风力发电机主轴加工工艺的研究.docx

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风力发电机主轴加工工艺的研究

风力发电机主轴加工工艺的研究

摘要

本文首先介绍了一下人类利用风能的历史，并由此引出来当今发展迅速的风力发电机技术和该技术的特点，同时指出最近些年我们国家在风能的利用方面做出了很大的投资和风能发电机的发展前景。

由于众多外界因素的影响和需要达到的发电功效的目标，风力发电机的各部件要求都很高，而风力发电机主轴的加工是风力发电机技术中最重要的一个环节，所以该文主要研究了风力发电机主轴的加工工艺。

在我们熟悉的普通主轴加工工艺的基础上，对比和借鉴性的详细的分析典型风力发电机主轴的加工，包括从最初始的主轴毛坯的选择和制造、主轴材料的选择和热处理、具体的加工工艺流程、主轴的检验和加工过程中需要注意的问题，这些都是在普通主轴的加工基础上，做了进一步的详细介绍。

在本文的最后我也将主轴加工过程中用的各类设备如车床、刀具、夹具和量具等等的选择也做了一些介绍，尤其是对最重要的加工机床的选择非常的关键，因为机床的类型将直接影响到我们加工的主轴的所有的精度要求，在主轴加工工程中我们所遇到的所有问题也做了说明。

关键字:

普通主轴加工工艺，风力发电机主轴加工工艺，锻造，材料，热处理，工艺流程，检验，机床刀具，量具，夹具

Abstract:

Thepaperfirstlyintroducesthehistoryoftheuseofwindenergybyhuman,andfurtheritindicatestherapiddevelopmentofwindgeneratortechnology.Also,itpointsthelargeinvestmentontheuseofthewindenergyandthedevelopmentofwindgeneratorinourcountry.Fortheinfluenceofouterfactorsandthedifficultytoreachthegeneratinggoal,everypartofthewindgeneratormustbehighquality.Asthemostimportantpartofthegeneratortechnology,theprocessofthespindleofthewindgeneratorismainlystudiedinthispaper.Onthebasicofthegeneralspindle,thepaperstudiestheprocessofthespindle,includingthechoosesoftheoriginalspindleblankandmaterial,theheattreatment,thespecialprocessoftechnology,thetestofthespindleandtheproblemsintheprocess,andallofthesearefurtherdetailedcomparingtothegeneralspindle.Attheendofthepaper,theselectsofeverymachineintheprocess,suchasthemainmachine,thetools,thefixture,andthemeasuringtoolsarealsointroduced,especiallythechooseofmachineisverykey,becausethetypeofthemachinewilldirectlyinfluencethespindle.Furthermore,thespindlehasbeendoneinafactory.

KeyWords:

windenergy，windgenerator，spindleofthewindgenerator，generalspindle，blank，material，heattreatment，machine，thetools，thefixture，themeasuringtools.

第一章绪论

第一节风能利用的历史

人类利用风能已有数千年历史，在蒸汽机发明之前风能曾经作为重要的动力，用于船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和据木等。

埃及被认为可能是最先利用风能的国家，约在数千年前，他们就开始用风帆来帮助行船，如图1-1所示。

图1-1风帆

波斯和中国也是很早开始利用风能，主要是使用垂直轴风车，如图1-2所示。

图1-2垂直轴风车

在蒸汽机出现之前，风力机械是动力机械的一大支柱，其后随着煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得，各种曾经被广泛使用的风力机械，由于成本高，效率低，使用不方便等，无法与蒸汽机、内燃机和电动机等相竞争，渐渐被淘汰。

