渦輪槳葉的高性能銑削加工
2013-5-16 來(lái)源： 作者：
對(duì)渦輪槳葉進(jìn)行比較經(jīng)濟(jì)地加工需要特殊型號(hào)的機(jī)床，有必要將高性能的銑削加工、高精度的3維切削加工以及空間自由曲面加工靈活地結(jié)合在一起。能夠保證每一片槳葉精確的外形輪廓。
長(zhǎng)度達(dá)500毫米的渦輪槳葉一般通過(guò)對(duì)棒料進(jìn)行銑削加工得到。首先要對(duì)高強(qiáng)度鋼材進(jìn)行切削加工，以保證槳葉從根部到頭部的外形輪廓都便于后續(xù)精加工的進(jìn)行。
針對(duì)上述高性能的銑削加工需要將來(lái)自Coburg附近Meeder的Hamuel公司的HSTM型5軸車銑加工中心與電主軸結(jié)合使用，這種工藝可以充分利用現(xiàn)有切削材料的生產(chǎn)能力。切削加工的平順進(jìn)行需要穩(wěn)定的機(jī)床結(jié)構(gòu)，尤其是通過(guò)靈活的質(zhì)量分布來(lái)確保出色的動(dòng)態(tài)剛度。
針對(duì)高性能的銑削加工需要將HSTM系列5軸車銑加工中心與電主軸結(jié)合使用，以配合現(xiàn)有的切削材料。
強(qiáng)有力的電主軸
標(biāo)準(zhǔn)功率為54千瓦的電主軸可以配合HSK A63型刀架以及標(biāo)準(zhǔn)容量為24把的刀庫(kù)工作。另外還可選裝36到60把容量的刀庫(kù)。根據(jù)客戶需求可以采用全自動(dòng)的刀具管理模式。此外，每把刀具上都裝有電子芯片，其中存儲(chǔ)有明確的刀具識(shí)別信息以及各自的輪廓數(shù)據(jù)。借助電子讀寫頭可以自動(dòng)讀取每把刀具的參數(shù)并傳輸至機(jī)床。借助使用壽命管理工具可以確保每一把刀具都嚴(yán)格按照其設(shè)計(jì)壽命來(lái)工作，從而確保很高的加工效果。
對(duì)于槳葉自由曲面的精加工需要遵照最優(yōu)的切削條件，以獲得所需的輪廓并為后續(xù)的拋光工序預(yù)留穩(wěn)定一致的加工余量。電主軸轉(zhuǎn)速最高可達(dá)16000轉(zhuǎn)/分鐘，使得刀具可以在較小直徑區(qū)域內(nèi)遵照最優(yōu)的切削條件進(jìn)行工作。
接下來(lái)，導(dǎo)軌的進(jìn)給軌跡需嚴(yán)格遵照計(jì)算結(jié)果，以保證按照計(jì)算的作用系數(shù)來(lái)獲得所需的渦輪槳葉輪廓曲線。輪廓曲線中的難點(diǎn)在于進(jìn)入及脫離區(qū)域，因此需要很高的角加速度來(lái)保證較為理想的銑削加工。可以在刀具旋轉(zhuǎn)軸上采用高性能的扭矩電機(jī)，并與流體凈力的樞軸承之間保持很好的動(dòng)態(tài)關(guān)系。另在加工長(zhǎng)度更長(zhǎng)的槳葉時(shí)可在另一端的尾架上配備主動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸，以克服銑削加工時(shí)造成的變形。
自動(dòng)化的刀具系統(tǒng)需要集成使用Fanuc公司的M-710i系列的6軸曲臂機(jī)器人
3根線性軸（X、Y、Z）和2根旋轉(zhuǎn)軸（A、B）之間的協(xié)同效應(yīng)對(duì)于加工具有很高配合精度要求的自由曲面十分重要。因此需要高動(dòng)態(tài)性能的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及能在毫秒范圍內(nèi)進(jìn)行工作的高性能控制系統(tǒng)，能夠向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供實(shí)施精確的信息。Hamuel公司對(duì)西門子公司的840D系統(tǒng)以及Fanuc公司的31i-A5系統(tǒng)均具備非常豐富的經(jīng)驗(yàn)。
無(wú)人化生產(chǎn)
自動(dòng)化的刀具系統(tǒng)需要集成使用Fanuc公司的M-710i系列的6軸曲臂機(jī)器人（圖2），Hamuel公司已成功實(shí)現(xiàn)其與HSTM 300系列的協(xié)同工作。當(dāng)工件較重時(shí)可以采用24把容量的鏈?zhǔn)降稁?kù)。上述2種方案中，操作人員均需在準(zhǔn)備工位將毛坯件安放在工件支架上，然后再自動(dòng)進(jìn)給至加工工位。工件支架通過(guò)HSK 100B型接口與系統(tǒng)自動(dòng)接合，可實(shí)現(xiàn)工件的快速夾緊。
復(fù)雜自由曲面的編程采用了已得到驗(yàn)證的CAM軟件BladeMill，由Clever Engineering公司提供。這套系統(tǒng)基于5軸HSC機(jī)床開(kāi)發(fā)，可以為槳葉的粗加工和精加工以及槳葉頭部、根部的過(guò)渡區(qū)域加工生成優(yōu)化的數(shù)控刀具路徑。BladeMill系統(tǒng)通過(guò)BaseMill模塊（后處理器、接口）與3維CAD軟件Catia V5、UG NX和ProE集成。
使用激光技術(shù)進(jìn)行刀具測(cè)量可以避免由于刀具磨損所導(dǎo)致的加工缺陷
有趣的可選項(xiàng)
為配合批量生產(chǎn)，HSTM加工中心還可配備額外的組件，以提高的加工精度和安全性。例如，可采用激光技術(shù)進(jìn)行刀具測(cè)量（圖3），向控制系統(tǒng)提供刀具長(zhǎng)度、直徑以及磨損情況的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，避免加工錯(cuò)誤。自適應(yīng)控制及監(jiān)控系統(tǒng)Optimill反過(guò)來(lái)可對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并保護(hù)刀具。舉例來(lái)說(shuō)，通常情況下槳葉的毛坯鑄件正反兩面上帶有不均質(zhì)的加工余量，系統(tǒng)可根據(jù)不同的切削加工情況相應(yīng)降低或提高刀具的進(jìn)給量，并及時(shí)判斷出刀具的折斷。
全球很多渦輪OEM制造商及其下級(jí)供應(yīng)商都在使用HSTM系列機(jī)床。該系列機(jī)床結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，加工質(zhì)量很高，工藝性能較高，用戶能夠獲得較高的投資回報(bào)率（ROI）。無(wú)論從質(zhì)量、生產(chǎn)效率還是財(cái)務(wù)角度來(lái)看，德國(guó)機(jī)床產(chǎn)品都屬一流。
制造商簡(jiǎn)介：
Hamuel公司擁有80多年機(jī)床制造的傳統(tǒng)，近25年來(lái)一直致力于5軸同步加工領(lǐng)域。Hamuel公司在車銑機(jī)床方面經(jīng)驗(yàn)豐富 。HSTM系列產(chǎn)品的X軸范圍可達(dá)730-1930毫米，幾乎可以用于加工各種形式和長(zhǎng)度的渦輪槳葉。
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