以前，渦輪葉片要依次在7臺(tái)機(jī)床上才能磨削加工好，而如今卻可以只在一臺(tái)磨削加工單元上，通過一次裝夾就能加工好。這樣一來，調(diào)整時(shí)間和生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間可以降低一半以上，磨削成本可以降低1/3。

國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力

　　在慕尼黑，我們開發(fā)、生產(chǎn)和維護(hù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的元部件。這些傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和部件是用于飛機(jī)和固定式燃?xì)廨啓C(jī)上的。從1991年以來，我們便利用高度自動(dòng)化的、計(jì)算機(jī)控制的磨削單元進(jìn)行渦輪運(yùn)行葉片(工作葉片)的磨削加工(圖1)。
　　盡管在應(yīng)用和管理這種復(fù)雜的機(jī)床方面存在某些問題，但依然可以實(shí)現(xiàn)重要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。因此，它為在國(guó)際范圍內(nèi)提高競(jìng)爭(zhēng)能力起到根本性的作用。
　　1987年，我們的生產(chǎn)領(lǐng)導(dǎo)決定，從Blohm有限公司購(gòu)買3臺(tái)高度自動(dòng)化的磨床，用于加工渦輪動(dòng)葉片和定葉片(導(dǎo)向葉片)。決定進(jìn)行如此巨大投資的理由如下：
　　人們預(yù)測(cè)在這方面的需求會(huì)不斷增長(zhǎng)，此外來自國(guó)際性競(jìng)爭(zhēng)的壓力也不斷增加；力求實(shí)現(xiàn)質(zhì)量改進(jìn)(降低廢品和修補(bǔ)加工)；國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手采用了類似的機(jī)床(如美國(guó)的Pratt & Whitney公司以及英國(guó)的Rolls Royce有限公司等)；制造行業(yè)中普遍采用高度自動(dòng)化制造設(shè)備(CIM)的趨勢(shì)。

圖1 計(jì)算機(jī)控制的磨削單元

　　最早的兩臺(tái)磨削單元于1991年和1992年開始用于渦輪動(dòng)葉片加工。由于技術(shù)問題和用戶暫時(shí)減少，第三臺(tái)磨削單元直到1997年才投入使用。其加工類似于單元1和2，(與計(jì)劃相反)在技術(shù)上不能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向葉片磨削后，同樣是加工動(dòng)葉片。

a.鑄件塊渦輪葉片 b.工件夾具 c.內(nèi)部搬運(yùn)設(shè)備 d.外部搬運(yùn)設(shè)備 e.移動(dòng)臺(tái) f.調(diào)整塊 g.上料位置
圖2 多位測(cè)量設(shè)備

圖3 裝夾澆鑄的葉片

磨削單元的結(jié)構(gòu)

　　“磨削單元”的概念以及它與傳統(tǒng)磨床之間的界線，通過查看基本的設(shè)備元部件可以一目了然：它使用兩個(gè)雙主軸磨床GC2000，每個(gè)磨削頭可以最多配裝三個(gè)砂輪(Elbe有限公司、Tyrolit有限公司制造)，每臺(tái)機(jī)床可以數(shù)字控制16個(gè)坐標(biāo)軸(其中4個(gè)是刀架坐標(biāo)和磨削頭坐標(biāo)，4個(gè)是使砂輪成形的砂輪修整設(shè)備的坐標(biāo)，4個(gè)是兩個(gè)分度頭的回轉(zhuǎn)坐標(biāo)，另外4個(gè)是跟蹤冷卻液噴嘴的直線坐標(biāo))。在磨削單元中還集成裝入了多位測(cè)量設(shè)備，最多可有60個(gè)測(cè)量值以及測(cè)量過程。它們帶有測(cè)量結(jié)果的反饋和CNC坐標(biāo)軸的自動(dòng)修正(圖2)，另外還配裝用于識(shí)別工件的光學(xué)讀數(shù)系統(tǒng)。磨削單元中還配有一個(gè)清洗和干燥站，用于在測(cè)量循環(huán)之前對(duì)工件進(jìn)行清潔處理。由一個(gè)龍門式機(jī)器人(帶有4個(gè)控制軸)將工件在各個(gè)站之間傳送。由一個(gè)單元計(jì)算機(jī)控制各個(gè)元部件之間的流程。
　　所有的測(cè)量值和過程數(shù)據(jù)均被發(fā)送到一個(gè)上級(jí)單元主控計(jì)算機(jī)上。在此進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理和歸檔。整個(gè)加工過程，可以在操縱臺(tái)上觀察和監(jiān)控。