例如荷兰现存几百座风车，被作为文物保护起来，成为旅游景观。

第二节风力发电机技术

通常所说的风能是空气流动所具有的动能。

风力发电就是将空气流动的动能转变为电能。

大风包含着很大的能量。

风速为9～10m／S 的五级风吹到物体表面上的力，风速为20m／S 的九级风吹到每平米面积上的力约为50kg，风速为50～60m／S 的台风这个力可200kg。

风中含有的能量比人类迄今所能控制的能量高得多，风力是地球上重要的能源之一。

风力发电机组主要包括转子（回转叶片等）、升速装置、发电机、控制装置、调速系统以及支撑铁塔等。

当风力发电装置作为稳定电源经常供电时，还必须装设蓄能装置（如蓄电池）。

转子上的回转叶片受风力冲动，将风力转变为回转的机械力，通过升速装置驱动发电机发电。

转子一般为立式，叶片数一般为2～3片，叶片的方向与风向垂直，转速只有40～50r／min，而发电机的转速较高（例如1500rmin、50Hz的发电机），必须装设升速装置（齿轮、链条和皮带等）。

控制装置包括定向装置（将转于调整对准风向）、起动和停机装置、调整风力装置（调整叶片角度以调整接受的风力）和保护装置（在过高风速时停机以及发电机保护等）。

调速装置用来维持发电机定速回转。

支撑铁塔用来支撑和提高转于位置，使回转叶片能接受较大风速（因风速随高度而升高）。

因风能具有随机性，而电力负荷则有其本身的规律，为使供电可靠，大规模风电是建设多台大型风电机组形成的风电厂与电网并联运行；在电网达不到的边远地区则采用风电机组与柴油发电机组联合运行的方式，既可节油又可保证连续供电。

第三节风力发电机技术的特点

风能是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量。

空气流动具有的动能称风能。

空气流速越高，动能越大。

人们可以用风车把风的动能转化为旋转的动作去推动发电机，以产生电力，方法是透过传动轴，将转子（由以空气动力推动的扇叶组成）的旋转动力传送至发电机。

到2008年为止，全世界以风力产生的电力约有94.1百万千瓦，供应的电力已超过全世界用量的1%。

风能虽然对大多数国家而言还不是主要的能源，但在1999年到2005年之间已经成长了四倍以上。

风能优点

1．风能为洁净的能量来源。

2．风能设施日趋进步，大量生产降低成本，在适当地点，风力发电成本已低于发电机。

3．风能设施多为不立体化设施，可保护陆地和生态。

4．风力发电是可再生能源，很环保。

风能缺点

1．风力发电在生态上的问题是可能干扰鸟类，如美国堪萨斯州的松鸡在风车出现之后已渐渐消失。

目前的解决方案是离岸发电，离岸发电价格较高但效率也高。

2．在一些地区风力发电的经济性不足，许多地区的风力有间歇性，更糟糕的情况是如台湾等地在电力需求较高的夏季及白日、是风力较少的时间，必须等待压缩空气等储能技术发展。

