DE4035534C2

DE4035534C2 - Process for producing a rotor for rotary piston machines

Info

Publication number: DE4035534C2
Application number: DE4035534A
Authority: DE
Inventors: Guenter Kirsten
Original assignee: GVM GES fur SCHRAUBENVERDICHT
Current assignee: KIRSTEN, GUENTER, 08451 CRIMMITSCHAU, DE
Priority date: 1990-11-08
Filing date: 1990-11-08
Publication date: 1996-08-14
Anticipated expiration: 2010-11-09
Also published as: DE4035534A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Rotors für Rotationskolbenmaschinen.The invention relates to a method for manufacturing a fiber-reinforced rotor for rotary piston machines.

Rotationskolbenmaschinen zum Verdichten von Gasen und zum Pumpen von Fluiden haben zwei Rotoren mit sich im Verzahnungseingriff abwälzenden Profilen, wobei diese Profile entweder mit gerader Verzahnung, bei spielsweise für Gebläse, oder mit schraubenförmiger Verzahnung, beispielsweise für Schraubenverdichter, vorliegen. Die Rotoren sind längliche Körper von über die gesamte Länge im wesentlichen konstantem Ver zahnungsprofil, wobei sich die Querschnittsform des Profils über die Länge drehen kann.Rotary piston machines for compressing gases and for pumping fluids have two rotors with them Profiles rolling in the meshing engagement, wherein these profiles either with straight teeth, at for example for blowers, or with helical Gearing, for example for screw compressors, available. The rotors are elongated bodies of over the entire length is essentially constant Ver tooth profile, the cross-sectional shape of the Profiles can rotate over the length.

Versuche, die Rotore im Spritzgußverfahren herzu stellen, sind weitgehend fehlgeschlagen, weil aufgrund der chemischen Reaktion und des nachfolgenden Abkühlens ein Materialschwund entsteht, bei dem sich die komplexe Form des Rotorkörpers in undefinierter Weise verändert. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Materialstärke im Rotorkörper wegen der Flügelform örtlich sehr unter schiedlich ist und daß an dickwandigen Stellen der Materialschwund viel größer ist als an dünnwandigen Stellen. Von Rotoren für Verdrängermaschinen wird eine extrem hohe Maßhaltigkeit gefordert, weil die zusammen wirkenden komplementär geformten Rotoren den Dichtspalt bilden. Es hat sich herausgestellt, daß mit der üblichen Spritzgußtechnik keine den gestellten Anforde rungen entsprechende Maßhaltigkeit der Rotorkörper erreichbar ist.Try injection molding the rotors largely failed because of chemical reaction and subsequent cooling a material shrinkage arises in which the complex Shape of the rotor body changed in an undefined way. It should be noted that the material thickness in Because of the shape of the wing, the rotor body is very local is different and that in thick-walled places the Material shrinkage is much larger than on thin-walled Put. One of rotors for displacement machines extremely high dimensional accuracy is required, because they work together acting complementarily shaped rotors the sealing gap form. It has been found that with the usual injection molding technology does not meet the requirements appropriate dimensional accuracy of the rotor body is achievable.

