聚風罩雙輥夾持旋壓成形工藝及設備研究現狀

范淑琴，屈薛勇，趙升噸，徐洪忠，孫曉佳

(1.金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710018；2.西安交通大學機械工程學院，陜西 西安 710049)

0 前言

能源是推動人類文明向前發(fā)展的動力，然而傳統化石能源的儲量是十分有限且不可再生的[1]。目前“如何科學高效地利用能源并實現可持續(xù)發(fā)展”已經成為了全球性的核心議題，能源消費的需求與日俱增，而能源儲藏能力的嚴重不足更是引發(fā)了世界范圍內的能源危機。因此世界各國正越來越重視對風能這一清潔可再生能源的使用，風能市場也在全球經濟高速發(fā)展的推動下迅速壯大起來。早在“十五”期間，并網風電就在中國開始迅速開發(fā)，發(fā)展至今，風電的性價比已逐步構成對煤電和水電的競爭優(yōu)勢。

在風力發(fā)電設備研發(fā)領域，我國目前已經實現了對兆瓦級風電的普及與應用，風電設備研發(fā)技術對兆瓦級的挑戰(zhàn)已獲行業(yè)肯定。此外，在風電設備制造領域，我國利用扎實的工業(yè)基礎已實現國產機組在國內市場份額的逐年提升，風電設備制造產業(yè)供應鏈已逐漸完善可以滿足國內風電市場的需求。然而就目前狀況來看，我國還是面臨著在風電設備制造過程中被關鍵零部件卡脖子的問題，部分關鍵部件依賴于進口而無法自主研制，這就使得我國在拓展海外風電市場的過程中遇到了巨大的阻力。

關于風力發(fā)電設備方面，風力發(fā)電機組的機型及其容量是另一個需要關注的問題[2]。目前風力發(fā)電設備研制技術難以突破的瓶頸就是如何進一步提高風電機組的效率，同時又能有效地控制制造的成本并提高使用的安全性。因此，風力發(fā)電機組容量的大型化發(fā)展是必然趨勢，其中的關鍵就是提高風力發(fā)電機的單機功率。傳統方法中通過增大風電機塔架結構尺寸或是增大風力發(fā)電機的葉片直徑來提高單機功率，如現在世界上單機功率最大的 6 MW 風電機其葉片直徑已達到150 m。該方法雖然可以提高風電機組單機功率，但都伴隨著占地面積加大和裝機成本提高的問題。

以日本九州大學為首提出的聚風型風力發(fā)電方案是目前風力發(fā)電行業(yè)提高風力發(fā)電機單機功率的趨勢[3]，該方案通過在葉輪前方加裝一個復雜型面的聚風罩來實現對氣流的整合加速，從而增加單位時間內通過葉輪的能量，增大葉輪轉速，進而達到提高風力發(fā)電機單機功率的目標。西班牙Orosa[4]等人的研究也證實了通過流體力學優(yōu)化設計的聚風罩可以有效增加進風速度，因此裝配有聚風罩的風力發(fā)電機可以具備較好的低速風況啟動特性，同時Orosa[5]的團隊也通過加裝聚風罩的試驗實現了風電場電力生產力的提高。如圖1所示為了目前市場上已裝機的聚風型風力發(fā)電機實物圖。

圖1 聚風型風力發(fā)電機產品

國內現有江蘇中航動力控制有限公司，杭州誠泰風力發(fā)電設備有限公司和中蘊風電科技有限公司等單位從事聚風型風力發(fā)電設備、風場選址等領域的研發(fā)、制造、檢測、工程服務。此外中國航空工業(yè)集團有限公司正在建設的高效風力發(fā)電系統亦是由高效聚風型風力發(fā)電機、傳感器、風機逆變控制器以及監(jiān)控計算機等設備組成。聚風式風力發(fā)電項目被列為“十三五”高新能源推廣、節(jié)能減排的重點備選項目之一。

1 聚風罩型面結構特點和加工要求

1.1 聚風罩型面結構特點

聚風型風力發(fā)電機是由復雜型面的聚風罩和葉片及控制系統組成，同普通風機的根本區(qū)別在于葉片外圍多了一圈聚風罩，而正是這個聚風罩將速度較小的氣流聚集起來，增大作用在葉輪上的空氣速度，起到導流、增速的效果，從而提高了風能的品質。聚風罩的設計和使用有效地改善了風力發(fā)電機的低速風況啟動特性，增加了風力發(fā)電機的有效運行時間，進而提升了風力發(fā)電機的單機功率。