3．风力发电需要大量土地兴建风力发电场，才可以生产比较多的能源。

4.进行风力发电时，风力发电机会发出庞大的噪音，所以要找一些空旷的地方来兴建。

第四节我国目前风力发电机的概况及发展前景

我国风能资源比较丰富，是风能利用的大国之一，风力提水和风帆运输曾有过辉煌历史。

风力提水和风帆运输曾有过辉煌历史，中国10米高度层的风能总储量为32．26亿千瓦，实际可开发量为2．53亿千瓦，可开发的风能资源十分丰富。

风能资源丰富区主要集中在东南沿海、广东沿海及其岛屿，占全国总面积的8％。

风资源较丰富区主要在东北、华北和西北北部地区，东南沿海距海岸线50～100km的内陆地区、海南岛西部、台湾岛南北两端以及新疆阿拉山地区，占全国总面积的18％。

风能资源可利用区包括黄河、长江中下游、东北、华北和西北除上述丰富区以外的地区、青藏高原东部地区等，占全国总面积的50％。

中国大部分的贫困偏远、电网达不到、至今还没有用上电的地区在这个区域之内。

因此我们可以充分地利用这些地区的风能资源，用风力发电来解决农牧渔民的生活和生产用电问题。

近代风力发电在我国起步较晚，前些年主要是建设小型风力发电机（10kW以下）。

50～200W微型风力发电机组己定型投入批量牛产，年生产能力达一万台以上；l～20kW容量的中、小型风力发电机组已经达到小批量生产阶段。

目前正在研制50～200kW大、中型风力发电机组。

据1992年末的统计，已推广使用微型风力发电机组约12万台，总装机容量约16.8MW。

并在国际合作和引进国外机组的条件下，已在新疆、内蒙古等区建立了14个风力发电试验场，安装大、中型风力发电机组多台。

仅新疆大板城风电场装机容量己突破10MW，其经济效益越来越明显，如图1-3所示  

图1-3风力发电机

第二章风力发电机主轴加工工艺

第一节普通主轴加工工艺

一、主轴毛坯的制造

常见毛坯种类有以下几种：

铸件、锻件、型材、焊接件和其他毛坯。

毛坯的选择原则有四个因素：

<1>零件的生产纲领大量生产的零件应选择精度和生产率高的毛坯制造方法，用于毛坯制造的昂贵费用可由材料消耗的减少和机械加工费用的降低来补偿。

如铸件采用金属模机器造型或精密铸造；锻件采用模锻、精锻；选用冷拉和冷轧型材。

单件小批生产时应选择精度和生产率较低的毛坯制造方法。

<2>零件材料的工艺性例如材料为铸铁或青铜等的零件应选择铸造毛坯；钢质零件当形状不复杂，力学性能要求又不太高时，可选用型材；重要的钢质零件，为保证其力学性能，应选择锻造件毛坯。

<3>零件的结构形状和尺寸形状复杂的毛坯，一般采用铸造方法制造，薄壁零件不宜用砂型铸造。

一般用途的阶梯轴，如各段直径相差不大，可选用圆棒料；如各段直径相差较大，为减少材料消耗和机械加工的劳动量，则宜采用锻造毛坯，尺寸大的零件一般选择自由锻造，中小型零件可考虑选择模锻件。

<4>现有的生产条件选择毛坯时，还要考虑本厂的毛坯制造水平、设备条件以及外协的可能性和经济性等。

二、主轴的材料和热处理

45#钢是普通机床主轴的常用材料，淬透性比合金钢差，淬火后变形较大，加工后尺寸稳定性也较差，要求较高的主轴则采用合金钢材料为宜。

选择合适的材料并在整个加工过程中安排足够和合理的热处理工序，对于保证主轴的力学性能、精度要求和改善其切削加工性能非常重要。

在锻造生产中，出冷锻以外，温锻、热锻均需要将金属加热至一定温度进行锻造。

加热的目的是：

提高金属的塑性，以利于锻件成型和获得良好的金属组织；降低变形抗力，以便减小锻压设备的能耗。

金属材料的加热方法，按所采用热源的不同，可分为火焰加热与电加热两大类。

1火焰加热火焰加热是利用燃料（煤、焦炭、重油、柴油、煤气或天然气等）在加热炉内燃烧所产生的高温气体（火焰），通过对流、辐射把热能传给皮料表面，再由表面向中心热传导，是坯料热至一定的温度。

2电加热电加热是利用电能转换为热能来加热金属坯料。

电加热用设备有电阻炉、盐浴炉、感应加热装置和接触加热装置等。

车床主轴的热处理主要包括以下几方面：

（1）毛坯热处理。

车床主轴的毛坯热处理一般用正火，其目的是消除锻造应力，细化晶粒，并使金属组织均匀，以利于切削加工。

（2）预备热处理。

在粗加工之后半精加工之前安排调质处理，目的是获得均匀细密的回火索氏体组织，提高其综合力学性能，同时，细密的索氏体金相组织有利于零件精加工后获得光洁的表面。

（3）最终热处理。

主轴的某些重要表面需经高频淬火。

最终热处理一般安排在半精加工之后，精加工之前，局部淬火产生的变形在最终精加工时得以纠正。

精度要求高的主轴，在淬火回火后还要进行定性处理。

定性处理的目的是消除加工的内应力，提高主轴的尺寸稳定性，使它能长期保持精度。

定性处理是在精加工之后进行的，如低温人工时效或水冷处理。

热处理次数的多少决定于主轴的精度要求、经济性以及热处理效果。

CA6140车床主轴一般经过正火、调质和表面局部淬火3个热处理工序，无需进行定性处理。

三、加工阶段的划分

（1）粗加工阶段。

毛坯处理:

毛坯备料、锻造和正火。

粗加工:

铣端面、钻中心孔和粗车外圆等。

这一阶段的主要目的是用大的切削用量切除大部分余量，把毛坯加工到接近工件的最终形状和尺寸，只留下少量的加工余量。

通过这阶段还可以及时发现锻件裂纹等缺陷，采取相应措施

（2）半精加工阶段。

半精加工前热处理:

对于45钢一般采用调质处理，达到220~240HBS。

半精加工:

车工艺锥面（定位锥孔）、半精车外圆端面和钻深孔等。

这个阶段的主要目的是为精加工做好准备，尤其为精加工做基面准备。

对于一些要求不高的表面，如大端端面各孔，在这个阶段加工到图样规定的要求。

（3）精加工阶段。

精加工前热处理:

局部高频淬火。

精加工前各种加工:

粗磨定位锥面、粗磨外圆、铣键槽和花键槽以及车螺纹等~精加工:

精磨外圆和两处~外锥面及莫氏6号内锥孔，从而保证主轴最重要表面的精度。

这一阶段的目的是把各表面都加工到图样规定的要求。

粗加工、半精加工、精加工阶段的划分大体以热处理为界。

由此可见，整个主轴加工的工艺过程就是以主要表面（支承轴颈、锥孔）的粗加工、半精加工和精加工为主，适当插人其他表面的加工工序而组成的。

这就说明，加工阶段的划分起主导作用的是工件精度要求。

对于一般精度的机床主轴，精磨是最终机械加工工序。

对精密机床的主轴，还要增加光整加工阶段，以求获得更高的尺寸精度和更低的表面粗糙度。

（4）因主轴的螺纹对支承轴颈有一定的同轴度要求，故放在淬火之后的精加工阶段进行，以免受半精加工所产生的应力以及热处理变形的影响。

（5）主轴是加工要求很高的零件，需安排多次检验工序。

检验工序一般安排在各加工阶段前后，以及重要工序前后和花费工时较多的工序前后，总检验则放在最后。

必要时，还应安排探伤工序。

四、工序顺序的安排

轴类零件各表面的加工顺序，与定位基准的转换有关，即先行工序必须为后续工序准备好定位基准。

粗、精基准选定后，加工顺序也就大致排定。

主轴的工艺路线安排大体如下:

毛坯制造~~正火~~车端面钻中心孔~~粗车~~调质~~半精车表面淬火~~粗、精磨外圆锥面~~磨锥孔。

在安排工序顺序时，还应注意下面几点:

（1）外圆加工顺序安排要照顾主轴本身的刚度，应先加工大直径后加工小直径，以免一开始就降低主轴刚度。

（2）就基准统一而言，希望始终以顶尖定位，避免使用锥堵，深孔加工应安排在最后。

但深孔加工是粗加工工序，要切除大量金属，加工过程中会引起主轴变形，所以最好在粗车外圆之后就把深孔加工出来。

（3）花键和键槽加工应安排在精车之后粗磨之前。

如在精车之前就铣出键槽，将会造成断续车削，既影响质量又易损坏刀具，而且也难以控制键槽的尺寸精度。

但这些表面也不宜安排在主要表面最终加工工序之后进行，以防在反复运输中碰伤主要表面。

（4）因主轴的螺纹对支承轴颈有一定的同轴度要求，故放在淬火之后的精加工阶段进行，以免受半精加工所产生的应力以及热处理变形的影响。

（5）主轴是加工要求很高的零件，需安排多次检验工序。

检验工序一般安排在各加工阶段前后，以及重要工序前后和花费工时较多的工序前后，总检验则放在最后。

必要时，还应安排探伤工序。

五、定位基准的选择

以两顶尖孔作为轴类零件的定位基准，既符合基准重合原则，又能使基准统一。

所以，只要有可能，就尽量采用顶尖作为定位基准。

工序中的粗车、半精车、精车、粗磨、精磨各外圆表面和端面、铣花键和车螺纹等工序，都是以顶尖孔作为定位基准的。

两顶尖孔的质量好坏，对加工精度影响很大，应尽量做到与顶尖孔轴线重合，顶尖接触面积大、表面粗糙度低。

否则，将会因工件与顶尖间的接触刚度变化而产生加工误差。

因此经常注意保持.两顶尖孔的质量，是轴类零件加工的关键问题之一。

深孔加工后，因顶尖孔所处的实体材料已不复存在，所以采用带顶尖孔的锥堵作为定位基准，为了保证支承轴颈与两端锥孔的同轴度要求，需要应用互为基准原则。

如CA6140主轴车小端1:

20锥孔和大端莫氏6号内锥孔时，用的是与前支承轴颈相邻而又是用同一基准加工出来的外圆柱表面为定位基面（直接用前支承轴颈作为定位基准当然更好，但由于轴颈有锥度，在制造托架时会增加困难）;工序14精车各外圆包括支承轴颈的1:

12锥度时，即是以上述前后锥孔内所配锥堵的顶尖作为定位基准面;在工序16粗磨莫氏6号内锥孔时，又是以两圆柱表面为定位基准面，这就符合互为基准原则;在工序21和22中，粗精磨两个支承轴颈1:

12锥度时，再次以粗磨后的锥孔所配锥堵的顶尖孔为定位基准;在工序23中，最后精磨莫氏6号内锥孔时，直接以精磨后的前支承轴颈和另一圆柱面为基准面，基准再一次转换。

随着基准的不断转换，定位精度不断提高。

转换过程就是提高过程，使加工过程有一次比一次精度更高的定位基准面。

基准转换次数的多少，要根据加工精度要求而定。

第二节风力发电机主轴加工工艺

一、主轴毛坯的选择和制造

鉴于普通毛坯选择因素，我们可以采用铸件和锻件两种。

下面我们分别简单介绍一下铸造和锻造两种毛坯制造方法并加以比较。

铸造：

将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件（零件或毛坯）的工艺过程。

现代机械制造工业的基础工艺。

铸造生产的毛坯成本低廉，对于形状复杂、特别是具有复杂内腔的零件，更能显示出它的经济性；同时它的适应性较广，且具有较好的综合机械性能。

但铸造生产所需的材料（如金属、木材、燃料、造型材料等）和设备（如冶金炉、混砂机、造型机、造芯机、落砂机、抛丸机等）较多，且会产生粉尘、有害气体和噪声而污染环境。

铸造是人类掌握较早的一种金属热加工工艺，已有约6000年的历史。

公元前3200年，美索不达米亚出现铜青蛙铸件。

公元前13～前10世纪之间，中国已进入青铜铸件的全盛时期，工艺上已达到相当高的水平，如商代的重875千克的司母戊方鼎、战国的曾侯乙尊盘和西汉的透光镜等都是古代铸造的代表产品。

早期的铸造受陶器的影响较大，铸件大多为农业生产、宗教、生活等方面的工具或用具，艺术色彩较浓。

公元前513年，中国铸出了世界上最早见于文字记载的铸铁件——晋国铸鼎（约270千克重）。

公元8世纪前后，欧洲开始生产铸铁件。

18世纪的工业革命后，铸件进入为大工业服务的新时期。

进入20世纪，铸造的发展速度很快，先后开发出球墨铸铁，可锻铸铁，超低碳不锈钢以及铝铜、铝硅、铝镁合金，钛基、镍基合金等铸造金属材料，并发明了对灰铸铁进行孕育处理的新工艺。

