突破透平葉片加工專機，大連科德邁出萬里長征第一步 -科工力量

【文/“科工力量”作者 高航】

近日，由大連科德數控有限公司自主研發生產的KTurboM3000五軸聯動卧式透平葉片加工專機圓滿結束了在某軍工單位的“試用期”，開始正式投入使用，進入“上崗作業”階段。這標誌着我國自主研發生產的首款透平葉片加工專機已經真正進入軍工生產領域。

眾所周知，以航空發動機、燃氣輪機和蒸汽輪機為代表的透平式動力機械(Turbine Engines)被稱為工業的心臟，製造業皇冠上的明珠，其加工製造難度非常大。而透平葉片(Turbine Blade)則由於形狀複雜，尺寸多樣，材料難切削，對表面質量要求極高，故而對加工製造工藝的要求則更加苛刻。於是大約從二戰以後開始，一類專門從事透平葉片加工的特種設備開始出現，這就是透平葉片加工專機。

為了滿足透平葉片加工的苛刻要求，透平葉片加工專機一般都要求同時具備大功率、大扭矩、高轉速、高給進速度和高穩定、高精度的特性，而大功率、大扭矩、高轉速和高給進速度的強力切削往往和高穩定、高精度的要求是背道而馳的，因此透平葉片加工專機對核心關鍵零器件的性能提出了極高的要求，並且必須採取一些特殊設計。

如此類設備一般都採用斜牀身設計，目的是為了降低Y軸運動組件的重心，提高整機加工過程中的穩定性；又如為了滿足大尺寸葉片的加工需求，此類設備都有兩個可同步旋轉的工件主軸，工件的根部和尖端分別通過兩套夾具裝夾在兩根工件主軸上，以提供強力切削所需的大扭矩，提高加工效率。此外，為了能夠高效加工形狀複雜的葉片，此類設備的數控系統都嵌入了帶有專用多軸聯動和刀路規劃算法的優化模塊，這些算法也是相關廠家的核心機密。

由於透平葉片加工專機研發和生產的技術門檻極高，因此長期以來，該設備的研發和生產都被壟斷在屈指可數的幾個歐洲高端機牀企業手裏，如意大利的帕爾帕斯(Parpas)，瑞士的斯達拉格(Starrag)和GF加工方案旗下的裏希蒂(Liechti)等。

其中斯達拉格是這個領域絕對的霸主，其地位絕不亞於荷蘭ASML在高端光刻機領域的地位，包括美國F-119、F-135、F-414和LeapX，英國EJ-200和湍達系列等先進航空發動機的核心和關鍵零部件的生產製造全部採用斯達拉格的透平葉片和整體葉盤(Blisk)加工專機；我國的兩機專項也得到了斯達拉格方面的大力支持，其為我國專門定製的柔性製造系統(FMS)已經開始服務於我國先進航空發動機和先進燃氣輪機的製造。

斯達拉格為我國定製的航發葉片柔性生產線

然而我國畢竟是一個航空航天大國，雖然永久中立國的設備不存在禁運問題，但是面對被昂貴的進口設備擠佔的大量經費空間，拿出自己的同類設備已經成為了一個不可迴避的要求。來自大連科德的KTurboM3000就邁出了打破歐洲壟斷的第一步。

KTurboM3000加工演示

與某些披着國產外衣，實則核心和關鍵零器件和數控系統主要依賴進口的自主品牌設備不同，KTurboM3000的數控系統、伺服電機、力矩電機、電主軸電機、工作主軸和擺頭等核心和關鍵軟硬件模塊均為科德自主研發，自主配套率達到了很高的水平。

在研發過程中，科德攻克了服務於大負載強力切削的動態高剛度設計、高性能伺服電機及其驅動技術、可抑制加工振動的雙滾珠絲槓驅動方式、大扭矩高剛度高精度B軸驅動技術和專用數控系統等核心和關鍵技術，實現了我國在此領域零的突破。

該設備推出之後，首先在無錫透平等企業投入生產，而後進入某軍工企業試用。試用的結果表明，該設備的性能完全滿足軍品加工需要，已被正式納入該企業的產品生產線。KTurboM3000的主要性能參數如下：

