一個呈麻花狀扭曲，表面十分粗糙的發(fā)動機(jī)葉片，正在一臺數(shù)控機(jī)床上不斷被拋光打磨，只見在數(shù)控機(jī)床的操作下，不一會的工夫，砂帶就精準(zhǔn)地將整個葉片打磨光滑，就連死角都沒有落下。

燃機(jī)壓氣機(jī)葉片磨削

不要小瞧這道工序，光滑的葉片，將對航空發(fā)動機(jī)的性能起到至關(guān)重要的作用。

不要小瞧這臺機(jī)器，它打破了國外技術(shù)壟斷，為我國核電、燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動機(jī)制造提供了先進(jìn)的工藝手段。

“葉片類復(fù)雜曲面零件是汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動機(jī)等動力裝置的關(guān)鍵零件，其幾何精度和表面質(zhì)量直接影響能源動力設(shè)備的工作效率，其質(zhì)量的一致性直接影響動力機(jī)械安全運(yùn)行。”北京勝為弘技數(shù)控裝備有限公司總經(jīng)理劉樹生告訴科技日報記者。

據(jù)了解，由北京勝為弘技數(shù)控裝備有限公司等單位研發(fā)的“葉片復(fù)雜型面精加工六坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控砂帶磨關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”項目，通過產(chǎn)學(xué)研用，研制出自主知識產(chǎn)權(quán)的葉片六坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床和編程系統(tǒng)，解決了葉片復(fù)雜曲面磨削精加工的技術(shù)難題，打破了國外壟斷，成果應(yīng)用于我國核電汽輪機(jī)組葉片制造和新型航空發(fā)動機(jī)葉片制造領(lǐng)域，成為高質(zhì)量葉片制造的必要手段。在2016年度北京市科學(xué)技術(shù)獎評選中，該項目榮獲一等獎。

手工打磨拋光已成葉片發(fā)展瓶頸

裝備制造業(yè)是一個國家建設(shè)的基石，擁有渦輪動力裝置制造技術(shù)更是一個強(qiáng)國的標(biāo)志，而渦輪式動力裝置的核心零件就是葉片。

“工作狀態(tài)的葉片表面光潔度越高越好，表面質(zhì)量、一致性影響到裝備的能量轉(zhuǎn)換效率。”劉樹生告訴記者。

商發(fā)高壓壓氣機(jī)葉片R1.5葉根圓角磨削效果

據(jù)悉，一般用于加工核電、火電等電站用汽輪機(jī)葉片形面加工的多軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床是渦輪設(shè)備制造領(lǐng)域的高檔關(guān)鍵設(shè)備。葉片從形態(tài)上看是復(fù)雜薄壁類零件，型面為空間自由曲面，曲率變化大，在數(shù)控銑削加工后易發(fā)生變形，導(dǎo)致無法采用常規(guī)方法進(jìn)行表面精加工。

隨著能源、動力裝置的功率不斷增大，為了獲得更好的空氣動力學(xué)效果，最大限度地提升單位體積的功率，葉片型面向著更加彎、扭、掠，曲面更加復(fù)雜的方向發(fā)展。

“我國一般采用手工拋磨方式加工大型葉片，葉面精度差，加工效率低，勞動條件非常惡劣。”劉樹生告訴記者，手工拋光時產(chǎn)生大量粉塵，嚴(yán)重影響到了操作人員的健康。

劉樹生的公司位于北京亦莊，記者在車間看到一塊手工拋光的葉片，其表面有很明顯的手工打磨痕跡，銳邊有些鋒利，槽內(nèi)有凸起點(diǎn)、毛刺。而經(jīng)過拋光加工的槽內(nèi)凸起點(diǎn)、毛刺、銳邊等均被磨至圓滑狀態(tài)，且表面紋理均勻。

