一個呈麻花狀扭曲，表面十分粗糙的發動機葉片，正在一臺數控機床上不斷被拋光打(da)(da)磨(mo)，只見(jian)在數控(kong)機床的(de)(de)操(cao)作下，不一會(hui)的(de)(de)工夫，砂帶就精準地將整個葉片打(da)(da)磨(mo)光滑，就連(lian)死角都沒有落下。

燃機壓氣機葉片磨削

商(shang)發高壓壓氣(qi)機葉片(pian)R1.5葉根圓(yuan)角磨削效果

　　不要小瞧這道工序，光滑(hua)的(de)(de)葉片，將對航空發動(dong)機的(de)(de)性能起到至關重(zhong)要的(de)(de)作用(yong)。

不要小瞧這臺機(ji)器，它打破了國(guo)外技(ji)術(shu)壟(long)斷，為我國(guo)核(he)電、燃氣輪機(ji)和航(hang)空(kong)發動(dong)機(ji)制造提供了先(xian)進(jin)的工(gong)藝手段。

　　“葉片類復雜曲面零件(jian)是(shi)汽(qi)輪機、燃氣(qi)輪機、航空發動(dong)機等動(dong)力(li)(li)裝置的(de)關鍵零件(jian)，其(qi)幾何精(jing)度和表面質量直(zhi)接影響(xiang)能(neng)源動(dong)力(li)(li)設備的(de)工作(zuo)效率，其(qi)質量的(de)一(yi)致性直(zhi)接影響(xiang)動(dong)力(li)(li)機械安全運(yun)行(xing)。”北京(jing)勝為弘技(ji)數(shu)控(kong)裝備有限公司總經理(li)劉樹生告訴(su)科技(ji)日(ri)報(bao)記(ji)者。

　　據(ju)了解，由北京勝為(wei)弘技數控(kong)裝備有限公司等單位研(yan)發的(de)(de)“葉(xie)片復雜(za)(za)型(xing)面(mian)(mian)精加(jia)工(gong)六坐標聯(lian)動數控(kong)砂(sha)(sha)帶(dai)磨(mo)關(guan)鍵技術研(yan)究與應(ying)用”項目，通過產(chan)學研(yan)用，研(yan)制(zhi)出自主知識產(chan)權的(de)(de)葉(xie)片六坐標聯(lian)動數控(kong)砂(sha)(sha)帶(dai)磨(mo)床(chuang)和(he)編程系統，解決了葉(xie)片復雜(za)(za)曲面(mian)(mian)磨(mo)削精加(jia)工(gong)的(de)(de)技術難(nan)題，打破(po)了國外壟(long)斷，成果應(ying)用于(yu)我國核電汽輪機組葉(xie)片制(zhi)造和(he)新(xin)型(xing)航空發動機葉(xie)片制(zhi)造領域，成為(wei)高(gao)質量葉(xie)片制(zhi)造的(de)(de)必要手(shou)段。在2016年度北京市(shi)科學技術獎評選中，該項目榮獲一(yi)等獎。

　　手工打磨拋光已成葉片發展瓶頸

　　裝(zhuang)備制造業是(shi)一個(ge)國家建設的(de)基(ji)石，擁有渦輪動力裝(zhuang)置(zhi)制造技術更是(shi)一個(ge)強(qiang)國的(de)標志，而渦輪式動力裝(zhuang)置(zhi)的(de)核(he)心(xin)零件(jian)就是(shi)葉片。

　　“工(gong)作狀態的(de)葉片表面光潔(jie)度越(yue)高越(yue)好，表面質量、一致性影響到裝備的(de)能量轉換效(xiao)率。”劉樹生告(gao)訴記者。

