DE69000968T2

DE69000968T2 - Verfahren zur herstellung eines schaufelrades oder eines rotors mit einem oder mehreren schaufeln fuer eine turbinenpumpe mittels funkenbearbeitung und dessen erzeugnisse.

Info

Publication number: DE69000968T2
Application number: DE9090202808T
Authority: DE
Inventors: Dario Inserra; Marco Marzio; Paolo Pellizzari
Original assignee: Varian SpA
Current assignee: Varian SpA
Priority date: 1989-11-03
Filing date: 1990-10-20
Publication date: 1993-06-09
Anticipated expiration: 2010-10-21
Also published as: IT8967938A0; DE69000968D1; EP0426233B1; IT8967938A1; ATE85923T1; HK1000008A1; EP0426233A1; JPH03184726A; IT1238201B; US5188514A; JPH0755409B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, um mittels elektroerosiver Bearbeitungstechniken (EDM) ein Schaufelrad oder einen Rotor mit einem oder mehreren Schaufelrädern für eine Turbinenpumpe herzustellen, insbesondere für eine Turbomolekularpumpe, und bezieht sich auch auf das Schaufelrad oder den Rotor, die durch ein solches Verfahren erhalten werden.
Ein Rotor einer Turbomolekurarpumpe ist aus einer Reihe von Schaufelrädern aufgebaut, die mit einer Rotorwelle verkeilt sind. Jedes Schaufelrad weist eine Scheibe auf, die mit einer Gruppe radialer, umfänglicher Schaufeln versehen und dazu vorgesehen ist, im Betrieb mit einer Drehzahl von bis zu mehreren 10 000 Umdrehungen pro Minute zu rotieren. Die harten Betriebsbedingungen und die immer höheren Anforderungen, die an die Leistung von Turbomolekularpumpen gestellt werden, beispielsweise was die Verdichtung und die Pumpleistung anbelangt, verlangen, daß die Struktur jedes einzelnen Schaufelrades und des Rotors als Ganzes stabil und ausgewuchtet ist und daß die Form der Radschaufeln so beschaffen ist, daß die Pumpenleistung optimiert wird.
Die bekannten Verfahren zur Herstellung von Radschaufeln für Turbomolekularpumpen verlangen die gesonderte Herstellung der Schaufelräder und sodann deren Verkeilen mit der Rotorwelle.
Gemäß der britischen Patentanmeldung 2 171 942 wird jedes Schaufelrad gefertigt indem seine Schaufeln mittels einer Einrichtung gefräst werden, die die gleichzeitige Bearbeitung mehrerer Scheiben ermöglicht. Nichtsdestoweniger macht diese Bearbeitung aber verschiedene Schritte erforderlich und bringt für die Eigenschaften des Erzeugnisses Einschränkungen mit sich: beispielsweise kann der Spalt zwischen den Schaufeln nicht kleiner als bestimmte Werte sein, die durch die angewendeten Schneidverfahren bestimmt sind. Außerdem verbleibt das Problem bezüglich des Verkeilens der Schaufelräder mit der Welle ungelöst.
Eine andere bekannte Lösung besteht darin, die einzelnen Schaufeln des Schaufelrades mittels elektroerosiver Bearbeitungstechnik auszubilden. Die Anwendung dieser Technik verbessert einige Eigenschaften des Erzeugnisses, beispielsweise durch Verkleinerung des Spaltes zwischen den Schaufeln im Vergleich mit demjenigen eines Fräsverfahrens, jedoch ist das Herstellungsverfahren nichtsdestoweniger weiterhin zeitraubend und teuer, weil die Schaufeln eine nach der anderen gefertigt werden und die einzelnen Schaufelräder mit der Rotorwelle verkeilt werden müssen. Ein Beispiel dieser Herstellungstechnik, die nicht auf Rotoren für Turbomolekularpumpen angewendet wird, ist in der französischen Patentanmeldung 2 570 970 beschrieben.
DE-A-27 17 366 offenbart ein Schaufelrad mit geneigten Schaufeln für eine Turbomolekularpumpe, wobei die Schaufelbreite, ihre Dicke und Anzahl sich auf folgende Gleichung beziehen:
(a/tangα ) + (d/sin α) = 2π r/z
worin α der Winkel zwischen der Tangente zum Radius r jeder Schaufel und der Rotorebene ist. Diese Druckschrift beschreibt weder das Verfahren zur Herstellung des Schaufelrades noch sieht sie ein Schaufelrad vor, das mit der Welle einstückig ist.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Unzulänglichkeiten der bekannten Verfahren zur Herstellung von Rotoren für Turbomolekularpumpen zu überwinden oder zu verringern, indem ein Verfahren zur Verfügung gestellt wird, das sowohl schnell arbeitet als auch dazu geeignet ist, ein Schaufelrad oder einen Rotor herzustellen, der hochwertige Betriebseigenschaften aufweist.
