風(fēng)力發(fā)電機(jī)組錐主軸曲面孔系高效加工技術(shù)研究

楊天鋒，楊武剛，童勇智，金許濤，王逢濤，馬玉亮，張成

（陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西興平 713100）

0 引言

風(fēng)能作為清潔無公害的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要形式，也是目前可再生能源中技術(shù)非常成熟、且具有規(guī)模化開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，在能源市場(chǎng)的比重逐年劇增，數(shù)據(jù)表明未來10年中國將是全球最大的風(fēng)能市場(chǎng)。但是，與市場(chǎng)大量需求相矛盾的是風(fēng)電機(jī)組的產(chǎn)能不足，成為我國風(fēng)電高速發(fā)展的瓶頸，究其原因是其中某些零件加工的關(guān)鍵技術(shù)尚未攻克，嚴(yán)重制約生產(chǎn)周期和產(chǎn)品質(zhì)量。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由風(fēng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、控制與安全系統(tǒng)、機(jī)艙、塔架和基礎(chǔ)等組成。錐主軸是風(fēng)電機(jī)組的重要組件，負(fù)責(zé)動(dòng)力傳遞，承受著高強(qiáng)度的交變載荷。本文以某型錐主軸為例，錐主軸曲面孔系屬于不規(guī)則曲面上的非徑向孔，針對(duì)“卡脖子”難題，開展高效加工技術(shù)研究。利用龍門鏜銑床雙轉(zhuǎn)頭實(shí)現(xiàn)3+2軸定位加工。

1 曲面孔系加工現(xiàn)狀

對(duì)于平面孔系的加工，行業(yè)已具備成熟的設(shè)備和工藝。針對(duì)曲面孔系，目前的作法通常是鉗工利用鉆模進(jìn)行加工。這種方法的弊端為：鉆模設(shè)計(jì)難度高，加工成本高，加工精度不能滿足設(shè)計(jì)要求；鉆模定位困難，鉗工鉆孔強(qiáng)度大且耗時(shí)長；頻繁拆裝鉆模，貼合面磨損嚴(yán)重，鉆模精度下降快且占用零件有效加工時(shí)間。

這種純?nèi)斯つＪ郊庸ば蕵O低，單件零件的生產(chǎn)周期嚴(yán)重制約工廠大批量生產(chǎn)的開展。

2 高效加工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 設(shè)備選型

針對(duì)發(fā)電機(jī)錐主軸孔系加工，腔內(nèi)空間狹小，空間孔系存在雙角度，需設(shè)備附件頭實(shí)現(xiàn)空間擬合角度，設(shè)備選用龍門鏜銑床，附件采用雙轉(zhuǎn)頭附件（如圖1），參數(shù)如下：附件名稱為ATT_NO=3；最大功率為63 kW；最大轉(zhuǎn)矩為250 N·m；傳動(dòng)比為1:1。

圖1 雙轉(zhuǎn)頭附件頭參數(shù)

2.2 雙轉(zhuǎn)頭龍門鏜銑床的優(yōu)點(diǎn)

1）提高加工效率。工序集中，定位精度高，能較好地完成孔的鉆、擴(kuò)、鉸、鏜、攻螺紋等加工。

2）零件加工適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性好，能加工輪廓形狀特別復(fù)雜或難以控制尺寸的零件，如模具類、殼類，可以實(shí)現(xiàn)三軸加工無法加工的部位，在狹小空中雙轉(zhuǎn)頭可實(shí)現(xiàn)多角度加工，并且避免刀身與工件的干涉。

3）加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)自動(dòng)化程度高，可減少操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4）有利于制造系統(tǒng)的集成化?，F(xiàn)化機(jī)械加工向加工中心、FMS方向發(fā)展，在同一工位上完成多面加工，保證位置精度。

2.3 三維模型構(gòu)建

建模思路的主體思想為：先構(gòu)建主體回轉(zhuǎn)面，再構(gòu)建局部細(xì)節(jié)（搭子及筋板），其次是孔系特征，最后倒圓角和斜角來處理細(xì)節(jié)特征。建模過程思路如圖2所示。

