EP2349625A1 - Herstellungsverfahren für geschlossene laufräder - Google Patents
Herstellungsverfahren für geschlossene laufräderInfo
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- EP2349625A1 EP2349625A1 EP09756271A EP09756271A EP2349625A1 EP 2349625 A1 EP2349625 A1 EP 2349625A1 EP 09756271 A EP09756271 A EP 09756271A EP 09756271 A EP09756271 A EP 09756271A EP 2349625 A1 EP2349625 A1 EP 2349625A1
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Definitions
- the invention relates to a manufacturing method for closed wheels according to the preamble of claim 1 and a closed impeller made with such a method.
- Closed impellers are used in turbomachinery such as pumps or turbines to transfer energy to a fluid such as gas, vapor, or liquid, or vice versa, energy from a fluid to the impeller.
- a closed impeller for this purpose contains one or more blades, between a front and a rear cover plate, as a top plate and bottom plate or cover and
- Floor are arranged, are arranged, wherein the rear cover plate and / or the blades are normally connected to a hub which may be designed to receive a shaft. Blade channels are formed between the blades, which are closed as a result of the arrangement of the blades between the front and rear cover plate.
- closed wheels have a long tradition.
- molds with cores are used, which define the shape of the blade channels.
- Closed wheels, which are produced by casting have the disadvantage that faulty points in the interior of the impeller can hardly be repaired, and that in particular in comparatively thin blades or thin-walled cover the quality control is critical.
- the limited accuracy of the cast wheels and the roughness of the cast surfaces a problem depending on the application.
- the shape of the blade channels is machined out of a blank, which is usually made of solid material.
- the outer shape of the impeller can be machined.
- the machining has proven to be particularly useful if the material of the impeller is easy to machine and the geometry is comparatively simple, so that all areas to be machined in the impeller can be easily achieved with a cutting tool.
- impellers are therefore made of solid material using high strength steels, stainless steels, superalloys, and other suitable materials.
- a disadvantage is that some of these materials make special demands on the machining due to their toughness and / or hardness.
- the geometry of the impeller to be produced can give rise to difficulties in machining.
- a close staggering of the blades at the inlet of the impeller and / or a strong curvature of the blades may, for example, lead to the geometry that the entire blade can not be machined, or only part of the blade channel can be machined, and that The blades remain areas that are usually wedge-shaped and protrude into the blade channel.
- a comparatively strong curvature of the front cover plate can lead to the geometry of the entire cover surface of the blade channel can not be machined, and remain on the top surface areas that are usually wedge-shaped and project into the blade channel.
- One known solution to the machining problems encountered with machined closed impellers is to make the impeller from multiple prefabricated parts which are joined together by welding. For example, first the hub, the rear cover plate and the blades can be milled from the solid one piece and then the separately prepared front cover plate are welded to the blades. It is also possible, for example, to mill the hub, the rear cover disk and the outer part of the front cover disk as well as the blades in one piece from the solid and then to weld the separately produced inner part of the front cover disk to the blades.
- the object of the present invention is to provide a manufacturing method, by means of which closed wheels can be made in one piece, and which allows the production of comparatively complicated geometries, their production not possible with machining methods of the prior art or comparatively less economical is.
- Another object of the present invention is to provide a closed impeller made by such a manufacturing method.
- openings for the blade channels are created in a blank by means of a program-controlled cutting device in a blank.
- Manufacturing processes are additionally introduced in a further step electrodes of a device for EDM or electrochemical ablation in the openings and made part of the predetermined shape of the blade channels by spark erosion or by electrochemical machining.
- the machined openings for the blade channels may be a raw form of the blade channels, and / or the machined openings for the blade channels may be continuous.
- a part of the predetermined shape of the blade channels is produced by machining.
- the largest part, in particular at least 75% or at least 90%, of the predetermined shape of the blade channels is produced by machining.
- the machining production of part or most of the predetermined shape of the blade channels can, for example, take place before the spark erosion, so that the part of the predetermined shape to be eroded is kept small or reduced to a minimum.
- the impeller comprises a front cover plate and a rear cover plate, wherein the blade channels and / or the blades and / or one or both cover plates may have a curvature.
- a machining method in which in each case curved guide surfaces for the machining by means of a cutting tool are provided in the openings to be created for the blade channels and / or in the blade channels to be created, the thus to the shape and spatial position the blade channels are adapted so that the cutting tool is not brought into contact with a blade channels limiting edge surface in the Zerspan process the cutting tool each guided along a guide surface and machined by the respective guide surface machining area is machined to an opening and / or to create parts of a blade channel, wherein the Cutting tool has a guide axis and is guided in relation to the guide axis at a constant guide angle along the respective guide surface.
- the guide surfaces do not become an edge surface and / or an end surface
- Parallel surface and / or offset surface arranged. Further, if necessary, a tool coordinate and / or a tool vector of the cutting tool can be adapted to the guide surface.
- a tool coordinate and / or a tool vector of the cutting tool can be adapted to the guide surface.
- at least two guide surfaces of an opening and / or a blade channel are not parallel.
- the guide angle is not changed during the production of an opening and / or a part of a blade channel.
- the guide angle is varied during the production of an opening and / or a part of a blade channel during a change from one guide surface to the next guide surface according to a predetermined scheme.
- the change of the cutting tool from a guide surface to a next guide surface is carried out discontinuously and / or to change from a guide surface to a next guide surface a bore in the region of the two
- Guide surfaces or provided in the region of all guide surfaces of an opening and / or a portion of a blade channel can also be carried out continuously, for example helically in the form of a helix.
- the guide angle is usually set to a value between 70 ° and 120 ° or between 85 ° and 95 ° or between 88 ° and 92 ° and advantageously to a value of substantially 90 °.
- the invention comprises a closed impeller manufactured by means of a manufacturing method according to one of the above-described embodiments and variants.
- the inventive manufacturing method has the advantage that thus closed wheels can be made in one piece, the blade channels can not be generated purely machined due to the geometry and / or their production would be uneconomical in purely machining the blade channels. Thanks to the fact that a part and usually the largest part of the blade channel shape can be machined and only a smaller part is produced by means of spark erosion, a cost optimization is possible.
- FIG. 2 shows the impeller according to FIG. 1 with a cutting tool inserted into a blade channel, the front cover disk being omitted in order to make the blades visible, FIG.
- FIG. 3A is a detailed view of a variant of the impeller according to FIG. 3 with a blade on which, on one side after the machining a wedge-shaped area has stopped
- FIGS. 3 and 3A shows a detailed view of a variant embodiment of the impeller according to FIGS. 3 and 3A with a blade channel, on the front cover surface of which after the cutting
- Fig. 5A shows the embodiment according to Fig. 3B seen from the front of the impeller, wherein the front cover plate is omitted in the drawing to make the blades visible,
- FIG. 5B the embodiment of FIG. 3B seen obliquely from the outside, wherein the front cover plate is omitted in the drawing to make the blades visible, and
- FIG. 6 shows a section of an impeller during machining by means of a machining process according to a further exemplary embodiment of the production method according to the invention.
- Fig. 1 shows a closed impeller, in the production of which in one piece with purely machining machining of the blade channels difficulties may occur.
- the impeller 1 may include one or more blades 2.1, 2.2 disposed between a front shroud 5 and a rear shroud 6, the rear shroud and / or vanes normally being connected to a hub 4 adapted to receive a shaft can be.
- Between the blades 2.1, 2.2 are a or a plurality of blade channels 3.1, 3.2 are formed, which have a predetermined shape, and which are closed due to the arrangement of the blades between the front and rear cover plate.
