大兆瓦風(fēng)機(jī)主軸軸承加工用高精五軸車磨復(fù)合機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)研究

余阿東,朱恩旭

(信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機(jī)電工程學(xué)院,河南 信陽 464000)

2019年以來風(fēng)電市場(chǎng)對(duì)5兆瓦級(jí)及其以上風(fēng)機(jī)主軸軸承需求不斷增多，大兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)主軸軸承是風(fēng)機(jī)國(guó)產(chǎn)化受制約的兩大部件之一，此類產(chǎn)品長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，為加快此類軸承國(guó)產(chǎn)化步伐，我們通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)主軸軸承的生產(chǎn)制造設(shè)備依然是制約此類軸承國(guó)產(chǎn)化重要因素之一[1]。因此，針對(duì)大兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)主軸軸承的制造特點(diǎn)，在前期研究成果的基礎(chǔ)上開展大兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)主軸軸承制造的高精五軸數(shù)控車磨復(fù)合機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)研究?；谀壳皣?guó)內(nèi)外機(jī)床企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)對(duì)高精五軸數(shù)控車磨復(fù)合機(jī)床研究的熱點(diǎn)，以及大兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)主軸軸承加工工藝特點(diǎn)，開展大兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)主軸軸承制造的高精度五軸數(shù)控車磨復(fù)合機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、精密車磨復(fù)合機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)床床身和立柱結(jié)構(gòu)件以及軸承車削和磨削等技術(shù)的研究。從而為大兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)主軸軸承制造及其國(guó)產(chǎn)化提供技術(shù)支持，并能夠在很大程度上提升相關(guān)機(jī)床企業(yè)制造高檔數(shù)控機(jī)床的能力和水平。

1 大兆瓦風(fēng)機(jī)主軸軸承加工用精密五軸車磨復(fù)合機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

大兆瓦風(fēng)力發(fā)電主機(jī)主軸軸承一般為調(diào)心滾子軸承和大錐角雙列圓錐滾子軸承，主要承受來自風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子、主軸等重量所引起的徑向力以及由轉(zhuǎn)子上風(fēng)壓產(chǎn)生的較大的軸向力，風(fēng)機(jī)用戶要求軸承具有99%以上可靠性和20年以上的使用壽命，要達(dá)到高精度、高可靠性、低噪聲、輕量化等要求，因此需要高精度的加工機(jī)床設(shè)備才能滿足上述要求[2]。通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電主機(jī)主軸軸承的加工工藝分析，研究了一種高精度五軸數(shù)控車磨復(fù)合機(jī)床來生產(chǎn)此種類型的軸承。機(jī)床采用整體立柱、單拖板滑枕縱向移動(dòng)、雙立軸車磨頭、立軸圓臺(tái)布局型式，結(jié)構(gòu)緊湊，造就整機(jī)的高剛性和高穩(wěn)定性。立柱結(jié)構(gòu)采用整體鑄造結(jié)構(gòu)，和橫梁合為一體，具有足夠的剛度，實(shí)現(xiàn)很高的縱向幾何和數(shù)控精度?；剞D(zhuǎn)工作臺(tái)采用端面閉式靜壓導(dǎo)軌和徑向滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)，具有很高的回轉(zhuǎn)精度和動(dòng)態(tài)剛性。采用隔離和強(qiáng)制冷卻來消除發(fā)熱源。五軸數(shù)控車磨復(fù)合機(jī)床能夠進(jìn)行磨削、車削、在線檢測(cè)產(chǎn)品精度、在線砂輪修型、機(jī)床精度檢測(cè)及其誤差補(bǔ)償?shù)裙δ埽軌蛉〉觅|(zhì)量極佳的軸承零部件加工質(zhì)量[3]。高精度五軸數(shù)控車磨復(fù)合機(jī)床結(jié)構(gòu)及各坐標(biāo)軸如圖1所示。

