涡轮制造中的专用夹具

西门子能源在柏林工厂开发并制造用于燃气轮机、蒸汽轮机以及其他能源技术应用的部件。在大型压气机导向环的制造过程中，高部件重量、严格公差和不断变化的几何形状交织在一起——在这些条件下，夹具技术对过程稳定性和自动化起着核心作用。

罗姆多年来一直为该工厂提供各种夹具，支持西门子能源的工作。为了实现大型压气机导向环加工的自动化，这家夹具技术供应商首次直接参与定制化解决方案的开发。

固定在夹具解决方案中的发电站涡轮机压气机导向环

“就这一应用而言，它是我们涡轮制造中仍相对少见的机器人辅助应用之一，”设备、工装与工艺团队负责人 Markus Zapke介绍道，“这里加工的是用于发电站涡轮机的压气机导向环。当时的需求是找到一种通用、自动化且灵活的夹具解决方案。”

在改造之前，该加工是在一个手动工位上进行的。由于噪音排放高，该工位被安置在一个隔音罩内，操作人员还必须佩戴听力保护装置。工作本身对体力要求高，且伴随着高强度负荷。在此背景下，职业安全也要求对现有流程进行改变。

灵活且保护工件的装夹

因此，对新夹具方案的要求相当广泛。除了安全且保护性地装夹工件外，还必须确保高重复精度和定心定位。此外，还需应对导向环不断变化的直径和不同的内环高度，以及分体式部件的加工。必须排除由夹紧力或过程力引起的变形。

西门子能源柏林工厂为大型涡轮导向环的自动化加工定制的夹具解决方案，使用铰接式机器人

此外，系统应能防止位置变化，如扭转、移动或抬升，能够利用现有的机床工作台（包括基座），并能与现有的加工系统进行通信。其他标准涉及从上方装载、为起重设备提供足够的空间、从内环侧能够良好地接触到外径，以及遵守职业安全和环境、健康、安全要求。

罗姆的销售工程师和技术联系人Matthias Barth特别指出了人体工程学方面的改进：“之前的手动夹紧解决方案主要依赖于操作者的感觉。现在，他主要负责放入工件，其余工作由技术完成。”

从概念到定制

该项目始于2022年底，源于生产计划部门的一个咨询。随后，讨论并评估了各种解决方案，包括外部专用机械设备制造商的方案。与此同时，西门子能源借鉴了在其他制造领域长期使用罗姆夹具的经验。Zapke表示：“我们使用罗姆的夹具已有几十年历史，其中包括直径达2000mm的卡盘。”

因此，这家来自松特海姆安代布伦茨的夹具技术供应商很早就被作为合作伙伴，参与到这项技术要求高的特殊解决方案中。目标是开发一种液压驱动的夹紧系统，既能适应不同的导向环几何形状，又适用于自动化操作。

从自动化的角度来看，负责引入机器人辅助制造解决方案的Dennis Wolf从一开始就陪伴着这个项目。他的重点在于将夹具技术可靠地集成到现有机器人系统中，以及其在后续操作中的实用性。

至此，基本框架已经确定。下一步是定义夹紧系统的具体技术要求。

对新夹具方案的要求通过生产计划部门与项目参与方的多次电话会议和现场会议得以具体化。其中，西门子能源生产计划部门的Tim Brückmann发挥了核心作用，他从用户和设备的角度整合了要求，并将其融入到设计中。

Markus Zapke（左）和Matthias Barth（右）在大型涡轮部件前，这些部件的精密加工是柏林工厂
的一项核心竞争力

出发点是将导向环直接安全地夹紧在机床工作台上，并结合高重复精度的定心定位。系统应能容纳不同的直径和变化的内环高度，即使是分体式部件，同时避免由夹紧力或过程力引起的变形。同样重要的是防止扭转、移动或抬升等位置变化。

此外，还有现有设备的边界条件：应继续使用现有工作台（包括基座），并且要求加工系统和夹紧系统之间能够协调通信。

装载应从上方进行，并为导向环、起重装置和吊索具提供足够的空间。为了便于加工，必须能从内环侧良好地接触到外径。除了满足职业安全的EHS要求外，重点还在于操作简便、运行坚固、维护需求低，以及夹紧元件的快速更换。

集成而非孤立的解决方案

夹紧装置的设计是在生产部门、计划部门和罗姆之间密切协调下完成的，他们设计并讨论了几种方案。
夹紧装置的订单于2024年夏季下达，2025年初交付。项目的一个要点是界定服务范围。“在我们看来，起初对于集成的深度缺乏共识，”Zapke坦率地描述，“甚至一度考虑过不再继续推进这个项目，直到得到管理层支持并明确了接口，才找到了共同的解决方案。”

从用户角度来看，将夹紧装置集成到包括调试在内的整个系统中至关重要，因为公司内部缺乏这方面的专业知识。在集成合作伙伴——Racontec公司的额外支持下，夹紧系统最终成功集成到现有设备中。

技术上，承载系统的现有基板需要承受夹具和工件的总质量，这也构成了一个挑战。现场的安装由一名罗姆服务技术人员陪同指导。由于操作人员从一开始就参与了项目，因此无需额外培训。

机器人辅助加工过程

在当前流程中，工件通过起重机放置在夹紧装置上，首先进行粗略定位，随后进行液压夹紧，接着是切削加工过程，加工完成后，工件被松开并运走。

“我们通过机器人引导的主流程实现了最大的效益。”Zapke 强调道。除了每个工件节省约10分钟的时间外，现在还可以用一个系统夹紧不同的导向环型号。同时，人工干预显著减少。

经验与评估

与复杂项目的通常情况一样，并非每个阶段都一帆风顺。回顾来看，尽早明确责任和接口被视为一个重要经验教训。因为在概念设计阶段就已经发现，无法完全覆盖所有潜在的工件型号。

“我们当然不可能考虑到我们产品未来可能出现的每一种设计变体，”Zapke确认道，“因此，不排除将来我们可能需要进行再次调整。”然而，夹具解决方案的模块化结构为此提供了相应的切入点。

如今，该夹紧系统已投入常规运行，并正在持续优化。更高的过程可靠性、为操作者改善的人体工程学以及缩短的加工时间，被视为重大进步。

从生产计划部门的角度来看，让最终用户尽早参与被证明是有利的。操作人员、维护人员和自动化技术人员能够在概念阶段就提出他们的要求，这简化了调试过程并提高了在日常生产中的接受度。

同时，该项目表明，针对大型工件的定制化夹具技术应被理解为工艺链中不可或缺的一部分，并对效率、质量和职业安全做出决定性贡献。

本文译自德国Werkstatt und Betrieb杂志

来源：荣格-《国际金属加工商情》

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