WO2012140104A1 - Walzwerkzeugvorrichtung zum festwalzen von insbesondere schaufelelementen eines rotorbereiches eines strahltriebwerkes - Google Patents

Walzwerkzeugvorrichtung zum festwalzen von insbesondere schaufelelementen eines rotorbereiches eines strahltriebwerkes Download PDF

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rolling
wälzbereichen
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tool device
distance
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Goetz G. FELDMANN
Karsten RÖTTGER
Stefan ZENK
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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    • B21D5/00—Bending sheet metal along straight lines, e.g. to form simple curves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23P9/02—Treating or finishing by applying pressure, e.g. knurling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B39/00—Burnishing machines or devices, i.e. requiring pressure members for compacting the surface zone; Accessories therefor
    • B24B39/04—Burnishing machines or devices, i.e. requiring pressure members for compacting the surface zone; Accessories therefor designed for working external surfaces of revolution
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    • C21D7/08—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface by burnishing or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/005—Repairing methods or devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to a rolling tool device according to the closer defined in the preamble of claim 1
  • Rolling tool devices known from practice for the deep rolling of, in particular, blade elements of a rotor region of a jet engine are usually provided with a
  • Implemented tool carrier which is ver ⁇ bindable with a support spindle and in turn are rotatably connected to the two tong body.
  • the pliers body are each designed with a Wälz Scheme, wherein a distance between the Wälzberei ⁇ Chen in response to a rotational movement of the pliers body relative to the tool carrier is variable.
  • the blade elements are supplementarily on the rolling tool devices by axial engagement, starting from the blade leading edge through a machining lying in the flow direction ⁇ tung over hard rolls to a resistance of
  • Rolling areas and the component to be machined such as a
  • Blade element whereby in particular a CAD-CAM Programming and a subsequent implementation of the production programs by means of a post-processor to a multi-axis machining center are very expensive and therefore increase manufacturing costs to an undesirable extent.
  • the complexity resulting from the axial offset between the spindle carrier axis and the contact axis between the rolling regions and the component to be machined results from the fact that, when the rolling tool device is pivoted by the carrier spindle during the machining of free-form surfaces of a workpiece, the position of the workpiece is increased Touch point relative to the spindle carrier axis permanently changes what is to be considered in the programming of the Vietnamesesab ⁇ run by appropriate adaptation of the ever-changing vectors.
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide a rolling tool device available, by means of which a programming and subsequent Implementie ⁇ tion of production programs in multi-axis machining centers with the least possible effort is feasible.
  • the rolling tool device according to the invention for Festwal ⁇ zen particular blade elements of a rotor portion of a jet engine has a tool carrier, which is connectable to a support spindle and are rotatably connected to the two Zan ⁇ gen Economics.
  • the tong body are each formed with a Wälz Scheme and a distance Zvi ⁇ rule the roller portions can be varied in dependence on a rotational movement of the tong body.
  • an axis of the support spindle in the rolling tool apparatus is in a state connected to the tool carrier between the rolling portions through zero at a pitch between the rolling portions present contact point between the Wälz Schemeen, whereby the axis of the support spindle and a contact ⁇ line between the rolling tool device and a component to be machined are substantially congruent.
  • the pliers body are rotatable about a common pivot bearing relative to the tool carrier, wherein a distance between the Wälz Schemeen during a rotational movement of the pliers body to the common pivot bearing remains the same.
  • the pliers body are coupled to each other via a drive means and the distance between the Wälz Schemeen depending on a drive device side rotary movement of the pliers body is reduced to each other.
  • the drive device is designed as a single-acting piston-cylinder unit.
  • Figure 1 is a highly schematic longitudinal sectional view of a jet engine, which is designed with a einstü ⁇ ckigen rotor region.
  • FIG. 2 is an enlarged detail view of a show ⁇ felimplantations of the one-piece rotor portion of FIG. 1.
  • Fig. 3 is a side view of a rolling tool apparatus
  • FIG. 4 shows the rolling tool device according to FIG. 3 in a view IV marked in more detail in FIG. 3.
  • Fig. 1 shows a longitudinal sectional view of a jet engine ⁇ plant 1, which is designed with a bypass duct 2. Furthermore, the jet engine 1 is formed with an inlet region 3, which is followed downstream by a fan 4 in a manner known per se. Again downstream of the fan 4, the fluid flow in the jet engine 1 is divided into a secondary flow and a core flow, wherein the secondary flow through the bypass channel 2 and the core flow into an engine core ⁇ 5 flows, in turn, in a conventional manner with a compressor device 6, a burner 7 and a turbine device 8 is executed.
  • FIG. 2 is an enlarged detail view of a ⁇ lumpy rotor portion 9 of the compressor device 6 is shown, which comprises an annular base body 10 and a plurality of circumferentially distributed blade elements 11, which extend substantially radially from the base body 10.
  • the integral rotor section 9 constitutes a so-called blisk, which is an integrally bladed rotor construction.
  • the term blisk is composed of the English words "blade” for shovel and "disk” for disc.
  • the disk or the annular base body 10 and the Schau ⁇ feletti 11 are made of one piece, which accounts for more ⁇ lumped rotor sections provided blade roots and pulleys.