DE 39 03 067 A beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für Verdrängermaschinen, bei dem ein poly merer Werkstoff in eine Negativform des Rotors einge füllt wird, so daß der Werkstoff von unten nach oben in der Negativform ansteigt, bis er diese schließlich aus füllt. Der polymere Werkstoff wird anschließend in der Form gehärtet und der Rotor wird schließlich aus der Form entnommen. Die Besonderheit dieses bekannten Ver fahrens liegt darin, daß beim Einfüllen des Polymer materials in die Gießform eine schlagartige Erwärmung erfolgt und daß die Reaktion des Kunststoffs in der Gießform von unten nach oben abläuft, wodurch im Falle von Materialschwund flüssiger Kunststoff nachfließt. Bei diesem bekannten Verfahren kann auch in die Gieß form eine Verstärkungseinlage eingestellt werden, die später in dem fertigen Rotor enthalten ist. Das bekannte Verfahren läßt jedoch nur die Verwendung einer im wesentlichen ringförmigen oder ellipsenförmigen Verstärkungseinlage zu, die die Rotorwelle nach Art eines Gürtels umgibt und nicht das gesamte Rotorvolumen erfassen kann. DE 39 03 067 A describes a method for manufacturing a rotor for positive displacement machines, in which a poly merer material in a negative form of the rotor is filled, so that the material from bottom to top in the negative form rises until it finally runs out fills. The polymeric material is then in the Hardened shape and the rotor is finally removed from the Taken form. The peculiarity of this well-known Ver driving is that when filling the polymer materials in the mold a sudden warming takes place and that the reaction of the plastic in the Casting mold runs from the bottom up, which in the case liquid plastic flows from material loss. In this known method can also be poured form a reinforcement insert that can be adjusted later included in the finished rotor. The However, known methods only allow the use of a essentially annular or elliptical Reinforcement insert, which the rotor shaft according to Art of a belt and not the entire rotor volume can capture.

Die Rotoren von Rotationskolbenmaschinen sind beim Betrieb einer hohen mechanischen und ggf. auch thermischen oder chemischen Belastung ausgesetzt. Sie müssen daher eine große mechanische Festigkeit haben, die mit den üblichen thermoplastischen Kunststoffen nicht erreicht werden kann. The rotors of rotary piston machines are in operation a high mechanical and possibly also thermal or exposed to chemical stress. You must therefore have one have great mechanical strength that with the conventional thermoplastic materials not achieved can be.

Aus DE-OS 23 29 800 ist ein Kotor aus aufeinanderge stapelten Lamellen bekannt. Die Stapelung der Lamellen, die gegeneinander versetzt sind, dient dazu, ent sprechend dem gewünschten Verlauf der Steigung der Schraubengänge den Versatz der einzelnen Lamellengänge gegeneinander frei einstellen zu können. Dies geschieht zum Beispiel mit einer Schablone. Die Stufen in den Flügeln des Lamellenstapels müssen durch Nachbearbeitung, z. B. Schleifen, geglättet werden.From DE-OS 23 29 800 is a Kotor from one another stacked slats known. The stacking of the slats, which are offset from one another serves to ent speaking the desired course of the slope of the Screw gears the offset of the individual lamella gears to be able to freely adjust against each other. this happens for example with a template. The levels in the Wings of the stack of lamellas must be reworked, e.g. B. loops are smoothed.

Aus JP 61-24 1486 A ist das Aufeinanderstapeln, Erhitzen und Aushärten unter Druck mehrerer kreisförmiger faser verstärkter Platten bekannt, wodurch ein Rohling herge stellt wird, der zu einem Rotor erst weiterverarbeitet werden muß. Die Scheiben weisen daher noch nicht die Querschnittsform des herzustellen Rotors auf. Erst bei einer Weiterbearbeitung entsteht aus dem Rohling ein Rotor.JP 61-24 1486 A describes stacking and heating and curing under pressure of a plurality of circular fibers reinforced plates known, whereby a blank herge is made, which is first processed into a rotor must become. The discs therefore do not yet have that Cross-sectional shape of the rotor to be produced. Only at; only when Further processing arises from the blank Rotor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für Rotationskolbenmaschinen anzugeben, mit dem Rotoren mit extrem hoher und örtlich gleichmäßiger Festigkeit herstellbar sind.The invention has for its object a method for the manufacture of a rotor for rotary piston machines to specify with the rotors with extremely high and local uniform strength can be produced.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.This object is achieved with the invention the features of claim 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Scheiben, aus faserverstärktem Kunststoff welche der Querschnitts form des Rotors entsprechen, zu einem Schichtstapel in eine Negativpreßform eingebracht und schließlich unter Zuführung von Wärme axial zusammengepreßt. Die Erwärmung erfolgt über die Erweichungstemperatur des Kunststoffs hinaus, so daß die Kunststoffkomponenten der Scheiben ineinander verlaufen und miteinander verschmelzen. Jede der Scheiben enthält eine Struktur aus Verstärkungs fasern, die sich im gesamten Scheibenvolumen erstreckt. Der aus dem Scheibenstapel hergestellte Rotor enthält dann die Verstärkungsfasern, die das gesamte Rotor volumen einnehmen.In the method according to the invention, disks, made of fiber reinforced plastic which the cross section correspond to the shape of the rotor to form a layer stack placed in a negative mold and finally under Supply of heat compressed axially. The warming takes place via the softening temperature of the plastic addition, so that the plastic components of the washers run into each other and fuse together. Each the discs contain a structure of reinforcement fibers that extend across the entire disc volume. The rotor made from the disk stack contains then the reinforcing fibers that cover the entire rotor take up volume.

