飛機發(fā)動機制造是一個競爭非常激烈的行業(yè)，針對周期性的市場需求，它需要大量投資和開發(fā)費用。盡管在歷史上成品發(fā)動機的復雜性意味著飛機和飛機框架制造商必須承受較長的訂貨與交貨之間的時間間隔，但競爭的壓力正迫使人們找尋更加精良且對市場做出更快響應的制造方法。在英國，發(fā)動機生產廠家Rolls-Royce已經(jīng)通過一種獨特的過程對這種挑戰(zhàn)作出了回應-用裝備砂輪的加工中心實現(xiàn)對鎳合金的柔性磨削。

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90年代作為一種用于加工鎳合金，替代CBN超級磨料和普通強力緩進給磨削技術的高性能技術而開發(fā)的。該過程已經(jīng)在Rolls-Royce的多個工廠應用，但是在德貝市的一個蝸輪葉片加工廠的應用卻是最全面的，其中有10臺適合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間從約100天降低到了15天。

Viper磨削過程涉及到采用預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。對于某個特定的葉片而言，加工“杉樹”根形和“護罩”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砂輪通過超級磨料加工技術加工鎳合金可以實現(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 ：“我們以前用強力緩進給磨削技術來加工這些特征。這種技術的目標在于進行大批量生產，機床裝夾時間必須以天計數(shù)，每個葉片需要通過大量機床才能加工完成。對這種技術而言，高壓葉片生產是一種存在瓶頸問題的加工過程。”因此該公司考慮采用CBN砂輪作為一種可選方式，但是Viper過程在性能方面實現(xiàn)了巨大的改善，從而改變了整個葉片加工的方式。

Viper的起源可以追溯到Rolls-Royce的工程師Peter Hill，他注意到在專用強力緩進給機床上有時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)在一個采用高壓冷卻液清洗刀具切削刃的鈦銑削項目中所獲得的經(jīng)驗，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。

這是裝備在一臺臥式加工中心上的磨削裝置。為裝備一臺適合該作業(yè)
的機床所需要進行的改動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達4年的合作開發(fā)項目，該公司最后開發(fā)出了如今所采用的過程。可能毫不奇怪，最重要的因素被證明是磨削易耗件和冷卻液。該項目還消除了人們對普通銑削主軸是否可以應對砂輪失衡這個問題的懷疑。
Hill先生說：“我們考慮了大量因素。我們必須確認打開的砂輪連接部分不會夾住磨削產生的微細切屑。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，但卻要在不產生泡沫的情況下能夠承受精細過濾過程。”

冷卻液過濾對Viper磨削取得成功是非常關鍵的。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過程因此避免了對砂輪切削刃產生腐蝕。

在磨削過程中，借助冷卻液可以降低切屑溫度，防止微細切屑粘到磨削介質上，同時射流還可將切屑沖刷干凈。這樣可以防止砂輪“鈍化”，從而無須進行中間修整。這一點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。

為了讓某臺加工中心適合Viper磨削過程，需要進行大量制造方面的改動。這些改動包括冷卻液傳送、金剛石修整器安裝以及密封和防護問題等。從過程這方面看，需要保持相同的冷卻液傳送軌跡，同時采用機床最多5個插補軸進行磨削。為此，牧野公司開發(fā)了一個兩軸CNC控制式冷卻液噴嘴，安裝在主軸端部周圍。由一個軸(U)提供回轉，從而既可以進行水平磨削，也可以進行垂直磨削；由另一個軸(V)提供噴嘴徑向定位，從而對砂輪磨損進行補償-這種磨損在加工循環(huán)中有時甚至有可能使砂輪直徑減少一半。

即使經(jīng)過這些改動，用這種方式裝備的牧野A55加工中心的成本依然低于強力緩進給磨床的成本。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小時或不到2小時的時間內實現(xiàn)不同零件之間的轉換。

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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。

Hopton先生說 ：“Viper所具備的技術優(yōu)點幫助我們向前推動了改革過程。在蝸輪葉片加工工廠，我們從批量制造轉到了精良制造過程。這方面的加工實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生產系統(tǒng)’的做法和方法提供了一種模式。這一點對于減少客戶從訂貨到交貨之間的時間是非常有用的。”

在英國給Rolls-Royce提供服務的分包機構中，有一種常見的說法是“40天發(fā)動機”。如今蝸輪葉片加工過程在實現(xiàn)該目標中起到了主要作用。在當前高壓葉片15天的訂貨到交貨時間中，實際上只有4-5天的加工時間，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這個時間還可以進一步縮短。

