飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)制造是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈的行業(yè)，針對(duì)周期性的市場(chǎng)需求，它需要大量投資和開發(fā)費(fèi)用。盡管在歷史上成品發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜性意味著飛機(jī)和飛機(jī)框架制造商必須承受較長(zhǎng)的訂貨與交貨之間的時(shí)間間隔，但競(jìng)爭(zhēng)的壓力正迫使人們找尋更加精良且對(duì)市場(chǎng)做出更快響應(yīng)的制造方法。在英國(guó)，發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家Rolls-Royce已經(jīng)通過一種獨(dú)特的過程對(duì)這種挑戰(zhàn)作出了回應(yīng)-用裝備砂輪的加工中心實(shí)現(xiàn)對(duì)鎳合金的柔性磨削。

這種過程被稱作“Viper”，是由“Vitreous Improved Performance Extreme Removal(透明、改善、性能、極致、去除)”縮寫而成。該過程是20世紀(jì)90年代作為一種用于加工鎳合金，替代CBN超級(jí)磨料和普通強(qiáng)力緩進(jìn)給磨削技術(shù)的高性能技術(shù)而開發(fā)的。該過程已經(jīng)在Rolls-Royce的多個(gè)工廠應(yīng)用，但是在德貝市的一個(gè)蝸輪葉片加工廠的應(yīng)用卻是最全面的，其中有10臺(tái)適合Viper的加工中心。采用該過程，工廠將每套高壓蝸輪葉片從訂貨到交貨的時(shí)間從約100天降低到了15天。

Viper磨削過程涉及到采用預(yù)先成形的小直徑砂輪-將它用做CNC加工中心上的“刀具”，
用于精確加工鎳合金蝸輪葉片上的各種特征
Viper磨削采用直徑不大于200mm的氧化鋁砂輪，砂輪裝在經(jīng)過特殊自適應(yīng)處理的牧野(Makino)或橋堡(Bridgeport)加工中心的主軸上。砂輪的更換方式與普通銑刀一樣。對(duì)于某個(gè)特定的葉片而言，加工“杉樹”根形和“護(hù)罩”端部特征可能需要15種不同的砂輪形狀。

Rolls-Royce聲稱，在合適的條件下，該過程的金屬去除率可以達(dá)到80立方毫米/秒/毫米砂輪寬度。這是在普通磨床上采用鍍鎳CBN砂輪通過超級(jí)磨料加工技術(shù)加工鎳合金可以實(shí)現(xiàn)的金屬去除率的8倍。該過程還可以以比其它可替選方式高得多的金屬去除率進(jìn)行精磨加工。

Phil Hopton是Rolls-Royce蝸輪系統(tǒng)公司的主任。他說 ：“我們以前用強(qiáng)力緩進(jìn)給磨削技術(shù)來加工這些特征。這種技術(shù)的目標(biāo)在于進(jìn)行大批量生產(chǎn)，機(jī)床裝夾時(shí)間必須以天計(jì)數(shù)，每個(gè)葉片需要通過大量機(jī)床才能加工完成。對(duì)這種技術(shù)而言，高壓葉片生產(chǎn)是一種存在瓶頸問題的加工過程?！币虼嗽摴究紤]采用CBN砂輪作為一種可選方式，但是Viper過程在性能方面實(shí)現(xiàn)了巨大的改善，從而改變了整個(gè)葉片加工的方式。

Viper的起源可以追溯到Rolls-Royce的工程師Peter Hill，他注意到在專用強(qiáng)力緩進(jìn)給機(jī)床上有時(shí)候可以在不采用連續(xù)砂輪修整以保持形狀和尖銳度的情況下獲得滿意的加工效果。隨后，根據(jù)在一個(gè)采用高壓冷卻液清洗刀具切削刃的鈦銑削項(xiàng)目中所獲得的經(jīng)驗(yàn)，他考慮這樣一種可能性，即開發(fā)一種適合在換刀式加工中心上將普通銑削和鉆削集成為一體的“純砂輪”式磨削過程。

