Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine zur Fräsbearbeitung von elastisch verformbaren metallischen Werkstücken wie Turbinenschaufeln und dergleichen, umfassend eine Bearbeitungseinheit, in welche ein Fräswerkzeug einsetzbar ist und die mit einer Antriebseinheit zur Erzeugung von Bewegungen des Werkzeuges versehen ist, sowie eine Spannvorrichtung zur Aufnahme des Werkstückes während einer Bearbeitung, welche mit Spannflächen versehen ist, die zur flächigen Anlage am Werkstück vorgesehen sind.
Die Erfindung betrifft ausserdem eine Spannvorrichtung für die Fräsbearbeitung von Werkstücken, die an Stellen gespannt werden sollen, an denen ihre Oberfläche in mehreren Richtungen Krümmungen aufweisen. Von der Erfindung ist auch ein Fertigungsverfahren erfasst, das zur Fräsbearbeitung von Turbinenschaufeln dient.
Insbesondere bei der Bearbeitung von kompliziert geformten, da beispielsweise mehrfach gekrümmten, Werkstücken stellt sich sehr häufig das Problem, dass die Art und Weise der Einspannung der Werkstücke in der Werkzeugmaschine sehr entscheidend Einfluss auf die Qualität des Ergebnisses einer Bearbeitung nimmt. Einerseits soll das Werkstück möglichst nahe an den zu bearbeitenden Stellen gespannt werden, um schädliche Biegemomente und Schwingungen des Werkstückes während der Bearbeitung zu vermeiden. Andererseits sind oftmals gerade die sich auf Grund dieses Gesichtspunktes zur Aufspannung anbietenden Stellen vorbearbeitet und weisen bereits eine zur konventionellen Einspannung kaum geeignete Kontur auf. Zudem muss berücksichtigt werden, dass die vorbearbeiteten Stellen durch die Einspannung nicht beschädigt werden.
Dieses Problem stellt sich beispielsweise bei der Fräsbearbeitung von durch eine Präzisionsschmiedung oder auf sonstige Weise vorbearbeiteten einzelnen Turbinenschaufeln, die noch an ihrem Kopf, Fuss und dem dazwischen liegenden so genannten "Snubber" fräsbearbeitet werden müssen. Mit "Snubber" wird derjenige Bereich einer Turbinenschaufel bezeichnet, der zur Einspannung des Turbinenblattes in der Turbine dient. Durch die Präzisionsschmiedung weist die Schaufel in ihrem Blattbereich bereits eine tordiert gekrümmte Oberfläche auf. Es ist daher von Vorteil, wenn die Schaufeln im Blattbereich eingespannt werden könnte.
Um dies zu ermöglichen, wird bereits das so genannte "Cerobend"-Verfahren angewandt, bei dem jede Schaufel einzeln in einer Spannvorrichtung, über eine Dreipunkt-Auflage im Blattbereich eingegossen werden muss. Für den Giessvorgang muss eine eigens hierfür geschaffene Giessvorrichtung benutzt werden. Das Giessmaterial geht hierbei mit der Schaufel keine Verbindung ein und lässt sich nach der Bearbeitung wieder entfernen. Zur Bearbeitung der Schaufel wird die Spannvorrichtung mit der darin nun enthaltenen Schaufel in einer Werkzeugmaschine eingespannt und bearbeitet.
Da einerseits die Position der Schaufel in dieser Spannvorrichtung nicht eindeutig ist und andererseits die Schaufel Fertigungstoleranzen des Schmiedeprozesses aufweist, muss die teilweise eingegossene Schaufel vor der Fräsbearbeitung vermessen werden. Erst auf Grund dieser Messung kann die relative Lage von einzelnen Bereichen der Schaufel in Bezug auf ihre Sollkontur und die Spannvorrichtung festgestellt werden. Da die Spannvorrichtung selbst in der Werkzeugmaschine eine vordefinierte Position einnimmt, kann auf Basis dieser Messung bestimmt werden, welche Wege das Werkzeug fahren muss, um eine bestimmte Sollkontur zu erzielen.
