DE10243415A1

DE10243415A1 - Verfahren zur Erzeugung von Druckeigenspannungen in der Oberfläche von Werkstücken

Info

Publication number: DE10243415A1
Application number: DE2002143415
Authority: DE
Inventors: Franz Killer; Josef Prof. Dr. Scherer
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2002-09-18
Filing date: 2002-09-18
Publication date: 2004-04-01
Also published as: AU2003299092A1; WO2004028739A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Erzeugung von Druckeigenspannungen in einer Oberfläche (9a) eines Werkstücks (9) wird zur Erzeugung der Druckeigenspannungen die Werkstückoberfläche (9a) zumindest teilweise plastisch verformt. DOLLAR A Die Oberfläche (9a) des Werkstücks (9) wird nach der spanenden Bearbeitung mit einem Kontaktschuh (10) beaufschlagt, der auf einer in axialer Richtung schwingenden Sonotrode (3) befestigt ist. DOLLAR A Die Oberfläche (9a) des Werkstücks (9) wird mit dem Kontaktschuh (10) in den Bereichen abgefahren, in denen eine Druckeigenspannung aufgebracht werden soll. DOLLAR A Durch die Beaufschlagung der Oberfläche durch den Kontaktschuh (10) wird die Oberfläche (9a) des Werkstücks (9) plastisch verformt.

