发动机零部件的经济车削和磨削加工

58现代制造•2009-11走进行业[机床]MTU航空发动机公司是德国一家领先的发动机制造企业，在国际市场上占有很高的地位。2000年7月，该公司已拥有了DaimlerChryslerAG（代姆勒-克莱斯勒）子公司的所有股份。该发动机零部件的经济车削和磨削加工位于慕尼黑的MTU航空发动机公司在安装了INDEXG400多功能车铣复合中心后，大幅度降低了修理飞机发动机定子所需的时间。同时，由于在这台机床上实现了全面的自动化加工，因此其经济效益也大大提高。这个解决方案十分理想，非常适合于这个应用领域，而且对于机床制造商本身而言，也是一个真正的挑战。文/INDEX公司2001年的营业额为15亿欧元，2002年增加到了22亿欧元。尽管旅游业出现了危机，但MTU公司仍然保持了良好的发展态势。“过去，我们常常需要在两台不同的机床上进行车削和磨削加工。同时，机床操作员还必须采用直尺调节设置角度，并以手工方式控制磨削工艺。”WalterSchoefbeck先生对其从德国EsslingenINDEX-Werke公司新购置的RatioLine系列G400多功能车铣复合中心（图1）十分满意。Schoefbeck先生是慕尼黑MTU航空发动机公司的一位工长，主管该公司的维修和CM客户市场部，并负责“RB199”型飞机发动机（图2）的加工操作调度。发动机的零部件（转子和定子）就是在他的监督之下完成返修任务的。MTU公司的服务团队借助于这台G400型车铣加工中心使发动机的全面加工迈出了重要的一步。这种新型机床主要应用于发动机定子的加工：将隔热保护层车削加工到规定的尺寸，并对导向叶梢进行精密磨削加工。尽最大努力降低生产加工时间Schoefbeck先生解释说：“原先，我们的车间纯粹是一个组装部，根本就没有生产加工用机床。”那时，加工是在维修车间进行的，等待修理的定子首先在那里将隔热保护层清除。总之，在两台不同的机床上加工是十分耗时的：即在一台CNC车床上进行车削加工，并在另一台普通车床上进行磨削加工，其中由砂轮代替其车刀，安装在车床上作为一台磨床加工生产。此外，工件还需要在维修车间与组装车间之间进行运输。今天，在“真正的组装车间”中，已经安装了一台新型车铣加工中心，用于定子的加工，还有一台专门为客户设计制造的高速磨床，配有激光测量系统，用于转子的磨削加工，此外还配备了三台平衡机。这不但意味着更多图1INDEXG400多功能车铣复合中心图2带有后燃烧器和推进器的RB199型3轴涡轮风扇发动机金属11行业（52-65）.indd582009-10-1315:28:1460现代制造•2009-11走进行业的加工程序可以集中在一台机床上完成，而且这些工作可以在同一个车间内完成，从而使生产加工时间减少50%以上。现在，每个工作日可完成两个转子的加工。加工精度必须绝对精确飞机发动机及其元件需满足极高的安全要求。当飞机上的插件式计算机发出信号，表明发动机已达到规定的使用期限时，它会被从飞机上拆下来或被拆分成组件，送到维修车间，对各个元件进行检修或淘汰处理。经过维修以后的各个零件，再次由组装车间将其组装成一台完整的发动机。除了其他一些零件之外，发动机定子的维修首先需要卸除和更换已经损坏的叶片，同时采用粗车削加工方法去除隔热保护层，并在电镀槽中将其全部清除干净。此后，再检查这些元件是否出现裂缝，然后进行测量。隔热保护层需采用热喷涂方法重新喷涂。首先，在没有安装导向叶片的情况下，用螺钉将定子组装在一起，然后将喷涂后的隔热保护层车削加工到规定的内径尺寸。这一按照规定尺寸的车削加工，以及后来导向叶梢的精加工磨削，应达到绝对加工精度。首先，将各个转子磨削加工到所要求的外径尺寸，然后将定子隔热保护层车削加工到规定的内径尺寸，使其以这种方式与转子的外径相匹配。采用这种类型的“补充磨削加工方法”，可以使转子叶片与定子喷涂层之间的叶梢间隙达到很高的精度。然后，经过同样方法加工的导向叶片，在定子外壳中（图3）安装就位。外壳应与各个导向叶片的安装水平一致，然后对叶梢进行精密磨削加工。在这里，其磨削加工的精度要求也是非常高的，因为这个阶段的加工决定了转子摩擦涂层与导向叶片之间的叶梢间隙。在同一台机床上完成因此，出于时间和质量的考虑，与加工工艺有关的这两项精密加工（喷涂层的车削加工和导向叶片的磨削加工）迫切要求在同一机床上完成。以前，在两台不同的机床上分别加工时，操作员必须采用校验工具，对每个叶片进行多次测量，以便使每个叶片的水平达到规定的测量值。采用这种方法是非常耗费时间的，而且也不易控制。因为在组装车间，发动机是不能全面组装到位的，除非其所使用的部件（定子和转子）已经全部到位。如果能够在同一台机床上实现全面加工，并将加工步骤综合应用到组装车间，那么就有可能达到“一石三鸟”的目的：即生产计划费用降低、加工时间减少、加工精度提高。