采用的技術(shù)

　　在開始磨削加工之前，要將每個(gè)渦輪葉片鑄成一個(gè)長(zhǎng)方、六面體形狀的塊件(見圖3)，這種鑄件沒有什么獨(dú)特之處，只是要求滿足磨削單元的加工需要，以便工業(yè)機(jī)器人能夠搬運(yùn)這種幾何形狀非常復(fù)雜的工件，且能承受在磨削加工過程中產(chǎn)生的巨大作用力。此外，由于只用4種不同尺寸的鑄件，因此可以大大降低所需夾緊裝置類型。緊接著鑄件塊被配上一個(gè)條碼，從而在磨削單元中可以識(shí)別構(gòu)件。在此期間，激光標(biāo)簽將被一種簡(jiǎn)單的、可在現(xiàn)場(chǎng)壓緊的粘貼劑粘接上。 #p#分頁標(biāo)題#e#
　　使用帶有連續(xù)修整的深度磨削技術(shù)。砂輪是用金剛石滾輪(Winter&Sohn)連續(xù)修整的；坐標(biāo)軸可根據(jù)磨損量進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于常用的鎳基材料的渦輪葉片，利用這種方法，可以取得很高的切削率(圖4)。

圖4 一次裝夾磨削復(fù)雜的渦輪葉片(位置5-7)，以及在渦輪基座上測(cè)量下：通過過程控制器監(jiān)控測(cè)量值(多位 ○)

X和Z坐標(biāo)軸 Z_D包帶側(cè) Z_F基座帶側(cè) Z坐標(biāo)軸

　　然而，只有用加工參數(shù)、砂輪和金剛石滾輪等的最佳配合，才能縮短加工時(shí)間、延長(zhǎng)刀具使用壽命以及有良好的加工質(zhì)量。在用幾個(gè)產(chǎn)品解決最初的問題后，可以達(dá)到令人相當(dāng)滿意的狀況。
　　夾緊裝置裝在一個(gè)數(shù)控雙回轉(zhuǎn)臺(tái)上。由它將工件從上料位置轉(zhuǎn)移到加工位置。在各個(gè)磨削過程之間，工件自動(dòng)調(diào)換夾緊，如果一次裝夾不能完成成套加工的話。
　　砂輪在自動(dòng)交換后在機(jī)床上預(yù)成形，并進(jìn)行平衡。由主計(jì)算機(jī)控制對(duì)交換庫進(jìn)行管理。并在砂輪交換過程中和交換之后，進(jìn)行必要的安全性及其流程方面的各種無干擾的操作。
　　磨削加工后，對(duì)鑄件塊進(jìn)行加熱，工件上不必要的部分將被“熔化”掉，接著，清潔工件并用昂貴的分析方法(AAS原子吸收測(cè)試法)分析鑄件塊合金中的殘留物。即使極少量的殘留物，也可能引發(fā)渦輪葉片的迅速掉落現(xiàn)象。

