DE102008008894A1

DE102008008894A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles für eine thermische Maschine

Info

Publication number: DE102008008894A1
Application number: DE200810008894
Authority: DE
Inventors: Alexander Eitel; Daniel Henseler
Original assignee: MAN Turbo AG
Current assignee: Everllence SE
Priority date: 2008-02-13
Filing date: 2008-02-13
Publication date: 2009-08-20
Also published as: CN101970165A; JP2011511716A; WO2009100745A1; EP2240290A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles für eine thermische Maschine, insbesondere zur Herstellung einer Komponente für eine Turbine, einen Kompressor oder Expander, bei dem ein Rohling des Bauteils zumindest abschnittsweise durch Erodieren bearbeitet und die durch Erodieren erzeugte Oberfläche durch Gkeitspanen und/oder durch Elektropolieren derart veredelt wird, dass die durch das Erodieren enstandene Recast-Schicht zumindest abschnittsweise vollständig entfernt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Bauteil für eine thermische Maschine, das mit Hilfe des empfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles für eine thermische Maschine, insbesondere zur Herstellung einer Komponente für eine Turbine, einen Kompressor oder einen Expander, bei dem ein Rohling des Bauteils zumindest abschnittsweise durch Erodieren bearbeitet und die durch Erodieren erzeugte Oberfläche durch Feinstbearbeitung weiterbearbeitet wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Bauteil für eine thermische Maschine, das mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.
Thermische Maschinen, wie Turbinen, Kompressoren oder Expander, sind vielfach mit Bauteilen ausgestattet, welche zum Teil sehr komplexe Formen aufweisen, beispielsweise Turbinenschaufeln. Zur Herstellung derartiger Bauteile kommt immer häufiger das Erodieren zum Einsatz, ein thermisches, abtragendes Fertigungsverfahren für leitfähige Bauteile, bei dem durch elektrische Entladungsvorgänge zwischen einer Elektrode und dem Bauteil ein Materialabtrag erfolgt. Mit dem Erodieren lassen sich insbesondere komplexe Ausnehmungen ausformen, beispielsweise besonders geformte Nuten, Taschen mit komplexen Querschnittsformen oder ähnliches.
Nachteilig bei der Anwendung des Erodierens ist, dass die erodierten Oberflächenabschnitte, also die Oberflächeabschnitte, an denen die Funkenentladung stattfand, mit feinen Kratern übersät sind und die Oberflächen eine narbige Struktur zeigen. Ferner kommt es in Randzonen des Bauteiles durch die Entladungsvorgänge, die oft mit sehr hohen Temperaturen verbunden sind, zu Gefügeänderungen in der oberflächennahen Schicht, wobei diese oberflächennahe Schicht häufig noch von Mikrorissen durchsetzt ist. Diese Schicht wird auch als „Recast-Schicht" (auch Recastlayer) oder „weiße Schicht" bezeichnet, wobei die Dicke und Beschaffenheit der Recast-Schicht unter anderem von den Einstellparametern, der Materialpaarung von Werkzeug und Bauteil, der gewünschten Oberflächenrauhigkeit und der Maschine abhängt.
Da die Recast-Schicht zum einen nicht mehr dem metallurgischen Aufbau des verwendeten Grundwerkstoffs entspricht und somit abweichende Eigenschaften aufweist, ist sie insbesondere bei der Herstellung von Bauteilen für thermische Maschinen nicht erwünscht. Zum anderen weist die Recast-Schicht eine vergleichsweise hohe mittlere Rauheit Ra gemäß DIN EN ISO 3274 oder DIN EN ISO 4287, auf. Diese kann in einem Bereich von 3 bis 4 μm liegen, was bei bestimmten Einsatzzwecken von Bauteilen für thermische Maschinen gleichfalls unerwünscht ist. Aus diesem Grund wird bei Bauteilen für thermische Maschinen die Recast-Schicht bisher durch manuelle Schleifprozesse entfernt.
Allerdings hat sich in der Vergangenheit gezeigt, dass sich insbesondere bei Bauteilen mit komplexen Formen, wie Komponenten für Turbinen, Kompressoren oder Expandern, die Recast-Schicht an schlecht zugänglichen Stellen nicht, nur unzureichend oder nur mit hohem Aufwand entfernen lässt. Gleichzeitig ist eine für die Serienfertigung notwendige hohe Reproduziergenauigkeit an den Oberflächen häufig nicht gewährleistet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen für thermische Maschinen anzugeben, mit dem auch Bauteile komplexer Formen mit hoher Qualität, insbesondere mit hoher Wiederholgenauigkeit und Oberflächengüte, gefertigt werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst und insbesondere dadurch, dass zur Feinstbearbeitung oder nach einer vorhergehenden Feinstbearbeitung der erodierten Oberflächen ein Gleitspanen und/oder ein Elektropolieren zum Einsatz kommt.
