3 MW 风电轮毂数控加工工艺及夹具设计

　　风能以其清洁环保、可再生等特点而具有广阔的应用发展前景。风力发电设备将风的动能转变成机械能带动发电机发电。轮毂零件是支撑风力发电机旋转叶片的关键零件，其加工精度不但影响叶片的安装精度，而且影响整个风力发电机的发电效率。

1 轮毂结构和加工工艺现状分析

　　3 MW 风电轮毂，材质QT400-18-AL，最大直径约3. 5 m，质量约18 t。轮毂的3 个叶片面以120° ±0. 1°的角度在球面上对称分布; 其叶片面轴心线与大、小端面形成3° ± 0. 1°的风轮锥角。3 个叶片面的轴心线与大、小端面的轴线相交于同一点，即4 线共一点。该型轮毂形状结构较复杂，共5 个加工面，各面加工要素多，且轮毂零件体积、质量庞大，翻转及装夹定位困难，轮毂形状及重要尺寸见图1。加工工艺现状。以5 ～ 6 台通用设备为1 组，主要工艺安排: ( 1) 2 台立式车床分别加工轮毂大、小两个端面; ( 2) 摇臂钻+ 钻模加工大、小两个端面各孔; ( 3) 立式车床依次翻转加工3 个轮毂叶片面;( 4) 摇臂钻+ 钻模加工3 个叶片面各孔; ( 5) 镗床加工轮毂电机孔。该工艺虽然设备成本较低，但存在工装夹具多，特别是钻模多，工序繁杂，零件吊装翻转次数多，用工人数多，生产效率低，尺寸稳定性不够等较多问题。

　　工装夹具应用。由于轮毂存在风轮锥角，处理与机床主轴成一定角度的面及孔系加工问题有两种方法: 一种是配装可倾斜一定范围角度的数控回转工作台［4］，可减少夹具数量，生产柔性好，但机床改造成本高，用正弦规测量及调试角度流程较复杂; 另一种是在工作台床身下垫斜铁( 斜角等于风轮锥角) ，使零件加工面垂直于机床主轴，此方法对工作台精度有影响，且不适合配静压导轨的机床。随着生产任务的持续增加，原工艺已不能满足现有生产节拍的需求，为此需要根据现有设备状况和加工能力，重新设计轮毂加工工艺及工装夹具。

2 轮毂数控加工工艺

　　2. 1 机床的选择

　　由于零件体积、质量庞大，生产实际中选用TK6916 大型数控落地镗铣床。该机床主镗轴直径160 mm，立柱横向行程( X) 8 000 mm ( 加长) ，主轴箱垂直行程( Y) 4 000 mm ( 加高) ，镗轴最大轴向( Z) 行程2 000 mm ( 含滑枕行程) ，主电机功率55 kW，控制系统Siemens840D。

　　2. 2 轮毂加工工艺

　　规划以2 台数控镗铣床为1 组，用两大工序完成整个零件加工。一序: 大、小两个端面加工。以轮毂上3 个对称分布的叶片面中的任意1 个叶片面为粗基准，加工轮毂的大、小两个端面及各孔系。主要有大、小端面粗精铣，基准孔1447H7 粗铣精镗，粗糙度3. 2 μm，螺纹孔72 × M39 ( 沉孔43) 、24 × M12、8 × M16 等加工。二序: 3 个对称叶片面加工。以在工序一中加工完成的大端面为精基准，依次完成3 个对称分布的叶片面( 包含电机孔、凸台等) 的加工。主要有叶片面粗精铣; 电机孔正、反两面粗精铣以及300H9、350H8 电机孔粗精镗，粗糙度3. 2 μm，螺纹孔92 ×M36 ( 沉孔40) ，具体的加工工艺过程如表1所示。

　　此外，叶片面凸台上的6 × M56 的粗牙螺纹，在生产实际中采用铣牙刀进行螺纹铣削完成加工，对于轮毂腔壁内侧的120 × M16 深32 螺纹孔，操作者需进入轮毂内部借助钻模和磁力钻完成钻孔及攻丝等工序。

　　2. 3 刀具的选用与刀具安装

　　由于轮毂大端面1447H7 孔尺寸较大，常规镗刀无法加工，故专门设计并定制1447H7 精镗刀。该精镗刀采用3 节组合式结构设计，中间节安装于机床主轴端，左右两节分别安装切削刀片和配重块，刀具整体采用铝合金材质。二序中精镗350H8 电机孔这道工序，由于该孔正面尺寸只有300，精镗刀无法通过该孔，所以在实际加工中操作者必须进入轮毂内部，从轮毂内侧将精镗刀装入主轴后，才能进行镗孔加工，精镗完成后，操作者仍需从轮毂内部卸下刀具，故该工序称为背精镗。容易理解，背铣420 平面( 350H8 电机孔背面) 工序所用315 三面刃铣刀也需从轮毂内部装、卸才能进行加工。