DE19607230C1 - Verfahren zur Herstellung bogenförmiger Nuten und Werkzeug dazu - Google Patents
Verfahren zur Herstellung bogenförmiger Nuten und Werkzeug dazuInfo
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Description
Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren sowie
eine Vorrichtung zum spanenden Ausbilden bzw. Bearbeiten
von bogenförmigen Nuten, insbesondere von bogenförmigen
Rotornuten, beispielsweise bei der Herstellung von Turbi
nenrotoren.
Solche Turbinenrotoren, wie sie beispielsweise für
Dampfturbinen vorgesehen werden, weisen einen im wesent
lichen zylindrischen Grundkörper auf, an dem mehrere
scheibenförmige zylindrische Abschnitte ausgebildet sind.
Diese sind an ihrem Umfang mit voneinander beabstandeten
Nuten zur Aufnahme von Turbinenschaufeln versehen, deren
Flanken in Nutenlängsrichtung gezahnt sind. Die Nuten
weisen im Querschnitt deshalb ein sogenanntes Tannen
baumprofil auf, das der formschlüssigen Aufnahme und
Sicherung eines Fußes einer Turbinenschaufel dient. Dabei
sind sowohl in Längsrichtung verlaufende, gerade ausge
bildete Nuten als auch Schrägnuten und kreisbogenförmige
Nuten bekannt.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausbildung
von in Seitenansicht kreisbogenförmigen Rotornuten ist
aus dem Fachartikel: "Methoden und Maschinen zur Fräs
bearbeitung von Generator- und Turbinenrotoren",
Ing. (Grad.) Siegfried Neumann, Sonderdruck Nr. 9 der
Köllmann Maschinenbau GmbH, 5602 Langenberg/Rhld., be
kannt. Die Ausbildung der Kreisbogen-Nuten erfolgt ausge
hend von einem Rohling mit scheibenförmigen Zylinder
abschnitten. Der Herstellung der Nuten dient eine Fräsma
schine. Diese weist eine Werkzeugspindel auf, die axial
verstellbar gelagert ist. Die Axialrichtung der Werkzeug
spindel stimmt dabei im wesentlichen mit einer Radial
richtung des Werkstückes überein bzw. ist zu dieser
parallel. An der Werkzeugspindel ist ein sogenannter
Glockenfräser (Glockensenker) befestigt, dessen Werkzeug
grundkörper die Form einer kreisförmigen Platte mit axial
vorstehendem Rand hat. Die im Längsschnitt betrachtete
Kontur des Randes wird durch Schneidkanten tragende
Schneidelemente definiert. Diese bestimmen mit ihrer
Umlauffigur die Kontur der in einem Schruppfräsvorgang
auszuhebenden und zunächst grob vorgeformten Nut. Das
Profil ist aus mehreren Rechtecken zusammengesetzt und
verjüngt sich zum Rand des Glockensenkers hin in Stufen.
Es ist hinterschneidungsfrei und dient lediglich dazu,
eine grob vorkonturierte Nut zu öffnen (schruppen).
Zur Formgebung und Fertigbearbeitung der Nut ist ein
Rundfräsapparat vorgesehen, der einen Profil-Schaftfräser
im Vorschub auf einer Kreisbogenbahn längs der Nut führt.
Der Schaftfräser weist ein Profil auf, das der Form der
zu erzeugenden Nutflanke entspricht. Bezüglich der Radi
alrichtung des Werkstückes (Turbinenrotors) weist der
Profil-Schaftfräser Hinterschneidungen auf.
Aufgrund der großen zur Ausbildung der Hinterschnei
dungen erforderlichen Profiltiefe und des langen, mit der
Nutlänge übereinstimmenden Fräsweges erfordert die Fräs
bearbeitung mit dem Schaftfräser eine lange Bearbeitungs
zeit. Diese summiert sich bei einer größeren Anzahl von
entlang des Umfanges des Turbinenrotors verteilten Nuten
zu einer erheblichen Gesamtbearbeitungszeit, die im
Einzelbeispiel deutlich mehr als 5 Stunden allein für die
Nuten an einem Kreisumfang betragen kann. Die hohe erfor
derliche Maschinenzeit bringt hohe Produktionskosten bei
der Herstellung von Turbinenrotoren mit sich.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausbildung profilier
ter, bogenförmiger Nuten anzugeben, das eine verkürzte
Bearbeitungszeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ausbil
dung bogenförmiger, hinterschnittener Nuten gemäß An
spruch 1 sowie durch ein glockenförmiges Fräswerkeug mit
den Merkmalen des Patentanspruches 6 gelöst.
Die auf das Verfahren bezogenen Ansprüche erbringen
die im wesentlichen im Zusammenhang mit dem glockenförmi
gen Fräswerkzeuges nachstehend diskutierten Vorteile.
Das glockenförmige Fräswerkzeug nach Anspruch 6
weist einen ringförmigen Trägerabschnitt auf, an dessen
Plattensitzen Wendeschneidplatten gehalten sind. Der mit
Wendeschneidplatten bestückte Trägerabschnitt ist dabei
von seinen Abmessungen her derart festgelegt, daß er in
eine vorgeschruppte, d. h. geöffnete hinterschneidungs
freie Nut eingeführt werden kann, ohne daß die Wende
schneidplatten mit dem Werkstück in Berührung kommen. In
einer kurzen radialen Vorschubbewegung, deren Weite im
wesentlichen der Tiefe der auszubildenden Hinterschnei
dungen entspricht, sind alle Hinterschneidungen zeit
gleich und in kürzester Zeit ausbildbar. Das glockenför
mige Fräswerkzeug ermöglicht somit eine gegenüber einer
Fräsbearbeitung mit herkömmlichen Formfräsern drastisch
verkürzte Bearbeitungszeit. Während der herkömmliche
Formfräser (Schaftfräser) die gesamte Profiltiefe in
einer Vorschubbewegung ausfräsen muß, die der Länge der
Nut entspricht, kann das glockenförmige Fräswerkzeug die
gleiche Materialmenge in einer kurzen, seitlichen Vo
rschubbewegung abtragen. Jede Schneide des glockenförmi
gen Fräswerkzeuges wird bei jeder Werkzeugumdrehung über
die gesamte Länge der Nutflanke geführt. Die Zerspanungs
leistung ist dabei hoch.