Wie Versuche der Erfinder gezeigt haben, ist es möglich, auch bei sehr komplexen Formen, die durch Erodieren erzeugt worden sind, die entstandene Recast-Schicht durch Gleitspanen und/oder durch Elektropolieren zu entfernen.
Beim Gleitspanen, bei dem vorzugsweise kleine Schleifkörper aus mit Schleifmaterial versetzter Keramik oder mit Schleifmaterial versetztem Kunststoff zum Einsatz kommen, erfolgt verfahrensbedingt nicht nur ein Abschleifen der Oberflächen, sondern gleichzeitig auch ein Lappen bzw. Polieren derselben. Dabei lassen sich durch das Gleitspanen nicht nur die teilweise sehr harten Recast-Schichten wirkungsvoll entfernen. Darüber hinaus können Oberflächen mit mittleren Rauheiten Ra nach DIN EN ISO 3274 oder DIN EN ISO 4287 von bis zu Ra 1,0–1,6 erreicht werden. Ferner können je nach Größe der gewählten Schleifkörper die Recast-Schichten auch an schwer zugänglichen Stellen beseitigt werden.
Alternativ oder ergänzend zum Gleitspanen wird ferner das Elektropolieren zur Beseitigung der Recast-Schichten vorgeschlagen. So kann durch geeignete Auswahl des Elektrolyten sowie durch gezieltes Einstellen der Bearbeitungsdauer, der Stromdichte und der Elektrolyttemperatur nicht nur die Recast-Schicht vollständig entfernt werden, wobei auch hier für das Schleifen unzugängliche Oberflächenabschnitte bearbeitet werden können. Darüber hinaus können gezielt gewünschte mittlere Rauheiten an der zu polierenden Oberfläche erzeugt werden.
Der Rohling wird beispielsweise durch herkömmliche Verfahren, insbesondere durch Ur- oder Umformen wie Gießen, Schmieden oder dergleichen hergestellt und/oder, insbesondere aus Schmiede- oder Rundmaterial, durch spanabhebende Verfahren für das erfindungsgemäße Verfahren vorbereitet.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Unteransprüchen.
Um bereits beim Erodieren eine möglichst geringe mittlere Rauheit einstellen zu können, erfolgt das Erodieren der Oberflächen bevorzugt in mehreren Stufen. Durch das mehrstufige Erodieren wird zwar einerseits der Materialabtrag vermindert, andererseits jedoch der Einfluss auf das Gefüge weiter innenliegender Schichten verringert. Dabei ergibt sich gleichzeitig eine geringe mittlere Rauheit als bei einem einmaligen Erodieren mit größerem Materialabtrag, was für die sich anschließenden Feinstbearbeitungsschritte von Vorteil ist.
Zum Gleitspanen wird der erodierte Körper gemeinsam mit Schleifkörpern und – bevorzugt – einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, in einen Arbeitsbehälter gegeben, welcher zum Gleitspanen oszillierende und/oder rotierende Bewegung ausführt. Dabei werden die Schleifkörper an den zu behandelnden Oberflächen vorbeigeführt, wobei der Materialabtrag erfolgt. Als Schleifkörper kommen insbesondere keramische Schleifkörper zum Einsatz, welche mit entsprechenden Schleifmitteln versetzt sind. Um den Abtrag weiter zu verbessern und den Abtransport des Abtrags zu erhöhen, werden der Flüssigkeit vorzugsweise Additive zugesetzt. Dabei können den Additiven zusätzlich Substanzen zugegeben werden, die auch den Korrosionsschutz der Bauteile fördern und/oder gleichzeitig entfettend wirken. Soll eine Beizwirkung erreicht werden, ist auch die Zugabe saurer Additive möglich. Bei flachen Bauteilen können auch mechanische Trennmittel (beispielsweise kleine Kunststoffkügelchen) zugegeben werden, die ein Aneinanderanhaften der Bauteile verhindern.
Der Abtrag der Recast-Schicht beim Gleitspanen kann zusätzlich durch die Zugabe von Chemikalien zur Erzeugung von Oxalat- und Phosphatverbindungen an den erodierten Oberflächen erhöht werden. Durch Zugabe derartiger Chemikalien werden insbesondere an den Rauhigkeitsspitzen Oxalat- und Phosphatüberzüge erzeugt, welche im Vergleich zu den Schleifmitteln eine deutlich geringere Härte aufweisen. Dadurch lässt sich der Materialabtrag beim Gleitspanen weiter erhöhen, während gleichzeitig die mittlere Rauheit weiter vermindert werden kann.
Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensführung kann sich an das Gleitspanen ein zusätzlicher Polierschritt anschließen. Wird das Gleitspanen durch die Zugabe von Chemikalien zur Erzeugung von Oxalat- und Phosphatverbindungen unterstützt, kann das Polieren bei entsprechender Wahl der Polierflüssigkeit auch unmittelbar anschließend in demselben Arbeitsbehälter erfolgen. Dabei wird in den Arbeitsbehälter vorzugsweise eine Polierflüssigkeit gegeben, welche die die Erzeugung von Oxalat- und Phosphatverbindungen bewirkenden Chemikalien neutralisiert und dem Werkstoff des Bauteiles gegenüber inert ist. Als Polierflüssigkeit eignet sich beispielsweise ein Gemisch aus Phosphatsalzen und Gleitmitteltensiden.
Zum Elektropolieren wird der erodierte Körper zumindest mit Abschnitten seiner erodierten Oberflächen in ein Elektrolytbad aus einem werkstoffspezifischen Elekt rolyten eingetaucht und als Anode geschaltet. Anschließend wird das Werkstück entweder mit konstantem oder gepulstem Gleichstrom beaufschlagt. Insbesondere durch den Einsatz gepulsten Stromes wird erreicht, dass sich die Recast-Schicht von den erodierten Oberflächenabschnitten besonders gut löst. Das Elektropolieren kann vereinfacht auch als umgekehrtes Galvanisieren bezeichnet werden. Ferner kann durch Vorgeben einer definierten Bearbeitungsdauer, einer bestimmten Stromdichte oder auch durch Vorgeben einer bestimmten Elektrolyttemperatur gezielt der Materialabtrag und die Rauheit der Oberfläche eingestellt werden.
Als Elektrolyt wird vorzugsweise ein Gemisch aus Wasser und anorganischen Säuren verwendet. In Abhängigkeit von dem Werkstoff des Bauteiles können jedoch auch andere anorganischer Säuren als Elektrolyt zum Einsatz kommen, beispielsweise ein Gemische aus Phosphorsäure und Schwefelsäure. Auch die Zugabe von Alkoholen ist möglich.
Die Schritte des Gleitspanens und des Elektropolierens können in unterschiedlichen Reihenfolgen angeführt werden, beispielsweise zunächst Gleitspanen mit anschließendem Elektropolieren oder umgekehrt. Das Gleitspanen und/oder Elektropolieren kann auch mehrstufig, gegebenenfalls abwechselnd, erfolgen.
Nach der Bearbeitung der erodierten und durch Gleitspanen und/oder Elektropolieren behandelten Oberflächen kann das Bauteil weiteren Bearbeitungsschritten, wie spanenden Bearbeitungsschritten oder Schritten zur Materialvergütung oder Materialhärtung, unterzogen werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es erstmals möglich, Bauteile für thermische Maschinen mit hoher Wiederholgenauigkeit und Präzision unter Einsatz des Erodierens zu fertigen.
Ferner betrifft die Erfindung ein Bauteil für eine thermische Maschine, das mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN EN ISO 3274 [0004]
- DIN EN ISO 4287 [0004]
- DIN EN ISO 3274 [0009]
- DIN EN ISO 4287 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles einer thermischen Maschine, insbesondere zur Herstellung einer Komponente für eine Turbine, einen Kompressor oder Expander, bei dem ein Rohling des Bauteils zumindest abschnittsweise durch Erodieren bearbeitet und die durch Erodieren erzeugte Oberfläche durch Gleitspanen und/oder durch Elektropolieren derart bearbeitet wird, dass eine durch das Erodieren entstandene Recast-Schicht zumindest abschnittsweise wenigstens teilweise, insbesondere im Wesentlichen vollständig entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Erodieren in mehreren Stufendurchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Rohling zum Gleitspanen gemeinsam mit Schleifkörpern und einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, welche vorzugsweise mit einem Additiv versetzt ist, in einen Arbeitsbehälter gegeben wird, welcher zum Gleitspanen oszillierende und/oder rotierende Bewegung ausführt.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Gleitspanen durch Zugabe von Chemikalien zur Erzeugung von Oxalat- und Phosphatverbindungen an den erodierten Oberflächen unterstützt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem sich an das Gleitspanen ein Polieren anschließt.
Verfahren nach Anspruch 4 und 5, bei dem sich an das Gleitspanen ein Polieren anschließt, bei dem in den Arbeitsbehälter eine Polierflüssigkeit gegeben wird, welche die die Erzeugung von Oxalat- und Phosphatverbindungen bewirkenden Chemikalien im Wesentlichen neutralisiert und/oder dem Werkstoff des Bauteiles gegenüber inert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, bei dem zum Elektropolieren der erodierte Rohling zumindest mit Abschnitten seiner erodierten Oberflächen in ein Elektrolytbad aus einem, insbesondere werkstoffspezifischen, Elektrolyten eingetaucht und als Anode geschaltet mit konstantem oder gepulstem Gleichstrom beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt ein Gemisch aus einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, und einer oder mehrerer anorganischen Säuren, wie Salzsäure und/oder Schwefelsäure und/oder Salpetersäure, ist.
Bauteil für eine thermische Maschine, hergestellt durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8.