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航发叶片柔性制造：“磨”力无边，配合无间

来源：United Grinding 优耐特磨削机械2024/8/24 14:03:2673

导读

随着科技的不断发展进步，联合磨削集团将在技术创新、自动化生产和新材料应用等方面持续发力，为客户提供更加高效、优质的磨削解决方案，推动航空发动机叶片磨削工艺不断向前发展。

　　大家都知道航空发动机是飞机的核心，其中各类叶片则是“核心中的核心”。

　　航空发动机的叶片部件，对加工精度和精度一致性要求极高，而磨床设备作为机械部件精密加工的重要手段，对航空发动机质量至关重要。

　　那么，航发叶片的磨削有哪些难点呢？

　　对磨削机床提出了哪些挑战呢？

　　聚焦：航发叶片加工难点与挑战

　　航空发动机叶片结构复杂，加之精度和质量要求极高，给磨削加工带来了不小的挑战。

　　✦ 磨削难点✦

　　➤ 航空发动机叶片外形复杂，普通或通用磨床难以满足；

　　➤ 精度和形位公差要求极高；

　　➤ 装配精度要求极高，为避免在高速旋转时产生震动和共振，磨削设备必须具备极高的加工一致性；

　　以涡轮叶片为例，如图所示。通过涡轮叶片叶根部分的枞树形榫卯结构装配到发动机风扇盘上。连接处有细小缝隙，但是由于涡轮叶片磨削精度和形位公差极高，在高速旋转时仍能保证稳定性，同一级叶片的叶尖高度几乎一致。

　　➤ 同一台航空发动机需要装备的部件多样，要求磨削设备具有极高的生产柔性；

　　➤ 叶片价格昂贵，要求磨削设备具有非常高的生产稳定性和产品合格率。

　　✦ 工艺要求✦

　　➤ 需配备专业的磨削应用软件系统，且操作简便，以降低成本和提高效率；

　　➤ 磨削设备能够自由连接自动化单元和其他设备，实现无人生产；

　　➤ 磨削设备要具备一定的智能生产能力，符合工业4.0要求；

　　➤ 具备更新磨削工艺的能力，以适应未来发展和特殊材料、特殊工件加工需求。

　　接下来我们一起看看，

　　航发叶片究竟是怎么磨削的？

　　解析：航空发动机叶片常用磨削方式

　　三轴平面缓进给磨床配合不同夹紧工装

　　如图所示：德国保宁琼格PROFIMAT XT 408型平面成型磨床，工作台尺寸400x800mm，主轴功率62千瓦。

　　五轴磨削中心一次夹紧工件所有表面

　　这种方式可以大大提高磨削精度一致性，同时也大大提高生产效率。如图所示：瑞士美盖勒MFP 50五轴磨削中心，主轴功率50千瓦，最高转速10000RPM。配备FIBRO双数控轴工作台，型号为NC 1.02 and NC 0.02。采用砂轮尺寸，最大直径300mm，最大宽度60mm。

　　六轴磨削中心加工复杂工件

　　如图所示：美盖勒MFP 50(包括MFP 51、MFP 30等)，可以配备三数控轴工作台

　　这三种常用磨削方式各有利弊，为更好满足航空发动机叶片高精度加工需求，联合磨削集团不断优化磨削工艺方案。

　　精磨实践：经过优化的磨削工艺方案

　　瑞士美盖勒独有的

　　垂直方向全封闭静压导轨系统

　　瑞士美盖勒机床公司独立开发出可用于磨床垂直方向的全封闭静压导轨系统，所有导轨平面经手工刮研，保证了极佳的精度等级。

垂直方向全封闭静压导轨系统示意图

　　该系统通过薄薄的刚性油膜，使运动部件永远悬浮在封闭导轨上。磨头单元与机床床身无直接接触，这样可提高磨床精度和精度稳定性，提供最佳减震效果，延长砂轮使用寿命，获得更好磨削表面质量和保证生产合格率，美盖勒所有设备至少配备一个此系统。

　　配备顶置式修整系统，

　　可以在磨削过程中进行连续修整

　　航空发动机叶片装配精度要求极高，要求同一批次叶片磨削精度一致性极高。瑞士美盖勒和德国保宁琼格率先将顶置式修整系统应用于航发叶片磨削加工，在磨削过程中连续修整。砂轮顶部配备顶置式修整单元，保证砂轮型面精度最佳状态和同批次工件精度的一致性。

美盖勒MFP 50磨削中心顶置式修整器

　　采用连续修整磨削可缩短约30%加工时间。当工件一致性要求不高时，可提升顶置式修整器位置，使砂轮和顶置式修整器分开，以降低砂轮损耗。

连续修整方式和普通台式修整方式

　　五轴磨削中心配备该系统可一次夹紧所有表面，大大提高精度一致性和生产效率。

　　瑞士美盖勒MFP 50五轴磨削中心配备顶置式修整系统

　　瑞士美盖勒MFP 100和MFP 51型磨削中心甚至可同时更换砂轮和顶置式修整滚轮，最大限度保证磨削精度。

　　顶置式修整系统同样适用于复杂的磨削表面，例如弧形表面、弧形槽等。

　　为了提高磨削中心的加工柔性，

　　配备自动砂轮更换装置

　　精密加工航发叶片不同表面时，需要采用不同的砂轮，甚至选配其它工具，例如铣刀、钻头、测量头等。为提高磨削中心加工柔性和生产效率，瑞士美盖勒为设备配备自动砂轮更换装置。