Ein weiterer Nachteil dieser Spannvorrichtung kann darin gesehen werden, dass das Giessmaterial, nämlich eine Blei-Legierung, toxische Stoffe enthält und deshalb zusätzliche Sicherheitsmassnahmen getroffen werden müssen, um die damit in Kontakt kommenden Personen zu schützen. Ebenso kann nicht zufriedenstellen, dass sofort nach dem Giessvorgang die Bearbeitung durchgeführt werden sollte. Auf Grund einer längeren Lagerzeit kann sich eine Vorspannung, durch die die Schaufel nach dem Abkühlen der Blei-Legierung in der Spannvorrichtung gehalten wird, wieder lösen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine gattungsgemässe Spannvorrichtung zu schaffen, mit welcher sich die oben genannten Nachteile vermeiden lassen.
Diese Aufgabe wird bei einer eingangs genannten Werkzeugmaschine erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Spannvorrichtung (3) Spannbacken (15a, 15b) aufweist und mehrfach wiederverwendbar ist, dass die an den Spannbacken (15a, 15b) ausgebildeten Spannflächen (21, 22) der Spannvorrichtung (3) zumindest einem Abschnitt einer Sollform des Werkstückes entsprechen, und dass die Spannbacken (15a, 15b) sich in der Spannvorrichtung in einer Weise anordnen lassen, wodurch sich eine geometrische Form des Werkstückes durch eine Verformung an die Kontur der Spannflächen (21, 22) anpasst. Die Aufgabe wird auch durch eine Spannvorrichtung und ein Verfahren, wie sie in den Patent-ansprüchen 7 und 8 beschrieben sind, gelöst.
Werkstücke wie beispielsweise Turbinenschaufel haben eine im Vergleich zu ihrer Länge und Breite geringe Dicke. Da sie zudem in der Regel aus einer Titan-Legierung bestehen, haben sie eine vergleichsweise gute elastische Verformbarkeit. Dies ermöglicht, die Werkstücke so flächig einzuspannen, dass sie auf Grund der Verformung im Bereich der Spannflächen ihre Sollkontur einnehmen. Bei erfindungsgemässen Spannvor richtungen soll somit das Werkstück - ausgehend von einer Position, welche nicht der Sollkontur entspricht, durch Anschmiegung an die Spannflächen, so weit als möglich in seine Sollform gezwungen werden. In diesem Zusammenhang ist unter "Sollform oder -kontur" ein Werkstück zu verstehen, das innerhalb der erzielbaren Fertigungsgenauigkeit weder Mass-, Form- noch Lagefehler aufweist.
Dies hat den Vorteil, dass die Spannflächen bzw. irgend eine oder mehrere vorbestimmte Stellen der Spannflächen als Referenz für das nachfolgende Bearbeitungsverfahren verwendet werden kann. Da die Verfahrwege des Werkzeuges nun auf die Position der Spannflächen bezogen sind, in denen wiederum der entsprechende Abschnitt des Werkstückes seine Sollkontur bzw. -position einnimmt, ist ein wesentlicher systematischer Fehler eliminiert, durch den sich Fertigungsungenauigkeiten ergeben können. Abgesehen von anderen möglichen Einflüssen kann nun im Idealfall das Werkzeug am Werkstück eine Kontur erzeugen, die der Sollkontur entspricht, ohne dass hierzu vorab eine Vermessung des Werkstückes erforderlich wäre. Die Bearbeitungszeiten von Turbinenschaufeln auf einer Fräsmaschine lässt sich alleine auf Grund der Vermeidung der Messung um ca. 10-15% verringern.
Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass die Einblendstellen, d.h. die Übergänge, zwischen den ungefrästen und gefrästen Bereichen der Werkstücke trotz eines geringeren Aufwandes qualitativ gut gestaltet werden können. Das Werkzeug, dessen Verfahrweg auf der Sollkontur beruht, greift nun nämlich auch tatsächlich in die Sollkontur und nicht in eine mit einer Toleranz behaftete Kontur ein.
In einer besonders günstigen Ausführungsform sollte vorgesehen sein, dass die Spannflächen der Spannvorrichtung auf der gleichen Werkzeugmaschine gefertigt werden, auf der nachfolgend auch die Bearbeitung des eigentlichen Werkstückes er folgt. Hierdurch können Fertigungstoleranzen verringert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sollte die erfindungsgemässe Spannvorrichtung einen Grundkörper aufweisen, der in die Werkzeugmaschine eingespannt wird. In den Grundkörper können wiederum ein oder mehrere Einsätze eingefügt werden, an denen die Spannflächen zur Einspannung des Werkstückes ausgebildet sind. Dies hat den Vorteil, dass ein wesentlicher Teil der Spannvorrichtung für unterschiedliche Werkstücke verwendet werden kann. Soll ein anderer Werkstücktyp bearbeitet werden, muss nur der bzw. die Einsätze ausgetauscht werden. Da somit die formrelevanten Teile der Spannvorrichtung auswechselbar gestaltet sind, kann bezüglich der Spannvorrichtungen der für die Fertigung von unterschiedlichen Werkstücken erforderlichen Aufwand gering gehalten werden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung wird anhand den in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 In einer Vorderansicht ein Ausschnitt einer Werkzeugmaschine, in der eine Spannvorrichtung angeordnet ist, welche ein Werkstück hält;
Fig. 2 eine Draufsicht auf die erfindungsgemässe Spannvorrichtung aus Fig. 1;
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer mit einer erfindungsgemässen Spannvorrichtung einzuspannenden Turbinenschaufel, wobei in der Darstellung zwei Spannbacken unterschiedlicher Spanneinheiten mit Abstand zur Schaufel gezeigt sind;
Fig. 4 die Turbinenschaufel aus Fig. 3, in zwei verschiedenen Zuständen, wobei mit Strichlinien ein Verformungszustand der Schaufel in der Spannvorrichtung gezeigt ist.
Eine in Fig. 1 teilweise gezeigte Fräsmaschine 1 weist eine Rundstation 2 auf, die mit einem Kopf- und einen Fussteil 2a, 2b versehen ist. Im Kopfteil 2a kann eine Spannvorrichtung 3 angeordnet werden. Die Rundstation 2 befindet sich auf einem Schlitten 4, der in X- und in Z-Richtung (orthognal zur Zeichenebene) verfahrbar ist. Die Rundstation 2 ist ausserdem jeweils mit einer angetriebenen Rotationsachse 5 versehen, durch die die Spannvorrichtung 3 in Rotationsbewegungen um die Achse 5 versetzbar ist. Die Fräsmaschine weist zudem einen Werkzeugträger 6 auf, in dem ein Fräswerkzeug 7 angeordnet und angetrieben werden kann. Der Werkzeugträger 6 ist in X- und Y-Richtung verfahrbar und in einem Bereich von ca. +/- 80 DEG um eine Werkzeugspitze 7a verschwenkbar.
Im Bereich der Werkzeugspitze schneidet sich somit eine Bearbeitungsachse des Werkzeuges mit der Schwenkachse des Werkzeugträgers. Der grundsätzliche Aufbau und die Funktionsweise einer solchen Werkzeugmaschine ist in der europäischen Patenanmeldung Nr. 93 120 198.2 der Anmelderin gezeigt, deren Inhalt durch Bezugnahme vollständig aufgenommen wird.
