加工风力发电机机舱的镗刀架、镗刀系统及其设计方法

技术领域

本技术方案属于风电机组相关重要结构组件的机械加工技术领域，具体是一种 加工风力发电机机舱(底座)的镗刀架、镗刀系统及其设计方法。

背景技术

如附图1、2、5、6所示，现有技术中某型风力发电机机舱的结构比较特殊， 形状不规则且复杂，尺寸较大(长×宽×高)5087mm×4200mm×3731mm，单件毛坯 重量为59吨；另外精度要求特别高，Φ3200/Φ2700/Φ2690/Φ840大孔径为H7 配合公差，同心度与跳动都在0.05mm以内，及光洁度为Ra1.6。采用传统的手段 加工极为困难，且无法保证加工其各项精度要求。

发明内容

为了解决现有加工技术存在上述问题，本技术方案提出一种加工风力发电机机 舱的镗刀架、镗刀系统及镗刀系统的设计方法，具体如下：

一种加工风力发电机机舱的镗刀架，包括导向轴、刀臂和镗刀组合模块；所述 导向轴的一端垂直连接在刀臂的中间位置，构成“T”字形；镗刀组合模块有两 个，它们分别连接在刀臂的左右两末端；所述刀臂包括主梁和辅梁；辅梁可拆卸地 连接在主梁的左右两端；所述主梁包括两个平行的横梁，两个横梁之间通过一个或 多个柱固定连接；导向轴连接在主梁的中间位置，且导向轴与两个横梁都连接；每 个辅梁包括两个平行的横梁，两个横梁之间通过一个或多个柱固定连接；在主梁的 左、右两端以及辅梁上都设有与镗刀组合模块连接的机构；还包括用于连接主轴的 联轴机构；该联轴机构连接在刀臂的中间位置，且联轴机构与导向轴的轴线相同； 还包括油路，油路的一端在镗刀组合模块位置，另一端连接外部油路的出口端。

所述导向轴与刀臂之间通过键连接；

在导向轴的外壁上开有用于连接刀臂的螺纹孔，在刀臂上开有与螺纹孔对应的 通孔，各个通孔、螺纹孔通过螺栓连接；

导向轴的顶端伸出刀臂的另一侧，在导向轴上开有用于连接联轴的螺纹孔，该 螺纹孔的轴线垂直于导向轴的轴线；螺纹孔有一个或多个；螺纹孔有多个时候，它 们关于导向轴的轴线成轴对称。

所述刀臂的材质采用航空锻铝7050，厚度为80±2mm；

横梁和柱之间的紧固点通过螺柱固定，螺柱间距为70mm；相邻柱之间的间距 为360mm。

所述导向轴是采用氮化钢(38CrMoA1)加工后，先进行调质处理，再对导向轴的 表面进行氮化处理，使表面硬度达到HV≥800；

然后对关键部位研磨，该关键部位包括导向轴与联轴机构的连接面、导向轴与 刀臂之间的连接部分；经研磨，关键部位的表面光洁度达到Ra0.8，同时保证导向 轴轴外径h6公差。

一种采用上述镗刀架的加工风力发电机机舱的镗刀系统，包括机床、风力发电 机机舱架、导向轴支撑座和所述镗刀架；风力发电机机舱可拆卸地装在风力发电机 机舱架上；镗刀架通过联轴机构连接机床的主轴；导向轴支撑架可拆卸连接在风力 发电机机舱内，且位置在被加工孔的末端；在导向轴支撑架的中间位置设有连接导 向轴的轴承；轴承位置处设有润滑油出口；被加工孔的轴线与导向轴的轴线相同。

所述被加工孔的轴线与导向轴的轴线都是水平的。所述轴承为铜套。所述风力 发电机机舱架包括多个平行的支架；各个支架的上缘与风力发电机机舱的相应位置 的外形对应。

一种上述镗刀系统的设计方法，步骤包括：

步骤1)先对被加工工件进行结构分析：

因受被加工工件结构特征影响，其无法在立车上加工，所以假设平躺着以底座 平面圆朝下，那么机床的进给轴即Z轴与W轴的行程无法满足；受底座平面圆与被 加工孔之间的距离干涉，另外，尺寸公差与行位公差无法满足；

