EP0290773A1 - Verfahren zum Herstellen von Profilteilen durch Schleifen und entsprechend hergestellte Turbomaschinenschaufel - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Ertfindung betrifft ein Schleifverfahren für Profilteile, insbesondere Turbinenschaufeln, entsprechend hergestellte Schaufeln sowie typische zugehörige Zwischenprodukte. Um die Zahl der Arbeitsgänge bei der Herstellung zu vereinfachen und eine wirtschaftliche Produktion zu ermöglichen, werden die Konturen von Fuß (2), Kopf (3) und konvexer Saugseite (4) einer Turbinenschaufel durch Tiefschleifen in einer Einspannung hergestellt. Ein für diese Bearbeitung geeigneter Rohling weist an seinen Enden Reststücke (8, 9) auf, welche zur Einspannung dienen und später abgeschnitten werden. Durch Rotation und Translation des Rohlings relativ zu einer schnell rotierenden Schleifscheibe wird die gesamte Schaufelkontur mit Ausnahme der Druckseite hergestellt. Um einen wirtschaftlichen Schleifvorgang zu gewährleisten, folgt beim Vorformen das Zerspanungsvolumen pro Zeiteinheit einer vorgebbaren Funktion, die ggf. auch konstant sein kann. Diese, eventuell orts- und/oder zeitabhängige Funktion des Zerspanungsvolumens pro Zeiteinheit berücksichtigt zur Vermeidung von thermischen Beanspruchungen der Oberflächenschicht die Wärmeabfuhr im Werkstück in der Umgebung der jeweiligen Schleifstelle. Beim Fertigschleifen in der gleichen Einspannung wird schließlich die endgültige Kontur und Oberflächenbeschaffenheit erreicht.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Profilteiles aus einem Rohling gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine entsprechend hergestellte Turbomaschinen­schaufel und ein zugehöriges Zwischenprodukt.
• Die Herstellung von Profilteilen, z. B. Turbomaschinenschaufeln, insbesondere relativ kleinen Schaufeln, erfordert wegen deren komplizierter Form oft einen großen Bearbeitungsaufwand. Die bisher angewandten Methoden der zerspanenden Bearbeitung er­fordern viele Arbeitsgänge mit unterschiedlichen Einspannungen und Bearbeitungswerkzeugen.
• Zwar ist es auch bekannt, bei der zerspanenden Bearbeitung Schleifmaschinen einzusetzen, jedoch wurde dies für die Vor­formung von komplizierterer Profilteile, bei denen das herzu­stellende Querschnittsprofil sich erheblich vom Querschnitt­sprofil des Rohlings unterscheidet, bisher nicht in Betracht gezogen. Bei bekannten Schleifverfahren werden im allgemeinen lediglich ebene oder einfach geformte, z. B. runde Flächen be­arbeitet, wobei eine konstante Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück und Schleifscheibe eingehalten wird.
• Aus dem Artikel "Schleifen von Rohteilen mit geregeltem Zeit­spanvolumen", VDI-Z Bd. 128 (1986) Nr.23/24 Dezember (I/II), S. 935 bis 939, sind Regelungsmöglichkeiten beim Fertigschlei­fen von Rohteilen bekannt, jedoch handelt auch dieser Artikel nur von einfachen, beispielsweise runden Profilteilen und be­trifft nur das Schruppen und Schlichten als letzten Fertigungs­schritt. Die Problematik, die sich beim Vorformen von Profil­teilen aus einem Rohling ergibt, bei denen an manchen Bereichen des Querschnittes viel Material abgetragen werden muß und an manchen wenig, wie dies z. B. bei Turbomaschinenschaufeln der Fall ist, wird nicht angesprochen.
• Aus der DE-A-22 43 863 ist eine Schleifvorrichtung zum Bear­beiten von Schaufeln von Strömungsmaschinen bekannt, jedoch beschäftigt sich diese Schrift nicht mit dem Vorformen eines Profils aus einem Rohling, sondern lediglich mit der abschlie­ßenden Feinbearbeitung. Überhaupt ist es für Turbinenschaufeln durchaus bekannt, bei der Endbearbeitung und auch bei einzelnen Abschnitten Schleifverfahren einzusetzen. Aus der Zeitschrift "Werkstatt und Betrieb", 118 (1985) 3, München, Deutschland, S. 149 ff. sind bereits einige Probleme, die sich beim Voll­schnitt- bzw. Tiefschleifverfahren ergeben, bekannt. Hier wer­den auch die Probleme der Wärmeeinbringung in das Werkstück er­wähnt. Allerdings