Im Bereich der Luft- und Raumfahrt sowie der Energietechnik bestimmen Impeller als zentrale Leistungskomponenten direkt die Effizienz und Betriebsstabilität von Fluidmaschinen, basierend auf der Genauigkeit des Schaufelprofils (erforderliches Profil ≤ 0,03 mm) und der Konzentrizität zwischen Nabe und Schaufeln (≤ 0,02 mm). Ein Hersteller von Hochleistungs-Impellern stößt bei der Bearbeitung eines Titanlegierungs-Radialimpellers mit einem Durchmesser von Φ 300–500 mm an eine Grenze der herkömmlichen Fertigung: Es sind drei Arbeitsschritte notwendig – „Grobschruppen der Nabe auf einer Vertikalfräsmaschine → Präzisionsfräsen der Schaufeln auf einem 5-Achs-Bearbeitungszentrum → Nachbearbeitung der Anschlagfläche auf einer Horizontaldrehmaschine“. Mehrfaches Einspannen führt dabei zu einer Abweichung des Schaufelprofils von über 0,06–0,08 mm, was nach der Montage des Impellers zu einem aerodynamischen Wirkungsgradverlust von 12 % führt; außerdem beträgt die Bearbeitungszeit pro Werkstück bis zu 120 Minuten. Gleichzeitig weist die Titanlegierung (TC4) eine hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen sowie große Schneidverformungen auf. Die Werkzeugverschleißrate ist dreimal höher als bei Stahlteilen, und die Kosten für die Werkzeuge pro Schaufelrad liegen über 800 Yuan.
Um dieses Dilemma zu überwinden, hat das Unternehmen das Demagesen Precision VTC80B CNC-Vertikal-Dreh- und Fräszentrum eingeführt, um ein exklusives Bearbeitungssystem für Schaufelräder mit „einmaliger Spannfutter-Bearbeitung in einem vollständigen Prozess“ aufzubauen. Die Maschine verfügt über ein Bett aus Mineralguss (mit einer um 70 % verbesserten Schwingungsdämpfung im Vergleich zu Gusseisen), das durch einen Laserinterferometer dynamisch kompensiert wird (Positioniergenauigkeit kompensiert auf ± 0,007 mm) und ist kombiniert mit einer C-Achse, die von einem Drehmomentmotor angetrieben wird (Teilgenauigkeit ± 2,5 "). Die strukturelle Steifigkeit wurde mittels Finite-Elemente-Analyse optimiert, wodurch die radiale Schnittsteifigkeit 28 kN/mm erreicht und stabil die radiale Kraft von 18 kN während des Hochgeschwindigkeitsfräsens von Titanlegierungen aushält. Ausgestattet mit dem Siemens 840D SL CNC-System und einem taktilen messtechnischen Prüfgerät direkt an der Maschine (Messgenauigkeit ± 0,001 mm) ermöglicht sie die Echtzeit-Messung und -Kompensation des Schaufelprofils und erfüllt damit präzise die strenge Anforderung an den Konturgrad von ≤ 0,025 mm. Als Reaktion auf die besonderen Bearbeitungseigenschaften von Titanlegierungen ist die Maschine mit einem Flüssigstickstoff-Kühlsystem (Schnittzone-Temperatur gesteuert bei -10 ℃) und Hartmetall-Schneidwerkzeugen mit ultrafeiner Korngröße (einschließlich TaC-Beschichtung, Härte HRC68) ausgestattet, wodurch die Kaltverfestigung und Werkzeugbelagbildung wirksam unterdrückt werden.