Die Vorschubbewegung ist eine geradlinige Seitenver
schiebung des glockenförmigen Fräswerkzeuges. Diese kann
auf einfache Weise erzielt werden. Die Einprogrammierung
eines gekrümmten Vorschubweges, wie es bei dem Stand der
Technik erforderlich war, entfällt bei diesem Bearbei
tungsschritt.
Die Schneiden des glockenförmigen Fräswerkzeuges
sind stückweise auf die Wendeschneidplatten aufgeteilt,
deren gegenseitige Überlappung die zu fräsende Kontur
bestimmt. Aufgrund des entlang des Umfanges des Träger
abschnittes des Werkzeuggrundkörpers ausreichend vorhan
denen Platzes zur Anordnung von Wendeschneidplatten, ist
es möglich, mit dem wendeschneidplattenbestückten gloc
kenförmigen Fräswerkzeuges auch relativ enge Nuten aus zu
fräsen. Die Wendeschneidplatten sind bei Bedarf wechsel
bar oder in anderer Position weiter verwendbar, so daß
die Werkzeugkosten günstig beeinflußt werden. Im Ver
gleich dazu kann ein als Schaftfräser ausgebildeter Form
fräser wegen der beengten Platzverhältnisse an seinem
Umfang bei den für Rotornuten üblichen Nutabmessungen in
der Regel nicht mit Wendeschneidplatten bestückt werden.
Es werden deshalb profilierte HSS-Fräser (Hochleistungs-
Schnellstahl) verwendet, die im Verschleißfalle insgesamt
nachgeschliffen werden müssen. Bei der Verwendung erfin
dungsgemäßer glockenförmiger Fräswerkzeuge hingegen sind
HSS-Fräser allenfalls zur Fertigbearbeitung der mit
Hinterschneidungen vorgefrästen Nut erforderlich.
Der ringförmige Trägerabschnitt kann durch eine
Folge von Ausnehmungen unterbrochen sein, die dazu die
nen, anfallende Späne aufzunehmen und aus der Nut her
auszuführen. Die zwischen den Ausnehmungen verbleibenden,
axial vorstehenden Teile des ringförmigen Trägerabschnit
tes bilden Stollen, die entsprechend der auszuarbeitenden
Nut profiliert sind und Plattensitze zur Aufnahme von
Wendeschneidplatten tragen. Die Stollen werden beim
Vorschub des glockenförmigen Fräswerkzeuges vorwiegend in
Umfangsrichtung und in geringerem Maße auch in Radial
richtung beansprucht. Die Bemessung trägt dem Rechnung,
indem die Stollen in Radialrichtung weniger dick sind als
in Umfangsrichtung. Zur Aussteifung des Trägerabschnittes
können die in ihrer Größe im wesentlichen mit den Stollen
übereinstimmenden Ausnehmungen so geformt sein, daß
zwischen einzelnen Stollen ein die Stollen miteinander
verbindender Steg vorhanden bleibt.
Es ist vorteilhaft, wenn die Befestigungsmittel zur
Halterung der Wendeschneidplatten lösbare Befestigungs
mittel sind, die bei tangential angeordneten Wende
schneidplatten freiflächenseitig zugänglich sind. Dies
ist eine Zugangsrichtung, die quer zu dem Umfang liegt
und mit der Axialrichtung einen spitzen Winkel ein
schließt. Der Platztausch und das Auswechseln von Wende
schneidplatten ist hier besonders einfach möglich.
Die an dem glockenförmigen Fräswerkzeug angeordneten
Wendeschneidplatten sind gruppenweise entlang der Stollen
angeordnet. Diese Reihen liegen damit quer zu der Um
laufrichtung und im wesentlichen parallel bzw. im spitzen
Winkel zu der Axialrichtung des Werkzeuges. Jeder Stollen
trägt vorzugsweise wenige (eine bis vier) Wende
schneidplatten pro Reihe. Die an einem einzelnen Stollen
angreifenden Kräfte werden dadurch in Grenzen gehalten.
Die in den Unteransprüchen angegebene Ausrichtung
der Schneidkanten der Wendeschneidplatten einer Reihe
führt zu einer Kräftekompensation bezüglich der in axia
ler Richtung wirkenden Komponenten der Schnittkräfte.
Diese wenigstens teilweise Kompensation von Komponenten
der Schnittkräfte führt dazu, daß sich diese innerhalb
eines Stollens ausgleichen und nicht über das Werkzeug
bzw. die Werkzeugspindel abgeleitet werden müssen. Das
kommt der Bearbeitungsgenauigkeit zugute.
