能源零件制造的新世界

近年来，对气候变化和全球二氧化碳水平的担忧使绿色能源更接近驾驶员的位置。根据国际能源署 (IEA) 的《全球能源评论》，大多数专家预计，到 2021 年，可再生能源将产生近 30% 的电力，其中风能和太阳能发电量分别增长 17% 和 18%。

尽管取得了令人瞩目的增长，但化石燃料继续主导市场，IEA 预测仅煤炭需求就将占所有可再生能源总和的 60%。因此，与能源相关的 CO2 排放量有望达到有史以来第二大的年度增幅，消除任何由大流行导致的温室气体浓度下降。

可以肯定，这是一个充满活力的行业，但有一件事是肯定的：全球能源消耗——无论其形式如何——将继续为机械车间和其他离散制造商创造新的机会。泵和涡轮机外壳、齿轮箱、风车根部、井口和钻井部件——这些只是能源 OEM 及其一级供应商每天生产的一小部分部件，其中许多部件非常大、重，并且由具有挑战性的材料制成，如 Inconel 和双相钢。

要么做大，要么回家

大型零件需要大型机器、大型工件夹具和大型切削工具——所有这些都需要大量投资。俄亥俄州洛兰市 Absolute Machine Tools Inc. 的销售副总裁 Klaus Miller 很乐意帮助解决其中的第一个问题。他指出，能源和航空航天市场在过去两年中一直很缓慢，尽管随着疫情最严重的时期有望过去，两者似乎都在回升。

“我们是友记和其他品牌数控机械的进口商，”米勒说。 “You Ji 为他们的一些大型设备配备了静压工作台轴承，使其在能源部件制造商中颇受欢迎。这是因为这些机床可以处理在这个和其他加工领域遇到的极重负载，并且由于这个特性提供了出色的长期精度。”

在最近的一个例子中，Absolute 安装了一台带有 4 米工作台的友机立式转塔车床 (VTL)。购买它的公司加工大型能源工件，Miller 表示，随着 2006 年清洁能源投资的增加，该公司表现强劲，但大约十年后，随着制造业转移到中国、罗马尼亚和其他低成本供应商，该公司开始逐渐减少.这种新装置可能预示着长期趋势的逆转。

今年早些时候，Absolute 还为当地客户安装了一台大容量镗床。尽管车间管理人员没有透露具体的应用，但他们确实告诉米勒它是用于能源工作的，并且它必须具有 35,000 磅力（155.7 kN）的负载能力。 “他们已经有了约翰福德桥式磨坊，但需要更大的磨坊，”他说。 “这里再次证明，在静压轴承和机器的绝对质量之间——130,000 磅（58,967 千克）——它是正确的解决方案。”

越重越好

在比皮卡车大的零件中进行重切削并争取精度时，机器质量显然很重要。米勒和其他人认为，如今很少有机床制造商“像以前那样制造”，因此许多机械车间选择用 CNC 控制装置改造他们的 Lucas、Giddings &Lewis 和其他旧熨斗。虽然这无疑是延长一项巨大投资的使用寿命的绝佳方式，但有时即使是最好的设备与现代同类产品相比也会有所不足，无论它更新了多少次。

工厂最大化这些投资的另一种方法是利用其大型零件加工能力扩展到能源市场之外。例如，国防工业是超大型零件的重要用户，采矿业、农业和建筑业也是如此。然而，处理此类工作意味着车间必须投资于灵活的机床，这些机床可以轻松适应各种零件，并拥有最大限度地减少停机时间的功能。

马萨诸塞州萨德伯里的 Methods Machine Tools Inc. 的 Kiwa Japan 和 OKK Japan 产品技术支持总监和产品经理 Bernard Otto 就如何实现这一目标提出了一些建议。他指出，许多 Methods 的客户都支持压裂行业，生产泵、外壳和类似的大型部件。在这里具有竞争力不仅意味着有效地从铸钢件和锻件中去除大量材料，还意味着始终保持主轴转动。

“高主轴利用率要求操作机器的人员能够快速、准确、最重要的是安全地将 17,000 磅（7,711 千克）的零件进出机器，”他说。 “在大多数情况下，最好使用托盘更换器来完成。”

深入研究

Otto 还指出，具有广泛的主轴速度范围也带来了类似的灵活性。他说，这个领域的许多加工中心都拥有 50 锥度齿轮主轴箱，只有高速和低速两个范围，最大转速为 3,600 rpm。这限制了他们的主人使用小钻头和铣刀或加工铝合金的能力。

“OKK 是少数提供三个齿轮范围和高达 6,000 rpm 的制造商之一，例如，允许其客户使用大型面铣刀进行非常积极的切削，并在需要时使用更小的切削刀具，”Otto 说。 “这使得它们对于必须生产各种工件的车间来说更加通用。”

其他需要寻找的功能包括用于重型钻孔作业的高 Z 轴推力、用于自动液压工件夹持的集成管道，以及在镗床上，能够将套筒（W 轴）锁定到位，从而在粗加工深度时大大提高刚性口袋。正是出于这些和其他原因，Otto 同意 Absolute 的 Miller 的观点，即跟上当前的机床技术对于希望尽可能保持竞争力的商店来说是一条明确的前进道路。