Description

Technisches Gebiet
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von Druckeigenspannungen in der Oberfläche metallischer Werkstücke, beispielsweise Kompressorschaufeln einer Gasturbinenanlage, zur Erhöhung ihrer Oberflächenqualität.
Stand der Technik
Als derzeit gängige Verfahren zur Druckeigenspannungserzeugung in Metalloberflächen gelten beispielsweise das Kugelstrahlen und das Festwalzen. Beim Kugelstrahlen werden kleine Kugeln, Keramik- oder Sandpartikel mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche des Werkstückes aufgebracht, die Oberfläche plastisch verformt und dadurch Oberflächeneigenspannungen erzeugt. Durch die plastische Verformung wird jedoch auch die Oberflächenrauheit erhöht.
Bei Verdichtern von Gasturbinen müssen die Verdichterschaufeln bezüglich ihrer Oberflächenqualität und bezüglich ihrer Oberflächeneigenspannungen bestimmte technische Spezifikationen erfüllen.
Dazu werden die Schaufeln mit einer Oberflächenqualität von N5 – N6 durch Fräsen, beispielsweise durch HSC-Hellfräsen, hergestellt. Anschliessend werden mittels Kugel- und Korundstrahlen die Oberflächendruckspannungen definiert erzeugt. Hierdurch wird die Oberflächenqualität schlechter, sie liegt nach dem Strahlen nur bei N7. Um die spezifizierte Oberflächenqualität von mindestens N4 zu bekommen, müssen dann die Schaufeln schleppgeschliffen werden. Dadurch sind mehrere Schritte nötig, die den Herstellungsprozess der Schaufeln verlängern und dadurch verteuern.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren zur Erzeugung von Druckeigenspannungen in einer Oberfläche eines Werkstücks der eingangs genannten Art, Werkstücke mit einer definierten Oberflächenqualität und definierten Oberflächeneigenspannungen möglichst effizient und kostengünstig herzustellen.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieses Verfahrens geben die abhängigen Ansprüche wieder.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin,
die Oberfläche des Werkstücks nach der spanenden Bearbeitung mit einem Kontaktschuh zu beaufschlagen,
die Oberfläche in jenen Bereichen, in denen eine Druckeigenspannung aufgebracht werden soll, mit diesem Kontaktschuh abzufahren,
dabei den Kontaktschuh auf einer in axialer Richtung schwingenden Sonotrode zu befestigen,
und die Sonotrode Schwingungen im Ultraschallbereich ausführen zu lassen.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass durch das Abfahren der Werkstückoberfläche mit dem schwingenden Kontaktschuh, welcher wie ein Hammer wirkt, und die dadurch erzielte plastische Verformung der Oberfläche definierte Oberflächenqualitäten und definierte Oberflächeneigenspannungen erzielt werden.
Durch die Erfindung können geforderte Oberflächeneigenschaften bezüglich der Druckeigenspannungen und der Oberflächenqualität reproduzierbar hergestellt werden. Die für die Erfindung benötigte Zusatzausstattung ist gegenüber den herkömmlichen Kugelstrahl- und Schleppschleifanlagen weitaus kostengünstiger. Zudem müssen die durch das Kugelstrahlen und das Schleppschleifen erzeugten Abfälle nicht mehr beseitigt werden, wodurch weitere Kosten eingespart werden. Der Vergleich für die Herstellung einer Schaufel mittels des erfindungsgemässen Prozesses mit dem herkömmlichen Kugelstrahl- und Schleppschleifprozess ergibt, dass ca. 90% der Kosten eingespart werden können.
Weiter vorteilhaft ist, dass bei der Herstellung von Schaufeln von Turbomaschinen der Kontaktschuh wie ein Fräswerkzeug in die Maschinenspindel einer Schaufelfräsmaschine durch den Werkzeugwechsler eingewechselt werden kann, und die geforderte Oberflächenspezifikation durch den Ablauf eines computergesteuerten Programmes ähnlich der Helifrästechnologie herstellbar ist. Somit verlässt z. B. eine Verdichterschaufel die Schaufelfräsmaschine absolut einbaufertig und muss nicht mehr, wie bisher, nach dem Kugelstrahlen nochmals einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung von Eigenspannungen in einer Oberfläche mittels Ultraschall;
2a eine schematische Seitenansicht eines Kontaktschuhs zur Oberflächenbearbeitung;
2b eine schematische Seitenansicht eines Kontaktschuhs zur Oberflächenbearbeitung, um 90° gegenüber 2a gedreht.
