Projektübersicht
Branche: Industriepumpen und Flüssigkeitshandhabung
Komponente: Pumpen-Induktorrotor mit drei Flügeln
Anwendung: Einlassstufe einer Kreiselpumpe
Material: Edelstahl AISI 316L
Ausgangsmaterial: Rundstab Ø90 × 165 mm
Fertige Größe: Ø78 × 142 mm
Fertiggewicht: ca. 2,4 kg
Herstellungsprozess: CNC-Drehen und simultane 5-Achsen-Bearbeitung
Produktionsart: Prototypen- und Kleinserienfertigung
Erstcharge: 6 Stück
Mindestklingenstärke: 1,6 mm
Klingenprofiltoleranz: ±0,05 mm
Fließoberflächenbeschaffenheit: Ra 0,4 μm
Inspektion: ZEISS KMG, Rundlaufprüfung und dynamisches Auswuchten
Funktion des Pumpeninduktors
Der Induktor wird an der Einlassseite einer Kreiselpumpe unmittelbar vor dem Hauptlaufrad installiert. Seine spiralförmigen Schaufeln leiten die einströmende Flüssigkeit, erzeugen einen anfänglichen Druckanstieg und verbessern die Ansaugbedingungen, bevor die Flüssigkeit in die Hauptpumpstufe gelangt.
Schaufelprofil, Vorderkantengeometrie, Oberflächenbeschaffenheit und Rotationsgenauigkeit beeinflussen direkt die Flüssigkeitsbewegung durch den Induktor. Herstellungsfehler können zu ungleichmäßigem Durchfluss, Vibrationen, verringerter Pumpeffizienz oder einem erhöhten Kavitationsrisiko führen.
Aus diesem Grund wurde das Bauteil von seiner funktionalen Wellenachse aus hergestellt und geprüft und nicht nur als komplexe äußere Form betrachtet.
Herausforderungen bei der Herstellung
Kontinuierliche spiralförmige Klingengeometrie
Jede der drei Schaufeln ändert ihren Winkel und ihre Krümmung vom Einlass zum Auslass. Die Oberflächen konnten durch herkömmliche Drei-Achsen-Bearbeitung oder mehrere indizierte Positionen nicht präzise hergestellt werden.
Eine gleichzeitige 5-Achsen-Werkzeugbewegung war erforderlich, um eine kontinuierliche Schnittrichtung über das gesamte Klingenprofil aufrechtzuerhalten und sichtbare Werkzeugwegübergänge auf den Flüssigkeitskontaktflächen zu reduzieren.
Die minimale Klingenstärke betrug nur 1,6 mm. Da Edelstahl 316L eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist und stark zur Kaltverfestigung neigt, können übermäßige Schnittkräfte oder lokale Hitze die Klingenkanten verformen.
Daher musste das Material nach und nach abgetragen werden, wobei der Bestand um alle drei Klingen herum im Gleichgewicht gehalten werden musste.
Durch die Zwischenräume zwischen den Schaufeln entstanden schmale, gekrümmte Strömungskanäle. Der Zugang zum Werkzeug wurde immer eingeschränkter, je näher die Bearbeitung den Schaufelwurzeln und den inneren Übergangsflächen kam.
Ein langer Werkzeugüberhang könnte die Vibration erhöhen und die Profilgenauigkeit verringern, daher mussten der Werkzeugweg, die Werkzeuglänge, die Spindelausrichtung und die Kollisionsgrenzen vor der Bearbeitung überprüft werden.
Rotationsgenauigkeit
Die Klingengeometrie musste konzentrisch zur Ø30 h6-Wellenschnittstelle bleiben. Beim erneuten Spannen auftretende Fehler könnten den Rundlauffehler erhöhen und zu einer Unwucht des Rotors führen.
Daher wurde die Wellenachse während der gesamten Präzisionsbearbeitung und Endkontrolle als primärer Bezugspunkt verwendet.
DFM-Überprüfung und Bearbeitungsstrategie
Vor der Produktion überprüfte unser Ingenieurteam das 3D-Modell und die 2D-Zeichnung auf Werkzeugzugänglichkeit, Schaufeldicke, Schaufelwurzelübergänge, Bezugskonsistenz, Oberflächenanforderungen und Inspektionszugang.
Wir haben uns für eine kombinierte CNC-Dreh- und simultane 5-Achsen-Bearbeitungsroute entschieden. Durch Drehen wurden zunächst die Wellenschnittstelle, die Referenzflächen und die primäre Rotationsmittellinie festgelegt. Das Teil wurde dann ausgehend vom bearbeiteten Wellenbezugspunkt in einer speziellen 5-Achsen-Vorrichtung positioniert.