　　據悉，一般用于加工(gong)核(he)電、火電等電站(zhan)用汽(qi)輪機葉片形(xing)面加工(gong)的多軸聯動(dong)數控機床(chuang)是渦(wo)輪設(she)備制造(zao)領域的高檔關鍵(jian)設(she)備。葉片從形(xing)態(tai)上看是復(fu)雜薄(bo)壁類零件(jian)，型面為(wei)空間(jian)自由曲(qu)面，曲(qu)率(lv)變(bian)化大，在數控銑削(xue)加工(gong)后易發生變(bian)形(xing)，導致無法采用常規(gui)方(fang)法進(jin)行表面精(jing)加工(gong)。

　　隨著能源、動(dong)力裝(zhuang)置的功率不斷增大，為了獲得更(geng)好(hao)的空(kong)氣動(dong)力學效果，最大限(xian)度地提升單位(wei)體積的功率，葉(xie)片型(xing)面(mian)向著更(geng)加(jia)彎、扭、掠，曲面(mian)更(geng)加(jia)復(fu)雜的方(fang)向發展。

　　“我國一(yi)般采用(yong)手工(gong)拋磨方式(shi)加工(gong)大型葉片，葉面精度差，加工(gong)效率低，勞動條(tiao)件非常惡劣。”劉樹生(sheng)告(gao)訴(su)記者(zhe)，手工(gong)拋光時(shi)產生(sheng)大量(liang)粉塵(chen)，嚴重影響(xiang)到了操作人員的(de)健康(kang)。

　　劉樹生的公司位于(yu)北京亦莊，記者在車間看到一塊手工(gong)(gong)拋光的葉片，其表(biao)面有很明顯的手工(gong)(gong)打磨痕跡，銳(rui)邊有些鋒利，槽(cao)內(nei)有凸起點(dian)、毛刺(ci)。而經過拋光加工(gong)(gong)的槽(cao)內(nei)凸起點(dian)、毛刺(ci)、銳(rui)邊等均被磨至(zhi)圓(yuan)滑(hua)狀態(tai)，且表(biao)面紋(wen)理(li)均勻。

　　據了解，一些復雜型面的葉(xie)片，如果不(bu)夠光(guang)滑，不(bu)符合(he)空(kong)氣動力(li)，除了耗費大量(liang)的人力(li)資源(yuan)，也易造(zao)成產(chan)品質(zhi)量(liang)不(bu)穩定(ding)，甚至(zhi)影響發動機整機性能與壽(shou)命(ming)。采用傳統的手工打(da)磨(mo)拋光(guang)方式(shi)，已經(jing)不(bu)能滿(man)足先進葉(xie)片制造(zao)質(zhi)量(liang)的要求。

　　“手(shou)工打磨拋光(guang)會破壞前序用價值高(gao)昂的五軸銑(xian)加工出葉片(pian)的精確型(xing)面(mian)。”劉(liu)樹(shu)生說。

　　先進的五軸銑削設備與手(shou)工打磨拋光在工藝水平上的不匹(pi)配，已經(jing)成為(wei)制約葉片行業快速發展的瓶頸(jing)。這在以核(he)電葉片為(wei)代表(biao)的大型葉片和以航空發動(dong)機葉片為(wei)代表(biao)的小葉片制造過程中，體現尤為(wei)突出。

　　對于以核(he)電(dian)汽輪機葉(xie)片(pian)(pian)為代表(biao)的大型葉(xie)片(pian)(pian)來說，體(ti)積(ji)巨大(我國CAP1400型壓水堆核(he)電(dian)機組的末級葉(xie)片(pian)(pian)長(chang)度(du)(du)超過2米(mi)，重量大于280公斤(jin))、型面復雜、精度(du)(du)要(yao)求高，采用手工打(da)磨(mo)拋(pao)光越(yue)來越(yue)困難，效(xiao)率低下，加工質量難于保證，從而(er)影響(xiang)通流、影響(xiang)熱效(xiao)率；此外(wai)手工打(da)磨(mo)拋(pao)光葉(xie)片(pian)(pian)一致性差，從而(er)影響(xiang)動(dong)平衡(heng)、影響(xiang)機組運行安全。

