无需磨床的柔性磨削技术

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飞机发动机制造是一个竞争非常激烈的行业，针对周期性的市场需求，它需要大量投资和开发费用。尽管在历史上成品发动机的复杂性意味着飞机和飞机框架制造商必须承受较长的订货与交货之间的时间间隔，但竞争的压力正迫使人们找寻更加精良且对市场做出更快响应的制造方法。在英国，发动机生产厂家Rolls-Royce已经通过一种独特的过程对这种挑战作出了回应-用装备砂轮的加工中心实现对镍合金的柔性磨削。
这种过程被称作“Viper”，是由“Vitreous Improved Performance Extreme Removal(透明、改善、性能、极致、去除)”缩写而成。该过程是20世纪90年代作为一种用于加工镍合金，替代CBN超级磨料和普通强力缓进给磨削技术的高性能技术而开发的。该过程已经在Rolls-Royce的多个工厂应用，但是在德贝市的一个蜗轮叶片加工厂的应用却是最全面的，其中有10台适合Viper的加工中心。采用该过程，工厂将每套高压蜗轮叶片从订货到交货的时间从约100天降低到了15天。
1 V# g1 @/ w  n0 t" ^' u$ [Viper磨削采用直径不大于200mm的氧化铝砂轮，砂轮装在经过特殊自适应处理的牧野(Makino)或桥堡(Bridgeport)加工中心的主轴上。砂轮的更换方式与普通铣刀一样。对于某个特定的叶片而言，加工“杉树”根形和“护罩”端部特征可能需要15种不同的砂轮形状。
Rolls-Royce声称，在合适的条件下，该过程的金属去除率可以达到80立方毫米/秒/毫米砂轮宽度。这是在普通磨床上采用镀镍CBN砂轮通过超级磨料加工技术加工镍合金可以实现的金属去除率的8倍。该过程还可以以比其它可替选方式高得多的金属去除率进行精磨加工。
Phil Hopton是Rolls-Royce蜗轮系统公司的主任。他说 ：“我们以前用强力缓进给磨削技术来加工这些特征。这种技术的目标在于进行大批量生产，机床装夹时间必须以天计数，每个叶片需要通过大量机床才能加工完成。对这种技术而言，高压叶片生产是一种存在瓶颈问题的加工过程。”因此该公司考虑采用CBN砂轮作为一种可选方式，但是Viper过程在性能方面实现了巨大的改善，从而改变了整个叶片加工的方式。
Viper的起源可以追溯到Rolls-Royce的工程师Peter Hill，他注意到在专用强力缓进给机床上有时候可以在不采用连续砂轮修整以保持形状和尖锐度的情况下获得满意的加工效果。随后，根据在一个采用高压冷却液清洗刀具切削刃的钛铣削项目中所获得的经验，他考虑这样一种可能性，即开发一种适合在换刀式加工中心上将普通铣削和钻削集成为一体的“纯砂轮”式磨削过程。
+ ^; V: W" Y3 ?8 E+ m; t通过与磨削易耗件专业厂家Tyrolit、加工中心制造商牧野及桥堡之间开展的长达4年的合作开发项目，该公司最后开发出了如今所采用的过程。可能毫不奇怪，最重要的因素被证明是磨削易耗件和冷却液。该项目还消除了人们对普通铣削主轴是否可以应对砂轮失衡这个问题的怀疑。
% }1 ?: Y) \& n! U' N8 qHill先生说：“我们考虑了大量因素。我们必须确认打开的砂轮连接部分不会夹住磨削产生的微细切屑。还必须开发一种支持高流速和高压的冷却液系统和冷却液配比方式，但却要在不产生泡沫的情况下能够承受精细过滤过程。”
4 R6 y* J0 w; T* P) H5 h# p; {0 W+ x冷却液过滤对Viper磨削取得成功是非常关键的。该过程采用专门开发的喷嘴来以1000psi的压力喷射冷却液，并相对于砂轮和工件接口保持精确的角度。通过过滤而去除直径为10微米以上的粒子，Viper过程因此避免了对砂轮切削刃产生腐蚀。