Die drei Klingen wurden abwechselnd geschruppt. Anstatt eine Klinge fertigzustellen, bevor mit der nächsten begonnen wurde, wurde das Material gleichmäßig um den Rotor herum abgetragen, um ausgeglichene Schnittkräfte aufrechtzuerhalten und lokale Verformungen zu reduzieren.
Bei der Grobbearbeitung blieben etwa 0,6 mm Material zurück, nach dem Vorschlichten waren es 0,2 mm. Das Teil konnte sich stabilisieren, bevor die endgültigen Schaufel- und Strömungskanaloberflächen bearbeitet wurden.
Herstellungsprozess
1. Materialüberprüfung
Das Projekt begann mit einem Ø90 × 165 mm großen Rundstab aus AISI 316L-Edelstahl im lösungsgeglühten Zustand. Vor der Produktion wurden Materialqualität und Schmelzenzahl anhand des Materialzertifikats überprüft.
Bei Bedarf kann auch eine positive Materialidentifizierung für Pumpen, chemische Verarbeitung oder andere Anwendungen mit Flüssigkeitskontakt durchgeführt werden.
2. CNC-Drehen
Durch CNC-Drehen wurden die Wellenschnittstelle Ø30 h6, die Referenzflächen, der Außendurchmesser und die vorläufige Rotorgeometrie festgelegt.
Diese Merkmale bildeten das primäre Bezugssystem für die anschließende 5-Achsen-Operation und stellten die für die Rundlaufprüfung erforderlichen Referenzflächen bereit.
3. Ausgewogene Grobbearbeitung
Beim ersten 5-Achsen-Schruppen wurde in abwechselnder Reihenfolge Material aus den drei Schaufeldurchgängen entfernt. Hochdruckkühlmittel und scharfe Hartmetallwerkzeuge wurden verwendet, um die Spanabfuhr zu verbessern und die Kaltverfestigung des 316L-Edelstahls zu reduzieren.
Durch den Schruppvorgang wurde ein gleichmäßiges Material um die Schaufeln und Schaufelwurzeln herum erhalten, um bei der späteren Bearbeitung Unterstützung zu bieten.
4. Halbfertigbearbeitung
Durch die Vorbearbeitung wurde die Hauptspiralgeometrie erstellt, wobei auf den Schaufel- und Strömungsoberflächen etwa 0,2 mm Schlichtaufmaß verblieben.
Das verbleibende Material wurde über alle drei Klingen hinweg gleichmäßig gehalten, um Schwankungen der Schnittkraft während der letzten Durchgänge zu reduzieren.
5. Fünf-Achsen-Endbearbeitung
Durch simultane 5-Achsen-Bearbeitung wurden die verdrehten Schaufelprofile, Vorderkanten, Schaufelwurzeln und internen Strömungskanäle fertiggestellt.
Die Endbearbeitungs-Werkzeugwege behielten eine konsistente Werkzeugkontaktposition und Schnittrichtung bei. Dies trug dazu bei, das Klingenprofil zu kontrollieren und gleichzeitig Werkzeugspuren auf den Flüssigkeitskontaktflächen zu minimieren.
Kritische Rotorblatt- und Nabenoberflächen wurden fertiggestellt, ohne dass die Komponente erneut eingespannt werden musste, wodurch der akkumulierte Positionierungsfehler zwischen den Rotorblättern und der Wellenachse reduziert wurde.
6. Präzisionspolieren und Passivieren
Nach der Bearbeitung wurden die Fließflächen sorgfältig poliert, um eine Oberflächengüte von Ra 0,4 μm zu erreichen. Besonderes Augenmerk wurde auf die Schaufelvorderkanten und Wurzelübergänge gelegt, damit das Polieren das entworfene Profil nicht verändert.
Anschließend wurde das Bauteil gereinigt und passiviert, um den korrosionsbeständigen Oberflächenzustand des 316L-Edelstahls wiederherzustellen.
7. Endkontrolle und dynamisches Auswuchten
Die Endkontrolle umfasste den Wellendurchmesser, die Gesamtabmessungen, das Blattprofil, die Blattposition, die minimale Blattdicke, den Rundlauf, den Axialschlag und die Oberflächenrauheit.
Der fertige Induktor wurde außerdem bei einer Testdrehzahl von 8.000 U/min dynamisch nach ISO 21940 G2,5 ausgewuchtet.
Inspektionsergebnisse
Die KMG-Inspektion von ZEISS wurde auf den Bezugspunkt der bearbeiteten Welle ausgerichtet, sodass die Blattprofile und der Rotorkörper anhand der funktionalen Rotationsmittellinie beurteilt werden konnten.