  • the one-piece rotor region 9 is characterized by a significantly smaller number of parts compared to conventionally bladed compressor rotors and the disk shape of the annular base body 10 is designed for a lower edge load. This results in that the Ge ⁇ weight of the one-piece rotor portion 9 is reduced in conjunction with the use of lightweight materials, by up to 50% compared to conventional rotor areas. The amount of boardsre ⁇ duzierung in each case is dependent on the geometry of the compressor means. 6
  • the surface 13 or the annulus of the main body 10 between the blade elements 11 is preferably also firmly rolled by means of a single-finger rolling tool.
  • each upper ⁇ surface areas of the integral rotor portion 9 are solidified by increasing the dislocation density and the edge layer of the rotor portion 9 cured.
  • the hardening of the surface layer reduces the risk of cracks resulting from foreign body damage as well as vibration loads.
  • the introduced into the material by the deep rolling compressive stresses result in the region of the rotor portion 9 to counteract that this a crack propagation ⁇ step after formation of a crack and thus have a positive effect as regards the fatigue strength and thus with respect to the life of the jet engine. 1
  • the one-piece rotor portion 9 through the deep rolling process, a high surface quality with a clotting ⁇ gen surface roughness, the 9 without the need for further subsequent to the solidification process process step to a positive effect on the aerodynamic quality of the blade members 11 and of the entire rotor area smoothing the surface has.
  • FIGS. 3 and 4 each show a side view of a rolling tool 14 for deep rolling the longitudinal sides or the velvet surface of the blade elements 11 of the rotor portion 9 shown.
  • the rolling tool 14 comprises a tool carrier 15 which is connectable to a carrier spindle 16 of a machine tool in dar ⁇ spaem extent.
  • Two pliers body 17, 18 of the rolling tool 14 in the region of a pivot bearing 19 are rotatably connected to the tool carrier 15, wherein the pliers body 17, 18 are coupled via a presently acting as a single-acting piston-cylinder unit drive means 20 and a distance between Wälz Schemeen 21, 22 is reduced as a function of a drive device-side rotational movement of the tong body 17 and 18 about the pivot bearing 19.
  • the hydraulic pressure is applied to the drive device 20 and a piston element 23 moves out of a cylinder element 24 of the drive device 20 due to the applied hydraulic pressure, whereby a distance between the ends 25 facing away from the rolling regions 21 and 22 results from such a change in operating state of the drive device 20 and 26 the pliers body 17 and 18 is increased, while the distance between the Wälz Schemeen 21 and 22 is reduced in accordance with the geometric conditions in dependence of the rotational movement of the pliers body 17 and 18 to the pivot bearing 19 around.
  • the pliers body 17 and 18 are each rotatably connected to the drive device 20 in the region of their ends 25 and 26.
  • a distance between the rolling areas 21 and 22 remains the same.
  • the pliers body 17 and 18 are connected via piston elements 28 and 29 with the tool carrier 15 in operative connection, wherein the pliers body 17 and 18 of the piston elements 28 and 29 relative to the tool carrier 15 about the pivot bearing 19 in a relation to the tool carrier 15 and in FIG. Defined zero position shown 3 are reset when a Zan ⁇ gen Sciences 17 and 18 together about the pivot bearing 19 twisting rotational force is substantially equal to zero.
  • the forceps bodies 17 and 18, a presently two spring means 30 and 31 comprehensive rear part ⁇ device 32 assigned, via a distance between the rolling areas 21 and 22 by reset device-side turning the tong body 17 and 18 in the direction of a maximum value is variable.
  • the Wälz Symposiume 21 and 22 comprise present each a ball element 33, 34 which are respectively in support portions placed ⁇ accepted and can be acted upon in a known manner with hydrau ⁇ lischem pressure to the blade elements 11 with the required Wälzkraft via the ball members To act on 33 and 34.
  • the holding areas 35 and 36 are in the present case connected to the pliers bodies 17 and 18 fixedly via screw connections and at least approximately finger-like executed Adapterele- Inserted elements 37 and 38 and preferably screwed with grub screws with these.
  • the adapter elements 37 and 38 are each interchangeable, whereby over the rolling tool 14 different Eingriffstie ⁇ fen in the radial direction between the blade elements 11 can be realized.
  • designed adapter elements 37 and 38 are connected to the tong bodies 17 and 18 also in respect of the portable pressure or Wälzkraft, wherein thinner adapter elements are insertable into narrower areas between the cast ⁇ felimplantationn. 11
  • thinner blade elements 11 are acted upon with slimmer adapter elements 37 and 38 with lower rolling or compressive forces, since the adapter elements 37 and 38 then have a certain elasticity ⁇ and the maximum rolling force is limited by the elasticity of the adapter elements 37 and 38.
  • a complete through ⁇ fixing of the blade members can be avoided during the deep rolling by limiting the maximum rolling force, since too high a compressive stress generates a Switzerlandschreibsmaximum during the rolling process in the mitt ⁇ sized area of the blade members 11, which promotes ⁇ supply stress cracking from the inside out in oscillations.
  • this is undesirable because of deterioration of a life of the vane elements 11.
  • axis 39 of the support spindle 16 connected to the tool carrier 15 operating state between the Wälz Schemeen 21 and 22nd by a contact point between the rolling areas 21 and 22 which is equal to zero at a distance between the rolling areas 21 and 22.
  • the axis or the spindle support axis 29 and an axis through the contact point between the Wälz Schemeen 21 and 22 congruent, whereby the programming of the rolling process is substantially simplified.
  • a distance between the rolling regions 21 and 22 can only be reduced by the drive device 20 to a defined limit value.