In den Rundstationen 2 kann jeweils eine Spannvorrichtung 3 gehalten werden, wobei Letztgenannte zur Aufnahme eines Werkstücks vorgesehen ist. In der Darstellung von Fig. 1 ist das Werkstück eine durch Präzisionsschmieden vorbearbeitete Turbinenschaufel 8, deren Blatt bereits eine Kontur aufweist, welche innerhalb einer zulässigen Toleranzgrenze liegt. Auf Grund des Werkstoffes der Turbinenschaufel 8, nämlich einer Titan-Legierung, und dem Verhältnis der Länge und Breite zur Dicke der Schaufel, ist diese in einem relativ weiten Bereich elastisch verformbar.
Der vergrösserten Ausschnittsdarstellung von Fig. 2 ist zu entnehmen, dass die Spannvorrichtung 3 einen bezüglich einer Achse rotationssymmetrisch ausgebildeten Grundkörper 10 aufweist. Der Grundkörper kann im Bereich eines Zentrierzapfens 11 in der in Fig. 1 gezeigten Rundstation 2 aufgenommen werden. In der Rundstation 2 fluchtet deren angetriebene Rotationsachse 5 mit der Symmetrieachse der Spannvorrichtung 3. An dem dem Zentrierzapfen 11 gegenüberliegenden Ende des Grundkörpers 10 ist dieser gabelförmig ausgebildet. An jedem Schenkel 14a, 14b der Gabel 14 können zwei sich gegenüberliegende Spannbacken angeordnet werden.
Jede der beiden Schenkel 14a, 14b weist eine Aufnahme auf, in die jeweils ein als Spannbacke 15a, 15b ausgebildeter Einsatz einsetzbar ist. Jeweils eine weitere Spannbacke ist auf die ihr gegenüberliegende Spannbacke 15a, 15b aufgesetzt. Jedes auf diese Weise gebildete Spannbacken-Paar bildet eine Spanneinheit. Die Spannbacken können durch geeignete, jedoch nicht dargestellte, Mittel, wie beispielsweise Schrauben, aneinander fixiert werden, wobei sich hierdurch die Spannflächen gegenüberliegen. Die Spannflächen bilden zwischen sich jeweils ein seitlich offenes Volumen bzw. eine Kavität aus, deren Form und Lage zueinander exakt einem Abschnitt der Sollform der Turbinenschaufel entspricht. In Fig. 2 ist jeweils nur eine Spannbacke 15a, 15b von jeder Spanneinheit gezeigt.
Die Turbinenschaufel 8 wird somit an zwei Stellen zwischen jeweils zwei sich gegenüberliegenden Spannbacken gehalten. Beide Spannstellen befinden sich im Blattbereich der Turbinenschaufel, wobei die erste Spannstelle im Bereich eines Blattendes 16 und die zweite Spannstelle hinter dem Fussbereich 17 der Turbinenschaufel 8 angeordnet ist. Bei der mit ihrer Längsachse 18 im Wesentlichen quer zur Rotationsachse 5 eingespannten Turbinenschaufel 8 befindet sich somit ein so genannter "Snubber" 19 zwischen den beiden Spanneinheiten. Dieser dient - ebenso wie der Fuss - zum Einspannen der Schaufel in einer Turbine.
Zur Bearbeitung der auch in Fig. 3 gezeigten Turbinenschaufel 8 ist somit das Blattende 16, der Snubber 19 und der Fussbereich 17 für das Fräswerkzeug zugänglich. Auf Grund der möglichen Relativbewegungen zwischen Werkstück und Werkzeug entlang von drei Linearachsen X, Y und Z, einer Rotationsachse 5 und einer Schwenkachse des Werkzeugträgers 6, sowie durch die auf Grund des konstruktiven Aufbaus der Spannvorrichtung gegebenen guten Zugänglichkeit des Werkstückes, können sämtliche Fräsbearbeitungen in nur einer Aufspannung durchgeführt werden.