- Fig. 2 shows the above-described impeller according to Fig. 1 with a cutting tool 10 inserted into a blade channel 3.1 with the front cover disc omitted in the drawing to make the blades visible in full length.
- the impellers shown in Figures 1 and 2 are the same regardless of the different representation. Due to the length of the blades, a comparatively long cutting tool is required for the machining of the blade channels 3.2, 3.2 of the impeller shown, for example, as shown in Fig. 2, a cutting tool with a long shaft.
- the curvature and staggering of the blades 2.1, 2.2 of the impeller shown is such that a purely chip-generating production of the blade channels still seems almost possible.
- Fig. 3 shows an embodiment of a closed impeller, which was manufactured by a manufacturing method according to the present invention.
- the impeller 1 may include one or more blades 2, 2a arranged between a front cover disk 5 and a rear cover disk 6. Between the blades 2, 2a are one or more
- Blade channels 3 are formed, which have a predetermined shape, and which are closed due to the arrangement of the blades between the front and rear cover plate.
- the individual blades may have different lengths, for example, by, as shown in Fig. 3, blades 2 a shortened in length between blades 2, also called “splinter vanes", are arranged.
- the impeller comprises a front cover plate and a rear cover plate, wherein the Blade channels 3 and / or the blades 2, 2a and / or one or both cover plates 5, 6 may have a curvature.
- openings for the blade channels 3 are produced in a blank by means of a program-controlled cutting device by milling the openings, for example, in a known manner with a multi-axis CNC milling machine.
- the machined openings for the blade channels may be a raw form of the blade channels, and / or the machined openings for the blade channels may be continuous.
- part or most of the predetermined shape of the blade channels for example at least 75% or at least 90%, is produced by machining.
- FIG. 3A shows a detailed view of a variant of the embodiment of the impeller according to FIG. 3 with a blade 2 on which a wedge-shaped region 8, which projects into the blade channel 3, has remained on one side after the machining.
- Such wedge-shaped areas can arise, for example, if due to the curvature and / or staggering of the blades 2, 2 a, a purely chip-removing production of the
- Blade channels 3 is not possible or not economical.
- Fig. 3B shows a detailed view of a variant of the embodiment of the impeller according to FIG. 3 with a blade channel 3, on whose front cover surface after the machining, a wedge-shaped region 9 has additionally stopped, which protrudes into the blade channel 3.
- Such wedge-shaped regions 9 may arise, for example, if due to the curvature of the front cover plate a purely machined production of the blade channels 3 is not possible or not economical.
- FIGS. 4A-4C show the wedge-shaped regions 8, 9 from the exemplary embodiment according to FIG. 3B during processing by means of a spark erosion electrode 11 according to an exemplary embodiment of the production method according to the invention.
- the spark erosion electrode 11 is inserted into the blade channel 3.
- Fig. 4B shows the spark erosion electrode 11 in processing the wedge-shaped portion 8 formed on the blade 2, and in Fig. 4C, the spark erosion electrode 11 abuts against the blade 2 and front deck surface of the blade channel 3 with portions of the wedge-shaped ones Areas 8, 9 are already wegerodiert.
- Fig. 5A shows the embodiment according to Fig. 3B seen from the front of the impeller, wherein the front cover plate has been omitted in the drawing to make the blades visible.
- the impeller shown includes a plurality of blades 2.1, 2.2, 2.1 a, 2.2 a, which are arranged between a front cover plate and a rear cover plate.
- Blade channels 3 are formed between the blades, which have a predetermined shape and which are closed as a result of the arrangement of the blades between the front and rear cover disk.
- the individual blades may be of different lengths, for example by having blades shortened 2.1a, 2.2a, also called “splinter vanes", between the blades of full length, as shown in Figure 5A, on the blade 2.1 and on the front
- the top surface of the blade channel 3 after cutting has stopped in each case a wedge-shaped region 8, 9, both of which project into the blade channel 3.
- Fig. 5A additionally shows a spark erosion electrode 11 which is inserted into the blade channel 3 for processing the wedge-shaped regions 8, 9 is.
- Fig. 5B shows the same embodiment as Fig. 5A seen obliquely from the outside, wherein the front cover plate has been omitted in the drawing to make the blades visible.
- FIG. 5B shows the same embodiment as Fig. 5A seen obliquely from the outside, wherein the front cover plate has been omitted in the drawing to make the blades visible.
- the spark erosion electrode used in the production method according to the invention is advantageously designed as a shaped electrode, which is adapted to the shape of the blade channels. Normally, several formula electrodes are needed, for example three or four, since usually different areas of the blade channels have to be processed. In addition, the formula electrodes wear out and must be replaced depending on the desired accuracy of processing.
- the shape of the blade channels is produced by machining, as far as this is possible and / or economical, and subsequently in the unfinished areas, the shape of the blade channels is produced by means of spark erosion or by means of electrochemical removal.
- a program-controlled spark erosion machine or machine for electrochemical ablation with four or more controlled axes is advantageously used.
- a blade channel of an inventive impeller has a length of typically 30 mm to 300 mm and a width and / or height of typically 10 mm to 200 mm. In individual cases, however, the dimensions mentioned may differ significantly from the stated values.
- a metal or a metal alloy is advantageously used in the inventive manufacturing method, for example aluminum, titanium, steel, nickel, an aluminum or magnesium alloy, a nickel or cobalt base alloy, forging or casting material, a non-ferrous metal, but also another material that can be machined and additionally optionally eroded or electrochemically removed.
- a Zerspan Kunststoff is used, which will be explained below with reference to FIG. 6, and in which in the openings to be created for the blade channels 13 and / or in the blade channels 3 to be created respectively curved guide surfaces 14 for machining by means of a cutting tool 10 are provided, which are adapted to the shape and spatial position of the blade channels, that the cutting tool 10 during machining not with the blade channels limiting edge surface 2 in In the machining process, the cutting tool 10 is guided along a guide surface 14 and a machining area 12 predetermined by the respective guide surface is machined to produce an opening 13 and / or parts of a blade channel 3, the cutting tool 10 being a guide axis 10a and is guided in relation to the guide axis at a constant guide angle ⁇ along the respective guide surface 14.
- the said guide angle is often referred to as the angle of attack.
- Fig. 6 shows a section of a closed impeller 1 in section.
- the impeller includes an opening to be created 13, which is advantageously designed as a blade channel 3, and curved guide surfaces 14.
- a cutting tool 10 with a guide axis 10 a is not shown in FIG. 6 manipulator of a cutting device, such as a multi-axis CNC milling machine such as a five-axis CNC milling machine, chipping along a guide surface 14 out. 6 a part of the opening 13 to be created or of the blade channel 3 to be created is already finished in an initial region 15, while in an adjoining region 16 the opening or the blade channel has not yet been completed. Expediently, all guide surfaces 14 are calculated before the beginning of the machining operation for producing the opening 13 or the blade channel 3. In Fig.
- the guide surfaces in the processing area 12 are shown schematically as curved dashed lines.
- the cutting tool 10 is guided with respect to its guide axis 10a at a constant angle ⁇ to the respective guide surface.
- the guide surfaces 14 are advantageously determined so that the tool can mill out the entire opening 13 or the entire blade channel 3, without the guide tool comes into contact with one of the edge surfaces 2, which limit the opening or the blade channel.
