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Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR THE MECHANICAL EDGE ZONE HARDENING OF COMPONENTS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/113302
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for mechanical edge zone hardening within an edge zone of a component (11) by means of at least one rolling tool which induces residual stresses in the near-surface areas of the component (11) using a deep-rolling process. During the deep-rolling process, one area of the component (11) is arranged between regions of the at least one rolling tool, and two sides of the component (11) are deep-rolled simultaneously. The component (11) is deep-rolled by at least two rolling tools in the region of the area being hardened (14), said rolling tools each exerting a different, at least almost constant compressive force on the component (11) during the deep-rolling process.

Inventors:
FELDMANN GOETZ G (DE)
Application Number:
DE2012/100385
Publication Date:
August 08, 2013
Filing Date:
December 18, 2012
Export Citation:
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Assignee:
ROLLS-ROYCE DEUTSCHLAND LTD & CO KG (Eschenweg 11, OT Dahlewitz, Blankenfelde-Mahlow, 15827, DE)
International Classes:
B23P9/02; B24B39/00; B24B39/06; C21D7/08; B21H7/16; F01D5/28
Domestic Patent References:
Foreign References:
US20050155203A1
EP1941968A2
EP1607169A1
DE102011007223A1
EP1662092A2
US20070234772A1
DE102011007223A1
Attorney, Agent or Firm:
KRONTHALER, SCHMIDT & COLL. (Patentanwaltskanzlei, Pfarrstraße 14, München, 80538, DE)
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Claims:
Patentansprüche

Verfahren zur mechanischen Randzonenverfestigung inner¬ halb einer Bauteilrandzone eines Bauteils (11) mit we¬ nigstens einem Walzwerkzeug, wobei durch das wenigstens eine Walzwerkzeug mittels Festwalzens in wenigstens einem oberflächennahen Verfestigungsbereich (14) des Bau¬ teils (11) Eigenspannungen eingebracht werden, und wobei während des Festwalzens jeweils ein Bereich des Bau¬ teils (11) zwischen Bereichen des wenigstens einen Walz¬ werkzeuges angeordnet ist und zwei Seiten des Bau¬ teils (11) gleichzeitig festgewalzt werden, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das Bauteil (11) von wenigstens zwei Walzwerkzeugen im Bereich des Verfestigungsbereichs (14) festgewalzt wird, welche während des Festwalzens eine sich voneinander unterscheidende, jeweils wenigstens an¬ nähernd konstante Druckkraft auf das Bauteil (11) ausü¬ ben .

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Laufschaufel (11) eines Schaufelrads (9) für ein Strahltriebwerk (1) ist.

Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufel (11) integral mit einem Scheibenrad aus¬ gebildet ist.

Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Laufschaufel (11) im Bereich einer Anströmkante (13) festgewalzt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass zunächst ein erster Bearbeitungsbe¬ reich (16) des Bauteils (11) in einem ersten Bearbei¬ tungsschritt mit einer ersten Druckkraft von einem ersten Walzwerkzeug festgewalzt und anschließend ein zweiter, zumindest einen Randzonenbereich (18) des ersten Bearbei¬ tungsbereichs (16) des Bauteils (11) zumindest bereichs¬ weise, insbesondere vollständig, umfassender Bearbei¬ tungsbereich (17) des Bauteils (11) in einem zweiten Be¬ arbeitungsschritt mit einer gegenüber der ersten Druck¬ kraft reduzierten zweiten Druckkraft von einem zweiten Walzwerkzeug festgewalzt wird.

Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein weiterer, zumindest einen Randzonenbe¬ reich (21) des zweiten Bearbeitungsbereichs (17) des Bau¬ teils (11) zumindest bereichsweise, insbesondere voll¬ ständig, umfassender Bearbeitungsbereich (19, 20) des Bauteils (11) mit einer gegenüber der zweiten Druckkraft jeweils reduzierten Druckkraft festgewalzt wird.

Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzwerkzeuge derart gegenüber dem Bauteil (11) ge¬ führt werden, dass ein Abstand zwischen Randzonen (18, 19, 22, 23) der jeweiligen Bearbeitungsbereiche (16, 17, 19, 20) des Bauteils (11) über deren Verlauf wenigstens annähernd konstant ist.

Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzwerkzeuge derart gegenüber dem Bauteil (11) ge¬ führt werden, dass ein Abstand zwischen Randzonen (18, 19, 22, 23) der jeweiligen Bearbeitungsbereiche (16, 17, 19, 20) des Bauteils (11) über deren Verlauf variiert.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass zunächst ein erster Bearbeitungsbe¬ reich des Bauteils (11) in einem ersten Bearbeitungs¬ schritt mit einer ersten Druckkraft von einem ersten Walzwerkzeug festgewalzt und anschließend ein zweiter teilweise, insbesondere vollständig von dem ersten Bear¬ beitungsbereich umfasster Bearbeitungsbereich des Bau¬ teils (11) in einem zweiten Bearbeitungsschritt mit einer gegenüber der ersten Druckkraft erhöhten zweiten Druck¬ kraft von einem zweiten Walzwerkzeug festgewalzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein weiterer Bearbeitungsbereich des Bau¬ teils (11) mit einer gegenüber der zweiten Druckkraft er¬ höhten Druckkraft festgewalzt wird, wobei dieser zumin¬ dest teilweise, insbesondere vollständig von dem zweiten Bearbeitungsbereich umfasst wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Festwalzvorgang insbesondere je¬ weils in einer mäanderförmigen Bewegung des jeweiligen Walzwerkzeugs gegenüber dem Bauteil (11) durchgeführt wird .

Description:
Verfahren zur mechanischen Randzonenverfestigung

von Bauteilen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mechanischen Randzonenverfestigung innerhalb einer Bauteilrandzone eines Bauteils mit wenigstens einem Walzwerkzeug gemäß der im Ober ¬ begriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.

Aus der Praxis sind Strahltriebwerke bekannt, welche stromab eines Bläsers mit mehrstufigen Verdichtern ausgeführt sind, in deren Bereich der in einem Kernstrom geführte Luft ¬ strom stufenweise auf ein gewünschtes Druckniveau geführt wird. Einzelne Verdichterstufen sind durch im Betrieb eines Strahltriebwerkes rotierende Schaufelelemente bzw. rotierende Laufschaufeln und damit korrespondierende Schaufelelementen bzw. stillstehende Leitschaufeln gebildet. Im Bereich der stillstehenden Leiträder wirken im Betrieb eines Strahltrieb ¬ werkes vergleichsweise geringe mechanische Lasten, da einer ¬ seits keine rotationsbedingten Zentrifugalkräfte angreifen und andererseits Schaufelschwingungen durch die Eigenspannung des Strömungsprofils des Fuß- und Kopfbereichs minimiert werden.

Im Gegensatz dazu wirken im Bereich der rotierenden Lauf ¬ schaufeln im Betrieb eines Strahltriebwerkes jedoch hohe me ¬ chanische Lasten. Ihre Gesamtlast setzt sich aus mehreren Teillasten zusammen, von denen die Zentrifugalkraft die größte Teillast darstellt.

Die dynamischen Teillasten resultieren aus der rotations ¬ bedingten Schwingungsanregung der Laufschaufeln bzw. der Schaufelelemente. Des Weiteren wirken auf die Laufschaufeln aerodynamisch bedingte Lasten, die vor allem auf periodisch instationäre Strömungen zurückzuführen sind. Generell treten periodisch instationäre Strömungen durch die Stator-Rotor- Interaktion auf, die durch die Zerteilung der Strömung durch das Vorbeilaufen der Laufschaufein an den Leitschaufein er ¬ zeugt wird. Weiterhin werden dynamische Lasten durch die In ¬ teraktion der Strömungsprofile mit der turbulenten Strömung hervorgerufen, die ebenfalls Schaufelschwingungen zur Folge haben .

Die Summe der dynamischen Teillasten führt dazu, dass vor allem im Bereich rotierender Laufschaufein von Verdichtern und auch von Bläsern bzw. allgemein von einstückigen Rotorberei ¬ chen von Strahltriebwerken im Betrieb hochfrequente Schwingun ¬ gen auftreten, die zu einer hochdynamischen Beanspruchung der Laufschaufein führen. Weiterhin wird ein Teil der Schaufeln im Betrieb von Strahltriebwerken neben mechanischen Belastungen thermisch beansprucht. Dies gilt vor allem für die Schaufeln des Hochdruckverdichters und die hinteren Schaufeln des Nie ¬ derdruckverdichters, wo Betriebstemperaturen von bis zu 600 °C erreicht werden.

Schaufeln von Verdichtern oder Bläsern von Strahltrieb ¬ werken werden derart ausgelegt, dass die dynamischen Betriebs ¬ lasten die Schwingfestigkeit nicht oder nur definiert über ¬ schreiten und eine Dauerfestigkeit bzw. ein definiertes Maß an Zeitfestigkeit gewährleistet ist. Es kommt jedoch immer wieder zu einer verfrühten Rissinduzierung und teilweise sogar zu einem unkontrollierten Versagen von Bläser- und Verdichter ¬ schaufeln, das überwiegend auf eine Schaufelschädigung durch Fremdkörper zurückzuführen ist.