但对于能源制造商和其他需求波动的人来说，最重要的建议可能是让他们的机器保持开启并全面运行。对于具有很强周期性的石油和天然气行业以及拥有早已获得报酬并且往往在工作之间闲置的机械资产的公司而言尤其如此。

Otto 说：“在这些情况下，我们的服务部门经常会接到客户的电话，试图启动一台几个月甚至几年未使用的机器，却发现轴被冻结或电子元件已损坏.这就是为什么我们告诉商店定期循环他们的机器，更好的是，将它们安排在授权经销商的预防性维护计划中。这样做有助于避免一些不愉快的意外，无论机器品牌、尺寸或工作类型如何。”

始终如一地抓握

Braden Damman 赞同对液压工作夹具的需求，尽管他很快指出前面提到的集成管道不是先决条件。 Damman 位于堪萨斯州恩波里亚的工件夹持组件供应商 Vektek LLC 的应用工程师指出，还有几个额外的配置选项可供选择，包括工件夹持夹具本身与液压系统相连并由外部“蓄能器”提供动力的配置选项，该装置可保持压力在加工过程中在系统上。

无论采用哪种方法，液压夹具在一致性和可靠性方面都是明显的赢家，如果不是在价格方面。 “在大多数应用中，液压是最昂贵的解决方案，尽管初始成本很快被生产力提高所抵消，”达曼说。 “它消除了手动夹紧方法所见的变化，是自动化过程的必需品。”

具有讽刺意味的是，Damman 被要求协助处理的大部分大型能源零件工作夹具用于二次操作。 “我们看到相当多的燃气轮机部件具有某种精细的细节和非常严格的公差，”他说。 “在这些应用中，客户通常希望将零件安装在 CNC 磨床上进行精加工，此外还需要自动化。由于其高重复性，液压夹具几乎总是首选方法。”

伊利诺伊州威灵市工件夹持专家 SMW Autoblok Corp. 的总裁拉里·罗宾斯 (Larry Robbins) 是可重复夹紧的忠实拥护者，但他指出，由于大型零件的可变性，经常需要重新定位它们。 “无论是锻件还是铸件，只要直径超过一米左右，您几乎总是需要一种方法来调整其在卡盘内的位置，”他说。 “我们使用手动和液压卡盘提供独立卡爪调节功能已有 25 年的历史了，但在过去几年中，我们将该功能扩展到了我们的电动工作夹持产品系列。”

高能工件夹具

Robbins 解释说，该公司的 MM e-motion 卡盘具有获得专利的线性定位系统 (LPS)，允许操作员自动或以其他方式通过接触式探头测量零件在机器中的位置，将位置信息发送到控制器并拥有卡盘相应地使零件居中。每个钳口均由其自己的“电动机”供电和控制，该电动机又由电感耦合器驱动，从而使系统可用于固定或旋转应用。可容纳最大 1,250 毫米的所有形状和尺寸的零件，以及夹持力的修改，即使在加工零件时也是如此。

正如这里的其他几位所言，Robbins 和 SMW Autoblok 在过去两年中经历了能源和航空航天领域的放缓，尽管两者最近都有所上升。有趣的是，他开始看到石油和天然气行业对能够夹持更大管道的卡盘的需求，从工件夹持和机床的角度来看，这一要求都具有挑战性。

“过去，我们重新设计了主夹爪以增加现有卡盘的容量，但考虑到通孔为 24 英寸（610 毫米）的要求，我们现在面临着全新的产品设计，”他说。如此大的直径也给车床的主轴轴承带来了沉重的负荷。我们可以通过使用中心架来缓解这一点，但在这里，我们又一次接近了现有工件夹持技术的极限。能源供应商正处于创造一个全新的市场。”

同意自动化

位于俄亥俄州西切斯特的自动化系统供应商 Fastems LLC USA 也看到了对新技术的类似需求。区域销售经理 Loy McEldowney 表示，能源行业传统上采用自动化零件处理的速度很慢，尽管由于熟练劳动力持续短缺，这种心态已经开始改变。 “像许多行业一样，他们正在失去专业知识，别无选择，只能尽可能实现自动化。”

这需要几件事。前面描述的托盘更换加工中心之一是一个很好的起点，紧随其后的是某种形式的自动工件夹持。除了已经讨论过的液压和电子夹具外，还可以使用空气或机械激活的零点定位系统。 McEldowney 说，此类系统的固定旋钮通常直接安装在大型工件上，配合接收器连接到托盘上。

也许最重要的是开发稳定、可预测的过程。这项任务对任何机加工零件都具有挑战性，尤其是对于能源制造常见的小批量、高混合工作。即便如此，越来越多的石油和天然气零部件供应商正在这样做。

McEldowney 说：“证明对自动化和后续工艺开发的投资的合理性并不需要像相当可重复的订单那样多。” “对于与客户签订长期协议并且可以预见未来 18 到 24 个月会发生什么的公司来说，花钱购买专用固定装置、放置它们的托盘以及自动化甚至半自动化存储系统。当订单出现时，他们所要做的就是装载托盘、调用程序并运行零件。对于那些拥有我们的 MMS（制造管理软件）系统和集成单元控制器的人来说，他们可以做到无人值守。无论哪种方式，它都能让小批量生产变得非常高效。”