  • the two ball elements 33 and 34 are by corresponding rotation or pivoting of the pliers body 17 and 18 and thus the adapter elements 37 and 38 are not brought into contact with each other, whereby damage to the rolling tool 14 are excluded in a simple manner.
  • the rolling tool 14 By means of the rolling tool 14 are integrally bladed disks and rotors of jet engines at low cost festwalzbar. Due to the quick and easy replacement of the adapter elements 37 and 38, the rolling tool 14 can be used with short set-up times for differently geometrically designed rotor regions, wherein different cutting depths between blade elements as well as different processing forces during the rolling process on differently designed components with high security and process capability are darstell ⁇ bar.
  • the rolling tool 14 By means of the pliers design of the rolling tool 14 is a treatment of blade elements or of Aerofoils of integral rotor sections from Tip to Fillet possible, with a simultaneous deep rolling of the pressure and suction sides of blade elements to avoid an inherent tension delay is provided.
  • the surface of the base body between the blade elements or the annulus by means of a single tool is festwalzbar.
  • the rolling tool 14 can be integrated into any known machining center. In contrast to a post-consolidation by means of shot peening, there are no expensive systems to procure.
  • the Nachverfest Trent Runaway can be, for example, in conventional milling by means of the rolling die 14 ⁇ leads.
  • the milling centers are equipped with the rolling tool 14 and the surfaces of one-piece rotor sections are processed analogously to milling with the deep rolling tool 14 Be ⁇ rich their surface.
  • the turbine apparatus The turbine apparatus

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Abstract

Es wird eine Walzwerkzeugvorrichtung (14) zum Festwalzen von insbesondere Schaufelelementen eines Rotorbereiches eines Strahltriebwerkes mit einem Werkzeugträger (15) beschrieben. Der Werkzeugträger (15) ist mit einer Trägerspindel (16) verbindbar. Des Weiteren sind mit dem Werkzeugträger (15) zwei Zangenkörper (17, 18) drehbar verbunden. Die Zangenkörper (17, 18) sind jeweils mit einem Wälzbereich (21, 22) ausgeführt, wobei ein Abstand zwischen den Wälzbereichen in Abhängigkeit einer Drehbewegung der Zangenkörper (17, 18) variierbar ist. Erfindungsgemäß verläuft eine Achse (39) der Trägerspindel (16) in mit dem Werkzeugträger (15) verbundenem Zustand zwischen den Wälzbereichen (21, 22) durch einen bei einem Abstand zwischen den Wälzbereichen (21, 22) gleich Null vorliegenden Berührungspunkt zwischen den Wälzbereichen (21, 22) hindurch.

Description

WALZWERKZEUGVORRICHTUNG ZUM FESTWALZEN VON INSBESONDERE SCHAUFELELEMENTEN
ROTORBEREICHES EINES STRAHLTRIEBWERKES
Die Erfindung betrifft eine Walzwerkzeugvorrichtung gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten
Art.
Aus der Praxis bekannte Walzwerkzeugvorrichtungen zum Festwalzen von insbesondere Schaufelelementen eines Rotorbereiches eines Strahltriebwerkes sind üblicherweise mit einem
Werkzeugträger ausgeführt, der mit einer Trägerspindel ver¬ bindbar ist und mit dem zwei Zangenkörper wiederum drehbar verbunden sind. Die Zangenkörper sind jeweils mit einem Wälzbereich ausgeführt, wobei ein Abstand zwischen den Wälzberei¬ chen in Abhängigkeit einer Drehbewegung der Zangenkörper gegenüber dem Werkzeugträger variierbar ist. Mittels derartiger
Walzwerkzeugvorrichtungen bzw. mit solchen Zangenwerkzeugen besteht die Möglichkeit, Schaufelelemente bzw. dünnwandige
Bauteile gleichzeitig von beiden Seiten des dünnwandigen Bau¬ teiles zu bearbeiten und dabei glatt- bzw. festzuwalzen .
Schaufelelemente werden über die Walzwerkzeugvorrichtungen durch einen axialen Eingriff ausgehend von der Schaufelvorderkante über eine in Strömungsrichtung liegende Bearbei¬ tung über Festwalzen nachverfestigt, um eine Beständigkeit der
Schaufelelemente gegenüber Fremdkörperschädigungen und auch
Schwingungsbelastungen zu erhöhen.
