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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Spanen einer Nut mit einer Hinterschneidung in ein Werkstück, relativ zu dem das Werkzeug zum Spanen der Nut in eine Verfahrrichtung verfahrbar ist, und ein Verfahren zum Spanen der Nut mit dem Werkzeug.
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Eine Nut mit einer Hinterschneidung ist beispielsweise eine T-Nut 101 in einem Werkstück, wie sie in 5 bis 8 gezeigt ist. Die T-Nut 101 ist an der Oberfläche des Werkstücks von einem ersten Steg 102 und einem zweiten Steg 103 gebildet, die unter Ausbildung einer Mündung 104 der T-Nut 101 im Abstand zueinander angeordnet sind. Die Tiefe der T-Nut 101 wird von einem Grund 105 definiert, an dem jeweils benachbart und den ersten Steg 102 bzw. den zweiten Steg 103 ausbildend eine erste Hinterschneidung 106 bzw. eine zweite Hinterschneidung 107 vorgesehen sind. Die T-Nut 101 ist beispielsweise in einem Turbinenrotor vorgesehen, wobei in der T-Nut 101 Laufschaufeln mit einem Hammerkopffuß eingesetzt sind. Jeder Hammerkopffuß der Laufschaufeln hat die negative Form der T-Nut 101, so dass die Laufschaufeln in der T-Nut 101 formschlüssig gehalten sind. An dem Turbinenrotor ist die T-Nut 101 kreisförmig umlaufend vorgesehen, so dass die T-Nut 101 mit einer Drehmaschine hergestellt werden kann.
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In einem ersten in 5 gezeigten Fertigungsschritt wird mit einem Stichmeißel 108 in den Turbinenrotor bis auf den Grund 105 eingestochen, so dass eine Vor-Nut gefertigt wird, deren Breite der Weite der Mündung 104 entspricht. In einem nächsten Fertigungsschritt, wie es in 6 gezeigt ist, taucht ein Hakenmeißel 109 in die Vor-Nut ein und entfernt Material, an dem die erste Hinterschneidung 106 und die zweite Hinterschneidung 107 vorgesehen werden soll. Gemäß 7 werden mit einem Formmeißel 110 der Bereich der ersten Hinterschneidung 106 und der zweiten Hinterschneidung 107 an dem Grund 105 hergestellt. In analoger Weise hierzu werden gemäß 8 mit einem zweiten Formmeißel 111 die Hinterschneidungen 106 und 107 fertiggestellt, so dass in dem Werkstück ein erster Steg 102 und ein zweiter Steg 103 ausgebildet werden, wodurch die T-Nut 101 in dem Turbinenrotor fertig gestellt ist. Zwischen den einzelnen Fertigungsschritten wird die Nut vermessen, damit die Abmaße der fertigen T-Nut 101 innerhalb von geforderten Fertigungstoleranzen liegen. So muss beispielsweise große Sorgfalt auf die Parallelität der Stege 102 und 103 gelegt werden, da sonst die in die T-Nut 101 eingesetzte Laufschaufel nicht gleichmäßig an der Innenkontur der T-Nut 101 anliegen kann. Sollte dies der Fall sein, kommt es beim Betrieb des Turbinenrotors aufgrund von hohen Fliehkräften zu asymmetrischen Spannungen in dem Schaufelfuß und in dem Turbinenrotor, wodurch die Lebensdauer des Turbinenrotors und der Laufschaufeln herabgesetzt ist. Durch den ständigen Werkzeugwechsel sind Ungenauigkeiten durch Positionierfehler vorprogrammiert, wodurch ständiges Messen und nacharbeiten erforderlich ist. Außerdem ist das Fertigen der T-Nut 101 mit den Fertigungsschritten zeitaufwändig und kostenintensiv.
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Aufgabe der Erfindung ist es ein Werkzeug zum Spanen einer Nut mit einer Hinterschneidung in ein Werkstück und ein Verfahren zum Spanen der Nut zu schaffen, wobei die Nut maßgenau und kostengünstig herstellbar ist.