高精度五軸數(shù)控車磨復(fù)合機(jī)床主要由床身、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)滑臺(tái)、立柱、滑座、橫梁、主軸箱體、主軸組、主軸傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和排屑系統(tǒng)等重要部件組成。高精度五軸數(shù)控車磨復(fù)合機(jī)床坐標(biāo)軸為：X1軸、X2軸、Z1軸、Z2軸、Y軸、C軸等。高精度五軸數(shù)控車磨復(fù)合機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：底座、滑臺(tái)、滑座、工作臺(tái)、立柱、主軸箱等大件均采用高強(qiáng)度鑄鐵材料，造型為樹脂砂工藝，兩次時(shí)效處理消除應(yīng)力，提高了大件和整機(jī)的剛度和穩(wěn)定性，有效抑制了切削力導(dǎo)致機(jī)床的變形和振動(dòng)。機(jī)床坐標(biāo)軸導(dǎo)軌均采用精密線性滾動(dòng)導(dǎo)軌，由于導(dǎo)軌副之間摩擦方式為滾動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)小、動(dòng)靜摩擦力差值小，可實(shí)現(xiàn)低速無爬行，高速高精度定位。機(jī)床坐標(biāo)軸均采用C3級(jí)精密滾珠絲杠，進(jìn)口絲桿專用軸承，配合兩端支撐座的預(yù)拉伸設(shè)計(jì)，增加絲杠的剛性，降低熱變位，消除傳動(dòng)背隙，提升精度，使傳動(dòng)更平穩(wěn)，具有更高的可靠性和極強(qiáng)耐久性。

2 大兆瓦風(fēng)機(jī)主軸軸承加工用精密五軸車磨復(fù)合機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)研究

為了保證主軸軸承磨削加工的精度，大兆瓦風(fēng)機(jī)主軸軸承加工用精密五軸車磨復(fù)合機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)具備高精度的位置測(cè)量和脈沖當(dāng)量為0.1 μm的高性能數(shù)據(jù)處理能力，能滿足高速高精風(fēng)機(jī)主軸軸承磨削加工和車削加工、產(chǎn)品在線檢測(cè)、在線砂輪修型等要求[4]。高精五軸車磨復(fù)合機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)加工余量自行分配粗磨、精磨、光磨四個(gè)階段的進(jìn)給速度和進(jìn)給量，自動(dòng)消除空程，縮短加工節(jié)拍，提高加工效率。高精五軸車磨復(fù)合機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)利用自適應(yīng)控制技術(shù)從軸承磨削過程中檢測(cè)到主軸電流變化的信號(hào)，來自動(dòng)調(diào)整數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)給量和進(jìn)給速度等磨削參數(shù)，改善磨削加工狀態(tài)，以達(dá)到磨削效果[5]。另外，精密車磨復(fù)合機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)擁有很好的誤差補(bǔ)償功能，能夠滿足精密車磨復(fù)合機(jī)床對(duì)大兆瓦風(fēng)機(jī)主軸軸承加工的質(zhì)量需求。

大兆瓦風(fēng)機(jī)主軸軸承加工用高精五軸車磨復(fù)合機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)在光纖運(yùn)動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的支持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承的高速車削、磨削加工，進(jìn)給速度高，減小了切削力與熱變形，從而使軸承工件變形小，加工噪聲小，軸承零件質(zhì)量穩(wěn)定性高，提高了軸承零件的最終加工精度與表面粗糙度。大兆瓦風(fēng)機(jī)主軸軸承加工用精密五軸車磨復(fù)合機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)具有復(fù)雜的前瞻速度規(guī)劃與插補(bǔ)算法，同時(shí)擁有更小的插補(bǔ)周期與高速處理程序段[6]。數(shù)控系統(tǒng)功能上設(shè)定為5軸聯(lián)動(dòng)，即加工過程中有X、Y、Z、B、C軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)行切削。大兆瓦風(fēng)機(jī)主軸軸承加工用精密五軸車磨復(fù)合機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)支持機(jī)床空間位置誤差測(cè)量及其補(bǔ)償技術(shù)，同時(shí)數(shù)控系統(tǒng)也支持金剛石筆和測(cè)頭接入，支持在線磨削刀具修型和風(fēng)機(jī)主軸軸承工件加工質(zhì)量檢測(cè)，從而在很大程度上提高風(fēng)機(jī)主軸軸承工件加工精度和質(zhì)量。