Die zu einer vollständigen Schneide gehörigen Wende
schneidplatten sind vorzugsweise auf mehrere Stollen
aufgeteilt, so daß insgesamt beispielsweise nur noch zwei
vollständige Schneiden ausgebildet sind. Dennoch wird
eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit erreicht, weil pro
Umdrehung des glockenförmigen Fräswerkzeuges zwei voll
ständige Schneiden über die gesamte Länge der Nut span
abhebend geführt werden. Die Vorschubbewegung umfaßt
lediglich wenige Millimeter. Zur Ausarbeitung des Nut
profils wird deshalb eine Taktzeit benötigt, die deutlich
geringer als eine Minute ist. Gegenüber der mehr als
5-stündigen Bearbeitung von beispielsweise 50 am Umfang
eines Turbinenrotors verteilten bogenförmigen Nuten ist
es möglich, die Bearbeitungszeit insgesamt auf weniger
als eine halbe Stunde zu reduzieren. Bei Versuchen konn
ten Bearbeitungszeiteinsparungen von deutlich über 90%
erzielt werden.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Er
findung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Turbinenrotor mit daran auszubilden
den bogenförmigen Nuten in einer schemati
sierten Seitenansicht,
Fig. 2 eine Fräsbearbeitungseinheit mit glocken
förmigem Fräswerkzeug zur Profilierung ei
ner zuvor geöffneten bogenförmigen Nut, in
einer stark schematisierten Ansicht auf die
Stirnseite des Rotors (Vorderansicht),
Fig. 3 das Fräswerkzeug nach Fig. 2 in einer per
spektivischen Übersichtsdarstellung,
Fig. 4 das Fräswerkzeug nach Fig. 3 in einer
schematisierten, ausschnittsweisen Längs
schnittdarstellung mit einer schematisier
ten Projektion aller zu einer Schneide ge
hörigen Wendeschneidplatten, in eine die
Axiale und die Radiale einschließenden Ebe
ne, in schematisierter Darstellung,
Fig. 5 ein in seiner Außenumfangsfläche profi
liertes glockenförmiges Fräswerkzeug, in
schematisierter Längsschnittdarstellung mit
einer Projektion aller zu einer Schneide
gehörigen Wendeschneidplatten in die Zei
chenebene,
Fig. 6a bis 6e das Fräswerkzeug nach Fig. 5, in einer ver
einfachten ausschnittsweisen Schnittdar
stellung eines Wendeschneidplatten tragen
den Stollens,
Fig. 7 die Einstellung zweier zusammenwirkender,
eine Längsausnehmung in die Nutwand fräsen
der Wendeschneidplatten des Fräswerkzeuges
nach Fig. 3 bezüglich des Sollmaßes, in
schematisierter Darstellung,
Fig. 8a und 8b das Öffnen einer Nut mit Grobkontur durch
Axialvorschub eines entsprechend ausgebil
deten hinterschneidungsfreien Fräswerkzeu
ges in einem ersten Arbeitsschritt, in
schematisierter Darstellung,
Fig. 9a und 9b die Ausbildung der gewünschten Profilierung
einer der beiden Nutflanken mit einem Fräs
werkzeug nach Fig. 5, in einem zweiten Ar
beitsschritt, in schematisierter Darstel
lung,
Fig. 10a und 10b die Ausbildung der Profilierung der gegen
überliegenden Nutflanke mit einem Fräswerk
zeug nach Fig. 4, in schematisierter Dar
stellung,
Fig. 11 eine alternative Ausführungsform eines an
seiner Außenseite profilierten Fräswerkzeu
ges, mit Projektion seiner zu einer voll
ständigen Schneide gehörigen Wendeschneid
platten in die Zeichenebene, in schemati
sierter Darstellung und
Fig. 12 die Einstellung der Schneidkanten der Wen
deschneidplatten des Fräswerkzeuges nach
Fig. 11, in Bezug auf das auszubildende
Nutprofil.
In Fig. 1 ist ein Turbinenrotor 1 schematisch ver
anschaulicht, der mehrere in Axialrichtung voneinander
beabstandete scheibenförmige Abschnitte 2a bis 2f auf
weist. Während die Abschnitte 2b bis 2e gerade ausgebil
dete Nuten aufweisen, sind die Abschnitte 2a und 2f mit
kreisbogenförmig gekrümmten Nuten 3a, 3b versehen. Die
Nuten 3a, 3b weisen im Querschnitt ein in Fig. 1 unten
gesondert schematisch angedeutetes Tannenbaumprofil auf
und dienen der Halterung und Befestigung von Turbinen
schaufeln. Die Nut 3 (3a, 3b) weist an ihren einander
gegenüberliegenden Flanken 4, 5 längsverlaufende Stege
auf, zwischen denen Ausnehmungen definiert sind.
Zur Ausbildung der in Fig. 1 veranschaulichten
profilierten Nuten 3, zunächst mit einem einheitlichen
Untermaß in Bezug auf das gewünschte Sollmaß, an den
Flanken 4, 5 dient eine in Fig. 2 schematisch veranschau
lichte Fräsmaschine 7 mit einem axial, d. h. auf den
Turbinenrotor 1 zu und von diesem weg, bewegbaren Spin
delstock 8. Dieser trägt an seiner vorzugsweise waage
recht liegenden, um eine Drehachse 9 drehbaren Frässpin
del 10 ein glockenförmiges Fräswerkzeug 11, wie es in
Fig. 3 gesondert dargestellt ist.
Das Fräswerkzeug 11 weist einen etwa topfförmigen
Werkzeugkörper 12 mit einem im wesentlichen ebenen Boden
13 auf, von dem sich ein als ringförmiger Trägerabschnitt
14 ausgebildeter Rand in Axialrichtung weg erstreckt, der
koaxial zu der Drehachse 9 angeordnet ist.
In dem Trägerabschnitt 14 sind sich radial nach
innen, außen und axial von dem Boden 13 weg öffnende
Ausnehmungen 15 (15a, 15b, 15c . . . ) in Umfangsrichtung
voneinander beabstandet ausgebildet, so daß zwischen den
Ausnehmungen 15 untereinander gleich große, sich von dem
Boden 13 in Axialrichtung weg erstreckende Stollen 16
(16a, 16b, 16c, . . . ) ausgebildet sind. Dabei sind benach
barte Stollen jeweils über einen Steg 17 miteinander
verbunden, der die jeweilige Ausnehmung 15 radial nach
außen hin wenigstens teilweise abdeckt. Die Höhe der
Stege 17 in Axialrichtung ist geringer als die Höhe der
untereinander gleich großen Stollen 16.
Während die Stollen an ihrer radial außen liegenden
Seite in Axialrichtung hinterschneidungsfrei gestuft
ausgebildet sind, sind sie an ihrer jeweiligen radial
innen liegenden Seite, dem in Fig. 1 dargestellten Flan
kenprofil der Nut 3 entsprechend, profiliert. Die außen
liegende Seite weist Stufen 18 auf, die zu ihrer Unter
scheidung in Fig. 4 Buchstabenindizes a bis d tragen. Die
Stufen werden jeweils durch eine axiale, die Umfangs
fläche eines Zylinders beschreibende Fläche und eine
Schrägschulter gebildet, die auf einem Kegelmantel liegt.