Der fertige Rotor besteht aus einer Kunststoffmatrix mit eingebetteten Verstärkungsfasern. Als Kunststoff wird vorzugsweise ein Thermoplast benutzt, z. B. ein Polyamid (PA), Polycarbonat (PC) oder ein Polyphenylen sulfid (PPS). Als Verstärkungseinlage eignen sich vorzugsweise Wirrfaservliese, Gewebe, Gewirke oder Gestricke. Die Fasern sollten in allen drei Raumrich tungen orientiert sein, so daß sich eine hohe Zug festigkeit des Rotors auch in Längsrichtung des Rotors ergibt. Es ist daher zweckmäßig, das Plattenmaterial so herzustellen, daß auch solche Fasern vorhanden sind, die eine in Dickenrichtung der Platte verlaufende Orientierungskomponente haben. Die Verstärkungsfasern können Glasfasern, Kohlefasern oder Aramidfasern sein. Sie sollten einen möglichst hohen Anteil am Platten material haben, der bis zu 80% betragen kann.The finished rotor consists of a plastic matrix with embedded reinforcement fibers. As a plastic a thermoplastic is preferably used, e.g. B. a Polyamide (PA), polycarbonate (PC) or a polyphenylene sulfide (PPS). Are suitable as a reinforcing insert preferably non-woven fabric, woven, knitted or Crocheted. The fibers should be in all three rooms tion be oriented so that there is a high train strength of the rotor also in the longitudinal direction of the rotor results. It is therefore appropriate to do the plate material like this to make sure that such fibers are also present, the one running in the thickness direction of the plate Have an orientation component. The reinforcing fibers can be glass fibers, carbon fibers or aramid fibers. You should have as high a share of the plates as possible have material that can be up to 80%.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.The following is with reference to the drawings an embodiment of the invention explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Herstellung des Plattenmaterials, Fig. 1 is a schematic representation of the preparation of the plate material,

Fig. 2 das Heraustrennen einer dem Rotorquerschnitt entsprechenden Scheibe aus dem Plattenmaterial und Fig. 2, the cutting out of a corresponding rotor cross-sectional slice of the plate material, and

Fig. 3 einen Schnitt durch die Negativform während des Zusammenpressens des Scheibenstapels. Fig. 3 shows a section through the negative mold during compression of the stack of discs.

