科工力量：突破透平叶片加工专机，大连科德迈出万里长征第一步
2017-11-21 14:41:33
【文/“科工力量”作者高航】
近日，由大连科德数控有限公司自主研发生产的KTurboM3000五轴联动卧式透平叶片加工专机圆满结束了在某军工单位的“试用期”，开始正式投入使用，进入“上岗作业”阶段。这标志着我国自主研发生产的首款透平叶片加工专机已经真正进入军工生产领域。
众所周知，以航空发动机、燃气轮机和蒸汽轮机为代表的透平式动力机械(TurbineEngines)被称为工业的心脏，制造业皇冠上的明珠，其加工制造难度非常大。而透平叶片(TurbineBlade)则由于形状复杂，尺寸多样，材料难切削，对表面质量要求极高，故而对加工制造工艺的要求则更加苛刻。于是大约从二战以后开始，一类专门从事透平叶片加工的特种设备开始出现，这就是透平叶片加工专机。
为了满足透平叶片加工的苛刻要求，透平叶片加工专机一般都要求同时具备大功率、大扭矩、高转速、高给进速度和高稳定、高精度的特性，而大功率、大扭矩、高转速和高给进速度的强力切削往往和高稳定、高精度的要求是背道而驰的，因此透平叶片加工专机对核心关键零器件的性能提出了极高的要求，并且必须采取一些特殊设计。
如此类设备一般都采用斜床身设计，目的是为了降低Y轴运动组件的重心，提高整机加工过程中的稳定性；又如为了满足大尺寸叶片的加工需求，此类设备都有两个可同步旋转的工件主轴，工件的根部和尖端分别通过两套夹具装夹在两根工件主轴上，以提供强力切削所需的大扭矩，提高加工效率。此外，为了能够高效加工形状复杂的叶片，此类设备的数控系统都嵌入了带有专用多轴联动和刀路规划算法的优化模块，这些算法也是相关厂家的核心机密。
由于透平叶片加工专机研发和生产的技术门槛极高，因此长期以来，该设备的研发和生产都被垄断在屈指可数的几个欧洲高端机床企业手里，如意大利的帕尔帕斯(Parpas)，瑞士的斯达拉格(Starrag)和GF加工方案旗下的里希蒂(Liechti)等。
其中斯达拉格是这个领域绝对的霸主，其地位绝不亚于荷兰ASML在高端光刻机领域的地位，包括美国F-119、F-135、F-414和LeapX，英国EJ-200和湍达系列等先进航空发动机的核心和关键零部件的生产制造全部采用斯达拉格的透平叶片和整体叶盘(Blisk)加工专机；我国的两机专项也得到了斯达拉格方面的大力支持，其为我国专门定制的柔性制造系统(FMS)已经开始服务于我国先进航空发动机和先进燃气轮机的制造。
斯达拉格为我国定制的航发叶片柔性生产线
然而我国毕竟是一个航空航天大国，虽然永久中立国的设备不存在禁运问题，但是面对被昂贵的进口设备挤占的大量经费空间，拿出自己的同类设备已经成为了一个不可回避的要求。来自大连科德的KTurboM3000就迈出了打破欧洲垄断的第一步。
KTurboM3000加工演示
与某些披着国产外衣，实则核心和关键零器件和数控系统主要依赖进口的自主品牌设备不同，KTurboM3000的数控系统、伺服电机、力矩电机、电主轴电机、工作主轴和摆头等核心和关键软硬件模块均为科德自主研发，自主配套率达到了很高的水平。在研发过程中，科德攻克了服务于大负载强力切削的动态高刚度设计、高性能伺服电机及其驱动技术、可抑制加工振动的双滚珠丝杠驱动方式、大扭矩高刚度高精度B轴驱动技术和专用数控系统等核心和关键技术，实现了我国在此领域零的突破。
该设备推出之后，首先在无锡透平等企业投入生产，而后进入某军工企业试用。试用的结果表明，该设备的性能完全满足军品加工需要，已被正式纳入该企业的产品生产线。KTurboM3000的主要性能参数如下：
