图1  在涡轮机元件的制造过程中，首要问题是保证顶级的质量，以及其生产工艺，例如车削、铣削、拉削、珩磨和磨削加工等，其使用方法包括激光钻孔、线性摩擦焊接和旋转铣削加工

相比较其他发动机而言，飞机发动机的可靠性应该非常高，并且要求长久使用。Rolls-Royce公司和MTU公司在加工难切削的发动机零件时，对发动机零件的生产也提出了同样的要求。

慕尼黑MTU Aero Engines Holding公司是一家飞机发动机制造商，随着订货品种的不断变化，公司的生产方式开始发生转变。目前，由于要保证顶级的加工质量，车间需要采用一种最有效的加工方法，而钣金成形加工成为了车间中从未有过的困难焦点。车间中的生产工艺包括车削、铣削、拉削、珩磨和磨削加工等，现在使用的方法有激光钻孔、线性摩擦焊接和旋转铣削加工。“我们是按照量体裁衣的方式满足需求的，”转子/定子生产服务部主任Michael Keller先生说，“因为我们加工的是耐高温合金，因此不能使用现有的机床系统进行加工。这些加工系统往往需要按照我们的要求作一些微小的改造，以使其达到额定的刚性和我们所需要的切削速度。”其中，车铣复合的DMC 125 FD Duoblock车铣加工中心就是一个很好的例子，该加工中心由机床制造商Gildemeister DMG公司提供，现安装在生产厂的车间内。机床中的附件包括配置在机床上的一个刀具保持架，用于提高机床的刚性，以及一根传动功率为28kW的主轴，在350r/min的转速下，其扭矩可达3600 Nm。这台机床将重达23kg的高刚性镍金属块加工成一个15kg重的涡轮喷气出口外壳，其加工精度达20μm。

在另一个加工车间里，还有一台真正创造世界纪录的大型机床——用于拉削工件外形直径达1500mm的世界最大的拉床，该机床由位于Pforzheim市的Hoffmann Raeumtechnik公司提供。根据不同的工件，其凹槽的工艺定位时间需花费45min~9h。CFG圆盘上74个凹槽的定位，如按15 m/min的操作速度计算，需要花费300min。由粉末冶金烧结的T15刀具由美国和意大利供货。为避免极端磨损的情况出现，它们需要重新磨削加工达15次之多。其质量规格要求也是非常明显的，其生产公差精度要求达到5μm。

如果工件超过了现有加工方法的极限，MTU公司也会偶尔采用一次性开发的产品。例如涡轮机叶片的空气冷却孔，为了降低叶片的温度，提高发动机的效率，有时就需要采用特殊的成形方法。这种成形孔由圆柱形部分和漏斗形部分组成，通常采用EDM放电加工成形，但加工时间特别长，对机床的损耗也非常大。军事程序部主任Roland Fischer博士说：“我们与合作伙伴一起于1999年决定开发激光打孔机的样机，采用这种装置可以加工不同形状的孔径。”合作伙伴包括DMG的子公司Lasertec激光技术公司、Erlangen大学、慕尼黑技术大学和戴-克公司。2003年DML 80 Power Drill激光成形打孔机样机诞生，它可以在800mm×600mm×600mm的工件表面上进行铣削和切削加工。该机床的进给速度为120m/min，加速度>1g。Fischer先生认为，该工艺的钻削加工精度很高，这是采用其他加工方法不可能达到的。他对这一加工设备的细节这样描述：“这是一台普通的激光钻孔系统，但它与材料切削和刻字激光器组合在一起。事实证明，该装置的新技术比我们想象的更容易掌握。”所有的轴上配有线性马达，从而使加工时间进一步降低了20%。然而，在加工中，其实际先进性体现在激光器的材料切削性能方面：与EDM放电加工相比较，其加工时间几乎缩短了90%，而机器的成本费用降低了70%。

图2  MTU公司采用生产设备，例如HSC机床，用于铣削加工涡轮机的零件

采用特殊的工艺是正常的

甚至还有一项更奇特的工艺，这就是超声波抛丸处理工艺。普通的抛丸清理工艺对处理新型的超薄发动机零件都具有一定的物理局限性。因此需要采用一种特殊的工艺来加工这种表面，同时又不允许工件变形，这种工艺对小圆角半径的成形甚至可以达到更高的精度。超声波抛丸处理的工作原理相当于一个以极高速度振动的高音喇叭，操作人员将细小的盐粒抛洒到这一装置上，通过其高频振动达到表面抛光的目的。有一家实验室专门开发了一种叶片抛丸处理机。Fischer先生声称：“这种抛丸处理装置不但可以提高表面硬度，而且还可以去除叶片上的毛刺。”在新技术的基础上，使生产效率提高了两倍。