據(jù)了解，一些復(fù)雜型面的葉片，如果不夠光滑，不符合空氣動力，除了耗費(fèi)大量的人力資源，也易造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，甚至影響發(fā)動機(jī)整機(jī)性能與壽命。采用傳統(tǒng)的手工打磨拋光方式，已經(jīng)不能滿足先進(jìn)葉片制造質(zhì)量的要求。

“手工打磨拋光會破壞前序用價值高昂的五軸銑加工出葉片的精確型面。”劉樹生說。

先進(jìn)的五軸銑削設(shè)備與手工打磨拋光在工藝水平上的不匹配，已經(jīng)成為制約葉片行業(yè)快速發(fā)展的瓶頸。這在以核電葉片為代表的大型葉片和以航空發(fā)動機(jī)葉片為代表的小葉片制造過程中，體現(xiàn)尤為突出。

對于以核電汽輪機(jī)葉片為代表的大型葉片來說，體積巨大(我國CAP1400型壓水堆核電機(jī)組的末級葉片長度超過2米，重量大于280公斤)、型面復(fù)雜、精度要求高，采用手工打磨拋光越來越困難，效率低下，加工質(zhì)量難于保證，從而影響通流、影響熱效率；此外手工打磨拋光葉片一致性差，從而影響動平衡、影響機(jī)組運(yùn)行安全。

而對于以航空發(fā)動機(jī)葉片為代表的小葉片來說，又成為另一個極端，葉片長度多小于100mm，型面彎、扭、掠，進(jìn)排氣邊厚度只有0.1—0.2mm(1—2張百元紙幣厚度)，綜合輪廓誤差<0.05mm，手工磨削拋光很容易造成葉片燒傷和輪廓破壞，型面精度根本不能保證。發(fā)動機(jī)葉片型面制造質(zhì)量正是影響我國發(fā)動機(jī)制造水平，進(jìn)而影響各類飛機(jī)性能的關(guān)鍵因素。

國產(chǎn)機(jī)床實(shí)現(xiàn)“以柔克剛”

要改變?nèi)斯伖鈳淼谋锥耍荒芸繖C(jī)器打磨了，但這種數(shù)控砂帶磨床被國外壟斷，只有德國等幾個國家擁有該項技術(shù)。

2008年，劉樹生和他的研發(fā)團(tuán)隊，面對從德國進(jìn)口的，國內(nèi)唯一的一臺葉片曲面磨削精加工設(shè)備，是跟隨還是仿制？“但那不是我們想要的。”劉樹生說，他們給自己定了一個近似不可能完成的任務(wù)，那就是研發(fā)六坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控磨削機(jī)床，以此來解決葉片型面精加工問題。

這是德國人也沒有解決的問題。“以前覺得5軸就可以，但實(shí)際加工后發(fā)現(xiàn)，有些凹點(diǎn)磨不到，必須要用6軸。”劉樹生說。

看似多了一個軸，但多出來的研發(fā)難度卻是幾倍遞增。在準(zhǔn)確的位置用合適的力度切除材料，這和所有的機(jī)械加工原理是一樣的，但能否將機(jī)床的運(yùn)動軌跡和磨削壓力在時間和空間上精確配合，是最大的挑戰(zhàn)。

數(shù)控機(jī)床被譽(yù)為制造工業(yè)的“大腦”。隨著計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)與自動化技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，數(shù)據(jù)庫、計算機(jī)以及人工智能開始用于評估、預(yù)測、模擬、優(yōu)化以及控制磨削過程。通過數(shù)控、自動化以及人工智能技術(shù)改進(jìn)砂輪磨削、砂帶磨削工藝，使磨削工藝能夠自控、穩(wěn)定、環(huán)保且更適合于高效率的批量生產(chǎn)。

