为发电制造零件
这台达诺巴特机器旋转组装好的转子，并在研磨的同时测量叶片尖端的工作位置，以确保与压缩机外壳完美匹配。需要一点好消息？美国看似永无止境的电力需求正在产生对发电设备组件的强劲需求。这是俄亥俄州迈阿密斯堡 United Grinding North America 仿形磨削部门的区域销售经理 Phil Wiss 所说的。他补充说，“'在制品'仍然是一个肮脏的词，因此制造商需要在拥有足够的库存零件和满足准时交货之间保持平衡，”这是探索能够应对这一领域的挑战。
陆基产生大部分电力的燃气轮机与飞机涡轮机没有太大区别。位于宾夕法尼亚州赛格敦的工具制造商 Greenleaf Corp. 的美洲销售总监格雷格·布朗森 (Greg Bronson) 说：“它们基本上是类固醇的喷气发动机。”他解释说，陆基涡轮机的设计并没有考虑到同样的重量问题，但它们仍然依赖于难以加工的材料，尤其是热部分。这意味着您可以在飞机发动机中找到的镍基耐热铬镍铁合金和 René 材料的变体，以及“西门子和 GE 等原始设备制造商专用的一些专有材料，”他补充道。
以飞机涡轮机为例，通过增加压力和温度来提高燃气轮机效率的努力推动了更耐热材料的开发，这些材料相应地更难加工。举例来说，根据 Greenleaf 的机械加工指数，Inconel 718被评为“100% 可加工”，其 WG-300 晶须增强陶瓷刀片的起始点为 700 sfm 和 0.0075 ipr。但 Bronson 说：“一些即将面世的 René 材料和粉末合金具有 35% 到 40% 的可加工性等级，这意味着您必须将进给量和速度降低 60% 到 65%。”
最大的不同介于飞机和陆基涡轮机之间的是尺寸。例如，“喷气发动机涡轮机叶轮的直径可能在 18 到 36 英寸 [45.72 到 91.44 厘米] 之间，或者在一些更大的发动机（如 GE 90）上更大一些，”Bronson 说。“而同一个圆盘在陆基涡轮机中，直径为 7 到 8' [2.13 到 2.44 m]。”
同样，加工这些零件需要大量的材料去除。“你从铸件或一个可能在 8,000 磅 [3,629 千克] 范围内的锻造件，并可去除 5,000 磅 [2,268 千克] 的切屑，”Bronson 说。对于这项工作，Greenleaf 推荐陶瓷刀具，它提供“比硬质合金更高的速度和相似的进给率，”Bronson 说，导致材料去除率通常高 4 到 8 倍。条件是金属去除率始终是速度、进给和切削深度以及材料状况和硬度的函数，他说 Greenleaf 已经实现了 10 倍或更多的改进。
Greenleaf 的 XSYTIN-1 晶须增强陶瓷嵌件可以在同一次切割中处理镍基合金和不锈钢。他还观察到增材制造的激增，尤其是在业务维修方面，给激光烧结材料带来了新的挑战。 “这些材料具有很强的磨蚀性，并且具有氧化皮条件，会降低切削速度并产生可能导致工具损坏的切槽深度过早地失败，”布朗森说。 “在这些情况下，您可能需要使用陶瓷或金刚石工具。”
在不锈钢板上制造较大的零件会带来进一步的问题，他解释道。从构建板上取下激光烧结部件后，必须清理剩余的碎屑，以便重新使用该板。因此，用于对板进行表面重修的工具必须能够同时加工铬镍铁合金或其他高温合金和不锈钢。 Bronson 表示，Greenleaf 的最新陶瓷 XSYTIN-1“能够加工烧结镍合金和较软的不锈钢底板，并且不会对刀具产生不利影响。”
Finish Machining High-Temp Giants