Fremdkörperschäden werden durch das Auftreffen harter Fremdkörper hervorgerufen, wobei es sich bei den Fremdkörpern im Allgemeinen um Steine und Bruchstücke von Schrauben, Mut ¬ tern, Unterlegscheiben und dergleichen handelt, die auf der Start- und der Landebahn liegen.

Trifft ein Fremdkörper beispielsweise auf das Strahl ¬ triebwerk, so zersplittert er häufig. Meist dringen diese Splitterstücke ebenfalls wie Objekte, die den Bläserbereich kollisionsfrei passiert haben, mit der Luftströmung tiefer in das Triebwerk ein. Hat das Triebwerk einen großen Nebenluft- strom, so kann ein Teil der Objekte das Triebwerk über diesen verlassen, ohne weitere wesentliche Schäden hervorzurufen. Der andere Teil gerät mit dem Kernluftström in den Niederdruckver ¬ dichter und geht dort folgenschwere Kollisionen, vor allem mit den schnell rotierenden Laufschaufeln, ein. Hierbei liegt der Hauptschädigungsort , bedingt durch die Kinematik, ähnlich wie beim Bläser, im Bereich einer Anströmkante und der vorderen konkaven Profilseite.

Die Schaufelelemente werden entsprechend massiv ausge ¬ führt, um die Schaufelelemente bzw. die Laufschaufeln gegen ¬ über Fremdkörperschäden zu schützen und die aus diesen im Be ¬ trieb jeweils resultierende Rissbildung im Bereich der Schau ¬ feln zu vermeiden. Der unerwünscht hohe Materialeinsatz erhöht ein Gesamtgewicht und auch Fertigungskosten eines Strahltrieb ¬ werkes, was jedoch nicht erwünscht ist.

Um die Schaufelelemente diesbezüglich zu verbessern, ist dazu übergegangen worden, Laufschaufeln bzw. Schaufelelemente von Strahltriebwerken über geeignete Fertigungsprozesse nach- zuverfestigen, um die Laufschaufeln im Vergleich zu nicht nachverfestigten Laufschaufeln mit geringeren Bauteilabmessun ¬ gen ausführen zu können bzw. die Festigkeit gegen Schwingungs ¬ ermüdung zu erhöhen. Hierfür ist es bekannt, Laufschaufeln mittels Zangenwerk ¬ zeugen bereichsweise zu walzen und in oberflächennahen Berei ¬ chen Eigenspannungen in den Laufschaufeln zu erzeugen. Dabei wird jeweils ein der Strömung zugewandter Schaufelbereich durch einen Eingriff eines Walzwerkzeuges durch Festwalzen verfestigt. Hierbei werden üblicherweise in etwa 20 % der Oberfläche eines Schaufelelementes ausgehend von der Strö ¬ mungseintrittskante des Schaufelelementes in Strömungsrichtung durch gleichzeitiges beidseitiges Walzen festgewalzt, wodurch eine hohe Oberflächengüte erreicht bzw. beibehalten wird und auch Verformungen dünnwandiger Profile vermieden werden. Um Eigenspannungssprünge und Rillen zu vermeiden, werden dabei - wie beispielsweise in der Patentanmeldung DE 10 2011 007 223.3 der Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG beschrieben - Zangen ¬ werkzeuge eingesetzt, welche während der Oberflächenverfesti ¬ gung einen Bearbeitungsdruck variieren können.

Derartige Zangenwerkzeuge sind hinsichtlich eines maxima ¬ len Einsatzdruckes ausgelegt, so dass diese Werkzeuge insge ¬ samt sehr groß ausgebildet sind. Insbesondere bei komplex aus ¬ gebildeten, zu verfestigenden Bauteilen, wie dies Laufschau ¬ feln von Strahltriebwerken sind, ist der zur Verfügung stehen ¬ de Raum zur Einführung des Zangenwerkzeugs beschränkt. Dement ¬ sprechend kann mit dem für einen maximalen Einsatzdruck ausge ¬ legten Zangenwerkzeug gegebenenfalls nicht der gesamte ge ¬ wünschte Bereich des Bauteils verfestigt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu ¬ grunde, ein Verfahren zur mechanischen Randzonenverfestigung innerhalb einer Bauteilrandzone eines Bauteils mit wenigstens einem Walzwerkzeug zur Verfügung zu stellen, mittels welchem auch bei komplex ausgebildeten Bauteilen gewünschte Bereiche verfestigt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Es wird ein Verfahren zur mechanischen Randzonenverfesti ¬ gung innerhalb einer Bauteilrandzone eines Bauteils mit we ¬ nigstens einem Walzwerkzeug vorgeschlagen, wobei durch das wenigstens eine Walzwerkzeug mittels Festwalzens in oberflä ¬ chennahen Bereichen des Bauteils Eigenspannungen eingebracht werden, und wobei während des Festwalzens jeweils ein Bereich des Bauteils zwischen Bereichen des wenigstens einen Walzwerk ¬ zeuges angeordnet ist und zwei Seiten des Bauteils gleichzei ¬ tig festgewalzt werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Bauteil von wenigstens zwei Walzwerkzeugen im Bereich des Verfestigungsbereichs festgewalzt wird, welche während des Festwalzens eine sich voneinander unterscheidende, jeweils wenigstens annähernd konstante Druckkraft auf das Bauteil aus ¬ üben .

