Beschreibung Walzvorrichtung zum Erzeugen von Druckeigenspannungen in ei- nem Bauteil Die Erfindung betrifft eine Walzvorrichtung zum Erzeugen von Druckeigenspannungen in einer entlang einer Wandung einer Ma- terialausnehmung eines Bauteils, insbesondere eines Turbinen- läufers verlaufenden Kerbe. Die Walzvorrichtung hat ein ent- lang einer Längsachse gestrecktes und verschiebliches Posi- tionierungsteil, ein entlang einer Querachse angeordnetes, balliges Walzelement und ein Kraftübertragungssystem. Die Querachse verläuft im wesentlichen orthogonal zur Längsachse, und mit dem Krafterteilungssystem ist eine von der Längsachse weg gerichtete Kraft in Richtung der Querachse auf das Walz- element übertragbar. Hierdurch können in Kerben, welche im wesentlichen orthogonal zu einer Hauptausdehnungsrichtung der Materialausnehmung verlaufen, Druckeigenspannungen erzeugt werden, die weitgehend parallel zur Hauptausdehnungsrichtung der Materialausnehmung verlaufen. Dies ist insbesondere für Materialausnehmungen zur Aufnahme von Turbinenschaufeln in einem Turbinenläufer günstig, da die Hauptausdehnungsrichtung der Materialausnehmung mit der Belastungsrichtung infolge der auftretenden betrieblichen Fliehkräfte zusammenfällt.

Eine derartige Walzvorrichtung ist in der DE 195 16 834 A1 beschrieben. Diese Walzvorrichtung hat vorzugsweise ein Walz- element mit einer hydraulisch gelagerten Kugel, die über ein Hydrauliksystem mit einer Hochdruckpumpe an die Oberfläche der Kerbe mit hohem Druck anpreßbar ist. Die Walzvorrichtung kann als nahezu universales Werkzeug mit einem Positionie- rungsteil und einem einzigen Walzelement ausgebildet sein, wodurch über das Positionierungsteil eine Grobjustierung und über das Walzelement eine Feinjustierung innerhalb der Mate- rialausnehmung erfolgt. Die Walzvorrichtung kann für ein zeiteffizientes Festwalzen für eine große Anzahl von Mate- rialausnehmungen gleicher Geometrie mit mehreren Walzelemen-

ten ausgeführt sein, die einander gegenüberliegend und in verschiedenen Positionen entlang einer Längsachse der Walz- vorrichtung angeordnet sind. Die Walzelemente können auswech- selbar sein, so daß mit einer Walzvorrichtung sowohl ein Festwalzen als auch ein Glattwalzen der entsprechenden Kerbe möglich ist. Diese bekannte Walzvorrichtung hat sich bewährt, ist jedoch verbesserungswürdig für den Einsatz in den Tannen- profilnuten eines Turbinenläufers zur Verankerung von Turbi- nenschaufeln mit in axialer Richtung gebogenem Verlauf, für die die bekannte Walzvorrichtung besonderer Steuerungsvor- richtungen bedarf und mit der das Erzeugen einer Druckeigen- spannung an den Kanten des Bauteils nicht ohne weiteres mög- lich ist.

In der DE 40 15 205 Cl ist ein Werkzeug zum Festpressen einer Nut mit im Querschnitt kreisförmigen Nutgrund ? ? ? ? beschrie- ben. Eine solche Nut liegt beispielsweise in den Fußteilen von Rotorschaufeln vor, wobei diese Fußteile eine tannen- baumartige Struktur aufweisen, in der Nutgrund erhöhte Span- nungsspitzen auftreten. Zum Festwalzen der Nuten weist das Werkzeug Kugeln auf, die in Führungsbahnen dicht aneinander- liegend, quasi eine Kugelkette bilden, geführt sind. Durch ein Entlangwalzen unter Druck werden durch die Kugeln in dem Nutgrund Walzbahnen erzeugt. Das Werkzeug dient hierbei aus- schließlich dem Festwalzen einer Nut mit im Querschnitt kreisförmigen Nutgrund, da bei dem beschriebenen Werkzeug ein Abrollen der in der Führungsbahn angeordneten Kugeln gewähr- leistet sein muß.