尽管体积庞大，但陆基涡轮机部件的制造必须符合严格的公差要求。 Bronson 解释说，这种尺寸本身就是一个挑战，因为在许多情况下，工具必须贯穿整个切割过程，以避免不匹配。 “我遇到过这样的情况，客户需要七次、八次或九次通过才能去除光盘外径上的最后几千分之一，以使其达到公差，这仅仅是因为锥度问题和工具磨损，”他说，并补充说，在这些情况下，碳化物通常是更好的解决方案。因为，虽然您可以在相同时间内使用陶瓷刀具去除更多材料，但硬质合金刀具的切削时间更长，并且无需转位即可完成精加工。
Emuge Corp.，马萨诸塞州的 West Boylston 提出了一种创造性的解决方案，用于切割涡轮叶片根部形状和圆盘中的相应槽。他们称这个新工具为 Pagode，因为它看起来像一座宝塔。正如铣削应用专家 Evan Duncanson 解释的那样，与通常用于此应用的冷杉木铣刀不同，Pagode“在立铣刀的核心部分没有一个大切口。使用后一种方法，工具的切口必须与最小直径一样深呃,这也意味着必须在最大直径处去除大量材料。这大大削弱了该工具。在 Pagode 中，切缝遵循刀具轮廓，因此切削刃只有几毫米的浮雕。”
这会在核心处留下更多的材料，并允许 Emuge 添加更多的凹槽，因此对于给定的刀具直径，更多的切削刃。 “典型的冷杉木切割机只有三个凹槽，”Duncanson 解释道。 “我们可以用六个或八个凹槽建造一个相同直径的宝塔。你拥有的凹槽越多，你就能走得越快。”
Duncanson 补充说，额外的凹槽和更大的核心也使 Emuge 设计师能够使用比典型的冷杉木刀具更大的螺旋角。 “这确保了零件始终有两个切削刃，”他说。这会导致工具上的力更一致，这对工具寿命、表面光洁度和主轴来说更好。加上较大的 c矿石直径使得“整体上更强大的工具可以承受更多的打击。在德国 Emuge 和外地的测试中，我们发现标准 Emuge 冷杉木切割机的使用寿命是标准 Emuge 冷杉木切割机的 2 到 10 倍，循环时间比标准 Emuge 冷杉木切割机缩短了 2 到 10 倍。 ”这也有助于确保刀具能够持续完成大型零件的整个精加工切削。
Emuge 可以提供硬质合金和 HSS 刀具，如果需要，还可以在每个排屑槽中提供多个径向冷却孔。事实上，考虑到更厚的芯，Emuge 能够将冷却液引导到切削刃上，而“在标准的冷杉木刀具中，凹槽更深，冷却液基本上直接流出，”Duncanson 说。更重要的是，Emuge 能够将每个工具重新研磨多达四次，并且是在制造它的同一台机器上进行的。因此，它可以保证新工具和再研磨的 10 µm 形状精度。
Emuge新的Pagode切割工具带来更多据该公司称，与传统的枞树刀具相比，切削刃能够承受涡轮叶片根部形状，从而使循环时间缩短 2 到 10 倍。Duncanson 表示，Pagode 概念也足够灵活，可以结合几个工具合二为一。“我目前正在与客户合作创建一种工具，该工具将末端的钟形轮廓与用于切割直壁的轮廓的锥度相结合，另一种用于压力表面的轮廓，以及外部的圆角半径. 这通常是三到四种不同的工具。用于切割这些涡轮机零件的大型机器的工具更换时间可能为 15 到 20 分钟，因此组合工具是一项重大改进。 Pagode 的初始成本高于冷杉树切割机，但 Duncanson 指出该工具的成本要高得多吞吐量和多次再研磨的能力，更不用说组合操作的可能性，使其成为更具成本效益的解决方案。
Greenleaf 在燃气轮机轴上的多个轴承表面精加工方面取得了胜利, 取代精密研磨的硬质合金刀具。 “这是一个严格的公差部分，”布朗森回忆道，“也是一场噩梦。他们会在任何地方运行 7 到 13 或 14 个这样的工具，每个工具的价格约为 1,000 美元，只是为了完成这些轴承区域。然后他们会手工抛光它们，使它们达到所需的 0.4 µm Ra。我们创造了一种可转位硬质合金刀片，它不仅大大缩短了安装时间，而且还实现了 0.34 µm 的 Ra——接近镜面光洁度。他们断然告诉我们这是不可能的，但我们做到了。”
专业磨削解决方案