In Fig. 3 sind auch zwei Spannbacken unterschiedlicher Spanneinheiten nebeneinander und - zur besseren Übersichtlichkeit - mit Abstand zur Turbinenschaufel dargestellt. Die jeweils auf der anderen Seite der Turbinenschaufel anzuordnenden Spannbacken der Spanneinheiten sind in Fig. 3 - ebenfalls aus Gründen der Übersichtlichkeit - nicht gezeigt. Auch deren Spannflächenbegrenzungen fluchten mit den Linien 20, sodass eine Projektionsfläche entlang den Linien 20 der sich auf unterschiedlichen Seiten der Turbinenschaufel gegenüberliegenden Spannbackenflächen identisch sind.
In einer nicht gezeigten Spannstellung sind die Spannbacken 15a 15b entlang den Linien 20 parallel verschoben und liegen flächig an der Turbinenschaufel an. In Fig. 4 ist mit dem Bezugszeichen 8 die Turbinenschaufel vor der Einspannung gezeigt. Die sich bei der Einspannung auf Grund der elastischen Verformung ergebende Kontur der Turbinenschaufel ist mit Strichlinien dargestellt und mit 8¾ bezeichnet. Der Fuss 17 der Turbinenschaufel ist ohne Verformung gezeichnet, da dieser die Aufgabe einer Referenzstelle übernimmt und erst nach dem Einspannen gefertigt wird.
Sämtliche Spannbacken 15a, 15b weisen jeweils eine Spannfläche 21, 22 auf, welcher der negativen Kontur jeweils eines Abschnittes der Turbinenschaufel entspricht. Die Spannflächen 21, 22 sind auf Basis von geometrischen Daten der Sollkontur des einzuspannenden Turbinenschaufeltyps auf der in Fig. 1 gezeigten Maschine gefertigt worden. Eine besonders einfache und unaufwändige Fertigung der Spannbacken lässt sich erreichen, wenn hierfür die gleichen Daten verwendet werden, die auch zur Herstellung der Schmiedeform durch Fräsbearbeitung benutzt worden sind. Da die Spannbacken auf der gleichen Maschine gefräst werden, auf der auch die Bearbeitung der Turbinenschaufeln stattfindet, kann bei den Turbinenschaufeln eine sehr gute Fertigungsgenauigkeit erzielt werden.
In der Spannvorrichtung liegen sich die beiden Spannbacken gegenüber, sodass die eine Spannbacke gegen eine Seite der Turbinenschaufel und die andere Spannbacke an einer dieser gegenüberliegenden Seite anliegt. Da der Blattbereich nach dem Schmieden bereits fertiggestellt ist und in der Profilgenauigkeit, Durchbiegung und Torsion innerhalb einer üblicherweise zulässigen Toleranz dem Sollprofil bzw. den Sollwerten entspricht, muss der Blattbereich durch die Spanneinheiten nur innerhalb des elastischen Bereiches in seine Soll-Lage bzw. Soll-Form gezwungen werden. Damit die Turbinenschaufel ihre lagerichtige Position in der in Fig. 1 gezeigten X-Richtung einnimmt, ist an zumindest einer Spannbacke zumindest ein Anschlag vorhanden, gegen den eine Blattkante zu liegen kommt.
Die lagerichtige Position der Turbinenschaufel in Z-Richtung, d.h. entlang einer Längsachse der Turbinenschaufel, und in Y-Richtung, d.h. entlang ei ner Längserstreckung der Snubber, ergibt sich auf Grund der Kongruenz des Blattprofils und des Profils der Spannflächen im Wesentlichen von selbst.
Nach Fertigstellung und Herausnahme der Turbinenschaufel aus der Spannvorrichtung entspannt sich die Schaufel wieder. Dadurch ergeben sich die ungenauen Stellen wieder um den Betrag, den sie auf Grund des Schmiedeprozesses vor der Einspannung hatten und der bereits innerhalb der zulässigen Grenzen lag. Die während der Einspannung erzeugten Konturen der Schaufel - eine hohe Fertigungsgenauigkeit beim Fräsen vorausgesetzt - liegen damit ebenfalls innerhalb der zulässigen Grenzen.