In der DE 36 01 541 A1 sowie der DE 23 11 476 Al ist jeweils ein Werkzeug zur Bearbeitung zylindrischer Werkstückbohrungen beschrieben. Der DE 25 21 192 ist ein Werkzeug zur Fertigbe- arbeitung durch Platzverformung von inneren Rotationsflächen in Werkstücken angegeben. Das Werkzeug ist längs einer geome- trischen Achse einer zur bearbeiteten Oberfläche linear ver- schiebbar angeordnet und enthält ein Gehäuse, das einen Rota- tionskörper darstellt, auf dessen Mantelfläche mindestens

eine Ringnut zur Unterbringung von verformenden Elementen, von denen jedes einen Rotationskörper darstellt, ausgebildet ist. Zur Bearbeitung von Kegelflächen weist das Werkzeug des Gehäuses Mantelflächen auf, die kegelig mit einem Kegelwinkel ausgebildet sind, welcher dem Kegelwinkel der zu bearbeiten- den ? ? ? ? Oberfläche eines Werkstückes etwa gleich ist. Auf der Mantelfläche des Gehäuses sind senkrecht zu dessen Achse drei Ringnuten zur Unterbringung der verformenden Elemente eingearbeitet.

Der Erfindung liegt folglich das Problem zugrunde, die Walz- vorrichtung der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß sich damit Druckeigenspannungen entlang einer Wandung einer in einer Materialausnehmung eines Bauteils verlaufenden Kerbe, einschließlich des Kantenbereichs am Anfang und am Ende der Kerbe schnell und einfach erzeugen lassen.

Ausgehend von dieser Problemstellung wird bei einer Walzvor- richtung der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, erfin- dungsgemäß an einem wenigstens entlang der Kerbe beweglichen Träger wenigstens einen Halter für ein balliges Walzelement anzuordnen, wobei der Halter als zweiarmiger Hebel am Träger um eine parallel zur Kerbe verlaufenden Achse kippbar ange- ordnet ist, und ein Kraftübertragungssystem zwischen dem Trä- ger und dem Walzelement zum Einstellen einer quer zum Verlauf der Kerbe gerichteten Walzkraft vorzusehen.

Bevorzugt ist, zwei in Richtung der Kerbe sowie in der Höhe versetzte Halter für je ein balliges Walzelement anzuordnen.

Dadurch gelingt es, bei zwei übereinandergeordneten Kerben in einem Arbeitsgang die gewünschte Preßkraft jeweils gleichzei- tig in jeder Kerbe aufbringen zu können.

Durch die gegeneinander versetzte Anordnung der Halter für die Walzelemente läßt sich die Walzvorrichtung mit großer Ei- gensteifigkeit ausbilden, so daß sich hohe, mittels des Kraftubertragungssystems einstellbare, quer zum Verlauf der

Kerbe gerichtete Walzkräfte erzeugen lassen. Diese führen zu Druckeigenspannungen entlang einer Belastungsachse des Bau- teils in einer etwa senkrecht zu der Belastungsachse verlau- fenden Kerbe, die eine in einem zur Belastungsachse paralle- len Querschnitt liegende Krümmung aufweisen kann. Die Kerbe wird dabei über mehrere, entlang der Belastungsachse ausge- richtete Bahnen festgewalzt, wobei jede Bahn die Kerbe nur zu einem Teil erfaßt. Die Walzvorrichtung eignet sich insbeson- dere zum Festwalzen von Halterungen in Profilnuten und ande- ren Haltenuten für Turbinenschaufeln und ähnlichen Bauteilen.

