DE19506145C1 - Werkzeug für die gießtechnische Herstellung eines Schaufelrades - Google Patents
Werkzeug für die gießtechnische Herstellung eines SchaufelradesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Werkzeug für die Herstellung eines Schaufelrades einer
Strömungsmaschine mit gekrümmten Schaufeln, mit den im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen.
Schaufelräder von Strömungsmaschinen, wie beispielsweise Lüfterräder, Turbinenräder
oder Verdichterräder eines Radialturboverdichters werden größtenteils gegossen. Als zur
Herstellung dieser komplizierten Schaufelräder geeignete Gießverfahren kommen
üblicherweise das Kokillenguß- oder das Feingußverfahren zum Einsatz. Leit- und
Laufräder von Strömungsmaschinen werden ferner im Sandgußverfahren hergestellt, wobei
vielfach das Formmaskenverfahren nach Croning angewendet wird.
Alternativ zu der urformtechnischen Herstellung von Schaufelrädern, ist auch eine
spanabhebende Fertigung anwendbar. So werden speziell Lüfter- und Verdichterräder aus
Aluminium- und Titanwerkstoffen auch mittels Fünfachsenfräsen gefertigt. Sobald jedoch
andere, verschleißfestere Werkstoffe, wie z. B. Stahlwerkstoffe, verarbeitet werden,
verteuert sich die Herstellung dieser Räder durch Fünfachsenfräsen derart erheblich, daß
eine Anwendung dieser Verfahren praktisch ausgeschlossen ist.
Für die Fertigung von Hochleistungsradialverdichterrädern und Turbinenschaufelrädern, wie
diese beispielsweise in Abgasturboladern verwendet werden, sind die gießtechnischen
Herstellungsmöglichkeiten weitgehend auf Feinguß- bzw. Feinspritzgußverfahren
beschränkt. Gründe hierfür sind die aus betriebsdynamischen Gesichtspunkten zwingend
erforderliche Einstückigkeit der Räder und die aufgrund der hohen thermischen Belastung
zu wählenden Rad-Materialien. Infolgedessen eignet sich von den bekannten Gießverfahren
praktisch nur das Wachsausschmelzverfahren zur Herstellung solcher Schaufelräder. Doch
auch hierbei müssen, wegen der hohen Schmelztemperatur der zu verarbeitenden
Gußmaterialien, Feingußformen verwendet werden, welche diesen hohen Temperaturen der
Metallschmelze standhalten. Solche Feingußformen sind wiederum nur mit Hilfe eines
Modells herzustellen. Ein solches Modell besteht aus speziellem Formwachs und entspricht
hinsichtlich seiner geometrischen Abmessungen exakt dem herzustellenden Gußstück. Zu
berücksichtigen hierbei sind allerdings die gießtechnisch erforderlichen Schwindmaße. Das
Modell wird allseitig vom Formwerkstoff umgeben und verbleibt nach der Verdichtung des
Formwerkstoffes zunächst in der Gußform.
In einem Autoclav wird das Wachsmodell aus der Formschale ausgelöst, wodurch
Hohlräume in der Gußform frei werden, die dem Gußstück entsprechen. Beim Abgießen der
Formen werden die Hohlräume von der heißen Metallschmelze ausgefüllt, so daß nach dem
Erstarren der Schmelze in der Gußform das fertige Gußstück ausgeformt werden kann.
Da das Wachsmodell ausgeschmolzen und daher nicht wiederverwendet werden kann,
kommt einer weitgehend automatisierten Modellherstellung in Serienproduktion bei
gleichzeitig gleichbleibend hoher Maßgenauigkeit der Modelle große Bedeutung zu.
Zur Herstellung von Turbinenrädern im Wachsausschmelzverfahren ist der Anmelderin als
nicht druckschriftlicher Stand der Technik eine Modelleinrichtung bekannt, bei der ein hoher
Mechanisierungsgrad erreicht ist. Diese bekannte Modelleinrichtung besteht aus mehreren
zueinander komplementären Formsegmenten, die zusammengesetzt, das Werkzeug für das
Wachsmodell ausbilden. Die Anzahl der Segmente entspricht der Anzahl der Schaufeln des
Turbinenrades, wobei die Segmente auf einem ebenen Transportmechanismus verschiebbar
festgelegt sind. Der Transportmechanismus führt die Formsegmente beim Schließen des
Werkzeugs in einer Linearbewegung im wesentlichen zentrisch oder tangential in Richtung
auf die Nabe des Turbinenrades hin zusammen. Bei geschlossenem Werkzeug werden die
Segmente in Umfangsrichtung von einem geteilten Ring umgeben, welcher als Formteil,
die Außenkontur der Schaufeln definiert. Schließlich wird das Werkzeug in axialer
Richtung durch eine Gegenplatte begrenzt, die die hintere Nabenkontur des Turbinenrades
vorgibt und gleichzeitig die Formsegmente in ihrer zusammengeführten Lage fixiert.
Der bekannte Transportmechanismus besteht im wesentlichen aus einer Trägerplatte mit der
flächig übereinander, auf einer gemeinsamen Achse angeordnet, eine Zugscheibe und eine
Kurvenscheibe verbunden sind. Die Kurvenscheibe ist drehfest an der Trägerplatte
festgelegt, während die zwischen Trägerplatte und Kurvenscheibe angeordnete Zugscheibe
um die gemeinsame Achse verdrehbar ist. Auf der drehbaren Zugscheibe sind in der Art
einer Kulissenführung entsprechend der Zahl der Formsegmente Nuten ausgebildet, welche
spiralförmig nach außen verlaufen. Die fixe Kurvenplatte weist schlitzförmige
Ausnehmungen aufs welche tangential zur Radnabe strahlenförmig in Richtung
Scheibenumfang verlaufend ausgebildet sind. Auch die Zahl der Ausnehmungen entspricht
der Zahl der Formsegmente. Jedes der Segmente liegt flächig auf der Kurvenscheibe auf
und besitzt einen von der Kontaktfläche ausgehenden und mit diesem verbundenen Nutstein.
