3 MW風電機組轉軸數控加工工藝

凌瑋，于能浦，王亞東

(1.浙江科技學院機械與汽車工程學院，浙江杭州 310023；2.浙江佳力風能技術有限公司，浙江杭州 311241)

轉軸是風力發電機中的重要組成零件。它一端與定軸、永磁鐵一起構成發電機，另一端與輪轂連接。工作時，風力驅動輪轂上的葉片旋轉，從而帶動轉軸運動，經齒輪箱變速，轉軸運動從低速變高速，最后驅動發電機工作。3 MW風電轉軸零件圖見圖1。

圖1 3MW風電轉軸零件圖 (主要尺寸)

1 轉軸技術要求和原加工工藝分析

3 MW風電轉軸，材質QT400-18AL，最大直徑3.76 m，質量約7.3 t。從加工要求看，轉軸零件主要是軸、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，以轉軸零件的兩個端面互為基準經過兩次翻轉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。該工藝優點:工序數量少，工種安排思路簡潔，占機床工時少，零件加工成本較低;缺點:粗、精加工沒有嚴格分開，沒有安排熱處理工序，粗加工后的殘余應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。為此需要根據現有設備狀況和加工能力，重新設計轉軸加工工藝，穩定并提高零件加工質量。

2 轉軸數控加工工藝［1-2］

2.1 機床的選擇

由于轉軸體積、質量較大，實際生產中選用DVT400數控立式車床、GMB40120數控龍門鏜銑床、TK6916數控落地鏜銑床3臺機床組合完成零件各要素加工。

2.2 數控加工工藝

根據零件的技術要求，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內孔毛坯面為基準找準圓心，劃線校準各平面，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內孔，直徑留余量6 mm。

龍門鏜銑床，打表4個等高墊。以面E安裝，以φ1 400粗加工面為基準校準中心，依次粗銑φ1 800端面和12-φ360沉臺，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力，防止精加工零件變形和尺寸超差，粗加工完成后必須進行120 h的時效處理才能進入此序加工。

立式車床，自車4個等高墊，以面E安裝，以φ1 400面為基準校準零件。精車面F，精車φ1 680、φ1 395、φ1 405三內孔并倒角，加工至圖紙要求。

翻轉零件，以φ1 405內孔面為基準校正零件。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個等高墊，以φ1 405端面為安裝面，φ2 000外圓為精基準校準零件。鉆60-M36螺紋底孔φ32和沉孔φ39，倒角，攻60-M36螺紋。

翻轉零件，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。原工藝用環形鉆模來加工16-φ9圓周均布通孔，生產證明環形鉆模加工孔時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旋轉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。

3 夾具設計［3］

根據新工藝安排以及為提高零件加工精度和生產效率，設計了兩副專用夾具。

3.1 夾具1(龍門鏜銑床夾具)

用于轉軸面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。轉軸與夾具之間采用一面兩銷定位方式。即轉軸面E與底盤面接觸，轉軸面E上φ1 400孔與底盤面上圓形凸臺配合 (配合公差φ1 400H8/f7)，轉軸面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，壓板壓緊轉軸面E內側，確保零件在加工過程不發生位置移動。夾具1結構示意見圖2。

圖2 夾具1結構示意圖

3.2 夾具2(落地鏜銑床夾具)

圖3 夾具2結構示意圖

用于轉軸圓周均布孔加工。該夾具由旋轉體、旋轉體定位銷、零件定位銷、壓板等組成，具體見圖3。旋轉體安裝于機床工作臺面上，并以定位銷定位于工作臺中心。該旋轉體原用于風電輪轂3個葉 片 面 旋 轉 加 工［4］，此處可加以利用。轉軸與夾具之間采用一面兩銷定位方式。即轉軸面F與旋轉體表面接觸，轉軸面F上φ1 405孔與旋轉體上圓形凸臺配合 (配合公差φ1 405H8/f7)，轉軸面F上φ39孔與旋轉體上定位銷 (菱形銷形式)配合。內圈3塊壓板夾緊旋轉體與機床工作臺上，外圍3塊壓板夾緊轉軸面F內側，確保零件在加工過程不發生位置移動。夾具2結構示意見圖3。

4 軸承檔外圓φ2 000尺寸測量及工藝參數

4.1 標準軸及使用

環境溫度的變化、零件加工前后的熱脹冷縮、檢驗時間的不同等都會使轉軸的實際測量尺寸經常有變動，甚至出現在生產現場零件尺寸檢驗合格、在用戶交付驗收地零件尺寸檢驗超差的現象。總結原因:(1)生產現場與用戶交付驗收地兩處的環境溫度不同造成零件檢驗尺寸不同;(2)生產方與用戶雙方檢驗零件的基準不統一。