Die aus der Praxis bekannten Walzwerkzeugvorrichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass eine Achse der Träger¬ spindel in mit dem Werkzeugträger verbundenem Zustand einen
Achsversatz zu einer durch einen Berührungspunkt zwischen den
Wälzbereichen und dem zu bearbeitenden Bauteil, wie einem
Schaufelelement, aufweist, wodurch insbesondere eine CAD-CAM- Programmierung und eine spätere Implementierung der Fertigungsprogramme mittels eines Postprozessors auf ein Mehrachs- bearbeitungszentrum sehr aufwendig sind und daher Fertigungskosten in unerwünschtem Umfang erhöhen. Die aus dem Achsversatz zwischen der Spindelträgerachse und der durch den Berührungspunkt zwischen den Wälzbereichen und dem zu bearbeitenden Bauteil gelegten Berührungsachse resultierende Komplexität ergibt sich aus der Tatsache, dass bei einem Verschwenken der Walzwerkzeugvorrichtung durch die Trägerspindel während der Bearbeitung von Freiformflächen eines Werkstückes sich die Lage des Berührungspunktes gegenüber der Spindelträgerachse permanent ändert, was bei der Programmierung des Fertigungsab¬ laufes durch entsprechende Anpassung der sich ständig ändernden Vektoren zu berücksichtigen ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Walzwerkzeugvorrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels welcher eine Programmierung und spätere Implementie¬ rung von Fertigungsprogrammen in Mehrachsbearbeitungszentren mit möglichst geringem Aufwand durchführbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Walzwerk¬ zeugvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Walzwerkzeugvorrichtung zum Festwal¬ zen von insbesondere Schaufelelementen eines Rotorbereiches eines Strahltriebwerkes weist einen Werkzeugträger auf, der mit einer Trägerspindel verbindbar ist und mit dem zwei Zan¬ genkörper drehbar verbunden sind. Die Zangenkörper sind jeweils mit einem Wälzbereich ausgeführt und ein Abstand zwi¬ schen den Walzbereichen ist in Abhängigkeit einer Drehbewegung der Zangenkörper variierbar. Um eine Programmierung und eine spätere Implementierung der Fertigungsprogramme in Mehrachsbearbeitungszentren im Vergleich zu aus der Praxis bekannten Walzwerkzeugvorrichtungen zu vereinfachen, verläuft eine Achse der Trägerspindel bei der erfindungsgemäßen Walzwerkzeugvorrichtung in mit dem Werkzeugträger verbundenem Zustand zwischen den Wälzbereichen durch einen bei einem Abstand zwischen den Wälzbereichen gleich Null vorliegenden Berührungspunkt zwischen den Wälzbereichen hindurch, womit die Achse der Trägerspindel und eine Berührungs¬ linie zwischen der Walzwerkzeugvorrichtung und einem zu bearbeitenden Bauteil im Wesentlichen deckungsgleich sind. Damit sind insbesondere während der Bearbeitung von Freiformflächen eines Werkstückes keine wechselnden Lageveränderungen und daraus resultierende sich ständig ändernde Vektoren bei der Pro¬ grammierung des Fertigungsverlaufes zu berücksichtigen.
Bei einer vorteilhaften Aus führungs form der erfindungsgemäßen Walzwerkzeugvorrichtung sind die Zangenkörper um ein gemeinsames Drehlager gegenüber dem Werkzeugträger verdrehbar ausgeführt, wobei ein Abstand zwischen den Wälzbereichen während einer Drehbewegung der Zangenkörper um das gemeinsame Drehlager gleich bleibt. Damit ist gewährleistet, dass bei Anlage der Wälzbereiche an einem vorzugsweise dünnwandigen Bauteil, wie einem Schaufelelement eines Rotorbereiches eines Strahltriebwerkes, eine durch die Anlage der Wälzbereiche be¬ dingte Verformung des zu bearbeitenden Bauteiles vermieden wird. Zusätzlich sind durch die gemeinsame Verdrehbarkeit der Zangenkörper und damit auch der Wälzbereiche Oberflächenberei¬ che einer Freiflächenform für die Wälzbereiche anfahrbar, die ohne die gemeinsame Drehbarkeit der Zangenkörper nicht er¬ reichbar wären.
Stehen die Zangenkörper über Kolbenelemente mit dem Werkzeugträger in Wirkverbindung, mittels welchen die Zangenkörper gegenüber dem Werkzeugträger um das Drehlager in eine in Bezug auf den Werkzeugträger definierte Nulllage verdrehbar sind, ist die Walzwerkzeugvorrichtung mit geringem Steuer- und Regelaufwand betreibbar, da die Nulllage der Zangenkörper in Bezug auf den Werkzeugträger jeweils automatisiert eingelegt wird .
Bei einer ebenfalls mit geringem Steuer- und Regelaufwand betreibbaren Aus führungsform der erfindungsgemäßen Walzwerkzeugvorrichtung sind die Zangenkörper über eine Antriebseinrichtung miteinander gekoppelt und der Abstand zwischen den Wälzbereichen ist in Abhängigkeit einer antriebseinrichtungs- seitigen Drehbewegung der Zangenkörper zueinander reduzierbar.
Bei einer konstruktiv einfachen und kostengünstigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Walzwerkzeugvorrichtung ist die Antriebseinrichtung als eine einfach wirkende Kolben- Zylinder-Einheit ausgebildet.
Ist den Zangenkörpern eine RückStelleinrichtung zugeordnet, über die ein Abstand zwischen den Wälzbereichen durch rückstellungseinrichtungsseitiges Drehen der Zangenkörper zu¬ einander in Richtung eines maximalen Wertes veränderbar ist, ist der Eingriff zwischen den Wälzbereichen der Walzwerkzeugvorrichtung und dem jeweils zu bearbeitenden Bauteil in gewünschtem Umfang aufhebbar.
Sind die Wälzbereiche mit den Zangenkörpern über Adapterelemente verbindbar, sind über die Walzwerkzeugvorrichtung vorzugsweise verschiedene radiale Eingriffstiefen durch unter¬ schiedlich ausgeführte Adapterelemente und auch verschieden hohe Wälzkräfte für das jeweils zu bearbeitende Bauteil mit geringem konstruktiven Aufwand auf kostengünstige Art und Wei¬ se darstellbar. Umfassen die Wälzbereiche jeweils ein Kugelelement, liegt zwischen den Wälzbereichen und dem jeweils zu bearbeitenden Bauteil jeweils eine Punktberührung vor, über die bei vergleichsweise geringen Kräften eine hohe Flächenpressung erzwingbar und damit eine hohe Eigenspannung in oberflächennahe Bereiche des zu bearbeitenden Bauteiles bei gleichzeitig hoher Oberflächengüte einbringbar sind.
