精密零件的磨削加工

坐落于美国加利福利亚的Form Grind 公司（以下简称：Form Grind），凭借其先进的精密磨床设备、创新的工艺以及经验丰富的技术人员，为包括美国主要航空设备制造商（OEM）及美国国家航空航天局（NASA）在内的客户加工关键零部件。Form Grind将最新的数控磨削技术分别应用于加工、工装及质检环节，从而在完成客户订单要求的基础上保证高质高效。事实上，在Cassini土星探测器和Maven火星探测器的外太空探索任务中，Form Grind就已经成为NASA戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Centre）指定的先进机械设备供应商。

Form Grind能对任何形状、轮廓的工件进行磨削加工，即使是类似航空发动机涡轮叶片、辅助发电机、机械涡轮增压器这类精密复杂的零部件。分析行星大气是Cassini土星探测器和 Maven火星探测器执行外太空任务的关键，这需要用到质谱仪。早在上个世纪60年代，美国国家航天局与欧洲航天局就开始把质谱仪放到了太空的卫星里用来检测太空中的各种有机物。而Form Grind的曲线磨床恰好能精确打磨出太空卫星质谱仪所需的钛合金双曲面四极杆。

1978年成立之初，Form Grind工厂还只是一个租用了4,000平方英尺（约372平方米）的生产车间，设备也仅有2台手动磨床；而如今，Form Grind已经发展为工厂占地达42,420平方英尺（约3,941平方米）的企业，还获得了ISO 9001:2008及AS9100标准认证。AS9100是DOD（美国国防部）、NASA(美国国家航空航天局）、FAA（美国联邦航空局）共同制定的航空航天业制造标准。

Form Grind为什么能够取得成功？这离不开联合磨削集团（United Grinding）旗下美盖勒机床公司（MÄGERLE）提供的20台高性能平面与成型磨床以及其他生产设备，它们保证了Form Grind的高精度产品制造。该公司以缓进给磨削技术见长，令金属切除率更高，相比传统工艺，磨削的精度也更高，切面更光滑。

数控技术

Form Grind加工的涡轮叶片，尺寸从几英寸到两英尺不等(1英尺=12英寸)，但无一例外的是公差都极小，规格尺寸极严谨。这是由于为了减少排放、提高效率，涡轮发动机的工作温度不断被提高，所以涡轮叶片往往需要复杂的外部轮廓和内部设计来适应高温作业。因此，涡轮叶片除了要满足尺寸的严格要求外，还必须将已经精确到克的重量误差控制到小数点后三位。

Form Grind副总裁兼总经理Gary Treichler介绍说：“尽管每年都会有些涡轮叶片大项目找上门，有些订单量甚至高达10万件，但我们更倾向于单件生产（注：单件生产指产品品种多，而每一种产品的结构、尺寸不同，且产量很少，各个工作地点的加工对象经常改变，且很少重复的生产类型。），所以大部分时候我们还是更倾向于选择一次性生产500-1,000件这样的订单。”Form Grind也因此填补了中端市场的一大缺口。

而令Form Grind能够真正高效处理不同批量的生产需求的背后英雄无疑是——数控技术。Form Grind最初的手动磨床还需要熟练技工守在机器旁进行操作，而进入数控时代，只需一个工作人员便可同时操作多台机器。

Gary Treichler表示：“我们并非严格意义上的无人操作，但操作人员只需每10-15分钟去了解一下机器的运行状况。数控技术使我们的操作更智能化。至少这十年来，虽然Form Grind的工人数量一直保持在50名左右。但由于采用了MÄGERLE公司的数控磨床，我们用同样的人力创造出了2倍的产出”。

Form Grind 加工的涡轮叶片，尺寸从几英寸到两英尺不等(1 英尺=12 英寸)，但无一例外的是公差都极小，规格尺寸极严谨。

快速完成订单对Form Grind来说至关重要。公司可能花一天时间来进行准备工作，接下来2-5天完成订单，紧接着就要马上进行下一个项目。有些订单可能会不停地重复生产。

工装制造

面对不同订单，Form Grind公司反应灵活、适应力强，这绝大程度要归功于工装夹具的设计及制造能力。Gary Treichler介绍说：“我们通过工装夹具与工件的完美配合来确保效率最大化。由此能够完成更多的工件加工，使我们获得最大的利益回报。”

