Process expertise in turbine manufacturing

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透平机械制造的工艺专长

在位于罗尔沙赫伯格的航空航天和透平技术卓越生产中心 (ATCC)，斯达拉格致力于复杂加工工艺的研发、测试与优化。近期，该中心已启动移动式燃气轮机机匣的制造工作。这个订单来自美国印第安纳波利斯的西门子能源公司 (Siemens Energy) 。对斯达拉格而言，这本质上是一项研发项目。

数十年来，斯达拉格在罗尔沙赫伯格总部持续积累透平机械制造领域的工艺专长。全球航空航天和能源行业均在充分运用这些技术积累。毕竟，瑞士机械工程师本质上是生产解决方案的提供商。斯达拉格亚太区销售总监、透平机械专家克劳斯・施特鲁贝尔 (Klaus Struebel) 解释道：“大多数客户想要的不仅仅是我们的高端机床。他们购买机床是将其作为实用、高效工艺的一部分。这些工艺通常会集成到完整的制造系统中。这就要求我们始终掌握最新的工艺专长。”

斯达拉格通过测试和小批量生产等合同获取这类业务，客户可借助这些服务应对生产高峰期等场景。目前，卓越生产中心 (ATCC) 正在执行的一个订单就来自印第安纳波利斯的西门子能源公司。斯达拉格负责为这家美国公司完成 SGT-A05 和 KB7X 型燃气轮机机匣的整体加工工作，这些机匣均为小批量生产。

在实践中积累经验

斯达拉格高性能加工系统 (HPS) 事业部研发与技术负责人马库斯・埃斯博士 (Dr. Markus Ess) 表示，这份订单有着特殊的背景：“尽管我们已有机匣生产经验，但实际上我们并非零部件供应商。但由于西门子的合同涵盖了从毛坯到可装配的机匣部件的完整工艺流程，因此我们将这次合作视为拓展和完善工艺专长的契机。毕竟，我们的客户对这类全面的工艺专长的需求日益迫切。”

西门子能源公司也清楚，斯达拉格并非传统意义上的供应商。这次的合作契机源于实际需求。西门子的前供应商认为小批量生产已无经济效益，而市场上也找不到其他具备必要专长和设备的服务供应商。而斯达拉格位于罗尔沙赫伯格的卓越生产中心 (ATCC) 具备机匣加工所需的理想条件，斯达拉格可在此完成大部分工作。该中心占地面积约 2000 平方米，配备了最新的斯达拉格四轴和五轴加工中心。此外，现场还有经验丰富的应用专家和研发人员提供支持。“从经济角度来看，我们无需为西门子的这份合同额外投资新设备，这是一项优势。”马库斯・埃斯表示。“针对西门子的机匣加工，我们采用了卓越生产中心 (ATCC) 现有的 STC 1250MT 和 STC 800MT 加工中心，可根据机匣尺寸和要求，灵活适配切削和车削加工。”

为西门子制造机匣，需要完成哪些工作？

燃气轮机通常由多个部分组成：进气道（必要时含增压器）、压缩机（通常为多级结构）、燃烧室、轮机本体（将高温气体的热能转化为机械能或电能）以及排气道。西门子 SGT-A05 型燃气轮机亦是如此，其机匣需由六个不同的机匣部件组成。较新的 KB7X 系列则有七个机匣部件。

每个旋转对称的机匣都需满足不同要求，尺寸和几何形状也各不相同。根据工作环境的温度不同，材质也有所差异。冷端部分采用钛合金，热端部分（温度最高可达 2000 摄氏度）则采用高温合金。

根据合同，斯达拉格将制造机匣部件，并以整套组件 (shipset) 的形式发运至美国。 “整套组件”指的是一台轮机所需的全套机匣部件。

小批量与多样化的结合

斯达拉格 2025 年计划交付 10 套机匣组件。“我们与西门子约定分两批交付，每批包含 5 套组件。”克劳斯・施特鲁贝尔表示。“对我们而言，这意味着七种不同的机匣每种都以 5 件为一批进行生产，从而将装夹和热处理成本降至最低。”尽管如此，斯达拉格仍需要精密的生产计划，不仅要考虑机床利用率，还要兼顾各类辅助工艺。“在这个项目中，我们不仅负责车削、铣削和钻孔工序，还需承担额外的电火花加工 (EDM) 、焊接、热处理以及检测、测试等工作。”技术负责人马库斯・埃斯解释道。“在此过程中积累的整套工艺流程知识，对我们而言极具价值。”

准备周期短

此次工艺开发的可用周期仅为六个月。考虑到机匣种类繁多且要求差异极大，这个周期并不充裕。挑战始于难加工材质，还包括部分特征（如孔）的加工可达性受限等问题。为确保叶片等附件的精准定位，必须严格遵守严苛的公差要求。此外，部分表面还需达到极高的光洁度要求。除了在斯达拉格机床上完成的加工工序外，还需开展多项辅助工作。比如，深孔钻削后需进行压力测试。焊接、电火花加工 (EDM) 、热处理与淬火工艺以及 Cerakote 涂层处理等工作，均外包给经认证的外部合作伙伴完成。所需的荧光渗透检测 (FPI) 工艺亦是如此。

马库斯・埃斯指出：“这些工序中，许多都是不受我们直接控制的中间环节，会中断内部生产流程。但我们经验丰富的员工成功构建了高效运转的工艺流程，并圆满完成了订单，客户非常满意。”克劳斯・施特鲁贝尔补充道： “由于客户位于美国，我们开发了一套全面的项目管理系统，包括每周举行线上会议，讨论并监控项目进展，便于西门子准确了解工作进展情况以及我们是否能按期交付。”

每个旋转对称的机匣都需满足不同要求，尺寸和几何形状也各不相同。

关键的一次性成本

技术研发同样受到经济因素的制约。毕竟，斯达拉格不仅希望积累专业知识。因此，一次性成本是重要考量因素，而夹具便是其中之一。高级应用工程师斯坦尼斯拉夫・斯坦克维奇 (Stanislav Stankevich) 解释道：“我们最初计划使用四种不同的夹具，但这会导致项目成本太高。因此，我们提出了创新的模块化夹持概念。这是一款组合式夹具，可通过单一设备实现七种机匣的装夹。”为此，他们在托盘上标记了矩阵标识，明确每种机匣的装夹位置。在装夹过程中，始终使用相同的槽位，但会搭配不同的标准立式装夹元件。这使得经验丰富的操作员能够相对快速地重新配置夹具。为确保加工流程的高效性，还需开展多项内部研发工作。在机匣领域拥有丰富经验的斯坦尼斯拉夫・斯坦克维奇，负责工艺和刀具的调试磨合以及设备优化工作。他解释道：“为了能在难以触及的区域进行钻孔和切削加工，我们的专家研发了超薄角度铣头，该铣头配备特殊接口，具备极高的刚性，可胜任重型切削加工任务。” 自主研发和磨削的合金铣刀有助于优化加工性能，深孔钻头、反向锪钻等其他刀具也均来自斯达拉格自有研发部门。制造流程结束后，每个零件都会按照规定标注序列号。随后安装螺栓、销钉、T 型螺母及其他供应部件。整套组件随后会放入坯料交付时使用的可重复利用包装中。之后，整套机匣组件将发运至美国的西门子工厂，在此完成轮机的全面组装和测试。