Die obigen Ziele und Vorteile der Erfindung, die aus der folgenden Beschreibung ersichtlich werden, werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines Schaufelrades oder eines Rotors mit einer oder mehreren Schaufeln für eine Turbinenpumpe erreicht mit einem einleitenden Verfahrensschritt des Vorbereitens einer zumindest eine Scheibe entsprechend dem zu fertigenden Schaufelrad aufweisenden Werkstückes, das in einer Einrichtung für elektroerosive Bearbeitung in der Weise in Stellung gebracht wird, daß es als eine ihrer Elektroden wirkt dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Scheibe durch ein als die andere Elektrode wirkendes Werkzeug mit einer aus Rotation und Translation kombinierten Bewegung hindurchbewegt wird, wobei das genannte Werkzeug zumindest eine Platte aufweist, in der radiale Schlitze längs zumindest eines Umfangsbogens ausgebildet sind, und die genannten Schlitze in einen hohlen Bereich hinein offen sind, der innerhalb der genannten Platte definiert ist, so daß für jeden der genannten Schlitze in dem genannten Werkzeug eine Radschaufel erzeugt wird dank der genannten, aus Rotation und Translation kombinierten Bewegung der genannten Scheibe durch das genannte Werkzeug hindurch.
Ein weiteres Ziel der Erfindung beruht in einem Verfahren, um ein ganzes Schaufelrad mittels eines einzigen Arbeitsganges elektroerosiver Bearbeitung zu erhalten, wobei dieses Verfahren durch die Verwendung eines Werkzeuges gekennzeichnet ist, das mit radialen Schlitzen versehen ist, die längs einer vollständigen kreisrunden Krone angeordnet sind, die in ihrem Zentrum hohl ist.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung beruht in einem Verfahren, um unmittelbar einen Rotor zu erhalten, der eines oder mehrere Schaufelräder aus einer oder mehreren Scheiben aufweist, die bereits mit der Rotorwelle verbunden sind, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß die genannten Scheiben durch eines oder mehrere Werkzeuge hindurch bewegt werden, die mit radialen Schlitzen, wie bereits erläutert, versehen sind.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des letztgenannten Verfahrens erhält man, wenn die Welle und die Scheiben ein einstückiges Halbzeug ist, so daß der Schritt des Verkeilens der Schaufelräder mit der Welle in Wegfall kommt.
Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden zum Zwecke der Erläuterung, jedoch nicht einschränkend, nunmehr unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Draufsicht eines Werkzeuges ist, das beim erfindungsgemäßen Verfahren angewendet wird;
Fig. 2 eine schematisierte perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Schaufelrades ist, das durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten wurde;
Fig. 4 eine Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Werkzeuges ist, das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird;
Fig. 5 eine schematisierte perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist;
Fig. 6 und 7 schematische Seitenansichten zweier Anordnungen von Werkzeug und Werkstück bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens von Fig. 5 sind;
Fig. 8 und 9 eine Seitenansicht bzw. Draufsicht eines ersten Typs einer Radschaufel sind, die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten wurde;
Fig. 10 und 11 eine Seitenansicht bzw. Draufsicht eines zweiten Typs einer Radschaufel sind, die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten wurde, und
Fig. 12 und 13 eine Seitenansicht bzw. Draufsicht eines dritten Typs einer Radschaufel sind, die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten wurde.
Unter Bezug auf Fig. 1 und 2 wird ein Verfahren zur Verwirklichung eines Schaufelradrotors für Turbomolekularpumpen mittels Bearbeitung durch Elektroerosion schematisiert erläutert, wobei das Werkzeug mit 1 und das Werkstück mit 2 bezeichnet sind. Diese beiden Teile werden in einer Maschine für Elektroerosion in Stellung gebracht, die nicht dargestellt ist, da sie an sich bekannt ist. Das Werkzeug bildet die eine Elektrode und das Werkstück die andere. Das Werkzeug ist durch eine Platte 4 gebildet, in der sich eine Reihe von Schlutzen 5 in gleichmäßigen Abständen voneinander in radialer Richtung längs einer kreisrunden Krone erstreckt, wobei die Schlitze gegen das Zentrum hin zu einer Durchgangsöffnung 7 in der Platte offen sind. Das Werkstück 2 ist durch eine Metallscheibe gebildet, deren Größe derjenigen des gewünschten