Dadurch, dass wenigstens zwei Walzwerkzeuge zur Randzo ¬ nenverfestigung eines Bauteils eingesetzt werden, welche je ¬ weils zur Aufbringung einer wenigstens annähernd konstanten Druckkraft ausgebildet sind, können diese hinsichtlich der jeweils spezifischen Druckkraft ausgelegt werden und müssen keine Einrichtungen zur Druckvariation aufweisen, so dass die Walzwerkzeuge sowie deren Versorgungs-, Steuerungs- und Rege ¬ lungseinheiten sehr einfach und kostengünstig ausgebildet wer ¬ den können.

Dementsprechend können die bei dem erfindungsgemäßen Ver ¬ fahren eingesetzten Walzwerkzeuge kleiner als bekannte Walz- Werkzeuge dimensioniert werden. Hierdurch ist insbesondere bei komplex ausgebildeten Bauteilen eine bessere Zugänglichkeit der Walzwerkzeuge zu dem wenigstens einen Verfestigungsbereich geschaffen und eine Kollisionsgefahr des jeweiligen Walzwerk ¬ zeugs mit anderen Bauteilen oder anderen Flächen des zu bear ¬ beitenden Bauteils ist reduziert. Ferner kann durch die klein dimensionierten Walzwerkzeuge gegebenenfalls ein sich weiter von einem Randbereich des Bauteils erstreckender Eingriff in das Bauteil als bei bekannten Walzwerkzeugen vorgenommen wer ¬ den .

Grundsätzlich können die einzelnen Walzwerkzeuge sequen ¬ tiell, d. h. nacheinander eingesetzt werden. Um eine Bearbei ¬ tungszeit zu reduzieren ist es aber auch denkbar, die einzel ¬ nen Walzwerkzeuge zumindest teilweise gleichzeitig einzuset ¬ zen .

Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind Bauteile im Vergleich zu nicht nachverfestigten Bauteilen mit geringerem Materialeinsatz und somit kleinerem Gesamtgewicht bei gleicher oder höherer Beständigkeit gegenüber Fremdkörperschäden sowie Schwingungsbelastungen ausführbar .

Insgesamt sind Bauteile, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren festgewalzt werden, robust hinsichtlich einer

Rissentstehung, einer Rissausbreitung, Erosionsschäden und Fremdkörperschäden, da das Bauteil durch die Oberflächenver ¬ festigung widerstandsfähiger ist und eine höhere Lebensdauer aufweist .

Durch den Festwalzvorgang wird eine Oberfläche des Bau ¬ teils zudem geglättet, wodurch in einem Einsatz, beispielswei ¬ se von einem Fluid umströmte Bauteile einen sehr guten Wir- kungsgrad aufweisen. Durch die glatte und kaltverfestigte Oberfläche liegen nur sehr wenige Kerbgründe vor und die Ober ¬ fläche ist besonders widerstandsfähig gegen Beschädigungen. Dies wirkt sich wiederum positiv auf die Lebensdauer des Bau ¬ teils aus.

Das erfindungsgemäße Verfahren kommt insbesondere zur Randzonenverfestigung von Laufschaufeln eines Schaufelrads für ein Strahltriebwerk zum Einsatz, wobei die Laufschaufeln form ¬ schlüssig mit einem Scheibenrad verbunden werden können oder integral mit einem Scheibenrad ausgebildet sein können. Derar ¬ tige Laufschaufeln weisen komplexe Freiformgeometrien auf, welche schwer zugänglich sind. Durch die besonders kleine Aus ¬ bildung der Walzwerkzeuge ist eine Bearbeitung von Laufschau ¬ feln beispielsweise auch in der Anströmkante abgewandten Be ¬ reichen, im Bereich einer Schaufelspitze, im Bereich der Fil- let, d. h. in einem Übergangsbereich zwischen einem Schaufel ¬ blatt und einem Schaufelfuß, möglich. Es können auch mehrere dieser Bereiche in Kombination bearbeitet werden. Durch das Festwalzen der Oberflächen der Laufschaufeln werden des Weite ¬ ren Spannungssprünge vermieden und die Beständigkeit gegenüber Schwingungsbelastungen auf einfache Art und Weise verbessert.