Bevorzugterweise können mehrere Halter als zweiarmige Hebel am Träger auf einer parallel zur Kerbe verlaufenden Achse kippbar angeordnet sein, wobei das Kraftübertragungssystem im Träger jeweils an einem Ende eines Hebels angreift und ein balliges Walzelement jeweils am anderen Ende des Hebels ange- ordnet ist. Durch Wahl der Hebelübersetzung läßt sich mit ei- nem verhältnismäßig kleinen Federsystem oder einem Hydraulik- system eine hohe Walzkraft einstellen, die für jedes Walzele- ment unterschiedlich sein kann. Bei Verwendung eines Hydrau- liksystems kann eine andere Kraftübertragung als über Hebel je nach Anforderung gewählt werden. Entsprechend einer Wei- terbildung kann die Hebelübersetzung auch geändert werden, beispielsweise über eine Verlagerung der Achse zur Drehung des Halters.

Um die Walzvorrichtung durch gekrümmte Tannenprofilnuten in einer Radscheibe eines Turbinenläufers führen zu können, kann der Träger um eine zum Verlauf der Kerbe senkrechten Achse drehbar sein, an einer Maschinenspindel befestigt sein und am Träger an die Wände der Profilnuten anlegbare Stütz-und Füh- rungsrollen aufweisen. Dabei kann der Träger entweder mit Bezug auf die Maschinenspindel drehbar sein, oder er kann in einer Werkzeughalterung der Maschinenspindel undrehbar befe- stigt sein, während die Maschinenspindel beim Walzvorgang frei drehbar ist.

Die Stütz-und Führungsrollen dienen im wesentlichen zum Füh- ren der Walzvorrichtung beim Einführen in eine Materialaus- nehmung, während die Maschinenspindel die Walzkraft aufnimmt.

Um die Stütz-und Führungsrollen im wesentlichen spielfrei durch die Materialausnehmung zu führen, können sie mittels einer exzentrischen Lagerung einstellbar am Träger angeordnet sein.

Die Verwendung eines zweiarmigen Hebels gestattet es, die Preßkraft in der Kerbe so aufzubringen, daß gerichtete Druck- eigenspannungen entlang der Wandung und insbesondere entlang des Kantenbereiches am Anfang und am Ende erzeugt werden.

Beim Verfahren steht das Walzelement beispielsweise bei einer umlaufenden nach oben gerichteten Hochfahrbewegung der Walz- vorrichtung unterhalb der nächsten zu verfestigenden Ebene.

Während des Hochfahrens gestattet der Hebel die Ausübung der Preßkraft gerichtet auf die Ebene entsprechend der dabei zu überfahrenden Kontur. Dieses erlaubt das Aufbringen einer Kraft nicht nur senkrecht zur Achse des Hebels sondern auch im Winkel dazu.

Die erfindungsgemäße Walzvorrichtung ist besonders geeignet zum Erzeugen von Druckeigenspannungen in einer Tannenprofil- nut einer Radscheibe eines Turbinenläufers zur Verankerung einer Turbinenschaufel, wenn drei Hebel am Träger in Richtung der Nut sowie in Höhe der Kerben in der Nut versetzt angeord- net sind, die Vorspannung des Federsystems eines jeden Hebels mittels einer Einstellschraube einstellbar ist und die Stütz- und Führungsrollen am einlaufseitigen Bereich des Trägers zur im wesentlichen spielfreien Anlage an gegenüberliegende Wände der Nut einstellbar angeordnet sind. Anstelle oder in Ergän- zung zu einem Federsystem kann auch ein Hydrauliksystem ein- gesetzt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen :

Fig. 1 eine seitliche Teilansicht einer Radscheibe eines Turbinenläufers mit Tannenprofilnuten zur Aufnahme von Turbi- nenschaufeln, Fig. 2 eine teilweise Draufsicht auf eine Radscheibe mit gebogenen Tannenprofilnuten, Fig. 3 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Walzvor- richtung, Fig. 4 eine Vorderansicht der Walzvorrichtung gemäß Fig.

3, Fig. 5 eine Draufsicht auf die Walzvorrichtung gemäß Fig.

4 und Fig. 6 eine Weiterbildung der Walzvorrichtung gemäß Fig.

