新型數控反刮刀具在風力發電機製造上的應用

最新 01-02

作者：秦昱新

單位名稱：東方電氣集團東方電機股份有限公司

文章來源：《金屬加工》(冷加工)2017年第8期

我公司是一家生產水電、核電、火電及風力發電設備的大型國有企業。自主設計製造了2MW、3.2MW、5MW和5.85MW等多種高速永磁發電機，最近幾年又開發製造了1.5MW和3.2MW直驅永磁大型風力發電機及2.0MW電勵磁風力發電機。特別是僅2.0MW電勵磁直驅風力發電機的要求年產量200多台。

1.產品結構分析

如圖1所示轉子支架，該工件是2.0MW電勵磁直驅風力發電機的關鍵零部件之一。

其最大外徑φ 4 932mm，高1 218mm，質量約12.5t，材料為Q345E。在外圓柱面φ 4 600mm上有80組孔，每組5個φ 22mm通孔且需反面鍃平φ 40mm深3mm，每件共有400個孔，保證沉孔後的板厚為47mm，且要求厚度均勻。孔與孔位置度誤差為0.5mm，表面粗糙度值R a=6.3μ m。另要求每個光孔的軸線向心，即孔的延長線過φ 4 600mm圓心，且孔的端面φ 40mm鍃孔垂直於φ 22mm光孔。

2.工藝分析與刀具設計

經過對圖樣的詳細分析，決定採用150數控鏜銑中心進行加工。以保證80組孔的分度精度，採用高速鑽頭，先鑽5×80個φ 22mm光孔。工件安裝如圖2所示，採用定心胎具，減少工件安裝和找正輔助時間。

以前加工該沉孔採用圖3所示的方式加工，其加工效率低，且頻繁更換刀具，勞動強度高，僅加工沉孔就需要4天/台。為了提高加工效率，減輕勞動強度，且滿足在數控機床上自動進行反刮孔加工。查閱了很多資料，發現目前的絕大多數反刮刀採用偏心反刮、傳統的更換刀體和觸發伸縮刀體反刮的三種方式。這些方式的反刮刀均不能滿足在數控機床上自動高效地進行反面沉孔加工。

經過多方面考慮，我們設計了旋轉自動伸縮的刀具結構。其原理是使刀體自動伸縮的加工沉孔，結構如圖4所示，即刀具順時針旋轉時，刀體收縮在刀桿內，當刀體逆時針旋轉時，刀體伸出刀柄（見圖5）。

因為，被加工材料為Q34E，是易切鋼材料，且150鏜床機床自帶內冷系統。於是，我們根據被加工材料及切削環境，設計了刀片單邊壓緊的結構，刀片材料選擇為TG3，刀片切削角採用負前角設計。刀柄和刀體材料選擇了塑性好的35鋼經熱處理而成，刀體直徑儘可能大，以保證提高刀桿的抗彎強度。

3.效果驗證

首次試驗時，該方案基本能滿足加工的要求，加工一個沉孔約需要1min30s，10h即可加工1台，基本實現了全數控控制。但我們發現，在加工沉孔的時候刀柄振動較大，加工20～30個沉孔後，刀體出現裂紋，刀具的壽命較低，如圖6所示；

刀片磨損較為厲害，偶爾出現刀片不能壓緊的情況；每把刀具最多加工20～30個孔的時候，刀體出就出現裂紋；沉孔表面粗糙度質量較差，不能完全實現無人看守的加工狀態。於是，對刀體材料、熱處理工藝和結構進行了改進。主要有以下幾個方面：

①將刀片幾何角度改為正前角。

②刀片材料採用YG6。

③刀片壓緊方式改為中心壓緊的可換式刀片，便於更換。

④刀柄和刀體材料採用35CrMo，重新設計出了第二代反刮刀，如圖7所示。

改進後的反刮刀，經試驗，刀體再未出現裂紋，振動幾乎很小，切削速度也有較大提高，加工1個沉孔僅需42s，每台加工時間僅需要約5h；每顆刀片能加工450～600個沉孔，才出現刀片磨損的情況。為保證產品質量，要求每加工1台轉子機座就需要檢查刀片磨損情況，如有磨損，就及時更換，以保證沉孔質量穩定。從而實現了沉孔數控加工無人看管的最佳效果，如圖8所示。使用該型反刮刀大大提高了反面沉孔加工的效率。