風電產品主要零部件加工變形的原因及應對方法

楊繼寧

(寧夏共享精密加工有限公司，寧夏 銀川 750000)

0 引言

隨著國家對風電的支持，我國風力發電市場快速發展，風力發電技術也不斷改善，風電生產商對于產品的質量要求也越來越高。風電的主要零部件轉子、定子、主軸、底座、塔筒等都是鑄造而成，這些零部件的共同特征是壁厚相對薄，體積大，加工過程容易變形。在加工過程中，工件變形一直是難以解決的問題。工件變形成為機械加工行業工藝設計人員重要的研究課題之一。本文針對風電主要零部件轉子、定子、主軸、底座、塔筒等在加工過程中變形、變形的原因以及應對措施進行分析并加以闡述。

1 風電產品主要零部件加工過程中的變形

風電類零部件的精度要求一般都比較高，加工過程的變形量對產品的精度和質量有直接的影響，而風電類零部件加工過程中的變形主要包括零部件的形狀、尺寸以及位置等要素的改變。在風電類零部件的加工過程中，其變形無法避免。為了減小風電類零部件的變形量，需要在工件加工前對加工設備的精度、刀具的選用以及工裝夾具設計等進行確定，并選用合理的加工工藝和加工流程，將風電類零部件的變形量對加工精度的影響降到最低。

2 變形原因

2.1 內應力作用的影響

風電產品主要零部件轉子、定子、主軸、底座、塔筒等在鑄造過程中，由于零部件的形狀和結構不同，及在鑄造過程中由于熱處理方式及冷卻時間差異造成工件中存在一定的內應力。工件中的內應力主要受不同方向和不同深度的影響。當零部件被加工時，一些部位由于被加工切削導致內應力流失，從而使工件內部相對應的應力失去了平衡力，并作用于工件上，從而導致工件發生變形，如圖1所示。

圖1 工件由于內應力發生變形的示意圖

常見規則的圓軸類鑄鐵零件，如塔筒、主軸等，加工后，整體尺寸會縮小，其原因是加工去除了一部分金屬，工件本身的應力會隨著金屬的去除而釋放，而工件內部剩余的應力會對工件內部有一個壓力，從而造成整體尺寸縮小。而常見的由多瓣組成的轉子、定子等加工后，對其拆分，整體尺寸會變大，這是由于拆分后，內部應力對分布不均衡，從而造成整體尺寸增大。

2.2 熱收縮引起工件變形

在加工過程中，當材料局部受熱并冷卻后會使材料收縮，這個過程會使工件產生內力而發生變形，這種變形在薄壁類零件中常見，如圖2所示。零件加工需要在高速度和高強度的環境下進行，所以在加工中，會產生大量的熱，在這個過程中，會產生熱收縮現象。在零件加工中，刀具需要進行反復切割，在整個過程中摩擦不可避免，從而產生大量的熱，這些熱量會對所加工出的產品變形造成影響；工件表面與刀具之間長時間的接觸，使溫度不斷升高，發生熱收縮；機械設備因為長時間的工作而發生變形，內部負荷不斷增加，熱量不斷增加，而對設備內部的一些部件造成影響，使機械設備在運行過程中造成誤差。

圖2 熱收縮引起的工件變形示意圖

2.3 裝夾時造成的變形

工件在加工前要進行夾緊和固定，限制工件的自由度，保證工件加工過程中的穩定性，這也是工件變形的一大原因。而風電產品的主要零部件轉子、定子、主軸、塔筒等形狀比較復雜，整體壁厚比較小，而且內壁和外壁上有很多大小不同的孔，所以，裝夾不理想的情況下，很容易造成工件的變形。在工件夾緊和固定時，首先應該選擇合適的夾緊點位，并根據夾緊點位選擇正確的夾緊力。選擇的夾緊點位和工件的支撐點應達到數量一致。如果一個工件上有多個夾緊點位，就應該注意夾緊的先后順序和夾緊的扭矩。如果操作不當，工件很容易出現變形。薄壁零件的形狀和結構的特點導致其具有較低的剛性，在裝夾施力的作用下會產生變形。

