3 MW風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)軸數(shù)控加工工藝

凌瑋，于能浦，王亞東

(1.浙江科技學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江杭州 310023；2.浙江佳力風(fēng)能技術(shù)有限公司，浙江杭州 311241)

轉(zhuǎn)軸是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的重要組成零件。它一端與定軸、永磁鐵一起構(gòu)成發(fā)電機(jī)，另一端與輪轂連接。工作時(shí)，風(fēng)力驅(qū)動(dòng)輪轂上的葉片旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，經(jīng)齒輪箱變速，轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)從低速變高速，最后驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)工作。3 MW風(fēng)電轉(zhuǎn)軸零件圖見圖1。

圖1 3MW風(fēng)電轉(zhuǎn)軸零件圖 (主要尺寸)

1 轉(zhuǎn)軸技術(shù)要求和原加工工藝分析

3 MW風(fēng)電轉(zhuǎn)軸，材質(zhì)QT400-18AL，最大直徑3.76 m，質(zhì)量約7.3 t。從加工要求看，轉(zhuǎn)軸零件主要是軸、面、孔系加工，其中軸承檔外圓φ2 000(粗糙度Rz6.3相當(dāng)于Ra1.6)和限位孔12-φ260等為重要控制尺寸。

原加工工藝:第一步，上車床，以轉(zhuǎn)軸零件的兩個(gè)端面互為基準(zhǔn)經(jīng)過兩次翻轉(zhuǎn)三次安裝完成零件車削部分的粗、精加工;第二步，上鏜床，以前述加工完畢的端面為基準(zhǔn)兩次安裝完成零件鉆、銑的粗、精加工;第三步，用鉆模加工部分剩余孔系。該工藝優(yōu)點(diǎn):工序數(shù)量少，工種安排思路簡潔，占機(jī)床工時(shí)少，零件加工成本較低;缺點(diǎn):粗、精加工沒有嚴(yán)格分開，沒有安排熱處理工序，粗加工后的殘余應(yīng)力和后期鉆模加工都容易造成已加工孔的變形和尺寸逃逸。為此需要根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備狀況和加工能力，重新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軸加工工藝，穩(wěn)定并提高零件加工質(zhì)量。

2 轉(zhuǎn)軸數(shù)控加工工藝［1-2］

2.1 機(jī)床的選擇

由于轉(zhuǎn)軸體積、質(zhì)量較大，實(shí)際生產(chǎn)中選用DVT400數(shù)控立式車床、GMB40120數(shù)控龍門鏜銑床、TK6916數(shù)控落地鏜銑床3臺(tái)機(jī)床組合完成零件各要素加工。

2.2 數(shù)控加工工藝

根據(jù)零件的技術(shù)要求，加工工藝編制遵循先粗后精、先面后孔、先大面后小面等原則。

2.2.1 粗加工

立式車床，以毛坯面F安裝零件，以φ1 700內(nèi)孔毛坯面為基準(zhǔn)找準(zhǔn)圓心，劃線校準(zhǔn)各平面，確保各尺寸加工余量。粗車零件面E留余量3 mm，兼顧各尺寸。依次粗車φ1 400和φ1 670內(nèi)孔、φ2 000和φ3 765外圓，直徑留余量 4 mm。粗車 315、344、325、330平面。粗車 φ1 395、φ1 405和 φ1 680內(nèi)孔，直徑留余量6 mm。

龍門鏜銑床，打表4個(gè)等高墊。以面E安裝，以φ1 400粗加工面為基準(zhǔn)校準(zhǔn)中心，依次粗銑φ1 800端面和12-φ360沉臺(tái)，留余量3 mm。粗鏜12-φ260限位孔至φ254。

2.2.2 精加工

為消除粗加工殘余應(yīng)力，防止精加工零件變形和尺寸超差，粗加工完成后必須進(jìn)行120 h的時(shí)效處理才能進(jìn)入此序加工。

立式車床，自車4個(gè)等高墊，以面E安裝，以φ1 400面為基準(zhǔn)校準(zhǔn)零件。精車面F，精車φ1 680、φ1 395、φ1 405三內(nèi)孔并倒角，加工至圖紙要求。