Der Querschnitt des Nutsteines ist über einen Längenabschnitt der Ausnehmung paßgenau
auf diese Ausnehmung in der Kurvenscheibe abgestimmt und ragt durch diese hindurch bis
in eine Nut der darunterliegenden Zugscheibe. Während dieser paßgenau verschiebbare
Nutstein in der Ausnehmung der Kurvenplatte eine Führung erfährt, folgt das in die
spiralförmige Nut der Zugscheibe ragende freie Ende des Nutsteins bei einer Verdrehung
der Zugscheibe relativ zu der Kurvenscheibe dem Verlauf dieser Nut. Bedingt durch die
vorgesehene Führung in der Führungsscheibe, ist der Nutstein in seiner Bewegung in
Umfangsrichtung gehemmt und erfährt bei Drehen der Zugscheibe eine Verschiebung
entlang der Ausnehmung. Gleichzeitig mit dem Nutstein beschreibt das jeweils mit diesem
verbundene Segment eine lineare Verschiebebewegung.
Auf diese Weise werden durch den bekannten Transportmechanismus sämtliche
Schaufelsegmente symmetrisch aus den Schaufelzwischenräumen des ausgehärteten
Wachsmodells herausgefahren.
Obwohl sich die bekannte Modelleinrichtung bei der Serienfertigung von Turbinenrädern
bestens bewährt hat, weist sie dennoch den Nachteil auf, daß sie, bedingt durch ihre radial
tangential gerichtete lineare Verschiebbewegung der Schaufelzwischenraumsegmente, auf
die Geometrie der geraden Schaufeln bei Turbinenrädern beschränkt ist.
Schaufelräder mit gekrümmten Schaufeln müssen wegen der aufwendigen Geometrie ihrer
Schaufeln nach wie vor mit Hilfe von entsprechend kompliziert gestalteten Werkzeugen, die
aus mehreren einzelnen Formteilen zusammengesetzt sind, hergestellt werden.
Solche aus mehreren Teilen oder Einzelsegmenten aufgebauten Werkzeuge weisen jedoch
Maßungenauigkeiten durch Teilungsfehler auf oder die Fertigungskosten der entsprechend
formstabil und paßgenau zufertigenden Teile sind sehr hoch. Jedenfalls ist das sorgfältige
Zusammensetzen solcher einzelner Formteile zu dem Werkzeug sehr arbeits- und
kostenintensiv, da die losen Teile bedingt durch die aufwendige Schaufelgeometrie, durch
Drehen, Abheben und gleichzeitiges Abziehen vom gegossenen Wachsmodell manuell
entfernt werden.
Da ferner das zur Modellbildung verwendete Formwachs relativ weich ist, werden bei der
Einzelausformung der Schaufelzwischenräume häufig die Schaufelkontur und der
Schaufelgrund deformiert. Diese Deformierungen des Modells führen zu Maßabweichungen
am fertiggestellten Schaufelrad und damit letztlich zu einer vergrößerten Unwucht und
Leistungsabweichung des Rades.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Werkzeug zu schaffen, mit
welchem Schaufelräder mit räumlich gekrümmten Flächen mit hoher Maßgenauigkeit
einfach und kostengünstig hergestellt werden können.
Die Lösung dieses technischen Problems ist ausgehend von den Merkmalen eines
gattungsgemäßen Werkzeugs durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1
gegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Erfindungsgemäß ist also ein Werkzeug mit einem Transportmechanismus aufgezeigt, bei
welchem sämtliche Schaufelzwischenräume von Schaufelrädern, deren Winkel zwischen
Ein- und Austrittskante einer Schaufel multipliziert mit der Anzahl der Schaufeln einen
Winkel größer als 360 Grad ergeben, in einem Arbeitsgang ausgeformt werden können. Bei
der erfindungsgemäßen Ausformung von Schaufelräder mit gekrümmten Schaufeln,
beschreiben ferner alle Schaufelzwischenraum-Segmente, trotz der komplizierten
Schaufelgeometrie, eine ebene Bewegung. Dadurch kann der Transportmechanismus
einfach gestaltet und mit geringem baulichen Aufwand dargestellt werden. Ferner erhöht die
ebene Führung der Form-Segmente auf der Kurvenscheibe ein exaktes Herausfahren der
Form-Segmente aus den dreidimensional geformten Bereichen zwischen den einzelnen
Schaufeln, so daß Beschädigungen der räumlich gekrümmten Schaufelkontur zuverlässig
vermieden werden können.
Hinsichtlich eines schadfreien Ausformvorgangs, kommt der vorteilhaften Kinematik des
erfindungsgemäßen Transportmechanismusses eine besondere Bedeutung zu. Insbesondere
erschließt das erfindungsgemäß an jedem Formsegment vorgesehene zusätzliche
Führungselement, im Vergleich zu bisher bekannten Ausformungsmechanismen einen
zusätzlichen Freiheitsgrad für die Bewegung des Formsegments. Neben der herkömmlichen
linearen Bewegung der Formsegmente besteht damit die Möglichkeit, daß jedes Segment
des erfindungsgemäßen Werkzeugs auch eine Relativbewegung um seine Hochachse
durchführen kann. Praktisch wird damit der Translationsbewegung der Segmente eine
Drehbewegung überlagert, die zwingend notwendig ist, um die Schaufelzwischenraum-
Formsegmente ohne Beschädigung der Schaufelkontur aus dem Werkzeug herausführen zu
können. Die Darstellung einer solchen mehrfach überlagerten Ausformbewegung der
Formsegmente war bisher nicht bekannt und darüberhinaus der Grund, weshalb
beispielsweise die Wachsmodelle von Radialverdichterrädern nur durch aufwendige
Einzelentformung der Schaufelzwischenräume durch Urformen hergestellt werden konnten.