3 風電產品主要零部件加工變形的應對方法

3.1 工件的內應力釋放

風電產品主要零部件由于體積大、重量大，材料一般選用比較耐磨的灰口鑄鐵，所以在加工前，要保證工件在鑄造過程中內應力得到足夠的釋放。首先選擇合理的熱處理溫度和冷卻時間；其次要對工件進行粗加工，使工件表面的殘余應力進一步釋放；工件粗加工后，需要放置最少12 h，使工件的內應力得到足夠的釋放；最后，針對薄壁類零件的塔筒、定子、主軸等，粗加工后可以進行震動時效處理，使用外力將工件的內應力進行釋放，震動時效過后，放置最少24 h，然后再進行精加工。

3.2 選擇合理的加工流程

風電產品主要零部件轉子、定子、主軸、塔筒等都是圓軸類的零件，內圓、外圓、法蘭面上都由大小不同的螺紋孔和通孔組成。加工過程中，一般會選擇先車削內壁、外壁，再進行鉆孔、攻絲。而鉆孔、攻絲后，整個軸孔由于內應力的作用，會發生變形。針對此種問題，對內圓、外圓進行半精加工，然后進行鉆孔攻絲，最后精加工內圓、外圓。在這個過程中，鉆孔攻絲后，工件的內應力得到一定的釋放，車削內圓、外圓的尺寸可以得到保證，如圖3所示。

圖3 風電產品主要零部件加工流程圖

3.3 正確裝卡調整工件的局部變形

選擇正確的裝卡點位進行裝卡，可以有效消除工件在切削過程中由于受力引起的變形，如圖4所示。保證夾緊點和支撐點的一致，在支撐點上，選擇好的受力點找準受力位置，裝卡時工件不容易變形。因此在裝卡中要盡量選擇得當的受力位置，當工件被來至不同方向的受力點牽制時，正確安排好順序，這樣可對承載夾緊力起到良好的作用。

圖4 夾緊引起的工件變形示意圖

選擇增大工件裝夾面積和增多工件的支撐點：在加工工件時，有效增大工件和夾具之間的接觸范圍，能減少工件裝夾時所造成的變形。例如在車削加工薄壁件時，在使用卡爪固定的同時，可以選擇合適的點位，使用彈性壓板進行固定，目的就是增加接觸零件的受力面積，減少剛性不足的薄壁類零件在加工過程中的變形現象。

詳細了解零件的結構特點及產品形狀，可降低變形率。針對于薄壁圓軸類的工件在使用立車進行車削加工時，使用四爪卡盤來對工件進行裝夾定位，可選擇使用壓板輔助壓緊，并在內圓或外圓上壓上百分表；四爪卡盤作用在工件上的壓力不能使工件直徑方向發生變形，如果壓緊過程中百分表發生變化，說明工件發生了變形，壓緊力需要重新調整，如圖5所示。

圖5 薄壁圓軸類工件裝卡示意圖

針對重量大、直徑大的工件進行車削加工時，需要制作專用工裝，支撐點需要足夠多，并且使用三維輔助軟件進行模擬計算，保證選擇的支撐點的間距能夠使工件的變形量最小。

3.4 正確的切削方式可減少工件的變形

由于鑄鐵材料相對硬度低，大多數企業加工鑄鐵材料時，選用的方案是大切深、高進給、低轉速，而且加工過程中不使用切削液。采用這種切削方式的刀具和工件的摩擦力比較強，產生的熱量較多，而且熱量不容易散去，導致工件由于受熱而發生變形。針對這種情況，需要選擇合理的切削三要素：可以減少切深，增大進給和轉速。切削過程中可使用霧化冷卻，霧化冷卻可以有效帶走大量的熱量，降低工件的變形。

4 結語

在機械加工的過程中，工件變形問題不可避免，也較難解決，本文針對風電產品主要零部件轉子、定子、主軸、塔筒等的特征，分析產品在加工過程中產生變形的方式及變形的原因，并針對不同變形采取相應的措施及解決方案，保證加工過程中降低工件的變形量，提高產品的質量。