風力發電機組錐主軸曲面孔系高效加工技術研究

楊天鋒，楊武剛，童勇智，金許濤，王逢濤，馬玉亮，張成

（陜西柴油機重工有限公司，陜西興平 713100）

0 引言

風能作為清潔無公害的可再生能源，風力發電是風能利用的主要形式，也是目前可再生能源中技術非常成熟、且具有規模化開發條件和商業化發展前景的發電方式之一，在能源市場的比重逐年劇增，數據表明未來10年中國將是全球最大的風能市場。但是，與市場大量需求相矛盾的是風電機組的產能不足，成為我國風電高速發展的瓶頸，究其原因是其中某些零件加工的關鍵技術尚未攻克，嚴重制約生產周期和產品質量。

風力發電機組是由風輪、傳動系統、偏航系統、液壓系統、制動系統、發電機、控制與安全系統、機艙、塔架和基礎等組成。錐主軸是風電機組的重要組件，負責動力傳遞，承受著高強度的交變載荷。本文以某型錐主軸為例，錐主軸曲面孔系屬于不規則曲面上的非徑向孔，針對“卡脖子”難題，開展高效加工技術研究。利用龍門鏜銑床雙轉頭實現3+2軸定位加工。

1 曲面孔系加工現狀

對于平面孔系的加工，行業已具備成熟的設備和工藝。針對曲面孔系，目前的作法通常是鉗工利用鉆模進行加工。這種方法的弊端為：鉆模設計難度高，加工成本高，加工精度不能滿足設計要求；鉆模定位困難，鉗工鉆孔強度大且耗時長；頻繁拆裝鉆模，貼合面磨損嚴重，鉆模精度下降快且占用零件有效加工時間。

這種純人工模式加工效率極低，單件零件的生產周期嚴重制約工廠大批量生產的開展。

2 高效加工關鍵技術

2.1 設備選型

針對發電機錐主軸孔系加工，腔內空間狹小，空間孔系存在雙角度，需設備附件頭實現空間擬合角度，設備選用龍門鏜銑床，附件采用雙轉頭附件（如圖1），參數如下：附件名稱為ATT_NO=3；最大功率為63 kW；最大轉矩為250 N·m；傳動比為1:1。

圖1 雙轉頭附件頭參數

2.2 雙轉頭龍門鏜銑床的優點

1）提高加工效率。工序集中，定位精度高，能較好地完成孔的鉆、擴、鉸、鏜、攻螺紋等加工。

2）零件加工適應性強、靈活性好，能加工輪廓形狀特別復雜或難以控制尺寸的零件，如模具類、殼類，可以實現三軸加工無法加工的部位，在狹小空中雙轉頭可實現多角度加工，并且避免刀身與工件的干涉。

3）加工精度高、加工質量穩定可靠，生產自動化程度高，可減少操作者的勞動強度。

4）有利于制造系統的集成化。現化機械加工向加工中心、FMS方向發展，在同一工位上完成多面加工，保證位置精度。

2.3 三維模型構建

建模思路的主體思想為：先構建主體回轉面，再構建局部細節（搭子及筋板），其次是孔系特征，最后倒圓角和斜角來處理細節特征。建模過程思路如圖2所示。

圖2 模型構建

2.4 技術要求

圖樣要求在R1088弧面上加工分度圓為φ580的16-M10孔系，孔系軸線起始角度為15°，與主軸軸線夾角20°，如圖3所示。

圖3 曲面孔系尺寸圖

2.5 難點分析

如圖1所示，孔系加工難點如下：1）如何建立機床坐標系（MCS）與工件坐標系（WCS）之間的關聯關系，需構建機床-工件系統坐標系框架；2）普通的三軸數控機床無法加工不規則曲面上的非徑向孔系，需使用五軸（X、Y、Z、A、C）聯動數控機床，難點在于曲面上空間點位如何編程；3）錐主軸內部空間狹小，鉆孔時機床附件（含刀具）存在與工件碰撞的風險，需要進行碰撞檢查。

2.6 方案論證

針對孔系加工難點，構建工件和機床附件幾何模型，基于模型構建機床-工件系統坐標系框架。基于模型分析五軸數控機床各軸與曲面孔系各空間點位的對應關系，X軸、Y軸、Z軸對應點位置，C軸和A軸對應空間角。

如圖4所示，利用CAM軟件，建立G56[1]主坐標系，提取M10孔系軸線與平面（假想面）的交點（虛擬點），建立G57[1]局部工件坐標系。同時，使用CAM軟件后處器TCL語言[2]來處理空間坐標系的偏移及旋轉。可在平面上構建M10孔位點并將其投影[3]來建立曲面孔系。

圖4 空間坐標系定位示意圖

如圖5所示，通過仿真模擬機床附件在刀路中的軌跡檢測是否碰撞，確定刀具有效長度：附件碰撞臨界值127 mm+孔深26 mm+安全高度20 mm=173 mm。另外，通過優化刀具路徑（如圖6），使用曲線代替數控程序中設置的安全平面，可以有效減少空走刀。

圖5 虛擬加工與真實加工對比圖

圖6 優化刀路軌跡對比圖

后處理后的部分程序代碼如下：

2.7 效果驗證

經生產驗證，加工效率提升將近6倍，零件尺寸檢測合格，鉆孔過程質量受控，可實現曲面孔系的高效加工。同時，在CAM環境下基于幾何模型進行數控編程可拓展以下功能：1）開拓了龍門鏜銑床萬能頭加工空間曲面孔系的實用范圍；2）優化刀具路線，減少機床空走刀；3）三維模型加工碰撞檢測，可有效地保護機床，實際檢測刀具加工長度，優化刀具的選用；4）通過機床加工可以避免鉗工加工中的誤差，精度統一，加工質量高，并且有效的提高效率，減輕了鉗工的勞動強度。

3 結語

將五軸數控機床應用于不規則曲面上的孔系加工，相關工藝人員和編程人員須注意以下方面：1）必須選擇適合工件加工的數控機床與附件，只有功能匹配，才能正確建立機床坐標系與工件坐標系之間的關聯關系；2）使用數控機床五軸聯動加工，必須明晰各軸與加工要素的對應關系，建議基于模型進行數控編程；3）為防止與工件碰撞，建議利用軟件開展虛擬仿真，進行碰撞檢查及刀具路徑優化。