniczo promieniowe. Tarczę taką można otrzymać sposobem omówionym powyżej, ale nie wyklucza się możliwości otrzymania jej w inny sposób. Fasety mogą być bezpośrednio przystające do siebie, zwłaszcza naprzeciw grzbietów łopatek, ale mogą być oddzielone przez wklęsłe fragmenty połączeniowe, przynajmniej naprzeciw spodów łopatek, wytworzone zasadniczo przez skrawanie zaokrąglonym końcem frezu.

Zaleca się, aby fasety miały szerokość równą co najwyżej 5 mm i skierowane były pod kątem mniejszym od 5° do sąsiednich faset, co tylko trochę pogarsza parametry aerodynamiczne łopatki; stwierdzono zresztą, że poniżej 3°, strata sprawności w porównaniu z łopatką całkowicie gładką była zupełnie nieznaczna.

Przedmiot wynalazku zostanie przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym: fig. 1 i 2 ilustrują ogólnie znane sposoby, fig. 3, 4 i 5 ilustrują sposób według wynalazku za pomocą widoku fragmentu tarczy podczas obróbki sposobem w kierunku trzech osi głównych; fig. 6 - uzyskane łopatki; fig. 7 i 8 - szczegóły profili łopatek.

Frezy tradycyjnie stosowane do obróbki łopatek, w tym oznaczony 1 na fig. 1, zawierają główną część stożkową 2 zakończoną zaokrągloną, a dokładniej półkulistą końcówką 3 przy czym fragmenty 2 i 3 wyposażone są w zęby tnące, a frez 1 obraca się wokół osi obrotu 4, napędzanej sterowaną cyfrowo maszyną 5, która nie jest przedstawiona szczegółowo. W procesie frezowania czołowego lub frezowania kłem takim narzędziem, jak wspomniane na początku, końcówka 3 jest przykładana do łopatki 6 stanowiącej, razem z innymi podobnymi łopatkami i wieńcem 7, monolityczną tarczę 8 z łopatkami podczas obróbki. Oś 4 i frez 1 są skierowane zasadniczo promieniowo z małym nachyleniem stycznym (według głównych kierunków tarczy 8). Frez 1 jest przemieszczany prostopadle do płytki, wykonując kolejne przejścia na odpowiednich wysokościach łopatki 6, oddzielonych wysokościami takimi jak h, przy czym odnośnik 9 wskazuje strefę wiórów, które zostaną usunięte przy następnym przejściu.

Frez z fig. 2 oznaczony jest odnośnikiem 10 i zawiera, pomiędzy półkulistym końcem 3 i osią obrotu 4, występowały na poprzednim frezie 1, stożkową część główną 2' o większej długości niż poprzednia część 2. Łopatka 6 zawiera zatem fragment 11 obrobiony za jednym razem przez część główną 2', zaś część uzupełniająca 12 łopatki 6, bliska wieńca 7, obrabiana jest przez kolejne przejścia końcówką 3 frezu 10. Tu także, oś 4 utrzymywana jest w położeniu zasadniczo promieniowym z mał ym nachyleniem.

Odniesiemy się teraz do sposobu według wynalazku i do figur 3, 4 i 5. Łopatki w postaci formy wstępnej, wieniec i tarcza oznaczono odpowiednio 6, 7 i 8. Tarcza w stanie surowym jest pełna i wpisana w okrą g 13, trochę wię kszy od zewnę trznego promienia łopatek 6 w postaci koń cowej.

Pierwszy etap polega na nacięciu tarczy w stanie surowym aby oddzielić wstępne formy łopatek 6. Proporcja usuwanego materiału oddzielającego łopatki może być zmienna.

W korzystnym sposobie wykonania, stosuje się duż y frez cylindryczny lub stożkowy wykonując wycięcia 14 o umiarkowanej głębokości, następnie mimośrodowy otwór 15 przechodzący niedaleko formy końcowej jednej z łopatek 6, pozostawiając na zewnątrz wstępnej formy tarczy pierścień 16, który przeznaczony jest do połączenia końców łopatek 6 i zapewnienia sztywniejszego połączenia.