The invention relates to a machine tool for milling elastically deformable metallic workpieces such as turbine blades and the like, comprising a processing unit in which a milling tool can be inserted and which is provided with a drive unit for generating movements of the tool, and a clamping device for receiving the workpiece during a Machining, which is provided with clamping surfaces, which are intended for flat contact with the workpiece.
The invention also relates to a clamping device for the milling of workpieces that are to be clamped at points where their surface has curvatures in several directions. The invention also encompasses a manufacturing method that is used for milling turbine blades.
In particular when machining complicatedly shaped, for example multi-curved, workpieces, the problem frequently arises that the manner in which the workpieces are clamped in the machine tool has a very decisive influence on the quality of the result of a machining operation. On the one hand, the workpiece should be clamped as close as possible to the points to be machined in order to avoid damaging bending moments and vibrations of the workpiece during machining. On the other hand, it is often precisely the positions that are available for clamping based on this point of view and already have a contour that is hardly suitable for conventional clamping. In addition, it must be taken into account that the pre-machined areas are not damaged by the clamping.
This problem arises, for example, when milling individual turbine blades which have been pre-machined by precision forging or in some other way and which still have to be machined on their head, foot and the so-called “snubber” in between. "Snubber" is the area of a turbine blade that is used to clamp the turbine blade in the turbine. Due to the precision forging, the blade already has a twisted, curved surface in its blade area. It is therefore advantageous if the blades could be clamped in the blade area.
In order to make this possible, the so-called "Cerobend" process is already used, in which each blade has to be cast in individually in a clamping device, over a three-point support in the blade area. A casting device specially created for this must be used for the casting process. The casting material does not form a connection with the shovel and can be removed again after processing. To machine the blade, the clamping device with the blade contained therein is clamped and processed in a machine tool.
Since, on the one hand, the position of the blade in this clamping device is ambiguous and, on the other hand, the blade has manufacturing tolerances for the forging process, the partially cast-in blade must be measured before milling. Only on the basis of this measurement can the relative position of individual areas of the blade in relation to its target contour and the clamping device be determined. Since the clamping device itself assumes a predefined position in the machine tool, it can be determined on the basis of this measurement which paths the tool has to travel in order to achieve a specific target contour.
Another disadvantage of this tensioning device can be seen in the fact that the casting material, namely a lead alloy, contains toxic substances and therefore additional safety measures have to be taken to protect the people coming into contact with it. Neither can it be satisfied that processing should be carried out immediately after the casting process. Due to a longer storage time, a preload, by which the blade is held in the clamping device after the lead alloy has cooled, can be released again.
The invention is therefore based on the object of creating a generic tensioning device with which the disadvantages mentioned above can be avoided.
This object is achieved according to the invention in a machine tool mentioned at the outset in that the clamping device (3) has clamping jaws (15a, 15b) and can be reused several times, that the clamping surfaces (21, 22) of the clamping device (21, 22) formed on the clamping jaws (15a, 15b) 3) correspond to at least one section of a desired shape of the workpiece, and that the clamping jaws (15a, 15b) can be arranged in the clamping device in such a way that a geometric shape of the workpiece can be deformed to the contour of the clamping surfaces (21, 22) adapts. The object is also achieved by a tensioning device and a method as described in patent claims 7 and 8.
Workpieces such as turbine blades have a small thickness compared to their length and width. Since they usually consist of a titanium alloy, they have a comparatively good elastic deformability. This makes it possible to clamp the workpieces so flat that they take on their target contour due to the deformation in the area of the clamping surfaces. In the case of clamping devices according to the invention, the workpiece is to be forced as far as possible into its desired shape starting from a position which does not correspond to the desired contour by nestling onto the clamping surfaces. In this context, "target shape or contour" is to be understood as a workpiece that has no dimensional, shape or position errors within the achievable manufacturing accuracy.