当然，磨削是实现涡轮机部件精加工的主要解决方案。而对于补偿Danobat USA, Houston 的ressor rotors 提供了一些独特的解决方案。正如 Danobat 西班牙总部的业务发展总监 Danel Epelde 所解释的那样，许多小型（50 毫瓦级）发电涡轮机的叶片都松动了。但为了实现高效运行，控制移动转子和静止外壳之间的间隙至关重要。
因此 Danobat 开发了一种机器，可以以高达 7,000 rpm 的速度旋转组装好的转子，并测量工作中的叶片尖端他们被磨碎时的位置。由于没有市售的检测系统能够以所需的精度执行此操作，因此 Danobat 创建了自己的高速摄像系统。新系统将图像与所需的尖端半径进行比较，并相应地调整研磨过程。达诺巴特还为压缩机外壳提供立式磨床，因此当摄像系统与磨床一起使用时，达诺巴特负责打造完美匹配。
Mägerle MFP 磨床具有自动换刀功能。 RFID 芯片确保正确的工具进入主轴。400+ mW 的巨型燃气轮机也存在叶片轮廓与压缩机外壳匹配的问题。但建造一台能够旋转和研磨这些巨型转子的机器的成本似乎高得令人望而却步。 Epelde 表示，原始设备制造商知道，如果他们这样做，他们的涡轮机会更高效，但尚不清楚这种改进能否证明成本合理。
“他们每三四年与我们联系一次，我认为迟早他们会将不得不这样做，”他说。无论如何，Danobat 拥有广泛的产品组合，可以混合和匹配各种技术以满足需求。 “如果零件是小型或中型的，我们会使用花岗岩来制作结构，因为这是实现所需的好方法热稳定性和阻尼行为，”Epelde 解释道。 “一旦超过一定尺寸，花岗岩就会变得更贵，我们就会转向稳定的珠光体铸铁。我们制造重达 5 吨的机器和重达 50 吨 [4.54 或 45.4 公吨] 的机器。我们可以研磨重量为 5 磅或 10,000 磅 [2.27 或 4,536 千克] 的零件。如果我们要旋转 5 磅的零件，我们可以使用精密滚珠轴承工作头。对于 10,000 磅的零件，我们会使用静液压技术。”
磨削进入这些转子的叶片的根部形状需要一台机器，例如 Blohm Profimat MT 高马力、重型、蠕动进给研磨机，Wiss 说。该机器使用宽型传统磨料轮的连续修整，但很少或没有额外的自动化。
相反，对于叶片，United Grinding 会推荐其 Mägerle MFP 150、MFP 50 或 MFP 51 平台之一. “这三者都包括自动换刀和头顶修整，”Wi 说SS。 “架空修整使我们能够进行连续的修整蠕变进给，它结合了快速的金属去除率和保持严格公差的能力。对于某些零件，例如径向槽，我们会使用电镀 CBN 砂轮。换刀器还使我们能够在同一台机床上使用金属结合剂 CBN，以及钻孔和铣削。我们使用 80/20 法则。”换句话说，如果 80% 的工作需要磨削而 20% 需要其他加工，那么这种多任务磨床就有意义了。每个人都喜欢在一次装夹中加工尽可能多的特征。
Wiss 还指出，轮子/工具法兰包括 RFID 芯片，因此机器会自动检查以确保正确的工具进入主轴，即使操作员将其放入转换器的错误插槽中。此外，操作员可以在加工过程中使用刀具更换器，因此可以随时更换磨损的刀具，而不会中断生产。
Fo作为服务于行业的更专业的应用程序，Mägerle 和 Blohm 还拥有用于磨削 Hirth 和 Curvic 联轴器中齿轮形状的模型。 “我们的机器有一个地下室，可以吞下超过一米的轴，”Wiss 说，“而工作区可以处理直径达 1.5 米的联轴器。您可以在这些机器内部的转台上安装 VW，不过我们也生产前部 80" [203.2 cm] 的机器，用于磨削小型 Hirth 或 Curvic 联轴器。”