Neben der Notwendigkeit, die Formsegmente während der Ausformbewegung um ihre
Hochachse drehen zu können, ergibt sich ein weiterer bedeutender Vorteil aus dem
erfindungsgemäß vorgesehenen Verlauf der Leitkurve. Bei jedem Leitkurvenverlauf
wechselt die Krümmung über einen Wendepunkt ihr Vorzeichen. Dieser Vorzeichenwechsel
bewirkt zusammen mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Zweipunktführung eine
Richtungsumkehr der Drehbewegung jedes Formsegments beim Durchfahren der
Leitkurve. Die Drehrichtungsumkehr wiederum ermöglicht das Freistellen der einzelnen
Schaufelzwischenraum-Formsegmente beim Ausformen des Schaufelrades. Ohne diese
Drehrichtungsumkehr würden die freien Enden der Schaufelkonturformteile aufgrund der
sich in radialer und axialer Richtung überlappenden Geometrie der Beschaufelung
aneinanderstoßen und beschädigt werden noch bevor sie ganz aus den
Schaufelzwischenräumen herausgeführt wären.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand
der Zeichnung.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Halbschnitt durch ein erfindungsgemäßes Werkzeug;
Fig. 2 eine Draufsicht des Transportmechanismusses des Werkzeugs aus Fig. 1 mit
teilweise freigeschnittenem Blick auf die Zugscheibe und exemplarisch in Ausgangs-
und Ausformposition dargestellten Schaufelzwischenraum-Formsegementen;
Fig. 3 eine räumliche Darstellung des Werkzeugs im Teilschnitt mit
Schaufelzwischenraum-Formsegmenten in Ausformposition;
Fig. 4 eine Draufsicht eines mit dem erfindungsgemäßen Werkzeugs hergestellten
Radialverdichterrades mit räumlich gekrümmten Schaufeln.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Werkzeug 1 für die Herstellung eines
Radialverdichterrades 20 im Wachsausschmelz-Feingußverfahren gezeigt. Dieses Werkzeug
1 dient als Modelleinrichtung zur Herstellung eines Wachsmodells des in Fig. 4
dargestellten Radialverdichterschaufelrades 20.
Die Beschaufelung des Verdichterrades 20 besteht aus 6 Vollschaufein 22 und weiteren 6
jeweils zwischen zwei benachbarten Vollschaufeln 22 angegossenen Splitterschaufeln 21.
Vollschaufeln 22 und Splitterschaufeln 21 sind in gleichen Winkelabständen angeordnet,
wobei sowohl die Vollschaufeln 22 als auch die Splitterschaufeln 21, sprich deren Fußlinie
27, positiv gekrümmt sind (β < 90 Grad). Ferner sind die Schaufeln 21 und 22 auch in
axialer Strömungsrichtung gekrümmt. Diese axiale Schaufelkrümmung ist austrittsseitig
weniger und im Radnabenbereich deutlicher ausgebildet. Die damit vorgesehene räumliche
Krümmung der an dem Radialverdichterschaufelrad 20 ausgeführten Geometrie der
Beschaufelung 21, 22 ist speziell dadurch beschrieben, daß der Winkel 24 zwischen
Eintrittskante 26 und Austrittskante 25 der Vollschaufeln 22 multipliziert mit der Anzahl der
Vollschaufeln 22 einen Winkel größer als 360 Grad ergibt. Diese geometrische Vorgabe
kennzeichnet damit ebenfalls die räumliche Ausbildung der Schaufelzwischenraumkanale,
und davon insbesondere, die Krümmung des Kanals in Umfangsrichtung. Diese Krümmung
ist damit nämlich auf ein Mindestmaß festgelegt, bei welchem ein bloßes Herausziehen der
Schaufelzwischenraum-Segmente 5 nicht mehr möglich ist. Hier setzt nun die Erfindung ein,
die zur Herstellung des beschriebenen Radialverdichterschaufelrades 20 wie in den Fig.
1 bis 3 dargestelltes Werkzeug vorschlägt.
Das Werkzeug 1 ist im wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebaut und aus mehreren Teilen
zusammengesetzt. Die einzelnen Teile des Werkzeugs 1 können ganz allgemein in die
eigentlichen, die Gußstückkontur darstellenden Formteile 2, 3, 4 und in Teile eines
Transportmechanismusses 30 für Schaufelzwischenraum-Formsegmente 5 unterschieden
werden. Bei der dargestellten Gußform sind folglich zwölf dieser Schaufelzwischenraum-
Formsegmente 5 auf dem Transportmechanismus 30 montiert. Die Anzahl der
Schaufelzwischenraum-Formsegmente 5 entspricht der Zahl der Schaufeln 21, 22 des
Radialverdichterschaufelrades 20.
Jedes dieser Schaufelzwischenraum-Formsegmente 5 besteht aus einem Segmentfuß 14 und
einer an diesen einstückig angeformten Schaufelkonturform 15, 16. Die Segmentfüße 14
haben jeweils den Umriß eines Kreissektors, dessen Seitenflächen 34, 35 in
Umfangsrichtung gekrümmt sind. Die Krümmung dieser paßgenaugefertigten Seitenflächen
34, 35 entspricht der Krümmung der Schaufelfußlinie 25, während sich die radialen
Seitenflächen 36, 37 der Segmentfüße 14 jeweils zu Zylindermantelflächen ergänzen. Die
Zwischenraum-Formsegmente 5 sind komplimentär zueinander ausgebildet und stellen in
zusammengesetzter Position A gemeinsam eine Art Formkern für die später am
Radialverdichterrad 20 vorgesehenen Schaufelzwischenräume 23 dar. Dabei ergänzen sich
die zwölf Segmentfüße 14 zu einer kreisringförmigen Scheibe deren Innenlochdurchmesser
gleich dem Durchmesser der Werkzeugnabe 28 ist. In die Werkzeugnabenöffnung ist ein
Anschlagbolzen 17 eingesteckt und mit dem Transportmechanismus verschraubt. Die
zylinderförmige Umfangsmantelfläche dieses Anschlagbolzens 11 bildet die Endposition A
für die Schaufelzwischenraum-Formsegmente 5 bei geschlossener Form 1.
