大兆瓦風機主軸軸承加工用高精五軸車磨復合機床關鍵技術研究

余阿東,朱恩旭

(信陽職業技術學院 汽車與機電工程學院,河南 信陽 464000)

2019年以來風電市場對5兆瓦級及其以上風機主軸軸承需求不斷增多，大兆瓦級風機主軸軸承是風機國產化受制約的兩大部件之一，此類產品長期依賴進口，為加快此類軸承國產化步伐，我們通過調研發現，大兆瓦級風機主軸軸承的生產制造設備依然是制約此類軸承國產化重要因素之一[1]。因此，針對大兆瓦級風機主軸軸承的制造特點，在前期研究成果的基礎上開展大兆瓦級風機主軸軸承制造的高精五軸數控車磨復合機床關鍵技術研究。基于目前國內外機床企業和科研機構對高精五軸數控車磨復合機床研究的熱點，以及大兆瓦級風機主軸軸承加工工藝特點，開展大兆瓦級風機主軸軸承制造的高精度五軸數控車磨復合機床的結構設計、精密車磨復合機床數控系統、機床床身和立柱結構件以及軸承車削和磨削等技術的研究。從而為大兆瓦級風機主軸軸承制造及其國產化提供技術支持，并能夠在很大程度上提升相關機床企業制造高檔數控機床的能力和水平。

1 大兆瓦風機主軸軸承加工用精密五軸車磨復合機床結構設計研究

大兆瓦風力發電主機主軸軸承一般為調心滾子軸承和大錐角雙列圓錐滾子軸承，主要承受來自風機轉子、主軸等重量所引起的徑向力以及由轉子上風壓產生的較大的軸向力，風機用戶要求軸承具有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床設備才能滿足上述要求[2]。通過對風力發電主機主軸軸承的加工工藝分析，研究了一種高精度五軸數控車磨復合機床來生產此種類型的軸承。機床采用整體立柱、單拖板滑枕縱向移動、雙立軸車磨頭、立軸圓臺布局型式，結構緊湊，造就整機的高剛性和高穩定性。立柱結構采用整體鑄造結構，和橫梁合為一體，具有足夠的剛度，實現很高的縱向幾何和數控精度。回轉工作臺采用端面閉式靜壓導軌和徑向滾動軸承結構，具有很高的回轉精度和動態剛性。采用隔離和強制冷卻來消除發熱源。五軸數控車磨復合機床能夠進行磨削、車削、在線檢測產品精度、在線砂輪修型、機床精度檢測及其誤差補償等功能，能夠取得質量極佳的軸承零部件加工質量[3]。高精度五軸數控車磨復合機床結構及各坐標軸如圖1所示。

高精度五軸數控車磨復合機床主要由床身、回轉工作臺、回轉工作臺滑臺、立柱、滑座、橫梁、主軸箱體、主軸組、主軸傳動系統、進給傳動系統、潤滑系統、液壓系統、氣動系統、冷卻系統和排屑系統等重要部件組成。高精度五軸數控車磨復合機床坐標軸為：X1軸、X2軸、Z1軸、Z2軸、Y軸、C軸等。高精度五軸數控車磨復合機床的結構特點：底座、滑臺、滑座、工作臺、立柱、主軸箱等大件均采用高強度鑄鐵材料，造型為樹脂砂工藝，兩次時效處理消除應力，提高了大件和整機的剛度和穩定性，有效抑制了切削力導致機床的變形和振動。機床坐標軸導軌均采用精密線性滾動導軌，由于導軌副之間摩擦方式為滾動摩擦，摩擦系數小、動靜摩擦力差值小，可實現低速無爬行，高速高精度定位。機床坐標軸均采用C3級精密滾珠絲杠，進口絲桿專用軸承，配合兩端支撐座的預拉伸設計，增加絲杠的剛性，降低熱變位，消除傳動背隙，提升精度，使傳動更平穩，具有更高的可靠性和極強耐久性。