- the guide surfaces 14 are advantageously calculated so that the cutting tool 10 at least with respect to certain guide surfaces and possibly with respect to all calculated guide surfaces in Machining at the same angle ⁇ , namely substantially below the specified by the manufacturer for the cutting tool optimum guide angle is performed. Certain deviations of, for example, +/- 5 ° or +/- 1 ° or less from the optimum guide angle are generally tolerable if the quality of the machined impeller does not suffer and the cutting tool is essentially still working optimally.
- the guide surfaces 14 are arranged to no edge surface 2 and / or no end surface as a parallel surface and / or offset surface.
- offset surface refers to surfaces which, although not strictly parallel in the strict sense, nevertheless have the same distance from each other everywhere.
- An example of this is e.g. two concentric spherical shells with different diameters, which are at a fixed distance over the entire surface, but still have different radii of curvature.
- a tool coordinate and / or a tool vector of the cutting tool 10 can be adapted to the guide surface 14.
- at least two guide surfaces of an opening and / or a blade channel are not parallel and form no offset surfaces to each other.
- the guide angle ⁇ is not changed during the production of an opening 13 and / or a part of a blade channel 3.
- the guide angle ⁇ is varied during the production of an opening 13 and / or a part of a blade channel 3 in a change from one guide surface to the next guide surface according to a predetermined scheme, the guide angle advantageously for all guide surfaces only slightly, for example Deviates +/- 5 ° or +/- 1 ° from the optimum guide angle.
- the change of the cutting tool from a guide surface to a next guide surface can be carried out discontinuously and / or it can for changing from a guide surface to a next guide surface a bore in the region of the two guide surfaces or in the region of all guide surfaces of an opening and / or a portion of a blade channel be provided.
- the change of the cutting tool from a guide surface to a next guide surface can also be carried out continuously, for example spirally in the form of a ramp or helix. That is, for example, that the cutting tool more or less continuously in a direction of advancement of the
- Zerspanwerkmaschinemaschinees for example, is driven substantially perpendicular to a guide surface 14, so that the transition from a guide surface is not discontinuous but gradually, so that the cutting tool in the advancing direction, for. performs a spiral or helical movement.
- the guide angle ⁇ is normally set optimally to the cutting tool, for example to a value between 70 ° and 120 ° or between 85 ° and 95 ° or between 88 ° and 92 ° and advantageously to a value of essentially 90 °.
- the machining method described above allows to work completely on a workpiece having a more or less constant optimum guide angle, even if it has a very complicated geometric structure and the material is difficult to machine, because e.g. has a high hardness and / or high strength and / or other properties that make the machining difficult.
- the invention comprises a closed impeller manufactured by means of a manufacturing method according to one of the above-described embodiments and variants.
- closed wheels have the advantage that they are made in one piece, and that comparatively short lead times for prototypes and a comparatively high accuracy of the geometric shape can be achieved compared to cast wheels.
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- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
In einem Herstellungsverfahren für geschlossene Laufräder mit Schaufeln (2, 2a), zwischen denen Schaufelkanäle (3) ausgebildet sind, die eine vorgegebene Form aufweisen, werden mittels einer programmgesteuerten Zerspanungsvorrichtung in einem Rohling spanabhebend Öffnungen für die Schaufelkanäle erstellt. In dem Herstellungsverfahren werden in einem weiteren Arbeitsschritt Elektroden (11) einer Vorrichtung zum Funkenerodieren oder zum elektrochemischen Abtragen in die Öffnungen eingeführt und ein Teil der vorgegebenen Form der Schaufelkanäle (3) mittels Funkenerodieren oder mittels elektrochemischen Abtragens hergestellt.
Description
P.7795/St/Li
Sulzer Markets and Technology AG, CH-8401 Winterthur (Schweiz)
Herstellungsverfahren für geschlossene Laufräder
Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für geschlossene Laufräder gemäss Oberbegriff von Anspruch 1 und ein geschlossenes Laufrad hergestellt mit einem derartigen Verfahren.
Geschlossene Laufräder kommen in Strömungsmaschinen wie beispielsweise in Pumpen oder Turbinen zum Einsatz, um Energie auf ein Fluid wie zum Beispiel Gas, Dampf oder Flüssigkeit zu übertragen oder umgekehrt Energie von einem Fluid auf das Laufrad. Ein geschlossenes Laufrad enthält hierzu eine oder mehrere Schaufeln, die zwischen einer vorderen und einer hinteren Deckscheibe, auch als Oberscheibe und Unterscheibe oder Deckel und
Boden bezeichnet, angeordnet sind, wobei die hintere Deckscheibe und/oder die Schaufeln normalerweise mit einer Nabe verbunden sind, die zur Aufnahme einer Welle ausgebildet sein kann. Zwischen den Schaufeln sind Schaufelkanäle ausgebildet, die in Folge der Anordnung der Schaufeln zwischen der vorderen und hinteren Deckscheibe geschlossen sind.
Die giesstechnische Herstellung von geschlossenen Laufrädern hat eine lange Tradition. Hierzu werden Gussformen mit Kernen verwendet, welche letztere die Form der Schaufelkanäle festlegen. Geschlossene Laufräder, die giesstechnisch hergestellt sind, haben den Nachteil, dass fehlerhafte Stellen im Innern des Laufrades kaum ausgebessert werden können, und dass insbesondere bei vergleichsweise dünnen Schaufeln oder dünnwandigen Deckscheiben die Qualitätskontrolle kritisch ist. Darüber hinaus sind auch die
beschränkte Genauigkeit der gegossenen Laufräder und die Rauheit der gegossenen Oberflächen je nach Anwendung ein Problem.
Man ist deshalb dazu übergegangen, geschlossene Laufräder für anspruchsvollere Anwendungen mittels spanabhebender Bearbeitung herzustellen. Hierzu wird aus einem Rohling, der meist aus massivem Material besteht, die Form der Schaufelkanäle spanabhebend herausgearbeitet. Darüber hinaus kann auch die äussere Form des Laufrades spanabhebend erzeugt werden. Die spanabhebende Bearbeitung hat sich besonders dann bewährt, wenn das Material des Laufrades gut zerspanbar ist und die Geometrie vergleichweise einfach ist, so dass alle zu bearbeitenden Bereiche im Laufrad bequem mit einem spanabhebenden Werkzeug erreicht werden können.
Je nach Anwendung der Laufräder werden dieselben im Betrieb hoch belastet, in dem sie bei Umfangsgeschwindigkeiten von bis zu 400 m/s erheblichen Fliehkräften ausgesetzt sind. Derartige Laufräder werden deshalb aus massivem Material unter Verwendung von hochfesten Stählen, Edelstahlen, Superlegierungen und anderen geeigneten Materialien gefertigt. Nachteilig ist dabei, dass ein Teil dieser Materialien auf Grund ihrer Zähigkeit und/oder Härte besondere Ansprüche an die spanabhebende Bearbeitung stellen.
Darüber hinaus kann auch die Geometrie des herzustellenden Laufrades Anlass zu Schwierigkeiten bei der spanabhebenden Bearbeitung geben. Eine enge Staffelung der Schaufeln am Eintritt des Laufrades und/oder eine starke Krümmung der Schaufeln kann zum Beispiel dazu führen, dass aus Gründen der Geometrie nicht die gesamte Schaufel spanabhebend bearbeitet werden kann beziehungsweise nur ein Teil des Schaufelkanals spanabhebend erzeugt werden kann, und dass an den Schaufeln Bereiche stehen bleiben, die meist keilförmig ausgebildet sind und die in den Schaufelkanal hineinragen. Ähnlich kann eine vergleichsweise starke Krümmung der vorderen Deckscheibe dazu führen, dass aus Gründen der Geometrie nicht die gesamte Deckfläche des Schaufelkanals spanabhebend bearbeitet werden kann, und dass an der Deckfläche Bereiche stehen bleiben, die meist keilförmig ausgebildet sind und die in den Schaufelkanal hineinragen.
