Adaptive manufacturing of turbine blades

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涡轮叶片的自适应加工

斯达拉格为涡轮叶片的单件批量加工开发了一台柔性制造系统

一台来自斯达拉格的先进的柔性制造系统负责执行精确锻造钛合金涡轮叶片的精铣。这家瑞士机床设备制造商凭借自身在设计和关键细节方面的多年经验，每年生产优质涡轮叶片达 40,000 件。因工艺造成的零件差异小，可以为每个叶片生成单独的铣削程序。

斯达拉格股份公司总部设在罗尔沙赫伯格，20 多年来一直致力于制造涡轮叶片和结构件的交钥匙项目。这些年来他们建造了近 60 个多机床自动化系统，获得了宝贵的技术经验。现在，随着柔性制造系统（FMS）在世界各地呈现蓬勃发展的趋势，越来越多的客户都得益于这些经验。销售总监 Rainer Hungerbühler 解释道：“以前我们最多同时承接两个这种项目，而现在我们手上有四个项目，要交付到亚洲和美国。无论在质量还是效率方面，航空航天和能源行业在涡轮叶片等关键组件的生产中越来越倚重这种自动化批量加工所带来的优势。” 用于飞机发动机的压缩机叶片加工是一个非常特殊的项目。加工用的钛合金坯料经精确锻造而成。虽然两个叶片表面（进口侧和压力侧）的精度已经无需任何后加工，但边缘仍需要达到特定弧度。每个涡轮叶片的过渡区不能有任何明显的偏移或铣削痕迹。

锻造工艺即使达到这种高精度水平，部件之间仍会存在差异。虽然叶片表面最小偏差对最终应用的影响几乎可以忽略不计，但轮廓的差异给边缘和过渡区的铣削带来了极大挑战。

生产安全是第一要务

亮点：自适应铣削

为解决这一问题，Swiss 工厂研发人员选择采用 LX 051 机床。该系列机床是斯达拉格专为涡轮叶片的高精度五轴联动加工而开发。为了让每个叶片达到最佳过渡，斯达拉格选用了自适应铣削技术。这意味着每块坯料的铣削过程都可以单独调整。首先，机床会执行一个测量过程，扫描每块坯料的形状。基于这一数据，为坯料计算出适当的数控铣削程序并立即执行。这样就能在边缘弧度和叶片表面之间实现所需的过渡效果。

斯达拉格柔性制造系统自动化负责人 Günter Leitold 解释说：“这种自适应铣削是该系统的亮点之一。测量过程必须非常快速，这一点很重要，因为这样才能保持较高的产能水平。我们采用了市面上最新的扫描技术来实现这一点。这位工程师指出，斯达拉格作为该类型制造系统的总承包商，要负起全面的责任：“我们的核心竞争力在机床、刀具、设备和 CAM 系统领域。我们还有配置这些系统所需的丰富知识。另外很重要的一点是，我们只和能达到我们要求的高性能和高可用性水平的领先企业合作。”

A six-axis robot transports the components and also supplies the machines of the second line if needed.

通过单元控制器实现全自动生产，作为发展目标之基础

荣誉设计确保高可用性

在规划阶段，系统可靠性是一个重要的考虑因素。在最终配置后，该系统每年要加工 40,000 件涡轮叶片。为此，设计师们选用了全冗余结构。柔性制造系统由两条一个六轴机械手用于运输零部件，并在必要时为第二条生产线的机床供料。配置完全相同的生产线组成，每条生产线包括两个装载站、两台带扫描装置的 LX 051 加工中心、一个清洗系统、一个标记针和一个测量单元。一个六轴机械手用于运输零部件，并在必要时为第二条生产线的机床供料。

整个系统由一个单元控制器和 PPC 系统控制，而且该控制器还能启动不同的应急策略。这样可以确保系统以三班制每周连续运转六天。Günter Leitold 补充道：“只要停止单个单元部件，使用冗余系统就可以在运行过程中进行维护。只需要点击鼠标就可以从单元控制运行中删除有问题的单元，然后就可以进行维护或程序测试了。”

The Swiss plant developers opted to use LX 051 machines for this purpose. This series of machines has been developed by Starrag for the highly precise, simultaneous five-axis machining of turbine blades.

自适应结构自始至终确保叶片高质量

为了确保高水平的可用性，系统结构也经过了慎重规划。坯料锻造会产生极小的轮廓差异，所以斯达拉格仍需要依靠人力辅助。“因为整个过程几乎完全自动化，所以做这个决定并不轻松，”应用技术总监 Patrik Rutishauser 解释说。“不过计算结果表明，我们的操作员辅助结构对于该系统来说是最高效的解决方案。”其原因在于，一个高效的铣削过程要求用规定夹持力进行安全夹紧。虽然叶片与叶片之间的偏差极小，但是如果采用自动配置，有些坯料可能无法准确地落到支撑点上。部件在固定过程中可能会产生应力，在铣削结束后的释放过程中会产生变形，致使叶片无法使用。

为此，斯达拉格开发了一款可以根据叶片坯料具体情况进行调整的自适应装置。另外，他们还将限制允许的部件公差作为替代方案，即提前剔除所有不符合规定公差的叶片坯料。随后，便可通过固定装置实现自动化。不过，使用锻造钛合金坯料时报废量过高，最终难以达到可接受的结果。

完全自动化：两次铣削、去毛刺、清洗、标记和检查

系统共有四个装夹点。每个点装配一台控制电脑，与单元控制器通信。坯料在交付时带有唯一的二维码标记。装夹时，读取装置会记录该二维码，并将其发送给单元控制器。销售总监 Rainer Hungerbühler 强调了柔性制造系统的多功能性：“该系统为七种不同的涡轮叶片变型设计。叶片加工工序由单元控制器根据不同的优先事项指定。”

A state-of-the-art flexible manufacturing system from Starrag performs the finishing of precision-forged titanium turbine blades.

所有叶片的基本加工流程相同。每个叶片要在两个装夹位置上进行加工，即需要两组不同的夹具。在第一组夹具中，坯料按照斯达拉格研发的夹紧原理夹住。露出两面的边缘和过渡区以便进行加工。第二组夹具包括一个叶片夹紧系统，用于叶片根部和头部的铣削。铣削后，机床会进行必要的去毛刺。第二次铣削过程会去除叶片上的原始标记，由标记针给叶片加上一个新的二维码。

最终光学测量过程也需要一组夹具，该工序会对每个叶片的 50 多项功能进行检查。

为确保装夹尽可能高效，在整个系统运行期间，适用于一种叶片类型的三组夹具会同时装到装夹点。一旦加工完成，操作员会从测量夹具中取出叶片，更换另外两组夹具，然后往夹具中放入新坯料。