Die Laufschaufel wird bei einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Bereich einer Anströmkante festgewalzt. Die Form des festzuwalzenden Bereichs ist dabei frei wählbar und kann beispielsweise im Wesentlichen recht ¬ eckig geformt sein und direkt an der Anströmkante beginnen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Behandlung eines schadhaften, beispielsweise von einem Festkörper getroffenen Bereiches, eingesetzt werden, wobei der von den Walzwerkzeugen behandelte Bereich den schadhaften Bereich insbesondere voll ¬ ständig einschließt. Bei einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst ein erster Bearbeitungsbereich des Bauteils in einem ersten Bearbeitungsschritt mit einer ersten Druckkraft von einem ersten Walzwerkzeug festgewalzt und an ¬ schließend ein zweiter, zumindest einen Randzonenbereich des ersten Bearbeitungsbereichs des Bauteils zumindest bereichs ¬ weise, insbesondere vollständig und/oder überlappend, umfas ¬ sender Bearbeitungsbereich des Bauteils in einem zweiten Bear ¬ beitungsschritt mit einer gegenüber der ersten Druckkraft re ¬ duzierten zweiten Druckkraft von einem zweiten Walzwerkzeug festgewalzt. Durch die Bearbeitung des Randzonenbereichs des ersten Bearbeitungsbereichs können Eigenspannungssprünge an einem Übergang zwischen einem von einem Walzwerkzeug behandel ¬ ten Bereich und einem unbehandelten Bereich stark reduziert werden .

Eigenspannungssprünge können weiter reduziert werden, wenn wenigstens ein weiterer, zumindest einen Randzonenbereich des zweiten Bearbeitungsbereichs des Bauteils zumindest be ¬ reichsweise, insbesondere vollständig und/oder überlappend, umfassender Bearbeitungsbereich des Bauteils mit einer gegen ¬ über der zweiten Druckkraft jeweils reduzierten Druckkraft festgewalzt wird. Je mehr Bearbeitungsbereiche vorgesehen sind und je kleiner die Druckunterschiede zwischen den jeweiligen Bearbeitungsbereichen gewählt werden, desto geringer sind die Eigenspannungssprünge und desto gleichmäßiger sind die jewei ¬ ligen Übergänge.

Bei einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Walzwerkzeuge derart gegenüber dem Bau ¬ teil geführt, dass ein Abstand zwischen Randzonen der jeweili ¬ gen Bearbeitungsbereiche des Bauteils über deren Verlauf we- nigstens annähernd konstant ist. Alternativ hierzu kann es auch vorgesehen sein, dass die Walzwerkzeuge derart gegenüber dem Bauteil geführt werden, dass ein Abstand zwischen Randzo ¬ nen der jeweiligen Bearbeitungsbereiche des Bauteils über de ¬ ren Verlauf variiert. Auch kann es vorgesehen sein, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Randzonen wenigstens annä ¬ hernd konstant ist, sich aber von einem Abstand zwischen zwei anderen benachbarten Randzonen unterscheidet. Dies kann insbe ¬ sondere zur Reduzierung einer Kerbwirkung und von Spannungs ¬ sprüngen vorteilhaft sein, so dass die Gefahr einer Rissent ¬ stehung reduziert werden kann.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann es auch vorge ¬ sehen sein, dass zunächst ein erster Bearbeitungsbereich des Bauteils in einem ersten Bearbeitungsschritt mit einer ersten Druckkraft von einem ersten Walzwerkzeug festgewalzt und an ¬ schließend ein zweiter teilweise, insbesondere vollständig von dem ersten Bearbeitungsbereich umfasster Bearbeitungsbereich des Bauteils in einem zweiten Bearbeitungsschritt mit einer gegenüber der ersten Druckkraft erhöhten zweiten Druckkraft von einem zweiten Walzwerkzeug festgewalzt wird. Auch durch diese Bearbeitungsreihenfolge können Eigenspannungssprünge an einem Übergang zwischen einem von einem Walzwerkzeug behandel ¬ ten Bereich und einem unbehandelten Bereich stark reduziert werden .

Auch bei dieser Reihenfolge der Druckeinbringung können Eigenspannungen besonders effektiv reduziert und ein besonders gleichmäßiger Übergang zwischen einem festgewalzten Bereich und einem unbehandelten Bereich geschaffen werden, wenn we ¬ nigstens ein weiterer Bearbeitungsbereich des Bauteils mit einer gegenüber der zweiten Druckkraft erhöhten Druckkraft festgewalzt wird, wobei dieser zumindest teilweise, insbeson- dere vollständig von dem zweiten Bearbeitungsbereich umfasst wird. Je mehr Bearbeitungsbereiche vorgesehen sind und je ge ¬ ringer der Druckunterschied ist, desto größer ist dieser Ef ¬ fekt .