圖2 模型構(gòu)建

2.4 技術(shù)要求

圖樣要求在R1088弧面上加工分度圓為φ580的16-M10孔系，孔系軸線起始角度為15°，與主軸軸線夾角20°，如圖3所示。

圖3 曲面孔系尺寸圖

2.5 難點(diǎn)分析

如圖1所示，孔系加工難點(diǎn)如下：1）如何建立機(jī)床坐標(biāo)系（MCS）與工件坐標(biāo)系（WCS）之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，需構(gòu)建機(jī)床-工件系統(tǒng)坐標(biāo)系框架；2）普通的三軸數(shù)控機(jī)床無法加工不規(guī)則曲面上的非徑向孔系，需使用五軸（X、Y、Z、A、C）聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，難點(diǎn)在于曲面上空間點(diǎn)位如何編程；3）錐主軸內(nèi)部空間狹小，鉆孔時(shí)機(jī)床附件（含刀具）存在與工件碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行碰撞檢查。

2.6 方案論證

針對(duì)孔系加工難點(diǎn)，構(gòu)建工件和機(jī)床附件幾何模型，基于模型構(gòu)建機(jī)床-工件系統(tǒng)坐標(biāo)系框架?；谀Ｐ头治鑫遢S數(shù)控機(jī)床各軸與曲面孔系各空間點(diǎn)位的對(duì)應(yīng)關(guān)系，X軸、Y軸、Z軸對(duì)應(yīng)點(diǎn)位置，C軸和A軸對(duì)應(yīng)空間角。

如圖4所示，利用CAM軟件，建立G56[1]主坐標(biāo)系，提取M10孔系軸線與平面（假想面）的交點(diǎn)（虛擬點(diǎn)），建立G57[1]局部工件坐標(biāo)系。同時(shí)，使用CAM軟件后處器TCL語言[2]來處理空間坐標(biāo)系的偏移及旋轉(zhuǎn)。可在平面上構(gòu)建M10孔位點(diǎn)并將其投影[3]來建立曲面孔系。

圖4 空間坐標(biāo)系定位示意圖

如圖5所示，通過仿真模擬機(jī)床附件在刀路中的軌跡檢測(cè)是否碰撞，確定刀具有效長度：附件碰撞臨界值127 mm+孔深26 mm+安全高度20 mm=173 mm。另外，通過優(yōu)化刀具路徑（如圖6），使用曲線代替數(shù)控程序中設(shè)置的安全平面，可以有效減少空走刀。

圖5 虛擬加工與真實(shí)加工對(duì)比圖

圖6 優(yōu)化刀路軌跡對(duì)比圖

后處理后的部分程序代碼如下：

2.7 效果驗(yàn)證

經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，加工效率提升將近6倍，零件尺寸檢測(cè)合格，鉆孔過程質(zhì)量受控，可實(shí)現(xiàn)曲面孔系的高效加工。同時(shí)，在CAM環(huán)境下基于幾何模型進(jìn)行數(shù)控編程可拓展以下功能：1）開拓了龍門鏜銑床萬能頭加工空間曲面孔系的實(shí)用范圍；2）優(yōu)化刀具路線，減少機(jī)床空走刀；3）三維模型加工碰撞檢測(cè)，可有效地保護(hù)機(jī)床，實(shí)際檢測(cè)刀具加工長度，優(yōu)化刀具的選用；4）通過機(jī)床加工可以避免鉗工加工中的誤差，精度統(tǒng)一，加工質(zhì)量高，并且有效的提高效率，減輕了鉗工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 結(jié)語

將五軸數(shù)控機(jī)床應(yīng)用于不規(guī)則曲面上的孔系加工，相關(guān)工藝人員和編程人員須注意以下方面：1）必須選擇適合工件加工的數(shù)控機(jī)床與附件，只有功能匹配，才能正確建立機(jī)床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；2）使用數(shù)控機(jī)床五軸聯(lián)動(dòng)加工，必須明晰各軸與加工要素的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建議基于模型進(jìn)行數(shù)控編程；3）為防止與工件碰撞，建議利用軟件開展虛擬仿真，進(jìn)行碰撞檢查及刀具路徑優(yōu)化。