Den von den Schaufelzwischenraum-Formsegmenten 5 gebildeten Formkern, umfaßt in
radialer Richtung ein geteilter Ring 4. Der Formring 4 definiert die Schaufelradaußenkontur
und ist entlang seines Durchmessers in zwei Halbringteile geteilt, die jeweils paßgenau auf
die Außenumfangsfläche der Fußscheibe aufgesetzt sind. Der geteilte Ring 4 bildet entlang
seiner Außenumfangsfläche ein in Richtung weg von dem Transportmechanismus 30
konisch zulaufende Spannfläche 24 aus, auf die ein mit einer gegengleich ausgebildeten
konischen Spannfläche 25 versehener Fixierring 3 aufgeschoben ist. Dieser spannt aufgrund
der konischen Spannflächen 24, 25 und der damit in radialer Richtung erzeugten
Kraftkomponente den geteilten Ring 4 gegen die Schaufelzwischenraum-Formsegmente 5
und fixiert damit die Formteile 4, 5 in ihrer Lage.
Schließlich wird das Werkzeug 1 in axialer Richtung auf der dem Transportmechanismus 30
abgewandten Seite, durch eine Gegenplatte 2 abgeschlossen. Die Gegenplatte 2 formt die
rückseitige Nabenkontur des Verdichterrades 20 aus und liegt entlang einer kreisförmigen
Kontaktfläche auf dem geteilten Ring 4 auf. In dieser Lage hält sie gleichzeitig den
Fixierring 3 nieder und spannt damit die Formteile 3, 4, 5 in axialer Richtung auf den
Transportmechanismus 30.
Der Transportmechanismus 30 der Schaufelzwischenraum-Formsegmente 5 ist in den
Fig. 2 und 3 gezeigt. Bei diesem Transportmechanismus 30 sind auf einer Trägerplatte 6
auf einer gemeinsamen Achse 26, die gleichzeitig auch Mittelachse des Werkzeugs 1 ist,
flächig übereinander eine Zugscheibe 7 und eine Kurvenscheibe 8 angeordnet. Dazu ist auf
der Trägerplatte 6 eine kreiszylinderförmige Ausnehmung 31 ausgebildet, in der die
Zugscheibe 7 Aufnahme findet. Radial auswärts von der Ausnehmung 31 verbleibt ein Rand
32 der Trägerplatte 6, der ein Auflager für die Kurvenscheibe 8 bildet, die auf diesem
drehfest festgelegt ist. Der Rand 32 steht in axialer Richtung geringfügig über die in die
Ausnehmung 31 eingelegte Zugscheibe 7 vor, so daß die Zugscheibe 7 zwischen der
Trägerplatte 6 und der Kurvenscheibe 8 montiert ist und um die gemeinsame Achse 26
verdreht werden kann. Ein geeignetes Handhabungsteil 33 ist am Umfang in radialer
Richtung an der Zugscheibe 7 angebracht und kann in einer Aussparung des Randes 32 über
einen Winkelbereich 38 bewegt werden. Die Aussparung ist mindestens über einem
Winkelbereich vorgesehen, der dem Drehwinkel der Zugscheibe 7 zwischen geschlossenem
Werkzeug (Position A) und der Gußform 1 in ausgeformter Stellung B entspricht.
In der Zugscheibe 7 sind insgesamt zwölf von der Scheibenachse 26 zum Umfang hin
verlaufende Zugschlitze 9 ist so ausgebildet, daß beim Verdrehen die Kraftkomponente zum
Öffnen der Segmente 5 in Längsrichtung der Leitkurve 10 auf der Kurvenscheibe 8
gerichtet wird. Alle Zugschlitze 9 beginnen auf einer gemeinsamen Kreislinie mit radialem
Abstand zur Nabenöffnung 28 und enden ebenfalls auf einer gemeinsamen Kreislinie, deren
Radius kleiner ist als der Radius der Zugscheibe 7. Die Zugschlitze 9 sind mittels eines
Fingerfräsers in die Scheibe 7 eingefräst, dessen Durchmesser gleich der Breite der
Zylinderschlitze 9 ist. Demzufolge werden die Zugschlitze 9 in Drehrichtung der Zugscheibe
von zueinander parallelen Flanken 39, 40 begrenzt.
Die über der Zugscheibe 7 angeordnete und mit der Trägerplatte 6 drehfest verbundene
Kurvenscheibe 8 weist ebenfalls zwölf im wesentlichen von der Kurvenscheibenmitte nach
außen verlaufende Leitkurven 10 auf, die als Ausnehmungen in die Kurvenscheibe 8
eingefräst sind. Der Verlauf der Leitkurven 10 in der Kurvenscheibe 8 entspricht aufgrund
des Bildungsgesetzes der Schaufelgeometrie im radial-inneren Abschnitt einer
archimedischen Spirale mit Zentrum auf der Achse 26 des Werkzeugs 1.
Die Leitkurve 10 ändert im äußeren Abschnitt so die Krümmung, daß das Freistellen der
einzelnen Schaufelzwischenraum-Formsegmente 5 mittels Zweipunktführung 11, 12 und
Leitkurvenverlauf 10 beim Ausformen gewährleistet wird. Die Zahl der Leitkurven 10 und
der Zugschlitze 9 ist nicht zwingend auf zwölf beschränkt, sondern entspricht jeweils der
Zahl der Schaufelzwischenraum-Formsegmente 5 und hängt damit von der Schaufelzahl des
herzustellenden Schaufelrades ab.