Bei einer durch einen geringen Steuer- und Regelaufwand gekennzeichneten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Oberflächen des Bauteils durch sequentielles radia ¬ les bzw. sequentielles axiales Abfahren zumindest bereichswei ¬ se festgewalzt. Alternativ hierzu können die Oberflächen des Bauteils auch durch beliebige Fahrwege des jeweiligen Walz ¬ werkzeugs festgewalzt werden, wobei es sich als besonders ef ¬ fektiv erwiesen hat, wenn der Festwalzvorgang insbesondere jeweils in einer mäanderförmigen Bewegung des jeweiligen Walz ¬ werkzeugs gegenüber dem Bauteil durchgeführt wird.

Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die im nachfolgenden Ausführungsbeispiel des erfin ¬ dungsgemäßen Gegenstandes angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Wei ¬ terbildung des Gegenstandes nach der Erfindung keine Ein ¬ schränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich bei ¬ spielhaften Charakter auf.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstandes ergeben sich aus den Patentan ¬ sprüchen und dem nachfolgend unter Bezugnahme auf Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Es zeigt: Fig. 1 eine stark schematisierte Längsschnittansicht eines Strahltriebwerks mit mehreren Schaufelrä ¬ dern;

Fig. 2 eine vergrößerte Einzeldarstellung eines Schau ¬ felrads der Fig. 1 mit mehreren Laufschaufeln;

Fig. 3 eine vereinfachte Ansicht einer Laufschaufel des Schaufelrads der Fig. 2, wobei die Lauf ¬ schaufel im Bereich einer Anströmkante festge ¬ walzt ist; und

Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Ansicht der Lauf ¬ schaufel, wobei zwei Bearbeitungsstrategien zum Festwalzen der Laufschaufel gezeigt sind.

In Fig. 1 ist ein Strahltriebwerk 1 in einer Längs ¬ schnittansicht gezeigt. Das Strahltriebwerk 1 ist mit einem Einlaufbereich 3 ausgeführt, an den sich stromab ein Bläser 4 in an sich bekannter Art und Weise anschließt. Wiederum strom ¬ ab des Bläsers 4 teilt sich der Fluidstrom im Strahltrieb ¬ werk 1 in einen Nebenstrom und einen Kernstrom auf, wobei der Nebenstrom durch einen Nebenstromkanal 2 und der Kernstrom in einen Triebwerkskern 5 strömt, der wiederum in an sich bekann ¬ ter Art und Weise mit einer Verdichtereinrichtung 6, einem Brenner 7 und einer Turbineneinrichtung 8 ausgeführt ist.

In Fig. 2 ist eine vergrößerte Einzelansicht eines Schau ¬ felrads 9 der Verdichtereinrichtung 6 dargestellt, welches einen ringförmigen Grundkörper 10 und mehrere über den Umfang verteilte Laufschaufeln 11 umfasst, die sich im Wesentlichen vom Grundkörper 10 radial erstrecken. Die Laufschaufeln 11 können dabei einstückig mit dem Grundkörper 10 gebildet sein und eine so genannte Blisk, d. h. eine integral beschaufelte Rotor-Konstruktion darstellen. Der Begriff Blisk setzt sich aus den englischen Worten „Blade" für Schaufel und „Disk" für Scheibe zusammen. Die Scheibe bzw. der ringförmige Grundkörper 10 sowie die Laufschaufeln 11 sind aus einem Stück gefertigt. Die Laufschaufeln des integral beschau ¬ felten Schaufelrads 9 sind vorteilhafterweise mit geringerem Abstand zueinander anordenbar, wodurch eine maximal mögliche Verdichtung und der Wirkungsgrad verbesserbar sind.

Alternativ hierzu können die Laufschaufeln auch Schaufel ¬ füße aufweisen und mit diesen in in dem Grundkörper 10 vorge ¬ sehene Nuten eingeschoben und hierdurch austauschbar mit dem Grundkörper 10 bzw. Scheibenrad verbunden werden.

Um die Verdichtereinrichtung 6 bzw. das Schaufelrad 9 ge ¬ genüber Fremdkörperschäden und auch Schwingungsbelastungen bei gleichzeitig geringem Eigengewicht stabil auszuführen, werden in die Laufschaufeln 11 über jeweils zwischen benachbarte Laufschaufeln 11 eingreifende, insbesondere zangenförmige Walzwerkzeuge innerhalb einer oberflächennahen Bauteilrandzone in einem Festwalzvorgang Eigenspannungen eingebracht. Jeweils ein im Bereich einer Anströmkante 13 der Laufschaufel 11 ange ¬ ordneter Verfestigungsbereich 14 der Laufschaufeln 11 wird vorliegend beidseitig, d. h. gleichzeitig sowohl auf einer Saug- als auf einer Druckseite der Laufschaufel 11 festge ¬ walzt .