步骤2)再设计工件的夹持治具结构：

将被加工工件侧着装夹，避让底座平面圆与被加工孔之间的距离干涉，使加工 时进给轴申出距离较短，易保证尺寸与行位公差；

采用多个支架，将被加工工件重心分散到工作台整个台面上，使工作台面受重 力均匀；

步骤3)然后设计铣刀架：

在确立加工工艺后，综合机床各项数据与工件结构的数据，使用航空铝作为铣 刀架的材质；受刀架结构限制决定采用拼装，选用80±2mm厚航空铝板，增大接触 面同时增加紧固点；

步骤4)本镗刀系统在使用过程中的工艺要求为：

铣刀架自重约750kg，靠机床自身是完全无法承受该重量，利用工件的被加工 孔安装导向轴支撑座；

最佳参数为切削量单边3mm、转数为S＝16转/分、进给为F＝4.2mm/分。

本技术方案可以解决机加工行业内加工2.5m以上的特大孔径加工难题，尤其 在5MW级以上的风力发电机组件加工上。

附图说明

图1为本例中被加工工件的轴向截面示意图(图中尺寸单位为mm)；

图2为图1的俯视(被加工部分轴向截面)示意图(图中尺寸单位为mm)， 图中X指示部分为内腔要加工孔径；

图3为本例的镗刀架示意图(图中尺寸单位为mm)；

图4为本例的镗刀系统使用状态俯视示意图(图中尺寸单位为mm)；

图5为图1所示工件删除标记示意图；

图6为图2所示工件删除标记示意图；

上述图中：导向轴1、刀臂2、镗刀组合模块3、主梁4、辅梁5、横梁6、柱 7、联轴机构8、油管9、机床10、风力发电机机舱11、导向轴支撑座12、镗刀架 13；铜套14、传动键15、紧固点16、航空铝板17、内腔要加工孔径X。

具体实施方式

下面结合附图介绍一下本技术方案及其加工图1、2所述工件的具体情形：

一种加工风力发电机机舱的镗刀架，通过机床主轴动力带动刀具旋转切削工 件。关键是中心导向轴起到支撑刀具自重和定位中心以及消除切削中产生振动和应 力，其材质选用氮化钢(38CrMoA1)加工后调质与氮化处理，最后研磨关键的部位。 其刀架部分材料为航空铝经加工后拼装，重点是选航空铝板(航空锻铝7050)的 厚度、紧固点的数量、加强筋部分的分布，要确保刀架有足够的强度与精密度详见 附图3。

本镗刀架，包括导向轴、刀臂和镗刀组合模块(本模块的作用是夹持镗刀，使 之与刀臂连接，且连接位置可以微调。采用现有技术可以简单实现，无特定要 求)；所述导向轴的一端垂直连接在刀臂的中间位置，构成“T”字形；镗刀组合 模块有两个，它们分别连接在刀臂的左右两末端；所述刀臂包括主梁和辅梁；辅梁 可拆卸地连接在主梁的左右两端；所述主梁包括两个平行的横梁，两个横梁之间通 过一个或多个柱固定连接；导向轴连接在主梁的中间位置，且导向轴与两个横梁都 连接；每个辅梁包括两个平行的横梁，两个横梁之间通过一个或多个柱固定连接； 在主梁的左、右两端以及辅梁上都设有与镗刀组合模块连接的机构；还包括用于连 接主轴的联轴机构(本机构可以采用现有成熟的技术，无特殊要求)；该联轴机构 连接在刀臂的中间位置，且联轴机构与导向轴的轴线相同；还包括油路，油路的一 端在镗刀组合模块位置，另一端连接外部油路的出口端。

