風電齒輪箱箱體加工工藝的研究

喬新亮，段仕存

風電齒輪箱箱體加工工藝的研究

喬新亮，段仕存

（西門子機械傳動天津有限公司，天津300400）

箱體是齒輪箱的重要部件，它承受來自風輪的作用力和齒輪傳動時產生的反作用力。箱體必須具有足夠的剛性去承受力和力矩的作用，防止變形，保證傳動質量。本文簡單介紹了箱體的工藝制定，以及測頭在提高生產效率上的應用。

箱體；高效加工；測頭；臥式加工中心

風力發電機組中的齒輪箱是一個重要的機械部件[1]，其主要功能是將風輪在風力作用下所產生的動力傳遞給發電機并使其得到相應的轉速。風輪的轉速很低，遠達不到發電機發電的要求，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實現[2]，故也將齒輪箱稱為增速箱。由于機組安裝在高山、荒野、海灘、海島等風口處，受無規律的變向變載荷的風力作用以及強陣風的沖擊，常年經受酷暑、嚴寒和極端溫差的影響，加之所處自然環境交通不便，如圖1所示，齒輪箱安裝在塔頂的狹小空間內，一旦出現故障，修復非常困難，故對其可靠性和使用壽命都提出了比一般機械高得多的要求。例如對構件材料的要求，除了常規狀態下機械性能外，還應具有低溫狀態下抗冷脆性等特性，同時應保證齒輪箱平穩工作，防止震動和沖擊。本文簡單地介紹了齒輪箱箱體加工的機床選擇，工裝夾具的設計要求以及完整的工藝流程，并在文中提到了一些加工技巧和方法，能幫助實現加工過程優化。如圖2所示。

圖1 齒輪箱

圖2 齒輪箱剖視

1 工藝介紹

風電箱體的設計一般外形復雜，尺寸較大，精度較高，且部分內腔內也會有加工部位，所以對機床和刀具的要求比較高。

1.1 機床

工欲善其事，必先利其器，選擇一款合適的機床對于風電箱體的加工尤為重要。在這里推薦的是一款主軸帶一個直徑150 mm鏜桿的雙托盤臥式加工中心機床。以往在加工大型的復雜工件時，位于工件深處的孔徑和較長的刀柄經常是問題的癥結所在。現在借助直徑150 mm的堅固主軸及其立式止推軸承，可以在大懸伸的情況穩定加工，伸出的鏜桿還可以高效率的加工位于工件深處的盲孔。雙托盤保證了機床不停機換活。

1.2 夾具

對于分箱的箱體來說，上、下箱夾具的設計尤為重要（見圖3），應遵循以下原則：

（1）工件的裝卡要緊固、穩定，不能在走刀時產生由于夾具太虛而產生震動。

（2）壓緊工件時不能產生變形。

（3）夾具的部件應該盡量遠離加工部位，以避免干涉。

（4）工件的上、落活工作量小、耗時少。

圖3 上、下箱夾具

1.3 加工

1.3.1 上、下蓋加工

（1）上活并調平，夾具支撐工件的底面一般設計成3個等高的支撐柱，考慮到毛坯的因素，這3個等高支撐柱需要可以調節高度。此外，還應該在加工中靠近銑面的位置增加活點支撐，來避免粗銑時夾具太虛引起的震動。壓緊位置理論上應該在支撐柱的正上方，并且支撐柱和壓緊位置中間不應該有空腔，以避免壓緊工件時工件變形。夾具上還應該對工件在兩個方向上有定位，以便上活時快速粗略確定工件位置。

（2）找正定坐標，定坐標的過程可以選擇用測頭自動擺正B臺，自動測點定坐標，優點是省時、準確、避免機床停機等待。

（3）粗銑面，先粗銑合箱面來調整Z向坐標，再粗銑窗口面以及其他安裝面。

（4）再次調用測頭程序測定需要劃平的孔所在位置處毛坯面的Z值。

（5）打孔、倒角、攻絲。

（6）精銑面，合箱面精銑前，需要將加工中產生的內應力釋放，具體做法是將所有壓緊螺絲松開，再以更小的力壓緊工件。

（7）落活。

1.3.2 合箱加工

（1）按照圖紙給定的扭矩擰緊合箱螺釘，在施加扭矩之前，需要用塞尺測試上、下箱在合箱面處的縫隙，理論上此縫隙應小于0.03 mm.