当加工1-3英寸的小尺寸叶片时，Form Grind就会选择使用六点蜂窝嵌入式夹具，由于其特殊的结构一次装夹可以同时加工20件叶片。夹具在设计时就考虑零件的夹持方位，避免空磨的同时发生不同程度的切削操作，最大限度地提高了砂轮的使用效率。

当两套工装夹具组合工作时，总能保证一个待机，这样能确保磨床的持续作业。Gary Treichler指出，持续且精确的产出极大程度依赖于磨床的生产能力。比如说MÄGERLE磨床，齿轮直径20″，100马力，配备水冷主轴电机，一天能够运行20小时，一周工作六天。“要想在全球范围内保持竞争力，你的加工设备必须足够强悍并且能持续不断工作。”他还补充道，磨床的刚性和强度也至关重要。因为现在大多数燃气涡轮叶片都由硬质镍基合金制成。

通常，Form Grind定制化工装的复杂程度和持久度取决于具体的项目需求。比如需要磨削10万件叶片时，就会启用先进的、大容量的工装机具。这样一来，初期的设备投入无疑是巨大的，但只要后期高效运转起来就能很快收回成本。从另一方面来看，单次订单只需加工500-1,000件叶片的话，使用的将是同时夹持6-8个零件的工装，而不是同时加工20件叶片的那种，这样工装夹具的投入也就能与订单回报相匹配了。

加工策略

根据叶片尺寸、工件材料、公差要求等条件的不同，Form Grind为不同种类的涡轮叶片设置了各自的磨削工艺流程。“比如一些大尺寸叶片，我们可能需要进行缓进给磨削，避免往复磨削加工。而处理另一些小尺寸叶片时，我们可能会在其中一部分采用缓进给磨削，然后另一部分进行往复磨削。这不失为零件磨削的小窍门”。Gary Treichler说道。

集合营销、工装设计、工装制造和生产各方面意见后，Form Grind确定了自己的加工策略。Gary Treichler表示：“我们总在打破现有模式，试图找出最佳方案。在使用某一设备加工叶片的锯齿叶冠时，我们也会偶尔中断操作，然后更换其他工艺进行单独操作来试验其可行性。事实上并没有什么‘达成共识’的最佳操作方式。当你一旦投入生产，你就得务实一点，明白目标是什么，产量需要多少，而自己又有多少生产能力，如何最大化使用工具创造高效率。所有这些都是为了一个目标——减少生产周期，实现尽可能多的产出。”

然而，缩短循环周期必须要在保证正常生产的前提下进行。复杂的铸造工艺和新的工件材料都加重了叶片的整体制造成本。

Form Grind制造的涡轮叶片公差小、规范严格，规格从几英寸到几英尺不等，售价在1,000美元甚至更高。因此，必须花费精力在建立和验证一个可靠的过程上。Gary Treichler强调：“重要的是建立一个开放的参数结构，随时调整砂轮与速度、进给与冷却位置，这样才能高效的进行材料去除的同时保证不损坏工件。我们很自豪的是，Form Grind的废品率不足千分之一。我们的用户甚至说过，‘给Form Grind 100件叶片铸件，就能得到100件精密磨削过的叶片’。”

值得一提的是，叶片的规格可以通过双重检查进行核验。据Gary Treichler介绍，Form Grind常用的有两种：首先是在质检室用三坐标测量和30″的光学比较仪进行检查，接着才是让技术人员进行实际操作检查。在Form Grind车间就有超过25台不同类型的磨床，同时还有一个平面工作台可以让操作员利用硬质工具、不同类型的通止规、塞规来核验零件性能。

在最终的查验中，三坐标测量会将零件保持在一个自由状态，检查并验证叶片零件上夹具六点嵌入位置的尺寸特征。但是总体来说，这样并不能完全实现对叶片的全面检验，因为零件会根据不同的操作流程在设备之间发生移动。Gary Treichler解释说：“我们的检验能基本做到接近于100%覆盖，最后我们还会进行抽样检查。”

磨削技术的前景

Gary Treichler坚信磨削技术在精密零部件生产中起着决定性作用，尤其是在燃气轮机部件的生产中。他说：“企业生产通常都是进行高温加工，这就得想办法解决高温作业带来的设备零部件变形问题。譬如公差在0.002″的锯齿型叶冠能在高温下保持涡轮机运行的稳定性和精确度。而金刚石砂轮加工这类零件时，加工速度和质量都有着明显的优势。另一方面，数控磨床特有的缓进给磨削或成形磨削的优势则正好可以直接加工硬质材料。”