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Das erfindungsgemäße Werkzeug zum Spanen einer Nut mit einer Hinterschneidung in ein Werkstück, relativ zu dem das Werkstück zum Spanen der Nut in eine Verfahrrichtung verfahrbar ist, weist einen Formmeißel, der einen senkrecht zur Verfahrrichtung sich erstreckenden Schaft und an einem seiner Längsenden ausgebildet einen Schneidkopf aufweist, der als eine seitliche Verdickung des Schafts an diesem angeformt ist und an seiner Oberfläche eine Schneide aufweist, die die Form des Querschnittumrisses der Hinterschneidung hat, und eine Konsole auf, an der der Formmeißel an seinem Schaft verschwenkbar um seine Längsachse gehalten, so dass der Schneidkopf in einer ersten Stellung in die Verfahrrichtung und in einer zweiten Stellung quer zu der Verfahrrichtung zeigt, und am Schneidkopf entgegen der Verfahrrichtung abgestützt ist, so dass, wenn das Werkzeug mit dem Schneidkopf in der ersten Stellung in eine Nut mit einem rechteckigen Querschnitt eingetaucht und relativ zu dem Werkstück in die Verfahrrichtung bewegt wird, beim Verschwenken des Schneidkopfs in die zweite Stellung die Hinterschneidung mit der Schneide spanbar ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Spanen einer Nut mit einer Hinterschneidung in ein Werkstück weist die Schritte auf: Bereitstellen des Werkstücks mit einer Nut mit rechteckigem Querschnitt, dessen Breite mindestens so groß ist wie der Durchmesser des Schafts im Bereich des Schneidkopfs; Bereitstellen des erfindungsgemäßen Werkzeugs, wobei der Formmeißel in die erste Stellung geschwenkt ist; Eintauchen des Formmeißels mit dem Schneidkopf in die Nut, bis der Schaft mit seinem Längsende an den Grund der Nut stößt; Relativbewegen des Werkstücks entlang der Nut in die Verfahrrichtung und dabei Verschwenken des Formmeißels in die zweite Stellung, so dass in der Nut eine Hinterschneidung von der Schneide gespant wird.
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Beim Verwenden des Werkzeugs beim Spanen einer Nut mit einer Hinterschneidung in ein Werkstück ist der Fertigungsablauf kurz und einfach, verglichen mit einem herkömmlichen Fertigungsablauf wie vorhergehend beschrieben. Nach dem Vorstechen der Nut mit dem rechteckigen Querschnitt wird das Werkzeug in die Nut geschoben. Der auf der Konsole drehbar gelagerte Formmeißel wird dann durch einen geeigneten Verstellmechanismus so weit nach links und rechts gedreht, bis die gewünschte Nutform erzeugt wurde. Die Nut ist mit einer hohen Maßgenauigkeit gefertigt, so dass eventuelles Nachbearbeiten entfallen kann. Das Werkzeug bleibt während der gesamten Bearbeitung in der selben Position, wodurch die Parallelität von Tagflanken der Nut erzielt ist.
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Wird das Werkzeug beispielsweise zum Fertigen einer Läufernut in einen Turbinenrotor verwendet, so sind die Läufernuten einfach und schnell herstellbar. Außerdem sind die Läufernuten in wenigen Fertigungsschritten maßgenau herstellbar. Außerdem ist die Läufernut mit einem einzigen Werkzeug herstellbar, so dass das Einsetzen von einer Vielzahl von Spezialwerkzeugen unterbleiben kann. Dadurch ist das Verwenden des Werkzeugs beim Verfahren zum Spanen der Läufernut kostengünstig. Bevorzugt wird der Formmeißel als ein Drehstahl verwendet.
