大兆瓦风机主轴轴承加工用高精五轴车磨复合机床关键技术研究

余阿东,朱恩旭

(信阳职业技术学院 汽车与机电工程学院,河南 信阳 464000)

2019年以来风电市场对5兆瓦级及其以上风机主轴轴承需求不断增多，大兆瓦级风机主轴轴承是风机国产化受制约的两大部件之一，此类产品长期依赖进口，为加快此类轴承国产化步伐，我们通过调研发现，大兆瓦级风机主轴轴承的生产制造设备依然是制约此类轴承国产化重要因素之一[1]。因此，针对大兆瓦级风机主轴轴承的制造特点，在前期研究成果的基础上开展大兆瓦级风机主轴轴承制造的高精五轴数控车磨复合机床关键技术研究。基于目前国内外机床企业和科研机构对高精五轴数控车磨复合机床研究的热点，以及大兆瓦级风机主轴轴承加工工艺特点，开展大兆瓦级风机主轴轴承制造的高精度五轴数控车磨复合机床的结构设计、精密车磨复合机床数控系统、机床床身和立柱结构件以及轴承车削和磨削等技术的研究。从而为大兆瓦级风机主轴轴承制造及其国产化提供技术支持，并能够在很大程度上提升相关机床企业制造高档数控机床的能力和水平。

1 大兆瓦风机主轴轴承加工用精密五轴车磨复合机床结构设计研究

大兆瓦风力发电主机主轴轴承一般为调心滚子轴承和大锥角双列圆锥滚子轴承，主要承受来自风机转子、主轴等重量所引起的径向力以及由转子上风压产生的较大的轴向力，风机用户要求轴承具有99%以上可靠性和20年以上的使用寿命，要达到高精度、高可靠性、低噪声、轻量化等要求，因此需要高精度的加工机床设备才能满足上述要求[2]。通过对风力发电主机主轴轴承的加工工艺分析，研究了一种高精度五轴数控车磨复合机床来生产此种类型的轴承。机床采用整体立柱、单拖板滑枕纵向移动、双立轴车磨头、立轴圆台布局型式，结构紧凑，造就整机的高刚性和高稳定性。立柱结构采用整体铸造结构，和横梁合为一体，具有足够的刚度，实现很高的纵向几何和数控精度。回转工作台采用端面闭式静压导轨和径向滚动轴承结构，具有很高的回转精度和动态刚性。采用隔离和强制冷却来消除发热源。五轴数控车磨复合机床能够进行磨削、车削、在线检测产品精度、在线砂轮修型、机床精度检测及其误差补偿等功能，能够取得质量极佳的轴承零部件加工质量[3]。高精度五轴数控车磨复合机床结构及各坐标轴如图1所示。

高精度五轴数控车磨复合机床主要由床身、回转工作台、回转工作台滑台、立柱、滑座、横梁、主轴箱体、主轴组、主轴传动系统、进给传动系统、润滑系统、液压系统、气动系统、冷却系统和排屑系统等重要部件组成。高精度五轴数控车磨复合机床坐标轴为：X1轴、X2轴、Z1轴、Z2轴、Y轴、C轴等。高精度五轴数控车磨复合机床的结构特点：底座、滑台、滑座、工作台、立柱、主轴箱等大件均采用高强度铸铁材料，造型为树脂砂工艺，两次时效处理消除应力，提高了大件和整机的刚度和稳定性，有效抑制了切削力导致机床的变形和振动。机床坐标轴导轨均采用精密线性滚动导轨，由于导轨副之间摩擦方式为滚动摩擦，摩擦系数小、动静摩擦力差值小，可实现低速无爬行，高速高精度定位。机床坐标轴均采用C3级精密滚珠丝杠，进口丝杆专用轴承，配合两端支撑座的预拉伸设计，增加丝杠的刚性，降低热变位，消除传动背隙，提升精度，使传动更平稳，具有更高的可靠性和极强耐久性。

2 大兆瓦风机主轴轴承加工用精密五轴车磨复合机床数控系统技术研究

为了保证主轴轴承磨削加工的精度，大兆瓦风机主轴轴承加工用精密五轴车磨复合机床的数控系统具备高精度的位置测量和脉冲当量为0.1 μm的高性能数据处理能力，能满足高速高精风机主轴轴承磨削加工和车削加工、产品在线检测、在线砂轮修型等要求[4]。高精五轴车磨复合机床数控系统根据加工余量自行分配粗磨、精磨、光磨四个阶段的进给速度和进给量，自动消除空程，缩短加工节拍，提高加工效率。高精五轴车磨复合机床数控系统利用自适应控制技术从轴承磨削过程中检测到主轴电流变化的信号，来自动调整数控系统的进给量和进给速度等磨削参数，改善磨削加工状态，以达到磨削效果[5]。另外，精密车磨复合机床数控系统拥有很好的误差补偿功能，能够满足精密车磨复合机床对大兆瓦风机主轴轴承加工的质量需求。