Die Leitkurven 10 und die Zugschlitze 9 sind in entgegengesetzter Umfangsrichtung
gekrümmt, wobei jeder Leitkurve 10 der Kurvenscheibe 8 ein darunterliegender Zugschlitz
9 zugeordnet ist, und so die Kurvenscheibe 8 und die Zugscheibe 4 zusammenwirkend eine
Transportbewegung bewirken.
Die Zuordnung jeweils eines Zugschlitzes 9 zu einer ausgewählten Leitkurve 10, erfolgt mit
Hilfe eines Transportbolzens 11. Der Transportbolzen 11 ist fest mit dem
Schaufelzwischenraum-Formsegment 5 verbunden, bespielsweise ist, im vorliegenden
Ausführungsbeispiel ein freies Ende des Transportbolzens 11 in Segment 5 eingeschraubt.
Die freie Länge des Transportbolzens 11 durchgreift eine Leitkurve 10 der Kurvenscheibe 8
und ragt in den entsprechend darunterliegenden Zugschlitz 9 der Zugscheibe 7. Damit bildet
der Transportbolzen 11 einen Schnittpunkt des Zugschlitzverlaufs und des
Leitkurvenverlaufs.
Die Bewegung des Transportbolzens 11 ist durch diese Kopplung beider Verläufe
aneinander festgelegt. In der Art einer Kulissenführung erfolgt dieser der Wanderung des
Schnittpunktes beider Verläufe, sobald die Zugscheibe 7 relativ zu der Kurvenscheibe 8
verdreht wird. Da nun die Kurvenscheibe 8 als ortsfest betrachtet wird, bewegt sich der
Transportbolzen bei einer Bewegung der Zugscheibe 7 in Richtung 41 in der Leitkurve 10
und folgt dabei dem Verlauf des Zugschlitzes 9 in Richtung Kurvenscheibenumfang. Bei
entgegengesetzter Drehrichtung 42 wird er in entgegengesetzter Richtung wieder auf den
Mittelpunkt der Kurvenscheibe 8 zu verschoben.
Hierbei wirken also die Kurvenscheibe 8 als Kulissenführung und die drehbare Zugscheibe 7
als Antrieb für den Transportbolzen 11 des Transportmechanismusses 30.
Der Transportbolzen 11 selbst, bzw. seine freie Länge weist zwei Längenabschnitte 11 a,
11b auf, zwischen denen in axialer Richtung ein umlaufender Bund 13 ausgebildet ist.
Während der Bund 13 einen größeren Durchmesser besitzt als die Breite der Leitkurve 10,
sind die Leitkurve 10 und der Längenabschnitt 11a paßgenau aufeinander abgestimmt. Die
getroffene Wahl der Fertigungstoleranzen dieser Führungspaarung 10, 11 legt die
Maßgenauigkeit der Bewegung der Formsegmente 5 fest. Ein wesentliches Merkmal der
Erfindung ist hierbei, die bei der Paarung Transportbolzen 11/Leitkurve 10 geschaffene
Linienführung entlang einer Mantellinie des Transportbolzens 11. Denn nur eine möglichst
kleine Berührungsfläche in Längsrichtung der Leitkurve 10 stellt sicher, daß der
Transportbolzen 11 nicht in der Leitkurve 10 klemmt oder verkeilt. Desweiteren ist damit
gewährleistet, daß das Formsegment 5 trotz fest mit diesem verbundenen Transportbolzen
11 eine Drehbewegung um dessen Längsachse ausführen kann.
Alternativ zu diesem Transportbolzen 11 kann ein Mitnahmeelement mit einer flächenhaften
Führung vorgesehen sein, jedoch muß dieses Mitnahmeelement um seine Längsachse
verdrehbar im Formsegment 5 verankert sein, um dadurch die Drehbarkeit des
Formsegmentes 5 auf der Kurvenscheibe 8 sicherzustellen.
An den Längenabschnitt 11a schließt der Bund 13 an. Der axiale Abstand des Bundes 13
entspricht der Dicke der Kurvenscheibe 8, die er beiderseits der Flanken 39, 40 der
Leitkurven 10 hintergreift und so den Transportbolzen 11 in axialer Richtung festlegt.
Gleichzeitig ist auf diese Weise das Formsegment 5 derart an den Transportmechanismus 30
gebunden, daß es nur ebene Bewegungen auf der Kurvenscheibe 8 ausführen kann.
Der Bund 13 gleitet auf einer axialen Ringfläche auf einer Aussparung 31, die zwischen der
Kurvenscheibe 8 und der Zugscheibe 7 in der Kurvenscheibe 8, beiderseits der Leitkurve 10
mit der Bunddicke entsprechender Tiefe ausgebildet ist.
Eine Einstecköffnung 29 ermöglicht es, daß einzelne Formsegmente 5 in der
Ausformposition B einfach von dem Transportmechanismus 30 abgenommen werden
können, ohne daß dieser teilweise demontiert, d. h. die Kurvenscheibe 8 abgeschraubt und
gelöst werden muß.
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist diese Einstecköffnung jeweils am radial außenliegenden Ende der
Leitkurven 10 in einer Gestalt und Größe ausgeführt, die ein Einstecken des Bundes 13 in
die Leitkurve 10 gestatten.
Im Unterschied zu dem Längenabschnitt 11a und dem Bund 13, die als Führungselemente
mit der Kurvenscheibe 8 zusammenwirken, ragt der freie Längenabschnitt 11b des
Transportbolzens 11 in den Zugschlitz 9 der Zugscheibe 7. Sein Durchmesser ist ebenfalls
gleich der Breite des Zugschlitzes 9, allerdings läuft der Längenabschnitt 11b mit
geringfügigem Spiel im Schlitz 9.