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Erfindungsgemäß ist es, dass die Konsole eine Abstützrippe aufweist, die mit ihrer Längserstreckung entlang der Verfahrrichtung angeordnet ist und an der an der in Verfahrrichtung zeigenden Stirnseite der Schaft anliegt, dessen Durchmesser an dieser Stelle mindestens so groß wie die Dicke der Abstützrippe ist. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, wenn das Werkzeug in die Nut mit dem rechteckigen Querschnitt eingetaucht ist, dass beim Spanen der Hinterschneidung der Schneidkopf gegen eine Spanwiderstandskraft abgestützt ist, wobei die Führung des Schneidkopfs in der Nut maßgenau erfolgen kann. Außerdem kann der Schaft an dem Schneidkopf mit einem kleinen Durchmesser versehen sein, mit dem der Schaft ohne der Abstützung durch die Abstützrippe der Spankraft nicht widerstehen könnte. Somit können mit dem Werkzeug auch schmale Nuten gefertigt werden.
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Der Schaft weist im Abstand von dem Schneidkopf einen Lagerbolzen, dessen Durchmesser größer als der des Schafts im Bereich des Schneidkopfs ist, und die Konsole eine Lagerbuchse auf, von der der Lagerbolzen verdrehbar gelagert ist. Somit ist der Schaft im Bereich des Schneidkopfs filigran dimensioniert, wodurch eine schmale Nut fertigbar ist, und im Bereich des Lagerbolzens und der Lagerbuchse mit einem großen Durchmesser versehen, so dass an dem Lagerbolzen und an der Lagerbuchse lediglich geringe Flächenpressungen beim Spanen der Nut in dem Werkstück auftreten können.
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Ferner weist bevorzugt der Formmeißel an seinem dem Schneidkopf abgewandten Längsende einen Verschwenkmechanismus auf, mit dem der Formmeißel an der Konsole unter Betätigung verdrehbar ist. Die Betätigung kann manuell oder mit Hilfe einer geeigneten Betätigungseinrichtung, wie beispielsweise einem Hydraulikstempel, bewerkstelligt werden.
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Bevorzugt ist es außerdem, dass der Formmeißel an der Konsole verschwenkbar um seine Längsachse in eine dritte Stellung bringbar ist, die längsachsensymmetrisch zur zweiten Stellung ist. Dadurch kann mit dem Werkzeug, wenn der Schneidkopf in der zweiten Stellung ist, die Nut mit einer ersten Hinterschneidung, und, wenn der Schneidkopf in der dritten Stellung ist, die Nut mit einer zweiten Hinterschneidung gefertigt werden, wobei die Hinterschneidungen symmetrisch zur Langsachse angesiedelt sind. Die dadurch hergestellte Nut hat einen T-förmigen Querschnitt.
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Das Verfahren zum Spanen der Nut mit einer Hinterschneidung in dem Werkstück weist bevorzugt ferner die Schritte auf: Zurückfahren des Werkzeugs entgegen der Verfahrrichtung an die Stelle in der Nut, an der der Formmeißel mit dem Schneidkopf in die Nut eingetaucht wurde; Relativbewegen des Werkzeugs entlang der Nut in die Verfahrrichtung und dabei Verschwenken des Formmeißels in die dritte Stellung, so dass in der Nut eine Hinterschneidung von der Schneide gespant wird, so dass aus der Nut eine T-Nut gefertigt wird. Außerdem ist es erfindungsgemäß, dass der Schaft beim Spanen an der dem Schneidkopf abgewandten Seite der Nut abgestützt ist. Dadurch ist beim Verfahren des Schneidkopfs in der Nut dieser stabil an der Nut geführt, so dass die Nut maßgenau gefertigt werden kann.
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Der Formmeißel ist bevorzugt als ein Drehmeißel ausgebildet. Dadurch kann das Werkstück in einer Drehbank von dem Werkzeug bearbeitet werden. An einer zylindrischen Oberfläche des Werkstücks kann mit dem Werkzeug eine zylindrisch umlaufende Nut gefertigt werden.