Durch das Festwalzen der Oberflächen der Laufschaufeln 11 werden jeweils oberflächennahe Bereiche der Laufschaufel 9 durch Erhöhen der Versetzungsdichte verfestigt und die Rand- Schicht der Laufschaufeln 11 gehärtet. Die Härtung der Rand ¬ schicht verringert das Risiko von Anrissen, die aus einer Fremdkörperschädigung sowie aus Schwingungsbelastungen resul ¬ tieren. Darüber hinaus führen die ins Material durch das Fest ¬ walzen eingebrachten Druckeigenspannungen im Bereich der Lauf ¬ schaufel 11 dazu, dass diese nach Bildung eines Risses einem Rissfortschritt entgegenwirken und somit einen positiven Ef ¬ fekt hinsichtlich der Dauerschwingfestigkeit und damit bezüg ¬ lich der Lebensdauer des Strahltriebwerkes 1 haben.

Des Weiteren weisen die Laufschaufeln 11 durch den Fest- walzprozess eine hohe Oberflächengüte mit einer geringen Ober ¬ flächenrauheit auf, die einen positiven Effekt auf die aerody ¬ namische Güte der Laufschaufeln 11 sowie des gesamten Schau ¬ felrades 9 ohne das Erfordernis eines weiteren, sich an den Verfestigungsprozess anschließenden Prozessschrittes zur Glät ¬ tung der Oberfläche hat.

Zur Durchführung des Festwalzprozesses sind nicht näher ersichtliche Walzwerkzeuge vorgesehen, welche grundsätzlich in an sich bekannter Art und Weise ausgeführt sind und in jedes bekannte Bearbeitungszentrum integrierbar sind.

Die Walzwerkzeuge sind jeweils zur Ausübung einer kon ¬ stanten Druckkraft auf die Laufschaufel 11 ausgebildet, so dass das jeweilige Walzwerkzeug hinsichtlich dieser Druckkraft ausgelegt werden kann. Die Walzwerkzeuge, die zur Ausübung einer geringen Walzkraft ausgebildet sind, können entsprechend klein dimensioniert werden, so dass mit diesen ein tiefer Ein ¬ griff in die Laufschaufeln 11 ermöglicht ist und eine Kollisi ¬ onsgefahr des jeweiligen Walzwerkzeugs beispielsweise mit Oberflächen von benachbarten Laufschaufeln 11 verringert ist. In Fig. 3 ist stark vereinfacht eine Laufschaufel 11 ge ¬ zeigt, deren Oberfläche im Bereich der Anströmkante 13 mit vorliegend vier Walzwerkzeugen nacheinander festgewalzt wurde. Der Verfestigungsbereich 14 weist vorliegend eine im Wesentli ¬ chen rechteckige Form auf, welche direkt an die Anströmkan ¬ te 13 grenzt und hier jeweils einen Abstand sowohl zu Tip als auch zu einem Übergangsbereich 12 zu einem Schaufelfuß 26 auf ¬ weist. Der Verfestigungsbereich kann aber prinzipiell eine beliebige Form aufweisen oder die gesamte Oberfläche der Lauf ¬ schaufel 11 umfassen.

Es kann auch vorgesehen sein, dass der Verfestigungsbe ¬ reich 14 im Bereich eines Einschlags eines Schadkörpers ange ¬ ordnet ist, um die Auswirkung des Einschlags zu vermindern.

Mittels einer zangenförmigen Ausführung der Walzwerkzeuge ist eine Behandlung von Laufschaufeln 11 von Tip bis Fillet möglich, wobei ein gleichzeitiges Festwalzen der Druck- und Saugseiten von Laufschaufeln zur Vermeidung eines eigenspan- nungsbedingten Verzuges vorgesehen ist.

Ein der Anströmkante 13 zugewandter erster Bearbeitungs ¬ bereich 16, welcher einen Hauptverfestigungsbereich darstellt, wird von einem ersten Walzwerkzeug mit einer gewünschten ers ¬ ten Druckkraft bearbeitet. Um Eigenspannungssprünge zwischen dem ersten Bearbeitungsbereich 16 und einem daran angrenzenden unbearbeiteten Bereich der Laufschaufel 11 zu vermeiden bzw. zu reduzieren, wird anschließend ein den ersten Bearbeitungs ¬ bereich 16 umfassender zweiter Bearbeitungsbereich 17 von ei ¬ nem zweiten Walzwerkzeug, welches eine gegenüber der ersten Druckkraft reduzierte Druckkraft ausübt, festgewalzt. Der zweite Bearbeitungsbereich 17 umfasst dabei insbesondere eine Randzone 18 des ersten Bearbeitungsbereichs 16, so dass sich der zweite Bearbeitungsbereich 17 vorliegend sowohl in eine der Anströmkante 13 abgewandte Richtung, in Richtung eines Schaufelfußes als auch in Richtung einer oberen Kante 25 der Laufschaufel 11 weiter erstreckt als der erste Bearbeitungsbe ¬ reich 16.