Bei der spanabhebenden Bearbeitung können jedoch auch Schwierigkeiten auftreten, wenn der zu bearbeitende Bereich von der Geometrie her zwar mit einem spanabhebenden Werkzeug erreicht werden kann, die Bearbeitungsbedingungen jedoch ungünstig sind, indem der zu bearbeitende Bereich beispielsweise weit im Innern des Schaufelkanals gelegen ist und lange Werkzeuge erforderlich sind, die nur geringe Querkräfte aufnehmen beziehungsweise ausüben können. Die Vorschubgeschwindigkeit muss in diesem Fall verringert werden, wodurch die Bearbeitungszeiten und die Kosten entsprechend erhöht werden. Zu den ungünstigen Bearbeitungsbedingungen gehört auch, dass aus Gründen der Geometrie vom optimalen Anstellwinkel des spanabhebenden Werkzeugs abgewichen werden muss, was zu unakzeptablen Bearbeitungsergebnissen führen kann. Diese Schwierigkeiten werden noch verstärkt, wenn das zu bearbeitende Material besondere Ansprüche an die spanabhebende Bearbeitung stellt. Aus den oben genannten Gründen, kann die spanabhebende Bearbeitung unwirtschaftlich sein, selbst wenn von der Geometrie her eine spanabhebende Bearbeitung grundsätzlich möglich wäre.
Eine bekannte Lösung der Bearbeitungsprobleme, die bei spanabhebend hergestellt, geschlossenen Laufrädern auftreten, besteht darin, das Laufrad aus mehreren vorgefertigten Teilen herzustellen, die mittels Schweissen miteinander verbunden werden. Zum Beispiel können zunächst die Nabe, die hintere Deckscheibe und die Schaufeln aus einem Stück aus dem Vollen gefräst werden und anschliessend die separat hergestellte vordere Deckscheibe auf die Schaufeln geschweisst werden. Weiter ist es möglich beispielsweise die Nabe, die hintere Deckscheibe und den äusseren Teil der vorderen Deckscheibe sowie die Schaufeln aus einem Stück aus dem Vollen zu fräsen und anschliessend den separat hergestellten inneren Teil der vorderen Deckscheibe auf die Schaufeln zu schweissen. Nachteilig an derartigen geschweissten Laufrädern sind die Schweissnähte und der Verzug, der durch das Schweissen entsteht, sowie der beträchtliche Aufwand für die Fixierung und gegebenenfalls für das Schutzgas, der bei Materialien erforderlich ist, die nur in Schutzatmosphäre schweissbar sind. Der Aufwand für die Qualitätssicherung geschweisster Laufräder ist meist ebenfalls vergleichsweise hoch und eine Zertifizierung des Verfahrens schwierig.
Darüber hinaus ist die erzielbare Festigkeit beschränkt und kann nur mit zusätzlichem Aufwand erhöht werden.
Weiter ist bekannt, Laufräder mittels Funkenerodieren herzustellen. Hierzu werden aus einem Rohling, der meist aus massivem Material besteht, die Schaufel kanäle vollständig mittels Formelektroden erodiert. Dieses Verfahren ist jedoch vergleichsweise langsam und aufwändig. So kann die Herstellung eines Laufrades mittels Funkenerodieren mehrere Wochen in Anspruch nehmen. Darüber hinaus sind die erhältlichen Funkenerodiermaschinen standardmässig nur mit einer Dreiachsensteuerung ausgerüstet, wodurch die Steuerung der Funkenerodierbearbeitung kompliziert wird. Werden höhere Ansprüche an die Genauigkeit gestellt, so steigt der Aufwand, da die Formelektroden in diesem Fall vergleichsweise häufig ersetzt werden müssen. Wegen des grossen Aufwandes kommt die Herstellung von Laufrädern mittels Funkenerodieren nur in Einzelfällen und bei Materialien zum Einsatz, bei denen andere Herstellungsverfahren versagen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Herstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, mittels welchem geschlossene Laufräder aus einem Stück hergestellt werden können, und welches die Herstellung vergleichsweise komplizierter Geometrien ermöglicht, deren Herstellung mit Bearbeitungsverfahren aus dem Stand der Technik nicht möglich oder vergleichsweise wenig wirtschaftlich ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein geschlossenes Laufrad zur Verfügung zu stellen, das mit einem derartigen Herstellungsverfahren hergestellt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch das in Anspruch 1 definierte Herstellungsverfahren für geschlossene Laufräder und durch das in Anspruch 15 definierte geschlossene Laufrad gelöst.
In dem erfindungsgemässen Herstellungsverfahren für geschlossene Laufräder mit Schaufeln, zwischen denen Schaufelkanäle ausgebildet sind, die eine vorgegebene Form aufweisen, werden mittels einer programmgesteuerten Zerspanungsvorrichtung in einem Rohling spanabhebend Öffnungen für die Schaufelkanäle erstellt. In dem
Herstellungsverfahren werden zusätzlich in einem weiteren Arbeitsschritt Elektroden einer Vorrichtung zum Funkenerodieren oder zum elektrochemischen Abtragen in die Öffnungen eingeführt und ein Teil der vorgegebenen Form der Schaufelkanäle mittels Funkenerodieren oder mittels elektrochemischen Abtragens hergestellt. Bei den spanabhebend erstellten Öffnungen für die Schaufelkanäle kann es ich beispielsweise um eine Rohform der Schaufelkanäle handeln, und/oder die spanabhebend erstellten Öffnungen für die Schaufelkanäle können durchgehend sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante wird zusätzlich zu den Öffnungen ein Teil der vorgegebenen Form der Schaufelkanäle spanabhebend erzeugt. Vorteilhafterweise wird zusätzlich zu den Öffnungen der grösste Teil, insbesondere mindestens 75% oder mindestens 90%, der vorgegebenen Form der Schaufelkanäle spanabhebend erzeugt. Die spanabhebende Erzeugung eines Teils oder des grössten Teils der vorgegeben Form der Schaufelkanäle kann beispielsweise vor dem Funkenerodieren erfolgen, so dass der zu erodierende Teil der vorgegeben Form klein gehalten oder auf ein Minimum reduziert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante umfasst das Laufrad eine vordere Deckscheibe und eine hintere Deckscheibe, wobei die Schaufelkanäle und/oder die Schaufeln und/oder eine oder beide Deckscheiben eine Krümmung aufweisen können.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Herstellungsverfahren wird ein Zerspanverfahren eingesetzt, in welchem in den zu erstellenden Öffnungen für die Schaufelkanäle und/oder in den zu erstellenden Schaufelkanälen jeweils gekrümmte Führungsflächen für die spanabhebende Bearbeitung mittels eines Zerspanwerkzeuges vorgesehen werden, die derart an die Form und räumliche Lage der Schaufel kanäle angepasst werden, dass das Zerspanwerkzeug beim Zerspanen nicht mit einer die Schaufelkanäle begrenzenden Randfläche in Berührung gebracht wird, und in dem Zerspan verfahren das Zerspanwerkzeug jeweils entlang einer Führungsfläche geführt und ein durch die jeweilige Führungsfläche vorgegebener Bearbeitungsbereich spanabhebend bearbeitet wird, um eine Öffnung und/oder Teile eines Schaufelkanals zu erstellen, wobei das
Zerspanwerkzeug eine Führungsachse aufweist und in Bezug auf die Führungsachse unter einem konstanten Führungswinkel entlang der jeweiligen Führungsfläche geführt wird.