Es sind nur die für das unmittelbare Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise die Steuerung der Fertigungsmaschine sowie die Achsen und die Spindel.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In 1 ist schematisch eine Vorrichtung zur Erzeugung von Eigenspannungen in einer Oberfläche mittels Ultraschall dargestellt. Als Ultraschall bezeichnet man alle mechanischen Schallwellen mit Frequenzen oberhalb 20 kHz. Mit einem Ultraschallprozessor 1, z.B. einem Ultraschallprozessor UIP250, wird eine regelbare Wechselspannung erzeugt, welche über einen Schallwandler 2 in Ultraschall umgewandelt wird. Eine mit dem Schallwandler 2 verbundene Sonotrode 3 wird durch den erzeugten Ultraschall angeregt und schwingt dadurch in axialer Richtung der Sonotrode 3. Damit die Schwingungen nicht auf das übrige System übertragen werden, ist die Sonotrode 3 mit einem schwingungsfreien Flansch 4 ausgerüstet, mit dem sie über einen speziellen Adapter 5 mit einer Fertigungsmaschine 6, beispielsweise einer Fräsmaschine, verbunden ist. Der Weg des axialen Ausschlages, d.h. die Amplitude der angeregten Sonotrode 3 lässt sich am Ultraschallprozessor 1 über die dem Ultraschallprozessor 1 zugeführte Spannung einregeln, z.B. von 0 bis 54 μm Amplitude. Über zusätzliche Massnahmen kann noch beim Ultraschallgenerator 1 die aktuelle Frequenz des erzeugten Ultraschalls abgegriffen und über ein Oszilloskop 7 dargestellt werden. Sie ist von der jeweiligen Ultraschallanlage 1 abhängig und beträgt z.B. bei der verwendeten Anlage UIP250 ca. 24,1 kHz. Die Frequenz erzeugt eine plastische Verformung der Oberfläche 9a des Werkstückes 9, um die gewünschte Druckeigenspannung in der Oberfläche 9a zu erzielen.
Die jeweils notwendige Leistungsaufnahme wird über ein zwischengeschaltetes Wattmeter 8 gemessen. In die Sonotrode 3 ist als Berührungselement zu einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche 9a eines Werkstückes 9 ein Kontaktschuh 10 eingeschraubt. Dieser Kontaktschuh 10 stellt bei diesem Verfahren das eigentliche Werkzeug dar.
Vorteilhafterweise wird für einen erfolgreichen Verfahrensverlauf das Werkzeug, d.h. der Kontaktschuh 10, mit einer für den jeweiligen Verwendungszweck abgestimmten Vorlast über die Werkstückoberfläche 9a geführt werden. Zur Einregulierung und Überwachung der Vorlast dient eine Kraftmessplattform 11, z.B. eine Kistier-Kraftmessplattform vom Typ 9255A, die auf einem Maschinentisch 12 der Fertigungsmaschine 6 befestigt ist. Weiterhin ist auf der Kraftmessplattform 11 das Werkstück 9 über einen Präzisionsschraubstock 13 aufgespannt. Die in der Plattform 11 erzeugten Signale werden über einen Ladungsverstärker 15 verstärkt und in Spannung umgewandelt. Als Auswertegerät wird ein zweites Oszilloskop 14 verwendet, an dem die aktuelle Kraft für die Vorlast abgelesen werden kann.
In 2a und 2b ist der Kontaktschuh 10 im Detail dargestellt. Die mit dem Werkstück in Berührung stehende wirksame Fläche A des Kontaktschuhs ist in ihrer Form und Grösse wesentlich ausschlaggebend für eine erfolgreiche Druckeigenspannungserzeugung mit den vorgegebenen Oberflächenrauheitswerten im Werkstück. Sie ist quer zur Vorschubrichtung entsprechend der geforderten Oberflächenrauheit und dem Werkstückverwendungszweck kugelförmig gekrümmt mit einem Radius R1. Längs zur Vorschubrichtung ist sie mit einem Anlaufradius R2 versehen, dessen Form und Breite B sich nach den Anforderungen des zu bearbeitenden Werkstücks richtet.
Über einen Bolzen 16 kann der Kontaktschuh 10 mit der Sonotrode 3 verbunden werden. Der Bolzen 16 kann auch als Gewindestab ausgeführt sein, mittels dessen der Kontaktschuh 10 dann in die Sonotrode 3 eingeschraubt wird.
Zum genau definierten Abfahren der Werkstückoberfläche 9a wird als Fertigungsmaschine 6z.B. eine Fräsmaschine vom Typ FUW 400 verwendet. Die Sonotrode 3 wird parallel zur Bearbeitungsrichtung über die Werkstückoberfläche 9a geführt, wobei der in ihr eingeschraubte Kontaktschuh 10 mit einem schnell oszilierenden Hammer vergleichbar ist. Dadurch werden die Oberfläche plastisch verformt und Oberflächeneigenspannungen erzeugt. Die Verfahrrichtung mit der Sonotrode 3 zur Erzeugung von Druckeigenspannungen ist immer identisch mit der Verfahrrichtung der vorangegangenen spanenden Schlichtbearbeitung. Dadurch kann die Programmierung der spanenden Schlichtbearbeitung im wesentlichen auch zur Druckeigenspannungserzeugung verwendet werden. Die Zeitung beim Abfahren der Oberfläche muss dabei dem Kontaktschuh sowie den gewünschten Eigenschaften der Oberfläche angepasst werden.
Die Fertigungsmaschine 6 kann beispielsweise eine mehrachsige Fräsmaschine sein, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dadurch können beliebige Formen im Werkstück erzeugt und dadurch auch beliebige Oberflächen mit dem erfindungsgemässen Verfahren behandelt werden. Zur Bearbeitung der Oberfläche können auch Zellen mit mehreren Fertigungsmaschinen verwendet werden.
Das zu bearbeitende Werkstück wird dann mittels Wagen automatisch in der Einspannvorrichtung von Maschine zu Maschine gebracht. Eine solche Maschine kann dann exklusiv für einen Bearbeitungsvorgang, wie z.B. der Oberflächenbehandlung verwendet werden, es können aber auch mehrere Bearbeitungsschritte durch Werkzeugwechsel in der gleichen Maschine vorgenommen werden.
Der Prozessablauf kann im wesentlichen durch die Variation nachfolgend aufgeführter Parameter beeinflusst werden:

– Grösse und Form der mit dem Werkstück 9 in Berührung stehenden Fläche A des Kontaktschuhs 10
– Leistungsvermögen der Ultraschallanlage 1
– Variation der Amplitude
- Variation der Vorlast
– Vorschubgeschwindigkeit der Sonotrode 3 mit Kontaktschuh 10 auf der Werkstückoberfläche 9a
– Zeilungsabstand

Wird der Kontaktschuh 10 aus Hartmetall hergestellt, liegt beispielsweise der Krümmungsradius R1 quer zur Vorschubrichtung in einem Bereich von 35 bis 70 mm, vorzugsweise ungefähr bei 70 mm. Der Anlaufradius R2 längs zur Vorschubrichtung liegt ungefähr bei 2 mm, die Breite der Fläche B bei ungefähr 3 mm. Die Amplitude der Sonotrode 3 liegt in einem Bereich von 27 bis 54 μm, vorzugweise bei 54 μm bei einer Frequenz von 24,1 kHz. Die Vorlastkraft liegt in einem Bereich von 100 N bis 350 N, vorzugsweise bei 200 N. Als Vorschubgeschwindigkeit wurden 3 m/min verwendet, dies bei einer Zeitung von 1 bis 2 mm, vorzugsweise 1,5 mm.
Mittels dieser Parameter wurden Druckeigenspannungen von 818 MPa, gemessen längs zur Vorschubrichtung, und 530 MPa, gemessen quer zur Vorschub- bzw. Strömungsrichtung, erzielt. Diese Werte liegen weit über dem geforderten Wert von 200 MPa. Die Rauheit der Oberfläche lag auch unter dem geforderten Grenzwert von 0,4 μm.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Der Einsatz der oben beschriebenen Technologie ist z. B. bei der Herstellung von Lagerstellen eines Turbinen- oder Generatoren-Rotors, der Gehäuselagerschale für Hydrostatiklager, usw. anwendbar.

1: Ultraschallprozessor
2: Schallwandler
3: Sonotrode
4: Schwingungsfreier Flansch
5: Adapter
6: Fertigungsmaschine
7: Oszilloskop
8: Wattmeter
9: Werkstück
9a: Werkstückoberfläche
10: Kontaktschuh
11: Kraftmessplattform
12: Maschinentisch
13: Präzisionsschraubstock
14: Oszilloskop
15: Ladungsverstärker
16: Bolzen
R1: Radius quer zur Vorschubrichtung
R2: Radius längs zur Vorschubrichtung
A: Mit dem Werkstück in Berührung stehende Fläche des Kontaktschuhs
B: Breite der mit dem Werkstück in Berührung stehenden Fläche des Kon
: taktschuhs

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Druckeigenspannungen in einer Oberfläche (9a) eines Werkstücks (9), wobei zur Erzeugung der Druckeigenspannungen die Werkstückoberfläche (9a) zumindest teilweise plastisch verformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (9a) des Werkstücks (9) nach der spanenden Bearbeitung mit einem Kontaktschuh (10) beaufschlagt wird, der auf einer entlang ihrer Längsrichtung schwingenden Sonotrode (3) befestigt ist, dass die Schwingungsfrequenz der Sonotrode (3) im Ultraschallbereich liegt, und dass die Oberfläche (9a) des Werkstücks (9) mit dem Kontaktschuh (10) in den Bereichen, in denen eine Druckeigenspannung aufgebracht werden soll, abgefahren wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallschwingung mittels eines Ultraschallprozessors (1) und eines Schallwandlers (2) auf die Sonotrode (3) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (3) mit dem Kontaktschuh (10) in die Maschinenspindel einer Fräsmaschine (6) eingespannt ist, und der Kontaktschuh (10) in einem der vorangegangenen spanenden Bearbeitung des Werkstücks (9) analogen Bewegungsablauf über die Oberfläche (9a) des Werkstücks (9) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dass der Kontaktschuh (10) mit einer Vorlast im Bereich von 100 N bis 350 N über die Oberfläche (9a) des Werkstücks (9) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktschuh (10) mit einer Vorlast von 200 N über die Oberfläche (9a) des Werkstücks (9) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Vorlast eine Kraftmessplattform (11) mit dem Werkstück (9) zusammenwirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jener Bereich des Kontaktschuhs (10), welcher mit der Werkstückoberfläche (9a) in Kontakt tritt, tellerrandförmig ausgeformt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (A) des Kontaktschuhs (10) quer zur Vorschubrichtung konvex ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (A) des Kontaktschuhs (10) längs zur Vorschubrichtung einen Anlaufradius aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Werkstückoberfläche (9a) erzeugten Druckeigenspannungen grösser als 200 MPa sind.
Schaufel einer Turbomaschine, deren Oberfläche zumindest teilweise nach dem Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche behandelt wurde.