Kundennutzungsszenarien
In Bezug auf technologische Innovation hat die Ausrüstung einen doppelten Durchbruch bei der ‚Prozessintegration + präzisen Oberflächensteuerung‘ in der Schaufelrad-Bearbeitung erzielt: Durch Integration eines Φ-1000-mm-Statikdruckspindels (maximale Drehzahl 1000 min⁻¹), eines 8-Stationen-Antriebsdrehkopfes (Y-Achsen-Hub ± 100 mm) und eines fünfachsigen Fräskopfes (Schwenkbereich ± 120 °) können in einem einzigen Arbeitsgang die Präzisionsdrehung des Radsatz-Außendurchmessers (Toleranz IT6), die Flächenpräzisionsfräsung der Schaufel (Kontur ≤ 0,025 mm), das Bohren von Ausgleichslöchern (Positionsgenauigkeit ≤ 0,05 mm) sowie das Schleifen der Bezugsanlagefläche (Ebenheit ≤ 0,01 mm) durchgeführt werden. Für die Bearbeitung komplexer Schaufelprofile wird ein innovativer ‚adaptiver Vorschubprozess‘ angewandt: Basierend auf Maschinen-Messdaten werden die Schnittparameter (Vorschub 30–80 mm/min) mithilfe von KI-Algorithmen in Echtzeit angepasst, wodurch die Materialabtragrate um 40 % gesteigert wird, während die Genauigkeit erhalten bleibt. Um dem Verformungsproblem von dünnwandigen Titanlegierungsschaufeln (Wanddicke 3–5 mm) entgegenzuwirken, wird die ‚gestufte Schritt-Schnitt-Methode‘ eingesetzt, bei der die Schnitttiefe jeder Schicht zwischen 0,1 und 0,3 mm kontrolliert wird, kombiniert mit einem starren Gewindebohrsystem (Gewinderange M6–M20), um eine Gewindebearbeitungsgenauigkeit der Güteklasse 6H sicherzustellen.
Kunde verarbeitete Fertigprodukte
Die Implementierungsergebnisse entsprechen vollständig den Standards für High-End-Ausrüstung: Der Bearbeitungszyklus pro Einzelteil wurde von 120 Minuten auf 65 Minuten verkürzt, und die tägliche Produktionskapazität stieg von 30 auf 58 Stück; Das Profil der Laufradbeschaufelung wird stabil mit ≤ 0,025 mm gehalten, die Koaxialität zwischen Nabe und Schaufel beträgt ≤ 0,015 mm, und die Oberflächenrauheit erreicht Ra0,4 μm, was vollständig den Anforderungen des SAE AS9100 Luft- und Raumfahrt-Qualitätsmanagementsystems entspricht; Die aerodynamische Effizienz des Laufrads hat sich um 10 % verbessert und hat die strömungstechnische Leistungsprüfung durch TÜV Rheinland in Deutschland bestanden; Durch tiefgekühlte Kühlung und Parameteroptimierung verlängerte sich die Werkzeuglebensdauer um 80 %, und die Kosten pro Laufradschaufelwerkzeug sanken auf 450 Yuan; Das auf der Anlage installierte intelligente Wartungssystem überwacht in Echtzeit Spindelschwingungen (Abtastfrequenz 2 kHz) und Werkzeugverschleiß. In Kombination mit der Analyse von Prozess-Big-Data stieg die Gesamtnutzungsrate der Anlage von 72 % auf 94 %, und die jährliche Stillstandszeit verringerte sich um 520 Stunden.
Die VTC80B hat einen Sprung von der 'qualifizierten Fertigung' zur 'präzisen, intelligenten Fertigung' von Titanlegierungs-Verdichterrädern vollzogen. „Unsere Verdichterräder wurden mittlerweile erfolgreich in Bereichen wie Flugzeugtriebwerke und Gasturbinen eingesetzt“, erklärte der technische Leiter des Unternehmens. „Sie haben nicht nur die Zulieferer-Zertifizierung von Pratt & Whitney bestanden, sondern erfüllen auch die strenge Anforderung eines störungsfreien Einzelbetriebs von 20.000 Stunden. Damit haben wir eine technische Hürde im High-End-Verdichterrad-Markt aufgebaut.“ Dieser Fall bestätigt, dass CNC-Vertikaldrehmaschinen durch die tiefe Integration von ‚mehrachsiger kollaborativer Architektur + Materialprozessanpassung + intelligenter Präzisionssteuerung‘ zum Kernequipment zur Überwindung von Leistungsbottlenecks in der Herstellung hochwertiger Verdichterräder geworden sind.
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