可以看到，KTurboM3000可加工最大直径为700m，最大长度为3000mm的工件；其刀具主轴（电主轴）最大功率达62kW，最大扭矩达204Nm，最高转速达10000r/min；最大平移给进速度为30m/min，两个旋转自由度上的最大摆动速度分别为200r/min和50r/min；X/Y/Z轴平移定位精度可达0.012/0.01/0.01mm，重复定位精度为0.009/0.008/0.008mm；而两个旋转自由度上的角度定位精度可达10″,重复定位精度可达8″。
对于一台动力如此充沛，给进如此迅速的设备来说，能达到这样的精度已经实属先进。而KTurboM3000实际使用的情况也不负众望，根据试用该设备的某军工单位的负责人介绍，在用它代替同一个工序的进口设备之后，产品的加工效率提高了一倍甚至更多。
不过透平叶片加工专机这个市场和高端集成电路市场一样，有着赢者通吃的残酷法则，这就意味着任何新来者一旦进入这个市场，就将被毫不留情的推到和这个市场里最顶尖的厂商同台较量的斗兽场里。日本某著名机床厂商曾经想挤进这个市场，然而因为技术上和欧洲厂商的明显差距，很快就被不由分说的淘汰出局，只好灰头土脸的败退到内燃机涡轮增压器市场保全自己。
那么KTurboM3000和业内最顶尖水平的差距有多大呢？我们以和KTurboM3000的体量和最大加工尺寸相近的斯达拉格透平叶片加工专机LX451为例来说明。LX451的主要性能参数如下：
可以看到，LX451除了最大加工尺寸略小（工件最大长度2800mm，最大直径600mm），电主轴功率和扭矩(28kW/181Nm)逊色于KTurboM3000之外，其他的核心和关键性能指标都占有绝对优势。
其电主轴最大转速可达18000r/min；最大平移给进速度为50m/min，比KTurboM3000快2/3；B轴的最大摆动速度达60r/min，也大于KTurboM3000的50r/min；在精度方面，LX451的平移定位精度可达0.009mm，角度定位精度可达6″；尤其是在重复定位精度这一关系到加工精度稳定性的核心指标上，LX451的表现更是可以用“令人咋舌”来形容：平移重复定位精度达0.0028mm，而角度重复定位精度也达到惊人了4″，也就是说LX在平移和旋转轴上的重复定位误差都不超过KTurboM3000的六成，有的指标甚至不超过KTurboM3000的三分之一，这样的精度稳定性在当今世界的同类设备中可谓无与伦比。
另外，尽管使用了西门子840D数控系统，但斯达拉格的数控系统里都带有自己开发的优化模块，尤其是在2005年收购英国自适应加工算法开发商TTL(ToolroomTechnology Ltd.)之后，斯达拉格在航空发动机零部件加工算法方面的积淀已远非其他厂商能望其项背。
从以上对比可以看出，尽管实现了国产透平叶片加工专机的零的突破，KTurboM3000和世界顶尖水平还有不小的差距。实际上在真正的生产场合中，KTurboM3000作为精加工设备只能用在航空发动机风扇叶片、燃气轮机低压压气机叶片和蒸汽轮机叶片等对加工要求不是非常苛刻的场合；而在加工先进航空发动机的高压压气机叶片和低压涡轮叶片（高压涡轮一般是整体叶盘）以及燃气轮机的燃气涡轮叶片等高端产品的时候，KTurboM3000则只能作为粗加工设备使用，精加工设备只能选择斯达拉格。事实上在前述的某军工单位的生产过程中，KTurboM3000正是作为粗加工设备，代替之前的进口设备与斯达拉格的精加工设备配合，从而使得整个叶片的加工效率翻了一番的。
综上所述，大连科德的KTurboM3000透平叶片加工专机实现了国产设备在该领域的零的突破，虽然性能与顶尖厂商差距明显，但已经在特定场合实现了对进口设备的替代，并且实现了持续稳定运行，表现良好。万里长征走出了第一步，以后的路充满着艰险，但也不乏希望，让我们期待国产高端制造设备更亮眼的表现吧。