Ist ein Abstand zwischen den Wälzbereichen über die Antriebseinrichtung bis auf einen definierten Grenzwert reduzierbar, ist auf einfache Art und Weise gewährleistet, dass sich die Wälzbereiche selbst bei Erreichen eines maximalen Verfahrweges nicht berühren und Beschädigungen der Walzwerkzeugvorrichtung auf einfache Art und Weise vermieden sind.
Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die im nachfolgenden Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Walzwerkzeugvorrichtung angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzu¬ bilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildung des Gegenstandes nach der Erfindung keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Aus führungs formen des erfindungsgemäßen Gegenstandes ergeben sich aus den Patentansprüchen und dem nachfolgend unter Bezugnahme auf Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel. Es zeigt:
Fig. 1 eine stark schematisierte Längsschnittansicht eines Strahltriebwerks, das mit einem einstü¬ ckigen Rotorbereich ausgeführt ist;
Fig. 2 eine vergrößerte Einzeldarstellung eines Schau¬ felelementes des einstückigen Rotorbereiches gemäß Fig. 1 ;
Fig. 3 eine Seitenansicht einer Walzwerkzeugvorrichtung; und
Fig. 4 die Walzwerkzeugvorrichtung gemäß Fig. 3 in einer in Fig. 3 näher gekennzeichneten Ansicht IV.
Fig. 1 zeigt eine Längsschnittansicht eines Strahltrieb¬ werkes 1, das mit einem Nebenstromkanal 2 ausgeführt ist. Des Weiteren ist das Strahltriebwerk 1 mit einem Einlaufbereich 3 ausgebildet, an den sich stromab ein Bläser 4 in an sich bekannter Art und Weise anschließt. Wiederum stromab des Bläsers 4 teilt sich der Fluidstrom im Strahltriebwerk 1 in einen Nebenstrom und einen Kernstrom auf, wobei der Nebenstrom durch den Nebenstromkanal 2 und der Kernstrom in einen Triebwerks¬ kern 5 strömt, der wiederum in an sich bekannter Art und Weise mit einer Verdichtereinrichtung 6, einem Brenner 7 und einer Turbineneinrichtung 8 ausgeführt ist.
In Fig. 2 ist eine vergrößerte Einzelansicht eines ein¬ stückigen Rotorbereiches 9 der Verdichtereinrichtung 6 dargestellt, der einen ringförmigen Grundkörper 10 und mehrere über den Umfang verteilte Schaufelelemente 11 umfasst, die sich im Wesentlichen vom Grundkörper 10 radial erstrecken. Der einstückige Rotorbereich 9 stellt ein so genanntes Blisk dar, das eine integral beschaufelte Rotor-Konstruktion ist. Der Begriff Blisk setzt sich aus den englischen Worten „Blade" für Schaufel und „Disk" für Scheibe zusammen. Die Scheibe bzw. der ringförmige Grundkörper 10 sowie die Schau¬ felelemente 11 sind aus einem Stück gefertigt, womit bei mehr¬ stückig ausgeführten Rotorbereichen vorgesehene Schaufelfüße und Scheibennuten entfallen. Der einstückige Rotorbereich 9 ist gegenüber konventionell beschaufelten Verdichterrotoren durch eine erheblich geringere Teilezahl gekennzeichnet und die Scheibenform des ringförmigen Grundkörpers 10 ist für eine geringere Randlast ausgelegt. Dies führt dazu, dass das Ge¬ wicht des einstückigen Rotorbereiches 9 in Verbindung mit dem Einsatz leichter Werkstoffe um bis zu 50 % gegenüber herkömmlichen Rotorbereichen reduziert ist. Die Höhe der Gewichtsre¬ duzierung ist dabei jeweils abhängig von der Geometrie der Verdichtereinrichtung 6.
Ein weiterer positiver Effekt ist, dass die Schaufelele¬ mente 11 des integral beschaufelten Rotorbereiches 9 mit ge¬ ringerem Abstand zueinander anordenbar sind, wodurch eine maximal mögliche Verdichtung und der Wirkungsgrad verbesserbar ist .
Um die Verdichtereinrichtung 6 bzw. den einstückigen Rotorbereich 9 gegenüber Fremdkörperschäden und auch Schwingungsbelastungen bei gleichzeitig geringem Eigengewicht auszu¬ führen, werden in die Schaufelelemente 11 über eine jeweils radial zwischen die Schaufelelemente 11 eingreifende und in Fig. 3 und Fig. 4 näher gezeigte Walzwerkzeugvorrichtung 14 bzw. ein Walzwerkzeug durch Festwalzen in oberflächennahen Bereichen Eigenspannungen eingebracht, wobei jeweils die ge¬ samte Oberfläche eines jeden Schaufelelementes 11 festgewalzt wird. Zusätzlich werden auch Übergangsbereiche 12 bzw. Fillets zwischen den Oberflächen der Schaufelelemente 11 und einer Oberfläche 13 des Grundkörpers 10 zwischen den Schaufelelementen 11 mittels eines so genannten und in der Zeichnung nicht näher dargestellten Einfingerwalzwerkzeuges festgewalzt.
Des Weiteren wird auch die Oberfläche 13 bzw. der Annulus des Grundkörpers 10 zwischen den Schaufelelementen 11 bevorzugt mittels eines Einzelfingerwalzwerkzeuges festgewalzt.