　　而對于以航空發動機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。發動機葉片型面制造質量正是影響我國發動機制造水平，進而影響各類飛機性能的關鍵因素。

　　國產機床實現“以柔克剛”

　　要改變人(ren)工拋光帶來(lai)的弊端，只能(neng)靠機(ji)器打(da)磨了，但這(zhe)種(zhong)數控(kong)砂(sha)帶磨床被國(guo)外壟(long)斷，只有德國(guo)等幾個國(guo)家擁有該項(xiang)技術。

　　2008年，劉樹生(sheng)和他的研發團隊，面(mian)對從德國進口的，國內(nei)唯一(yi)的一(yi)臺葉片(pian)曲(qu)面(mian)磨(mo)削(xue)精加工設(she)備(bei)，是(shi)跟(gen)隨還(huan)是(shi)仿制？“但那不(bu)(bu)是(shi)我(wo)們想要(yao)的。”劉樹生(sheng)說，他們給自己(ji)定了一(yi)個近(jin)似(si)不(bu)(bu)可能完(wan)成的任務(wu)，那就(jiu)是(shi)研發六(liu)坐標聯動(dong)數控磨(mo)削(xue)機(ji)床(chuang)，以此來(lai)解(jie)決葉片(pian)型面(mian)精加工問題。

　　這是(shi)德國人也沒有(you)解(jie)決(jue)的問題。“以前覺(jue)得5軸(zhou)就可(ke)以，但實際加(jia)工后發現(xian)，有(you)些凹(ao)點磨不到，必須要用6軸(zhou)。”劉(liu)樹(shu)生說。

　　看(kan)似多(duo)了一個(ge)軸，但多(duo)出來的研發難度卻是幾倍(bei)遞增。在(zai)準(zhun)確(que)的位置用合適的力(li)度切(qie)除(chu)材料(liao)，這和所有的機(ji)械加工原理是一樣的，但能否將機(ji)床(chuang)的運動(dong)軌跡和磨削壓力(li)在(zai)時(shi)間和空間上精確(que)配合，是最大的挑戰。

　　數控機床被譽為制造工業的“大腦”。隨著計算機技術、信息技術與自動化技術的發展應用，數據庫、計算機以及人工智能開始用于評估、預測、模擬、優化以及控制磨削過程。通過數控、自動化以及人工智能技術改進砂輪磨削(xue)(xue)、砂帶磨削(xue)(xue)工藝，使磨削(xue)(xue)工藝能(neng)夠自控、穩定(ding)、環保(bao)且更(geng)適(shi)合于高效率的(de)批量生產。

　　對(dui)劉樹生他們(men)而言，自動化(hua)程(cheng)序的控制(zhi)是一道(dao)“攔路(lu)虎(hu)”。“最難(nan)的是編程(cheng)，當(dang)時國內沒有這種專業化(hua)的軟件。”劉樹生說。

　　最終，劉樹生他們聯(lian)合(he)華中數(shu)(shu)控(kong)公(gong)司(si)，提出了(le)(le)(le)雙矢量(liang)控(kong)制的編程(cheng)(cheng)算(suan)法，自(zi)(zi)主研發(fa)了(le)(le)(le)六坐(zuo)標聯(lian)動數(shu)(shu)控(kong)砂(sha)帶磨削(xue)加(jia)工(gong)工(gong)藝編程(cheng)(cheng)軟(ruan)件，該軟(ruan)件具備六坐(zuo)標聯(lian)動軌跡(ji)光順、加(jia)工(gong)參數(shu)(shu)優化和仿真、后置處理等功能，實(shi)現了(le)(le)(le)自(zi)(zi)動編程(cheng)(cheng)與(yu)自(zi)(zi)動加(jia)工(gong)。并且自(zi)(zi)主研制了(le)(le)(le)六坐(zuo)標聯(lian)動數(shu)(shu)控(kong)砂(sha)帶磨削(xue)國產(chan)專(zhuan)用數(shu)(shu)控(kong)系(xi)統，實(shi)現了(le)(le)(le)三回轉、三直線的六軸聯(lian)動數(shu)(shu)控(kong)插補控(kong)制，滿足(zu)了(le)(le)(le)復雜葉片(pian)的多軸聯(lian)動控(kong)制要求。