Die Stufen 18 sind so ausgebildet, daß das glockenförmige
Fräswerkzeug außermittig in eine hinterschneidungsfrei
geöffnete Nut axial eingefahren werden kann, ohne die
Flanke 4 der Nut 3 zu berühren.
Die Stollen 16 sind an ihrer profilierten (Innen-)
Seite mit Plattensitzen 19 versehen, an denen Wende
schneidplatten 21 gehalten sind. Die Innenseite weist der
Anzahl der zu erzeugenden Hinterschneidungen (fünf)
entsprechende, einzeln axial nach innen vorstehende und
sich in Umfangsrichtung erstreckende Rippen 20 (20a bis
20e) auf. Die Plattensitze 19 sind an den Rippen 20 vor
gesehen, wobei auf alle in Umfangsrichtung hintereinander
liegende Rippen 20 einer Schneide zwei Plattensitze
entfallen. Eine Schneide ist dabei durch eine Gruppe von
Wendeschneidplatten definiert, deren Schneidkanten in
Umfangsrichtung übereinanderprojiziert die Kontur der
Nutflanke vollständig bestimmen.
Die Wendeschneidplatten sind in der Regel quaderför
mig, d. h. in Draufsicht viereckig, ausgebildet, wobei
endständige Wendeschneidplatten 21′ von dieser Form
abweichend ausgebildet sein können. Die Wendeschneid
platten 21, 21′ sind tangential angeordnet, d. h. sie
sitzen auf Plattensitzen 19, deren Anlageflächen im
wesentlichen in Umfangsrichtung liegen. Befestigungs
schrauben 24 durchgreifen die Wendeschneidplatten 21 bei
deren Zentralöffnungen und sind in in den Plattensitzen
19 ausgebildete Gewindebohrungen eingeschraubt.
Das in Fig. 3 dargestellte Fräswerkzeug 11 weist
insgesamt vier Schneiden auf, die jeweils auf fünf Stol
len 16 aufgeteilt sind. Dies bedeutet, daß die Wende
schneidplatten 21 einer ersten Stollengruppe 16 mit ihren
jeweils aktiven Schneidkanten die gewünschte Kontur der
Flanke 5 vollständig definieren. Dabei ist an jeder
Wendeschneidplatte 21 lediglich eine Schneidkante aktiv.
Das Fräswerkzeug 11 mit vier vollständigen Schneiden
weist vier solcher Stollengruppen auf. Bedarfsweise ist
es auch möglich, die Anzahl der Schneiden größer oder
kleiner festzulegen.
Zur Veranschaulichung der Position der einzelnen zu
einer Schneide gehörigen Wendeschneidplatten 21 sind
diese in Fig. 4 entlang des Umfanges in die Zeichenebene
projiziert dargestellt. Dabei ist ersichtlich, daß die
vollständige von den Wendeschneidplatten 21 definierte
Schneide insgesamt 5 Hinterschneidungen bezüglich der
durch einen Pfeil 25 angedeuteten Axialrichtung defi
niert. Die zur Ausbildung der Hinterschneidungen an der
Flanke 5 der Nut 3 vorgesehenen Wendeschneidplatten sind
bis auf die endständige Wendeschneidplatte im wesentli
chen quaderförmig ausgebildet, wobei die entsprechenden
Plattensitze 19 in Umfangsrichtung liegend gegen die
Radiale (Pfeil 26) einheitlich geneigt sind. Entsprechend
sind die Befestigungsschrauben 24 von der Innenseite des
Werkzeugkörpers 12 her zugänglich.
Die endständige Wendeschneidplatte 21′ weist einen
näherungsweise dreieckigen Querschnitt auf. Zusätzlich
sind innenliegende Wendeschneidplatten 21′′ vorgesehen,
die der Bearbeitung des Randes der Nut 3 dienen.
Während die Kontur des Fräswerkzeuges 11 an seiner
Innenseite von den Wendeschneidplatten 21, 21′, 21′′
definiert ist, wird sie an der Außenumfangsfläche durch
die Außenseiten der Stollen 16 definiert. Das Profil des
Fräswerkzeuges 11 ist hier hinterschneidungsfrei. Der von
den Stollen 16 gebildete ringförmige Trägerabschnitt 14
verjüngt sich über die Länge der Stollen 16 in Axialrich
tung (Pfeil 25) stufenförmig. Die Stufen sind dabei so
bemessen, daß das Fräswerkzeug 11 mit seinen Wende
schneidplatten bestückten Stollen 16 in die vorgefertigte
in Fig. 4, gestrichelt veranschaulichte Nut 3 einfahrbar
ist, ohne die Flanken 4, 5 der Nut 3 zu berühren. Dabei
ist eine zusätzliche Maßzugabe bezüglich des Abstandes 27
zwischen der an der zugeordneten Flanke 5 anliegenden
Schneide sowie der Außenumfangsfläche der Stollen 16 und
der Nutflanke 3 erforderlich. Dieser zusätzliche Freiraum
ermöglicht ein Eintauchen der Stollen 16 in Axialrichtung
(Pfeil 25) in die Nut 3 ohne Flankenberührung.
Ein komplementäres, an seiner Außenseite mit Wende
schneidplatten 21, 21′, 21′′ bestücktes Fräswerkzeug 11′
ist in Fig. 5 dargestellt. Sein Trägerabschnitt 14 ist
symmetrisch zu einer in Fig. 5 durch eine Strich-Punkt-
Linie bezeichnete, kreisbogenförmig gekrümmte Längsmit
telebene 28 der Nut 3 ausgebildet. Hinsichtlich der Aus
bildung und Anordnung der Wendeschneidplatten 21, 21′,
21′′ sowie der Plattensitze 19 gilt die zu dem Fräswerk
zeug 11 (Fig. 4) gegebene Beschreibung entsprechend.
Gleichermaßen gilt die folgende, sich auf die Fig. 6a
bis 6e sowie die Fig. 7 stützende Beschreibung der
Anordnung der Wendeschneidplatten 21, 21′, 21′′ des Fräs
werkzeuges 11′ entsprechend für das Fräswerkzeug 11 mit
seinen an der Innenseite angeordneten Wendeschneidplatten
21, 21′, 21′′.