這是裝備在一臺(tái)臥式加工中心上的磨削裝置。為裝備一臺(tái)適合該作業(yè)
的機(jī)床所需要進(jìn)行的改動(dòng)包括修整器安裝以及冷卻液噴嘴的CNC控制等
通過與磨削易耗件專業(yè)廠家Tyrolit、加工中心制造商牧野及橋堡之間開展的長(zhǎng)達(dá)4年的合作開發(fā)項(xiàng)目，該公司最后開發(fā)出了如今所采用的過程?？赡芎敛黄婀郑钪匾囊蛩乇蛔C明是磨削易耗件和冷卻液。該項(xiàng)目還消除了人們對(duì)普通銑削主軸是否可以應(yīng)對(duì)砂輪失衡這個(gè)問題的懷疑。
Hill先生說：“我們考慮了大量因素。我們必須確認(rèn)打開的砂輪連接部分不會(huì)夾住磨削產(chǎn)生的微細(xì)切屑。還必須開發(fā)一種支持高流速和高壓的冷卻液系統(tǒng)和冷卻液配比方式，但卻要在不產(chǎn)生泡沫的情況下能夠承受精細(xì)過濾過程?！?

冷卻液過濾對(duì)Viper磨削取得成功是非常關(guān)鍵的。該過程采用專門開發(fā)的噴嘴來以1000psi的壓力噴射冷卻液，并相對(duì)于砂輪和工件接口保持精確的角度。通過過濾而去除直徑為10微米以上的粒子，Viper過程因此避免了對(duì)砂輪切削刃產(chǎn)生腐蝕。

在磨削過程中，借助冷卻液可以降低切屑溫度，防止微細(xì)切屑粘到磨削介質(zhì)上，同時(shí)射流還可將切屑沖刷干凈。這樣可以防止砂輪“鈍化”，從而無須進(jìn)行中間修整。這一點(diǎn)反過來有助于保持較低的砂輪磨損率，從而小直徑砂輪的“刀具”壽命可以保持在合格范圍內(nèi)。

為了讓某臺(tái)加工中心適合Viper磨削過程，需要進(jìn)行大量制造方面的改動(dòng)。這些改動(dòng)包括冷卻液傳送、金剛石修整器安裝以及密封和防護(hù)問題等。從過程這方面看，需要保持相同的冷卻液傳送軌跡，同時(shí)采用機(jī)床最多5個(gè)插補(bǔ)軸進(jìn)行磨削。為此，牧野公司開發(fā)了一個(gè)兩軸CNC控制式冷卻液噴嘴，安裝在主軸端部周圍。由一個(gè)軸(U)提供回轉(zhuǎn)，從而既可以進(jìn)行水平磨削，也可以進(jìn)行垂直磨削；由另一個(gè)軸(V)提供噴嘴徑向定位，從而對(duì)砂輪磨損進(jìn)行補(bǔ)償-這種磨損在加工循環(huán)中有時(shí)甚至有可能使砂輪直徑減少一半。

即使經(jīng)過這些改動(dòng)，用這種方式裝備的牧野A55加工中心的成本依然低于強(qiáng)力緩進(jìn)給磨床的成本。此外，借助換刀功能，所有被磨削的特征都可以在兩道操作中完成，且借助加工中心所具備的柔性，可以在2小時(shí)或不到2小時(shí)的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同零件之間的轉(zhuǎn)換。

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在Viper過程完成后，Rolls-Royce所面臨的挑戰(zhàn)是通過葉片加工過程而全面推知該過程的優(yōu)點(diǎn)。

Hopton先生說 ：“Viper所具備的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)幫助我們向前推動(dòng)了改革過程。在蝸輪葉片加工工廠，我們從批量制造轉(zhuǎn)到了精良制造過程。這方面的加工實(shí)踐以及為蝸輪葉片加工所開發(fā)的方法還為已經(jīng)成為‘Rolls-Royce生產(chǎn)系統(tǒng)’的做法和方法提供了一種模式。這一點(diǎn)對(duì)于減少客戶從訂貨到交貨之間的時(shí)間是非常有用的?！?