Die maximal gemessene Blattprofilabweichung betrug 0,043 mm gegenüber einer Anforderung von ±0,05 mm. Der Radialschlag betrug 0,016 mm, während der Axialschlag 0,012 mm betrug.
Die Ø30 h6-Wellenschnittstelle maß bei der ersten Charge zwischen 29,991 mm und 29,996 mm. Die Oberflächenrauheit der polierten Strömungskanäle erreichte Ra 0,36 μm.
Alle sechs Komponenten bestanden die Maßprüfung und die spezifizierte dynamische Auswuchtanforderung G2.5.
Fertigungsergebnis
Die fertiggestellten 316L-Pumpeninduktoren erfüllten die spezifizierten Anforderungen an Schaufelprofil, Wellenpassung, Rundlauffehler, Oberflächenrauheit und dynamisches Gleichgewicht.
Durch die Bearbeitung der Schaufeln und Strömungskanäle aus einem massiven Block entfielen Schweißverbindungen zwischen Schaufeln und Nabe. Es sorgte außerdem für kontinuierliches Material durch die Schaufelwurzeln und ermöglichte die Steuerung der gesamten Rotorgeometrie von einem gemeinsamen Wellenbezugspunkt aus.
Der Herstellungsweg eignet sich für Prototypen und Induktorkomponenten in kleinen Stückzahlen, die komplexe spiralförmige Schaufeln, korrosionsbeständige Materialien, kontrollierte Rotationsgenauigkeit und dokumentierte Inspektionen erfordern.
Wann dieser Herstellungsweg geeignet ist
Die 5-Achs-Bearbeitung aus dem Vollen eignet sich besonders für:
Prototyp von Pumpeninduktoren
Rotoren für Turbomaschinen mit geringem Volumen
Axialflusskomponenten aus Edelstahl
Hochintegrierte Rotoren, bei denen geschweißte Blattverbindungen nicht bevorzugt werden
Bauteile mit durchgehend verdrehten Flügeln
Projekte, die eine KMG-Profilprüfung und dynamisches Auswuchten erfordern
Bei größeren Produktionsmengen können alternative Verfahren wie Feinguss mit anschließender Endbearbeitung wirtschaftlicher sein. Der endgültige Herstellungsweg sollte nach Überprüfung der Teilegröße, der Jahresmenge, der Schaufelgeometrie, des Materials, der Betriebsgeschwindigkeit und der Inspektionsanforderungen ausgewählt werden.
Häufig gestellte Fragen
Warum wurde Edelstahl 316L ausgewählt?
316L bietet gute Korrosionsbeständigkeit, schweißfreie Materialintegrität und Eignung für viele Umgebungen, in denen Flüssigkeiten verarbeitet werden. Bei der endgültigen Materialauswahl sollten weiterhin das Fördermedium, die Betriebstemperatur, der Druck und die geltenden Industriestandards berücksichtigt werden.
Warum war eine simultane 5-Achs-Bearbeitung erforderlich?
Der Blattwinkel und die Krümmung ändern sich kontinuierlich entlang der Rotorachse. Durch die simultane 5-Achsen-Bearbeitung kann das Schneidwerkzeug diesen sich ändernden Oberflächen folgen und gleichzeitig den Werkzeugabstand und eine konsistente Schnittrichtung beibehalten.
Kann Dawang Precision einen Induktor mit dünneren Klingen herstellen?
Die erreichbare Klingendicke hängt von der Klingenhöhe, dem Material, der Profiltoleranz, den Oberflächenanforderungen und dem verfügbaren Werkzeugzugang ab. Dünne Klingen erfordern eine kontrollierte Schruppsequenz und ausreichende Unterstützung beim Schlichten.
Welche Prüfunterlagen können vorgelegt werden?
Zu den verfügbaren Dokumenten können das Materialzertifikat, der Maßkontrollbericht, der ZEISS CMM-Bericht, das Oberflächenrauheitsprotokoll, das positive Materialidentifizierungsergebnis, das Passivierungsprotokoll und der dynamische Auswuchtbericht gehören.
Haben Sie ein ähnliches Pumpenrotorprojekt?
Senden Sie Ihre STEP-Datei und 2D-Zeichnung mit Material, Menge, Betriebsgeschwindigkeit, kritischen Toleranzen, Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit, Fördermedium und Auswuchtspezifikation.
Ein Dawang Precision-Ingenieur überprüft vor der Angebotserstellung die Blattgeometrie, die Zugänglichkeit des Werkzeugs, Verformungsrisiken, Inspektionsanforderungen und den vorgeschlagenen Herstellungsweg.