This has the advantage that the clamping surfaces or any one or more predetermined locations of the clamping surfaces can be used as a reference for the subsequent machining process. Since the traverse paths of the tool are now related to the position of the clamping surfaces, in which the corresponding section of the workpiece in turn assumes its target contour or position, an essential systematic error, which can result in manufacturing inaccuracies, is eliminated. Apart from other possible influences, the tool can ideally generate a contour on the workpiece that corresponds to the target contour without the workpiece having to be measured beforehand. The machining times of turbine blades on a milling machine can be reduced by approx. 10-15% simply by avoiding the measurement.
Another advantage can be seen in the fact that the insertion points, i.e. the transitions between the unmilled and milled areas of the workpieces can be designed with good quality despite less effort. The tool, whose travel path is based on the target contour, now actually engages in the target contour and not in a contour that is subject to a tolerance.
In a particularly favorable embodiment, provision should be made for the clamping surfaces of the clamping device to be produced on the same machine tool on which the actual workpiece is subsequently also machined. This allows manufacturing tolerances to be reduced.
In a further advantageous embodiment, the clamping device according to the invention should have a base body which is clamped into the machine tool. In turn, one or more inserts can be inserted into the base body, on which the clamping surfaces are designed for clamping the workpiece. This has the advantage that a substantial part of the clamping device can be used for different workpieces. If another workpiece type is to be machined, only the insert (s) need to be replaced. Since the shape-relevant parts of the clamping device are thus designed to be interchangeable, the effort required for the production of different workpieces can be kept low with regard to the clamping devices.
Further preferred embodiments of the invention result from the dependent claims.
The invention is explained in more detail with reference to the exemplary embodiments shown schematically in the figures; show it:
Figure 1 is a front view of a section of a machine tool, in which a clamping device is arranged, which holds a workpiece.
FIG. 2 shows a top view of the tensioning device according to the invention from FIG. 1;
3 shows a perspective illustration of a turbine blade to be clamped with a tensioning device according to the invention, two jaws of different tensioning units being shown at a distance from the blade;
FIG. 4 shows the turbine blade from FIG. 3, in two different states, with a dashed line showing a deformation state of the blade in the tensioning device.
A milling machine 1 partially shown in FIG. 1 has a round station 2, which is provided with a head part and a foot part 2a, 2b. A tensioning device 3 can be arranged in the head part 2a. The round station 2 is located on a carriage 4 which can be moved in the X and Z directions (orthognal to the plane of the drawing). The round station 2 is also each provided with a driven axis of rotation 5, by means of which the clamping device 3 can be set in rotational movements about the axis 5. The milling machine also has a tool carrier 6 in which a milling tool 7 can be arranged and driven. The tool carrier 6 can be moved in the X and Y directions and can be pivoted about a tool tip 7a in a range of approximately +/- 80 °.
In the area of the tool tip, a machining axis of the tool thus intersects with the pivot axis of the tool holder. The basic structure and the mode of operation of such a machine tool is shown in the applicant's European patent application No. 93 120 198.2, the content of which is incorporated in full by reference.
A clamping device 3 can be held in each of the round stations 2, the latter being provided for receiving a workpiece. 1, the workpiece is a turbine blade 8 pre-machined by precision forging, the blade of which already has a contour which is within a permissible tolerance limit. Due to the material of the turbine blade 8, namely a titanium alloy, and the ratio of the length and width to the thickness of the blade, it can be elastically deformed in a relatively wide range.
2 shows that the clamping device 3 has a base body 10 which is rotationally symmetrical with respect to an axis. The base body can be received in the area of a centering pin 11 in the round station 2 shown in FIG. 1. In the round station 2, its driven axis of rotation 5 is aligned with the axis of symmetry of the clamping device 3. At the end of the base body 10 opposite the centering pin 11, the base body 10 is fork-shaped. Two opposing jaws can be arranged on each leg 14a, 14b of the fork 14.