Bei Betätigung des Transportmechanismusses 30, also bei einer Verdrehung der Zugscheibe
7, liegt der Längenabschnitt 11b an der entsprechenden Flanke 39, 40 an, die auf diesen
zunächst eine Kraft in Drehrichtung ausübt und in diese Richtung mitnehmen möchte. Da
der Transportbolzen 11 jedoch mit seinem Längenabschnitt 11a in der Leitkurve 10 der
ortsfest montierten Kurvenscheibe 8 geführt wird und daher nicht der Mitnahmebewegung
der Zugscheibe 8 folgen kann, sondern seine Bewegung auf den Verlauf der Leitkurve 10
beschränkt ist, gleitet der Transportbolzen 11, und mit ihm das Formsegment 5, unter
Wirkung gleichgerichteter Kraftkomponenten entlang der Leitkurve 10. Die antreibende
Kraft ist die aufgrund der Zugscheibendrehung 41, 42 von den Zugschlitzflanken 39, 40 auf
den Transportbolzenlängenabschnitt 11b ausgeübte Kraftkomponente in radialer Richtung.
Diese radiale Komponente ist Dank der spiralförmigen Geometrie der Zugschlitze 9 über
den gesamten Verschiebebereich 38 zwischen geschlossener Position A und
Ausformposition B vorhanden.
Als zentrales Merkmal der Erfindung, ist für jedes Schaufelzwischenraum-Formsegment 5
zusätzlich zu den Transportbolzen 11 ein Führungsbolzen 12 vorgesehen, welcher in
Verschieberichtung des Formsegments 5 der Nabe 28 zugewandt in einem Abstand 43 zum
Transportbolzen 11 am Formsegment 5 vorgesehen ist (Fig. 1). Der Führungsbolzen 12
ragt also mit seinem freien Ende in dieselbe Leitkurve 10, wie der Transportbolzen 11 und
erfährt durch sie eine Führung. Die Anordnung mit einem Abstand 43 zwischen dem
Transportbolzen 11 und dem Führungsbolzen 12 ermöglicht es, zusammen mit der oben
beschriebenen Linienberührung zwischen Förderbolzen 12 und Leitkurve 10, der
Verschiebebewegung des Formsegments 5 eine Drehbewegung zu überlagern.
Für das Wesen der Erfindung ist es nicht zwingend notwendig, den Führungsbolzen 12 auf
der der Werkzeugnabe zugewandten Seite des Transportbolzens 11 anzuordnen. Der
Transportbolzen 11 und der Führungsbolzen 12 können ebenso in ihrer Anordnung am
Segment 5 gegeneinander vertauscht werden.
Wesentlich dagegen ist eine exakte gegenseitige Abstimmung des Abstands 43 mit der Lage
des Wendepunktes 44 der Leitkurve 10 und der von diesen beiden gebildeten
Zweipunktführung auf die geometrischen Abmessungen der Schaufelzwischenraum-
Formsegmente 5. Hierbei wird die Kinematik des Ausformens durch die zwei Vorgaben
bestimmt, zu Beginn der Ausformbewegung, die Formsegmente 5 im Nabenbereich exakt
auszulösen und herauszuführen, andererseits, wenn ausreichend Spiel im Frontbereich der
Formsegmente 5 geschaffen ist, diese zueinander freizustellen.
Die erfindungsgemäß vom Formsegment 5 ausgeführte Ausformbewegung ist durch den
Verlauf der Leitkurve 10 vorgegeben. Die jeweils eindimensionale Führung des
Transportbolzens 11 und des Führungsbolzens 12 und der zwischen beiden liegende
Abstand 43 ermöglicht es, daß beide Bolzen 11, 12 zum selben Zeitpunkt bzw. an einer
bestimmten Position des Formsegments 5 auf der Kurvenscheibe 8, jeweils an
verschiedenen Stellen der Leitkurve 10 anliegen und daher voneinander verschiedene
Kurvenabschnitte durchlaufen.
Der Verlauf der Leitkurve 10 ist zusammengesetzt aus dem Krümmungsverlauf der
archimedischen Spirale der Schaufelfußlinie 27 mit unstetigem Krümmungsverlauf. Im
umfangsnahen Bereich wird über einem Wendepunkt 44 die Krümmung geändert. Die
Überlagerung mehrerer Bahnverläufe zu der endgültig vorgesehenen erfindungsgemäßen
Leitkurve 10, ist wegen der Gestaltung der Schaufelzwischenraum-Formsegmente 5
notwendig. Zwar wäre für ein Auseinanderfahren und Zusammenführen der
erfindungsgemäß gestalteten Segmentfüße 14 eine Führung entsprechend der
Schaufelfußlinie 27 ausreichend, jedoch ist es die auf den Segmentfüßen angeformten
Schaufelkonturformteile 15 zwingend notwendig, die Segmente 5 zusätzlich zu verdrehen,
um diese in einer ebenen Bewegung aus den aufwendig gestalteten Schaufelzwischenräumen
herauswinden zu können.
Die Erfindung wurde exemplarisch anhand einzelner Segmente 5 und Kurven 10
beschrieben, tatsächlich führen alle Formsegmente 5 synchron und symmetrisch die gleiche
Bewegung aus, so daß mit Hilfe des erfindungsgemäßen Transportmechanismusses 30 alle
Schaufelzwischenraum-Formsegmente 5 des Wachsmodells des Radialverdichterrades 20 in
einem Arbeitsgang durch eine einzige Verdrehung der Zugscheibe 7 entformt werden
können.
Durch den gleichermaßen einfachen wie exakten Ausformvorgang der
Schaufelzwischenräume mit einem bloßen Verdrehen der Zugscheibe 7, kann mit Hilfe des
erfindungsgemäßen Werkzeugs das Guß- oder Spritzverfahren zur Herstellung von
Wachsmodellen erforderlichenfalls automatisiert werden. Bei entsprechend automatisierten
Zusammenführen der losen Formteile 2, 3, 4 für das Modell und einem geeigneten
Entnahme- bzw. Auswurfmechanismus ist ferner eine kostengünstige Serienfertigung von
Modellen möglich.