Über das Festwalzen der Oberflächen der Längsseiten und der Kanten der Schaufelelemente 11, der Übergangsbereiche 12 und der Oberfläche 13 des Grundkörpers 10 werden jeweils ober¬ flächennahe Bereiche des einstückigen Rotorbereiches 9 durch Erhöhen der Versetzungsdichte verfestigt und die Randschicht des Rotorbereiches 9 gehärtet. Die Härtung der Randschicht verringert das Risiko von Anrissen, die aus einer Fremdkörperschädigung sowie aus Schwingungsbelastungen resultieren. Darüber hinaus führen die ins Material durch das Festwalzen eingebrachten Druckeigenspannungen im Bereich des Rotorbereiches 9 dazu, dass diese nach Bildung eines Risses einem Rissfort¬ schritt entgegenwirken und somit einen positiven Effekt hinsichtlich der Dauerschwingfestigkeit und damit bezüglich der Lebensdauer des Strahltriebwerkes 1 haben.
Des Weiteren weist der einstückige Rotorbereich 9 durch den Festwalzprozess eine hohe Oberflächengüte mit einer gerin¬ gen Oberflächenrauheit auf, die einen positiven Effekt auf die aerodynamische Güte der Schaufelelemente 11 sowie des gesamten Rotorbereiches 9 ohne das Erfordernis eines weiteren sich an den Verfestigungsprozess anschließenden Prozessschrittes zur Glättung der Oberfläche hat.
In Fig. 3 und Fig. 4 ist jeweils eine Seitenansicht eines Walzwerkzeuges 14 zum Festwalzen der Längsseiten bzw. der ge- samten Oberfläche der Schaufelelemente 11 des Rotorbereiches 9 gezeigt. Das Walzwerkzeug 14 umfasst einen Werkzeugträger 15, der mit einer Trägerspindel 16 einer Werkzeugmaschine in dar¬ gestelltem Umfang verbindbar ist. Mit dem Werkzeugträger 15 sind zwei Zangenkörper 17, 18 des Walzwerkzeuges 14 im Bereich eines Drehlagers 19 drehbar verbunden, wobei die Zangenkörper 17, 18 über eine vorliegend als einfach wirkende Kolben- Zylinder-Einheit ausgeführte Antriebseinrichtung 20 gekoppelt sind und ein Abstand zwischen Wälzbereichen 21, 22 in Abhängigkeit einer antriebseinrichtungsseitigen Drehbewegung der Zangenkörper 17 und 18 um das Drehlager 19 reduziert wird. Hierfür wird die Antriebseinrichtung 20 mit Hydraulikdruck beaufschlagt und ein Kolbenelement 23 aufgrund des anliegenden Hydraulikdrucks aus einem Zylinderelement 24 der Antriebsein¬ richtung 20 heraus verfahren, wobei bei einer solchen Be- triebszustandsänderung der Antriebseinrichtung 20 ein Abstand zwischen den den Wälzbereichen 21 und 22 abgewandten Enden 25 und 26 der Zangenkörper 17 und 18 vergrößert wird, während der Abstand zwischen den Wälzbereichen 21 und 22 entsprechend den geometrischen Gegebenheiten in Abhängigkeit der Drehbewegung der Zangenkörper 17 und 18 um das Drehlager 19 herum verringert wird. Die Zangenkörper 17 und 18 sind im Bereich ihrer Enden 25 und 26 jeweils drehbar mit der Antriebseinrichtung 20 verbunden .
Zusätzlich sind die beiden Zangenkörper 17 und 18 um das Drehlager 19 herum um eine in Bezug auf die Zeichenebene in Hochrichtung ausgerichtete Drehachse 27 zusätzlich drehbar am Werkzeugträger 15 befestigt, um bei Anlage der Wälzbereiche 21 und 22 an einem Schaufelelement 11 die Zangenkörper 17 und 18 verschwenken zu können und eine durch die Anlage der Wälzbereiche 21 und 22 am Schaufelelement bedingte Verformung der Schaufelelemente 11 jeweils zu vermeiden. Während der gemein¬ samen Verdrehung der Zangenkörper 17 und 18 um das Drehlager 19 gegenüber dem Werkzeugträger 15 bleibt ein Abstand zwischen den Wälzbereichen 21 und 22 gleich. Des Weiteren ist durch die gemeinsame Verdrehbarkeit der beiden Zangenkörper 17 und 18 um das Drehlager 19 auch gewährleistet, dass die jeweils ein Schaufelprofil aufweisenden Schaufelelemente 11 über ihre ge¬ samte Oberfläche mittels des Walzwerkzeuges 14 festwalzbar sind .
Die Zangenkörper 17 und 18 stehen über Kolbenelemente 28 und 29 mit dem Werkzeugträger 15 in Wirkverbindung, wobei die Zangenkörper 17 und 18 von den Kolbenelementen 28 und 29 gegenüber dem Werkzeugträger 15 um das Drehlager 19 in eine in Bezug auf den Werkzeugträger 15 und in Fig. 3 dargestellte definierte Nulllage zurückgestellt werden, wenn eine die Zan¬ genkörper 17 und 18 gemeinsam um das Drehlager 19 verdrehende Drehkraft im Wesentlichen gleich Null ist.
Des Weiteren ist den Zangenkörpern 17 und 18 eine vorliegend zwei Federeinrichtungen 30 und 31 umfassende Rücksteil¬ einrichtung 32 zugeordnet, über die ein Abstand zwischen den Wälzbereichen 21 und 22 durch rückstelleinrichtungsseitiges Drehen der Zangenkörper 17 und 18 in Richtung eines maximalen Wertes veränderbar ist.