在英國(guó)給Rolls-Royce提供服務(wù)的分包機(jī)構(gòu)中，有一種常見的說法是“40天發(fā)動(dòng)機(jī)”。如今蝸輪葉片加工過程在實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)中起到了主要作用。在當(dāng)前高壓葉片15天的訂貨到交貨時(shí)間中，實(shí)際上只有4-5天的加工時(shí)間，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這個(gè)時(shí)間還可以進(jìn)一步縮短。

發(fā)動(dòng)機(jī)中的每個(gè)高壓蝸輪葉片，諸如Rolls-Royce Trent，它所產(chǎn)生的馬力和賽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的相同。這些葉片組成了成品發(fā)動(dòng)機(jī)中所用葉片的28%左右，并且該公司將其生產(chǎn)一直保持在公司內(nèi)部完成。位于德貝市的蝸輪葉片加工廠建造在一個(gè)具有同樣高技術(shù)的精密鑄件加工廠附近，該鑄件廠主要生產(chǎn)葉片毛坯，同時(shí)附近還有一個(gè)由第三方承包商經(jīng)營(yíng)的熱處理廠。唯一不在工廠現(xiàn)場(chǎng)完成的操作是在成品葉片上涂敷專用耐熱涂層。

在Viper磨床單元中，采用一臺(tái)機(jī)器人在加工中心和
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)之間傳送裝在夾具上的葉片
葉片加工和設(shè)計(jì)都在位于德貝市的一座可擴(kuò)建樓房中進(jìn)行，它們之間通過一道玻璃墻分隔。由于安裝一套Viper生產(chǎn)單元的成本相對(duì)較低，因此Rolls-Royce已經(jīng)可以將一整條生產(chǎn)線用于葉片開發(fā)。設(shè)計(jì)者們傳統(tǒng)上必須從生產(chǎn)機(jī)械上“請(qǐng)求或借入”時(shí)間來開發(fā)新產(chǎn)品，但這種開發(fā)單元改變了這種情況。因此，Hopton先生說：“我們希望新的高壓葉片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面的方便性可以帶來很大好處?！?

蝸輪葉片加工中制造系統(tǒng)和方法的開發(fā)是由Mark Hulands領(lǐng)頭的小組負(fù)責(zé)的，如今他是Rolls- Royce蝸輪系統(tǒng)公司精良制造方面的經(jīng)理。Hulands先生說，一個(gè)重要的目標(biāo)是保持生產(chǎn)流量，以便來自Viper過程的優(yōu)勢(shì)可以在整個(gè)制造過程中不被中斷。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，該小組將目標(biāo)定于在可能的時(shí)候離線進(jìn)行零件裝夾并將該過程自動(dòng)化。該小組還努力避免依賴批量加工的技術(shù)。其中一種這樣的技術(shù)是以前采用鋅合金來封裝葉片，以便在磨削過程中可以更方便地裝夾。這種封裝不僅帶有隊(duì)列，同時(shí)還必須實(shí)施由兩階段組成的去除過程。
該工廠當(dāng)前有5條相同的生產(chǎn)線(一條用于開發(fā)，四條用于生產(chǎn))，同時(shí)還預(yù)留了第六條生產(chǎn)線的空間。每條生產(chǎn)線的裝備都一樣，均用于葉片加工，且號(hào)稱可以處理18種葉片類型中的任何一種。一般的例行程序包括4個(gè)階段，包括在一臺(tái)Viper單元上磨削杉樹形和護(hù)罩，并對(duì)密封帶及開口護(hù)罩冷卻裝置進(jìn)行電火花加工，對(duì)氣膜和護(hù)罩部分中的冷卻孔進(jìn)行電火花鉆削，對(duì)定位銷釘進(jìn)行電火花去除加工，對(duì)鑄造過程中所用的核心孔進(jìn)行TIG焊接，對(duì)吹氣孔進(jìn)行鉆削，并在一臺(tái)CNC平面磨床上進(jìn)行最后拋光處理等。

柔性過程

Viper單元包括兩臺(tái)適合Viper技術(shù)的牧野A55加工中心以及兩臺(tái)三豐(Mitutoyo)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，所有這些機(jī)床都配備發(fā)那科(Fanuc_機(jī)器人。該單元的輸入采用一個(gè)滾動(dòng)傳送帶-配備錄像裝置以及夾具識(shí)別系統(tǒng)。