5.

In Figur 1 weist eine nur teilweise dargestellte Radscheibe 4 eines Turbinenläufers, die das Bauteil ist, das mit einer er- findungsgemäßen Walzvorrichtung 1 mit Druckeigenspannungen versehen werden soll, auf ihrem Umfang Materialausnehmungen 3 in Form von Tannenprofilnuten auf, die in Achsrichtung gebo- gen verlaufen. Diese Tannenprofilnuten 3 weisen im wesentli- chen parallele Wände 2 auf, die mit gegenüberliegenden Kerben 5 versehen sind.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die Radscheibe 4 aus Figur 2. Das Festwalzen von metallischen Bauteilen, die Kerben zur Halterung von Bauelementen aufweisen, wie z. B. Haltenuten zur Verankerung von Turbinenschaufeln in einem Turbinenläu- fer, die betrieblichen Fliehkraftbelastungen unterliegen, die entlang einer zu den Kerben senkrechten Belastungsachse wir- ken, erfolgt mit dem Ziel, die Dauerhaltbarkeit, insbesondere die Haltbarkeit unter Schwingungsriß-Korrosionsangriffen zu

erhöhen. Beim Festwalzen ist die Oberflächendeformation zum Teil elastisch und zum Teil plastisch. Sie führt einerseits zur Steigerung der Härte des bearbeiteten Werkstoffes an sei- ner Oberfläche sowie in oberflächennahen Schichten und ande- rerseits zur Ausbildung von Druckeigenspannungen an und unter der Oberfläche. Diese Druckeigenspannungen sind unter Umstän- den geeignet, Rißwachstum von der Oberfläche in den Werkstoff hinein zu unterbinden. Druckeigenspannungen kommen daher in Frage, um Schwingungsriß-Korrosionsangriffen entgegen zu tre- ten. Die Vermeidung von Gefährdung von Schwingungsriß-Korro- sion ist ein wichtiger Aspekt bei der Herstellung von rotati- onsbelasteten Komponenten von Gas-oder Dampfturbinen, wie Turbinenschaufeln. In der bereits erwähnten deutschen Offen- legungsschrift 195 16 834.8 derselben Anmelderin sind ver- schiedene Walzvorrichtungen und die durch das mittels der Walzvorrichtung erzielten Effekte im einzelnen dokumentiert und beschrieben.

In Figur 3 ist die erfindungsgemäße Walzvorrichtung 1 an ei- ner im einzelnen nicht dargestellten Werkzeughalterung einer Maschinenspindel 6 undrehbar befestigt und weist einen Träger 7 für drei Halter 8 in Form von zweiarmigen Hebeln für bal- lige Walzelemente 9 auf. Jeder dieser Halter 8 ist um eine Kippachse 11 kippbar, die im wesentlichen in Richtung der Ma- terialausnehmung 3, d. h. der Tannenprofilnut verlaufen. Je- des im Träger 7 liegende Ende der Halter 8 ist von einem Kraftübertragungssystem 10 in Form eines Federsystems beauf- schlagt, dessen die Walzkraft bestimmende Kraft mittels Ein- stellschrauben 15 für jeden Halter 8 getrennt einstellbar ist. Das Kraftübertragungssystem 10 kann alternativ auch als ein Hydrauliksystem ausgeführt sein, wodurch eine besonders genaue Kraftübertragung gewährleistet ist.

Figur 4 zeigt eine Vorderansicht der Walzvorrichtung 1 gemäß Figur 3. An einem Ende des Trägers 7, das jeweils das ein- laufseitige Ende beim Einlauf in eine Tannenprofilnut 3 ist, ist eine Konsole 16 aufgebracht, in der zwei Träger 14 für

ein Paar Stütz-und Führungsrollen 13 drehbar und feststell- bar gelagert sind. Die Konsole 16 kann ein Lagerbock sein.