Die Wälzbereiche 21 und 22 umfassen vorliegend jeweils ein Kugelelement 33, 34, die jeweils in Haltebereichen aufge¬ nommen sind und in an sich bekannter Art und Weise mit hydrau¬ lischem Druck beaufschlagbar sind, um die Schaufelelemente 11 mit der jeweils erforderlichen Wälzkraft über die Kugelelemente 33 und 34 beaufschlagen zu können.
Die Haltebereiche 35 und 36 sind vorliegend in mit den Zangenkörpern 17 und 18 fest über Verschraubungen verbundenen und wenigstens annähernd fingerartig ausgeführte Adapterele- mente 37 und 38 eingeschoben und vorzugsweise über Madenschrauben mit diesen verschraubt.
Die Adapterelemente 37 und 38 sind jeweils wechselbar, womit über das Walzwerkzeug 14 unterschiedliche Eingriffstie¬ fen in radialer Richtung zwischen den Schaufelelementen 11 realisierbar sind. Zusätzlich sind auch hinsichtlich der übertragbaren Druck- bzw. Wälzkraft ausgelegte Adapterelemente 37 und 38 mit den Zangenkörpern 17 und 18 verbindbar, wobei dünnere Adapterelemente in schmälere Bereiche zwischen den Schau¬ felelementen 11 einführbar sind. Dabei werden dünnere Schaufelelemente 11 mit schlankeren Adapterelementen 37 und 38 auch mit geringeren Walz- bzw. Druckkräften beaufschlagt, da die Adapterelemente 37 und 38 dann eine gewisse Elastizität auf¬ weisen und die maximale Wälzkraft durch die Elastizität der Adapterelemente 37 und 38 begrenzt ist. Eine komplette Durch¬ festigung der Schaufelelemente ist während des Festwalzens durch Begrenzung der maximalen Walzkraft vermeidbar, da eine zu hohe Druckbeanspruchung während des Wälzvorganges im mitt¬ leren Bereich der Schaufelelemente 11 ein Zugspannungsmaximum erzeugt, welches eine Rissbildung von innen heraus bei Schwin¬ gungsbelastungen begünstigt. Dies ist jedoch aufgrund einer Verschlechterung einer Lebensdauer der Schaufelelemente 11 nicht erwünscht.
Die während des Festwalzens jeweils in den Rotorbereich eingebrachte Wälzkraft ist über eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte Druckregelungseinheit in gewünschtem Umfang an jeder Stelle eines Schaufelelementes 11 und auch in den Übergangsbereichen 12 sowie der restlichen Oberfläche 13 des Grundkörpers 10 durch Regeln des an den Wälzbereichen 21, 22 anliegenden hydraulischen Drucks variierbar, um den Rotorbereich 9 im gewünschtem Umfang durch Erzeugen der an jeder Stelle des Rotorbereiches 9 nötigen optimalen Druckeigenspan- nungen verfestigen zu können und eine Verbesserung hinsichtlich der Haltbarkeit der Schaufeln zu erzielen.
Um beispielsweise eine einem Festwalzvorgang mittels des Walzwerkzeuges 14 vorgeschaltete CAD-CAM-Programmierung und eine spätere Implementierung der Fertigungsprogramme mittels eines Postprozessors auf ein Mehrachsbearbeitungszentrum zu vereinfachen, verläuft eine Achse 39 der Trägerspindel 16 in mit dem Werkzeugträger 15 verbundenem Betriebszustand zwischen den Wälzbereichen 21 und 22 durch einen bei einem Abstand zwischen den Wälzbereichen 21 und 22 gleich Null vorliegenden Berührungspunkt zwischen den Wälzbereichen 21 und 22 hindurch. Damit sind die Achse bzw. die Spindelträgerachse 29 und eine Achse durch den Berührungspunkt zwischen den Wälzbereichen 21 und 22 deckungsgleich, womit die Programmierung des Walzverfahrens wesentlich vereinfacht wird.
Um eine Beschädigung der zu bearbeitenden Schaufelelemente 11 und auch des Walzwerkzeuges 14 selbst zu vermeiden, ist ein Abstand zwischen den Wälzbereichen 21 und 22 über die Antriebseinrichtung 20 nur bis auf einen definierten Grenzwert reduzierbar. Die beiden Kugelelemente 33 und 34 sind durch entsprechendes Drehen bzw. Schwenken der Zangenkörper 17 und 18 und damit der Adapterelemente 37 und 38 nicht miteinander in Anlage bringbar, womit Beschädigungen des Walzwerkzeuges 14 auf einfache Art und Weise ausgeschlossen sind.
Mittels des Walzwerkzeuges 14 sind integral beschaufelte Scheiben und Rotoren von Strahltriebwerken mit geringen Kosten festwalzbar. Durch den schnellen und einfachen Austausch der Adapterelemente 37 und 38 ist das Walzwerkzeug 14 mit geringen Rüstzeiten für verschieden geometrisch ausgeführte Rotorbereiche einsetzbar, wobei neben unterschiedlichen Eingriffstiefen zwischen Schaufelelementen auch unterschiedliche Bearbeitungs- kräfte während des Walzprozesses an verschieden ausgeführten Bauteilen mit hoher Sicherheit und Prozessfähigkeit darstell¬ bar sind.
