计算机控制的涡轮叶片磨削单元

魔神

    以前，涡轮叶片要依次在7台机床上才能磨削加工好，而如今却可以只在一台磨削加工单元上，通过一次装夹就能加工好。这样一来，调整时间和生产运行时间可以降低一半以上，磨削成本可以降低1/3。

国际竞争能力

　　在慕尼黑，我们开发、生产和维护传动机构和传动机构的元部件。这些传动机构和部件是用于飞机和固定式燃气轮机上的。从1991年以来，我们便利用高度自动化的、计算机控制的磨削单元进行涡轮运行叶片(工作叶片)的磨削加工(图1)。
　　尽管在应用和管理这种复杂的机床方面存在某些问题，但依然可以实现重要的技术和经济目标。因此，它为在国际范围内提高竞争能力起到根本性的作用。
　　1987年，我们的生产领导决定，从Blohm有限公司购买3台高度自动化的磨床，用于加工涡轮动叶片和定叶片(导向叶片)。决定进行如此巨大投资的理由如下：
　　人们预测在这方面的需求会不断增长，此外来自国际性竞争的压力也不断增加；力求实现质量改进(降低废品和修补加工)；国际竞争对手采用了类似的机床(如美国的Pratt & Whitney公司以及英国的Rolls Royce有限公司等)；制造行业中普遍采用高度自动化制造设备(CIM)的趋势。

图1 计算机控制的磨削单元

　　最早的两台磨削单元于1991年和1992年开始用于涡轮动叶片加工。由于技术问题和用户暂时减少，第三台磨削单元直到1997年才投入使用。其加工类似于单元1和2，(与计划相反)在技术上不能实现导向叶片磨削后，同样是加工动叶片。

a.铸件块涡轮叶片 b.工件夹具 c.内部搬运设备 d.外部搬运设备 e.移动台 f.调整块 g.上料位置 图2 多位测量设备

图3 装夹浇铸的叶片

磨削单元的结构

　　“磨削单元”的概念以及它与传统磨床之间的界线，通过查看基本的设备元部件可以一目了然：它使用两个双主轴磨床GC2000，每个磨削头可以最多配装三个砂轮(Elbe有限公司、Tyrolit有限公司制造)，每台机床可以数字控制16个坐标轴(其中4个是刀架坐标和磨削头坐标，4个是使砂轮成形的砂轮修整设备的坐标，4个是两个分度头的回转坐标，另外4个是跟踪冷却液喷嘴的直线坐标)。在磨削单元中还集成装入了多位测量设备，最多可有60个测量值以及测量过程。它们带有测量结果的反馈和CNC坐标轴的自动修正(图2)，另外还配装用于识别工件的光学读数系统。磨削单元中还配有一个清洗和干燥站，用于在测量循环之前对工件进行清洁处理。由一个龙门式机器人(带有4个控制轴)将工件在各个站之间传送。由一个单元计算机控制各个元部件之间的流程。
　　所有的测量值和过程数据均被发送到一个上级单元主控计算机上。在此进行进一步的数据处理和归档。整个加工过程，可以在操纵台上观察和监控。

采用的技术

　　在开始磨削加工之前，要将每个涡轮叶片铸成一个长方、六面体形状的块件(见图3)，这种铸件没有什么独特之处，只是要求满足磨削单元的加工需要，以便工业机器人能够搬运这种几何形状非常复杂的工件，且能承受在磨削加工过程中产生的巨大作用力。此外，由于只用4种不同尺寸的铸件，因此可以大大降低所需夹紧装置类型。紧接着铸件块被配上一个条码，从而在磨削单元中可以识别构件。在此期间，激光标签将被一种简单的、可在现场压紧的粘贴剂粘接上。
　　使用带有连续修整的深度磨削技术。砂轮是用金刚石滚轮(Winter&Sohn)连续修整的；坐标轴可根据磨损量进行调整。对于常用的镍基材料的涡轮叶片，利用这种方法，可以取得很高的切削率(图4)。

图4 一次装夹磨削复杂的涡轮叶片(位置5-7)，以及在涡轮基座上测量下：通过过程控制器监控测量值(多位 ○)

