BESCHREIBUNG

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Bauteils durch elektrochemisches Abtragen.

Stand der Technik

Beim elektrochemischen Abtragen stellt sich zwischen dem Bauteil und dem Werkzeug ein Arbeitsspalt ein, wobei das Bauteil dann typischerweise als Anode und das Werkzeug als Kathode polarisiert wird. Aufgrund der insofern berührungslosen Bearbeitung lassen sich auch vergleichsweise harte Werkstoffe materialabtragend bearbeiten, weswegen das Verfahren vorteilhaft bei der Herstellung von Bauteilen für axiale Strömungsmaschinen, insbesondere Flugtriebwerke genutzt werden kann. Vor diesem Hintergrund können sich besondere Anforderungen an die Genauigkeit bzw. Reproduzierbarkeit der Bauteilbearbeitung ergeben. Dies soll ein bevorzugtes Anwendungsumfeld illustrieren, den vorliegenden Gegenstand aber zunächst nicht in seiner Allgemeinheit beschränken.

Darstellung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine vorteilhafte Vorrichtung zum Bearbeiten eines Bauteils durch elektrochemisches Abtragen anzugeben.

Dies wird erfindungsgemäß mit der Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Bei dieser sind eine Bauteilhalterung, in welcher das Bauteil für die Bearbeitung angeordnet wird, und eine Positioniereinheit mit der Bearbeitungskathode zunächst in einer Eintauchrichtung relativ zueinander versetzbar. In dieser wird die Bearbeitungskathode beim Abtragen sukzessive in das Bauteil hineinbewegt, werden also Bauteilhalterung und Bearbeitungskathode aufeinander zubewegt. Die Bearbeitungskathode ist ferner mit der Positioniereinheit zusätzlich seitlich versetzbar, also gewinkelt zu der Eintauchrichtung. Dabei ist diese seitliche Versetzbarkeit über einen Linearantrieb der Positioniereinheit realisiert, mit diesem kann die Bearbeitungskathode bei der Bauteilbearbeitung mit einer translatorischen Bewegung seitlich versetzt werden.

Im Vergleich zu einem alternativ denkbaren Ansatz, bei dem eine Drehbewegung über einen Exzenter und eine entsprechende Aufhängung in einen seitlichen Versatz umgesetzt würde, kann der Linearantrieb bspw. dahingehend von Vorteil sein, dass sich der seitliche Versatz von anderen Bewegungskomponenten entkoppeln lässt. Damit kann bspw. die Auslegung der prozessnahen Betriebsmittel vereinfacht sein (z. B. Freiformflächengestaltung), weil keine verknüpften Bahnbewegungen zu berücksichtigen sind. Die Entkopplung von der Eintauchbewegung kann bspw. auch im Betrieb von Vorteil sein, etwa wenn die Bearbeitungskathode bei einer Störung zurückgefahren werden muss, was vereinfacht sein kann, wenn keine mehrachsig verknüpfte Bahnbewegung zu berücksichtigen ist. Zudem können der Relativversatz in Eintauchrichtung und der zusätzlich über den Linearantrieb realisierte seitliche Versatz auch steuerungsseitig einfacher zu implementieren sein.

Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Wird bspw. eine für einen bestimmten Betrieb geeignete Bearbeitungsvorrichtung beschrieben, ist dies zugleich als Offenbarung eines entsprechenden Betriebsverfahrens zu verstehen, und umgekehrt.

Bezogen auf die Eintauchrichtung liegt der seitliche Versatz „gewinkelt“, kann also die mit dem Linearantrieb realisierte Bewegungsstrecke im Allgemeinen auch schräg oder bevorzugt senkrecht zur Eintauchrichtung liegen. Die Relatiwersetzbarkeit von Bauteilhalterung und Positioniereinheit in der Eintauchrichtung kann mit einer entsprechenden Versetzeinheit realisiert sein, mit der in einem ortsfesten Koordinatensystem betrachtet beim Abtragen die Positioniereinheit in der Eintauchrichtung zur Bauteilhalterung hin versetzt werden kann oder die Bauteilhalterung zur Positioniereinheit mit der Bearbeitungskathode versetzt werden kann (und beim Zurückfahren der Bearbeitungskathode jeweils entgegengesetzt). Bevorzugt ruht die Positionierein- heit im ortsfesten Koordinatensystem betrachtet bezogen auf die Eintauchrichtung, werden also die Bauteilhalterung / das Bauteil bewegt, vorzugsweise beim Abtragen nach vertikal unten zur Bearbeitungskathode abgesenkt.