Vorteilhafterweise werden innerhalb eines Schaufelkanals die Führungsflächen zu keiner Randfläche und/oder keiner Endfläche als
Parallelfläche und/oder Offsetfläche angeordnet. Weiter kann bei Bedarf eine Werkzeug koordinate und/oder ein Werkzeugvektor des Zerspanwerkzeuges an die Führungsfläche angepasst werden. Vorteilhafterweise sind jeweils mindestens zwei Führungsflächen einer Öffnung und/oder eines Schaufel kanals nicht parallel.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante wird der Führungswinkel während der Herstellung einer Öffnung und/oder eines Teils eines Schaufelkanals nicht verändert. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante wird der Führungswinkel während der Herstellung einer Öffnung und/oder eines Teils eines Schaufelkanals bei einem Wechsel von einer Führungsfläche zur nächsten Führungsfläche nach einem vorgegebenen Schema variiert.
Je nach Anwendung wird der Wechsel des Zerspanwerkzeuges von einer Führungsfläche auf eine nächste Führungsfläche diskontinuierlich durchgeführt und/oder zum Wechseln von einer Führungsfläche auf eine nächste Führungsfläche eine Bohrung im Bereich der beiden
Führungsflächen oder im Bereich aller Führungsflächen einer Öffnung und/oder eines Teils eines Schaufelkanals vorgesehen. Der Wechsel des Zerspanwerkzeuges von einer Führungsfläche auf eine nächste Führungsfläche kann aber auch kontinuierlich durchgeführt werden, zum Beispiel spiralartig in Form einer Schraubenlinie.
Unabhängig von den oben beschriebenen Ausführungsvarianten wird der Führungswinkel üblicherweise auf einen Wert zwischen 70° und 120° oder zwischen 85° und 95° oder zwischen 88° und 92° und vorteilhafterweise auf einen Wert von im Wesentlichen 90° eingestellt.
Weiter umfasst die Erfindung ein geschlossenes Laufrad hergestellt mittels eines Herstellungsverfahrens gemäss einer der oben beschriebenen Ausführungsformen und -Varianten.
Das erfindungsgemässe Herstellungsverfahren hat den Vorteil, dass damit geschlossene Laufräder aus einem Stück hergestellt werden können, deren Schaufel kanäle auf Grund der Geometrie nicht rein spanabhebend erzeugt werden können und/oder deren Fertigung bei rein spanabhebender Bearbeitung der Schaufelkanäle unwirtschaftlich wäre. Dank dem, dass ein Teil und meist der grösste Teil der Schaufel kanalform spanabhebend erzeugt werden kann und nur ein meist kleinerer Teil mittels Funkenerodieren hergestellt wird, ist eine Kostenoptimierung möglich.
Die obige Beschreibung von Ausführungsformen und -Varianten dient lediglich als Beispiel. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Ansprüchen und der Zeichnung hervor. Darüber hinaus können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch einzelne Merkmale aus den beschriebenen oder gezeigten Ausführungsformen und -Varianten miteinander kombiniert werden, um neue Ausführungsformen zu bilden.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand der Ausführungsbeispiele und an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein geschlossenes Laufrad, bei dessen Fertigung bei rein spanabhebender Bearbeitung der Schaufelkanäle Schwierigkeiten auftreten können,
Fig. 2 das Laufrad gemäss Fig. 1 mit einem in einen Schaufelkanal eingeführten Zerspanwerkzeug, wobei die vordere Deckscheibe weggelassen ist, um die Schaufeln sichtbar zu machen,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines geschlossenen Laufrades gemäss vorliegender Erfindung,
Fig. 3A eine Detailansicht einer Ausführungsvariante zum Laufrad gemäss Fig. 3 mit einer Schaufel, an der auf einer Seite nach der
spanabhebenden Bearbeitung ein keilförmiger Bereich stehen geblieben ist,
Fig. 3B eine Detailansicht einer Ausführungsvariante zum Laufrad gemäss den Figuren 3 und 3A mit einem Schaufelkanal, an dessen vorderer Deckfläche nach der spanabhebenden
Bearbeitung zusätzlich ein keilförmiger Bereich stehen geblieben ist,
Fig. 4A-4C die keilförmigen Bereiche aus dem Ausführungsbeispiel gemäss
Fig. 3B bei der Bearbeitung mittels eines Funkenerodierverfahrens gemäss einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens,
Fig. 5A das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3B von der Vorderseite des Laufrades gesehen, wobei die vordere Deckscheibe in der Zeichnung weggelassen ist, um die Schaufeln sichtbar zu machen,
Fig. 5B das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3B schräg von aussen gesehen, wobei die vordere Deckscheibe in der Zeichnung weggelassen ist, um die Schaufeln sichtbar zu machen, und
Fig. 6 einen Ausschnitt eines Laufrades bei der Bearbeitung mittels eines Zerspanverfahrens gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens.
Fig. 1 zeigt ein geschlossenes Laufrad, bei dessen Fertigung in einem Stück bei rein spanabhebender Bearbeitung der Schaufelkanäle Schwierigkeiten auftreten können. Das Laufrad 1 kann eine oder mehrere Schaufeln 2.1 , 2.2 enthalten, die zwischen einer vorderen Deckscheibe 5 und einer hinteren Deckscheibe 6 angeordnet sind, wobei die hintere Deckscheibe und/oder die Schaufeln normalerweise mit einer Nabe 4 verbunden sind, die zur Aufnahme einer Welle ausgebildet sein kann. Zwischen den Schaufeln 2.1 , 2.2 sind ein
oder mehrere Schaufel kanäle 3.1 , 3.2 ausgebildet, die eine vorgegebene Form aufweisen, und die in Folge der Anordnung der Schaufeln zwischen der vorderen und hinteren Deckscheibe geschlossen sind.
Fig. 2 zeigt das oben beschriebene Laufrad gemäss Fig. 1 mit einem Zerspanwerkzeug 10, das in einen Schaufelkanal 3.1 eingeführten ist, wobei die vordere Deckscheibe in der Zeichnung weggelassen wurde, um die Schaufeln in der vollen Länge sichtbar zu machen. Die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Laufräder sind ungeachtet der unterschiedlichen Darstellung gleich aufgebaut. Auf Grund der Länge der Schaufeln ist für die spanabhebende Bearbeitung der Schaufelkanäle 3.2, 3.2 des gezeigten Laufrades ein vergleichsweise langes Zerspanwerkzeug erforderlich, beispielsweise, wie in Fig. 2 gezeigt, ein Zerspanwerkzeug mit einem langen Schaft. Die Krümmung und Staffelung der Schaufeln 2.1 , 2.2 des gezeigten Laufrades ist derart, dass eine rein spanabhebende Erzeugung der Schaufelkanäle noch knapp möglich erscheint. Auf Grund der Länge und des sich verjüngenden Schaftes des Zerspanwerkzeuges ist jedoch mit einer geringen Vorschubgeschwindigkeit und damit mit erhöhten Bearbeitungskosten zu rechnen. Probleme bei der spanabhebenden Bearbeitung ergeben sich auch, wenn ein vergleichsweise kleiner Verrundungsradius am Übergang zwischen Schaufeln und Deckscheiben verlangt ist.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines geschlossenen Laufrades, das mit einem Herstellungsverfahren gemäss vorliegender Erfindung gefertigt wurde. Das Laufrad 1 kann eine oder mehrere Schaufeln 2, 2a enthalten, die zwischen einer vorderen Deckscheibe 5 und einer hinteren Deckscheibe 6 angeordnet sind. Zwischen den Schaufeln 2, 2a sind ein oder mehrere
Schaufelkanäle 3 ausgebildet, die eine vorgegebene Form aufweisen, und die in Folge der Anordnung der Schaufeln zwischen der vorderen und hinteren Deckscheibe geschlossen sind. Die einzelnen Schaufeln können unterschiedliche Längen aufweisen, beispielsweise, indem, wie in Fig. 3 gezeigt, zwischen Schaufeln 2 mit voller Länge verkürzte Schaufeln 2a, auch „Splitter Vanes" genannt, angeordnet sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante umfasst das Laufrad eine vordere Deckscheibe und eine hintere Deckscheibe, wobei die
Schaufelkanäle 3 und/oder die Schaufeln 2, 2a und/oder eine oder beide Deckscheiben 5, 6 eine Krümmung aufweisen können.
