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5-Achsen-Fräsen von Schaufelrädern

Das Fräsen von Schaufelrädern wurde Ende der 80er Jahre bei MAN Technologie entwickelt um die Schaufelräder der Turbopumpe des VIKING-Triebwerks mit NC-Technik herzustellen. Das VIKING-Triebwerk wurde in der Trägerrakete ARIANE 4 bis zu fünf mal eingesetzt.

Bei den Schaufelflächen handelt es sich um verwundene Flächen. Zylindrische Fräser erzeugen in freier Bewegung Hinterschneidungen, deren genaue Berücksichtigung die geforderten engen Toleranzbereiche erfüllten konnte. Das Fräsen geschmiedeter Rohteile ist dann auf Grund der höheren Materialfestigkeit dem Gießen überlegen.

Die Technik führte dann bald Eingang in die Fertigung von Abgasturboladern

für sehr kleine Schaufelräder in der Formel 1,
für sehr große, hochbeanspruchte Lader in Schiffsdieseln.

Heute, nach 40 Jahren, ist die Technik Standard.

Auch die CNC-Steuerung von Maschinen in fünf und mehr Achsen ist überall im Einsatz.

Die Entwicklung wurde vom Fertigungsleiter der MAN Technologie, vorgeschlagen und entwickelt. Die Programmierung wurde parallel zu einem Forschungsauftrag des BMFT an der Universität Stuttgart bei der MAN Technologie vom Author erstellt und anschließend in die Fertigung übernommen.

Literatur u.a.: Schmeer, E.; Schmatz, W.: 5-achsiges Fräsen von Hochleistungspumpenrädern. wt. - Z. ind. Fert. 67 (1977) S. 721-736

Als Übersicht zu einer Prüfung der Relevanz wird ein gekürzter Beitrag des Autors aus dem Buch "Von Ideen und Erfolgen, 50 Jahre MAN TECHNOLOGIE" S. 390, ISBN 978 3 00 025030 9 nachfolgend eingefügt. Ein Artikel für Wikipedia wird natürlich neu erstellt und voraussichtlich dem übergeordneten, bereits existierendem Thema Formfräsen angepasst.

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Fünf-Achsen-Fräsen für Schaufelräder der Turbopumpen in den VIKING-Triebwerken der Ariane 4

Bild 1 zeigt ein Schaufelrad im Endzustand der Fertigung. In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein rotationssymmetrischer Deckel aufgeschweißt. Diese dann Pumpenrad genannte Einheit fördert den flüssigen Treibstoff aus dem Tank und drückt ihn in die Einspritzdüsen der Brennkammer. Ein etwas kleineres, ähnliches Pumpenrad wird für die Förderung des Sauerstoffträgers gebaut. Die Problematik dieser Fertigungsaufgabe wurde als derart kritisch eingestuft, dass parallel zum Lösungsansatz bei der NT das Institut für Werkzeugmaschinen von Prof. Stute an der TH Stuttgart beauftragt wurde. Mit finanzieller Förderung durch das Bundesministerium für Forschung und Technologie (BMFT) erreichten beide Entwicklungen ihre Ziele. Das eigene Verfahren wurde auf Grund der größeren Anwendungsbreite und der gesicherten Kontinuität in die Fertigung übernommen.

Geometrie der Radialpumpen

Definiert ist die Schaufel als Regelfläche durch die die Achse schneidenden Regelstrahlen – so genannte Mittenstrahlen – und die zugehörigen Schaufeldicken (Bild 2).

Eine Radialpumpe saugt die Flüssigkeit in Axialrichtung an und schleudert sie radial in ein ringförmiges Auffanggefäß. Wenn die Schaufeln, die die Flüssigkeit ansaugen, nicht exakt genug gearbeitet sind, bricht der Flüssigkeitsstrom ab, da der Dampfdruck unterschritten wird. Als Konsequenz fällt die Pumpleistung aus; die Auswirkungen auf das Triebwerk sind katastrophal. Da die Strahlen nicht parallel stehen, ist die Fläche verwunden.

Fünf-Achsen-Fräsen mit zylindrischen Fräsern

Grundsätzlich kann man an eine verwundene Fläche ein zylindrisches Werkzeug nicht dergestalt anlegen, dass die geforderte Fläche beim Bearbeitungsprozess in einem Zug entsteht. Es erschien jedoch machbar, einen Zylinderfräser so über die Fläche zu führen, dass die definierte Fläche teilweise bzw. genauer in einzelnen Linien exakt erstellt wird. In den Bereichen, in denen der Fräser die definierte Fläche nicht genau erzeugen kann, darf die real erzeugte Fläche die Toleranzen nicht überschreiten. Das Prinzip zeigt Bild 3.

Das geometrische Problem

In Bild 4 sind zwei extreme Fräserlagen in Bezug zur Schaufel dargestellt. In der linken Darstellung wird das Fräswerkzeug parallel zu einer in der Mitte der Schaufel liegenden Linie angestellt. Das erzeugte Schaufelprofil wird auf beiden Seiten konvex, da der Fräser an Fuß und Scheitel der Schaufel hinter- bzw. vorschneidet. In der rechten Darstellung wird das Fräswerkzeug schräg angestellt. Der Schnitt durch den zylindrischen Fräser ist in diesem Fall genau genommen eine Ellipse, wobei das Fräswerkzeug an der Mittenlinie zu viel weg schneidet. Es entsteht ein konkaves Schaufelprofil.

Zwischen diesen Extremlagen findet man die Lösung des geometrischen Problems der Anstellung des Fräswerkzeuges.

Die Programmierung

Das in FORTRAN geschriebene Programm zur Optimierung der Extremlagen gegenüber den Mittenstrahlen wurde frühzeitig dahingehend erweitert, fertigungstechnisch bedingte Abweichungen zu kompensieren. Ein nachgeschaltetes APT-Programm (Automatically Programmed Tools) setzt die geometrischen Vorgaben an den ausgewählten Positionen in Werkzeugschritte um. Ein sog. Postprozessor berechnet die Werkzeugschritte in Maschinenkoordinaten. Erst die spätere Implementierung der anfangs auf verschiedenen Rechnern laufenden Programme auf einer einzigen Anlage, einer VAX 780 von Digital Equipment, erleichterte und beschleunigte diese arbeitsaufwändige Programmschachtelung.

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