3 大兆瓦風(fēng)機(jī)主軸軸承加工用精密五軸車磨復(fù)合機(jī)床軸承磨削和車削技術(shù)研究

在大兆瓦風(fēng)機(jī)主軸軸承生產(chǎn)中，磨削加工是整個(gè)加工過程中最復(fù)雜加工工藝，因此對(duì)于大兆瓦風(fēng)機(jī)主軸軸承生產(chǎn)中關(guān)鍵工序之一的磨削加工，如何采用新工藝、新技術(shù)以高精度、高效率、低成本地完成磨削過程，是磨削加工的主要任務(wù)。大兆瓦風(fēng)機(jī)主軸軸承零部件磨削采用新型立方氮化硼磨料磨削砂輪，磨削的過程中采用高速軸承磨削工藝，并運(yùn)用高剛度、高轉(zhuǎn)速、大功率電主軸，同時(shí)增大砂輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率和提高機(jī)床的剛性。另外，由于砂輪較大并且為非均質(zhì)組織體，砂輪系統(tǒng)重心總是偏離主軸中心，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)必然引起砂輪系統(tǒng)及其整個(gè)精密五軸車磨復(fù)合機(jī)床的振動(dòng)，直接影響機(jī)床的使用壽命。在此情況下磨削加工將難以達(dá)到高精度，易導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生磨削振紋波紋度增大。因此，在精密五軸車磨復(fù)合機(jī)床砂輪上安裝機(jī)械的自動(dòng)動(dòng)平衡裝置，機(jī)床開機(jī)后快速直接逼近最平衡位置，減小機(jī)床振動(dòng)，長(zhǎng)期保持機(jī)床的原有精度。另外，大兆瓦風(fēng)機(jī)主軸軸承磨削工藝中采用高速磨削油，從而在整個(gè)磨削過程中具有良好的冷卻性能和極壓抗磨性能，對(duì)于砂輪的使用壽命和兆瓦風(fēng)機(jī)主軸軸承精度的提升具有很大的作用[7]。

大兆瓦風(fēng)機(jī)主軸軸承加工用精密五軸車磨復(fù)合機(jī)床采用立方氮化硼刀片進(jìn)行車削加工，與傳統(tǒng)硬質(zhì)合金刀具相比，提高了軸承零部件的車削速度和刀具壽命，是精車大兆瓦風(fēng)機(jī)主軸軸承零部件的有效切削刀具，軸承生產(chǎn)效率顯著提高。精密五軸車磨復(fù)合機(jī)床車削用立方氮化硼刀片在具備優(yōu)異的耐磨性的同時(shí)，抗沖擊韌性和抗斷裂性能強(qiáng)，金屬切削率高，重載并斷續(xù)切削大余量軸承毛坯件不崩刀[8]。采用納米級(jí)結(jié)合劑和高品級(jí)的材料配比，具有更穩(wěn)定的切削性能，在斷續(xù)切削情況下保證工況穩(wěn)定的同時(shí)，不崩刀更耐磨，可實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的高速切削。

4 結(jié)語

通過對(duì)高精五軸車磨復(fù)合機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)的研究，構(gòu)建了高精五軸車磨復(fù)合機(jī)床關(guān)鍵部件綜合性能測(cè)試平臺(tái)和整機(jī)切削驗(yàn)證平臺(tái)。驗(yàn)證了高精五軸車磨復(fù)合機(jī)床能夠?qū)Υ笳淄唢L(fēng)機(jī)主軸軸承零件進(jìn)行高效、高質(zhì)量的磨削、車削加工。整機(jī)具有較高的旋轉(zhuǎn)定位精度和動(dòng)態(tài)性能。不僅單位時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高速切削的性能，并且被加工大兆瓦風(fēng)機(jī)主軸軸承零件可獲得高精度和高表面質(zhì)量。機(jī)床系統(tǒng)功能上設(shè)定為5軸聯(lián)動(dòng)，即加工過程中有X、Y、Z、B、C軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)行切削。導(dǎo)軌、滾珠絲杠采用集中自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，可向各潤(rùn)滑部位定時(shí)定量注油，保證各運(yùn)動(dòng)面均勻潤(rùn)滑，有效減小了摩擦阻力，提高了運(yùn)動(dòng)精度，保證了導(dǎo)軌和滾珠絲杠的使用壽命。機(jī)床采用全封閉防護(hù)，Y軸導(dǎo)軌采用不銹鋼伸縮護(hù)罩防護(hù)，X軸導(dǎo)軌采用風(fēng)琴防護(hù)，具有防護(hù)性能好、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，有效防止鐵屑、冷卻液進(jìn)入機(jī)床內(nèi)部損壞導(dǎo)軌和絲杠。高精五軸車磨復(fù)合機(jī)床有效促進(jìn)零件工序集中加工的實(shí)現(xiàn)性、安裝的簡(jiǎn)便性、使用的便利性，同時(shí)大幅度拓展了機(jī)床客戶的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，提升了客戶的競(jìng)爭(zhēng)力。