X和Z坐标轴 Z_D包带侧 Z_F基座带侧 Z坐标轴

　　然而，只有用加工参数、砂轮和金刚石滚轮等的最佳配合，才能缩短加工时间、延长刀具使用寿命以及有良好的加工质量。在用几个产品解决最初的问题后，可以达到令人相当满意的状况。
　　夹紧装置装在一个数控双回转台上。由它将工件从上料位置转移到加工位置。在各个磨削过程之间，工件自动调换夹紧，如果一次装夹不能完成成套加工的话。
　　砂轮在自动交换后在机床上预成形，并进行平衡。由主计算机控制对交换库进行管理。并在砂轮交换过程中和交换之后，进行必要的安全性及其流程方面的各种无干扰的操作。
　　磨削加工后，对铸件块进行加热，工件上不必要的部分将被“熔化”掉，接着，清洁工件并用昂贵的分析方法(AAS原子吸收测试法)分析铸件块合金中的残留物。即使极少量的残留物，也可能引发涡轮叶片的迅速掉落现象。

经验和成果

　　磨削单元的应用，导致了引人注目的改进和合理化工作。确切地说，利用磨削单元，可以降低大约35%的磨削成本。一个操作员便可从操纵台上监控设备的运行过程。
　　然而，如果没有在最近几年中不断进行的优化和改进工作，这种高度自动化、复杂的设备便不可能取得如今这样的成就。
　　1997年的磨削单元，其安装和调试时间与1991年的第一台磨削单元相比，从24个星期缩短到了9个星期。通过合理地改变机床外围设备的护板，可以将有些零部件的维护和保养周期延长80%左右。此外，机床的利用率也从75%提高到92%(一个星期工作6天，每天3班制)。
　　除了缩短加工时间外，还可将7台磨床减少至一台磨削单元，生产中，进一步起到了合理化的作用。这样，利用一台磨削单元，便可以将工件完全加工好。以此，还降低了连续加工时间，缩短了加工过程中工件运输的路径并减少了车间占地面积。由于减少了加工过程中更换工件夹紧的次数以及用CNC轴管理在线测量，可以大大优化加工质量，从而大大减少废品和额外费用，并将cpk数值优化至1.5A～4.0。

表1 普通磨削和磨削单元的基本差异

标准	磨削单元	普通磨床
机床数量	1	7
技术可利用率(%)	92	94
生产率(件/月)	4500～6000	5000
占地面积(m2)	200	300
加工过程中工件运输的路径(m)	350	750
批量大小(件)	400	400
熟悉时间(天)	9	20
调整时间(min)	90	200
磨削成本(德国马克/件)*	100	150
投资成本(德国马克)*	100	40
维修保养成本(德国马克/h)*	100	140
劣质品(DPM)*	60	100
过程可靠性(cpk)	1.5～4.0	1.3～2.0
人员使用 (三班制)*(工人)	50	100
* 显示的数值, 不是对可能的绝对成本的结论性数据

　　当然，磨削单元也存在一定的问题。例如，它要求较高的批量，以便能够进行经济实惠的加工制造(批量大小大约为400件)。另外，它无法躲避干扰。由于磨削单元固有的复杂性，要在较短时间内更换工件类型是不可能的。它要求较高的设备成本。另外铸造技术也在不断发展，即越来越多地取消了涡轮叶片加工，因为已经可以进行定尺寸铸造，所以磨削单元应用场合可能会不断减少。经济应用的关键界限大约为4个加工工序，因为不能不超出一个已知的“基本加工时间”。
　　最后，这种设备不能集成到独立制造岛中。问题还在于面向流程的团队工作方式。另外，它还需要很高的投资总额和相应的资本。
　　磨削加工单元与传统磨床相比，所具备的基本差异见表1。

制造岛加工的趋势

　　磨削单元的利用，使我们位于慕尼黑的涡轮叶片加工有了强大的国际竞争能力。但是，其优点只有在较长的运行阶段并通过操作人员的改善之后才能充分体现出来。
　　将来在磨削领域中的投资，要求充分考虑所要求的柔性、车间组织的变化(团队工作，制造岛制作)、不断进步的铸造技术(通过定尺寸铸造而取消磨削加工)以及采用其它方式时较少的投资资金等而进行。第一个方式是制造岛式布置，其中包括小型、投入资金不多的磨床。这种磨床需要较少的操作工人。