大兆瓦风机主轴轴承加工用高精五轴车磨复合机床数控系统在光纤运动控制现场总线技术的支持下，实现对轴承的高速车削、磨削加工，进给速度高，减小了切削力与热变形，从而使轴承工件变形小，加工噪声小，轴承零件质量稳定性高，提高了轴承零件的最终加工精度与表面粗糙度。大兆瓦风机主轴轴承加工用精密五轴车磨复合机床数控系统具有复杂的前瞻速度规划与插补算法，同时拥有更小的插补周期与高速处理程序段[6]。数控系统功能上设定为5轴联动，即加工过程中有X、Y、Z、B、C轴联动进行切削。大兆瓦风机主轴轴承加工用精密五轴车磨复合机床数控系统支持机床空间位置误差测量及其补偿技术，同时数控系统也支持金刚石笔和测头接入，支持在线磨削刀具修型和风机主轴轴承工件加工质量检测，从而在很大程度上提高风机主轴轴承工件加工精度和质量。

3 大兆瓦风机主轴轴承加工用精密五轴车磨复合机床轴承磨削和车削技术研究

在大兆瓦风机主轴轴承生产中，磨削加工是整个加工过程中最复杂加工工艺，因此对于大兆瓦风机主轴轴承生产中关键工序之一的磨削加工，如何采用新工艺、新技术以高精度、高效率、低成本地完成磨削过程，是磨削加工的主要任务。大兆瓦风机主轴轴承零部件磨削采用新型立方氮化硼磨料磨削砂轮，磨削的过程中采用高速轴承磨削工艺，并运用高刚度、高转速、大功率电主轴，同时增大砂轮驱动系统的功率和提高机床的刚性。另外，由于砂轮较大并且为非均质组织体，砂轮系统重心总是偏离主轴中心，高速旋转时必然引起砂轮系统及其整个精密五轴车磨复合机床的振动，直接影响机床的使用寿命。在此情况下磨削加工将难以达到高精度，易导致工件表面产生磨削振纹波纹度增大。因此，在精密五轴车磨复合机床砂轮上安装机械的自动动平衡装置，机床开机后快速直接逼近最平衡位置，减小机床振动，长期保持机床的原有精度。另外，大兆瓦风机主轴轴承磨削工艺中采用高速磨削油，从而在整个磨削过程中具有良好的冷却性能和极压抗磨性能，对于砂轮的使用寿命和兆瓦风机主轴轴承精度的提升具有很大的作用[7]。

大兆瓦风机主轴轴承加工用精密五轴车磨复合机床采用立方氮化硼刀片进行车削加工，与传统硬质合金刀具相比，提高了轴承零部件的车削速度和刀具寿命，是精车大兆瓦风机主轴轴承零部件的有效切削刀具，轴承生产效率显著提高。精密五轴车磨复合机床车削用立方氮化硼刀片在具备优异的耐磨性的同时，抗冲击韧性和抗断裂性能强，金属切削率高，重载并断续切削大余量轴承毛坯件不崩刀[8]。采用纳米级结合剂和高品级的材料配比，具有更稳定的切削性能，在断续切削情况下保证工况稳定的同时，不崩刀更耐磨，可实现更稳定的高速切削。

4 结语

通过对高精五轴车磨复合机床关键技术的研究，构建了高精五轴车磨复合机床关键部件综合性能测试平台和整机切削验证平台。验证了高精五轴车磨复合机床能够对大兆瓦风机主轴轴承零件进行高效、高质量的磨削、车削加工。整机具有较高的旋转定位精度和动态性能。不仅单位时间内实现高速切削的性能，并且被加工大兆瓦风机主轴轴承零件可获得高精度和高表面质量。机床系统功能上设定为5轴联动，即加工过程中有X、Y、Z、B、C轴联动进行切削。导轨、滚珠丝杠采用集中自动润滑系统，可向各润滑部位定时定量注油，保证各运动面均匀润滑，有效减小了摩擦阻力，提高了运动精度，保证了导轨和滚珠丝杠的使用寿命。机床采用全封闭防护，Y轴导轨采用不锈钢伸缩护罩防护，X轴导轨采用风琴防护，具有防护性能好、使用寿命长等特点，有效防止铁屑、冷却液进入机床内部损坏导轨和丝杠。高精五轴车磨复合机床有效促进零件工序集中加工的实现性、安装的简便性、使用的便利性，同时大幅度拓展了机床客户的业务领域，提升了客户的竞争力。