在磨削过程中，借助冷却液可以降低切屑温度，防止微细切屑粘到磨削介质上，同时射流还可将切屑冲刷干净。这样可以防止砂轮“钝化”，从而无须进行中间修整。这一点反过来有助于保持较低的砂轮磨损率，从而小直径砂轮的“刀具”寿命可以保持在合格范围内。
, d5 \# o; }% v5 R6 n( D为了让某台加工中心适合Viper磨削过程，需要进行大量制造方面的改动。这些改动包括冷却液传送、金刚石修整器安装以及密封和防护问题等。从过程这方面看，需要保持相同的冷却液传送轨迹，同时采用机床最多5个插补轴进行磨削。为此，牧野公司开发了一个两轴CNC控制式冷却液喷嘴，安装在主轴端部周围。由一个轴(U)提供回转，从而既可以进行水平磨削，也可以进行垂直磨削；由另一个轴(V)提供喷嘴径向定位，从而对砂轮磨损进行补偿-这种磨损在加工循环中有时甚至有可能使砂轮直径减少一半。
: H1 F  P* U, z$ L. J+ o即使经过这些改动，用这种方式装备的牧野A55加工中心的成本依然低于强力缓进给磨床的成本。此外，借助换刀功能，所有被磨削的特征都可以在两道操作中完成，且借助加工中心所具备的柔性，可以在2小时或不到2小时的时间内实现不同零件之间的转换。
; E& ^1 h% `1 R. S在Viper磨床单元中，采用一台机器人在加工中心和三坐标测量机之间传送装在夹具上的叶片。
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在Viper过程完成后，Rolls-Royce所面临的挑战是通过叶片加工过程而全面推知该过程的优点。
Hopton先生说 ：“Viper所具备的技术优点帮助我们向前推动了改革过程。在蜗轮叶片加工工厂，我们从批量制造转到了精良制造过程。这方面的加工实践以及为蜗轮叶片加工所开发的方法还为已经成为‘Rolls-Royce生产系统’的做法和方法提供了一种模式。这一点对于减少客户从订货到交货之间的时间是非常有用的。”
在英国给Rolls-Royce提供服务的分包机构中，有一种常见的说法是“40天发动机”。如今蜗轮叶片加工过程在实现该目标中起到了主要作用。在当前高压叶片15天的订货到交货时间中，实际上只有4-5天的加工时间，并且已经发现这个时间还可以进一步缩短。
4 |. F3 `* R2 P& I4 N发动机中的每个高压蜗轮叶片，诸如Rolls-Royce Trent，它所产生的马力和赛车发动机产生的相同。这些叶片组成了成品发动机中所用叶片的28%左右，并且该公司将其生产一直保持在公司内部完成。位于德贝市的蜗轮叶片加工厂建造在一个具有同样高技术的精密铸件加工厂附近，该铸件厂主要生产叶片毛坯，同时附近还有一个由第三方承包商经营的热处理厂。唯一不在工厂现场完成的操作是在成品叶片上涂敷专用耐热涂层。
/ m3 Y: n" m" D: O3 Z叶片加工和设计都在位于德贝市的一座可扩建楼房中进行，它们之间通过一道玻璃墙分隔。由于安装一套Viper生产单元的成本相对较低，因此Rolls-Royce已经可以将一整条生产线用于叶片开发。设计者们传统上必须从生产机械上“请求或借入”时间来开发新产品，但这种开发单元改变了这种情况。因此，Hopton先生说：“我们希望新的高压叶片的设计和生产方面的方便性可以带来很大好处。”
5 R8 l: w" ?6 r8 X' [* b1 w2 x  ]蜗轮叶片加工中制造系统和方法的开发是由Mark Hulands领头的小组负责的，如今他是Rolls-Royce蜗轮系统公司精良制造方面的经理。Hulands先生说，一个重要的目标是保持生产流量，以便来自Viper过程的优势可以在整个制造过程中不被中断。为了实现这一点，该小组将目标定于在可能的时候离线进行零件装夹并将该过程自动化。该小组还努力避免依赖批量加工的技术。其中一种这样的技术是以前采用锌合金来封装叶片，以便在磨削过程中可以更方便地装夹。这种封装不仅带有队列，同时还必须实施由两阶段组成的去除过程。