發(fā)動機中的每個高壓蝸輪葉片，諸如Rolls-Royce Trent，它所產生的馬力和賽車發(fā)動機產生的相同。這些葉片組成了成品發(fā)動機中所用葉片的28%左右，并且該公司將其生產一直保持在公司內部完成。位于德貝市的蝸輪葉片加工廠建造在一個具有同樣高技術的精密鑄件加工廠附近，該鑄件廠主要生產葉片毛坯，同時附近還有一個由第三方承包商經(jīng)營的熱處理廠。唯一不在工廠現(xiàn)場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，采用一臺機器人在加工中心和
三坐標測量機之間傳送裝在夾具上的葉片
葉片加工和設計都在位于德貝市的一座可擴建樓房中進行，它們之間通過一道玻璃墻分隔。由于安裝一套Viper生產單元的成本相對較低，因此Rolls-Royce已經(jīng)可以將一整條生產線用于葉片開發(fā)。設計者們傳統(tǒng)上必須從生產機械上“請求或借入”時間來開發(fā)新產品，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計和生產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領頭的小組負責的，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，一個重要的目標是保持生產流量，以便來自Viper過程的優(yōu)勢可以在整個制造過程中不被中斷。為了實現(xiàn)這一點，該小組將目標定于在可能的時候離線進行零件裝夾并將該過程自動化。該小組還努力避免依賴批量加工的技術。其中一種這樣的技術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列，同時還必須實施由兩階段組成的去除過程。
該工廠當前有5條相同的生產線(一條用于開發(fā)，四條用于生產)，同時還預留了第六條生產線的空間。每條生產線的裝備都一樣，均用于葉片加工，且號稱可以處理18種葉片類型中的任何一種。一般的例行程序包括4個階段，包括在一臺Viper單元上磨削杉樹形和護罩，并對密封帶及開口護罩冷卻裝置進行電火花加工，對氣膜和護罩部分中的冷卻孔進行電火花鉆削，對定位銷釘進行電火花去除加工，對鑄造過程中所用的核心孔進行TIG焊接，對吹氣孔進行鉆削，并在一臺CNC平面磨床上進行最后拋光處理等。

柔性過程

Viper單元包括兩臺適合Viper技術的牧野A55加工中心以及兩臺三豐(Mitutoyo)坐標測量機，所有這些機床都配備發(fā)那科(Fanuc_機器人。該單元的輸入采用一個滾動傳送帶-配備錄像裝置以及夾具識別系統(tǒng)。

葉片鑄件是單獨標代碼的，用一個客戶設計的空氣計量站來將它們安裝在一個柔性夾具中，以便進行加工。葉片通過一個鑄造銷釘固定在夾具中(固定位置為杉樹形部分的底部)，但卻可在通過機械式固定的滾珠接頭中自由運動。由該計量表對末端特征位置相對于葉片的氣膜部分進行最佳配合分析，并且當所有測定的特征都在其名義位置30微米范圍以內時自動在該位置裝夾。位于輸入傳送器上的攝像系統(tǒng)會自動讀取葉片序號和夾具ID，自動將數(shù)據(jù)存儲到(為各個被處理葉片而自動建立的)歷史文件中。

用于磨削的葉片安裝在一個肘節(jié)式柔性夾具中。
這樣可以通過采用客戶開發(fā)的調節(jié)系統(tǒng)相對于葉片形狀對零件的杉樹形和護罩端進行正確裝夾。
當達到最佳調節(jié)時，夾具被自動鎖緊到位
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，因此該單元讓一臺機床完成兩道操作，而讓另一臺只進行第一道操作，通過這種方式對機床工作量加以均衡。借助Erowa夾具在機床和夾緊裝置上的裝夾位置，工件在加工中心和三坐標測量機上的定位可以高度重復。所有加工由采用一系列預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計算機生成的形狀模型進行檢查。

在第一道操作完成后，將葉片送到其中一臺三坐標測量機上加以檢查。Rolls-Royce可以在此階段采用自適應加工軟件進行自動特征修正，它可以為第二道操作自動調節(jié)CNC程序的參數(shù)。小組成員Terry Shaw說，對于杉樹根形狀±14微米的公差，該過程實現(xiàn)了1.42的Cpk。

在磨削完成后，要對各個零件進行清洗，然后將它們送到夏米爾電火花成形加工機床上-用于加工密封帶的槽及開設護罩冷卻特征。該操作比較獨特的方面是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三個固定位置上。用于加工的葉片以堆疊的方式裝在四個通用夾具上。然后將這些夾具裝在機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準。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，對冷卻孔進行電火花鉆孔所必須進行的葉片裝夾也實現(xiàn)了完全自動化。每條生產線有12臺電火花鉆孔機床，將它們布置成一個完全自動的單元。每臺機床都可以采用預先成形的裝有多個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實現(xiàn)較高的鉆孔速度。當鉆削完成時，通過眼睛和錄像掃描方式檢查各個葉片，以確定所需要的孔型其外觀及位置正確-在25微米以內。然后將葉片送去進行最后精加工操作。

Hulands先生說，整個系統(tǒng)一個重要的優(yōu)點是具有很高的柔性。他說 ：“可以在2-3小時內將生產線從一種葉片加工類型切換到另一種類型。在技術上還可以加工批量為一件的葉片。”