Gemäß Fig. 1 ist ein aus zwei Walzen 10, 11 bestehendes Walzenpaar vorgesehen, durch dessen Walzenspalt eine Bahn 12 aus Verstärkungsfasern hindurchläuft. Bei der Bahn 12 handelt es sich um eine Matte, die vorzugsweise aus einem Wirrfaservlies besteht. Vor dem Walzenspalt befindet sich eine Schlitzdüse 13, die von einem Extruder 14 mit thermoplastischem Kunststoff gespeist wird. Der aus der Schlitzdüse 13 austretende Kunststoff wird auf die Bahn 12 aufgetragen und er durchläuft den Walzenspalt zusammen mit der Bahn 12. Dabei wird die Bahn 12 mit dem Kunststoff durchtränkt und zwischen den Walzen 10, 11 gepreßt. Das aus dem Walzenspalt aus tretende Material bildet das Plattenmaterial 15, das auf dem Transporttisch 16 abgeführt wird und härtet. Das Plattenmaterial 15 hat eine Stärke von 1-2 mm. In der Kunststoffmatrix befinden sich in gleichmäßiger Verteilung die Verstärkungsfasern der Bahn 12.According to FIG. 1, a pair of rollers consisting of two rollers 10 , 11 is provided, through the roller gap of which a web 12 of reinforcing fibers runs. The web 12 is a mat, which preferably consists of a non-woven fabric. In front of the nip there is a slot nozzle 13 , which is fed by an extruder 14 with thermoplastic material. The plastic emerging from the slot nozzle 13 is applied to the web 12 and it passes through the nip together with the web 12 . The web 12 is impregnated with the plastic and pressed between the rollers 10 , 11 . The material emerging from the nip forms the plate material 15 which is removed on the transport table 16 and hardens. The plate material 15 has a thickness of 1-2 mm. The reinforcing fibers of the web 12 are located in a uniform distribution in the plastic matrix .

Das Plattenmaterial 15 wird in gleichmäßige Stücke 15a zerteilt, von denen eines in Fig. 2 dargestellt ist. Mit einem Stanzwerkzeug wird aus dem Stück 15a eine Scheibe 17 ausgestanzt, die dem Querschnitt des herzu stellenden Rotors entspricht. Die Scheibe 17 kann ein Loch 18 aufweisen, durch das später die Rotorwelle hindurchgesteckt wird. Man erkennt, daß die Scheibe 17 im wesentlichen rund ist und abstehende Flügel 19 aufweist, die den späteren Rotorflügeln entsprechen.The plate material 15 is divided into uniform pieces 15 a, one of which is shown in Fig. 2. With a punch tool, a disc 17 is punched out of the piece 15 a, which corresponds to the cross section of the rotor to be manufactured. The disk 17 can have a hole 18 through which the rotor shaft is later inserted. It can be seen that the disk 17 is essentially round and has projecting vanes 19 which correspond to the later rotor vanes.

Die Scheiben 17 sind sämtlich untereinander gleich. Eine Vielzahl solcher Scheiben wird in den Formhohlraum 21 der in Fig. 3 dargestellten Negativform 20 einge legt. Der Formhohlraum 21 ist entsprechend der Kontur des herzustellenden Rotors geformt. Im vorliegenden Fall handelt es sich um den weiblichen Rotor eines Schraubenverdichters, bei dem die Flügel 19 wendel förmig um die Rotorachse herum verlaufen. Der Rotor hat über seine Länge hinweg konstante Querschnittsform, wobei der Rotorquerschnitt jedoch schraubenförmig gewunden ist. Jede der Scheiben 17 füllt den Quer schnitt des Formhohlraums 21 aus. In den Formhohlraum 21 werden die Scheiben 17 übereinanderliegend einge führt, so daß sie einen Scheibenstapel bilden. Wegen der gewundenen Umfangskontur des Formhohlraums 21 sind jeweils zwei benachbarte Scheiben 17 des Scheiben stapels geringfügig um die Achse herum gegeneinander verdreht.The disks 17 are all identical to one another. A large number of such disks is inserted into the mold cavity 21 of the negative mold 20 shown in FIG. 3. The mold cavity 21 is shaped according to the contour of the rotor to be manufactured. In the present case, it is the female rotor of a screw compressor, in which the vanes 19 extend helically around the rotor axis. The rotor has a constant cross-sectional shape over its length, but the rotor cross-section is helically wound. Each of the disks 17 fills the cross section of the mold cavity 21 . In the mold cavity 21 , the disks 17 are inserted one above the other so that they form a stack of disks. Because of the tortuous circumferential contour of the mold cavity 21 , two adjacent disks 17 of the disk stack are slightly rotated against each other around the axis.

