涡轮桨叶的高性能铣削加工

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涡轮桨叶的高性能铣削加工
对涡轮桨叶进行比较经济地加工需要特殊型号的机床，有必要将高性能的铣削加工、高精度的3维切削加工以及空间自由曲面加工灵活地结合在一起。能够保证每一片桨叶精确的外形轮廓。

长度达500毫米的涡轮桨叶一般通过对棒料进行铣削加工得到。首先要对高强度钢材进行切削加工，以保证桨叶从根部到头部的外形轮廓都便于后续精加工的进行。
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% y, K1 l, n& z& F3 S% C& t针对上述高性能的铣削加工需要将来自Coburg附近Meeder的Hamuel公司的HSTM型5轴车铣加工中心与电主轴结合使用，这种工艺可以充分利用现有切削材料的生产能力。切削加工的平顺进行需要稳定的机床结构，尤其是通过灵活的质量分布来确保出色的动态刚度。

强有力的电主轴
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标准功率为54千瓦的电主轴可以配合HSK A63型刀架以及标准容量为24把的刀库工作。另外还可选装36到60把容量的刀库。根据客户需求可以采用全自动的刀具管理模式。此外，每把刀具上都装有电子芯片，其中存储有明确的刀具识别信息以及各自的轮廓数据。借助电子读写头可以自动读取每把刀具的参数并传输至机床。借助使用寿命管理工具可以确保每一把刀具都严格按照其设计寿命来工作，从而确保很高的加工效果。

: U" m" p" Z7 u! P7 K+ H2 t针对高性能的铣削加工需要将HSTM系列5轴车铣加工中心与电主轴结合使用，
以配合现有的切削材料。

对于桨叶自由曲面的精加工需要遵照最优的切削条件，以获得所需的轮廓并为后续的抛光工序预留稳定一致的加工余量。电主轴转速最高可达16000转/分钟，使得刀具可以在较小直径区域内遵照最优的切削条件进行工作。

接下来，导轨的进给轨迹需严格遵照计算结果，以保证按照计算的作用系数来获得所需的涡轮桨叶轮廓曲线。轮廓曲线中的难点在于进入及脱离区域，因此需要很高的角加速度来保证较为理想的铣削加工。可以在刀具旋转轴上采用高性能的扭矩电机，并与流体净力的枢轴承之间保持很好的动态关系。另在加工长度更长的桨叶时可在另一端的尾架上配备主动的旋转轴，以克服铣削加工时造成的变形。

3根线性轴（X、Y、Z）和2根旋转轴（A、B）之间的协同效应对于加工具有很高配合精度要求的自由曲面十分重要。因此需要高动态性能的驱动系统以及能在毫秒范围内进行工作的高性能控制系统，能够向驱动系统提供实施精确的信息。Hamuel公司对西门子公司的840D系统以及Fanuc公司的31i-A5系统均具备非常丰富的经验。

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7 g$ D6 N  I' Q  b  O1 g+ T+ u$ n9 R自动化的刀具系统需要集成使用Fanuc公司的M-710i系列的6轴曲臂机器人（图2），Hamuel公司已成功实现其与HSTM 300系列的协同工作。当工件较重时可以采用24把容量的链式刀库。上述2种方案中，操作人员均需在准备工位将毛坯件安放在工件支架上，然后再自动进给至加工工位。工件支架通过HSK 100B型接口与系统自动接合，可实现工件的快速夹紧。

* K# x: j6 c# j5 ]自动化的刀具系统需要集成使用Fanuc公司的M-710i系列的6轴曲臂机器人。

复杂自由曲面的编程采用了已得到验证的CAM软件BladeMill，由Clever Engineering公司提供。这套系统基于5轴HSC机床开发，可以为桨叶的粗加工和精加工以及桨叶头部、根部的过渡区域加工生成优化的数控刀具路径。BladeMill系统通过BaseMill模块（后处理器、接口）与3维CAD软件Catia V5、ug NX和ProE集成。
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) V% V& f  G) g. C& C为配合批量生产，HSTM加工中心还可配备额外的组件，以提高的加工精度和安全性。例如，可采用激光技术进行刀具测量（图3），向控制系统提供刀具长度、直径以及磨损情况的实时数据，避免加工错误。自适应控制及监控系统Optimill反过来可对切削过程进行实时监控并保护刀具。举例来说，通常情况下桨叶的毛坯铸件正反两面上带有不均质的加工余量，系统可根据不同的切削加工情况相应降低或提高刀具的进给量，并及时判断出刀具的折断。

使用激光技术进行刀具测量可以避免由于刀具磨损所导致的加工缺陷

全球很多涡轮OEM制造商及其下级供应商都在使用HSTM系列机床。该系列机床结构坚固，加工质量很高，工艺性能较高，用户能够获得较高的投资回报率（ROI）。无论从质量、生产效率还是财务角度来看，德国机床产品都属一流。

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