風(fēng)能以其清潔環(huán)保、可再生等特點(diǎn)而具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。輪轂零件是支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片的關(guān)鍵零件，其加工精度不但影響葉片的安裝精度，而且影響整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率。

1 輪轂結(jié)構(gòu)和加工工藝現(xiàn)狀分析

　　3 MW 風(fēng)電輪轂，材質(zhì)QT400-18-AL，最大直徑約3. 5 m，質(zhì)量約18 t。輪轂的3 個(gè)葉片面以1200. 1的角度在球面上對(duì)稱(chēng)分布; 其葉片面軸心線與大、小端面形成3  0. 1的風(fēng)輪錐角。3 個(gè)葉片面的軸心線與大、小端面的軸線相交于同一點(diǎn)，即4 線共一點(diǎn)。該型輪轂形狀結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，共5 個(gè)加工面，各面加工要素多，且輪轂零件體積、質(zhì)量龐大，翻轉(zhuǎn)及裝夾定位困難，輪轂形狀及重要尺寸見(jiàn)圖1。加工工藝現(xiàn)狀。以5 ～ 6 臺(tái)通用設(shè)備為1 組，主要工藝安排: ( 1) 2 臺(tái)立式車(chē)床分別加工輪轂大、小兩個(gè)端面; ( 2) 搖臂鉆+ 鉆模加工大、小兩個(gè)端面各孔; ( 3) 立式車(chē)床依次翻轉(zhuǎn)加工3 個(gè)輪轂葉片面;( 4) 搖臂鉆+ 鉆模加工3 個(gè)葉片面各孔; ( 5) 鏜床加工輪轂電機(jī)孔。該工藝雖然設(shè)備成本較低，但存在工裝夾具多，特別是鉆模多，工序繁雜，零件吊裝翻轉(zhuǎn)次數(shù)多，用工人數(shù)多，生產(chǎn)效率低，尺寸穩(wěn)定性不夠等較多問(wèn)題。

　　工裝夾具應(yīng)用。由于輪轂存在風(fēng)輪錐角，處理與機(jī)床主軸成一定角度的面及孔系加工問(wèn)題有兩種方法: 一種是配裝可傾斜一定范圍角度的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)［4］，可減少夾具數(shù)量，生產(chǎn)柔性好，但機(jī)床改造成本高，用正弦規(guī)測(cè)量及調(diào)試角度流程較復(fù)雜; 另一種是在工作臺(tái)床身下墊斜鐵( 斜角等于風(fēng)輪錐角) ，使零件加工面垂直于機(jī)床主軸，此方法對(duì)工作臺(tái)精度有影響，且不適合配靜壓導(dǎo)軌的機(jī)床。隨著生產(chǎn)任務(wù)的持續(xù)增加，原工藝已不能滿足現(xiàn)有生產(chǎn)節(jié)拍的需求，為此需要根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備狀況和加工能力，重新設(shè)計(jì)輪轂加工工藝及工裝夾具。

2 輪轂數(shù)控加工工藝

　　2. 1 機(jī)床的選擇

　　由于零件體積、質(zhì)量龐大，生產(chǎn)實(shí)際中選用TK6916 大型數(shù)控落地鏜銑床。該機(jī)床主鏜軸直徑160 mm，立柱橫向行程( X) 8 000 mm ( 加長(zhǎng)) ，主軸箱垂直行程( Y) 4 000 mm ( 加高) ，鏜軸最大軸向( Z) 行程2 000 mm ( 含滑枕行程) ，主電機(jī)功率55 kW，控制系統(tǒng)Siemens840D。

　　2. 2 輪轂加工工藝

　　規(guī)劃以2 臺(tái)數(shù)控鏜銑床為1 組，用兩大工序完成整個(gè)零件加工。一序: 大、小兩個(gè)端面加工。以輪轂上3 個(gè)對(duì)稱(chēng)分布的葉片面中的任意1 個(gè)葉片面為粗基準(zhǔn)，加工輪轂的大、小兩個(gè)端面及各孔系。主要有大、小端面粗精銑，基準(zhǔn)孔1447H7 粗銑精鏜，粗糙度3. 2 μm，螺紋孔72 × M39 ( 沉孔43) 、24 × M12、8 × M16 等加工。二序: 3 個(gè)對(duì)稱(chēng)葉片面加工。以在工序一中加工完成的大端面為精基準(zhǔn)，依次完成3 個(gè)對(duì)稱(chēng)分布的葉片面( 包含電機(jī)孔、凸臺(tái)等) 的加工。主要有葉片面粗精銑; 電機(jī)孔正、反兩面粗精銑以及300H9、350H8 電機(jī)孔粗精鏜，粗糙度3. 2 μm，螺紋孔92 ×M36 ( 沉孔40) ，具體的加工工藝過(guò)程如表1所示。