Nachdem die gesamte Länge des Formhohlraums 21 mit Scheiben gefüllt ist, wird eine Rotorwelle 22 in die Negativform 20 eingebracht. Diese Rotorwelle 22 besteht aus Metall und sie erstreckt sich durch die Öffnungen 18 sämtlicher Scheiben 17. Ein kegelstumpfförmiger Wellenstumpf 23 der Rotorwelle wird von einer kegel förmigen Aufnahme 24 der Negativform 20 aufgenommen.After the entire length of the mold cavity 21 is filled with disks, a rotor shaft 22 is introduced into the negative mold 20 . This rotor shaft 22 is made of metal and it extends through the openings 18 of all the disks 17 . A frustoconical shaft end 23 of the rotor shaft is received by a conical receptacle 24 of the negative mold 20 .

Die Negativform 20 ist mit einer Heizvorrichtung 25 versehen, um die im Stapel befindlichen Scheiben 17 aufzuheizen. Das untere Ende des Formhohlraums 21 ist durch die Bodenfläche 26 begrenzt, die eine Anlage fläche für den Scheibenstapel bildet. Das obere Ende des Formhohlraums 21 ist offen. In dieses Ende ragt ein Druckstück 28 hinein, das gleitend auf der Rotorwelle 22 angeordnet ist und ebenfalls erwärmt wird. Das Druckstück 28 hat die Form der herzustellenden Ver zahnung des Rotors, so daß es sich in den Formhohlraum 21 eindrehen kann. Auf das Druckstück 28 wirkt über ein Axiallager 29 ein Stempel 30, mit dem ein axialer Druck ausgeübt werden kann. Unter dem Einfluß der Druckkraft des Stempels 30 preßt das Druckstück 28 die Scheiben 17 zusammen, wobei das Druckstück 28 in den Formhohlraum 21 hinein nachrücken kann.The negative mold 20 is provided with a heating device 25 in order to heat up the disks 17 located in the stack. The lower end of the mold cavity 21 is delimited by the bottom surface 26 , which forms an abutment surface for the stack of disks. The upper end of the mold cavity 21 is open. A pressure piece 28 projects into this end, which is slidably arranged on the rotor shaft 22 and is also heated. The pressure piece 28 has the shape of the toothing of the rotor to be produced, so that it can turn into the mold cavity 21 . A plunger 30 , with which axial pressure can be exerted, acts on the pressure piece 28 via an axial bearing 29 . Under the influence of the pressing force of the punch 30, the pressure piece 28 compresses the discs 17, wherein the thrust piece can move up into the mold cavity 21 in the 28th

Durch die in der Negativform herrschende Temperatur von etwa 330°C und den hohen Druck des Stempels 30 er weicht die Kunststoffmatrix der Platten 17, so daß die Platten untereinander verschweißt und fest verbunden werden. Der thermoplastische Kunststoff füllt dabei sämtliche Hohlräume aus und er bildet insbesondere eine kontinuierliche und glatte Oberflächenschicht, die ganzflächig eng an der Wand des Formhohlraums 21 anliegt.Due to the prevailing temperature in the negative mold of about 330 ° C and the high pressure of the stamp 30, he gives way to the plastic matrix of the plates 17 , so that the plates are welded together and firmly connected. The thermoplastic material fills all cavities and, in particular, it forms a continuous and smooth surface layer, which lies closely over the entire surface against the wall of the mold cavity 21 .

Das Härten des Kunststoffs er folgt anschließend durch Abkühlung der Negativform, während der vom Stempel 30 ausgeübte Druck fortgesetzt wird. Dadurch werden Materialschwindungen während des Abkühlens weitgehend vermieden.The hardening of the plastic then takes place by cooling the negative mold, while the pressure exerted by the stamp 30 is continued. This largely avoids material shrinkage during cooling.