翻轉(zhuǎn)零件，以φ1 405內(nèi)孔面為基準(zhǔn)校正零件。精車面E至要求。精車315、330深平面至要求。精車φ1 670、φ1 400至要求。精車325、344、355深平面至要求。精車φ3 756、φ2 000外圓至要求。拋光軸承檔外圓φ2 000及平面。

2.2.3 剩余孔系加工

龍門鏜銑床，自銑4個(gè)等高墊，以φ1 405端面為安裝面，φ2 000外圓為精基準(zhǔn)校準(zhǔn)零件。鉆60-M36螺紋底孔φ32和沉孔φ39，倒角，攻60-M36螺紋。

翻轉(zhuǎn)零件，以面E定位 (夾具1)。銑12-φ360平面至要求，鉆 60-φ39、60-φ24 通孔，鉆 36-φ40/φ14階梯孔，鉆3-M10×1螺紋底孔，鉆、攻12×6-M16螺紋孔 (沉孔φ17.5)，半精鏜12-φ260孔，精鏜12-φ260孔至要求。

落地鏜銑床，以面F定位 (夾具2)，鉆16-φ9圓周均布通孔。原工藝用環(huán)形鉆模來加工16-φ9圓周均布通孔，生產(chǎn)證明環(huán)形鉆模加工孔時(shí)容易損傷已拋光完畢的φ2 000軸承檔外圓，故新工藝該道工序選擇鏜床以工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)分度來完成圓周均布孔加工。

鉗工，鉆3-φ6通孔，攻3-M10×1螺紋孔 (有效深度20 mm)，攻16-M10螺紋孔 (沉孔φ40深度3 mm)，去屑去毛刺，激光跟蹤儀檢驗(yàn)。

3 夾具設(shè)計(jì)［3］

根據(jù)新工藝安排以及為提高零件加工精度和生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)了兩副專用夾具。

3.1 夾具1(龍門鏜銑床夾具)

用于轉(zhuǎn)軸面F孔系加工。該夾具由底盤、座架、定位銷、壓板等組成，具體見圖2。轉(zhuǎn)軸與夾具之間采用一面兩銷定位方式。即轉(zhuǎn)軸面E與底盤面接觸，轉(zhuǎn)軸面E上φ1 400孔與底盤面上圓形凸臺(tái)配合 (配合公差φ1 400H8/f7)，轉(zhuǎn)軸面E上φ39沉孔與底盤面上定位銷 (菱形銷形式)配合。安裝完畢后，壓板壓緊轉(zhuǎn)軸面E內(nèi)側(cè)，確保零件在加工過程不發(fā)生位置移動(dòng)。夾具1結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖2 夾具1結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 夾具2(落地鏜銑床夾具)

圖3 夾具2結(jié)構(gòu)示意圖

用于轉(zhuǎn)軸圓周均布孔加工。該夾具由旋轉(zhuǎn)體、旋轉(zhuǎn)體定位銷、零件定位銷、壓板等組成，具體見圖3。旋轉(zhuǎn)體安裝于機(jī)床工作臺(tái)面上，并以定位銷定位于工作臺(tái)中心。該旋轉(zhuǎn)體原用于風(fēng)電輪轂3個(gè)葉 片 面 旋 轉(zhuǎn) 加 工［4］，此處可加以利用。轉(zhuǎn)軸與夾具之間采用一面兩銷定位方式。即轉(zhuǎn)軸面F與旋轉(zhuǎn)體表面接觸，轉(zhuǎn)軸面F上φ1 405孔與旋轉(zhuǎn)體上圓形凸臺(tái)配合 (配合公差φ1 405H8/f7)，轉(zhuǎn)軸面F上φ39孔與旋轉(zhuǎn)體上定位銷 (菱形銷形式)配合。內(nèi)圈3塊壓板夾緊旋轉(zhuǎn)體與機(jī)床工作臺(tái)上，外圍3塊壓板夾緊轉(zhuǎn)軸面F內(nèi)側(cè)，確保零件在加工過程不發(fā)生位置移動(dòng)。夾具2結(jié)構(gòu)示意見圖3。

4 軸承檔外圓φ2 000尺寸測量及工藝參數(shù)

