风电产品主要零部件加工变形的原因及应对方法

2023-01-30杨继宁

技术与市场 2023年1期

杨继宁

(宁夏共享精密加工有限公司，宁夏银川 750000)

0 引言

随着国家对风电的支持，我国风力发电市场快速发展，风力发电技术也不断改善，风电生产商对于产品的质量要求也越来越高。风电的主要零部件转子、定子、主轴、底座、塔筒等都是铸造而成，这些零部件的共同特征是壁厚相对薄，体积大，加工过程容易变形。在加工过程中，工件变形一直是难以解决的问题。工件变形成为机械加工行业工艺设计人员重要的研究课题之一。本文针对风电主要零部件转子、定子、主轴、底座、塔筒等在加工过程中变形、变形的原因以及应对措施进行分析并加以阐述。

1 风电产品主要零部件加工过程中的变形

风电类零部件的精度要求一般都比较高，加工过程的变形量对产品的精度和质量有直接的影响，而风电类零部件加工过程中的变形主要包括零部件的形状、尺寸以及位置等要素的改变。在风电类零部件的加工过程中，其变形无法避免。为了减小风电类零部件的变形量，需要在工件加工前对加工设备的精度、刀具的选用以及工装夹具设计等进行确定，并选用合理的加工工艺和加工流程，将风电类零部件的变形量对加工精度的影响降到最低。

2 变形原因

2.1 内应力作用的影响

风电产品主要零部件转子、定子、主轴、底座、塔筒等在铸造过程中，由于零部件的形状和结构不同，及在铸造过程中由于热处理方式及冷却时间差异造成工件中存在一定的内应力。工件中的内应力主要受不同方向和不同深度的影响。当零部件被加工时，一些部位由于被加工切削导致内应力流失，从而使工件内部相对应的应力失去了平衡力，并作用于工件上，从而导致工件发生变形，如图1所示。

图1 工件由于内应力发生变形的示意图

常见规则的圆轴类铸铁零件，如塔筒、主轴等，加工后，整体尺寸会缩小，其原因是加工去除了一部分金属，工件本身的应力会随着金属的去除而释放，而工件内部剩余的应力会对工件内部有一个压力，从而造成整体尺寸缩小。而常见的由多瓣组成的转子、定子等加工后，对其拆分，整体尺寸会变大，这是由于拆分后，内部应力对分布不均衡，从而造成整体尺寸增大。

2.2 热收缩引起工件变形

在加工过程中，当材料局部受热并冷却后会使材料收缩，这个过程会使工件产生内力而发生变形，这种变形在薄壁类零件中常见，如图2所示。零件加工需要在高速度和高强度的环境下进行，所以在加工中，会产生大量的热，在这个过程中，会产生热收缩现象。在零件加工中，刀具需要进行反复切割，在整个过程中摩擦不可避免，从而产生大量的热，这些热量会对所加工出的产品变形造成影响；工件表面与刀具之间长时间的接触，使温度不断升高，发生热收缩；机械设备因为长时间的工作而发生变形，内部负荷不断增加，热量不断增加，而对设备内部的一些部件造成影响，使机械设备在运行过程中造成误差。

图2 热收缩引起的工件变形示意图

2.3 装夹时造成的变形

工件在加工前要进行夹紧和固定，限制工件的自由度，保证工件加工过程中的稳定性，这也是工件变形的一大原因。而风电产品的主要零部件转子、定子、主轴、塔筒等形状比较复杂，整体壁厚比较小，而且内壁和外壁上有很多大小不同的孔，所以，装夹不理想的情况下，很容易造成工件的变形。在工件夹紧和固定时，首先应该选择合适的夹紧点位，并根据夹紧点位选择正确的夹紧力。选择的夹紧点位和工件的支撑点应达到数量一致。如果一个工件上有多个夹紧点位，就应该注意夹紧的先后顺序和夹紧的扭矩。如果操作不当，工件很容易出现变形。薄壁零件的形状和结构的特点导致其具有较低的刚性，在装夹施力的作用下会产生变形。

3 风电产品主要零部件加工变形的应对方法

3.1 工件的内应力释放

风电产品主要零部件由于体积大、重量大，材料一般选用比较耐磨的灰口铸铁，所以在加工前，要保证工件在铸造过程中内应力得到足够的释放。首先选择合理的热处理温度和冷却时间；其次要对工件进行粗加工，使工件表面的残余应力进一步释放；工件粗加工后，需要放置最少12 h，使工件的内应力得到足够的释放；最后，针对薄壁类零件的塔筒、定子、主轴等，粗加工后可以进行震动时效处理，使用外力将工件的内应力进行释放，震动时效过后，放置最少24 h，然后再进行精加工。

3.2 选择合理的加工流程

风电产品主要零部件转子、定子、主轴、塔筒等都是圆轴类的零件，内圆、外圆、法兰面上都由大小不同的螺纹孔和通孔组成。加工过程中，一般会选择先车削内壁、外壁，再进行钻孔、攻丝。而钻孔、攻丝后，整个轴孔由于内应力的作用，会发生变形。针对此种问题，对内圆、外圆进行半精加工，然后进行钻孔攻丝，最后精加工内圆、外圆。在这个过程中，钻孔攻丝后，工件的内应力得到一定的释放，车削内圆、外圆的尺寸可以得到保证，如图3所示。

图3 风电产品主要零部件加工流程图

3.3 正确装卡调整工件的局部变形

选择正确的装卡点位进行装卡，可以有效消除工件在切削过程中由于受力引起的变形，如图4所示。保证夹紧点和支撑点的一致，在支撑点上，选择好的受力点找准受力位置，装卡时工件不容易变形。因此在装卡中要尽量选择得当的受力位置，当工件被来至不同方向的受力点牵制时，正确安排好顺序，这样可对承载夹紧力起到良好的作用。

图4 夹紧引起的工件变形示意图

选择增大工件装夹面积和增多工件的支撑点：在加工工件时，有效增大工件和夹具之间的接触范围，能减少工件装夹时所造成的变形。例如在车削加工薄壁件时，在使用卡爪固定的同时，可以选择合适的点位，使用弹性压板进行固定，目的就是增加接触零件的受力面积，减少刚性不足的薄壁类零件在加工过程中的变形现象。

详细了解零件的结构特点及产品形状，可降低变形率。针对于薄壁圆轴类的工件在使用立车进行车削加工时，使用四爪卡盘来对工件进行装夹定位，可选择使用压板辅助压紧，并在内圆或外圆上压上百分表；四爪卡盘作用在工件上的压力不能使工件直径方向发生变形，如果压紧过程中百分表发生变化，说明工件发生了变形，压紧力需要重新调整，如图5所示。

图5 薄壁圆轴类工件装卡示意图

针对重量大、直径大的工件进行车削加工时，需要制作专用工装，支撑点需要足够多，并且使用三维辅助软件进行模拟计算，保证选择的支撑点的间距能够使工件的变形量最小。

3.4 正确的切削方式可减少工件的变形

由于铸铁材料相对硬度低，大多数企业加工铸铁材料时，选用的方案是大切深、高进给、低转速，而且加工过程中不使用切削液。采用这种切削方式的刀具和工件的摩擦力比较强，产生的热量较多，而且热量不容易散去，导致工件由于受热而发生变形。针对这种情况，需要选择合理的切削三要素：可以减少切深，增大进给和转速。切削过程中可使用雾化冷却，雾化冷却可以有效带走大量的热量，降低工件的变形。