Narzędzie 17 według wynalazku może wówczas być dosunięte. Chodzi tu znów o frez, w którym można wyodrębnić trzy części: część środkową 18, o kształcie stożkowym, której krawędź tworzy kąt około 10° z osią zaokrągloną, część końcową 19, część łączącą 20 z osią obrotu 21, która jest również zaokrąglona, zwężając się w kierunku osi 21. Części 18 i 19 podobne są do części 2 i 3 znanych narzędzi, z pewnymi małymi różnicami: tak więc część główna 18 jest krótsza, mając 10 mm wysokości jeżeli frez 17 jest narzędziem do obróbki pół-wykańczeniowej lub tylko 5 mm jeśli jest to narzędzie do obróbki wykończeniowej; końcówka 19 niekoniecznie jest półkulista lecz może być spłaszczona. Promienie krzywizny części końcowej 19 i części łączącej 20 mogą wynosić 10 mm na złączu z częścią główną 18 i mogą być mniejsze gdzie indziej; tworząca frezu 17 powinna być gładka, to znaczy nie może być żadnej krawędzi na złączach między różnymi częściami. Maksymalna średnica frezu 17 może wynosić 20 mm.

Oś obrotu 21 jest tu skierowana zasadniczo wzdłuż osi tarczy 8, z małym nachyleniem stycznym jak to przedstawiono na fig. 4, lub promieniowo jak przedstawiono na fig. 5. Te nachylenia zasadniczo są narzucone aby poprawić zbieżność części głównej 18 i uzyskać powierzchnie obrobione w pożądanym kierunku. Zbieżność ma tę zaletę, że frezowanie dokonuje się z osią

PL 199 599 B1 obrotu 21, która jest odsunięta od frezowanej powierzchni; nachylenie styczne utrzymuje się przy frezowaniu samych łopatek 6, zaś w przypadku wieńca 7 lub pierścienia 16, na końcówkach przejść 22 frez 17 jest nachylony w płaszczyźnie zasadniczo promieniowej. Przejścia są równoległe i pionowe wzdłuż łopatek 6; na fig. 3 widać, że zaczynają się one przed otworem 15 i mogą być wykonywane na zamkniętym obrysie wokół przestrzeni między dwiema łopatkami, schodząc wzdłuż jednej z łopatek 6, następnie wznosząc się wzdłuż przeciwległej powierzchni sąsiedniej łopatki 6 po przejściu wzdłuż wieńca 7, aby zakończyć się na pierścieniu 16. Pasma obrobione za każdym przejściem oznaczone są 22 na fig. 3 i 5; ich szerokość odpowiada zasadniczo wysokości części głównej 18, która wykonuje największą część pracy przy skrawaniu i prawie sama narzuca kształt końcowy łopatki 6. W przeciwieństwie do poprzednich sposobów występuje tu zatem frezowanie prawie wyłącznie styczne. Frezowanie wykonuje się najpierw narzędziem do obróbki częściowej, a następnie narzędziem wykończeniowym, przy czym obydwa narzędzia są zgodne z opisem frezu 17, z wyjątkiem tego, ż e część główna 18 w drugim frezie jest niższa.

Frez 17 przebiega kolejno przejścia 22, zagłębiając się za każdym razem coraz bardziej w wycięciach 14. Jest on obrócony do faset pod kątem, co najwyżej równym 5°, w płaszczyźnie stycznej do tarczy 8 między dwoma przejściami 22. Kiedy wszystkie łopatki 6 tarczy 8 zostaną obrobione, pierścień 16 można wycofać : formy wstępne łopatek 6 obcina się w tym celu na końcówkach, przez zainstalowanie na nich przewodu 23 urządzenia do elektroerozji. Po obrobieniu krawędzi natarcia i spływu łopatek 6 sposobem, który nie jest przedstawiony ponieważ nie wchodzi w zakres wynalazku, łopatki 6 uzyskują ostateczny kształt.