聚風型風力發(fā)電機的聚風罩型面結構有三種基本形式[6]，如圖2所示分別為直線型、外凸型和內凹型。根據江南大學郭德森[7]的研究成果，型面結構為內凹型的聚風罩中間風速小周圍風速大，速度分布沿徑向方向逐漸增大，葉片可利用的風能最大，是最適合于以提高單機功率為目的的聚風型風力發(fā)電用聚風罩的型面結構。

圖2 聚風罩三種基本型面結構

日本九州大學的大屋裕二最早開始系統地研究聚風罩的型面結構，在其與同為日本學者的鳥谷隆以及清華大學航天航空學院張興合作的研究成果中，針對型面基本結構為內凹型的聚風罩型面結構以及長度進行了優(yōu)化設計和實驗驗證[8]。圖3為大屋裕二等人提出的優(yōu)化后的聚風罩型面結構，在內凹型的基本型面結構基礎上又增加了一直邊法蘭作為旋渦形成段，即聚風罩型面結構由擴風段和旋渦形成段組成。旋渦形成段屬關鍵部位，用以形成強漩渦使擴風段出口附近形成低壓區(qū)，從而在擴風段入口處可以得到很大的增速效果。

圖3 優(yōu)化后的聚風罩型面結構

大屋裕二也驗證了擴風段曲線型設計相比直線型可以有更高的風電機輸出功率和輸出效率，且曲線的曲率增大即擴風段出風口面積增大可以增加輸出功率，大屋裕二等人所選用的聚風罩擴風段曲線形式為擺線。圖4a為九州大學與清華大學聯合研制并進行優(yōu)化設計后的1 kW聚風型風力發(fā)電機樣機，圖4b為該風電機聚風罩型面結構。該型面結構在目前聚風罩的應用中最為廣泛。

圖4 中日聯合研制1 kW聚風型風力發(fā)電機

1.2 聚風罩加工要求

風力發(fā)電用聚風罩必須具備一定風動特性的要求：需要實現風力加速、整合氣流的功能，經過聚風罩的氣流由紊亂狀態(tài)整合成正面吹向葉片的理想氣流，達到整流的目的，從而提高風能的利用率和減小對葉片的損害。聚風罩要想實現上述風動特性除了對聚風罩型面結構進行優(yōu)化設計外，更重要的是選擇合適的加工工藝以加工出質量理想、型面精度可靠的聚風罩產品。

聚風罩屬于典型的大直徑復雜曲面法蘭結構薄壁圓筒件，其加工工藝要求為：

(1)能夠保證聚風罩型面結構關鍵幾何參數包括頸部直徑、出風口直徑、進風口直徑、法蘭高度以及擴風段曲線曲率的加工精度；

(2)包含擴風段和旋渦形成段的聚風罩整體一致性要好，保證較好的強度；

(3)用于聚風罩加工的加工工藝要具備大直徑工件的成形能力。

此外，聚風型風力發(fā)電設備根據其使用場合和環(huán)境的不同，其裝機功率會有較大的差別，對應的風電機尺寸尤其是聚風罩尺寸的變化范圍也較大。表1為江蘇中航動力控制有限公司目前幾種型號的聚風型風力發(fā)電機的基本參數，該公司的聚風型風力發(fā)電產品功率有5 kW至200 kW不等，對應的聚風罩直徑也由3.424 m增加至20.35 m，直徑變化范圍很大。因此，聚風罩的加工工藝還要能夠滿足工件尺寸大范圍變化的加工要求，即聚風罩的加工屬于高精度的多品種、多規(guī)格的中小批量生產。