4.1 標(biāo)準(zhǔn)軸及使用

環(huán)境溫度的變化、零件加工前后的熱脹冷縮、檢驗(yàn)時(shí)間的不同等都會(huì)使轉(zhuǎn)軸的實(shí)際測量尺寸經(jīng)常有變動(dòng)，甚至出現(xiàn)在生產(chǎn)現(xiàn)場零件尺寸檢驗(yàn)合格、在用戶交付驗(yàn)收地零件尺寸檢驗(yàn)超差的現(xiàn)象?？偨Y(jié)原因:(1)生產(chǎn)現(xiàn)場與用戶交付驗(yàn)收地兩處的環(huán)境溫度不同造成零件檢驗(yàn)尺寸不同;(2)生產(chǎn)方與用戶雙方檢驗(yàn)零件的基準(zhǔn)不統(tǒng)一。

解決方法:生產(chǎn)方制造2根轉(zhuǎn)軸，這2根轉(zhuǎn)軸加工完畢后需要在恒溫室 (溫度20℃)經(jīng)三坐標(biāo)測量儀檢驗(yàn)尺寸合格。然后將這2根轉(zhuǎn)軸作為標(biāo)準(zhǔn)軸，一根標(biāo)準(zhǔn)軸存放在用戶處，用于零件交付時(shí)的驗(yàn)收檢驗(yàn);一根標(biāo)準(zhǔn)軸存放在生產(chǎn)廠家，用于零件加工過程的現(xiàn)場檢驗(yàn)。這樣安排，生產(chǎn)方與使用方均使用標(biāo)準(zhǔn)軸進(jìn)行測量校準(zhǔn)及零件檢驗(yàn)，統(tǒng)一了檢驗(yàn)基準(zhǔn)，提高了檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性和有效性，同時(shí)有效地減少了由于雙方檢驗(yàn)基準(zhǔn)不統(tǒng)一而出現(xiàn)的零件尺寸超差現(xiàn)象，減少了廠家的生產(chǎn)損失。嚴(yán)格的說，除了檢驗(yàn)基準(zhǔn)統(tǒng)一以外，考慮到零件尺寸大、公差小，熱脹冷縮效應(yīng)明顯，在檢驗(yàn)零件尺寸時(shí)，雙方都應(yīng)在恒溫室進(jìn)行，檢驗(yàn)結(jié)果參照性才更佳。但生產(chǎn)現(xiàn)場一般較少有恒溫室，且生產(chǎn)現(xiàn)場一般都是即時(shí)環(huán)境下的即時(shí)測量，恒溫檢驗(yàn)實(shí)施困難。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)軸在不同的環(huán)境溫度下會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱脹冷縮，所以生產(chǎn)方只要每次在測量檢驗(yàn)零件前都先用量具測量一次標(biāo)準(zhǔn)軸，工人們根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)軸的實(shí)測數(shù)據(jù)作為參照來檢驗(yàn)零件，這樣就能較好地保證零件尺寸的檢驗(yàn)精度從而保證零件尺寸的加工精度。

4.2 專用測量工具設(shè)計(jì)

大直徑尺寸的精密測量在機(jī)械加工行業(yè)一直是個(gè)較難解決的問題。目前，大直徑測量主要分直接測量法和間接測量法。間接測量法主要包含弓高弦長法、滾輪法、標(biāo)記法、光學(xué)或激光測長法等，這些方法可以實(shí)現(xiàn)零件的在線測量，但使用過程也存在一些問題。如弓高弦長法采用誤差放大原理，故測量精度不高［5］。滾輪法受存在的滾輪打滑、滾壓輪受壓力變形等因素影響，測量準(zhǔn)確度也不高［6］。標(biāo)記法為提高測量精度，對傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求很高［7］。光學(xué)測長儀、激光測長干涉儀可以獲得很高的測量精度，但這些儀器價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不宜用在生產(chǎn)現(xiàn)場［8］。