Wie eingangs erläutert, ist die Bearbeitungskathode bevorzugt als Kathode polarisiert, die Bauteilbearbeitung an sich kann bspw. in einem sogenannten ECM- Verfahren (Electrochemical Machining, ECM), insbesondere aber auch einem PEM- (Precise Electrochemical Machining) oder PECM- V erfahren (Pulsed Electrochemical Machining) erfolgen. Ein Vorteil des Linearantriebs kann bspw. auch darin liegen, dass sich damit gut unterschiedliche Oszillationsformen einstellen bzw. dem seitlichen Versatz überlagern lassen, z. B. je nach Bedarf eine Trapez- oder Sinusform.

Im Allgemeinen kann der Linearantrieb bspw. auch mechanisch oder piezoelektrisch realisiert sein, in bevorzugter Ausgestaltung ist er jedoch als Linearmotor vorgesehen. Dieser weist einen Stator und einen Läufer auf, der nach dem Magnetfeldprinzip entlang des Stators bewegbar ist (durch wiederholte Umpolungen entlang des Fahrwegs gedrückt bzw. -zogen wird). Der Linearmotor, auch als „linearer Direktantrieb“ bezeichnet, kann bspw. aufgrund seiner kompakten Bauform gut integrierbar sein, zudem kann sich damit relativ feinfühlig eine Krafterkennung implementieren lassen, was das Risiko von Kollisionen reduzieren kann. Etwa im Vergleich zu einem hydraulischen Antrieb kann der Energieverbrauch reduziert sein, zudem könnte die Hydraulikflüssigkeit im Leckagefall bspw. auch den Elektrolyten verunreinigen (Still- standzeit/K osten). Ein Hydraulikantrieb kann im Vergleich zum Linearmotor bspw. auch erhöhte Anforderungen an die Steuerung bzw. elektrische Regelung stellen, was im Ergebnis wiederum Aufwand bedeutet (Fläche, Kosten und Energie).

Im Allgemeinen könnte der seitliche Versatz der Bearbeitungskathode bspw. auch über ein Getriebe / eine Umlenkstange an den Läufer gekoppelt sein, in bevorzugter Ausgestaltung ist die Bearbeitungskathode jedoch auf dem Läufer angeordnet, also direkt an diesem montiert. Dies kann bspw. die Zahl an Komponenten bzw. Bauteilen verringern, also einen insgesamt vereinfachten und damit z. B. auch weniger störanfälligen Aufbau ergeben.

Generell ist der Fahrweg, entlang welchem der Läufer am Stator bewegbar ist, bevorzugt über die gesamte Bewegungsstrecke geradlinig. Unabhängig davon ist der Läufer in bevorzugter Ausgestaltung auf der Bewegungsstrecke formschlüssig am Stator gehalten, bevorzugt über die gesamte Bewegungsstrecke. Dabei besteht dieser Formschluss bezogen auf Richtungen senkrecht zur Bewegungsstrecke, wird der Läufer also senkrecht zur Bewegungs strecke in einem definierten Abstand am Stator gehalten, was bspw. eine gute Präzision erlauben kann.