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Beim Relativbewegen des Werkzeugs entlang der Nut in die Verfahrrichtung wird bevorzugt das Werkstück gedreht und das Werkzeug in Ruhe gehalten, so dass der Formdrehmeißel als ein Drehmeißel funktioniert.
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugs anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
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1 eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform des Werkzeugs und eines Werkstücks, wobei das Werkzeug in einer Ausfahrstellung ist,
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2 eine perspektivische Ansicht des Werkzeugs und des Werkstücks aus 1, wobei das Werkzeug in einer ersten Stellung ist,
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3 eine perspektivische Ansicht des Werkzeugs und des Werkstücks aus 1, wobei das Werkzeug in einer zweiten Stellung ist,
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4 eine vergrößerte perspektivische Ansicht der perspektivischen Ansicht des Werkzeugs aus 3.
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Wie es aus 1 bis 4 ersichtlich ist, weist ein Werkzeug 1 einen Formmeißel 2 auf. Der Formmeißel 2 weist einen Schaft 3 auf, der an seinem Mittelbereich verdickt zu einem Lagerbolzen 4 ausgebildet ist. An einem Längsende des Schafts ist ein Verschwenkhebel 5, der radial von dem Schaft sich weg erstreckt, und an dem dem einen Längsende abgewandten anderen Längsende ein Schneidkopf 6 vorgesehen, der als eine seitliche Verdickung ausgebildet ist, die in die gleiche Richtung wie der Schwenkhebel 5 zeigt. Der Schaft 3 ist zylindrisch ausgebildet, wobei der Schneidkopf 6 an die Zylinderoberfläche des Schafts 3 derart angeformt ist, dass der Schneidkopf 6 mit dem Schaft 3 einen länglichen Querschnitt ausbildet, dessen kleinster Durchmesser dem Durchmesser des Schafts 3 entspricht. An der Seite des Schneidkopfs 6, die der Längsachse des Schafts 3 abgewandt ist, ist eine Schneide 7 vorgesehen.
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Das Werkzeug 1 weist ferner eine Konsole zum Halten des Formmeißels 2 auf, wobei in der Konsole 8 eine Lagerbuchse 9 vorgesehen ist, in der der Lagerbolzen 8 aufgenommen ist. Dadurch ist der Schaft 3 mit dem Lagerbolzen 4 in der Lagerbuchse 9 um die Längsachse des Schafts 3 verdrehbar gelagert. Wird unter Betätigen des Verschwenkhebels 5 der Formmeißel 2 gedreht, so wird entsprechend der Schneidkopf 6 ebenfalls verschwenkt.
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Ferner weist die Konsole 8 eine Abstützrippe 10 auf, deren Dicke so groß wie der Durchmesser des Schafts 3 ist. Die Abstützrippe 10 erstreckt sich mit ihrer Längserstreckung senkrecht zu der Längsachse des Schafts 3, wobei dieser an einer Stirnseite der Abstützrippe 10 im Bereich des Schneidkopfs 6 abgestützt ist, dass der Schneidkopf 6 der Stirnseite abgewandt angeordnet ist.
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Eine als Werkstück gezeigte Scheibe 11 weist einen zylindrischen Außenumfang 12 auf, in dem mit dem Werkzeug 1 eine T-Nut 13 gefertigt ist. In den 1 bis 4 ist die T-Nut in der Scheibe 11 halbseitig aufgebrochen, damit das Werkzeug 1 in der T-Nut 13 sichtbar ist.