Im erfindungsgemässen Herstellungsverfahren werden mittels einer programmgesteuerten Zerspanungsvorrichtung in einem Rohling spanabhebend Öffnungen für die Schaufelkanäle 3 erstellt, indem die Öffnungen zum Beispiel in bekannter Weise mit einer mehrachsigen CNC- Fräsmaschine herausgefräst werden. Bei den spanabhebend erstellten Öffnungen für die Schaufelkanäle kann es sich beispielsweise um eine Rohform der Schaufelkanäle handeln, und/oder die spanabhebend erstellten Öffnungen für die Schaufelkanäle können durchgehend sein. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante wird zusätzlich zu den Öffnungen ein Teil oder der grösste Teil der vorgegebenen Form der Schaufelkanäle, beispielsweise mindestens 75% oder mindestens 90% spanabhebend erzeugt.
Fig. 3A zeigt eine Detailansicht einer Ausführungsvariante zum Laufrad gemäss Fig. 3 mit einer Schaufel 2, an der auf einer Seite nach der spanabhebenden Bearbeitung ein keilförmiger Bereich 8 stehen geblieben ist, der in den Schaufelkanal 3 hineinragt. Derartige keilförmige Bereiche können beispielsweise entstehen, wenn auf Grund der Krümmung und/oder Staffelung der Schaufeln 2, 2a eine rein spanabhebende Erzeugung der
Schaufelkanäle 3 nicht möglich oder nicht wirtschaftlich ist. Fig. 3B zeigt eine Detailansicht einer Ausführungsvariante zum Laufrad gemäss Fig. 3 mit einem Schaufel kanal 3, an dessen vorderer Deckfläche nach der spanabhebenden Bearbeitung zusätzlich ein keilförmiger Bereich 9 stehen geblieben ist, der in den Schaufelkanal 3 hineinragt. Derartige keilförmige Bereiche 9 können beispielsweise entstehen, wenn auf Grund der Krümmung der vorderen Deckscheibe eine rein spanabhebende Erzeugung der Schaufel kanäle 3 nicht möglich oder nicht wirtschaftlich ist.
In dem Herstellungsverfahren gemäss vorliegender Erfindung werden zusätzlich in einem weiteren Arbeitsschritt Elektroden einer Vorrichtung zum Funkenerodieren oder zum elektrochemischen Abtragen in die Öffnungen oder Schaufelkanäle eingeführt und ein Teil der vorgegebenen Form der Schaufelkanäle mittels Funkenerodieren oder mittels elektrochemischen
Abtragens hergestellt. Die Figuren 4A-4C zeigen die keilförmigen Bereiche 8, 9 aus dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3B bei der Bearbeitung mittels einer Funkenerodierelektrode 11 gemäss einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens. In Fig. 4A ist die Funkenerodierelektrode 11 in den Schaufelkanal 3 eingeführt. Fig. 4B zeigt die Funkenerodierelektrode 11 bei der Bearbeitung des keilförmigen Bereichs 8, der an der Schaufel 2 ausgebildet ist, und in Fig. 4C liegt die Funkenerodierelektrode 11 an der Schaufel 2 und an der vorderen Deckfläche des Schaufelskanals 3 an, wobei Teile der keilförmigen Bereiche 8, 9 bereits wegerodiert sind.
Fig. 5A zeigt das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3B von der Vorderseite des Laufrades gesehen, wobei die vordere Deckscheibe in der Zeichnung weggelassen wurde, um die Schaufeln sichtbar zu machen. Das gezeigte Laufrad enthält mehrere Schaufeln 2.1 , 2.2, 2.1 a, 2.2a, die zwischen einer vorderen Deckscheibe und einer hinteren Deckscheibe angeordnet sind. Zwischen den Schaufeln sind Schaufelkanäle 3 ausgebildet, die eine vorgegebene Form aufweisen, und die in Folge der Anordnung der Schaufeln zwischen der vorderen und hinteren Deckscheibe geschlossen sind. Die einzelnen Schaufeln können unterschiedliche Längen aufweisen, beispielsweise, indem, wie in Fig. 5A gezeigt, zwischen Schaufeln mit voller Länge verkürzte Schaufeln 2.1 a, 2.2a, auch „Splitter Vanes" genannt, angeordnet sind. An der Schaufel 2.1 und an der vorderen Deckfläche des Schaufelkanals 3 ist nach der spanabhebenden Bearbeitung jeweils ein keilförmiger Bereich 8, 9 stehen geblieben, die beide in den Schaufelkanal 3 hineinragen. Fig. 5A zeigt zusätzlich einen Funkenerodierelektrode 11 , die zur Bearbeitung der keilförmigen Bereiche 8, 9 in den Schaufelkanal 3 eingeführt ist.
Fig. 5B zeigt dasselbe Ausführungsbeispiel wie Fig. 5A schräg von aussen gesehen, wobei die vordere Deckscheibe in der Zeichnung weggelassen wurde, um die Schaufeln sichtbar zu machen. Bezüglich Einzelheiten zu Fig. 5B wird auf die oben stehende Beschreibung zu Fig. 5A verwiesen.
Die im erfindungsgemässen Herstellungsverfahren verwendete Funkenerodierelektrode ist vorteilhafterweise als Formelektrode ausgebildet,
die der Form der Schaufelkanäle angepasst ist. Normalerweise werden mehrere Formelektroden benötigt, beispielsweise drei oder vier, da meist verschiedene Bereiche der Schaufelkanäle bearbeitet werden müssen. Darüber hinaus nützen sich die Formelektroden ab und müssen in Abhängigkeit von der gewünschten Genauigkeit der Bearbeitung ersetzt werden. Mit Vorteil wird die Form der Schaufelkanäle spanabhebend erzeugt, soweit dies möglich und/oder wirtschaftlich ist und anschliessend in den nicht fertig bearbeiteten Bereichen die Form der Schaufelkanäle mittels Funkenerodieren oder mittels elektrochemischen Abtragens hergestellt. Zum Funkenerodieren oder elektrochemischen Abtragen wird vorteilhafterweise eine programmgesteuerte Funkenerodiermaschine oder Maschine zum elektrochemischen Abtragen mit jeweils vier oder mehr gesteuerten Achsen verwendet.