（2）上活，一般合箱加工或者二序加工都采用銷孔+平面定位，一次確定完坐標，在批量加工時可以按照上件活的坐標加工。

（3）粗加工平面，從毛坯開始加工，不同廠家和不同批次的鑄造毛坯加工量會有大有小，如果從較大的Z值處開始粗銑，會浪費時間；如果從較小的Z值處開始粗銑，則第一刀量大容易損壞刀具，這樣也可以借助測頭程序來確定粗銑第一刀的Z值。如圖4所示，R69為測點程序測得的毛坯面的Z值，加工面成活尺寸Z值為-386.2，借用判斷語句來循環調用粗銑子程序MILL_330,每層切削深度為2.5 mm，避免了空走刀又保護了刀具。

圖4 程序示例

（4）粗加工軸承孔，如果刀庫容量滿足需要，可以采用鏜削加工，省時，主軸震動也小；如果刀庫容量不夠，就只能選擇方肩銑刀螺旋銑削加工。

（5）打孔、倒角、攻絲。

（6）精銑面。

（7）精鏜軸承孔。

（8）落活、清洗、檢驗、入庫。

2 加工過程優化

2.1 巧用插銑加工

插銑加工，機床主軸承受的主要是軸向力，徑向力幾乎可以忽略不計；而粗銑加工根據刀具主偏角的不同，軸向力和徑向力也各不相同。進給量的大小是造成切削振動的主要因素，且進給量大小與主軸的徑向振動振幅成線形關系[3]，也就是說徑向力越大，主軸越容易振動。

如圖5所示的加工面，原先需要在合箱之后粗背銑+精背銑成活，由于在工件內腔處，需要鏜桿懸伸較長，主軸振動較大，粗銑需要較低的進給速度才可以滿足加工。改為在上蓋序插銑+合箱序精背銑，加工時間節省在60%以上，并且主軸振動小。

圖5 箱體粗銑改插銑

2.2 粗銑中解決振動

一般粗銑時可以考慮用順銑代替逆銑，會使粗加工更加平穩，如果刀具懸伸較長還有震動，選用疏齒刀具(或者在現有刀具上對稱的拆除幾個刀片)，改變刀軌使其避免滿刀切削的辦法能解決大部分的刀具振動。

3 結束語

風力發電作為綠色能源的一種，其市場已經越來越大，而箱體由于發電功率需求的加大，復雜性和精度要求也更高，所以從試制之初就不能僅滿足可以制造出來，制造成本還要在激烈的市場競爭中占一席之地。

[1]張立勇.大型風電齒輪箱均載性研究及優化[D].北京：機械科學研究總院，2009.

[2]汪洋.風電增速箱齒圈制造工藝研究[J].機電產品開發與創新，2011（24）：177-178.

[3]萬海波.切削載荷下機床主軸的振動響應分析[J].組合機床與自動化加工技術,2014（4）：23-25.

The Process of Wind Power Gearbox and Increase Efficiency

QIAO Xin-liang，DUAN Shi-cun
（Siemens Mechanical Drive Systems Tianjin Co.，Ltd.，Tianjin 300400，China）

Housing is a core component of gearbox,it bears the force from the wind wheel and the reaction force generated by the gear transmission.Housing must have enough rigidity to bear the force and the moment function, prevent the distortion.We introduce the process of housing shortly and the application of measuring head in machining.

housing；high efficiency machining；measuring head；horizontal machining center

TH162.1

A

1672-545X（2017）07-0079-02

2017-04-26

喬新亮（1985－），男，天津人，工程師，工學學士，主要從事箱體制造工藝工作。