Wie Fig. 6 zeigt, sind die zu einer vollständigen
Schneide gehörigen Wendeschneidplatten 21, 21′, 21′′ auf
insgesamt 5 Stollen 16a, 16b, 16c, 16d, 16e aufgeteilt.
Diese Stollen 16a bis 16e sind in Umfangsrichtung aufein
ander folgende Stollen des Trägerabschnittes 14. Der
Stollen 16a trägt insgesamt vier Schneidplatten. Dies
sind eine quaderförmige Wendeschneidplatte 21′′a zur
Bearbeitung des Nutrandes, eine erste Wendeschneidplatte
211a zur Ausbildung bzw. Bearbeitung einer dem Nutrand am
nächsten liegenden Hinterschneidung, eine Wendeschneid
platte 213a zur Ausbildung der übernächsten Hinterschnei
dung der Flanke 4 und eine im Querschnitt im wesentlichen
dreieckige Wendeschneidplatte 21′a zur Ausbildung der dem
Nutboden am nächsten liegenden Hinterschneidung.
Der Abstand zwischen der Wendeschneidplatte 211a und
der Wendeschneidplatte 213a stimmt im wesentlichen mit
dem Abstand zwischen der Wendeschneidplatte 213a und der
Wendeschneidplatte 21′a überein. Zwischen den genannten
Schneidplatten ist jeweils eine Plattenposition frei, bei
der weder Plattensitze noch Schneidplatten angeordnet
sind.
Der in Drehrichtung folgende Stollen 16b ist in Fig.
6b veranschaulicht. Er trägt eine quaderförmige Wende
schneidplatte 21′′b zur Bearbeitung des Nutrandes sowie
zwei weitere Wendeschneidplatten 212b, 214b zur Bearbei
tung der, vom Nutrand gesehen, zweiten und vierten Hin
terschneidung. Wiederum ist zwischen den einzelnen
Schneidplatten jeweils eine Plattenposition freigelassen
und die Abstände zwischen den Schneidplatten sind unter
einander im wesentlichen gleich.
Darüber hinaus ist ersichtlich, daß die Wende
schneidplatten 212b, 214b mit den Wendeschneidplatten
211a, 213a, 21′a des vorauseilenden Stollens 16a auf
Lücke stehen.
Dies gilt auch im Verhältnis zu dem nachfolgenden
Stollen 16c, der Wendeschneidplatten 211c, 213c, 21′c zur
Bearbeitung der, vom Nutrand gesehen, ersten, dritten und
fünften Nut trägt. Die Abstände zwischen benachbarten
Schneidplatten sind auch an diesem Stollen 16c wie bei
dem nachfolgenden Stollen 16d (Fig. 6d) einheitlich
festgelegt. Der Stollen 16d weist drei Wendeschneidplat
ten 21′′d, 212d und 214d auf. Während die Wendeschneid
platte 21′′d der Bearbeitung des Nutrandes dient, sind die
Wendeschneidplatten 212d, 214d zur Bearbeitung der zwei
ten und vierten Hinterschneidung vorgesehen und stehen
mit den Wendeschneidplatten 211c, 213c, 21′c des voraus
eilenden Stollens 16c auf Lücke.
Dies gilt prinzipiell auch für den nachfolgenden
Stollen 16e, der lediglich eine Wendeschneidplatte 21′′e
zur Bearbeitung des Nutrandes im Übergang zu der ersten
Ausnehmung und endständig eine im wesentlichen flach
ausgebildete Wendeschneidplatte 215 zur Bearbeitung des
Nutbodens trägt.
Hinsichtlich der auszubildenden Hinterschneidungen
bearbeiten der erste und der dritte Stollen 16a, 16c die
erste, dritte und fünfte Hinterschneidung, während der
zweite und der vierte Stollen 16b, 16d die zweite und
vierte Hinterschneidung bearbeiten. Dabei wird jede
Hinterschneidung von zwei einander überlappenden Schneid
platten ausgebildet. Die vorauseilende Wendeschneidplatte
211a ist dabei mit ihrer zum Nutboden hin liegenden
Schneidkante 211A aktiv, während die zugeordnete nachei
lende Wendeschneidplatte 211c mit ihrer von dem Nutboden
weg weisenden Schneidkante 211C aktiv ist.
Die Verhältnisse sind bei den Wendeschneidplatten
213a, 213c für die dritte Hinterschneidung gerade umge
kehrt. Die Wendeschneidplatte 213a ist mit ihrer von dem
Nutboden weg liegenden Schneidkante 213A aktiv, während
die Wendeschneidplatte 213c mit ihrer zum Nutboden hin
liegenden Schneidkante 213C aktiv ist. Schließlich
schneidet die Wendeschneidplatte 21′a mit ihrer bodensei
tigen Schneidkante 21′A, während die Wendeschneidplatte
21′c mit ihrer von dem Nutboden weg weisenden Schneidkan
te 21′C aktiv ist. Dies wird bei allen drei genannten
Platten 211, 213, 21′ durch einen geringfügigen Axialver
satz der jeweiligen Schneidplatten gegeneinander er
reicht, wie in Fig. 7 anhand der Wendeschneidplatten
211a, 211c (Plattenpaar 211) veranschaulicht ist. Beide
Wendeschneidplatten 211a, 211c sind in die Zeichenebene
projiziert, um die Überdeckung ihrer Schneidkanten 211A,
211C zu veranschaulichen. Die Benutzung jeweils lediglich
nur einer Schneidkante jeder Schneidplatte wird durch
einen Versatz V der Wendeschneidplatten gegeneinander
erreicht. In der Projektion definieren beide Schneidkan
ten 211A, 211C eine Kontur, die ein einheitliches Unter
maß U in Bezug auf eine endgültig gewünschte Form F der
Hinterschneidung aufweist.
