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高度自动化的发动机叶轮加工
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Turbocam公司是一家全球性的复杂精密涡轮机械零部件生产商,在美国设有两家工厂、在英国和印度各设有一家工厂,专业从事内燃机涡轮增压器叶轮和喷气机发动机的叶轮制造。Turbocam公司也是少数几家能够按照重型卡车和乘用汽车制造商的一些特殊要求制造涡轮增压器叶轮的公司之一。随着内燃机功率和排放标准的不断变化,加之汽车及发动机市场对涡轮增压器的需求迅速提高,Turbocam公司逐步发展成为了一个内燃机涡轮增压器叶轮的核心制造公司。目前,在欧洲带有涡轮增压器的汽车已经占到了50%左右,美国、亚洲等地对涡轮增压器的需求也都在迅速增长,Turbocam公司当然不能错过这样旺盛发展的市场机遇。

从浇铸到实心加工

历史上早期的涡轮增压器结构比较简单,对叶轮的精度要求也不高,因而叶轮通常采用成本非常低的传统的浇铸方式制造,而不是机械加工制造。

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随着发动机功率的不断提高,发动机的转速范围以及空气流量都发生了很大变化,各种排放法规也越来越苛刻,这些都对涡轮增压器也提出了相应的新要求。现代涡轮增压器叶轮具有12~30个叶片,呈放射线状曲线排列,叶片具有复杂的三维曲面形状,壁厚小于0.5mm。显然,传统的浇铸方式已不能满足现代产品的工艺要求。

五轴联动加工方案

发动机技术以及加工工艺的进步都是飞速的,而且相得益彰,当硬度更高、性能更优异、能够耐受1000℃左右高温的材料用于发动机及涡轮增压器时,柔性化生产、五轴加工、高速加工等技术正逐步发展成熟。

经过不断的探索,Turbocam公司的技术团队对涡轮增压器叶轮加工的现代化加工工艺以及机床、CAM软件等进行了认真的分析,最终得出的结论:对于具有复杂且非标准形状的叶轮的大批量加工,必须采用高速、高自动化的五轴联动加工方案,随后,Turbocam公司专门成立了自动化生产系统部(TAPS),并很快在来自瑞士GF 阿奇夏米尔集团的高性能米克朗HSM 400U型五轴联动加工中心上成功进行了24h无人看守、连续加工卡车涡轮增压器叶轮的试验。无论整体加工速度、加工精度,还是工件的自动更换,米克朗HSM 400U型机床都完全满足了Turbocam公司的要求。

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Turbocam公司的叶轮加工业务在持续拓展。前不久,TAPS搬到了其全球总部所在地的一座新的具有世界水平的制造中心。在这个新的制造中心里,18台米克朗HSM 400U五轴联动高速加工中心专门从事以不锈钢、钛钢坯等为材料的20余种卡车涡轮增压器叶轮的生产,而且多数加工中心安装了托盘交换装置,使得生产效率更高,机床利用率更高,TAPS的叶轮年产量可达几十万件。

加工利器米克朗HSM 400U

米克朗HSM 400U型五轴联动加工中心是瑞士GF 阿奇夏米尔集团铣削技术部新一代高速铣床的杰作之一,瑞士GF 阿奇夏米尔集团铣削技术部甚至凭借它在五轴联动高速加工领域建立了新的标准。这些标准包括动态特性(包括所有5个轴)、工件加工精度、人机友好界面、自动化和过程可靠性以及优越的操作性能等,其中最吸引人的特性是,对于各轴、高速回转/摆动工作台均配有液冷式直接驱动装置,这种直接驱动技术可使回转/摆动工作台的动态特性达到新的水平。该机可配工件托盘交换装置,实现无人化自动加工。显然,米克朗HSM 400U为用户将来的发展提供了高度的附加值。

对于Turbocam公司的叶轮加工而言,米克朗HSM 400U所表现出的多种先进技术使其在多方面大大受益。

1、高性能主轴与高速加工

高速加工是Turbocam公司的一贯作风,速度是其在生产中的各个阶段都需要不断加快的。

HSM 400U型机床的回转/摆动工作台采用了线性电机驱动技术,旋转轴的设计和结构使其速度能够达到传统旋转工作台速度的25倍。主轴电机采用混合陶瓷滚珠轴承液体冷却技术,从而实现了在TAPS应用中40000r/min的高转速可靠运行。

2、高精确性和高动态性的刀具系统

HSM 400U型机床配备有激光测量系统,可以对刀具的长度和半径进行准确监测,同时,玻璃光栅尺线性测量系统可以确保极高的定位精度,从而带来极其精确的动态加工特性,并可满足快速连续加工复杂的螺旋形叶轮时加工所需的大于1g的加速度或减速度。

3、完美的表面加工质量

HSM 400U型机床具有的混凝土聚合床身为加工过程提供了极高的刚性、良好的减振效果以及极高的热稳定性,为实现更高的零件表面光洁度和精度提供了保障,同时也减小了刀具磨损。

夹紧、定位、工件交换和先进的控制系统也都处处体现着HSM 400U型机床的优秀特性,从而更加确保了零件加工完毕时的表面质量。

4、先进的控制系统和CAM软件

HSM 400U型机床采用海德汉iTNC530控制系统,具有较高的信息处理速度,可以运行包含有零件几何形状等信息在内的2MB子程序。此外,该系统还具有许多标准特性与配置,如3D图形和3D刀具补偿仿真、1.5G硬盘和以太网接口等。

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当然,Turbocam公司成功的关键因素还包括他们定制和编写五轴CAM软件的能力。

在米克朗HSM 400U型机床的实际生产中,Turbocam公司和加拿大CAMplete Solutions Inc软件公司合作开发出了更为先进的TruePath软件,全面优化了HSM系列机床的五轴加工精度、速度和质量。在用CAM编程以后,Turbocam公司的工程技术人员利用TruePath检查和优化HSM 400U型机床的刀具路径,从而可以减少错误、估计周期时间并优化计算出的进给速度等。

无人看守的可靠运行

总之,瑞士GF 阿奇夏米尔集团的米克朗HSM 400U型机床为Turbocam公司提供了在一个生产周期内,80%的时间可以无人看守、100%正常运行的高可靠性。

在Turbocam公司位于美国巴灵顿(Barrington)的另一个工厂里,有6个由ABB机器人和3R机械手组成的机器人工作单元,其中的3个机械手与来自瑞士GF 阿奇夏米尔集团的加工中心配合使用,实现工件的自动传送。在这里,小型叶轮的加工时间通常仅需0.5h,如果采用两台机床加工150个工件,机床可以为用户提供37.5h的无人看守运行时间。

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