Die Stütz-und Führungsrollen 13 sind an den Trägern 14 ex- zentrisch gelagert, so daß sich der Abstand der Stütz-und Führungsrollen 13 durch Drehen der Träger 14 verändern und an den Abstand der Wände 2 einer Tannenprofilnut 3 anpassen läßt, so daß die Stütz-und Führungsrollen 13 im wesentlichen spielfrei an diesen Wänden 2 anliegen. Die Träger 14 weisen dazu beispielsweise eine exzentrische Stirnbohrung für die Stütz-und Führungsrollenachse auf.

Figur 5 zeigt, wie die erfindungsgemäße Walzvorrichtung 1 am Werkstück, d. h. beispielsweise einer Radscheibe 4 eines Tur- binenläufers mit Bezug auf eine Tannenprofilnut 3 positio- niert und ausgerichtet ist. Der zum Erzeugen von Druckeigen- spannungen benötigte Anpreßdruck der Walzelemente 9 an die Kerben 5 wird über die Vorspannungen jedes einzelnen Federsy- stems 10 mittels der Einstellschrauben 15 für jedes Walzele- ment 9 gesondert eingestellt.

Bereits beim Einlaufen in die Tannenprofilnut 3 wird auf diese Weise eine Druckeigenspannung an den Kanten der Tannen- profilnut 3 erzeugt.

Während des Walzvorgangs ist die Maschinenspindel 6 freige- schaltet und kann sich, durch die Stütz-und Führungsrollen 13 geführt, frei um ihre Achse 12 drehen und damit dem Ver- lauf der Tannenprofilnut 3 folgen. Die Achse 12 kann über ei- nen Einspannzapfen, der die Drehachse vorgibt, definiert sein. Beim Einlauf in die Tannenprofilnut 3 wird das durch den außen liegenden Halter 8 bzw. Walzelement 9 erzeugte Drehmoment um die Achse 12 durch die Stütz-und Führungsrol- len 13 ausgeglichen. Diese erzeugen ein entgegengesetztes Drehmoment, das zur Führung entlang des Verlaufes des Tannen- baumprofiles 3 dient.

Die Walzvorrichtung 1 wird zeilenweise durch eine Tannenpro- filnut 3 oder eine Ausnehmung eines anderen Bauteils geführt, bis die einzelnen Walzelemente 9 über die Kanten der Tannen- profilnut 3 aus der Radscheibe austreten und dabei auch diese Kanten festwalzen.

Die zeilenweise Zustellung erfolgt über den Vorschub der Ma- schinenspindel 6, an der die Walzvorrichtung 1 gehalten ist.

Die Steuerung der Bewegung der Walzvorrichtung 1 mit Bezug auf das Bauteil 4, in diesem Fall die Radscheibe eines Turbi- nenläufers, kann mittels einer NC-Steuerung erfolgen.

Figur 6 zeigt eine Weiterbildung der Walzvorrichtung gemäß Figur 5. An beiden Enden des Trägers 7 ist eine Konsole 16 aufgebracht, in der zwei Träger 14 für ein Paar Stütz-und Führungsrollen 13 drehbar und feststellbar gelagert sind. Die Konsole 16 ist als Lagerbock ausgebildet, in dem die Stütz- und Führungsrollen 13 exentrisch gelagert sind. Dadurch, daß an jedem Ende des Trägers 7 die Möglichkeit zur Aufnahme bzw.

Einleitung eines Drehmomentes um die Achse 12 des Trägers 7 gegeben ist, kann die Walzvorrichtung nicht nur die Verfahr- richtung ohne Probleme ändern. Vielmehr ermöglicht dieses insbesondere bei runden Kerben eine mehrfache Führung, was die Genauigkeit nochmals erhöht.

Die erfindungsgemäße Walzvorrichtung läßt sich für ein ra- sches Festwalzen einer großen Anzahl von Materialausnehmungen in gleicher Geometrie mit mehreren Walzelemente ausführen.

Die Walzelemente können auswechselbar sein, so daß mit einer einzigen Walzvorrichtung sowohl ein Festwalzen als auch ein Glattwalzen der entsprechenden Kerben möglich ist.