表1 江蘇中航動力控制有限公司聚風型風力發(fā)電產品參數

2 雙輥夾持旋壓成形工藝

聚風罩屬于典型的大直徑復雜曲面法蘭結構薄壁圓筒件，鑒于聚風罩的功能要求以及結構特點，本文提出采用6061-T6鋁合金進行雙輥夾持旋壓成形得到聚風罩產品。

大直徑復雜曲面法蘭結構薄壁圓筒件的傳統加工方法主要有三種，即拉深成形與拼焊組合成形工藝、整體模壓成形工藝、復合旋壓成形工藝。

2.1 拉深成形與拼焊組合成形工藝

拉深成形與拼焊組合成形工藝目前主要應用在超大直徑(>20 m)薄壁圓筒件的加工上[9]。對于型面結構復雜的薄壁圓筒件，此成形方法需要進行多道次拉深，拉深次數增加就會受到材料強度極限限制，并且每道次拉深都伴隨著高昂的模具成本，尤其是喇叭口進風道的加工需要兩套模具。此外，拉深工藝的生產效率低，生產周期長，材料利用率不足30%～40%，且成形件強度受限于焊縫質量，使用過程中容易出現開裂的現象，因此所需的維護成本高。此外產品的一致性、風動特性和產品外觀特性因為大量焊縫的存在也受到不利影響。

2.2 整體模壓成形工藝

整體模壓成形工藝主要用于中小直徑(<10 m)薄壁圓筒件的成形，成形的工藝流程為：分塊下料，對焊成筒形，再經模具壓制成形。成形過程需要壓力機和配套凸凹模成形模具的支持。山西防爆電機廠曾開展過簡單圓弧曲面風機集風器的加工研究，其成形過程為：用剪板機下條料，卷板機卷圓，對焊成筒形后如圖5所示，再經過成形模具通過更換凸模兩次，最終壓制成形[10]。

圖5 整體模壓成形示意圖

整體模壓成形工藝能夠整體成形出薄壁圓筒件的復雜曲面，整體成形質量較拉深成形與拼焊組合成形工藝有很大的提高，但是模壓成形的模具和設備的制作成本隨著薄壁圓筒件尺寸的增大會大幅度提高，且不同尺寸和形狀的薄壁圓筒件需要不同的模具，因此模壓成形工藝的經濟性受薄壁圓筒件尺寸的限制嚴重，主要用于小尺寸薄壁圓筒件的大批量生產；此外整體模壓成形屬于全局成形，無法控制和保證成形件各處的局部成形質量，成形件的表面質量較差，而且模壓成形的成形力大，相應的設備的功率與能耗也很大。

2.3 復合旋壓成形工藝

金屬旋壓成形將板形坯料或者筒形坯料固定在特定形狀的芯模上，芯模帶動坯料進行旋轉，旋輪則沿著坯料母線進給使坯料逐點產生塑性變形，最終成形出與芯模外形一致的回轉體零件。株洲聯誠集團風機有限責任公司的羅克章[9]等人闡述了金屬旋壓成形技術和設備在風機領域的具體應用，提出了旋壓成形中值得探討的尺寸精度、圓柱度精度、表面粗糙度等問題。

如圖6所示為株洲聯誠集團風機有限責任公司研究的風機喇叭口進風道的復合旋壓成形工藝,該工藝由剪切旋壓與拉深旋壓復合而成。

圖6 株洲聯誠集團風機喇叭口進風道旋壓示意圖

剪切旋壓和拉深旋壓均屬于局部連續(xù)塑性成形，能夠很好地控制成形精度和成形質量,從而成形出喇叭口進風道的復雜曲面，成形過程中模具只需要零件的芯模，設備經濟性較整體模壓成形有較大的改善。剪切旋壓成形作為有模成形在超大直徑風機喇叭口的成形上依舊存在模具設計和加工成本的限制，且無法有效應對尺寸和形狀大范圍變動的情況，不能實現產品的柔性化制造。

綜上所述這些加工工藝用于聚風罩的成形存在不足之處：

(1)拉深成形與拼焊組合成形工藝中喇叭口和進風道需兩套模具分成兩次拉深成形進行加工，模具成本高，且成形件強度、外觀特性和最關鍵的風動特性均受限于焊縫的質量和數量。

(2)整體模壓成形模具和設備成本高昂，成形過程能耗大，且整體模壓成形屬于全局成形，無法控制和保證成形件各處的局部成形質量。

(3)復合旋壓成形中拉深旋壓成形階段為單輪旋壓，生產效率低，且拉深旋壓和剪切旋壓均為有模成形，零件尺寸結構的改變必然伴隨著模具更換引起的成本提高。

2.4 雙輥夾持旋壓成形工藝

雙輥夾持旋壓成形工藝是金屬普通旋壓工藝衍生出的一種特殊旋壓成形技術，它兼?zhèn)淦胀ㄐ龎旱墓に噧?yōu)勢：成形力小、成形載荷容量和設備成本低，所得到的零件機械強度高，表面質量好。采用雙輥夾持旋壓能夠很好地成形出聚風罩的復雜型面，保證成形件表面一致性，并有效地控制成形件的局部成形精度和質量。