然而，公司花费了两年多的时间，才找到合适的加工机床。可以确信，有很多的机床可以同时完成车削和磨削加工的任务，但是“考虑机床的投资费用是很有必要的。”WalterSchoefbeck先生说：“长期以来，我们一直没有找到一家机床制造商，可以在合理的经济范围内满足我们的要求。许多机床制造商可以提供具有磨削功能的车床，但总是解决不了导向叶梢在加工过程中的测量问题（图4）。我们倾向于采用一种圆盘传送带式的立式车床解决方案，然而这类机床的配置通常需满足加工重型零件的需求，因此价格相对较高。我们曾经与多家公司联系，但最后证明他们所建议的解决方案都不是很经济。与提供机床的情况一样，其质量是多变的。即使是那些颇有名气的制造商，也不乏‘承诺多、兑现少’的公司。”初次见面深信不疑最后，在一次机床贸易博览会上，Schoefbeck先生终于来到了EsslingenINDEX-Werke公司的展台前。“该公司的生产深度和产品质量立刻吸引了我。”“与该机床制造商的良好合作”对于Schoefbeck先生来说具有特别重要的意义，“因图3安装有导向叶片的发动机定子图4对定子喷涂层内径的测量，由于其带有台阶式的几何形状，因此对其进行测量并不是一件很容易的事情图5G400型机床通过B轴可以按所需的倾斜角度，对叶片的叶梢进行精密磨削加工金属11行业（52-65）.indd602009-10-1315:28:17612009-11现代制造全面加工中的部分加工情况：机床正在对一个定子的隔热保护层进行车削加工，使其达到所要求的尺寸为作为一个组装部门而言，我们对加工机床没有更多的经验。”该公司的RatioLine系列新型G400多功能车铣复合中心，给这位工长留下了深刻的印象，他认为这台机床非常适合于他们的加工生产。此外，INDEX公司的负责人也热情地作出了回应，他们非常关心Schoefbeck先生所提出的加工问题。首先使人着迷的是这台机床配置有灵活的多功能加工单元，可进行车削、钻削和铣削加工，可自动控制刀具的更换，没有需要大量维护的夹具机构（图5）。“我们专门为MTU公司的应用需要重新改造了车-钻-铣削加工头，使其能够适用于磨削加工。”INDEX公司的负责人表示。“由于INDEX公司的机床所具有的良好性价比，以及令人信服的全面性能，最终我们决定选用INDEX公司的机床。”Schoefbeck先生表示，“对于我们的机床而言，磨削加工并不是什么新鲜的东西，即使在立式加工领域也是如此。然而，在现在这种情况下的应用，对我们来说还属于新生事物。由于我们采用干式磨削加工，因此必须用空冷方式来冷却磨削主轴。”其中测量是一个非常重要的因素，可以确信的是测量是作为INDEX机床工艺过程中的标准方式提供的。按照WalterSchoefbeck先生的说法，这种解决方案本身也已经得到了证实。“首先，其即将组装的元件不会受到污染；其次，操作员可以得到很好保护，以免受到有害粉尘颗粒的侵害。”导向叶片是由镍合金或钛合金制成的，而其隔热喷涂保护层是一种氧化铝材料。在MTU公司的机床上，加工时所产生的粉尘颗粒可以通过一种特殊的吸尘臂直接将其从加工点上排除出去。对于导向叶片的磨削加工，还有另外一种特殊情况需要说明：每个定子有几个不同的叶片水平，其直径是可变的。此外，导向叶片的叶梢向着轴线方向倾斜，从而增加了其加工的复杂程度（图7）。今天，加工一个定子，共需要约4.5h，其中车削加工约为1.5h（图8），磨削加工约3h，其中包括转换时间。最后一道工序是从叶梢上清除磨削加工时所遗留下的毛刺。此时，可以通过换刀装置自动地插入一把旋转刷子，同时改变其旋转方向，将工件上的毛刺清刷干净。实现了最高愿望WalterSchoefbeck先生对该机床的加工精度确信无疑：即使是0.05mm的精度公差，也能满足其在直径方面的要求，但在安装过程中的测试表明，其精度公差已达到了0.01mm的水平。在使用了几个月以后，Schoefbeck先生对这次投资决定更加满意了。“与INDEX公司的合作效果很好，其所有的承诺都得到了兑现，在操作过程中，INDEX公司给予了良好的支持，还编制了加工程序及其所有的子程序，并在现场培训了我们的操作人员。在机床安装验收合格后两个星期，他们就已经能够自如地使用机床进行正式生产了。”“值得一提的是，机床至今还没有发生过重大的停工事故。”Schoefbeck先生说，“一些小问题可以通过电话联系得到解决。我们对该机床和制造商所寄予的期望得到了100%的实现。”这台新型机床在这么短的时间内就证明了它的价值，同时也满足了其他零件的加工要求。总之，G400型机床所包括的加工目标得到了进一步扩大，使其能够加工的零件达到了最大范围。图6INDEXG400型机床采用模块式设计图7导向叶梢的精密磨削加工，通过B轴可以使其达到所需的倾斜角度金属11行业（52-65）.indd612009-10-1315:28:20