　　此外，葉片面凸臺(tái)上的6 × M56 的粗牙螺紋，在生產(chǎn)實(shí)際中采用銑牙刀進(jìn)行螺紋銑削完成加工，對(duì)于輪轂腔壁內(nèi)側(cè)的120 × M16 深32 螺紋孔，操作者需進(jìn)入輪轂內(nèi)部借助鉆模和磁力鉆完成鉆孔及攻絲等工序。

　　2. 3 刀具的選用與刀具安裝

　　由于輪轂大端面1447H7 孔尺寸較大，常規(guī)鏜刀無(wú)法加工，故專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)并定制1447H7 精鏜刀。該精鏜刀采用3 節(jié)組合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，中間節(jié)安裝于機(jī)床主軸端，左右兩節(jié)分別安裝切削刀片和配重塊，刀具整體采用鋁合金材質(zhì)。二序中精鏜350H8 電機(jī)孔這道工序，由于該孔正面尺寸只有300，精鏜刀無(wú)法通過(guò)該孔，所以在實(shí)際加工中操作者必須進(jìn)入輪轂內(nèi)部，從輪轂內(nèi)側(cè)將精鏜刀裝入主軸后，才能進(jìn)行鏜孔加工，精鏜完成后，操作者仍需從輪轂內(nèi)部卸下刀具，故該工序稱(chēng)為背精鏜。容易理解，背銑420 平面( 350H8 電機(jī)孔背面) 工序所用315 三面刃銑刀也需從輪轂內(nèi)部裝、卸才能進(jìn)行加工。

3 夾具設(shè)計(jì)

　　3. 1 一序夾具

　　用于輪轂大、小兩個(gè)端面加工。該夾具由夾具體、擋塊、可調(diào)螺釘、壓板等組成，具體見(jiàn)圖2。4個(gè)擋塊沿橢圓線( 對(duì)應(yīng)輪轂葉片面孔口形狀) 布置，有助于確定輪轂在夾具上的位置，并限制輪轂在夾具體表面的橫向移動(dòng)，4 個(gè)M36 可調(diào)螺釘支撐零件的底面。因?yàn)榇嬖?°風(fēng)輪錐角且加工面必須垂直于機(jī)床主軸，故將此夾具的上表面與底面設(shè)計(jì)成3° 夾角，調(diào)節(jié)螺釘?shù)母叨?，可使輪轂的大、? 個(gè)端面垂直于機(jī)床主軸，也即使葉片面與夾具底面成3° 夾角。安裝夾具時(shí)盡量使4 顆調(diào)節(jié)螺釘所在的圓心與工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心重合( 避免工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)后，輪轂大、小面余量不均) 。4 塊壓板是夾緊固定零件，確保零件在加工過(guò)程不發(fā)生位置移動(dòng)，輪轂安裝效果圖 見(jiàn)圖3。

