Flexibel und Prozesssicher

Für die Herstellung von Turbinenschaufeln wurden bis zum Jahr 2000 vorwiegend Präzisions-Schmiederohlinge eingekauft. Zu den unterschiedlichen Typen und Baugrößen, welche bei Alstom im Schweizerischen Birr 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.“

Auf einen Blick

Jede Backe des Futters wird einzeln über Hebel angesteuert, die Spitze macht einen Hub von 70 mm, und trotzdem erreicht man damit eine Spannkraft von 5000 daN.

Forkardt Sonder-Kraft-spannfutter
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
  • fünf hydraulische Leitungen
  • eine pneumatische Leitung

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.

Ausgeklügelte Lösung

Die freiwerdenden Spannungen müssen während des Prozesses ausgeglichen werden.

Die Lösung von Forkardt konnte 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 2 mm 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 ±8 mm. Die Zentrierspitze lässt eine radiale Auslenkung von 3 mm aus der zentrischen Lage in jede in beliebige Richtung zu. Eine spezielle Funktion bringt die Spitze wieder in die zentrische Lage zurück.“

Mit den Forkardt-Futtern werden Schaufeln mit einer Länge von 800 bis 2000 mm Länge und Durchmessern bis 120 mm gespannt.

Horst Knöpfel, Projektingenieur bei Forkardt geht da aber noch mehr ins Detail: „Die Schaufeln sind geometrisch definiert, haben jedoch aufgrund des Schmiedeprozesses 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 leckagefreien 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.

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 2000 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.