Ein Schaufelkanal eines erfindungsgemässen Laufrades hat eine Länge von typisch 30 mm bis 300 mm und eine Breite und/oder Höhe von typisch 10 mm bis 200 mm. Im Einzelfall können die genannten Abmessungen jedoch erheblich von den angegebenen Werten abweichen.
Als Material für das geschlossene Laufrad wird in dem erfindungsgemässen Herstellungsverfahren vorteilhafterweise ein Metall oder eine Metalllegierung verwendet, beispielsweise Aluminium, Titan, Stahl, Nickel, eine Aluminiumoder Magnesium-Legierung, eine Nickel- oder Cobalt-Basislegierung, Schmiede- oder Gussmaterial, ein Buntmetall, aber auch ein anderes Material, welches spanabhebend bearbeitet und zusätzlich wahlweise erodiert oder elektrochemisch abgetragen werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemässen
Herstellungsverfahrens wird ein Zerspanverfahren eingesetzt, welches im Folgenden an Hand von Fig. 6 erläutert wird, und in welchem in den zu erstellenden Öffnungen 13 für die Schaufelkanäle und/oder in den zu erstellenden Schaufelkanälen 3 jeweils gekrümmte Führungsflächen 14 für die spanabhebende Bearbeitung mittels eines Zerspanwerkzeuges 10 vorgesehen werden, die derart an die Form und räumliche Lage der Schaufelkanäle angepasst werden, dass das Zerspanwerkzeug 10 beim Zerspanen nicht mit einer die Schaufelkanäle begrenzenden Randfläche 2 in
Berührung gebracht wird, und in dem Zerspanverfahren das Zerspanwerkzeug 10 jeweils entlang einer Führungsfläche 14 geführt und ein durch die jeweilige Führungsfläche vorgegebener Bearbeitungsbereich 12 spanabhebend bearbeitet wird, um eine Öffnung 13 und/oder Teile eines Schaufelkanals 3 zu erstellen, wobei das Zerspanwerkzeug 10 eine Führungsachse 10a aufweist und in Bezug auf die Führungsachse unter einem konstanten Führungswinkel α entlang der jeweiligen Führungsfläche 14 geführt wird. Der genannte Führungswinkel wird häufig auch als Anstellwinkel bezeichnet.
Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt aus einem geschlossenen Laufrad 1 im Schnitt. Das Laufrad enthält eine zu erstellende Öffnung 13, die mit Vorteil als Schaufelkanal 3 ausgebildet ist, und gekrümmte Führungsflächen 14. Ein Zerspanwerkzeug 10 mit einer Führungsachse 10 a wird von einem in Fig. 6 nicht gezeigten Manipulator einer Zerspanungsvorrichtung, beispielsweise einer mehrachsigen CNC-Fräsmaschine wie zum Beispiel einer Fünfachsen- CNC-Fräsmaschine, zerspanend entlang einer Führungsfläche 14 geführt. In Fig. 6 ist in einem Anfangsbereich 15 bereits ein Teil der zu erstellenden Öffnung13 oder des zu erstellenden Schaufelkanals 3 fertig gestellt, während in einem daran angrenzenden Bereich 16 die Öffnung beziehungsweise der Schaufelkanal noch nicht fertig gestellt ist. Zweckmässigerweise werden alle Führungsflächen 14 vor Beginn der spanabhebenden Bearbeitung zur Herstellung der Öffnung 13 beziehungsweise des Schaufelkanals 3 berechnet. In Fig. 6 sind die Führungsflächen im Bearbeitungsbereich 12 schematisch als gekrümmte gestrichelte Linien dargestellt. Erfindungsgemäss wird das Zerspanwerkzeug 10 in Bezug auf seine Führungsachse 10a unter einem konstanten Winkel α zur jeweiligen Führungsfläche geführt. Die Führungsflächen 14 sind dabei vorteilhafterweise so festgelegt, dass das Werkzeug die gesamte Öffnung 13 beziehungsweise den gesamten Schaufelkanal 3 herausfräsen kann, ohne dass das Führungswerkzeug mit einer der Randflächen 2, welche die Öffnung beziehungsweise den Schaufelkanal begrenzen, in Berührung kommt.
Die Führungsflächen 14 werden vorteilhafterweise so berechnet, dass das Zerspanwerkzeug 10 zumindest mit Bezug auf bestimmte Führungsflächen und gegebenenfalls in Bezug auf alle berechneten Führungsflächen beim
Zerspanen unter ein und demselben Winkel α, nämlich im Wesentlichen unter dem vom Hersteller für das Zerspanwerkzeug angegebenen optimalen Führungswinkel geführt wird. Gewisse Abweichungen von zum Beispiel +/- 5° oder +/- 1 ° oder weniger vom optimalen Führungswinkel sind im Allgemeinen tolerierbar, wenn die Qualität des spanabhebend hergestellten Laufrades nicht leidet und das Zerspanwerkzeug im Wesentlich noch optimal arbeitet.
Vorteilhafterweise werden in dem oben stehend beschriebenen Zerspanverfahren innerhalb einer herzustellenden Öffnung 13 beziehungsweise innerhalb eines Schaufelkanals 3 die Führungsflächen 14 zu keiner Randfläche 2 und/oder keiner Endfläche als Parallelfläche und/oder Offsetfläche angeordnet. Unter Offsetfläche sind im Rahmen dieser Anmeldung solche Flächen zu verstehen, die im strengen Sinne zwar nicht parallel sind, jedoch überall den gleichen Abstand zueinander haben. Ein Beispiel dafür sind z.B. zwei konzentrische Kugelschalen mit verschiedenem Durchmesser, die über die gesamte Oberfläche in einem festen Abstand zueinander stehen, aber dennoch unterschiedliche Krümmungsradien haben.
Weiter kann bei Bedarf eine Werkzeug koordinate und/oder ein Werkzeugvektor des Zerspanwerkzeuges 10 an die Führungsfläche 14 angepasst werden. Vorteilhafterweise sind jeweils mindestens zwei Führungsflächen einer Öffnung und/oder eines Schaufelkanals nicht parallel und bilden keine Offsetflächen zueinander.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante wird der Führungswinkel α während der Herstellung einer Öffnung 13 und/oder eines Teils eines Schaufelkanals 3 nicht verändert. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante wird der Führungswinkel α während der Herstellung einer Öffnung 13 und/oder eines Teils eines Schaufelkanals 3 bei einem Wechsel von einer Führungsfläche zur nächsten Führungsfläche nach einem vorgegebenen Schema variiert, wobei der Führungswinkel vorteilhafterweise bei allen Führungsflächen nur wenig, zum Beispiel +/- 5° oder +/-1 ° vom optimalen Führungswinkel abweicht.
Je nach den Anforderungen des zu bearbeitendes Materials oder der herzustellenden Geometrie oder in Abhängigkeit von anderen Parametern
kann der Wechsel des Zerspanwerkzeuges von einer Führungsfläche auf eine nächste Führungsfläche diskontinuierlich durchgeführt werden und/oder es kann zum Wechseln von einer Führungsfläche auf eine nächste Führungsfläche eine Bohrung im Bereich der beiden Führungsflächen oder im Bereich aller Führungsflächen einer Öffnung und/oder eines Teils eines Schaufelkanals vorgesehen werden. Der Wechsel des Zerspanwerkzeuges von einer Führungsfläche auf eine nächste Führungsfläche kann aber auch kontinuierlich durchgeführt werden, zum Beispiel spiralartig in Form einer Rampe oder Schraubenlinie. D.h. zum Beispiel, dass das Zerspanwerkzeug mehr oder weniger kontinuierlich in eine Vortriebsrichtung des
Zerspanwerkzeuges, beispielsweise im Wesentlichen senkrecht zu einer Führungsfläche 14 vorgetrieben wird, so dass der Übergang von einer Führungsfläche nicht diskontinuierlich sondern allmählich erfolgt, so dass das Zerspanwerkzeug in Vortriebsrichtung z.B. eine spiral- oder helixartige Bewegung vollführt.