　　M36 承載能力校核計(jì)算( 低碳鋼抗壓強(qiáng)度近似于抗拉強(qiáng)度) 。螺栓選用Q235 材料，抗拉強(qiáng)度為

　　3. 2 二序夾具

　　用于加工3 個(gè)對(duì)稱(chēng)布置的葉片面。該夾具由夾具體、旋轉(zhuǎn)體、中心定位銷(xiāo)、旋轉(zhuǎn)體定位銷(xiāo)、零件定位銷(xiāo)、20 滾珠、壓板、杠桿等組成，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。夾具體與旋轉(zhuǎn)體之間是平面、中心定位銷(xiāo)、旋轉(zhuǎn)體定位銷(xiāo)( 防轉(zhuǎn)，銷(xiāo)孔沿圓周120°均布) 組合定位方式，中心定位銷(xiāo)與旋轉(zhuǎn)體配合公差100F7 /h6，中心定位銷(xiāo)與夾具體配合公差100N7 /h6。夾具體與旋轉(zhuǎn)體之間開(kāi)有對(duì)應(yīng)位置環(huán)形凹槽，在凹槽中布滿20 滾珠，因?yàn)槭菨L動(dòng)摩擦，工人使用杠桿可較容易撬動(dòng)安裝有輪轂的旋轉(zhuǎn)體圍繞著夾具體上的中心定位銷(xiāo)進(jìn)行360°的旋轉(zhuǎn)( 旋轉(zhuǎn)體3 個(gè)方形凸臺(tái)外側(cè)均有1 個(gè)杠桿撬洞) ，所以可以在零件一次裝夾完畢后只通過(guò)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)體即可實(shí)現(xiàn)對(duì)3 個(gè)對(duì)稱(chēng)分布葉片面的加工，這樣既避免了多次裝夾而產(chǎn)生的加工誤差，又明顯地提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率。對(duì)應(yīng)一序夾具的上、下平面夾角，該夾具體的上、下表面之間的夾角也是3°，這樣確保輪轂安裝后3 個(gè)葉片面垂直于機(jī)床主軸和垂直于機(jī)床工作臺(tái)。輪轂與旋轉(zhuǎn)體之間采用一面兩銷(xiāo)定位方式。一面即輪轂大端面，一銷(xiāo)是旋轉(zhuǎn)體中心1447圓形凸臺(tái)( 凸臺(tái)與一序加工完成的大端面1447H7孔配合，配合公差1447H7 /f7) ; 另一銷(xiāo)主要作用是防轉(zhuǎn)，采用一端M39 螺紋、另一端39 菱形銷(xiāo)的形式。在安裝輪轂時(shí)，先將螺紋端擰入大端面已加工完成的M39 螺紋中，將輪轂慢慢放下，并將39 菱形銷(xiāo)端插入安裝在旋轉(zhuǎn)體上對(duì)應(yīng)位置的鋼套中( 內(nèi)徑為39) ，然后控制吊機(jī)待1447H7 孔對(duì)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)體上圓形凸臺(tái)后放下輪轂并緊固，輪轂安裝效果見(jiàn)圖5。

　　3. 3 夾具校正

　　夾具第一次安裝于機(jī)床時(shí)必須進(jìn)行位置校正。以二序夾具校正為例( 一序夾具校正方法類(lèi)似) ，校正方法和要求: 工作臺(tái)0°時(shí)，打表測(cè)量夾具側(cè)邊基準(zhǔn)線，誤差± 0. 02 mm/1 500 mm; 工作臺(tái)180° 時(shí)，打表測(cè)量夾具上表面，誤差0. 03 mm/1 500 mm; 工作臺(tái)90°時(shí)，打表驗(yàn)證夾具上表面兩點(diǎn)高度落差78. 61mm，誤差控制0. 03 mm/1 500 mm ( 行程1 500 mm，1 500 × tan3° = 78. 612) 。另外，需要找正二序夾具中旋轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)中心的位置，該回轉(zhuǎn)中心與葉片面外孔中心有尺寸鏈換算關(guān)系，該中心坐標(biāo)數(shù)據(jù)也是確定加工零點(diǎn)的重要依據(jù)，校正后將夾具緊固于工作臺(tái)。

4 零件校正

　　圖6 輪轂葉片面試切( 大端面)零件校正主要是指一序零件裝夾校正，此序的零件裝夾校正非常重要，因?yàn)橹苯佑绊懼虻募庸び嗔?，稍有不慎就?huì)造成整個(gè)零件報(bào)廢從而產(chǎn)生較大的生產(chǎn)損失。主要內(nèi)容有:用百分表拉輪轂大端面X 軸水平方向的平行度，然后用80mm 的玉米銑刀在輪轂大、小端面上進(jìn)行試切，再用尋邊器測(cè)量?jī)啥嗣嬷g的距離( 驗(yàn)證是否大于總長(zhǎng)2 960 并判斷零件是否裝偏) ; 用“劃針+ 刀桿”找大端面圓心位置，用玉米銑刀對(duì)三葉片面進(jìn)行試切，測(cè)量試切缺口深度、寬度尺寸，根據(jù)實(shí)測(cè)值與理論值的偏差來(lái)判斷是否存在毛坯鑄造偏差( 孔中心偏移) ，葉片面加工余量是否足夠，輪轂葉片面試切示意圖見(jiàn)圖6、圖7;驗(yàn)證大、小端面到電機(jī)孔中心的位置尺寸，判斷電機(jī)孔位置是否存在鑄造偏差，電機(jī)孔位置驗(yàn)證見(jiàn)圖8。綜合以上步驟的試切結(jié)果數(shù)據(jù)和位置驗(yàn)證情況，進(jìn)行相應(yīng)的尺寸借補(bǔ)，最后確定加工零點(diǎn)參數(shù)，這樣才能保證二序加工余量的充足，才開(kāi)始零件正式加工。

5 結(jié)論

　　通用設(shè)備組、數(shù)控機(jī)床組輪轂加工工藝比較詳見(jiàn)表2。