Darüberhinaus ist das Werkzeug 1 nicht ausschließlich zur Herstellung von Wachs-, oder
ähnliche Modellkörper beschränkt, sondern kann bei entsprechender Materialauswahl und
gießtechnischer Anspannungen ebenso direkt als Guß- oder Spritzgußform für metallische
Materialien verwendet werden.
Bezugszeichenliste
1 Werkzeug
2 Gegenplatte, rückseitige Nabenkontur
3 Fixierring
4 geteilter Formring
5 Schaufelzwischenraum-Formsegment
6 Trägerplatte
7 Zugscheibe (Antrieb)
8 Kurvenscheibe (Führung)
9 Nut
10 Leitkurve
10a Leitkurvenbereich, erster
10b Leitkurvenbereich, zweiter
11 Transportbolzen
12 Führungsbolzen
13 Bund
15 Schaufelkonturformteil
16 Schaufelkonturformteil
17 Anschlagbolzen
18 Einspritzbohrung
19 Nabe
20 Radialverdichterrad
21 Splitterschaufel
22 Vollschaufel
23 Schaufelzwischenraum
24 Spannfläche
25 Spannfläche
26 Achse
27 Schaufelfußlinie
28 Nabenöffnung
29 Einstecköffnung
30 Transportmechanismus
31 Aussparung
32 Rand
33 Handhabungsteil
34 Seitenfläche
35 Seitenfläche
36 radiale Seitenfläche
37 radiale Seitenfläche
38 Drehwinkel
39 Flanke
40 Flanke
41 Drehrichtung
42 Drehrichtung
43 Abstand
44 Wendepunkt
45 Leitkurvenbereich
2 Gegenplatte, rückseitige Nabenkontur
3 Fixierring
4 geteilter Formring
5 Schaufelzwischenraum-Formsegment
6 Trägerplatte
7 Zugscheibe (Antrieb)
8 Kurvenscheibe (Führung)
9 Nut
10 Leitkurve
10a Leitkurvenbereich, erster
10b Leitkurvenbereich, zweiter
11 Transportbolzen
12 Führungsbolzen
13 Bund
15 Schaufelkonturformteil
16 Schaufelkonturformteil
17 Anschlagbolzen
18 Einspritzbohrung
19 Nabe
20 Radialverdichterrad
21 Splitterschaufel
22 Vollschaufel
23 Schaufelzwischenraum
24 Spannfläche
25 Spannfläche
26 Achse
27 Schaufelfußlinie
28 Nabenöffnung
29 Einstecköffnung
30 Transportmechanismus
31 Aussparung
32 Rand
33 Handhabungsteil
34 Seitenfläche
35 Seitenfläche
36 radiale Seitenfläche
37 radiale Seitenfläche
38 Drehwinkel
39 Flanke
40 Flanke
41 Drehrichtung
42 Drehrichtung
43 Abstand
44 Wendepunkt
45 Leitkurvenbereich
Claims (10)
1. Werkzeug für die Herstellung eines Schaufelrades einer Strömungsmaschine mit
gekrümmten Schaufeln, insbesondere eines Radial-Verdichterrades mit räumlich
gekrümmten Schaufeln, mit im wesentlichen
einem ersten Satz loser Formteile zur Darstellung der Schaufelradaußenkontur;
einem zweiten Satz auf einem Transportmechanismus verschiebbar festgelegter Formsegmente zur Darstellung der Schaufelgeometrie, wobei der Transportmechanismus auf einer gemeinsamen Achse übereinander angeordnet umfaßt
einem ersten Satz loser Formteile zur Darstellung der Schaufelradaußenkontur;
einem zweiten Satz auf einem Transportmechanismus verschiebbar festgelegter Formsegmente zur Darstellung der Schaufelgeometrie, wobei der Transportmechanismus auf einer gemeinsamen Achse übereinander angeordnet umfaßt
- - eine Trägerplatte,
- - eine mit der Trägerplatte um die gemeinsame Achse drehbar verbundene Zugscheibe, bei welcher zumindest über einen Bereich der Scheibenfläche vom Scheibenmittelpunkt spiralförmig nach außen verlaufende Transportmittel ausgebildet sind,
- - eine Kurvenscheibe, welche drehfest mit der Trägerplatte verbunden ist und in Richtung vom Scheibenmittelpunkt zum Scheibenumfang hin verlaufende Führungskurven aufweist; und
bei dem jedes Formsegment einen Segmentfuß und ein Schaufelkonturformteil umfaßt,
sowie ein Mitnehmerelement aufweist, welches gleichzeitig in einer Führungskurve läuft
und durch die Führungsscheibe hindurchragend mit Transportmitteln der Zugscheibe in
Eingriff steht, und wobei Transportmittel und Führungskurven zusammenwirkend die
Bewegung der Formsegmente vorgeben,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verlauf der Segmentfußseitenflächen (34, 35) gleich der Schaufelfußlinie (27) der Schaufeln (21, 22) ist,
daß der Verlauf der Leitkurven (10) aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Kurvenverläufen zusammengesetzt ist, wobei der Krümmungsverlauf der Leitkurve (10) mindestens über einem Wendepunkt (44) sein Vorzeichen ändert,
daß jedes Formsegment (5) bezüglich der Längsrichtung der Leitkurve (10) im Abstand (43) zu dem Mitnehmerelement (11) ein zusätzliches Führungselement (12) aufweist, und
daß ein Element (11, 12) durch einen ersten Kurvenverlauf und das andere Element (11, 12) durch einen zweiten Kurvenverlauf geführt ist.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verlauf der Segmentfußseitenflächen (34, 35) gleich der Schaufelfußlinie (27) der Schaufeln (21, 22) ist,
daß der Verlauf der Leitkurven (10) aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Kurvenverläufen zusammengesetzt ist, wobei der Krümmungsverlauf der Leitkurve (10) mindestens über einem Wendepunkt (44) sein Vorzeichen ändert,
daß jedes Formsegment (5) bezüglich der Längsrichtung der Leitkurve (10) im Abstand (43) zu dem Mitnehmerelement (11) ein zusätzliches Führungselement (12) aufweist, und
daß ein Element (11, 12) durch einen ersten Kurvenverlauf und das andere Element (11, 12) durch einen zweiten Kurvenverlauf geführt ist.