　　MFP 50及MFP 30都有24位盘式自动砂轮更换装置，可装载砂轮、CBN砂轮、铣刀等刀具，适用于多品种工件柔性加工。

　　适用于大型航发叶片的美盖勒MFP 100磨削中心可以配备60位链式砂轮更换装置，能同时更换顶置式修整滚轮和砂轮。

　　MFP 51磨削中心配有大型桁架式砂轮更换装置，可装载各种砂轮、刀具、滚轮和测量工具等。操作人员可在68位砂轮更换装置中自由配置各种工具，产品换型程序控制简单易行，大大降低生产换型时间和成本。

美盖勒MFP 51磨削中心配备68位桁架式砂轮更换装置，
带有刀具识别系统

　　68位砂轮更换装置可以最大程度提高生产柔性，非常适用于多品种小批次航发叶片生产研发。换型时输入程序命令即可。MFP 51还首次采用工具识别系统，内置于HSK刀柄的RFID模块可储存刀具信息，符合ISO 15693标准。

　　经过优化的冷却液系统，

　　保证极佳的磨削质量

　　众所周知，冷却效果对保证磨削质量和表面质量起着非常关键的作用。联合磨削集团旗下的瑞士美盖勒和德国保宁琼格磨床设备均配备经过优化的冷却液系统，保证极佳的冷却效果。

　　以美盖勒MFP 51磨削中心为例，砂轮右侧有双数控轴，可随动的冷却液喷嘴，可根据砂轮直径变化在两个方向移动，以保持最佳相对位置；砂轮左侧有冷却喷嘴(蓝色箭头)和清洁喷嘴(紫色箭头)，清洁喷嘴能及时将可能附着在砂轮表面的碎屑清除，大大降低划伤工件表面的风险。

经过优化的喷嘴系统

　　在主轴旁边，有额外喷嘴保证磨削效果和表面质量，还可选择贯穿主轴的冷却液系统，以用于铣削和钻削加工。且能配备冷却喷嘴更换系统，进一步提高冷却效果和磨削质量。

　　专业的叶片磨削循环软件

　　以及用户友好型操作界面

　　瑞士美盖勒和德国保宁琼格依据多年航空发动机叶片磨削经验，设计开发专门用于透平叶片的磨削程序。操作界面简洁易懂，无需专业NC知识即可在软件指引下创建或修改程序，且可在生产中随时调整参数及创建新程序。

　　基于磨削程序的NC程序可以直接在磨床上进行预磨削循环修改，也可通过VERICUT软件模拟NC程序。

　　联合磨削集团独有的

　　C.O.R.E.操作面板及工业4.0要求

　　联合磨削集团磨床产品配备最新的C.O.R.E.操作面板，其设计符合人体工程学，操作简便。带有预设功能，简化编程过程。可轻松连接技术专家远程咨询或进行电话会议，更加符合工业4.0要求。

　　新型航发叶片磨床可监控必要进程，如跟踪磨削主轴负载、追溯独立磨削过程、设定限制数值，以优化过程提高效率、降低废品率、减少生产管理成本等。还能测量并监控冷却液重要参数，设定极限报警值，以及监控记录机床各个驱动电机负载情况。

跟踪磨削主轴的负载值，追溯每一个独立的磨削过程

测量并且监控冷却液的重要参数压力、流量、温度等

监控并记录机床各个驱动电机的负载情况

　　联合磨削数字化解决方案，提供生产监控、远程服务等便利内容。

　　为了降低生产成本，

　　实现自动化生产单元

　　随着生产效率要求提高和人工成本上升，客户要求航发叶片磨床设备也要集成到自动化生产单元。瑞士美盖勒和德国保宁琼格开发出各自的自动化单元方案。

　　美盖勒已多次与不同自动化供应商合作，为客户提供高效合理的自动化生产单元，将磨削中心、测量、清洗单元、储存单元和自动化单元结合，实现“无人化”生产，以降低人员成本。下面是具体案例：

　　而德国保宁琼格也可以通过在航发叶片磨床右侧的自动化单元和左后侧的砂轮库实现自动化生产。

德国保宁琼格磨床可以配备砂轮库和自动化单元

　　随着航空发动机叶片磨削工艺的不断发展，联合磨削集团旗下德国保宁琼格和瑞士美盖勒在各自领域不断开发新方案。

　　德国保宁琼格最新独立开发的高速往复磨削工艺，就是由简单往复磨削发展而来，克服了缓进给磨削在特殊材料如钛合金磨削时的局限性，降低烧伤风险且不降低生产效率，还有减少热应力和降低砂轮消耗的优点。PROFIMAT XT磨床和PROKOS磨床可实现该工艺，非常适合钛合金航空叶片的磨削加工。

　　高速往复磨削的原理就是降低单次磨削除去量、大幅提高往复移动速度。同时快速带走热量降低烧伤风险并提升效率。

缓进给磨削工艺和高速往复磨削工艺比较

　　美盖勒致力于陶瓷基复合材料叶片加工工艺的开发生产，是当前世界唯一将陶瓷叶片磨削应用到实际生产的磨床制造商。

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