Schließlich wird der aus den Scheiben 17 hergestellte Rotorkörper zusammen mit der aus Metall bestehenden Rotorwelle 22 aus der Negativform entnommen. Der Rotor körper haftet fest an der Rotorwelle 22. Zur Verbesse rung dieser Haftung kann die Rotorwelle 22 im Bereich des Rotorkörpers eine aufgerauhte Struktur haben, z. B. Längsnuten, in die die Kunststoffmatrix der Scheiben 17 hineingedrückt wird, so daß eine Verhakung zwischen Rotorkörper und Rotorwelle entsteht.Finally, the rotor body produced from the disks 17 is removed from the negative mold together with the rotor shaft 22 made of metal. The rotor body adheres firmly to the rotor shaft 22 . To improve this liability, the rotor shaft 22 may have a roughened structure in the area of the rotor body, e.g. B. longitudinal grooves into which the plastic matrix of the disks 17 is pressed, so that a hooking between the rotor body and the rotor shaft arises.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Rotors für Rotations kolbenmaschinen aus aufeinandergestellten, gegen einander verdrehten Scheiben (17), welche jeweils die Flügekontur der Querschnittsform des herzustel lenden Rotors aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß Scheiben (17) aus faserverstärktem Kunststoff in eine Negativpreßform (20) eingesetzt werden, die als Negativ des Rotors ausgebildet ist, daß der Scheibenstapel in der Negativpreßform (20) unter Wärmezufuhr axial verpreßt und dadurch zu einer einstückigen Struktur verbunden wird, die in der Negativpreßform (20) abgekühlt und ausgehärtet wird, wobei das Zusammenpressen des Scheibenstapels in der Negativpreßform (20) mit einem Druckstück (28) erfolgt, dessen Kontur derjenigen der herzu stellenden Verzahnung des Rotors entspricht und das drehbar abgestützt ist, um in den Formhohlraum hinein nachrücken zu können.1. A method for producing a rotor for rotary piston machines from stacked, mutually rotated disks ( 17 ), each having the wing contour of the cross-sectional shape of the rotor to be manufactured, characterized in that disks ( 17 ) made of fiber-reinforced plastic in a negative mold ( 20 ) are used, which is designed as a negative of the rotor, that the disk stack in the negative mold ( 20 ) is pressed axially with the addition of heat and is thereby connected to an integral structure, which is cooled and hardened in the negative mold ( 20 ), the compression of the disk stack takes place in the negative press mold ( 20 ) with a pressure piece ( 28 ), the contour of which corresponds to that of the toothing of the rotor to be produced and which is rotatably supported in order to be able to move into the mold cavity.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibenstapel über die Erweichungstempe ratur des Kunststoffs hinaus erwärmt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that that the stack of disks over the softening temp rature of the plastic is heated.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß während des Abkühlens der Preß druck beibehalten wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized ge indicates that during the cooling the press pressure is maintained.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (17) aus einem Plattenmaterial (15) herausgetrennt werden, das mit einer Verstärkungseinlage (12) hergestellt wird, deren Fasern in allen drei Raumrichtungen orien tiert sind.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the disks ( 17 ) are separated from a plate material ( 15 ) which is produced with a reinforcing insert ( 12 ), the fibers of which are oriented in all three spatial directions.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungseinlage (12) ein Wirrfaservlies benutzt wird.5. The method according to claim 4, characterized in that a random fiber fleece is used as the reinforcing insert ( 12 ).

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil der Fasern in der Scheibe (17) zu etwa 80% gewählt wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the volume fraction of the fibers in the disc ( 17 ) is chosen to be about 80%.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Plattenmaterial (15) auf einem Tisch (16) gehärtet wird und eine Stärke von 1 bis 2 mm aufweist.7. The method according to any one of claims 4 to 6, characterized in that the plate material ( 15 ) on a table ( 16 ) is hardened and has a thickness of 1 to 2 mm.