Die Verhältnisse sind für die Wendeschneidplatten
213a, 213c sowie für die Wendeschneidplatten 21′a, 21c
entsprechend. Aufgrund der an jedem Stollen 16a, 16c
jeweils abwechselnden Anordnung von aktiven Schneidkan
ten, d. h. die Schneidkante 211a ist nach unten orien
tiert, die nächste Schneidkante 213A nach oben und die
nächstfolgende Schneidkante 21′A wieder nach unten, wird
in jedem Stollen eine weitgehende Kompensation der Axial
komponenten der Schnittkräfte erreicht, was der Bearbei
tungsgenauigkeit zugute kommt. Verallgemeinernd gilt für
die Anordnung der Schneidkanten benachbarter Schneid
platten eines Stollens, daß sie miteinander einen Winkel
einschließen, der radial nach innen oder nach außen
geöffnet und dessen Winkelhalbierende im wesentlichen in
Radialrichtung orientiert ist.
Die vorstehende Beschreibung gilt entsprechend für
die Stollen 16b, 16d. Die Wendeschneidplatten 212b, 212d
bilden ein Plattenpaar 212 zur Bearbeitung der vierten
Hinterschneidung, wobei die Schneidkante 212B zum Nutbo
den und die Schneidkante 212D von dem Nutboden weg orien
tiert sind. Umgekehrt ist die Schneidkante 214B von dem
Nutboden weg und die Schneidkante 214D zu dem Nutboden
hin orientiert.
Zur Ausbildung der üblicherweise bezüglich der
Längsmittelebene 28 im Querschnitt symmetrisch geformten
Nut 3 sind vorzugsweise zwei zusammengehörige glockenför
mige Fräswerkzeuge 11, 11′ vorgesehen, deren eines die
Wendeschneidplatten an der Innenumfangsseite des ringför
migen Trägerabschnittes 14 an seinen Stollen 16 trägt und
deren anderes entsprechend an der Außenumfangsseite des
ringförmigen Trägerabschnittes mit Wendeschneidplatten
versehen ist. Obwohl das glockenförmige Fräswerkzeug 11
prinzipiell auch beidseitig, d. h. sowohl an seiner Innen
als auch an seiner Außenseite, Wendeschneidplatten tragen
könnte, wird mit der Aufteilung auf zwei einen zusammen
gehörigen Satz bildende Fräswerkzeuge 11, 11′ erreicht,
daß der ringförmige Trägerabschnitt (Stollen 16, 16′)
ausreichend dick gehalten werden kann. Dies ist insbeson
dere bei der Bearbeitung von engen Nuten 3 von Bedeutung.
Die radiale Dicke des Stollens 16, 16′ ist geringer als
die um die Profiltiefe verminderte Nutbreite.
Bei der Bearbeitung bzw. Herstellung von bogenförmi
gen Nuten 3 in einem Turbinenrotor 2 kommt das vorstehend
beschriebene Fräswerkzeug 11 folgendermaßen zur Anwen
dung:
In einem ersten in den Fig. 8A, 8B veranschaulichten Arbeitsschritt wird ein in Fig. 8A schematisch veran schaulichter, an sich bekannter Glockensenker 110 in der durch den Pfeil 25 angedeuteten Axialrichtung auf den Abschnitt 2a des Turbinenrotors 1 zu bewegt. Der um seine Drehachse 9 (Fig. 2) umlaufende Glockensenker 110 weist bei seinem ringförmigen Trägerabschnitt 140 seines topf förmigen Werkzeugkörpers 120 sowohl an der Innenseite als auch an der Außenseite Wendeschneidplatten auf, die ein sich stufenweise verjüngendes Profil bestimmen. Nach einem etwa der Tiefe der gewünschten Nut 3 entsprechenden Axialvorschub ist die Nut 3 zunächst mit einer sich stufenweise verjüngenden hinterschneidungsfreien Kontur geöffnet, wie in Fig. 8B dargestellt ist.
In einem ersten in den Fig. 8A, 8B veranschaulichten Arbeitsschritt wird ein in Fig. 8A schematisch veran schaulichter, an sich bekannter Glockensenker 110 in der durch den Pfeil 25 angedeuteten Axialrichtung auf den Abschnitt 2a des Turbinenrotors 1 zu bewegt. Der um seine Drehachse 9 (Fig. 2) umlaufende Glockensenker 110 weist bei seinem ringförmigen Trägerabschnitt 140 seines topf förmigen Werkzeugkörpers 120 sowohl an der Innenseite als auch an der Außenseite Wendeschneidplatten auf, die ein sich stufenweise verjüngendes Profil bestimmen. Nach einem etwa der Tiefe der gewünschten Nut 3 entsprechenden Axialvorschub ist die Nut 3 zunächst mit einer sich stufenweise verjüngenden hinterschneidungsfreien Kontur geöffnet, wie in Fig. 8B dargestellt ist.
Nachdem die Nut 3 in einem Schrupp-Fräsvorgang grob
geöffnet ist, kommt das in Fig. 9A schematisiert ver
anschaulichte Fräswerkzeug 11′ zum Einsatz, indem dieses
in einer Eintauchbewegung in die vorgeöffnete Nut 3
eingefahren wird. Seine Drehachse 9 (Fig. 2) ist dabei im
wesentlichen um die Hinterschneidungstiefe gegen den
Krümmungsmittelpunkt der zu erzeugenden bogenförmigen Nut
3 versetzt, so daß das Fräswerkzeug 11′ ohne Wand- oder
Flankenberührung in die Nut 3 eintaucht. Die Eintauchbe
wegung ist in Fig. 9B mit einem Pfeil 31 angedeutet. Sie
endet, sobald die aus Fig. 6E hervorgehende endständige
Wendeschneidplatte 215 mit gewünschter Tiefe in den grob
vorbearbeiteten Nutboden eingestochen ist.