6 v1 ]+ W, b6 }" I8 e4 u该工厂当前有5条相同的生产线(一条用于开发，四条用于生产)，同时还预留了第六条生产线的空间。每条生产线的装备都一样，均用于叶片加工，且号称可以处理18种叶片类型中的任何一种。一般的例行程序包括4个阶段，包括在一台Viper单元上磨削杉树形和护罩，并对密封带及开口护罩冷却装置进行电火花加工，对气膜和护罩部分中的冷却孔进行电火花钻削，对定位销钉进行电火花去除加工，对铸造过程中所用的核心孔进行TIG焊接，对吹气孔进行钻削，并在一台CNC平面磨床上进行最后抛光处理等。
用于磨削的叶片安装在一个肘节式柔性夹具中。这样可以通过采用客户开发的调节系统相对于叶片形状对零件的杉树形和护罩端进行正确装夹。当达到最佳调节时，夹具被自动锁紧到位>
柔性过程
' F! R- r) }7 \+ j+ S$ \, \Viper单元包括两台适合Viper技术的牧野A55加工中心以及两台三丰(Mitutoyo)坐标测量机，所有这些机床都配备发那科(Fanuc_机器人。该单元的输入采用一个滚动传送带-配备录像装置以及夹具识别系统。
5 Z7 g5 l" L0 ]- A  ^叶片铸件是单独标代码的，用一个客户设计的空气计量站来将它们安装在一个柔性夹具中，以便进行加工。叶片通过一个铸造销钉固定在夹具中(固定位置为杉树形部分的底部)，但却可在通过机械式固定的滚珠接头中自由运动。由该计量表对末端特征位置相对于叶片的气膜部分进行最佳配合分析，并且当所有测定的特征都在其名义位置30微米范围以内时自动在该位置装夹。位于输入传送器上的摄像系统会自动读取叶片序号和夹具ID，自动将数据存储到(为各个被处理叶片而自动建立的)历史文件中。
叶片的特征是通过两道操作完成的，总共17分钟。第一道操作用12分钟，第二道操作用5分钟，因此该单元让一台机床完成两道操作，而让另一台只进行第一道操作，通过这种方式对机床工作量加以均衡。借助Erowa夹具在机床和夹紧装置上的装夹位置，工件在加工中心和三坐标测量机上的定位可以高度重复。所有加工由采用一系列预成形砂轮完成的磨削过程组成。这些砂轮以与普通铣刀一样的方式安装，并在装夹过程中针对计算机生成的形状模型进行检查。
在第一道操作完成后，将叶片送到其中一台三坐标测量机上加以检查。Rolls-Royce可以在此阶段采用自适应加工软件进行自动特征修正，它可以为第二道操作自动调节CNC程序的参数。小组成员Terry Shaw说，对于杉树根形状±14微米的公差，该过程实现了1.42的Cpk。
在磨削完成后，要对各个零件进行清洗，然后将它们送到夏米尔电火花成形加工机床上-用于加工密封带的槽及开设护罩冷却特征。该操作比较独特的方面是Rolls-Royce将正常的电火花加工做法反过来了：将零件夹具装到主轴套筒上，用于加工的电极装到切削液内三个固定位置上。用于加工的叶片以堆叠的方式装在四个通用夹具上。然后将这些夹具装在机床的电极更换装置上，由主轴套筒提取工件，并采用C轴定位功能与所需要的电极对准。这样就可以在离线的情况下完成所有装夹，从而提高了加工效率。
同样，对冷却孔进行电火花钻孔所必须进行的叶片装夹也实现了完全自动化。每条生产线有12台电火花钻孔机床，将它们布置成一个完全自动的单元。每台机床都可以采用预先成形的装有多个管状黄铜电极的装置钻削一种类型的孔。钻削过程采用去离子水作为电介质实现较高的钻孔速度。当钻削完成时，通过眼睛和录像扫描方式检查各个叶片，以确定所需要的孔型其外观及位置正确-在25微米以内。然后将叶片送去进行最后精加工操作。
Hulands先生说，整个系统一个重要的优点是具有很高的柔性。他说 ：“可以在2-3小时内将生产线从一种叶片加工类型切换到另一种类型。在技术上还可以加工批量为一件的叶片。”
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