所述导向轴是采用氮化钢(38CrMoAl)加工后，先进行传统的调质处理，再对导 向轴的表面进行氮化处理；氮化处理是在氮化炉中进行，经过实验来调整工艺参 数，使得氮化处理后的导向轴的表面硬度达到HV≥800；然后对关键部位研磨，如 导向轴连接机床主轴面与定位孔、Φ150h6光滑导向柱和横梁连接部分，其表面光 洁度要求达到Ra0.8同时保证轴外径h6公差，这样才能保证刀具的精度要求。

所述刀臂的材质采用航空锻铝7050，厚度为80±2mm。

横梁和柱之间的紧固点共8个，分为正反面各4个M16螺纹，其螺孔间距为 70mm。共采用8处加强筋(即柱)、分布在梁上相邻的间距为360mm。

所述导向轴与刀臂之间通过键连接；在导向轴的外壁上，沿轴向开有10个 M20螺纹孔，在刀臂上开有与螺纹孔对应的通孔，各个通孔、螺纹孔通过螺栓连 接，构成紧固点。紧固点主要分布为直接固定刀臂4个M20在0°与180°面上个 2个，固定连接环有6个M20在圆周360°等分角度，再从连接环固定刀臂有12个 M20孔。

一种采用上述镗刀架的加工风力发电机机舱的镗刀系统，包括机床、风力发电 机机舱架、导向轴支撑座和所述镗刀架；风力发电机机舱可拆卸地装在风力发电机 机舱架上；镗刀架通过联轴机构连接机床的主轴；导向轴支撑架可拆卸连接在风力 发电机机舱内，且位置在被加工孔的末端；在导向轴支撑架的中间位置设有连接导 向轴的轴承；轴承位置处设有润滑油出口；被加工孔的轴线与导向轴的轴线相同。

所述被加工孔的轴线与导向轴的轴线都是水平的。所述轴承为铜套。所述风力 发电机机舱架包括多个平行的支架；各个支架的上缘与风力发电机机舱的相应位置 的外形对应。

本镗刀系统，工件装夹固定在专用夹治具上、以工件Φ840孔定位安装附件轴 承座、其轴承座内镶铜套，外加机油润滑，再把刀架安装在机床主轴上，旋转主轴 带动刀具加工工件孔径详见附图4。

一种上述镗刀系统的设计方法，步骤包括：

步骤1)先对被加工工件进行结构分析：

因受工件结构特征影响根本无法在立车上加工。假设平躺着以Φ4200圆朝 下，那么机床的进给轴(Z轴与W轴)的行程无法满足，如附图1所示受1809距 离干涉，其次是尺寸公差与行位公差无法满足。

步骤2)再设计工件的夹持治具结构：

经多方讨论决定将工件侧着装夹，主要是避让工件1809距离干涉，使加工时 进给轴申出距离较短，易保证尺寸与行位公差。

采用半圆弧形状定位工件，可将工件重心分散到工作台整个台面上，使工作台 面受重力均匀。

步骤3)然后设计铣刀架：

在确立加工工艺后，综合机床各项数据与工件结构有关的数据开始设计刀架相 关重要尺寸。在材料选用上查阅很多相关资料结合同行有些相关的经验，决定使用 航空铝，受刀架结构限制，在市场上很难找到整块铝料，经分析采用拼装，选用 75mm厚在铝板，增大接触面同时增加紧固点，请参照附图3。

步骤4)本镗刀系统在使用过程中所要求的工艺要求为：

因此刀架自重约750kg，靠机床自身是完全无法承受该重量，利用工件Φ840 孔与螺纹孔安装附件轴承座支撑，详见附图4。通过不同的切削量与切削参数的试 加工，最终较佳参数为切削量Φ6单边3mm、转数为S＝16转/分、进给为F＝4.2mm/ 分。

如附图1、2所示孔径只要54小时可完成粗加工和精加工。经激光检测后，所 有的尺寸公差及行位公差和光洁度均在图示的要求范围内。