一個(gè)呈麻花狀扭曲，表面十分粗糙的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，正在一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上不斷被拋光打磨，只見(jiàn)在數(shù)控機(jī)床的操作下，不一會(huì)的工夫，砂帶就精準(zhǔn)地將整個(gè)葉片打磨光滑，就連死角都沒(méi)有落下。


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

不要小瞧這臺(tái)機(jī)器，它打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，為我國(guó)核電、燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)等動(dòng)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(dòng)力設(shè)備的工作效率，其質(zhì)量的一致性直接影響動(dòng)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(shù)生告訴科技日?qǐng)?bào)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(dòng)數(shù)控砂帶磨關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”項(xiàng)目，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研用，研制出自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的葉片六坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)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(guó)外壟斷，成果應(yīng)用于我國(guó)核電汽輪機(jī)組葉片制造和新型航空發(fā)動(dòng)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(jiǎng)評(píng)選中，該項(xiàng)目榮獲一等獎(jiǎng)。

手工打磨拋光已成葉片發(fā)展瓶頸

裝備制造業(yè)是一個(gè)國(guó)家建設(shè)的基石，擁有渦輪動(dòng)力裝置制造技術(shù)更是一個(gè)強(qiáng)國(guó)的標(biāo)志，而渦輪式動(dòng)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(shù)生告訴記者。

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(dòng)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(wú)法采用常規(guī)方法進(jìn)行表面精加工。

隨著能源、動(dòng)力裝置的功率不斷增大，為了獲得更好的空氣動(dòng)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(guó)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(dòng)條件非常惡劣。”劉樹(shù)生告訴記者，手工拋光時(shí)產(chǎn)生大量粉塵，嚴(yán)重影響到了操作人員的健康。

劉樹(shù)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(guò)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(dòng)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(dòng)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(huì)破壞前序用價(jià)值高昂的五軸銑加工出葉片的精確型面。”劉樹(shù)生說(shuō)。

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(dòng)機(jī)葉片為代表的小葉片制造過(guò)程中，體現(xiàn)尤為突出。

對(duì)于以核電汽輪機(jī)葉片為代表的大型葉片來(lái)說(shuō)，體積巨大(我國(guó)CAP1400型壓水堆核電機(jī)組的末級(jí)葉片長(zhǎng)度超過(guò)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(lái)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(dòng)平衡、影響機(jī)組運(yùn)行安全。

而對(duì)于以航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片為代表的小葉片來(lái)說(shuō)，又成為另一個(gè)極端，葉片長(zhǎng)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(dòng)機(jī)葉片型面制造質(zhì)量正是影響我國(guó)發(fā)動(dòng)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(guó)產(chǎn)機(jī)床實(shí)現(xiàn)“以柔克剛”

要改變?nèi)斯伖鈳?lái)的弊端，只能靠機(jī)器打磨了，但這種數(shù)控砂帶磨床被國(guó)外壟斷，只有德國(guó)等幾個(gè)國(guó)家擁有該項(xiàng)技術(shù)。

2008年，劉樹(shù)生和他的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，面對(duì)從德國(guó)進(jìn)口的，國(guó)內(nèi)唯一的一臺(tái)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(shù)生說(shuō)，他們給自己定了一個(gè)近似不可能完成的任務(wù)，那就是研發(fā)六坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨削機(jī)床，以此來(lái)解決葉片型面精加工問(wèn)題。

這是德國(guó)人也沒(méi)有解決的問(wèn)題。“以前覺(jué)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(shù)生說(shuō)。

看似多了一個(gè)軸，但多出來(lái)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(dòng)軌跡和磨削壓力在時(shí)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(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算機(jī)以及人工智能開(kāi)始用于評(píng)估、預(yù)測(cè)、模擬、優(yōu)化以及控制磨削過(guò)程。通過(guò)數(shù)控、自動(dòng)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(duì)劉樹(shù)生他們而言，自動(dòng)化程序的控制是一道“攔路虎”。“最難的是編程，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)沒(méi)有這種專業(yè)化的軟件。”劉樹(shù)生說(shuō)。

最終，劉樹(shù)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(dòng)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(dòng)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(dòng)編程與自動(dòng)加工。并且自主研制了六坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨削國(guó)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(dòng)數(shù)控插補(bǔ)控制，滿足了復(fù)雜葉片的多軸聯(lián)動(dòng)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(lái)越復(fù)雜，給葉片拋光技術(shù)帶來(lái)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(duì)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(lái)越復(fù)雜。

同時(shí)，各部位拋光需要機(jī)床的運(yùn)動(dòng)形式、規(guī)格參數(shù)差異很大，在同一個(gè)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(duì)此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(guó)內(nèi)首臺(tái)公開(kāi)展示的高動(dòng)態(tài)性能九軸六坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)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(dòng)磨削精加工，在國(guó)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(shù)生說(shuō)，“我們的機(jī)床就是要以柔克剛。”

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出了水平布置多砂帶裝置的六坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)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(dòng)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(tái)過(guò)渡區(qū)在內(nèi)的葉片集成磨削精加工。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)最終研制出的六軸聯(lián)動(dòng)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(guò)其厚度的十分之一，超越了國(guó)外現(xiàn)有技術(shù)水平。

打磨拋光做成一個(gè)大市場(chǎng)

“沒(méi)想到打磨拋光能做成一個(gè)大市場(chǎng)。”具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的六坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床投產(chǎn)以來(lái)，供不應(yīng)求，這讓劉樹(shù)生十分感慨。

如今，我國(guó)自主研發(fā)的葉片六坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)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(dòng)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(wú)錫透平葉片有限公司，累積生產(chǎn)大型葉片5萬(wàn)余片，價(jià)值超過(guò)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(dòng)平衡效果已經(jīng)優(yōu)于國(guó)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(dòng)平衡，一般要做幾個(gè)小時(shí)。但在我國(guó)CAP1400型壓水堆核電機(jī)組的末級(jí)葉片的安裝時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)幾乎不用做動(dòng)平衡。國(guó)外阿爾斯通公司的人不相信，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以前，手工打磨的葉片往往有500克的偏差，現(xiàn)在只有30克。

此外，成果還應(yīng)用于西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)股份有限公司某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片生產(chǎn)，保障了新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造質(zhì)量。項(xiàng)目成果為黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)、中國(guó)商發(fā)的新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制，中航惠陽(yáng)螺旋槳有限公司新型復(fù)合材料空氣螺旋槳研制， 昌河飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司新型直升機(jī)槳臂制造提供了先進(jìn)制造工藝支持。

“隨著智能制造、3D打印、精鑄工藝的進(jìn)步，下一步，我們正在研發(fā)一種新的數(shù)控機(jī)床，將繼續(xù)占領(lǐng)高地。”劉樹(shù)生滿懷信心地表示。