可以看到，KTurboM3000可加工最大直徑為700mm，最大長度為3000mm的工件；其刀具主軸（電主軸）最大功率達62kW，最大扭矩達204Nm，最高轉速達10000r/min；最大平移給進速度為30m/min，兩個旋轉自由度上的最大擺動速度分別為200r/min和50r/min；X/Y/Z軸平移定位精度可達0.012/0.01/0.01mm，重複定位精度為0.009/0.008/0.008mm；而兩個旋轉自由度上的角度定位精度可達10″,重複定位精度可達8″。

對於一台動力如此充沛，給進如此迅速的設備來説，能達到這樣的精度已經實屬先進。而KTurboM3000實際使用的情況也不負眾望，根據試用該設備的某軍工單位的負責人介紹，在用它代替同一個工序的進口設備之後，產品的加工效率提高了一倍甚至更多。

不過透平葉片加工專機這個市場和高端集成電路市場一樣，有着贏者通吃的殘酷法則，這就意味着任何新來者一旦進入這個市場，就將被毫不留情的推到和這個市場裏最頂尖的廠商同台較量的鬥獸場裏。日本某著名機牀廠商曾經想擠進這個市場，然而因為技術上和歐洲廠商的明顯差距，很快就被不由分説的淘汰出局，只好灰頭土臉的敗退到內燃機渦輪增壓器市場保全自己。

那麼KTurboM3000和業內最頂尖水平的差距有多大呢？我們以和KTurboM3000的體量和最大加工尺寸相近的斯達拉格透平葉片加工專機LX451為例來説明。LX451的主要性能參數如下：

可以看到，LX451除了最大加工尺寸略小（工件最大長度2800mm，最大直徑600mm），電主軸功率和扭矩(28kW/181Nm)遜色於KTurboM3000之外，其他的核心和關鍵性能指標都佔有絕對優勢。

其電主軸最大轉速可達18000r/min；最大平移給進速度為50m/min，比KTurboM3000快2/3；B軸的最大擺動速度達60r/min，也大於KTurboM3000的50r/min；在精度方面，LX451的平移定位精度可達0.009mm，角度定位精度可達6″；尤其是在重複定位精度這一關係到加工精度穩定性的核心指標上，LX451的表現更是可以用“令人咋舌”來形容：平移重複定位精度達0.0028mm，而角度重複定位精度也達到驚人了4″，也就是説LX在平移和旋轉軸上的重複定位誤差都不超過KTurboM3000的六成，有的指標甚至不超過KTurboM3000的三分之一，這樣的精度穩定性在當今世界的同類設備中可謂無與倫比。

另外，儘管使用了西門子840D數控系統，但斯達拉格的數控系統裏都帶有自己開發的優化模塊，尤其是在2005年收購英國自適應加工算法開發商TTL(Toolroom Technology Ltd.)之後，斯達拉格在航空發動機零部件加工算法方面的積澱已遠非其他廠商能望其項背。

從以上對比可以看出，儘管實現了國產透平葉片加工專機的零的突破，KTurboM3000和世界頂尖水平還有不小的差距。實際上在真正的生產場合中，KTurboM3000作為精加工設備只能用在航空發動機風扇葉片、燃氣輪機低壓壓氣機葉片和蒸汽輪機葉片等對加工要求不是非常苛刻的場合；而在加工先進航空發動機的高壓壓氣機葉片和低壓渦輪葉片（高壓渦輪一般是整體葉盤）以及燃氣輪機的燃氣渦輪葉片等高端產品的時候，KTurboM3000則只能作為粗加工設備使用，精加工設備只能選擇斯達拉格。事實上在前述的某軍工單位的生產過程中，KTurboM3000正是作為粗加工設備，代替之前的進口設備與斯達拉格的精加工設備配合，從而使得整個葉片的加工效率翻了一番的。

綜上所述，大連科德的KTurboM3000透平葉片加工專機實現了國產設備在該領域的零的突破，雖然性能與頂尖廠商差距明顯，但已經在特定場合實現了對進口設備的替代，並且實現了持續穩定運行，表現良好。萬里長征走出了第一步，以後的路充滿着艱險，但也不乏希望，讓我們期待國產高端製造設備更亮眼的表現吧。

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