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高精度涡轮叶片采用配套驱动及控制技术的车铣加工中心
来源: 作者:西门子 供稿 浏览次数:0
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涡轮叶片的整体加工要求在大功率粗加工和高精度精加工之间取得平衡。这正是现代化五轴车铣加工中心的任务,将稳定的机械制造能力与一流的驱动及控制技术结合在一起。
  经验就是坚实的基础, 对此Hamuel 机械制造有限责任公司(位于德国上弗兰肯地区的城市Meeder)具有绝对的发言权:约85年的机床制造经验、35 年的数控加工经验、25年的五轴模拟加工经验以及10年的五轴车铣加工中心的制造经验。公司总经理Markus Stanik博士表示,经验不是衡量机床质量的唯一标准 - 但是:“经验有助于我们与合适的合作伙伴一起设计和制造出能使我们的客户在市场上取得成功的机床。” Hamuel公司及其众多客户的业务也确实取得了增长。
  目前Hamuel公司拥有三大支柱业务:
  •机床部件的生产(例如机床轴单元、床身和主体),
  •数控龙门铣床的研发和制造以及
  •五轴车铣加工中心的生产。
  最后一项就是著名的HSTM系列产品,自1999年面市以来为公司的销售额和业绩作出了举足轻重的贡献。特别是该系列机床在动态响应、生产能力和精度方面的优良性能总是能帮助我们获得在飞机制造业和发电行业中领先的涡轮制造商的订单。

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Hamuel公司总经理Markus Stanik博士(右)及其销售经理Jochen Schaede 一致表示:“Sinumerik 840D sl 数控系统与我们的HSTM系列五轴车铣加工中心配合得天衣无缝。特别是该系列机床在动态响应、生产能力和精度方面的优良性能总是能帮助我们获得在飞机制造业和发电行业中领先的涡轮制造商的订单。”