2 大兆瓦風機主軸軸承加工用精密五軸車磨復合機床數控系統技術研究

為了保證主軸軸承磨削加工的精度，大兆瓦風機主軸軸承加工用精密五軸車磨復合機床的數控系統具備高精度的位置測量和脈沖當量為0.1 μm的高性能數據處理能力，能滿足高速高精風機主軸軸承磨削加工和車削加工、產品在線檢測、在線砂輪修型等要求[4]。高精五軸車磨復合機床數控系統根據加工余量自行分配粗磨、精磨、光磨四個階段的進給速度和進給量，自動消除空程，縮短加工節拍，提高加工效率。高精五軸車磨復合機床數控系統利用自適應控制技術從軸承磨削過程中檢測到主軸電流變化的信號，來自動調整數控系統的進給量和進給速度等磨削參數，改善磨削加工狀態，以達到磨削效果[5]。另外，精密車磨復合機床數控系統擁有很好的誤差補償功能，能夠滿足精密車磨復合機床對大兆瓦風機主軸軸承加工的質量需求。

大兆瓦風機主軸軸承加工用高精五軸車磨復合機床數控系統在光纖運動控制現場總線技術的支持下，實現對軸承的高速車削、磨削加工，進給速度高，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，軸承零件質量穩定性高，提高了軸承零件的最終加工精度與表面粗糙度。大兆瓦風機主軸軸承加工用精密五軸車磨復合機床數控系統具有復雜的前瞻速度規劃與插補算法，同時擁有更小的插補周期與高速處理程序段[6]。數控系統功能上設定為5軸聯動，即加工過程中有X、Y、Z、B、C軸聯動進行切削。大兆瓦風機主軸軸承加工用精密五軸車磨復合機床數控系統支持機床空間位置誤差測量及其補償技術，同時數控系統也支持金剛石筆和測頭接入，支持在線磨削刀具修型和風機主軸軸承工件加工質量檢測，從而在很大程度上提高風機主軸軸承工件加工精度和質量。

3 大兆瓦風機主軸軸承加工用精密五軸車磨復合機床軸承磨削和車削技術研究

在大兆瓦風機主軸軸承生產中，磨削加工是整個加工過程中最復雜加工工藝，因此對于大兆瓦風機主軸軸承生產中關鍵工序之一的磨削加工，如何采用新工藝、新技術以高精度、高效率、低成本地完成磨削過程，是磨削加工的主要任務。大兆瓦風機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，并運用高剛度、高轉速、大功率電主軸，同時增大砂輪驅動系統的功率和提高機床的剛性。另外，由于砂輪較大并且為非均質組織體，砂輪系統重心總是偏離主軸中心，高速旋轉時必然引起砂輪系統及其整個精密五軸車磨復合機床的振動，直接影響機床的使用壽命。在此情況下磨削加工將難以達到高精度，易導致工件表面產生磨削振紋波紋度增大。因此，在精密五軸車磨復合機床砂輪上安裝機械的自動動平衡裝置，機床開機后快速直接逼近最平衡位置，減小機床振動，長期保持機床的原有精度。另外，大兆瓦風機主軸軸承磨削工藝中采用高速磨削油，從而在整個磨削過程中具有良好的冷卻性能和極壓抗磨性能，對于砂輪的使用壽命和兆瓦風機主軸軸承精度的提升具有很大的作用[7]。

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

4 結語

通過對高精五軸車磨復合機床關鍵技術的研究，構建了高精五軸車磨復合機床關鍵部件綜合性能測試平臺和整機切削驗證平臺。驗證了高精五軸車磨復合機床能夠對大兆瓦風機主軸軸承零件進行高效、高質量的磨削、車削加工。整機具有較高的旋轉定位精度和動態性能。不僅單位時間內實現高速切削的性能，并且被加工大兆瓦風機主軸軸承零件可獲得高精度和高表面質量。機床系統功能上設定為5軸聯動，即加工過程中有X、Y、Z、B、C軸聯動進行切削。導軌、滾珠絲杠采用集中自動潤滑系統，可向各潤滑部位定時定量注油，保證各運動面均勻潤滑，有效減小了摩擦阻力，提高了運動精度，保證了導軌和滾珠絲杠的使用壽命。機床采用全封閉防護，Y軸導軌采用不銹鋼伸縮護罩防護，X軸導軌采用風琴防護，具有防護性能好、使用壽命長等特點，有效防止鐵屑、冷卻液進入機床內部損壞導軌和絲杠。高精五軸車磨復合機床有效促進零件工序集中加工的實現性、安裝的簡便性、使用的便利性，同時大幅度拓展了機床客戶的業務領域，提升了客戶的競爭力。