葉片鑄件是單獨(dú)標(biāo)代碼的，用一個(gè)客戶設(shè)計(jì)的空氣計(jì)量站來將它們安裝在一個(gè)柔性?shī)A具中，以便進(jìn)行加工。葉片通過一個(gè)鑄造銷釘固定在夾具中(固定位置為杉樹形部分的底部)，但卻可在通過機(jī)械式固定的滾珠接頭中自由運(yùn)動(dòng)。由該計(jì)量表對(duì)末端特征位置相對(duì)于葉片的氣膜部分進(jìn)行最佳配合分析，并且當(dāng)所有測(cè)定的特征都在其名義位置30微米范圍以內(nèi)時(shí)自動(dòng)在該位置裝夾。位于輸入傳送器上的攝像系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)讀取葉片序號(hào)和夾具ID，自動(dòng)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到(為各個(gè)被處理葉片而自動(dòng)建立的)歷史文件中。

用于磨削的葉片安裝在一個(gè)肘節(jié)式柔性?shī)A具中。
這樣可以通過采用客戶開發(fā)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)相對(duì)于葉片形狀對(duì)零件的杉樹形和護(hù)罩端進(jìn)行正確裝夾。
當(dāng)達(dá)到最佳調(diào)節(jié)時(shí)，夾具被自動(dòng)鎖緊到位
葉片的特征是通過兩道操作完成的，總共17分鐘。第一道操作用12分鐘，第二道操作用5分鐘，因此該單元讓一臺(tái)機(jī)床完成兩道操作，而讓另一臺(tái)只進(jìn)行第一道操作，通過這種方式對(duì)機(jī)床工作量加以均衡。借助Erowa夾具在機(jī)床和夾緊裝置上的裝夾位置，工件在加工中心和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上的定位可以高度重復(fù)。所有加工由采用一系列預(yù)成形砂輪完成的磨削過程組成。這些砂輪以與普通銑刀一樣的方式安裝，并在裝夾過程中針對(duì)計(jì)算機(jī)生成的形狀模型進(jìn)行檢查。

在第一道操作完成后，將葉片送到其中一臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上加以檢查。Rolls-Royce可以在此階段采用自適應(yīng)加工軟件進(jìn)行自動(dòng)特征修正，它可以為第二道操作自動(dòng)調(diào)節(jié)CNC程序的參數(shù)。小組成員Terry Shaw說，對(duì)于杉樹根形狀±14微米的公差，該過程實(shí)現(xiàn)了1.42的Cpk。

在磨削完成后，要對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行清洗，然后將它們送到夏米爾電火花成形加工機(jī)床上-用于加工密封帶的槽及開設(shè)護(hù)罩冷卻特征。該操作比較獨(dú)特的方面是Rolls-Royce將正常的電火花加工做法反過來了：將零件夾具裝到主軸套筒上，用于加工的電極裝到切削液內(nèi)三個(gè)固定位置上。用于加工的葉片以堆疊的方式裝在四個(gè)通用夾具上。然后將這些夾具裝在機(jī)床的電極更換裝置上，由主軸套筒提取工件，并采用C軸定位功能與所需要的電極對(duì)準(zhǔn)。這樣就可以在離線的情況下完成所有裝夾，從而提高了加工效率。

同樣，對(duì)冷卻孔進(jìn)行電火花鉆孔所必須進(jìn)行的葉片裝夾也實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化。每條生產(chǎn)線有12臺(tái)電火花鉆孔機(jī)床，將它們布置成一個(gè)完全自動(dòng)的單元。每臺(tái)機(jī)床都可以采用預(yù)先成形的裝有多個(gè)管狀黃銅電極的裝置鉆削一種類型的孔。鉆削過程采用去離子水作為電介質(zhì)實(shí)現(xiàn)較高的鉆孔速度。當(dāng)鉆削完成時(shí)，通過眼睛和錄像掃描方式檢查各個(gè)葉片，以確定所需要的孔型其外觀及位置正確-在25微米以內(nèi)。然后將葉片送去進(jìn)行最后精加工操作。

Hulands先生說，整個(gè)系統(tǒng)一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是具有很高的柔性。他說 ：“可以在2-3小時(shí)內(nèi)將生產(chǎn)線從一種葉片加工類型切換到另一種類型。在技術(shù)上還可以加工批量為一件的葉片?！?br>