Schaufelrades entspricht und die entweder mit einer Welle 3 verkeilt oder mit der Welle selbst einstückig ausgebildet ist. Der Radius der Scheibe ist gleich der oder kleiner als die Summe aus dem Radius der Öffnung 7 und der Länge des Schlitzes 5. Die Welle 3 ist an einem Spannkopf angebracht, der unter numerischer Steuerung längs der drei kartesischen Achsen translatorisch beweglich und außerdem um die Z-Achse drehbar ist. Alternativ kann das Werkstück stillstehend gehalten und das Werkzeug 1 bewegt werden, wobei in jedem Falle eine kombinierte Relativbewegung aus Rotation und Translation zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug erhalten wird.
Durch Kombinieren der Bewegung des Werkstückes längs der Z-Achse mit einer Rotation desselben um einen Winkel α um diese Achse wird eine Schraubenbewegung erhalten, die das Werkstück durch das Werkzeug 1 hindurchbewegt. In Entsprechung zu den Schlitzen 5 erfolgt kein Abtragen der Scheibe 2, während die Teile der Scheibe, die den Bereichen 6 zugekehrt sind, die zwischen zwei benachbarten Schlitzen definiert sind, durch die elektroerosive Bearbeitung abgetragen werden. Jeder Schlitz 5 erzeugt daher eine Radschaufel. Das so erhaltene Laufrad ist in Fig. 3 schematisiert gezeigt. In Entsprechung zu der zentralen Öffnung 7 in der Platte 4 wird das Scheibenmaterial nicht abgetragen, so daß eine Scheibe 8 gebildet wird, von der sich die Schaufeln 9 radial nach auswärts erstrecken. Aufgrund der Rotations- und Translationsbewegung des Werkstückes 2 durch das Werkzeug 1 hindurch, werden die Schaufeln 9 verwunden ausgebildet. D.h. der Winkel, den Sie relativ zu der Scheibe 8 bilden, von der sie ausgehen, ändert sich, nach außen hin radial fortschreitend, progressiv, wie später unter Bezug auf Fig. 8 bis 13 besprochen wird. Durch ein solches Verfahren ist es möglich, Schaufeln zu erhalten, die im Vergleich zu solchen, die bekannten Herstellungsverfahren entsprechen, eine geringere Dicke besitzen.
Fig. 4 zeigt ein Werkzeug, das durch eine Platte 10 gebildet ist, in der radiale Schlitze 5' längs eines Halbkreises ausgeschnitten sind, eine halbkreisförmige Ausnehmung 12 umringend, die in einer Seite 13 der Platte 10 ausgebildet ist. Auf diese Weise ist das Werkzeug "offen" und dazu geeignet, das Verfahren in einer Situation auszuführen, bei der eine Mehrzahl von Scheiben 2 bereits auf der Welle verkeilt ist, oder bei einer gleichwertigen Situation, die nichtsdestoweniger für praktische Zwecke noch interessanter ist, nämlich wenn die Welle 3 und die Scheiben 2 integriert als ein einstückiges (monolytisches) Halbfertigprodukt ausgebildet sind, das beispielsweise durch Drehen oder Fräsen eines Metallzylinders erhalten worden ist.
Mit Bezug auf Fig. 5, 6 und 7 ist das Werkstück durch eine Welle 3 gebildet, die eine Reihe von Scheiben 2a, 2b, . . . 2n aufweist, und an einem Spannkopf der Maschine für Elektroerosion befestigt ist. Das Werkzeug weist eine Gruppe von Platten 10a, 10b,...10n auf, die gleich ausgebildet sind wie die Platte 10 von Fig. 4. Durch Verschieben des Werkstücks längs einer zu der Z-Achse senkrecht verlaufenden Achse werden die Scheiben 2a,...2n durch die Platten 10a,...10n hindurch eingeführt, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Fig. 5 zeigt lediglich eine dieser Platten im Interesse der leichteren Darstellung. Durch Bewirken einer Bewegung des Werkstückes, die aus Rotation und Translation kombiniert ist, tritt jede Scheibe 2 durch die entsprechende Platte 10 so hindurch, daß an jeder Scheibe eine Hälfte der Radschaufeln gebildet wird, d.h. sämtliche Schaufeln, die an einem halben Umfang der Scheibe vorgesehen sind. Diese Situation ist in Fig. 7 dargestellt, welche die so gebildeten Schaufeln 9 zeigt. Das Werkstück wird sodann entweder in der gleichen Drehrichtung wie der Winkel α um (180 - α)º oder in der entgegengesetzten Richtung um (180 + α)º gedreht und wird einer weiteren Rotation und Translation im Durchtritt durch die Werkzeuge unterzogen, indem das Werkstück wiederum längs der Z-Achse bewegt wird, jedoch in der entgegengesetzten Richtung. Es wird dadurch ein vollständiges Schaufelrad mit sämtlichen Schaufeln erhalten. Es ist ersichtlich, daß das obige Herstellungsverfahren die Anfertigung eines kompletten Rotors einer Turbinenpumpe mittels einer