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國產機床“以柔克剛“崛起 為發動機解決核心難題
作者: 佚名 時間:2017-12-21文章來源:科技日報訪問量:193506

 

  一個呈麻花狀扭曲,表面十分粗糙的發動機葉片,正在一臺數控機床上不斷被拋光打磨,只見在數控機床的操作下,不一會的工夫,砂帶就精準地將整個葉片打磨光滑,就連死角都沒有落下。


  不要小瞧這道工序,光滑的葉片,將對航空發動機的性能起到至關重要的作用。


  不要小瞧這臺機器,它打破了國外技術壟斷,為我國核電、燃氣輪機和航空發動機制造提供了先進的工藝手段。


  “葉片類復雜曲面零件是汽輪機、燃氣輪機、航空發動機等動力裝置的關鍵零件,其幾何精度和表面質量直接影響能源動力設備的工作效率,其質量的一致性直接影響動力機械安全運行。”北京勝為弘技數控裝備有限公司總經理劉樹生告訴科技日報記者。


  據了解,由北京勝為弘技數控裝備有限公司等單位研發的“葉片復雜型面精加工六坐標聯動數控砂帶磨關鍵技術研究與應用”項目,通過產學研用,研制出自主知識產權的葉片六坐標聯動數控砂帶磨床和編程系統,解決了葉片復雜曲面磨削精加工的技術難題,打破了國外壟斷,成果應用于我國核電汽輪機組葉片制造和新型航空發動機葉片制造領域,成為高質量葉片制造的必要手段。在2016年度北京市科學技術獎評選中,該項目榮獲一等獎。


  手工打磨拋光已成葉片發展瓶頸


  裝備制造業是一個國家建設的基石,擁有渦輪動力裝置制造技術更是一個強國的標志,而渦輪式動力裝置的核心零件就是葉片。


  “工作狀態的葉片表面光潔度越高越好,表面質量、一致性影響到裝備的能量轉換效率。”劉樹生告訴記者。


  據悉,一般用于加工核電、火電等電站用汽輪機葉片形面加工的多軸聯動數控機床是渦輪設備制造領域的高檔關鍵設備。葉片從形態上看是復雜薄壁類零件,型面為空間自由曲面,曲率變化大,在數控銑削加工后易發生變形,導致無法采用常規方法進行表面精加工。


  隨著能源、動力裝置的功率不斷增大,為了獲得更好的空氣動力學效果,最大限度地提升單位體積的功率,葉片型面向著更加彎、扭、掠,曲面更加復雜的方向發展。


  “我國一般采用手工拋磨方式加工大型葉片,葉面精度差,加工效率低,勞動條件非常惡劣。”劉樹生告訴記者,手工拋光時產生大量粉塵,嚴重影響到了操作人員的健康。


  劉樹生的公司位于北京亦莊,記者在車間看到一塊手工拋光的葉片,其表面有很明顯的手工打磨痕跡,銳邊有些鋒利,槽內有凸起點、毛刺。而經過拋光加工的槽內凸起點、毛刺、銳邊等均被磨至圓滑狀態,且表面紋理均勻。


  據了解,一些復雜型面的葉片,如果不夠光滑,不符合空氣動力,除了耗費大量的人力資源,也易造成產品質量不穩定,甚至影響發動機整機性能與壽命。采用傳統的手工打磨拋光方式,已經不能滿足先進葉片制造質量的要求。


  “手工打磨拋光會破壞前序用價值高昂的五軸銑加工出葉片的精確型面。”劉樹生說。


  先進的五軸銑削設備與手工打磨拋光在工藝水平上的不匹配,已經成為制約葉片行業快速發展的瓶頸。這在以核電葉片為代表的大型葉片和以航空發動機葉片為代表的小葉片制造過程中,體現尤為突出。


  對于以核電汽輪機葉片為代表的大型葉片來說,體積巨大(我國CAP1400型壓水堆核電機組的末級葉片長度超過2米,重量大于280公斤)、型面復雜、精度要求高,采用手工打磨拋光越來越困難,效率低下,加工質量難于保證,從而影響通流、影響熱效率;此外手工打磨拋光葉片一致性差,從而影響動平衡、影響機組運行安全。


  而對于以航空發動機葉片為代表的小葉片來說,又成為另一個極端,葉片長度多小于100mm,型面彎、扭、掠,進排氣邊厚度只有0.1—0.2mm(1—2張百元紙幣厚度),綜合輪廓誤差<0.05mm,手工磨削拋光很容易造成葉片燒傷和輪廓破壞,型面精度根本不能保證。發動機葉片型面制造質量正是影響我國發動機制造水平,進而影響各類飛機性能的關鍵因素。


  國產機床實現“以柔克剛”


  要改變人工拋光帶來的弊端,只能靠機器打磨了,但這種數控砂帶磨床被國外壟斷,只有德國等幾個國家擁有該項技術。


  2008年,劉樹生和他的研發團隊,面對從德國進口的,國內唯一的一臺葉片曲面磨削精加工設備,是跟隨還是仿制?“但那不是我們想要的。”劉樹生說,他們給自己定了一個近似不可能完成的任務,那就是研發六坐標聯動數控磨削機床,以此來解決葉片型面精加工問題。