beschäftigt sich diese Schrift nicht mit dem Vorformen des eigentlichen Schaufelprofils, sondern lediglich mit der Bearbeitung der Schaufelenden und der abschließenden Feinbearbeitung. Die Probleme des Abtrages von ganz unterschied­lichen Differenzen zwischen Ausgangs- und Endprofil werden nicht angesprochen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, welches eine möglichst wirtschaftliche Herstellung von Profilteilen ermöglicht, deren Querschnittsprofil sich zu­mindest in Teilbereichen erheblich vom Querschnittsprofil des zugehörigen Rohlings unterscheidet. Insbesondere betrifft die Erfindung eine nach diesem Verfahren hergestellte Turbomaschi­nenschaufel, sowie ein typisches zugehöriges Zwischenprodukt.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den kennzeich­nenden Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.
• Als typisches Anwendungsbeispiel ist eine Turbomaschinenschaufel anzusehen, wie sie als entsprechend hergestelltes Produkt in den Ansprüchen 5 und 6 beschrieben ist.
• Dabei tritt bei der erfindungsgemäßen Herstellung ferner ein ganz spezifisches Zwischenprodukt auf, welches mit seinen ein­zelnen Ausgestaltungen in den Ansprüchen 7 bis 10 erläutert wird.
• Ein speziell zur Herstellung von kleinen Turbomaschinenschau­feln geeignetes Verfahren wird weiterhin im Anspruch 11 ange­geben.
• Zum prinzipiellen Verständnis des Wesens der Erfindung ist es notwendig, die unterschiedlichen technischen Gegebenheiten beim Vorformen und Fertigschleifen zu betrachten. Ausschlaggebend für die technische Realisierbarkeit eines Schleifverfahrens sind da­bei auch wirtschaftliche Gesichtspunkte. Dies bedeutet, daß einerseits die Bearbeitungszeit nicht zu lang werden darf und andererseits der Verschleiß an Schleifscheiben in vernünftigen Grenzen bleiben muß. Außerdem darf die Qualität des herzustel­lenden Profilteiles nicht leiden. Während beim Fertigschleifen insgesamt nur noch geringe Volumina pro Zeiteinheit zerspant werden, wodurch sich kaum thermische Probleme ergeben, sind beim Vorformen große Volumina pro Zeiteinheit abzutragen, was wegen des damit verbundenen hohen Wärmeeintrages in das Werkstück und die Schleifscheibe nicht ganz unproblematisch ist. Bei komplizierten Profilteilen, wie z. B. Turbomaschinen­schaufeln, gibt es Bereiche, bei denen sehr viel Material ab­getragen werden muß und auch Bereiche mit nur einem geringen Materialabtrag. Dies macht eine besondere Regelung der Vor­schübe von Rotation und Translation notwendig, wie dies in den Ansprüchen 2, 3 bzw. 4 beschrieben wird. Die Rotationen und Translationen des Rohlings relativ zur Schleifscheibe sind zu­nächst durch das herzustellende Profil im wesentlichen festge­legt. Nur die Geschwindigkeit dieser Bewegungen, im allgemeinen Vorschubgeschwindigkeit genannt, ist frei wählbar. Für ein wirtschaftliches Verfahren muß im allgemeinen diese Vorschub­geschwindigkeit möglichst groß gewählt werden. Hier sind je­doch u. a. durch den Wärmeeintrag in das Werkstück Grenzen ge­setzt. In Abhängigkeit von der herzustellenden Kontur wird der Vorschub daher gerade so gesteuert oder geregelt, daß das Zer­spanungsvolumen pro Zeiteinheit einer vorgebbaren Funktion folgt, vorzugsweise ungefähr konstant bleibt. D. h., daß die Rotation und Translation jeweils verlangsamt werden, wenn sehr viel Material an der gerade bearbeiteten Stelle abzutragen ist. Um einerseits in unkritischen Bereichen schnell schleifen zu können, andererseits aber schädliche Gefügeänderungen an der Oberfläche der endgültig herzustellenden Kontur zu vermeiden, kann auch in zwei oder mehreren Schritten vorgegangen werden, wobei zunächst mit einem großen Zerspanungsvolumen pro Zeitein­heit und bei Annäherung an die endgültig herzustellende Kontur oder in kritischen Bereichen mit einem geringeren Zerspanungs­volumen pro Zeiteinheit gearbeitet wird. Auf diese Weise kann der schädliche Wärmeeintrag in das Werkstück beim Vorschleifen auf die Bereiche begrenzt werden, die beim Fertigschleifen schließlich noch abgetragen werden.