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Die T-Nut 13 ist von einem in der Scheibe 11 vorgesehenen ersten Steg 14 und zweiten Steg 15 gebildet, wobei die Stege 14, 15 symmetrisch zum Verlauf der T-Nut 13 angeordnet sind. Die Stege 14, 15 sind im Abstand zueinander angeordnet, wodurch eine Mündung 16 der T-Nut 13 gebildet ist. Ein Grund 17 bestimmt die Tiefe der T-Nut 13. In der Scheibe 11 ist an dem Grund 17 eine Erweiterung der T-Nut 13 vorgesehen, die von einer ersten Hinterschneidung 18 und einer zweiten Hinterschneidung 19 gebildet ist. Die erste Hinterschneidung 18 und die zweite Hinterschneidung 19 sind symmetrisch zu dem Verlauf der T-Nut 13 angeordnet, so dass durch die Hinterschneidungen 18, 19 die Stege 14, 15 ausgebildet sind.
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Durch den Verlauf der T-Nut 13 ist eine Verfahrrichtung des Werkzeugs 1 vorgegeben. In 1 bis 4 ist ein Fertigen der T-Nut 13 mit dem Werkzeug 1 gezeigt.
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In 1 ist das Werkzeug 1 gegenüber der Scheibe 11 in einer Ausfahrstellung dargestellt. Hierbei zeigen der Schneidkopf 6 mit seiner Schneide 7 und der Verschwenkhebel 5 in die Verfahrrichtung. Der Schneidkopf 6 ist an dem Schaft 3 der Abstützrippe 10 abgewandt angeordnet, so dass der Schneidkopf 6 mit dem Schaft 3 und der Abstützrippe 10 fluchtend angeordnet ist. Der Schneidkopf 6 und die Abstützrippe 10 sind entlang der Verfahrrichtung im Abstand zu der T-Nut 13 angeordnet, so dass das Werkzeug 1 mit der Abstürzrippe 10 und dem Schneidkopf 6 in die Mündung 16 einfahrbar ist. Dadurch wird das Werkzeug 1 in eine erste Stellung begeben, die in 2 gezeigt ist. Hierbei ist der Schneidkopf 6 in die T-Nut 13 eingetaucht, wobei der Schaft 3 mit seinem Längsende an den Grund 17 einen kleinen Spalt bildet.
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Der Durchmesser des Schafts 3 ist etwas kleiner als die Weite der Mündung 16, so dass der Formmeißel 2 mit seinem in die Verfahrrichtung zeigenden Schneidkopf 6 in die T-Nut 13 passt. Zum Fertigen der ersten Hinterschneidung 18 und der zweiten Hinterschneidung 19 wird die Scheibe 11 um ihre Achse gedreht. Wird nun der Formmeißel 2 von der ersten Stellung (siehe 2) in eine zweite Stellung (siehe 3 und 4) gebracht, so wird der Schneidkopf 6 in die erste Hinterschneidung 18 hineinbewegt. Zum Fertigen der T-Nut 13 ist die Hinterschneidung 18 noch mit Material der Scheibe 11 gefüllt, so dass beim Drehen der Scheibe 11 mit der Schneide 7 die erste Hinterschneidung 18 gespant wird. Das Verdrehen des Formmeißels 2 kann durch Betätigung des Verschwenkhebels 5 durchgeführt werden. Wird der Verschwenkhebel 5 zur anderen Seite geschwenkt, so wird der Schneidkopf 6 in dem Bereich der zweiten Hinterschneidung 19 geschwenkt, wodurch analog zur ersten Hinterschneidung 18 die zweite Hinterschneidung 19 in einer dritten Stellung des Formmeißels 3 gespant werden kann.
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Bei Fertigstellung der T-Nut 13 kann durch eine entsprechende Betätigung des Verschwenkhebels 5 das Werkzeug 1 wieder in die erste Stellung gemäß 2 gebracht werden und dann wieder aus der T-Nut 13 gemäß 1 in die Ausfahrstellung gebracht werden.
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In der ersten Stellung, der zweiten Stellung und der dritten Stellung ist der Schneidkopf 6 mit dem Schaft 3 an der Abstützrippe 10 entgegen der Verfahrrichtung abgestützt, so dass der Schaft 3 in der T-Nut 13 stabil positionierbar ist.