In bevorzugter Ausgestaltung weist die Führung einen Stab auf, der den Läufer in einer zur Bewegungsstrecke parallelen Richtung durchsetzt. Der Läufer kann entlang der Bewegungsstrecke auf dem Stab gleiten, dieser ist bevorzugt über zumindest diese Länge linear (geradlinig). Vorzugsweise weist die Führung zusätzlich einen zweiten Stab auf, den der Läufer ebenfalls umschließt, und der parallel zum ersten Stab liegt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bearbeitungskathode über ein Schnellspannfutter an der Positioniereinheit montiert, vorzugsweise auf dem Läufer. Dies kann ein schnelles Umrüsten erlauben, etwa wenn eine Bearbeitungskathode mit anderer Kontur erforderlich ist oder die Bearbeitungskathode ihre Standzeit erreicht hat und ersetzt werden muss. Das Schnellspannfutter kann bspw. einen oder mehrere Zentrierstifte umfassen, auf welchen die montierte Bearbeitungskathode ausgerichtet sitzt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung zusätzlich zur (ersten) Bearbeitungskathode eine zweite Bearbeitungskathode auf, die mit einer zweiten Positioniereinheit seitlich versetzbar ist (gewinkelt zu einer zweiten Eintauchrichtung). Auch die zweite Positioniereinheit weist einen (zweiten) Linearantrieb auf, vorzugsweise wiederum einen Linearmotor. Sämtliche vorstehend generisch für die „Bearbeitungskathode“ und „Positioniereinheit“ getroffenen Aussagen betreffen zunächst die erste Bearbeitungskathode und Positioniereinheit, sollen aber ausdrücklich auch hinsichtlich der Ausgestaltung der zweiten Bearbeitungskathode und Positioniereinheit offenbart sein. Bevorzugt sind die erste und zweite Positioniereinheit zueinander baugleich.

Im Allgemeinen könnte die erste Eintauchrichtung der ersten Bearbeitungskathode auch gewinkelt zur zweiten Eintauchrichtung der zweiten Bearbeitungskathode liegen, könnten die Kathoden also beim Abtragen unter einem Winkel zueinander in das Bauteil eingetaucht werden. In bevorzugter Ausgestaltung erfolgt dieses Eintauchen jedoch parallel, fallen die erste und zweite Eintauchrichtung also zusammen.

Die erste und zweite Positioniereinheit sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform derart vorgesehen, dass die Bewegungsstrecke des ersten Linearantriebs auf einer gemeinsamen Geraden und/oder auf zwei kollinearen Strecken mit der Bewegungsstrecke des zweiten Linearantriebs liegt. Bezogen auf die Ausnehmung, die mit dem Eintauchen der Elektroden in das Bauteil eingebracht wird, kann dann die erste Elektrode beim Abtragen (zusätzlich zum Eintauchen) mit der ersten Positioniereinheit zu einer ersten die Ausnehmung begrenzenden Flanke hin versetzt werden, wobei die zweite Bearbeitungskathode mit der zweiten Positioniereinheit zu einer zweiten Flanke hin versetzt wird, die ebenfalls die Ausnehmung begrenzt und der ersten Flanke gegenüber liegt.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Bearbeiten eines Bauteils durch elektrochemisches Abtragen, wobei mit einer Bearbeitungskathode elektrochemisch Material abgetragen wird und das Bauteil und die Bearbeitungskathode in einer Eintauchrichtung relativ zueinander versetzt werden. Ferner wird mit einer Positioniereinheit, an welcher die Bearbeitungskathode angeordnet ist, die Bearbeitungskathode seitlich versetzt (gewinkelt, insbesondere senkrecht zur Eintauchrichtung). Dabei wird dieser seitliche Versatz mit einem Linearantrieb der Positioniereinheit eingestellt, vorzugsweise einem Linearmotor. Bevorzugt wird dieses Verfahren auf einer vorliegend offenbarten Vorrichtung durchgeführt, bezüglich möglicher Details wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.

Das Bauteil, das materialabtragend bearbeitet wird, ist in bevorzugter Ausgestaltung ein Bauteil für eine Strömungsmaschine, insbesondere für ein Flugtriebwerk. Besonders bevorzugt kann es sich bei dem Bauteil um eine sogenannte Blisk handeln (Blade Integrated Disk), also eine Scheibe mit integral (monolithisch) damit ausgebildeten Schaufeln. Durch die materialabtragende Bearbeitung können dabei die Zwischenräume zwischen den Schaufeln bzw. Schaufelblättern freigelegt werden (und bleiben die Schaufeln stehen).

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungs wesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.