　　隨著新材料(liao)、新結構的(de)(de)葉片(pian)不斷出現，葉形(xing)曲線也越來(lai)越復雜(za)(za)，給葉片(pian)拋(pao)(pao)光(guang)(guang)技術帶來(lai)了(le)更大的(de)(de)挑戰。專一形(xing)式(shi)的(de)(de)拋(pao)(pao)光(guang)(guang)方法已不能(neng)解(jie)決葉片(pian)全部位的(de)(de)拋(pao)(pao)光(guang)(guang)。針對不同(tong)(tong)結構、不同(tong)(tong)材料(liao)的(de)(de)葉片(pian)，需要采用不同(tong)(tong)的(de)(de)拋(pao)(pao)光(guang)(guang)方法，加工工藝越來(lai)越復雜(za)(za)。

　　同(tong)時，各(ge)部位(wei)(wei)(wei)拋光(guang)需要機床的(de)運動形式、規格參(can)數差異很大，在同(tong)一(yi)個(ge)機床上(shang)完成葉(xie)片不同(tong)部位(wei)(wei)(wei)的(de)拋光(guang)較難實現。因此(ci)，多(duo)(duo)工位(wei)(wei)(wei)、多(duo)(duo)種加(jia)工方式并行的(de)工藝(yi)策略更適(shi)合于葉(xie)片全部位(wei)(wei)(wei)的(de)拋光(guang)。

　　對(dui)此，項目(mu)團隊創(chuang)造性地提出內(nei)置(zhi)(zhi)砂(sha)帶裝置(zhi)(zhi)單元化的(de)中空(kong)C軸式(shi)BC雙擺頭結構，研制(zhi)出國內(nei)首臺(tai)公開展(zhan)示的(de)高動態性能(neng)九軸六坐標(biao)聯(lian)動數控(kong)砂(sha)帶磨床，實現了核電(dian)葉片復雜曲面(mian)高效、高質量六坐標(biao)聯(lian)動磨削精加工，在(zai)國際上具有(you)獨(du)創(chuang)性和先進性。

　　“以前(qian)加工葉(xie)片(pian)都是硬碰硬，但(dan)現在的葉(xie)片(pian)都是曲面(mian)薄壁零件，不(bu)僅僅要(yao)準確(que)還要(yao)控制力(li)度和速度，以不(bu)確(que)定去(qu)確(que)定。”劉樹生說，“我們的機(ji)床就是要(yao)以柔克(ke)剛(gang)。”

　　項目團隊提出了水平布置(zhi)(zhi)多砂帶裝置(zhi)(zhi)的六(liu)坐標聯動數控砂帶磨(mo)床新型結構(gou)，實(shi)(shi)現微接觸力控制磨(mo)削(xue)，滿足航(hang)空發(fa)動機葉(xie)片0.1—0.2mm薄進排氣邊(bian)磨(mo)削(xue)精(jing)加(jia)工(gong)要求，實(shi)(shi)現了包括葉(xie)身型面、進排氣邊(bian)、葉(xie)根圓角、阻尼臺過(guo)渡區在(zai)內的葉(xie)片集成磨(mo)削(xue)精(jing)加(jia)工(gong)。

　　項目(mu)團隊最終研制出的六軸(zhou)聯動數控砂帶磨(mo)床，能夠對只有一張百元紙幣厚度的彎扭葉片邊緣進行磨(mo)削拋光，而誤差不超(chao)過(guo)其厚度的十分之一，超(chao)越了國外現有技術水(shui)平。

