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KleinstserienfertigungAudis Vorseriencenter braucht Universalwerkzeuge

Audi Q2

In der Versuchsteilefertigung bei Audi in Ingolstadt werden anspruchsvolle Bauteile als Prototypen und in Kleinstserien hergestellt. Dabei setzen die Verantwortlichen auf VHM-Fräser von Haimer, die sich durch ihre Geometrie und Qualität für vielfältige Zerspanungsaufgaben eignen. Ihr Dämpfungs- und Rundlaufverhalten ermöglicht es, in Vergleichsfällen die Produktivität um ein Vielfaches zu steigern.

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KraftspannfutterTurbinenschaufeln flexibel spannen

Im Fertigungsprozess sind Maschinen, Werkzeuge etc. heute häufig austauschbar, denn das wahre Fertigungs-Know-how liegt meist im Detail. Ein Beispiel hierfür ist das automatisierte Spannen von Turbinenschaufeln für deren Fräsbearbeitung. Mit den eigens entwickelten Kraftspannfuttern von Forkardt geht man bei Alstom im Schweizerischen Birr völlig neue Wege und macht damit seit 2005 durchwegs positive Erfahrungen.
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Kraftspannfutter: Turbinenschaufeln flexibel spannen

Für die Herstellung von Turbinenschaufeln wurden bis im Jahr 2000 vorwiegend Präzisions-Schmiederohlinge eingekauft. Zu den unterschiedlichen Typen und Baugrößen, welche bei Alstom gefertigt werden, benötigte man deshalb jedes Mal ein entsprechendes Gesenk. Ein kostenintensives Unterfangen, zumal die Variantenvielfalt kontinuierlich steigt. Diese Situation war deshalb in vielerlei Hinsicht kaum noch tragbar.

Die Entwicklungen bei Werkzeugmaschinen, Steuerungen und Werkzeugen hatte die Verantwortlichen dazu veranlasst, sich über günstigere Fertigungsverfahren Gedanken zu machen. Auf Grund dessen wurde entschieden, die Turbinenschaufeln künftig komplett aus Grobrohlingen zu fräsen. Entsprechend wurde die Fertigung ausgeweitet und angepasst. Wie sich aber schnell zeigte, liegt das Hauptproblem weniger in der Fertigungsperipherie als vielmehr in freiwerdenden Spannungen, welche bei der Schruppbearbeitung der geschmiedeten Bauteile entstehen. So musste eine Lösung gefunden werden, welche es zulässt, dass die Eigenspannungen nach der Schruppbearbeitung wieder abgebaut werden können. Wie die Produktionsmanager bei Alstom Thermal Power wissen, war das nicht einfach: "Einerseits sind unsere Schaufeln dünn, labil und müssen deshalb sehr sensibel gespannt werden. Anderseits reagieren die Bauteile zwar trendmäßig immer ähnlich aber nie konstant. Man muss also beim Schruppen immer darauf achten, dass man die freiwerdenden Spannungen auffangen kann und danach noch genügend Material für den nachfolgenden Schlichtprozess vorhanden ist."

Die Herausforderung bestand also darin, ein Spannfutter zu entwickeln, mit welchem die Turbinenschaufeln zuerst zwischen Zentrierspitzen ausgleichend gespannt werden können und welches nach der Bearbeitung kurz geöffnet werden kann, damit sich das Werkstück in die spannungsfreie Position verwerfen kann. Damit dies möglich ist, muss auch die Zentrierspitze in der Lage sein, sich aus der zentrischen Position in eine neue achsversetzte Position zu verschieben. In dieser neuen Position muss die Spitze wieder blockiert werden und danach das Werkstück erneut gespannt werden. An der Entwicklung eines solchen Spannfutters waren zunächst drei namhafte Spannfutterhersteller beteiligt. Die Lösung von Forkardt kann alle Anforderungen bestens erfüllen und deshalb hat sich Alstom für diese Variante entschieden. Das Spannfutter hat allerdings mit einem Standardfutter nicht mehr viel gemeinsam. Walter Stössel, technischer Berater bei Forkardt Schweiz, sieht die Besonderheiten des Futters allerdings noch in anderen Bereichen: "Die Verwerfung durch die freigesetzten Eigenspannungen kann bei diesen Bauteilen bis zu zwei Millimeter in jede beliebige Richtung betragen. Bei den herkömmlichen ausgleichenden Spannfuttern wird das Werkstück durch die Spitze zwangsgeführt. Die Spannstelle ist aber gegenüber der Zentrierspitze nicht zwingend symmetrisch. Diese Asymmetrie muss durch die Backen ausgeglichen werden können. Deshalb besitzen die Backen des Spannfutters eine Ausgleichsfähigkeit von plus minus acht Millimetern. Die Zentrierspitze lässt eine radiale Auslenkung von 3 Millimetern aus der zentrischen Lage in jede in beliebige Richtung zu. Eine spezielle Funktion bringt die Spitze wieder in die zentrische Lage zurück." Horst Knöpfel, Projektingenieur bei Forkardt geht da aber noch mehr ins Detail: "Die Schaufeln sind geometrisch definiert, haben jedoch aufgrund des Schmiede-Prozesses einen sehr großen Toleranzbereich. Deshalb wird bei unserem Futter jede Backe einzeln über Hebel angesteuert. Die Zentrierspitze kann einen axialen Hub von 70 mm ausführen. Das Spannfutter besitzt eine Spannkraft von 50 kN. Integrierte Druckspeicher sichern die Erhaltung der Spannkraft ab, damit bei einem Leck im Hydrauliksystem das Futter nicht ungewollt öffnen kann". Das hydraulisch betätigte Spannfutter besitzt eine HSK-Schnittstelle mit leckage-freien Kupplungen für die diversen Leitungen. Diese Lösung lässt es zu, dass die Werkstücke abseits der Maschine auf einer Beladestation gespannt und danach zusammen in die Maschine geführt werden können.