Each of the two legs 14a, 14b has a receptacle into which an insert designed as a clamping jaw 15a, 15b can be inserted. In each case a further clamping jaw is placed on the clamping jaw 15a, 15b opposite it. Each pair of jaws formed in this way forms a clamping unit. The clamping jaws can be fixed to one another by suitable means, but not shown, such as screws, whereby the clamping surfaces lie opposite one another. The clamping surfaces each form a laterally open volume or a cavity, the shape and position of which corresponds exactly to a section of the desired shape of the turbine blade. Only one clamping jaw 15a, 15b from each clamping unit is shown in FIG. 2.
The turbine blade 8 is thus held at two points between two opposing jaws. Both clamping points are located in the blade area of the turbine blade, the first clamping point being arranged in the area of a blade end 16 and the second clamping point behind the root area 17 of the turbine blade 8. In the case of the turbine blade 8 which is clamped with its longitudinal axis 18 essentially transversely to the axis of rotation 5, there is thus a so-called “snubber” 19 between the two clamping units. Like the foot, this serves to clamp the blade in a turbine.
The blade end 16, the snubber 19 and the foot region 17 are thus accessible to the milling tool for machining the turbine blade 8 also shown in FIG. 3. Due to the possible relative movements between workpiece and tool along three linear axes X, Y and Z, an axis of rotation 5 and a pivot axis of the tool carrier 6, as well as due to the good accessibility of the workpiece due to the construction of the clamping device, all milling operations can be carried out in just one a clamping can be carried out.
3 also shows two clamping jaws of different clamping units next to one another and - for better clarity - at a distance from the turbine blade. The clamping jaws of the clamping units to be arranged on the other side of the turbine blade are not shown in FIG. 3 - likewise for reasons of clarity. The clamping surface boundaries are also aligned with the lines 20, so that a projection surface along the lines 20 of the clamping jaw surfaces opposite one another on different sides of the turbine blade are identical.
In a clamping position, not shown, the clamping jaws 15a 15b are displaced parallel along the lines 20 and lie flat against the turbine blade. 4, the turbine blade is shown with the reference numeral 8 before the clamping. The contour of the turbine blade resulting from clamping due to the elastic deformation is shown with dashed lines and designated 8¾. The foot 17 of the turbine blade is shown without deformation, since it takes over the function of a reference point and is only manufactured after it has been clamped.
All clamping jaws 15a, 15b each have a clamping surface 21, 22, which corresponds to the negative contour of a section of the turbine blade. The clamping surfaces 21, 22 have been produced on the basis of geometric data of the target contour of the turbine blade type to be clamped on the machine shown in FIG. 1. A particularly simple and uncomplicated manufacture of the clamping jaws can be achieved if the same data are used for this, which were also used to produce the forging mold by milling. Since the clamping jaws are milled on the same machine on which the machining of the turbine blades takes place, very good manufacturing accuracy can be achieved with the turbine blades.
In the clamping device, the two clamping jaws face each other, so that one clamping jaw lies against one side of the turbine blade and the other clamping jaw lies against a side opposite this. Since the blade area is already finished after forging and the profile accuracy, deflection and torsion correspond to the target profile or the target values within a normally permissible tolerance, the blade area only has to be in its target position or target value within the elastic range within the elastic range. Form are forced. So that the turbine blade assumes its correct position in the X direction shown in FIG. 1, at least one stop is present on at least one clamping jaw, against which a blade edge comes to rest.
The correct position of the turbine blade in the Z direction, i.e. along a longitudinal axis of the turbine blade, and in the Y direction, i.e. along a longitudinal extension of the snubber, due to the congruence of the leaf profile and the profile of the clamping surfaces essentially results automatically.
After completion and removal of the turbine blade from the tensioning device, the blade relaxes again. This results in the inaccurate digits again by the amount they had before the clamping due to the forging process and which was already within the permissible limits. The contours of the blade generated during clamping - assuming high manufacturing accuracy when milling - are therefore also within the permissible limits.