雙輥夾持旋壓成形還具有一些本質上區(qū)別普通旋壓的一些優(yōu)點：

雙輥夾持旋壓新工藝方法采用兩個形狀簡單的圓柱體旋輥，對板料進行對稱夾持，工件除了一側受旋輥旋壓力作用外，另外一側還受旋輥的輔助支撐作用，不易起皺，旋壓件的尺寸精度高；并且雙旋輥成形時板料與旋輥為線接觸，載荷作用面積大，每道次的變形程度大，旋壓生產效率高；此外，雙輥夾持旋壓成形中法蘭邊的形狀與芯模的外形輪廓無關，而是由旋輥的運動軌跡決定的，屬于無模、柔性旋壓成形，成形條件不受模具和聚風罩尺寸的約束，可以靈活應對各種尺寸聚風罩的加工要求，柔性化程度很高，十分適合聚風罩這樣大直徑且直徑大范圍變化的系列產品的加工。

以翻邊工藝為例的雙輥夾持旋壓成形過程示意如圖7所示。

圖7 雙輥夾持旋壓翻邊成形示意圖

在雙輥夾持旋壓成形前，薄壁回轉體毛坯件裝夾在內脹式夾具上，該夾具在軸向壓力的作用下可沿徑向脹開，以此實現在成形過程中夾緊毛坯的作用，同時兩個旋輥夾住預成形的法蘭部位，并施加翻邊力，旋輥與毛坯接觸的長度即為預翻邊的法蘭寬度。在旋壓成形過程中，毛坯料隨著夾具一起旋轉，而兩個旋輥自轉的同時在旋壓頭的帶動下做三個自由度的運動：沿Z軸的直線運動、沿X軸的直線運動、繞Y軸的轉動，三個自由度運動的配合實現最終工件的成形。采用雙輥夾持擴旋成形工藝，無需其它工藝就可完成聚風罩的成形，在成形精度和效率方面具有很大優(yōu)勢。

西安交通大學趙升噸課題組開展了雙輥夾持旋壓成形加工風機殼體零件的研究[11-16]。在風機殼體翻邊成形和喇叭口成形兩種基本旋壓成形方面建立了雙輥夾持旋壓成形的有限元模型，獲得了成形過程中的等效應力、應變及壁厚的分布，并就旋輥進給率對成形件應力應變及壁厚差的影響規(guī)律進行了研究。

聚風罩為帶擴風段與旋渦形成段的復雜型面鋁合金薄壁圓筒類零件，不僅僅是簡單的直角法蘭或者喇叭口零件，這導致了聚風罩雙輥夾持旋壓成形過程中的旋輥運動軌跡更加復雜，成形工序和成形道次也相應增加，進而大大增加了聚風罩雙輥夾持旋壓成形仿真分析模型建立的難度和成形件質量影響因素的復雜性，此外，針對旋壓成形過程中缺陷產生機理的研究依舊存在空白。因此，在聚風罩雙輥夾持旋壓成形有限元仿真的模型建立和仿真分析中仍有大量技術難點需要進行突破。針對聚風罩雙輥夾持旋壓成形的旋輥運動軌跡、工藝參數、有限元模擬與工藝試驗等方面還有很多關鍵技術問題亟待解決。

復雜型面聚風罩的產品質量決定了聚風型風力發(fā)電機的發(fā)電效率，研制出先進的具有我國自主知識產權的聚風罩雙輥夾持旋壓成形設備是提高我國聚風型風力發(fā)電機制造水平和市場競爭力的重要保證。

3 雙輥夾持旋壓成形設備

雙輥夾持旋壓成形技術已被許多國內外公司開發(fā)并使用，以丹麥的NODI公司最為著名。該公司生產各種喇叭口旋壓成形設備，如圖8a所示的超大直徑立式喇叭口成形機可加工筒坯直徑范圍500～5 600 mm，坯料最大壁厚16 mm，法蘭寬度最大600 mm；如圖8b所示的臥式喇叭口成形機可成形徑向和軸向通風機，可加工筒坯直徑范圍500～5 600 mm，板料厚度3～16 mm。