Im Einzelnen zeigt

Figur 1 eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Bauteils durch elektrochemisches Abtragen;

Figur 2a, b eine Detailansicht einer Positioniereinheit der Vorrichtung gemäß Figur 1;

Figur 3 ein Flugtriebwerk in einem schematischen Längsschnitt.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Bearbeiten eines Bauteils 2 durch elektrochemisches Abtragen, wofür die Vorrichtung 1 eine (erste) Bearbeitungskathode 11 aufweist, die an einer (ersten) Positioniereinheit 12 angeordnet ist. Diese weist einen (ersten) Linearantrieb 13 auf, der als Linearmotor 14 ausgeführt ist. Mit der Positioniereinheit 12 kann die Bearbeitungskathode 11 entlang einer Bewegungsstrecke 15 seitlich versetzt werden, und zwar senkrecht zu einer (ersten) Eintauchrichtung 19. Ein Relatiwersatz zwischen dem Bauteil 2 und der Bearbeitungskathode 11 wird durch Absenken des Bauteils 2 mit einer Versetzeinheit 5 realisiert (nur schematisch dargestellt), mit der die Bauteilhalterung 6 und damit das Bauteil 2 abgesenkt und damit die Bearbeitungskathode 11 in der Eintauchrichtung 19 eingetaucht werden kann. Wie in der Beschreibungseinleitung im Einzelnen dargelegt, ist der seitliche Versatz, der über den Linearantrieb 13 realisiert ist, hiervon entkoppelt, ist also kein aufwändiges Umlenkgetriebe etc. erforderlich.

Die Vorrichtung 1 weist ferner eine zweite Bearbeitungskathode 21 auf, die an einer zweiten Positioniereinheit 22 mit einem zweiten Linearantrieb 23, nämlich einem Linearmotor 24, montiert ist. Die zweite Bewegungsstrecke 25 liegt auf einer Geraden mit der ersten Be wegungs strecke 15. Beide Linearmotoren 14, 24 weisen jeweils einen Stator 14.1, 24.1 und einen Läufer 14.2, 24.2 auf, der an dem Stator 14.1, 24.1 nach dem Magnetfeldprinzip bewegbar ist. Die Bearbeitungskathoden 11, 21 sind jeweils auf dem Läufer 14.2, 24.2 montiert, und zwar über ein jeweiliges Schnellspannfutter 16, 26.

Die Figuren 2a, b zeigen die (erste) Positioniereinheit 22 im Detail (die zweite Positioniereinheit ist analog aufgebaut), und zwar in einer Aufsicht und in einer Seitenansicht. Der Läufer 14.2 ist formschlüssig an einer Führung 30 gehalten, diese weist einen ersten und einen zweiten linearen Stab 30.1, 30.2 auf. Die Stäbe 30.1, 30.2 durchsetzen den Läufer 14.1, dieser kann entlang der Bewegungsstrecke 15 an den Stäben 30.1, 30.2 gleiten. Unterseitig am Läufer 14.1 sind Magnete 31 angeordnet, mit denen dieser durch entsprechende Umpolung entlang der nur schematisch gezeigten Magnete 32 des Stators 14.2 bewegt werden kann.

Figur 3 zeigt eine Strömungsmaschine 40, vorliegend ein Flugtriebwerk 41. Dieses gliedert sich funktional in Verdichter 42, Brennkammer 43 und Turbine 44. Im Betrieb wird angesaugte Luft im Verdichter 42 komprimiert und in der nachgelagerten Brennkammer 43 mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt, wobei das entstehende Heißgas in der Turbine 44 expandiert wird. Sowohl der Verdichter 42 als auch die Turbine 44 weisen jeweils mehrere Stufen mit Leit- und Laufschaufelkranz auf, wobei bspw. ein hier exemplarisch mit dem Bezugszeichen 45 referenzierter Laufschaufelkranz der Turbine 44 als Blisk ausgeführt sein kann.

BEZUGSZEICHENLISTE

Vorrichtung 1

Bauteil 2

Versetzeinheit 5

Bauteilhalterung 6

Erste Bearbeitungskathode 11

Erste Positioniereinheit 12

Erster Linearantrieb 13

Erster Linearmotor 14

Stator 14.1, 24.1

Läufer 14.2, 24.2

Schnellspannfutter 16, 26

Erste Bewegungsstrecke 15

Erste Eintauchrichtung 19

Zweite Bearbeitungskathode 21

Zweite Positioniereinheit 22

Zweiter Linearantrieb 23

Zweiter Linearmotor 24

Zweite Bewegungsstrecke 25

Erste Positioniereinheit 22

Führung 30

Stäbe 30.1, 30.2

Magnete 31

Magnete 32

Strömungsmaschine 40

Flugtriebwerk 41

Verdichter 42

Brennkammer 43

Turbine 44

Laufschaufelkranz/ /z 45