  這是德國人也沒有解決的問題。“以前覺得5軸就可以,但實際加工后發現,有些凹點磨不到,必須要用6軸。”劉樹生說。


  看似多了一個軸,但多出來的研發難度卻是幾倍遞增。在準確的位置用合適的力度切除材料,這和所有的機械加工原理是一樣的,但能否將機床的運動軌跡和磨削壓力在時間和空間上精確配合,是最大的挑戰。


  數控機床被譽為制造工業的“大腦”。隨著計算機技術、信息技術與自動化技術的發展應用,數據庫、計算機以及人工智能開始用于評估、預測、模擬、優化以及控制磨削過程。通過數控、自動化以及人工智能技術改進砂輪磨削、砂帶磨削工藝,使磨削工藝能夠自控、穩定、環保且更適合于高效率的批量生產。


  對劉樹生他們而言,自動化程序的控制是一道“攔路虎”。“最難的是編程,當時國內沒有這種專業化的軟件。”劉樹生說。


  最終,劉樹生他們聯合華中數控公司,提出了雙矢量控制的編程算法,自主研發了六坐標聯動數控砂帶磨削加工工藝編程軟件,該軟件具備六坐標聯動軌跡光順、加工參數優化和仿真、后置處理等功能,實現了自動編程與自動加工。并且自主研制了六坐標聯動數控砂帶磨削國產專用數控系統,實現了三回轉、三直線的六軸聯動數控插補控制,滿足了復雜葉片的多軸聯動控制要求。


  隨著新材料、新結構的葉片不斷出現,葉形曲線也越來越復雜,給葉片拋光技術帶來了更大的挑戰。專一形式的拋光方法已不能解決葉片全部位的拋光。針對不同結構、不同材料的葉片,需要采用不同的拋光方法,加工工藝越來越復雜。


  同時,各部位拋光需要機床的運動形式、規格參數差異很大,在同一個機床上完成葉片不同部位的拋光較難實現。因此,多工位、多種加工方式并行的工藝策略更適合于葉片全部位的拋光。


  對此,項目團隊創造性地提出內置砂帶裝置單元化的中空C軸式BC雙擺頭結構,研制出國內首臺公開展示的高動態性能九軸六坐標聯動數控砂帶磨床,實現了核電葉片復雜曲面高效、高質量六坐標聯動磨削精加工,在國際上具有獨創性和先進性。


  “以前加工葉片都是硬碰硬,但現在的葉片都是曲面薄壁零件,不僅僅要準確還要控制力度和速度,以不確定去確定。”劉樹生說,“我們的機床就是要以柔克剛。”


  項目團隊提出了水平布置多砂帶裝置的六坐標聯動數控砂帶磨床新型結構,實現微接觸力控制磨削,滿足航空發動機葉片0.1—0.2mm薄進排氣邊磨削精加工要求,實現了包括葉身型面、進排氣邊、葉根圓角、阻尼臺過渡區在內的葉片集成磨削精加工。


  項目團隊最終研制出的六軸聯動數控砂帶磨床,能夠對只有一張百元紙幣厚度的彎扭葉片邊緣進行磨削拋光,而誤差不超過其厚度的十分之一,超越了國外現有技術水平。


  打磨拋光做成一個大市場


  “沒想到打磨拋光能做成一個大市場。”具有自主知識產權的六坐標聯動數控砂帶磨床投產以來,供不應求,這讓劉樹生十分感慨。


  如今,我國自主研發的葉片六坐標聯動數控砂帶磨床,遍布大江南北,應用于核電汽輪機組葉片制造和新型航空發動機葉片制造領域,成為高質量葉片制造的必要手段。


  據了解,目前,成果應用于東方汽輪機有限公司的大型葉片精加工拋磨生產線和無錫透平葉片有限公司,累積生產大型葉片5萬余片,價值超過10億元。


  東汽公司實際使用后,發現數控機床和數控系統的使用穩定可靠,加工葉片質量較以往手工打磨有質的飛躍。新設備所制造的葉片一致性非常好,低壓轉子在不經配重調整的情況下,高速動平衡效果已經優于國外制造的轉子。


  就像汽車一樣,核電的葉片在安裝后也要做動平衡,一般要做幾個小時。但在我國CAP1400型壓水堆核電機組的末級葉片的安裝時,卻發現幾乎不用做動平衡。國外阿爾斯通公司的人不相信,結果發現,以前,手工打磨的葉片往往有500克的偏差,現在只有30克。


  此外,成果還應用于西安航空發動機股份有限公司某型號發動機風扇葉片生產,保障了新型航空發動機的制造質量。項目成果為黎明航空發動機集團、中國商發的新型航空發動機研制,中航惠陽螺旋槳有限公司新型復合材料空氣螺旋槳研制, 昌河飛機工業有限責任公司新型直升機槳臂制造提供了先進制造工藝支持。


  “隨著智能制造、3D打印、精鑄工藝的進步,下一步,我們正在研發一種新的數控機床,將繼續占領高地。”劉樹生滿懷信心地表示。

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