Mittels der Zangenausführung des Walzwerkzeuges 14 ist eine Behandlung von Schaufelelementen bzw. von Aerofoils von einstückigen Rotorbereichen von Tip bis Fillet möglich, wobei ein gleichzeitiges Festwalzen der Druck- und Saugseiten von Schaufelelementen zur Vermeidung eines eigenspannungsbedingten Verzuges vorgesehen ist.
Zusätzlich ist mittels verschiedener Einzelwerkzeuge die Bearbeitung der Fillets bzw. der Übergangsbereiche zwischen der Oberfläche der Schaufelelemente und der Oberfläche des Grundkörpers zwischen den Schaufelelementen auf der Saug- und auf der Druckseite in gewünschtem Umfang durchführbar. Des Weiteren ist die Oberfläche des Grundkörpers zwischen den Schaufelelementen bzw. der Annulus mittels eines Einzelwerkzeuges festwalzbar.
Grundsätzlich ist das Walzwerkzeug 14 in jedes bekannte Bearbeitungszentrum integrierbar. Im Unterschied zu einer Nachverfestigung mittels Kugelstrahlen sind keine teuren Anlagen zu beschaffen. Die Nachverfestigung kann mittels des Walzwerkzeuges 14 beispielsweise in gängigen Fräszentren durchge¬ führt werden. Die Fräszentren werden mit dem Walzwerkzeug 14 bestückt und die Oberflächen von einstückigen Rotorbereichen werden analog zum Fräsen mit dem Festwalzwerkzeug 14 im Be¬ reich ihrer Oberfläche bearbeitet. Bezugs zeichenliste
Strahltriebwerk
Nebenstromkanal
Einlaufbereich
Bläser
Triebwerkskern
Verdichtereinrichtung
Brenner
Turbineneinrichtung
einstückiger Rotorbereich ringförmiger Grundkörper
Schaufelelement
Übergangsbereich
Oberfläche des Grundkörpers
Walzwerkzeug
Werkzeugträger
Trägerspindel, 18 Zangenkörper
Drehlager
Antriebseinrichtung
, 22 Wälzbereich
Kolbenelement
Zylinderelement
Ende des Zangenkörpers 17
Ende des Zangenkörpers 18
Drehachse
, 29 Kolbenelement
, 31 Federelement
Rücksteileinrichtung
, 34 Kugelelement
, 36 Haltebereich
, 38 Adapterelement
Achse

Claims

Patentansprüche
1. Walzwerkzeugvorrichtung (14) zum Festwalzen von insbesondere Schaufelelementen (11) eines Rotorbereiches (9) ei¬ nes Strahltriebwerkes (1) mit einem Werkzeugträger (15), der mit einer Trägerspindel (16) verbindbar ist und mit dem zwei Zangenkörper (17, 18) drehbar verbunden sind, wobei die Zangenkörper (17, 18) jeweils mit einem Wälzbe¬ reich (21, 22) ausgeführt sind, und wobei ein Abstand zwischen den Wälzbereichen (21, 22) in Abhängigkeit einer Drehbewegung der Zangenkörper (17, 18) variierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Achse (39) der Träger¬ spindel (16) in mit dem Werkzeugträger (15) verbundenem Zustand zwischen den Wälzbereichen (21, 22) durch einen bei einem Abstand zwischen den Wälzbereichen (21, 22) gleich Null vorliegenden Berührungspunkt zwischen den Wälzbereichen (21, 22) hindurch verläuft.
2. Walzwerkzeugvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zangenkörper (17, 18) um ein gemeinsa¬ mes Drehlager (19) gegenüber dem Werkzeugträger (15) verdrehbar ausgeführt sind, wobei ein Abstand zwischen den Wälzbereichen (21, 22) während einer Drehbewegung der Zangenkörper (17, 18) um das gemeinsame Drehlager (19) gleich bleibt.
3. Walzwerkzeugvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zangenkörper (17, 18) über Kolbenele¬ mente mit dem Werkzeugträger (15) in Wirkverbindung stehen, mittels welchen die Zangenkörper (17, 18) gegenüber dem Werkzeugträger (15) um das Drehlager (19) in eine in Bezug auf den Werkzeugträger (15) definierte Nulllage verdrehbar sind.
4. Walzwerkzeugvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zangenkörper (17, 18) über eine Antriebseinrichtung (20) miteinander gekoppelt sind und der Abstand zwischen den Wälzbereichen (21, 22) in Abhängigkeit einer antriebseinrichtungsseitigen Drehbewegung der Zangenkörper (17, 18) zueinander reduzierbar ist .
5. Walzwerkzeugvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (20) eine einfachwirkende Kolben-Zylinder-Einheit ist.
6. Walzwerkzeugvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Zangenkörpern (17, 18) eine Rücksteileinrichtung (32) zugeordnet ist, über die ein Abstand zwischen den Wälzbereichen (21, 22) durch rückstelleinrichtungsseitiges Drehen der Zangenkörper (17, 18) zueinander in Richtung eines maximalen Wertes veränderbar ist.
7. Walzwerkzeugvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzbereiche (21, 22) mit den Zangenkörpern (17, 18) über Adapterelemente (37, 38) verbindbar sind. Walzwerkzeugvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzbereiche (21, 22) jeweils ein Kugelelement (33, 34) umfassen.
Walzwerkzeugvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen den Wälzbereichen (21, 22) über die Antriebseinrichtung (20) bis auf einen definierten Grenzwert reduzierbar ist.
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