圖4 管結(jié)構(gòu)外徑千分尺

基于操作簡便、讀數(shù)直觀、成本可控等優(yōu)點(diǎn)以及實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)軸尺寸檢驗(yàn)方法 (即在檢驗(yàn)零件前須先測量標(biāo)準(zhǔn)軸)，在實(shí)際生產(chǎn)中采用直接測量法，即選用通用量具管結(jié)構(gòu)外徑千分尺 (圖4所示)來測量外徑。該種量具能較好地實(shí)現(xiàn)大型零件外尺寸的精密測量。不過，完成測量過程需多名工人。比如測量軸承檔外圓φ2 000尺寸時(shí)，至少需要3名工人。一人主要確定測量位置，一人主要負(fù)責(zé)校準(zhǔn)測量位置和測量讀數(shù)，另一人始終扶抬量具拱形中端，3名操作者扶抬量具使之盡量處于同一高度以保證零件測量精度。如果使用該種通用量具測量轉(zhuǎn)軸最大尺寸φ3 765，則需要5～6名工人共同操作才能完成?？梢?，使用該種通用量具測量外徑，存在2個(gè)問題:(1)需要多名工人協(xié)同操作，相互配合要求高;(2)比較容易產(chǎn)生測量誤差 (量具易懸垂或扭轉(zhuǎn))。為改進(jìn)上述測量缺陷，作者根據(jù)零件形狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種專用桿尺測量工具 (圖5所示)。其主體是一根扁長方體尺身，尺身上安裝有2個(gè)可移動(dòng)量爪，量爪上分別安裝有支撐柱、測微頭及百分表等。在檢驗(yàn)零件前，先用精密量塊組校準(zhǔn)桿尺基本尺寸，然后測量標(biāo)準(zhǔn)軸、再進(jìn)行零件尺寸的測量 (讀相對值)，測量示意圖見圖6［9］。從結(jié)構(gòu)上看，專用桿尺測量工具兼有游標(biāo)卡尺和千分尺的特點(diǎn)。從使用效果看，相比通用量具，有以下優(yōu)點(diǎn):(1)節(jié)省人力成本，只需2人即可完成測量工作 (包括最大直徑φ3 765的測量)，且桿尺取材鋁合金，使用更輕便省力;(2)支撐柱結(jié)構(gòu)使專用桿尺在測量過程中不會(huì)發(fā)生懸垂或扭轉(zhuǎn)，因此測量精度更高，操作也更簡便。實(shí)際生產(chǎn)過程中用于測量內(nèi)徑的專用桿尺也采用相似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖5 專用桿尺結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 專用桿尺測量示意圖

4.3 工藝參數(shù)［10］

5 限位孔12-φ260工藝安排及工藝參數(shù)

5.1 工藝安排

原工藝為減少機(jī)床加工工時(shí)，節(jié)約成本，限位孔周圍孔系采用鉆模加工。生產(chǎn)證明:鉆模加工會(huì)影響前期已完成加工的限位孔的形狀和最終尺寸。新的數(shù)控加工工藝將限位孔的粗、精鏜工序均安排在龍門鏜銑床上完成，且將半精鏜和精鏜兩道工序安排在整個(gè)零件加工工藝的最后部分。又由于零件在被夾緊與松弛狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)不同，為避免松開夾具后限位孔發(fā)生變形，在進(jìn)行精鏜工序前需將夾緊零件的壓板等夾緊部件全部松開。

5.2 工藝參數(shù)［10］

半精鏜加工參數(shù):主軸鉆速200 r/min，進(jìn)給速度45 mm/min，切削深度0.5 mm;精鏜加工參數(shù):主軸鉆速320 r/min，進(jìn)給速度25 mm/min，切削深度0.1 mm。

6 結(jié)論

(1)粗、精加工分開的合理工藝安排，粗、精加工之間的120 h的時(shí)效處理，專用夾具的設(shè)計(jì)使用，這些措施的實(shí)施有效提高了轉(zhuǎn)軸零件的加工質(zhì)量。

(2)標(biāo)準(zhǔn)軸的使用改變了以往檢測模式，使供需雙方檢驗(yàn)基準(zhǔn)統(tǒng)一，減少了因測量結(jié)果產(chǎn)生的誤判爭議，提高了檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性和有效性，也有利于生產(chǎn)方零件加工成本的控制。據(jù)生產(chǎn)部門統(tǒng)計(jì)，實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)軸檢驗(yàn)方法后轉(zhuǎn)軸零件的產(chǎn)品合格率比實(shí)施前提高19%以上。

(3)專用桿尺測量工具的設(shè)計(jì)使用減少了測量過程的人力成本，簡化了流程，提高了測量精度和測量效率。

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