Na fig. 6 widać jak wygląda powierzchnia łopatek 6: każde z przejść powoduje pojawienie się podłużnej fasety 23, jak przedstawiono na fig. 7, kolejne fasety 23 na powierzchni grzbietów łopatek 6 są oddzielone przez ostry kąt 24, podczas gdy fasety 23 powierzchni spodów łopatek łączą zagłębieniem 25 wykonanym przez frezowanie częścią końcową 19. W obu przypadkach, zalecane jest, aby różnice kierunków sąsiednich faset 23 były mniejsze od 3°, co pozwoli uniknąć strat sprawności aerodynamicznej większych od około 0,01%, oraz nagrzewania się powietrza poprzez tarczę 8 o więcej niż 0,1°C; w praktyce dopuszczalne są zmiany kąta sięgające aż do około 5°. Odległość między profilem gładkim 26 przewidzianym dla łopatki 6 i profilem rzeczywistym nie przekracza niewielkiej wartości 0,02 mm dla faset 23 o szerokości 5 mm. Jeszcze mniejsze straty powstaną przy fasetach 23 węższych, uzyskanych frezem krótszym, ale z większą liczbą przejść.

Podtrzymujący pierścień 16 nie jest konieczny, ale należy się zabezpieczyć przed ryzykiem wibracyjnego i statycznego wyginania się łopatek 6 podczas frezowania, poprzez unikanie wzbudzania łopatek 6 do częstotliwości rezonansowych i ewentualnie dopasowanie ustawienia narzędzia według odchylenia łopatek 6, które zmienia się z odległością od wieńca 7.

Claims (10)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania monolitycznej tarczy wirnika z łopatkami, znamienny tym, że po nacięciu tarczy w stanie surowym dla uformowania w niej zgrubnie obrobionych łopatek (6), frezuje się zgrubne formy łopatek przez frezowanie styczne narzędziem (17) przebiegającym kolejne przejścia (22), które są zasadniczo promieniowe w stosunku do tarczy i obracanym o pewien kąt względem faset w płaszczyźnie stycznej w stosunku do tarczy, po każdym przejściu.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się narzędzie, które ma stożkową część środkową (18), zaokrągloną część końcową (19) i zaokrągloną część łączącą (20) z osią obrotu zwężającą się w kierunku osi obrotu (21), przy czym część środkowa zwęża się w kierunku części końcowej i łączy się z częścią końcową i z częścią łączącą gładko, bez tworzenia krawędzi.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że przejścia przebiegają od wieńca (7) tarczy do zewnętrznego pierścienia (16) utrzymującego, łączącego formy wstępne łopatek, i tym, że pierścień oddziela się od łopatek po sfrezowaniu wstępnych form łopatek (6).
4. 4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że pierścień oddziela się od łopatek przez elektroerozję z elektrodą drutową (23).
5. 5. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 4, znamienny tym, że narzędzie (17) nachyla się w płaszczyźnie zasadniczo promieniowej do co najmniej jednej z końcówek przejść.

   PL 199 599 B1
6. 6. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 5, znamienny tym, że wstępne formy łopatek frezuje się całkowicie dwa razy, przy czym stosuje się narzędzie (17) do obróbki częściowej, a następnie narzędzie (17) do obróbki wykończeniowej.
7. 7. Sposób według zastrz. 2 albo 6, znamienny tym, że stosuje się narzędzie do obróbki częściowej, które ma część środkową (18) wyższą niż narzędzie do obróbki wykończeniowej.
8. 8. Monolityczna tarcza z łopatkami, znamienna tym, ż e zawiera ł opatki (6) o powierzchniach utworzonych z wydłużonych faset (23), które są zasadniczo promieniowe.
9. 9. Monolityczna tarcza według zastrz. 8, znamienna tym, że fasety oddzielone są przez wklęsłe fragmenty połączeń (25), co najmniej od strony spodów łopatek.
10. 10. Monolityczna tarcza według zastrz. 8 albo 9, znamienna tym, że fasety są skierowane pod kątem mniejszym niż 5°, korzystnie mniejszym niż 3° i mają szerokości równe co najwyżej 5 mm.