經(jīng)驗(yàn)和成果

　　磨削單元的應(yīng)用，導(dǎo)致了引人注目的改進(jìn)和合理化工作。確切地說，利用磨削單元，可以降低大約35%的磨削成本。一個(gè)操作員便可從操縱臺(tái)上監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行過程。
　　然而，如果沒有在最近幾年中不斷進(jìn)行的優(yōu)化和改進(jìn)工作，這種高度自動(dòng)化、復(fù)雜的設(shè)備便不可能取得如今這樣的成就。
　　1997年的磨削單元，其安裝和調(diào)試時(shí)間與1991年的第一臺(tái)磨削單元相比，從24個(gè)星期縮短到了9個(gè)星期。通過合理地改變機(jī)床外圍設(shè)備的護(hù)板，可以將有些零部件的維護(hù)和保養(yǎng)周期延長(zhǎng)80%左右。此外，機(jī)床的利用率也從75%提高到92%(一個(gè)星期工作6天，每天3班制)。
　　除了縮短加工時(shí)間外，還可將7臺(tái)磨床減少至一臺(tái)磨削單元，生產(chǎn)中，進(jìn)一步起到了合理化的作用。這樣，利用一臺(tái)磨削單元，便可以將工件完全加工好。以此，還降低了連續(xù)加工時(shí)間，縮短了加工過程中工件運(yùn)輸?shù)穆窂讲p少了車間占地面積。由于減少了加工過程中更換工件夾緊的次數(shù)以及用CNC軸管理在線測(cè)量，可以大大優(yōu)化加工質(zhì)量，從而大大減少?gòu)U品和額外費(fèi)用，并將cpk數(shù)值優(yōu)化至1.5A～4.0。

標(biāo)準(zhǔn)磨削單元普通磨床機(jī)床數(shù)量17技術(shù)可利用率(%)9294生產(chǎn)率(件/月)4500～60005000占地面積(m²)200300加工過程中工件運(yùn)輸?shù)穆窂?m)350750批量大小(件)400400熟悉時(shí)間(天)920調(diào)整時(shí)間(min)90200磨削成本(德國(guó)馬克/件)*100150投資成本(德國(guó)馬克)*10040維修保養(yǎng)成本(德國(guó)馬克/h)*100140劣質(zhì)品(DPM)*60100過程可靠性(cpk)1.5～4.01.3～2.0人員使用 (三班制)*(工人)50100* 顯示的數(shù)值, 不是對(duì)可能的絕對(duì)成本的結(jié)論性數(shù)據(jù)

表1 普通磨削和磨削單元的基本差異

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　　當(dāng)然，磨削單元也存在一定的問題。例如，它要求較高的批量，以便能夠進(jìn)行經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的加工制造(批量大小大約為400件)。另外，它無法躲避干擾。由于磨削單元固有的復(fù)雜性，要在較短時(shí)間內(nèi)更換工件類型是不可能的。它要求較高的設(shè)備成本。另外鑄造技術(shù)也在不斷發(fā)展，即越來越多地取消了渦輪葉片加工，因?yàn)橐呀?jīng)可以進(jìn)行定尺寸鑄造，所以磨削單元應(yīng)用場(chǎng)合可能會(huì)不斷減少。經(jīng)濟(jì)應(yīng)用的關(guān)鍵界限大約為4個(gè)加工工序，因?yàn)椴荒懿怀鲆粋€(gè)已知的“基本加工時(shí)間”。
　　最后，這種設(shè)備不能集成到獨(dú)立制造島中。問題還在于面向流程的團(tuán)隊(duì)工作方式。另外，它還需要很高的投資總額和相應(yīng)的資本。
　　磨削加工單元與傳統(tǒng)磨床相比，所具備的基本差異見表1。

制造島加工的趨勢(shì)

　　磨削單元的利用，使我們位于慕尼黑的渦輪葉片加工有了強(qiáng)大的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力。但是，其優(yōu)點(diǎn)只有在較長(zhǎng)的運(yùn)行階段并通過操作人員的改善之后才能充分體現(xiàn)出來。
　　將來在磨削領(lǐng)域中的投資，要求充分考慮所要求的柔性、車間組織的變化(團(tuán)隊(duì)工作，制造島制作)、不斷進(jìn)步的鑄造技術(shù)(通過定尺寸鑄造而取消磨削加工)以及采用其它方式時(shí)較少的投資資金等而進(jìn)行。第一個(gè)方式是制造島式布置，其中包括小型、投入資金不多的磨床。這種磨床需要較少的操作工人。