圖8 NODI公司翻邊機和喇叭口成形設備

圖9所示為瑞典朗多(RounDo)生產的法蘭成形機SF-2和SF-4，該系列產品可加工的坯料直徑范圍330～3 000 mm，坯料最大壁厚12 mm。

圖9 瑞典朗多法蘭成形機

意大利LUCAS在喇叭口零件成形機制造領域也享譽世界，圖10為該公司生產的喇叭口法蘭成形機及其加工出的零件，該設備可以成形的坯料直徑范圍250～2 000 mm，坯料最大壁厚8 mm，法蘭寬度最大200 mm。

圖10 意大利LUCAS喇叭口法蘭成形機

我國國內在雙輥夾持旋壓成形設備研制領域經過多年的努力也研制出了許多具有自主知識產權的設備，如圖11所示為廣東博賽的PS-FGB1550法蘭翻邊旋壓機，可加工的直徑范圍為300～1 600 mm，板料壁厚1～6 mm，主要應用于管形零件的翻邊，伺服分度沖孔，切邊工作。這款機型適應于風口零件，化工罐體，容器等產品的輔助加工。該翻邊機是國內研制的加工能力較強的雙輥夾持旋壓設備，但是其與國外NODI等公司研制的同類設備相比，無論是可加工尺寸范圍還是成形件質量，都存在一定的差距。除了在機床制造水平上的差異，國內對旋壓相關工藝參數的研究積累也不如國外，缺少健全的產品工藝庫，對旋壓件輪廓曲線參數化的研究也比較薄弱。

圖11 廣東博賽法蘭邊成形設備

西安交通大學趙升噸課題組在一臺G-CNC6135型普通數控機床的基礎上研制了交流伺服電機驅動的三軸聯動雙輥夾持旋壓成形實驗裝置[17]，如圖12所示。在該實驗裝置上開展了雙輥夾持旋壓成形實驗如圖13所示。

圖12 數控車床改制雙輥夾持旋壓成形機

圖13 雙輥夾持旋壓成形實驗過程

針對該改裝機床暴露出的不足之處，包括旋輥只能被動旋轉，立式旋壓頭過于沉重導致機構振動明顯，可加工零件尺寸單一，以及旋輥無法實現復雜軌跡的運動。課題組又設計了多電機驅動的雙輥夾持旋壓成形裝置[18-21]，以進一步開展該成形工藝的研究。如圖14所示為已完成硬件搭建的旋壓成形裝置，該裝置為全電伺服化實驗裝置，設備能耗低，控制精度和成形精度高，目前已經完成了成形測試試驗和部分工藝試驗，如圖15所示。

圖14 雙輥夾持旋壓成形裝置

圖15 聚風罩旋渦成形的漸擴段成形試驗

該多電機驅動的雙輥夾持旋壓成形裝置主要用于聚風罩的雙輥夾持旋壓成形工藝參數與成形機理的實驗研究，為后續(xù)研制聚風型風力發(fā)電機用的聚風罩專用旋壓設備奠定基礎。

4 結束語

聚風罩為帶擴風段與旋渦形成段的復雜型面薄壁圓筒類零件，其加工工藝要求能夠保證聚風罩型面結構關鍵幾何參數加工精度，滿足工件尺寸大范圍變化的加工要求。其產品質量決定了聚風型風力發(fā)電機的發(fā)電效率。

雙輥夾持旋壓成形工藝具有成形力小、成形效率和精度高、機械強度高、表面質量好的優(yōu)點，可滿足聚風罩高精度、多品種、多規(guī)格的加工要求。針對聚風罩雙輥夾持旋壓成形的旋輥運動軌跡、工藝參數、有限元模擬與工藝試驗等方面還有很多關鍵技術問題需要解決。

國內現有的雙輥夾持旋壓設備與國外先進的同類設備相比，無論是可加工尺寸范圍還是成形件質量，都存在一定的差距，研制出先進的具有我國自主知識產權的聚風罩雙輥夾持旋壓成形設備是提高我國聚風型風力發(fā)電機制造水平和市場競爭力的重要保證。