• Gemäß Anspruch 4 kann bei der Festlegung einer optimalen Funk­tion, der das Zerspanungsvolumen pro Zeiteinheit folgen soll, die gesamte Konstellation von Rohling, herzustellendem Profil und erreichtem Bearbeitungszustand berücksichtigt werden. Entscheidend für die Erwärmung des Werkstückes beim Schleifen ist die Wärmeabfuhr von der Schleifstelle aus. Ein Teil des erwärmten Materials wird beispielsweise direkt anschließend ab­getragen, so daß dieser Wärmeeintrag unkritisch ist. Außerdem sind die Maße des Werkstückes, seine Wärmekapazität und Wär­meleitfähigkeit zu berücksichtigen (kurz: Wärmeabfuhr in der Umgebung der Schleifstelle). Es gilt generell, daß das Zer­spanungsvolumen pro Zeiteinheit um so kleiner sein sollte, je schlechter die Wärmeabfuhr an der Schleifstelle ist. Z. B. in sehr dünnen Bereichen des Werkstückes muß daher das Zer­spanungsvolumen pro Zeiteinheit u. U. reduziert werden.
• Eine Turbinenschaufel mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 5 ist besonders wirtschaftlich herstellbar. Durch Schleifen aller nicht konkaven Konturen der Schaufel in nur einer Einspannung können viele Arbeitsschritte der bisher be­kannten Bearbeitungsgänge eingespart werden. Eine Fertigung mit sehr geringen Toleranzen ist möglich, da Ungenauigkeiten durch wechselnde Einspannung des Werkstückes entfallen. Auch kann eine erhebliche Zeitersparnis bei der Herstellung erreicht werden, da die Zwischenlagerung ganzer Chargen von teilweise fertiggestellten Schaufeln bis zur Umrüstung einer Maschine auf neue Bearbeitungswerkzeuge praktisch völlig entfällt.
• Ein bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Her­stellung von Turbomaschinenschaufeln entstehendes typisches Zwischenprodukt ist mit seiner Form und seinen Größenverhält­nissen zur Erläuterung in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigen
• Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Zwischenproduktes,
• Fig. 2 eine Seitenansicht und
• Fig. 3 einen Querschnitt durch das Zwischenprodukt entlang der Linie III-III.
• Das Zwischenprodukt weist eine Gesamtlänge f auf, welche grö­ßer ist als die Länge a der herzustellenden Schaufel. Die Schaufel selbst besteht aus einem Schaufelfuß 2 mit Stegen 2.1 und Nuten 2.2; dabei kommen alle nach dem Stand der Tech­nik bekannten Fußformen in Betracht. Ferner weist die Schaufel einen Kopf auf, welcher einen parallelogrammförmigen Quer­schnitt hat und beim späteren Einbau zusammen mit anderen Schau­felköpfen ein geschlossenes Deckband bildet. Die eigentliche Schaufelkontur weist eine gerundete Anströmseite 6, eine spitze Abströmseite 7 und eine konvexe Saugseite 4 auf. Die später konkave Druckseite 5 ist bei dem dargestellten Zwischenprodukt noch nicht fertig hergestellt, sondern nur plan geschliffen. Die Kontur des Schaufelfußes 2 ist um die Länge b verlängert, ebenso ist die Kontur des Schaufelkopfes 3 um die Länge c ver­längert. Im Bereich dieser Verlängerungen b, c kann später eine Schneidvorrichtung definiert angesetzt werden. Ferner weist das Zwischenprodukt zwei Reststücke 8, 9 an den beiden Enden auf, welche die nicht notwendigerweise gleichen Längen c bzw. e haben. Diese Reststücke dienen zur festen Einspannung des Rohlings bzw. Zwischenproduktes während des gesamten Schleif­vorganges.
• Es sei noch darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Ver­fahren naturgemäß auf Profile beschränkt ist, die weniger konkav sind als es der Form der kleinsten verwendeten Schleif­scheiben im Neuzustand entspricht.
• Die vorliegende Erfindung ermöglicht z. B. eine wirtschaft­liche, präzise Herstellung von Schaufeln für Turbomaschinen, wobei durch Einsparung vieler verschiedener Arbeitsgänge ein sehr schneller Fertigungsdurchlauf möglich ist. Die Fertigungs­planung wird vereinfacht, da Zwischenlagerungen entfallen; die Herstellungszeit für einen ganzen Satz Schaufeln kann deutlich verkürzt werden.