在Rolls-Royce公司，生产工艺已经作为公司的长远战略核心。设立在Oberursel市的德国Rolls-Royce公司生产工程技术部经理Gregor Kappmeyer博士深信不疑地说：“加工工艺决定着一切。它决定了机床的平台、零件的生产顺序、支撑方式、基本结构以及生产利润和生产成本。”然而，为了达到这一目标，在生产方式上需要进行重大的变化。Kappmeyer博士作为工业专家，最近在Nürnberg市举办的技术讲座上，做了有关航天工业发展趋势的演讲，列举了Rolls-Royce公司如何将陶瓷元件的生产成功地应用于高速CBN车削加工工艺的例子，由于这一接近净形成形的工艺，从而使23个生产工序降低到15个生产工序。

图3  世界最大的拉床，其工件的最大加工直径可达1500 mm

“在Rolls-Royce公司的生产车间内创建了一种‘旋转系统’，一种民用航空中的中型发动机中使用的旋转驱动元件。显然是由于其生产线有条不紊的组织，才使得该公司能够在单批生产中制造出几种不同特殊系列的元件产品，这就极大程度地减少了相关的加工时间。因而，我们每种元件的年产量从几个增加到了几百个。2007年，该公司共生产了发动机上使用的1500个压缩机高压鼓。
该公司内使用的生产技术包括从零件的组装和机械加工到表面处理，如抛丸处理和各种喷涂技术。尽管涉及生产的零件数量极少，但发动机制造厂计划引进类似于汽车工业中使用的那些生产工艺。Kappmeyer先生解释说：“我们产品的寿命远远比汽车工业生产的那些零件长得多，因此，我们在设计生产线的时候也必须从经济性的角度考虑，以使这种生产战略能够让我们顺利地转换到新的生产技术和机床概念上。”
车间内的关键加工工艺包括车削、钻削和铣削加工。特殊的几何形状采用磨削加工（如齿轮）、拉削加工（如轴向凹槽）、机电结合方式的金属加工（例如带曲面的孔径）和打毛刺。公司在这里采用了一种双重加工方法。Kappmeyer先生解释说：“作为铣床的补充，我们最近引进了一种机器人打毛刺系统。”

图4  Gregor Kappmeyer博士是设立在Obrusel市的德国Rolls-Royce公司生产工程技术部经理。他说：“加工工艺决定着一切。它决定了机床的平台、零件的生产顺序、支撑方式、基本结构以及生产利润和生产成本。”

Rolls-Royce的新工艺

锻件在这一行业中起着非常重要的作用，由具有生产航空材料资质的和声誉卓越的公司承担，如Leistritz Turbinenkomponenten Remscheid公司和Otto Fuchs公司。Rolls-Royce公司收到的锻件毛坯已经过预车削加工和超声波检测，然后按照及时交货的方式，作为半成品件，一件一件地送入生产线进行加工。

今后用于生产压缩机元件的技术将会涉及到“Blisk技术”，其中驱动盘用集成叶片生产。Kappmeyer先生说：“在应用‘Blisk技术’时，对于其集成叶片，我们特别关注机床的基本概念、刚性、动态反应、可接近性和模拟工具。”Rolls-Royce公司需要模拟工具，因为叶片几何形状的5轴加工任务是高度复杂的。还有一个因素使航空工业的生产不同于其他工业：其目标是“一次成功”。对于飞机零件制造商而言，有时候如果零件的单价超过50000欧元，就不可能制造多个样机或试验元件进行“实验”，这时Rolls-Royce公司就会引进切实可行的新工艺来完成加工任务。

尽管生产工艺在全球实现了标准化，但在以前，有些汽车制造公司是没有严格的技术规范标准的。该公司的生产专家解释说：“在整个公司，我们正在坚持现有一贯的采购战略。尽管如此，德国Rolls-Royce公司对采购机床还有一定的自由度，但始终执行‘最适合于工件加工’的原则。”因此，机床不但需达到所要求的生产能力、维护工作量少和工艺可靠性高，而且应能允许结合新的加工方法，如工艺监控等功能。Kappmeyer先生非常明白：“就我们的薄壁元件加工来说，我们十分渴望在将来购置一种车/铣组合式机床，如工件在一次性装卡以后，可以同时完成全部的车削和铣削加工任务。”