风力发电机组锥主轴曲面孔系高效加工技术研究

杨天锋，杨武刚，童勇智，金许涛，王逢涛，马玉亮，张成

（陕西柴油机重工有限公司，陕西兴平 713100）

0 引言

风能作为清洁无公害的可再生能源，风力发电是风能利用的主要形式，也是目前可再生能源中技术非常成熟、且具有规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式之一，在能源市场的比重逐年剧增，数据表明未来10年中国将是全球最大的风能市场。但是，与市场大量需求相矛盾的是风电机组的产能不足，成为我国风电高速发展的瓶颈，究其原因是其中某些零件加工的关键技术尚未攻克，严重制约生产周期和产品质量。

风力发电机组是由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。锥主轴是风电机组的重要组件，负责动力传递，承受着高强度的交变载荷。本文以某型锥主轴为例，锥主轴曲面孔系属于不规则曲面上的非径向孔，针对“卡脖子”难题，开展高效加工技术研究。利用龙门镗铣床双转头实现3+2轴定位加工。

1 曲面孔系加工现状

对于平面孔系的加工，行业已具备成熟的设备和工艺。针对曲面孔系，目前的作法通常是钳工利用钻模进行加工。这种方法的弊端为：钻模设计难度高，加工成本高，加工精度不能满足设计要求；钻模定位困难，钳工钻孔强度大且耗时长；频繁拆装钻模，贴合面磨损严重，钻模精度下降快且占用零件有效加工时间。

这种纯人工模式加工效率极低，单件零件的生产周期严重制约工厂大批量生产的开展。

2 高效加工关键技术

2.1 设备选型

针对发电机锥主轴孔系加工，腔内空间狭小，空间孔系存在双角度，需设备附件头实现空间拟合角度，设备选用龙门镗铣床，附件采用双转头附件（如图1），参数如下：附件名称为ATT_NO=3；最大功率为63 kW；最大转矩为250 N·m；传动比为1:1。

图1 双转头附件头参数

2.2 双转头龙门镗铣床的优点

1）提高加工效率。工序集中，定位精度高，能较好地完成孔的钻、扩、铰、镗、攻螺纹等加工。

2）零件加工适应性强、灵活性好，能加工轮廓形状特别复杂或难以控制尺寸的零件，如模具类、壳类，可以实现三轴加工无法加工的部位，在狭小空中双转头可实现多角度加工，并且避免刀身与工件的干涉。

3）加工精度高、加工质量稳定可靠，生产自动化程度高，可减少操作者的劳动强度。

4）有利于制造系统的集成化。现化机械加工向加工中心、FMS方向发展，在同一工位上完成多面加工，保证位置精度。

2.3 三维模型构建

建模思路的主体思想为：先构建主体回转面，再构建局部细节（搭子及筋板），其次是孔系特征，最后倒圆角和斜角来处理细节特征。建模过程思路如图2所示。

图2 模型构建

2.4 技术要求

图样要求在R1088弧面上加工分度圆为φ580的16-M10孔系，孔系轴线起始角度为15°，与主轴轴线夹角20°，如图3所示。

图3 曲面孔系尺寸图

2.5 难点分析

如图1所示，孔系加工难点如下：1）如何建立机床坐标系（MCS）与工件坐标系（WCS）之间的关联关系，需构建机床-工件系统坐标系框架；2）普通的三轴数控机床无法加工不规则曲面上的非径向孔系，需使用五轴（X、Y、Z、A、C）联动数控机床，难点在于曲面上空间点位如何编程；3）锥主轴内部空间狭小，钻孔时机床附件（含刀具）存在与工件碰撞的风险，需要进行碰撞检查。

2.6 方案论证

针对孔系加工难点，构建工件和机床附件几何模型，基于模型构建机床-工件系统坐标系框架。基于模型分析五轴数控机床各轴与曲面孔系各空间点位的对应关系，X轴、Y轴、Z轴对应点位置，C轴和A轴对应空间角。

如图4所示，利用CAM软件，建立G56[1]主坐标系，提取M10孔系轴线与平面（假想面）的交点（虚拟点），建立G57[1]局部工件坐标系。同时，使用CAM软件后处器TCL语言[2]来处理空间坐标系的偏移及旋转。可在平面上构建M10孔位点并将其投影[3]来建立曲面孔系。

图4 空间坐标系定位示意图

如图5所示，通过仿真模拟机床附件在刀路中的轨迹检测是否碰撞，确定刀具有效长度：附件碰撞临界值127 mm+孔深26 mm+安全高度20 mm=173 mm。另外，通过优化刀具路径（如图6），使用曲线代替数控程序中设置的安全平面，可以有效减少空走刀。

图5 虚拟加工与真实加工对比图

图6 优化刀路轨迹对比图

后处理后的部分程序代码如下：

2.7 效果验证

经生产验证，加工效率提升将近6倍，零件尺寸检测合格，钻孔过程质量受控，可实现曲面孔系的高效加工。同时，在CAM环境下基于几何模型进行数控编程可拓展以下功能：1）开拓了龙门镗铣床万能头加工空间曲面孔系的实用范围；2）优化刀具路线，减少机床空走刀；3）三维模型加工碰撞检测，可有效地保护机床，实际检测刀具加工长度，优化刀具的选用；4）通过机床加工可以避免钳工加工中的误差，精度统一，加工质量高，并且有效的提高效率，减轻了钳工的劳动强度。

3 结语

将五轴数控机床应用于不规则曲面上的孔系加工，相关工艺人员和编程人员须注意以下方面：1）必须选择适合工件加工的数控机床与附件，只有功能匹配，才能正确建立机床坐标系与工件坐标系之间的关联关系；2）使用数控机床五轴联动加工，必须明晰各轴与加工要素的对应关系，建议基于模型进行数控编程；3）为防止与工件碰撞，建议利用软件开展虚拟仿真，进行碰撞检查及刀具路径优化。