2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wendepunkt (44) den
Verlauf der Leitkurve (10) in einen ersten Bereich (10a) und einen zweiten Bereich (10b)
unterteilt, wobei im ersten Bereich (10a), dessen radialer Abstand kleiner dem radialen
Abstand Abstand des radial außenliegenden Elementes (11, 12) ist, die Krümmung der
Führungskurve (10) gleich der Schaufelfußkrümmung ist, während im zweiten Bereich
(10b), die Krümmung der Führungskurve (10) das jeweils entgegengesetzte Vorzeichen
besitzt.
3. Werkzeug nach Anspruch 1, bei dem die Transportmittel in Form von Nuten in der
Zugscheibe ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungselement (12) als
Paß-Bolzen (12) ausgebildet ist, welcher in das Formsegment (5) eingeschraubt ist,
wobei sein überstehender Teil 1 kürzer dimensioniert ist als die Dicke der
Kurvenscheibe (8).
4. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mitnehmerelement (11)
als Transportbolzen (11) ausgebildet ist, welcher in axialer Richtung zwei
Passungsabschnitte (11a, 11b) aufweist, welche durch einen Bund (13) voneinander
getrennt sind.
5. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenscheibe (8)
zumindest im Verschiebereich des Transportbolzens (11) auf der der Zugscheibe (7)
zugewandten Seite, beiderseits entlang der Führungskurve (10) eine Aussparung (31)
aufweist, deren Tiefe mindestens der axialen Dicke des Bunds (13) entspricht und deren
Breitenausdehnung größer ist als der Durchmesser des Bundes (13).
6. Werkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß auf der der Zugscheibe (7)
abgewandten Fläche der Kurvenscheibe (8) am radial äußeren Ende der Leitkurven (10)
jeweils eine Einstecköffnung (29) für den Transportbolzen (11) ausgebildet ist.
7. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der radiale Abstand des radial
innenliegenden Endes der Leitkurven (10) kleiner ist, als der radiale Abstand des radial
innenliegenden Führungselements (12).
8. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet
daß das Werkzeug (1) zur Herstellung von gießtechnischen Modellkörpern verwendet
wird.
9. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet
daß das Werkzeug (1) zur gießtechnischen Herstellung von metallischen Gußstücken
verwendet wird.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995106145 DE19506145C1 (de) | 1995-02-22 | 1995-02-22 | Werkzeug für die gießtechnische Herstellung eines Schaufelrades |
EP96102495A EP0728545A3 (de) | 1995-02-22 | 1996-02-20 | Werkzeug für die giesstechnische Herstellung eines Schaufelrades |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995106145 DE19506145C1 (de) | 1995-02-22 | 1995-02-22 | Werkzeug für die gießtechnische Herstellung eines Schaufelrades |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19506145C1 true DE19506145C1 (de) | 1995-12-07 |
Family
ID=7754749
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1995106145 Expired - Fee Related DE19506145C1 (de) | 1995-02-22 | 1995-02-22 | Werkzeug für die gießtechnische Herstellung eines Schaufelrades |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP0728545A3 (de) |
DE (1) | DE19506145C1 (de) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP1750013A1 (de) * | 2004-05-28 | 2007-02-07 | Hitachi Metals Precision, Ltd. | Laufrad für lader und herstellungsverfahren dafür |
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CN106862485A (zh) * | 2017-02-22 | 2017-06-20 | 江苏汤臣汽车零部件有限公司 | 一种载重汽车液力缓速器叶轮蜡模加工*** |
CN107243596A (zh) * | 2017-05-10 | 2017-10-13 | 株洲中航动力精密铸造有限公司 | 用于闭式离心叶轮精铸的蜡模模具及蜡模制造方法 |
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US6663347B2 (en) | 2001-06-06 | 2003-12-16 | Borgwarner, Inc. | Cast titanium compressor wheel |
GB0514751D0 (en) | 2005-07-19 | 2005-08-24 | Holset Engineering Co | Method and apparatus for manufacturing turbine or compressor wheels |
CN105344935B (zh) * | 2015-12-03 | 2017-08-04 | 中国南方航空工业(集团)有限公司 | 一种闭式叶轮蜡模制造方法 |
CN106238705B (zh) * | 2016-08-11 | 2018-09-11 | 山东豪迈机械科技股份有限公司 | 大型薄壁叶轮制造方法 |
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JPS59232810A (ja) * | 1983-06-15 | 1984-12-27 | Toyota Motor Corp | 羽根車模型成形金型 |
-
1995
- 1995-02-22 DE DE1995106145 patent/DE19506145C1/de not_active Expired - Fee Related
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1996
- 1996-02-20 EP EP96102495A patent/EP0728545A3/de not_active Withdrawn
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CN107243596A (zh) * | 2017-05-10 | 2017-10-13 | 株洲中航动力精密铸造有限公司 | 用于闭式离心叶轮精铸的蜡模模具及蜡模制造方法 |
CN107243596B (zh) * | 2017-05-10 | 2019-08-06 | 中国航发南方工业有限公司 | 用于闭式离心叶轮精铸的蜡模模具及蜡模制造方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP0728545A3 (de) | 1998-04-01 |
EP0728545A2 (de) | 1996-08-28 |
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Legal Events
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