對劉樹生他們而言，自動化程序的控制是一道“攔路虎”。“最難的是編程，當(dāng)時國內(nèi)沒有這種專業(yè)化的軟件。”劉樹生說。

最終，劉樹生他們聯(lián)合華中數(shù)控公司，提出了雙矢量控制的編程算法，自主研發(fā)了六坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控砂帶磨削加工工藝編程軟件，該軟件具備六坐標(biāo)聯(lián)動軌跡光順、加工參數(shù)優(yōu)化和仿真、后置處理等功能,實(shí)現(xiàn)了自動編程與自動加工。并且自主研制了六坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控砂帶磨削國產(chǎn)專用數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了三回轉(zhuǎn)、三直線的六軸聯(lián)動數(shù)控插補(bǔ)控制，滿足了復(fù)雜葉片的多軸聯(lián)動控制要求。

隨著新材料、新結(jié)構(gòu)的葉片不斷出現(xiàn)，葉形曲線也越來越復(fù)雜，給葉片拋光技術(shù)帶來了更大的挑戰(zhàn)。專一形式的拋光方法已不能解決葉片全部位的拋光。針對不同結(jié)構(gòu)、不同材料的葉片，需要采用不同的拋光方法，加工工藝越來越復(fù)雜。

同時，各部位拋光需要機(jī)床的運(yùn)動形式、規(guī)格參數(shù)差異很大，在同一個機(jī)床上完成葉片不同部位的拋光較難實(shí)現(xiàn)。因此，多工位、多種加工方式并行的工藝策略更適合于葉片全部位的拋光。

對此，項目團(tuán)隊創(chuàng)造性地提出內(nèi)置砂帶裝置單元化的中空C軸式BC雙擺頭結(jié)構(gòu)，研制出國內(nèi)首臺公開展示的高動態(tài)性能九軸六坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床，實(shí)現(xiàn)了核電葉片復(fù)雜曲面高效、高質(zhì)量六坐標(biāo)聯(lián)動磨削精加工，在國際上具有獨(dú)創(chuàng)性和先進(jìn)性。

“以前加工葉片都是硬碰硬，但現(xiàn)在的葉片都是曲面薄壁零件，不僅僅要準(zhǔn)確還要控制力度和速度，以不確定去確定。”劉樹生說，“我們的機(jī)床就是要以柔克剛。”

項目團(tuán)隊提出了水平布置多砂帶裝置的六坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床新型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)微接觸力控制磨削，滿足航空發(fā)動機(jī)葉片0.1—0.2mm薄進(jìn)排氣邊磨削精加工要求，實(shí)現(xiàn)了包括葉身型面、進(jìn)排氣邊、葉根圓角、阻尼臺過渡區(qū)在內(nèi)的葉片集成磨削精加工。

項目團(tuán)隊最終研制出的六軸聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床，能夠?qū)χ挥幸粡埌僭垘藕穸鹊膹澟と~片邊緣進(jìn)行磨削拋光，而誤差不超過其厚度的十分之一，超越了國外現(xiàn)有技術(shù)水平。

打磨拋光做成一個大市場

“沒想到打磨拋光能做成一個大市場。”具有自主知識產(chǎn)權(quán)的六坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床投產(chǎn)以來，供不應(yīng)求，這讓劉樹生十分感慨。

如今，我國自主研發(fā)的葉片六坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床，遍布大江南北，應(yīng)用于核電汽輪機(jī)組葉片制造和新型航空發(fā)動機(jī)葉片制造領(lǐng)域，成為高質(zhì)量葉片制造的必要手段。

據(jù)了解，目前，成果應(yīng)用于東方汽輪機(jī)有限公司的大型葉片精加工拋磨生產(chǎn)線和無錫透平葉片有限公司，累積生產(chǎn)大型葉片5萬余片，價值超過10億元。

東汽公司實(shí)際使用后，發(fā)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的使用穩(wěn)定可靠，加工葉片質(zhì)量較以往手工打磨有質(zhì)的飛躍。新設(shè)備所制造的葉片一致性非常好，低壓轉(zhuǎn)子在不經(jīng)配重調(diào)整的情況下，高速動平衡效果已經(jīng)優(yōu)于國外制造的轉(zhuǎn)子。

就像汽車一樣，核電的葉片在安裝后也要做動平衡，一般要做幾個