Auf diese Bewegung folgt die Vorschubbewegung, die
in Fig. 9B durch einen Pfeil 32 veranschaulicht ist. Es
kommen nun alle Wendeschneidplatten 21, 21′, 21′′ (Fig. 5)
mit der entsprechenden Flanke der Nut 3 in Eingriff,
wobei in einer kurzen, der Hinterschneidungstiefe ent
sprechenden Vorschubbewegung die in Fig. 9B dargestellte
Nutform mit der aus Fig. 7 hervorgehenden Genauigkeit
ausgebildet wird. Die gesamte Flanke 4 wird mit allen
Hinterschneidungen mit einem konstanten Untermaß bezüg
lich der gewünschten Nutweite ausgebildet. Hingegen
können sowohl der Nutboden als auch der von den Wende
schneidplatten 21′′ auszubildende Nutrand bedarfsweise auf
Maß in der gewünschten Oberflächengüte hergestellt wer
den. Nach Beendigung des Vorschubhubes stimmt die Dreh
achse 9 des Fräswerkzeuges 11′ mit dem Krümmungsmittel
punkt der zu erzeugenden Nut überein. Der Radius des
Fräswerkzeuges 11 bestimmt somit die Krümmung der Nut 3.
Die Vorschubbewegung ist sehr kurz und bei jeder
Umdrehung des Fräswerkzeuges 11 wird jede seiner Schnei
den einmal über die gesamte Länge der Nut 3 geführt.
Wegen der nur kurzen Vorschubbewegung und der gleichzei
tigen Bearbeitung der gesamten Flanke 4 über die gesamte
Nutlänge wird eine sehr kurze Bearbeitungszeit erreicht.
Zum Herausfahren des Fräswerkzeuges 11′ aus der Nut
3 wird dieser von der Flanke 4 radial weg bewegt, bis
alle Wendeschneidplatten 21, 21′, 21′′ aus den Hinter
schneidungen der Flanke 4 herausgekommen sind. Danach
wird das Fräswerkzeug 11′ axial aus der Nut 3 entfernt,
ohne die Flanke 4 zu berühren.
Nach dem Herausfahren des Fräswerkzeuges 11′ aus der
Nut 3, wird, wie aus den Fig. 10A, 10B hervorgeht, das
Fräswerkzeug 11 außermittig, d. h. ohne Berührung der
Flanken 4, 5, in die Nut 3 eingefahren. Die nun folgende
Seitbewegung infolge einer radialen Vorschubbewegung in
Richtung des Pfeiles 33, bei der die Drehachse 9 (Fig. 2)
des Fräswerkzeuges 11 parallel verschoben wird, gibt der
Flanke 5 der Nut 3 die in Fig. 10B dargestellte Form.
Hinsichtlich Bearbeitungszeit und -qualität gelten die
obigen Ausführungen.
Die soweit vorbearbeitete Nut 3 wird in einem letz
ten Arbeitsschritt zur Fertigbearbeitung mit einem Form
fräser bearbeitet, der, mit beiden Flanken 4, 5 zugleich
in Eingriff stehend, längs durch die Nut 3 geführt wird.
Aufgrund der lediglich geringen und gleichmäßig abzutra
genden Materialstärke, die dem in Fig. 7 veranschaulich
ten Untermaß U entspricht, ist nur wenig Zerspanung
erforderlich und es kann mit großem Vorschub gefahren
werden, wobei der Formfräser lange maßhaltig bleibt.
In Fig. 11 ist eine abgewandelte Ausführungsform
eines Fräswerkzeuges 11′′ veranschaulicht. Dieses unter
scheidet sich von den vorstehend beschriebenen Fräswerk
zeugen 11′, 11 lediglich durch die Ausbildung der Plat
tensitze und die Form der daran gehaltenen Wendeschneid
platten. Das Fräswerkzeug 11′′ weist, wie das Fräswerk
zeug 11, einzelne Stollen 16 auf, die in Fig. 11 überein
ander projiziert sind. Es gehören mehrere Stollen zu
einer einzigen Schneide, wobei jeder Stollen ein bis
zwei, maximal vier Wendeschneidplatten trägt. Im einzel
nen sind die Plattensitze 40, 41, 42 (a bis e) zur tan
gentialen Anordnung der jeweiligen Schneidplatten vor
gesehen. Sie weisen eine in Umfangsrichtung liegende
Anlagefläche mit einer entsprechenden radial orientierten
Auflagefläche zur Aufnahme der Schneidkräfte auf.
Die Hinterschneidungen werden mittels im Querschnitt
der Form der jeweiligen Hinterschneidung entsprechenden
Wendeschneidplatten 210 (a bis i) ausgebildet. Wie be
reits bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbei
spielen der Fräswerkzeuge 11, 11′ sind die Wendeschneid
platten 210b bis 210i durch jeweils ein Wendeschneid
plattenpaar gebildet, deren Schneidkanten gegeneinander
in Axialrichtung (Pfeil 25) versetzt sind. Dies ist in
der im wesentlichen der Fig. 7 entsprechenden Fig. 12
veranschaulicht, in der die Schneidkante 210B der Wende
schneidplatte 210b an der von dem Nutboden weg liegenden
Seite und die Schneidkante 210C der Wendeschneidplatte
210c an der zu dem Boden hin liegenden Seite die jeweils
andere Wendeschneidplatte überragt und somit aktiv ist.
Hinsichtlich der Aufteilung der Wendeschneidplatten 210
auf unterschiedliche Stollen 16 und unterschiedliche
Hinterschneidungen gelten die im Zusammenhang mit den
Fig. 6A bis 6E getroffenen Ausführungen.
Insbesondere zur Herstellung von kreisbogenförmigen
Rotornuten mit Tannenbaum-Querschnitt in Turbinenrotoren
sind Fräswerkzeuge 11, 11′, 11′′ vorgesehen, die nach
Öffnen einer grob konturierten bogenförmigen Nut in diese
eingetaucht und seitlich auf die Flanke der Nut hin
zugestellt werden. Ein solches Fräswerkzeug weist einen
topfförmigen Werkzeugkörper 12 auf, von dessen Boden 13
sich ein ringförmiger Trägerabschnitt 14 mit einzelnen
Stollen 16 weg erstreckt. Die Stollen tragen an ihrer
Innen- oder Außenseite Wendeschneidplatten, die in ihrer
Überdeckung das Flankenprofil der Nut bestimmen. Solche
Fräswerkzeuge ermöglichen eine Bearbeitung der kreisbo
genförmigen Nuten in einer Bearbeitungszeit, die gegen
über der zur Bearbeitung mit herkömmlichen Formfräsern
erforderlichen Zeit drastisch verkürzt ist.