施泰力的流量计测量涡轮机的开口面积发动机喷嘴并以 0.001 in2（0.645 mm2）分辨率显示结果。United Grinding 的方法是将联轴器平放在桌子上，这是一种“刚性布置，易于设置，”Wiss 补充道。这有助于通过优秀的软件。“这部分做不必完全居中于桌子上。机器探测零件的外径以确定跳动，还探测每个齿的两侧并进行毛坯划分以计算所需的材料去除量，”他说。 “然后它会自动研磨。在其他打磨机上，您必须用生皮锤或橡胶锤在外径上反复敲打联轴器，直到在打磨零件之前完美指示。”
就其本身而言，Danobat 提供了一款双柱立式打磨机，用于涡轮盘。 “这些零件的直径几乎为 10' [3.048 m]，由铬镍铁合金制成，”Epelde 解释说，“因此加工非常具有挑战性。”除了需要打磨的表面外，该零件还需要槽和孔。同时，客户希望在一次装夹中执行尽可能多的操作——需要截然不同的扭矩和功率曲线的操作。因此，机器有一个磨削主轴和一个单独的孔...用于定制测量。进入 L.S. 特殊量具部门的团队。 Starrett Co., Athol, Mass. 经理 Andrew Morin 说 Starrett 设计、设计和制造用于测量所有机加工直径的量具；各种高度尺；槽规；甚至面积流量计来测量涡轮发动机喷嘴的最小面积开口。最后一个示例使用八个或更多触头伸入喷嘴开口的喉部。液压缸进行测量并将数据传输到千分表，在那里它们以 0.001 in2 (0.645 mm2) 的分辨率显示。这允许操作员定位和匹配发动机圆周周围的分段开口，以提供平衡的气流。
对于测量最大 90"（228.6 厘米）的直径计，Starrett 使用 li重量轻的蜂窝结构或碳纤维和隔离手柄，因此操作员的体温不会影响量规。 “您可以使用重几磅的量规检查 5' [1.52 米] 直径，”Morin 说。 “它们精确到十分之一，并且有一个千分表，因此每个操作员都可以确保他们的读数完全相同。许多主要客户都有它们，因为如果您要使用那么大的常规千分尺，则需要两人或三人的工作才能将量具安装到位。有了我们的蜂巢，这是一个单人的工作，他们可以做一整天。”
Starrett 还制造量具，这些量具可以伸入难以或不可能接触到的组件中。 “我的样品架上有一个长 7' [2.13 m] 的量具，必须用起重机将其降低到要检查的部件中，”Morin 说。 “我们还制造像双转塔量具这样的东西，它们可以折叠成一个小 d直径，穿过那个小直径，然后将其尺寸加倍以获得操作员需要的读数，而无需移动或翻转零件。我们处理各种尴尬的情况。”
重塑机床结构
能源部位于田纳西州的橡树岭国家实验室正在进行机床设计和结构方面的革命。制造示范设施的团队展示了使用 3D 打印模具浇铸混凝土机床底座和立柱的可行性。
首席制造官 Thomas R. Kurfess 博士解释说， “关键不在于混凝土基础。它利用大型增材制造聚合物打印机以非常低的成本快速构建模具，这样我们就可以以非常低的成本弹出机床的底座。”这使得开发新机床和创建自定义工具变得更容易、更快和更便宜编机器。而且“如果改变基地突然变得容易，那真的会颠覆重建业务。您可以保留任何有意义的组件，并构建一个新的底座以适应新的目的。”
虽然可以将模具留在成品底座上，但 Kurfess 说碳纤维增强模具也可以重复使用如果设计用于从铸件中移除，则可进行数百次。如果建筑商不想投资大规模印刷，它可以使用服务局来生产和运送模具。 “它是塑料的，所以不是特别重，”Kurfess 说。然而，当填充混凝土时，相对于铸铁，底座似乎在减振方面提供了一个数量级的改进。此外，它还具有热稳定性。
还可以在铸件中嵌入冷却通道和传感器，包括那些在铸造熔融金属时会蒸发的通道和传感器。橡树岭团队现在正在测试g 各种加速度计、振动传感器和温度计，着眼于改进监控和实时过程控制。 |||
