风力发电机机座镗削专用机床的设计

潘毅

（常熟理工学院机械工程学院，江苏常熟 215500）

风力发电机机座镗削专用机床的设计

潘毅

（常熟理工学院机械工程学院，江苏常熟 215500）

根据某风力发电机座的孔径加工要求，结合其孔径及孔深特点，提出了设计专用镗削机床以实现该类大型零部件的镗孔加工.实践证明该方案在装备投入以及在实现大型动力装备零部件高效率、高质量的镗孔加工方面具备优势.

风力发电机；镗削；专用机床

大型动力装备在制造过程中经常涉及大型零部件内孔的镗孔加工，如汽轮发电机、风力发电机的机座及大型汽轮机汽缸内径的加工等，这些零部件的内径具有直径和长度尺寸均大的特点，若采用大型的通用镗削设备加工，则其装备的投入一般在几百万元以上，并且加工过程也并不能完全保证高效率和高质量.本文结合某风力发电机机座内孔镗削加工要求，设计镗孔专用机床以实现该类工件内孔的高效、优质及低耗的镗削加工.

1 风力发电机机座的加工分析及专机总体方案的形成

根据该工件的特点，从工艺方案看，可以通过精加工后的机座底面做定位基准，采用工件进给，刀具旋转的镗孔方式加工出各处的孔径尺寸.为此考虑采用图2所示的镗孔专机方案[2].该方案的要点是，机床为类似卧式车床结构，采用车床的运动坐标系统.按照镗削原理，由机床主轴电机带动位于主轴端部的X向拖板上的刀具旋转；大质量工件放置于工作台，随工作台做Z向进给运动.其中Z向采用伺服电机通过滚珠丝杠驱动的工作台构成Z向进给传动；而刀具被安装于X向拖板随其上的刀架内作X向传动，X向拖板则由X向电机通过丝杠螺母机构带动滑块作直线运动以形成X向进给运动.

图1 某风力发电机机座的三维造型

2 镗孔专机传动部件的设计

如图2所示的镗孔专机传动分为主传动和进给传动两部分.主传动设计的特点在于结合车床的镗孔原理及该类工件孔深大的特征，需要把主轴作为刀杆考虑，因此主轴伸长量应大于最大孔深量.然后按照机床设计规范，从所切削工件的材料特性和毛坯留量，结合切削用量确定所需的最大切削力、转速范围及最大转矩，从而确定主轴的运动学和动力学相关参数.经过上述设计计算，确定相应的主轴传动结构及主轴特性如图3所示[3].

进给传动的设计需考虑X、Z两个方向.其中Z向传动参数的考虑，依据工作台的受力分析和工件在主轴长度方向的尺寸精度要求，采用了数控半闭环的传动方式.即Z伺服电机带动滚珠丝杠做Z向进给传动，其工作速度可以在驱动器中设定.在考虑工件重量、长度及轴向切削分力等因素后，设计定制的滚珠丝杠直径与长度分别为ϕ63 mm和3650 mm.

X方向的传动设计特点是传动链很长，这是由于X向拖板被置于主轴端部.而主轴的伸长达2200 mm，这就使得X向在由独立电机传动时需考虑有通过主轴伸长部分的超长传动链以及主轴内孔径的尺寸限制等具体问题，因此在X向刀具进退运动的传动设计中需考虑拖动电机的安装位置、传动方式和间隙消除等问题.图4的X向传动从主轴尾部的X向电机开始，通过链传动（因中心距较大）进入间隙消除机构，再进入速度变换部分（采用行星轮系降速），然后经通过主轴内孔的X传动轴端上的锥齿轮带动X向丝杠实现刀架的运动.

图2 镗削专用机床设计方案示意图

图3 主轴结构及输出特性

图4 X向的传动机构设计示意

3 镗孔专机控制部分的设计

由机械设计获得的结构要求分析，镗孔专机的控制部分主要围绕主传动部分的主轴电机、进给传动部分的Z轴电机和X轴电机的不同控制要求来设计（如图5所示）.主轴电机要求满足切削功率与转矩要求，并有一定的调速范围.本设计采用了YCT系列电磁调速电动机，其主体由Y系列三相异步电动机、电磁转差离合器和测速发电机组成，通常与JD系列、TKZ系列控制器组成具有测速负反馈系统的交流无级调速驱动装置，能在比较宽广的转速范围内进行平滑的无级调速.进给部分的电机根据Z轴、X轴进给的不同要求采用了交流伺服电机和YDS-100超低速电机.其中Z轴交流伺服电机配以驱动器，可实现数控半闭环传动，能满足在孔深方向上的尺寸精度要求；而X轴传动精度直接与孔径所要求的精度相关，因此考虑在X向配有光栅，以实现刀具调整时的准确进给.从X轴所要求的进给速度看，配置转速低，扭矩大，体积小、重量轻、运转平稳的YDS-100超低速电机，结合光栅信号进行变频调速控制，实现了安装于X轴上刀具的可控进给运动.

图5 镗孔专机电气控制原理图

4 结论

对于大型装备中长径尺寸较大的零部件内孔的镗削加工，设计镗孔专用机床是一种较为经济的加工方案，当然该方案应该建立在零部件具有一定批量和具备一定产品系列的基础上.由此分析镗孔所对应的长径参数，使得专用机床的设计具有一定的产品覆盖范围，更好地提升其整体技术经济性能.本例中的镗孔专机考虑了镗孔范围在1200 mm，工件重量范围不大于2000 Kg大型零部件的加工，其设计思路也可以在更大容量的发电机机座的镗削加工上获得推广应用.在本专用机床上的实际加工结果表明，该专用机床具有工件安装调整方便，镗削加工效率高、质量稳定的特点，在大型零部件的内孔镗削上体现了一定优势.

[1]潘毅.CAXA模具设计与制造指导[M].北京：清华大学出版社，2004：104-144.

[2]机械设计实用手册编委会.机械设计实用手册[M].北京：机械工业出版社，2007：1128-1186.

[3]王文斌.机械设计手册（第三卷）[M].北京：机械工业出版社，2007：127-164.

A Design of the Special Boring Machine for the Wind Generator Frame

Pan Yi
(School of Mechanical Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

According to the aperture processing requirements of a certain type wind generator frame,and in com⁃bination with ts characteristics of the diameter and depth of the hole,this paper designs a special boring ma⁃chine to achieve the boring processing of the kind of large parts.The practice has proved that this scheme has the advantage in the realization of large-scale power equipment parts with high efficiency,and high quality of the boring processing.

wind generator;boring;specialmachine

TH122

B

1008-2794（2012）08-0066-03

2012-05-16

潘毅（1955—），男，江苏常熟人，研究员级高级工程师，研究方向：机械工程领域数控专用装备的设计与制造、透平叶片的数字化制造技术等.