Claims (11)

1. Verfahren zum Herstellen eines Profilteiles (1) aus einem Rohling, wobei sich das Querschnittsprofil des herzustellen­den Teiles zumindest in Teilbereichen quantitativ und quali­tativ vom Querschnittsprofil des Rohlings unterscheidet, so daß unterschiedliche Differenzen zwischen Ausgangs- und Endprofil abzutragen sind, gekennzeichnet durch fol­gende Merkmale:

a) Das herzustellende Teil wird in einer Aufspannung mit min­destens einer Schleifscheibe, die vorzugsweise kontinuier­lich abgerichtet wird, vorgeformt und fertiggeschliffen.

b) Beim Vorformen wird dem Rohling durch Translation und Ro­tation relativ zu der oder den, ggf. profilierten Schleif­scheibe(n) annähernd das gewünschte Profil gegeben, wobei die örtlichen Schleiftiefen vorzugsweise annähernd gleich den abzutragenden Differenzen gewählt werden.

c) Das Fertigschleifen erfolgt in an sich bekannter Weise voll­ständig oder abschnittsweise nach dem Vorformen und dient der Glättung der Oberflächen und der maßgenauen Herstellung des Endprofils.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß beim Vorformen die Vorschübe der für die Herstellung des gewünschten Profils nötigen Rotationen und Translationen des Rohlings relativ zur Schleifscheibe in Ab­hängigkeit von den abzutragenden Differenzen so geregelt oder gesteuert werden, daß das Zerspanungsvolumen pro Zeiteinheit einer vorgebbaren, ggf. ortsabhängigen und/oder zeitabhängi­gen Funktion folgt, insbesondere zumindest in Teilbereichen konstant bleibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß beim Vorformen einem ersten Ar­beitsschritt mit großem Zerspanungsvolumen pro Zeiteinheit bei Annäherung an die endgültig herzustellende Kontur min­denstens noch ein Arbeitsschritt mit geringerem Zerspanungsvo­lumen pro Zeiteinheit folgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß beim Vorformen das Zerspanungs­volumen pro Zeiteinheit in Abhängigkeit von der Wärmeabfuhr im Werkstück in der Umgebung der jeweiligen Schleifstelle gesteuert oder geregelt wird.

5. Turbomaschinenschaufel mit einer konvexen Saugseite (4), einer konkaven Druckseite (5), einem als Halterung ausgebil­deten Fuß (2) mit Stegen (2.1) und/oder Nuten (2.2) und einem Kopf (3), der zusammen mit Nachbarschaufeln zu einem geschlos­senen Deckband zusammenfügbar ist, dadurch ge­kennzeichnet, daß zumindest die Konturen von Fuß (2), Kopf (3) und der konvexen Saugseite (4) durch Tiefschlei­fen in einer Einspannung hergestellt sind, und zwar durch Schleifen vorgeformt und fertiggeschliffen.

6. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 5, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Schaufel im Bereich der Saug­seite (4) und deren Anström- (6) bzw. Abström-Kanten (7) keine starken Gefügeänderungen gegenüber dem Grundmaterial aufweist, jedenfalls keine stärkeren als bei üblichen Bearbeitungs­verfahren.

7. Zwischenprodukt (1) für eine Turbomaschinenschaufel, insbe­sondere nach einem Verfahren hergestellt gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Das Zwischenprodukt (1) besteht aus einem langgestreckten Metallblock, vorzugsweise mit etwa rechteckigem oder pa­rallelogrammförmigem Querschnitt, dessen Länge (f) 5 bis 30 %, vorzugsweise etwa 20 % größer als die Länge (a) der herzustellenden Schaufel ist.

b) Die Saugseitenkontur, die Fußkontur und die Kopfkontur der Schaufel sind ganz oder teilweise in den Metallblock hineingeschliffen, wobei sowohl an der Fuß- wie an der Kopf­seite Reststücke (7, 8) mit dem ursprünglichen Querschnitt des Stahlblockes überstehen.

c) Die Längenmaße der Fußkontur und der Kopfkontur überschrei­ten geringfügig die tatsächlich herzustellenden Maße, vor­zugsweise um mindestens die Schnittbreite einer Säge- oder Schneideinrichtung.

8. Zwischenprodukt nach Anspruch 7, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Überstand (d, e) der Rest­stücke (8, 9) an der Fuß- bzw. Kopfseite mindestens 2 mm be­trägt.

9. Zwischenprodukt nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Übermaß (b, c) der Fuß-­bzw. Kopfkontur zwischen 0,5 und 4 mm, vorzugsweise etwa 3 mm beträgt.

10. Zwischenprodukt nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckseite (5) der Schau­fel zumindest bis zur Verbindungsebene zwischen Anström- und Abströmkante vorgeschliffen ist.

11. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4 zur Herstellung eines Zwischenproduktes gemäß Anspruch 7, 8, 9 oder 10, gekenn­zeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Ein langgestreckter Metallblock mit vorzugsweise etwa rechteckigem oder prallelogrammförmigem Querschnitt wird an seinen beiden Enden eingespannt.

b) Durch Rotation um die Längsachse des Metallblockes, und Translation relativ zu einer schnell rotierenden Schleif­scheibe werden die Konturen von Saugseite (4), Schaufelfuß (2) und Schaufelkopf (3) in den Metallblock geschliffen, wobei durch Verkippen des Metallblockes um einen bestimmten Winkel auch eine radiale Verjüngung der Schaufel ohne Ände­rung der Einspannung hergestellt werden kann.

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