Dieses Vorgehen wird mit einem dritten Walzwerkzeug und einem vierten Walzwerkzeug wiederholt, wobei die auf die je ¬ weilige Laufschaufel 11 ausgeübte Druckkraft immer weiter re ¬ duziert wird. Der dritte Bearbeitungsbereich 19 bzw. vierte Bearbeitungsbereich 20 umfassen dabei eine Randzone 21 bzw. 22 des jeweils vorherigen Bearbeitungsbereichs 18 bzw. 19.

Je geringer die Druckunterschiede zwischen den einzelnen Walzwerkzeugen sind, von denen auch nur zwei oder drei oder mehr als vier für eine entsprechende Anzahl von Bearbeitungs ¬ bereichen zum Einsatz kommen können, desto effektiver werden die Eigenspannungssprünge zwischen den Bearbeitungsbereichen 16, 17, 19, 20 und dem unbearbeiteten Bereich durch einen ge ¬ ringen Druckgradienten reduziert. Durch die plastischen Ver ¬ formungen hervorgerufene Walzspuren können hierdurch reduziert werden und ein gleichmäßiger Übergang zwischen bearbeiteten Bereichen und unbearbeiteten Bereichen der Laufschaufeln 11 kann erzielt werden.

Die jeweiligen Walzwerkzeuge werden in der vorliegenden Ausführung jeweils in einer in der Fig. 4 schematisch gezeig ¬ ten mäanderförmigen Bewegungsbahn entlang der Pfeile PI bzw. P2 gegenüber der Laufschaufeln 11 bewegt, wobei Überlappungs ¬ grade von insbesondere größer als 60 % zwischen benachbarten Bewegungsbahnen vorgesehen sind. Eine Hauptbewegungsrichtung des jeweiligen Walzwerkzeugs kann sich dabei von der oberen Kante 25 bzw. von Tip des Laufrades 11 in Richtung des Schau ¬ felfußes 26 oder umgekehrt erstrecken.

Der zweite, dritte und/oder vierte Bearbeitungsbe ¬ reich 17, 19, 20 kann einerseits den gesamten vorherigen Bear ¬ beitungsbereich 16, 17, 19 oder lediglich die Randzone 18, 21, 22 des vorherigen Bearbeitungsbereichs 16, 17, 19 umfassen. Abstände zwischen den Randzonen 18, 21, 22, 23 der jeweiligen Bearbeitungsbereiche 16, 17, 19, 20 sind vorliegend im Wesent ¬ lichen konstant, wobei diese je nach Anwendungsfall variieren können .

Neben der beschriebenen Reihenfolge des Einsatzes der Walzwerkzeuge können diese auch in umgekehrter Reihenfolge zum Einsatz kommen, wobei zunächst der vierte Bearbeitungsbe ¬ reich 20 mit dem geringsten Bearbeitungsdruck festgewalzt wird und am Ende der erste Hauptverfestigungsbereich 16 mit dem ersten Walzwerkzeug festgewalzt wird.

Neben der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verfestigung im Bereich von Laufschaufeln von Schaufelrädern von Strahltriebwerken kann das erfindungsgemäße Verfahren prinzipiell zur Verfestigung von Oberflächen von sämtlichen Bauteilen eingesetzt werden, welche beidseitig von einem Walz ¬ werkzeug umfasst werden können. Insbesondere können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dünnwandige Bereiche des jeweili ¬ gen Bauteils behandelt werden. Bezugszeichenliste

Stahltriebwerk

Nebenstromkanal

Einlaufbereich

Bläser

Triebwerkskern

Verdichtereinrichtung

Brenner

Turbineneinrichtung

Schaufelrad

Grundkörper

Laufschaufel

Anströmkante

Verfestigungsbereich

erster Bearbeitungsbereich

zweiter Bearbeitungsbereich

Randzone des ersten Bearbeitungsbereichs dritter Bearbeitungsbereich

vierter Bearbeitungsbereich

Randzone des zweiten Bearbeitungsbereichs Randzone des dritten Bearbeitungsbereichs Randzone des vierten Bearbeitungsbereichs obere Kante des Laufrads

Schaufelfuß

Pfeile