　　打磨拋光做成一個大市場

　　“沒想到打磨(mo)拋光能做(zuo)成一(yi)個大市場。”具有自主(zhu)知識產(chan)權的(de)六坐(zuo)標聯動數控砂帶磨(mo)床投產(chan)以(yi)來(lai)，供不應求，這讓劉樹生十分感(gan)慨(kai)。

　　如今，我國自主(zhu)研發的(de)葉片(pian)六坐標(biao)聯(lian)動數控砂帶磨床，遍布大江南北，應用于(yu)核電汽輪機組葉片(pian)制(zhi)造(zao)和新(xin)型航空發動機葉片(pian)制(zhi)造(zao)領(ling)域(yu)，成為(wei)高(gao)質(zhi)量葉片(pian)制(zhi)造(zao)的(de)必要(yao)手(shou)段(duan)。

　　據了解，目前(qian)，成果應用(yong)于東方汽輪(lun)機有限公司的(de)大(da)型(xing)葉片(pian)精加(jia)工拋磨(mo)生產線和無錫透平葉片(pian)有限公司，累積生產大(da)型(xing)葉片(pian)5萬余片(pian)，價值超過10億元(yuan)。

　　東汽公司實際使(shi)用(yong)后，發現數(shu)控(kong)(kong)機(ji)床(chuang)和數(shu)控(kong)(kong)系統的使(shi)用(yong)穩定可靠，加工葉片質量較以(yi)往(wang)手工打(da)磨有質的飛躍。新設備所(suo)制造(zao)(zao)的葉片一致性非常好，低壓轉子在不經(jing)配重調整(zheng)的情況下，高(gao)速動平衡效果(guo)已(yi)經(jing)優(you)于國外制造(zao)(zao)的轉子。

　　就像汽車一樣(yang)，核電的(de)(de)葉(xie)(xie)片(pian)在(zai)安裝后(hou)也要(yao)做(zuo)(zuo)動(dong)平衡(heng)(heng)，一般(ban)要(yao)做(zuo)(zuo)幾(ji)個小時。但在(zai)我國(guo)CAP1400型壓水(shui)堆核電機組的(de)(de)末級葉(xie)(xie)片(pian)的(de)(de)安裝時，卻發現幾(ji)乎不(bu)用做(zuo)(zuo)動(dong)平衡(heng)(heng)。國(guo)外阿爾斯通(tong)公司的(de)(de)人(ren)不(bu)相信，結果發現，以前(qian)，手工打磨的(de)(de)葉(xie)(xie)片(pian)往往有500克(ke)的(de)(de)偏差，現在(zai)只有30克(ke)。

　　此外，成(cheng)果還應用于西安航(hang)(hang)(hang)空(kong)發(fa)動(dong)機(ji)(ji)(ji)股份(fen)有限公司某型(xing)號(hao)發(fa)動(dong)機(ji)(ji)(ji)風扇葉片生產，保障了(le)新(xin)型(xing)航(hang)(hang)(hang)空(kong)發(fa)動(dong)機(ji)(ji)(ji)的制造質量。項目成(cheng)果為黎明航(hang)(hang)(hang)空(kong)發(fa)動(dong)機(ji)(ji)(ji)集(ji)團(tuan)、中國商發(fa)的新(xin)型(xing)航(hang)(hang)(hang)空(kong)發(fa)動(dong)機(ji)(ji)(ji)研制，中航(hang)(hang)(hang)惠(hui)陽螺(luo)旋(xuan)(xuan)槳有限公司新(xin)型(xing)復合材料空(kong)氣螺(luo)旋(xuan)(xuan)槳研制，昌河飛機(ji)(ji)(ji)工業有限責任公司新(xin)型(xing)直升(sheng)機(ji)(ji)(ji)槳臂制造提供了(le)先進制造工藝支持。

　　“隨著智能制造(zao)、3D打印、精(jing)鑄工藝的進步(bu)，下(xia)一步(bu)，我們正在研(yan)發一種新的數控(kong)機床(chuang)，將(jiang)繼續占領高地。”劉樹生滿(man)懷(huai)信心地表示。