Claims (17)
1. Verfahren zur Herstellung kreisbogenförmiger
hinterschnittener Nuten in der Mantelfläche wenigstens
abschnittsweise zylindrischer Werkstücke, insbesondere
zur Ausbildung von Rotornuten in Turbinenrotoren, wobei
die Nuten mittels eines unter axialem Vorschub geführten
Glockensenkers ohne Hinterschneidungen vorbearbeitet, und
anschließend die Nutflanken mit den erforderlichen Hin
terschneidungen mittels eines entsprechend der Flanken
form der Nuten profilierten Formfräswerkzeuges bearbeitet
werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung der
Nutflanke mit den Hinterschneidungen mittels eines gloc
kenförmigen Formfräswerkzeuges mit der Krümmung der
kreisbogenförmigen Nuten entsprechendem Durchmesser
ausgeführt wird, das hierzu in die vorgeformte Nut axial
eingeführt wird und dem dann eine bezüglich seiner Dreh
achse radiale Vorschubbewegung auf die Nutflanke zu
erteilt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Nutflanken nacheinander mit einem außen
profilierten und mit einem innen profilierten Formfräswe
rkzeug bearbeitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Nutflanken mit den Formfräswerkzeugen bis
auf ein konstantes Aufmaß bearbeitet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß zur Fertigbearbeitung der Nut ein entsprechend
der Flankenform profilierter Schaftfräser in Längsrich
tung der Nut geführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß die einander gegenüberliegenden Flanken der Nut
mit dem Schaftfräser beim Vorschub des Schaftfräsers
entlang der Nut gleichzeitig bearbeitet werden.
6. Glockenförmiges Formfräswerkzeug (11), insbeson
dere zur spanenden Bearbeitung bogenförmiger Nuten (3)
nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
mit einem Werkzeuggrundkörper (12), der einen ring förmigen, koaxial zu einer Drehachse (9) angeordneten Trägerabschnitt (14) aufweist,
mit an dem Trägerabschnitt (14) ausgebildeten Plat tensitzen (19) und Befestigungsmitteln (24) zur Aufnahme und Halterung von Wendeschneidplatten (21, 21′, 21′′),
wobei die Wendeschneidplatten (21, 21′, 21′′) bei einer Drehung des Werkzeuggrundkörpers (12) um die Dreh achse (9) mit ihren aktiven Schneidkanten eine zu der Drehachse (9) koaxiale Umlauffigur definieren, die in Richtung der Drehachse (9) wenigstens eine Hinterschnei dung aufweist.
mit einem Werkzeuggrundkörper (12), der einen ring förmigen, koaxial zu einer Drehachse (9) angeordneten Trägerabschnitt (14) aufweist,
mit an dem Trägerabschnitt (14) ausgebildeten Plat tensitzen (19) und Befestigungsmitteln (24) zur Aufnahme und Halterung von Wendeschneidplatten (21, 21′, 21′′),
wobei die Wendeschneidplatten (21, 21′, 21′′) bei einer Drehung des Werkzeuggrundkörpers (12) um die Dreh achse (9) mit ihren aktiven Schneidkanten eine zu der Drehachse (9) koaxiale Umlauffigur definieren, die in Richtung der Drehachse (9) wenigstens eine Hinterschnei dung aufweist.
7. Formfräswerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß der ringförmige Trägerabschnitt (14) eine
Folge voneinander beabstandeter Ausnehmungen (15) auf
weist, zwischen denen Schneidplatten (21, 21′, 21′′) tra
gende Stollen (16) ausgebildet sind.
8. Formfräswerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß der ringförmige Trägerabschnitt (14) durch
die Ausnehmungen (15) unterbrochen ist.
9. Formfräswerkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Stollen (16) und die Ausnehmungen (15)
in ihrer Größe im wesentlichen übereinstimmen.
10. Formfräswerkzeug nach Anspruch 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß an den Plattensitzen (19) bezüglich der
tangential angeordneten Wendeschneidplatten (21, 21′,
21′′) freiflächenseitig zugängliche Befestigungsmittel
(24) angeordnet sind.
11. Formfräswerkzeug nach Anspruch 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Schneidplatten (21, 21′, 21′′) aus
schließlich an der Außenumfangsseite des ringförmigen
Trägerabschnittes (14) angeordnet sind.
12. Formfräswerkzeug nach Anspruch 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Schneidplatten (21, 21′, 21′′) aus
schließlich an der Innenumfangsseite des ringförmigen
Trägerabschnittes (14) angeordnet sind.
13. Formfräswerkzeug nach Anspruch 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die von den Schneidkanten der Wende
schneidplatten (21, 21′, 21′′) definierte Umlauffigur eine
in Axialrichtung gewellte Ringfläche ist.
14. Formfräswerkzeug nach Anspruch 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Schneidplatten (21, 21′, 21′′) an
dem Trägerabschnitt (14) gruppenweise in sich jeweils
quer zu der Umlaufrichtung erstreckenden Reihen angeord
net sind.
15. Formfräswerkzeug nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß wenigstens zwei der in einer Reihe
angeordneten Wendeschneidplatten (21, 21′, 21′′) einer
Gruppe unterschiedlich orientierte aktive Schneidkanten
aufweisen.
16. Formfräswerkzeug nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß zu der Gruppe in einer Reihe angeord
neter Wendeschneidplatten (21, 21′, 21′′) zwei Wende
schneidplatten (211a, 213a) gehören, deren Schneidkanten
(211A, 213A) miteinander einen Winkel einschließen,
dessen Winkelhalbierende im wesentlichen in Radialrich
tung liegt.
17. Formfräswerkzeug nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wendeschneidplatten (21, 21′,
21′′) mehrerer hintereinanderliegender Reihen miteinander
eine vollständige Schneide definieren.
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