解決方法:生產方制造2根轉軸，這2根轉軸加工完畢后需要在恒溫室 (溫度20℃)經三坐標測量儀檢驗尺寸合格。然后將這2根轉軸作為標準軸，一根標準軸存放在用戶處，用于零件交付時的驗收檢驗;一根標準軸存放在生產廠家，用于零件加工過程的現場檢驗。這樣安排，生產方與使用方均使用標準軸進行測量校準及零件檢驗，統一了檢驗基準，提高了檢驗的準確性和有效性，同時有效地減少了由于雙方檢驗基準不統一而出現的零件尺寸超差現象，減少了廠家的生產損失。嚴格的說，除了檢驗基準統一以外，考慮到零件尺寸大、公差小，熱脹冷縮效應明顯，在檢驗零件尺寸時，雙方都應在恒溫室進行，檢驗結果參照性才更佳。但生產現場一般較少有恒溫室，且生產現場一般都是即時環境下的即時測量，恒溫檢驗實施困難。在實際生產過程中，因為標準軸在不同的環境溫度下會產生相應的熱脹冷縮，所以生產方只要每次在測量檢驗零件前都先用量具測量一次標準軸，工人們根據標準軸的實測數據作為參照來檢驗零件，這樣就能較好地保證零件尺寸的檢驗精度從而保證零件尺寸的加工精度。

4.2 專用測量工具設計

大直徑尺寸的精密測量在機械加工行業一直是個較難解決的問題。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、標記法、光學或激光測長法等，這些方法可以實現零件的在線測量，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，測量準確度也不高［6］。標記法為提高測量精度，對傳感器的結構設計要求很高［7］。光學測長儀、激光測長干涉儀可以獲得很高的測量精度，但這些儀器價格昂貴、結構復雜、不宜用在生產現場［8］。

圖4 管結構外徑千分尺

基于操作簡便、讀數直觀、成本可控等優點以及實施標準軸尺寸檢驗方法 (即在檢驗零件前須先測量標準軸)，在實際生產中采用直接測量法，即選用通用量具管結構外徑千分尺 (圖4所示)來測量外徑。該種量具能較好地實現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，至少需要3名工人。一人主要確定測量位置，一人主要負責校準測量位置和測量讀數，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軸最大尺寸φ3 765，則需要5～6名工人共同操作才能完成。可見，使用該種通用量具測量外徑，存在2個問題:(1)需要多名工人協同操作，相互配合要求高;(2)比較容易產生測量誤差 (量具易懸垂或扭轉)。為改進上述測量缺陷，作者根據零件形狀結構特點，設計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個可移動量爪，量爪上分別安裝有支撐柱、測微頭及百分表等。在檢驗零件前，先用精密量塊組校準桿尺基本尺寸，然后測量標準軸、再進行零件尺寸的測量 (讀相對值)，測量示意圖見圖6［9］。從結構上看，專用桿尺測量工具兼有游標卡尺和千分尺的特點。從使用效果看，相比通用量具，有以下優點:(1)節省人力成本，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)支撐柱結構使專用桿尺在測量過程中不會發生懸垂或扭轉，因此測量精度更高，操作也更簡便。實際生產過程中用于測量內徑的專用桿尺也采用相似的結構設計。

圖5 專用桿尺結構示意圖

圖6 專用桿尺測量示意圖

4.3 工藝參數［10］

5 限位孔12-φ260工藝安排及工藝參數

5.1 工藝安排

原工藝為減少機床加工工時，節約成本，限位孔周圍孔系采用鉆模加工。生產證明:鉆模加工會影響前期已完成加工的限位孔的形狀和最終尺寸。新的數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下的應力狀態不同，為避免松開夾具后限位孔發生變形，在進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［10］

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

6 結論

(1)粗、精加工分開的合理工藝安排，粗、精加工之間的120 h的時效處理，專用夾具的設計使用，這些措施的實施有效提高了轉軸零件的加工質量。

(2)標準軸的使用改變了以往檢測模式，使供需雙方檢驗基準統一，減少了因測量結果產生的誤判爭議，提高了檢驗的準確性和有效性，也有利于生產方零件加工成本的控制。據生產部門統計，實施標準軸檢驗方法后轉軸零件的產品合格率比實施前提高19%以上。

(3)專用桿尺測量工具的設計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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