elektroerosiven Bearbeitung ermöglicht, die in nur zwei Schritten ausgeführt wird, wobei die in Fig. 4 bis 7 gezeigten "offenen" Werkzeuge benutzt werden. In einer vollständig äquivalenten Weise ist es möglich, den kompletten Rotor in einem einzigen Arbeitsschritt unter Verwendung "geschlossener" Werkzeuge der in Fig. 1 und 2 gezeigten Art herzustellen, vorausgesetzt, daß diese letzteren in zwei Teile zerteilt werden können, nachdem die Bearbeitung beendigt ist, um das fertiggestellte Werkzeug herauszuziehen, das mit seiner Welle 3 in den Öffnungen 7 der Platte 4 eingeschlossen ist. Dank dieses Verfahrens ist es möglich, Rotoren zu erhalten, die kleinere Spalte zwischen einem Schaufelrad und dem daran angrenzenden Schaufelrad aufweisen, und vor allem einstückige Rotoren, wodurch die Probleme der Verkeilung der Schaufelräder mit der Welle aus der Welt geschafft sind.
Die Fig. 8 und 9 sind eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht einer Schaufel 9, die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten wurde. In Fig. 8 bezeichnet die Bezugszahl 12 das Profil das radial innenliegenden Teils der Schaufel 9, der um einen Winkel β&sub1; relativ zur Horizontalen verdreht ist, während die Bezugszahl 13 das Profil bezeichnet, das die Schaufel in ihrem Umfangsbereich annimmt, der um einen Winkel β&sub2; relativ zur Horizontalen geneigt ist. Die Verwindung der Schaufel ist durch die Änderung dieses Profiles längs des Radius bewirkt.
Das obige konstruktive Merkmal der Schaufel, das dank der Kombination aus Rotations- und Translationsbewegungen des Werkstückes beim Durchtritt durch das Werkzeug erhalten wird, verleiht dem Schaufelrad vorteilhafte Eigenschaften, insbesondere bei Rotoren für Turbomolekularpumpen, weil es das Verdichtungsverhältnis sowie die Pumpgeschwindigkeit optimiert.
Durch geeignete Einstellung der Betriebsbedingung ist es außerdem möglich, Schaufeln zu erhalten, bei denen:
1) die Dicke sich von der Innenseite zum Umfang der Schaufel hin von s&sub1; bis s&sub2; ändert, wenn s&sub1; > s&sub2;, wobei der horizontale Querschnitt der Schaufel kontant bleibt, also b&sub1; = b&sub2; wie in Fig. 8 und 9 gezeigt.
2) die Dicke konstant ist, d.h. s&sub1; = s&sub2;, jedoch der horizontale Querschnitt zunimmt, also b&sub1; < b&sub2;, wie in Fig. 10 und 11 gezeigt;
3) sowohl die Dicke s als auch der horizontale Querschnitt linear mit dem Radius der Schaufel zunehmen, also s&sub1; < s&sub2; und b&sub1; < b&sub2;, wie in Fig. 12 und 13 gezeigt.
Zusätzliche Ausführungsbeispiele, die nicht dargestellt wurden, ermöglichen es, nach außen sich verjüngende Schaufeln zu erhalten, die an der Wurzel stark und am Umfang erleichtert sind. offenbart, die Erfindung ist aber selbstverständlich innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche vielfältig modifizierbar und veränderbar.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Schaufelrades oder eines Rotors mit einer oder mehreren Schaufeln für eine Turbinenpumpe, mit einem einleitenden Verfahrensschritt des Vorbereitens eines zumindest eine Scheibe (2) entsprechend dem zu fertigenden Schaufelrad aufweisenden Werkstückes, das in einer Einrichtung für elektroerosive Bearbeitung in der Weise in Stellung gebracht wird, daß es als eine ihrer Elektroden wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Scheibe (2) durch ein als die andere Elektrode wirkendes Werkzeug (1) mit einer aus Rotation und Translation kombinierten Bewegung hindurchbewegt wird, wobei das genannte Werkzeug zumindest eine Platte (4; 10) aufweist, in der radiale Schlitze (5; 5') längs zumindest eines Umfangsbogens ausgebildet sind, und die genannten Schlitze (5; 5') in einen hohlen Bereich (7; 12) hinein offen sind, der innerhalb der genannten Platte definiert ist, so daß für jeden der genannten Schlitze (5; 5') in dem genannten Werkzeug eine Radschaufel (9) erzeugt wird dank der genannten, aus Rotation und Translation kombinierten Bewegung der genannten Scheibe (2) durch das genannte Werkzeug (1) hindurch.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte hohle Bereich (7; 12) ein kreisrunder Bereich ist und daß der Radius der genannten Scheibe (2) kleiner als oder gleich groß wie die Summe aus dem Radius des genannten kreisrunden Bereichs und der Länge der genannten Schlitze (5) ist.