Trägt den Hauptanteil, um die Qualitätsanforderung zu erfüllen

Mittlerweile arbeitet man in Birr auf vier Maschinen, also mit insgesamt acht Kraftspannfuttern von Forkardt. Die Losgrößen liegen dabei je nach Schaufeltyp zwischen 30 bis 150 Stück, die Baugrößen variieren von 800 bis 2.000 mm Länge. Besonders interessant ist aber, dass man im Vergleich zur früheren Fertigungsmethode, trotz kompletter Zerspanung, flexibler ist und wesentlich kostengünstiger fertigen kann. Das Futter hat sicher einen grossen Anteil daran, dass diese Qualitätsanforderungen erfüllt werden können. Zudem bringt ein solch flexibel einzusetzendes Spannmittel Freiräume und macht die Prozesse sicherer. Derartige Sonderlösungen lassen sich nur mit entsprechendem Know-how und Interesse an der Aufgabe bewältigen. Letztendlich sind es aber doch die besonderen Herausforderungen bzw. die Lösungen, die die Wettbewerbsfähigkeit ausmachen, denn Tatsache ist, dass man mit dieser Vorgehensweise wesentlich schneller und unabhängiger gegenüber dem früheren Fertigungsverfahren geworden ist.

ALSTOM in Birr im Blickpunkt

Die Rotorenfabrik in Birr bei Baden in der Schweiz gehört weltweit zu den führenden Standorten in der Stromerzeugungstechnologie und fertigt auf rund 40.000 Quadratmetern hauptsächlich einbaufertige Rotoren für Gas- und Dampfturbinen sowie Turbogeneratorrotoren für Kraftwerke mit einer Leistung von bis zu 2000 Megawatt. Das Werk wurde 1960 für die Produktion kompletter Turbo- und Hydrogeneratoren sowie Elektromotoren in Betrieb genommen. Seit 1990 konzentriert sich die Produktion auf die Fertigung von Turbinen- und Turbogeneratorrotoren. Das Produktionsspektrum umfasst mittlerweile Gasturbinenrotoren inklusive Verdichter- und Turbinenschaufeln, Dampfturbinenrotoren mit Beschaufelung, sowie luft- und gasgekühlte Turbogeneratorrotoren und -wicklungen, Heissgaskomponentenfertigung sowie eine Spezialteilefertigung. Das Werk in Birr entwickelt kontinuierlich neue Technologien und Prozesse und sichert damit die Produktion nach neusten Fertigungsverfahren. Eine weitere Spezialität des Werkes in Birr ist sein hauseigenes Kraftwerk. Es ist ausgestattet mit einer GT26- und einer GT08C2-Dualbrennstoff-Gasturbine. Die Anlage erlaubt es Alstom, die Kraftwerkskomponenten unter Feldbedingungen zu testen und die Produkte zu optimieren. Das beschleunigt die Designvalidierung und die Integration in die Gasturbienenflotte von Alstom erheblich. Der während den Testläufen erzeugte elektrische Strom wird in das Schweizer Stromnetz eingespiesen.

Interssantes am Rande

Ab einer Schaufellänge von 800 mm arbeitet man bei Alstom mit dem Sonder-Kraftspannfutter 2OVEKA 270 SO von Forkardt. Die Leistungsmerkale im Detail:

  • Max. Spannkraft bei 6.5 MPa: 50 kN
  • Max. Kolbenkraft bei 6.5 MPa: 18 kN
  • Max. Hub pro Backe: 8 mm
  • Max. axialer Hub der Spitze 70 mm
  • Max. radialer Ausgleich der Spitze: 3 mm
  • 5 hydraulische Leitungen
  • 1 pneumatische Leitung

kf

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