涡轮叶片加工不允许有丝毫误差
  采用Sinumerik 840D sl控制系统的HSTM主要用于生产涡轮叶片和叶盘(涡轮叶轮盘),此类部件用在固定式汽轮机和燃气轮机上以及飞机发动机和大型涡轮压缩机的移动式涡轮上,一般由高硬度材料制成,如钛或高强度合金钢。即使些许的误差也可能导致发电涡轮或飞机涡轮的效率显著降低,因而外形误差在涡轮叶片和叶盘产品上视同禁忌。相应地,对机床也提出了更高且更多样的要求。Hamuel公司的销售经理Jochen Schaede(工程硕士) 说道:“对于长度约在1000 mm以上的大型涡轮叶片,我们的客户大多采用锻造毛坯制造;而对于较短的工件则采用全铣削的方式 - 切削量约占80%。显而易见,这就要求我们的机床既能进行高效的粗加工,又能进行高精度的精加工。”粗加工时生产率是关键,而之后对立体曲面进行精加工时,则以精度为核心,而且“我们的高效加工中心在保证优良的表面质量的同时能够达到微米级的精度”,Schaede补充道。
  精巧的机床制造与驱动及控制技术之间相辅相成的配合对生产能力起着决定性的作用,其根本在于采用一体化基体的稳固的机床结构 - 要么是使用特殊混凝土进行浇铸的焊接结构,要么是最新的一体成形式聚合混凝土结构。精密的质量分布此时可达到最佳的动态刚度。Hamuel公司研发人员的经验与西门子公司机电专家的技术相结合使这些性能的实现成为了可能,正如Jochen Schaede所说:“借助多种模拟工具,西门子工程师能为我们提供非常精确的数据,告诉我们应在哪里增减质量。同时非常有利的是,我们能够从西门子订购包括主轴、轴驱动以及数控系统在内的所有动态组件。这样,只需少数几个迭代循环,就能使机床获得完美的动态刚度。”
  此外重要的是:所有组件的排列方式都有助于对水平夹紧的涡轮叶片和叶盘进行最佳加工。同时将轴倾斜45° ,也便于在对机床内部进行连续吹扫时排出碎屑。另外将轴斜置也更方便接触机床内部的组件。
  如此构造并配备了西门子精密型直接驱动的HSTM机床,其所有线性轴的运行速度都能超过40 m/min且定位精度最高可达5 µm。高速运转的回转轴的定位精度甚至可达到3 µm。因而用户可在Ra = 0.8 µm的加工区域内获得极佳的生产率、精度和表面质量,完全能满足叶片加工的各项要求。
  数控系统负责入口边及出口边的最佳曲面过渡加工质量
  涡轮叶片加工中面临的最大挑战是要求苛刻的曲面过渡加工(入口边和出口边)。如要实现高质量的加工,由曲线控制点定义的铣削轨迹必须保持均匀的加工速度。因此,入口边和出口边要求具备极高的角加速度。相应地,也要求提供较多数量的用于定义轨迹的曲线控制点。
  而数控系统的挑战在于,可靠地执行所生成的加工工步。此时系统的快速程序段循环时间以及预读(Look ahead)功能就派上了用场。 “还没有哪一个数控系统能像Sinumerik 840D sl 这样,在所要求的如此短暂的时间内将驱动信号这样准确地提供给全部五根加工轴” Jochen Schaede强调道,他还补充道:“另外,创新的运动控制功能“精优曲面”(Advanced Surface)也非常出色,它其中包含了优化了的预读功能模块。此外,我还必须要提到的是,自由曲面的五轴高速车铣加工需要进行几何矢量的空间连续重新定向。这就要用到Sinumerik 840D sl上的“Traori原理”。这样我们的用户就能获得可再现的加工结果,不仅表面质量近乎完美,轮廓精度也极高,而且加工速度极为快速。
  除了精度、生产率和可靠性这些首要属性,Hamuel 还非常看重西门子控制与驱动技术的其他一些特点 - 例如:DRIVE-CLiQ接口。通过这一数字量连接可自动识别配备的所有相应的驱动组件。只需一根电缆就能实现该连接。电机的等效电路图数据以及内置编码器系统的参数都已提前存储,因而在调试时无需再手动输入,这使得调试过程能够更加可靠和快速。
  同样困扰销售经理的还有专有技术的保护。凭借创新型软件,他的客户可以通过个人密码对所有程序及其专有应用加以保护,防止未经授权的擅自使用。
  对于Hamuel 常常遍布全球范围的机床用户而言,西门子所提供的远程服务也被证明是一项十分重要的优势。无需现场服务就能解决软件问题并且快速可靠地进行升级。生产企业从而可以节约时间和金钱,并且总是使用到最新版本的软件。

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行业中领先的涡轮制造商尤其信赖HSTM 机床的动态响应性能和生产能力。原因就在于其完美结合了Hamuel稳定的机床制造能力与西门子一流的驱动及控制技术。

采用切端面齿的功能强大的电主轴
  对于车铣加工中心的生产能力,Weiss主轴技术有限公司(西门子旗下子公司)的54 kW电主轴也起着举足轻重的作用。在配备HSK A63刀夹的情况下,该电主轴在粗加工时可以达到足够高的转矩,同时在精加工时可以提供高达16000 rpm的转速。这样就能保证始终提供最佳的切削速度。此外从实际使用的角度,Hamuel负责人还着重强调了一个技术细节 - 集成在内的切端面齿。借助它可以夹紧主轴,并在车削加工时卸去轴承。
  机床大小完全取决于所要生产的工件的长度,一般可从500 mm (HSTM 300) 直到1750 mm (HSTM 1500)。有特殊需求时,Hamuel也可以生产更大的机床。目前有一个项目就是加工长度为2500 mm的叶片。总经理Markus Stanik公开表示:“凭借模块化的机床制造,我们能够满足用户的特殊需求并在此基础上生产车铣加工中心。”
  “此外令人欣喜的是,新的产品研发已经进入了市场引入阶段。比如未来我们可以选择使用一种特殊气体在HSTM 机床上进行刀具冷却。另外我们还能提供矿物铸件机床床身。首台此类型的机床已经在EMO 展会上展出。这种矿物材料具有出色的减震性,顺便还能减少我们对钢材供应商的依赖” Markus Stanik 高兴地表示。对于机床用户而言,更直观的表现在更高的表面加工质量以及显著延长的刀具使用寿命。


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