3. Verfahren nach den vorausgehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Werkzeug-Kathode (1) eine Platte aufweist, in der Schlitze (5) in gleichmäßigen Abständen längs einer kreisrunden Krone angeordnet sind, und daß der genannte hohle Bereich eine kreisrunde Öffnung (7) ist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Werkzeug eine Platte (10) aufweist, in der die genannten Schlitze (5') in gleichmäßigen Abständen längs eines Halbkreises angeordnet sind, und daß der genannte hohle Bereich eine halbkreisförmige Ausnehmung (12) ist, die an einer Seite (13) der Platte ausgebildet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Werkstück eine Welle (3) , die eine Mehrzahl fest angebrachter Scheiben (2a,... 2n) trägt, und das genannte Werkzeug eine Mehrzahl von Plattten (10a,...10n) aufweisen, daß jede der genannten Scheiben (2a,...2n) im Betrieb zwischen zwei benachbarte, genannte Platten (10a,...10n) eingeführt wird, daß die genannten Scheiben (2a,...2n) gegen die genannten Platten hin mit einer aus Rotation und Translation kombinierten Bewegung bewegt werden, um eine erste Hälfte der genannten Radschaufeln (9) zu erhalten, und daß dann das genannte Werkstück in solcher Weise, daß der unbearbeitete Teil der genannten Scheiben (2a,...2n) dem Werkzeug ausgesetzt wird, gedreht und wiederum gegen die genannten Platten (10a,...10n) hin mit einer aus Rotation und Translation kombinierten Bewegung längs der gleichen Bahn bewegt wird, jedoch in Rückwärtsrichtung.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte, durch Elektroerosion zu bearbeitende Werkstück ein einstückiges Halbzeug ist.

7. Rotor für eine Turbinenpumpe, der durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelräder mit der genannten Welle einstückig sind.

8. Rotor für eine Turbinenpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Schaufelräder eine Reihe verwundener Radschaufeln (9) aufweisen.

9. Rotor für eine Turbinenpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede der genannten Radschaufeln (9) einen konstanten Querschnitt in einer horizontalen Ebene und eine Dicke (s) aufweist, die sich in Abhängigkeit vom Radius ändert.

10. Rotor für eine Turbinenpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede der genannten Radschaufeln (9) eine konstante Dicke (s) und einen Querschnitt in einer horizontalen Ebene besitzt, der sich in Abhängigkeit vom Radius ändert.

11. Rotor für eine Turbinenpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Dicke (s) als auch der Querschnitt in einer horizontalen Ebene sich bei jeder der genannten Radschaufeln (9) in Abhängigkeit vom Radius ändern.