Unabhängig von den oben beschriebenen Ausführungsformen und -Varianten wird der Führungswinkel α normalerweise optimal auf das Zerspanwerkzeug eingestellt, beispielsweise auf einen Wert zwischen 70° und 120° oder zwischen 85° und 95° oder zwischen 88° und 92° und vorteilhafterweise auf einen Wert von im Wesentlichen 90°.
Das oben beschriebene Zerspanverfahren erlaubt, ein Werkstück mit einem mehr oder weniger konstanten optimalen Führungswinkel vollständig zu bearbeiten, selbst wenn es eine sehr komplizierte geometrische Struktur hat und das Material schwer zu zerspanen ist, weil es z.B. eine grosse Härte und/oder eine hohe Festigkeit und/oder andere Eigenschaften hat, die das Zerspanen erschweren.
Mit dem oben beschriebenen Zerspanverfahren ist es insbesondere auch möglich, bei der Erzeugung der Schaufelkanäle Hinterschnitte vorzusehen, indem die Führungsflächen 14, auf oder entlang derer das Zerspanwerkzeug 10 unter einem konstanten Führungswinkel α geführt wird, geeignet gewählt, das heisst berechnet werden, wobei im Speziellen auch ein konisches Zerspanwerkzeug verwendet werden kann, mit welchem sogar Hinterschnitte
realisiert werden können, unter Beibehaltung eines konstanten Führungswinkels zur Führungsfläche.
Weiter umfasst die Erfindung ein geschlossenes Laufrad hergestellt mittels eines Herstellungsverfahrens gemäss einer der oben beschriebenen Ausführungsformen und -Varianten. Derartige geschlossene Laufräder haben den Vorteil, dass sie aus einem Stück gefertigt sind, und dass im Vergleich zu gegossenen Laufrädern vergleichsweise kurze Durchlaufzeiten für Prototypen und eine vergleichsweise hohe Genauigkeit der geometrischen Form erzielt werden können.
Claims
1. Herstellungsverfahren für geschlossene Laufräder mit Schaufeln (2, 2.1 , 2.2, 2a, 2.1 a, 2.2a), zwischen denen Schaufelkanäle (3, 3.1 , 3.2) ausgebildet sind, die eine vorgegebene Form aufweisen, wobei mittels einer programmgesteuerten Zerspanungsvorrichtung in einem Rohling spanabhebend Öffnungen für die Schaufelkanäle erstellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Arbeitsschritt Elektroden (11 ) einer Vorrichtung zum Funkenerodieren oder zum elektrochemischen Abtragen in die Öffnungen eingeführt werden und ein Teil der vorgegebenen Form der Schaufelkanäle (3, 3.1 , 3.2) mittels
Funkenerodieren oder mittels elektrochemischen Abtragens hergestellt wird.
2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 , wobei es sich bei den spanabhebend erstellten Öffnungen für die Schaufelkanäle um eine
Rohform der Schaufelkanäle handelt, und/oder wobei die spanabhebend erstellten Öffnungen für die Schaufelkanäle durchgehend sind.
3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zusätzlich zu den Öffnungen ein Teil der vorgegebenen Form der Schaufelkanäle (3, 3.1 ,
3.2) spanabhebend erzeugt wird.
4. Herstellungsverfahren nach Anspruch 3, wobei zusätzlich zu den Öffnungen der grösste Teil, insbesondere mindestens 75% oder mindestens 90%, der vorgegebenen Form der Schaufelkanäle (3, 3.1 ,
3.2) spanabhebend erzeugt wird.
5. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das
Laufrad eine vordere Deckscheibe (5) und eine hintere Deckscheibe (6) umfasst, und wobei insbesondere die Schaufelkanäle (3, 3.1 , 3.2)
und/oder die Schaufeln (2, 2.1 , 2.2, 2a, 2.1 a, 2.2a) und/oder eine oder beide Deckscheiben (5, 6) eine Krümmung aufweisen.
6. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Zerspanverfahren eingesetzt wird, in welchem in den zu erstellenden Öffnungen für die Schaufelkanäle und/oder in den zu erstellenden
Schaufelkanälen (3, 3.1 , 3.2) jeweils gekrümmte Führungsflächen (14) für die spanabhebende Bearbeitung mittels eines Zerspanwerkzeuges (10) vorgesehen werden, die derart an die Form und räumliche Lage der Schaufelkanäle angepasst werden, dass das Zerspanwerkzeug beim Zerspanen nicht mit einer die Schaufelkanäle begrenzenden Randfläche in Berührung gebracht wird, und in dem Zerspanverfahren das Zerspanwerkzeug (10) jeweils entlang einer Führungsfläche (14) geführt und ein durch die jeweilige Führungsfläche vorgegebener Bearbeitungsbereich (12) spanabhebend bearbeitet wird, um eine Öffnung und/oder Teile eines Schaufelkanals zu erstellen, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerspanwerkzeug (10) eine Führungsachse (10a) aufweist und in Bezug auf die Führungsachse unter einem konstanten Führungswinkel (α) entlang der jeweiligen Führungsfläche geführt wird.
7. Herstellungsverfahren nach Anspruch 6, wobei innerhalb eines Schaufelkanals (3, 3.1 , 3.2) die Führungsflächen (14) zu keiner Randfläche und/oder keiner Endfläche als Parallelfläche und/oder Offsetfläche angeordnet werden.
8. Herstellungsverfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei eine Werkzeug koordinate und/oder ein Werkzeugvektor des Zerspanwerkzeuges (10) an die Führungsfläche (14) angepasst werden.
9. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei jeweils mindestens zwei Führungsflächen (14) einer Öffnung und/oder eines
Schaufelkanals nicht parallel sind und keine Offsetflächen zueinender
bilden.
10. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Führungswinkel (α) während der Herstellung einer Öffnung und/oder eines Teils eines Schaufelkanals nicht verändert wird.
11. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Führungswinkel (α) während der Herstellung einer Öffnung und/oder eines Teils eines Schaufelkanals bei einem Wechsel von einer Führungsfläche zur nächsten Führungsfläche nach einem vorgegebenen
Schema variiert wird.
12. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11 , wobei der Wechsel des Zerspanwerkzeuges (10) von einer Führungsfläche auf eine nächste Führungsfläche diskontinuierlich durchgeführt wird und/oder wobei zum Wechseln von einer Führungsfläche auf eine nächste Führungsfläche eine Bohrung im Bereich der beiden Führungsflächen, insbesondere im Bereich aller Führungsflächen einer Öffnung und/oder eines Teils eines Schaufelkanals vorgesehen wird.
13. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei der Wechsel des Zerspanwerkzeuges (10) von einer Führungsfläche auf eine nächste Führungsfläche kontinuierlich, insbesondere spiralartig in Form einer Schraubenlinie durchgeführt wird.
14. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei der Führungswinkel (α) auf einen Wert zwischen 70° und 120°, insbesondere auf einen Wert zwischen 85° und 95° oder zwischen 88° und 92° und vorzugsweise auf einen Wert von im Wesentlichen 90° eingestellt wird.
15. Geschlossenes Laufrad hergestellt mittels eines Herstellungsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
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