50年代以后，出现了湿砂高压造型，化学硬化砂造型和造芯、负压造型以及其他特种铸造、抛光清理等新工艺。

铸造种类很多，按造型方法习惯上分为：

①普通砂型铸造，包括湿砂型、干砂型和化学硬化砂型3类。

②特种铸造，按造型材料又可分为以天然矿产砂石为主要造型材料的特种铸造（如熔模铸造、泥型铸造、铸造车间壳型铸造、负压铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等）和以金属为主要铸型材料的特种铸造（如金属型铸造、压力铸造、连续铸造、低压铸造、离心铸造等）两类。

铸造工艺通常包括：

①铸型（使液态金属成为固态铸件的容器）准备，铸型按所用材料可分为砂型、金属型、陶瓷型、泥型、石墨型等，按使用次数可分为一次性型、半永久型和永久型，铸型准备的优劣是影响铸件质量的主要因素；②铸造金属的熔化与浇注，铸造金属（铸造合金）主要有铸铁、铸钢和铸造有色合金；③铸件处理和检验，铸件处理包括清除型芯和铸件表面异物、切除浇冒口、铲磨毛刺和披缝等凸出物以及热处理、整形、防锈处理和粗加工等。

锻造：

利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。

锻压的两大组成部分之一。

通过锻造能消除金属的铸态疏松，焊合孔洞，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。

机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。

锻造按成形方法可分为：

①开式锻造（自由锻）。

利用冲击力或压力使金属在上下两个抵铁（砧块）间产生变形以获得所需锻件，主要有手工锻造和机械锻造两种。

②闭模式锻造。

金属坯料在具有一定形状的锻模膛内受压变形而获得锻件，可分为模锻、冷镦、旋转锻、挤压等。

按变形温度锻造又可分为热锻（加工温度高于坯料金属的再结晶温度）、温锻（低于再结晶温度）和冷锻（常温）。

锻造用料主要是各种成分的碳素钢和合金钢，其次是铝、镁、钛、铜等及其合金。

材料的原始状态有棒料、铸锭、金属粉末和液态金属等。

金属在变形前的横断面积与变形后的模断面积之比称为锻造比。

正确地选择锻造比对提高产品质量、降低成本有很大关系。

与其他加工方法相比，锻造有以下特点：

（1）改善金属组织，提高材料机械性能。

因为锻造是在高温下的塑性变形，可消除材料的疏松、缩孔、偏析、发裂、气泡等铸造缺陷；把粗大的晶粒击碎成细小的晶粒；使非金属夹杂物的分布得到改善；易变形的硫化物形成流线，按锻件形状合理分布。

（2）节省金属材料。

锻造是在外力作用下发生塑性变形，变形时使金属材料通过流动转移，把原材料变成接近零件的形状，实现移多补少。

（3）具有较高的生产效率。

因为在锻造时，只经过几次锻击就完成了塑性变形，使原材料变的接近于零件形状，比切削加工一点一滴的去处多余材料要容易和快得多。

（4）具有较高的灵活性和适用范围。

可锻造出形状简单、也可锻造出形状复杂、甚至精密的锻件；锻件的质量可小至几十克，大的可达数百吨以上；既可单件、小批量生产，也可成批大量的生产。

通过以上的分析我们可以得出：

一般说来，锻件的力学性能要高于同材质的铸件力学性能。

此外，锻造加工能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命采用精密模锻、冷挤压、温挤压等工艺生产的锻件，都是铸件所无法比拟的。

综上所述，对于我们需要加工的风力发电机主轴的毛坯制造选择方法是锻造中的自由锻。

二、材料的选择

锻造生产用材料为钢和有色金属两大类，常见的是钢。

钢由生铁冶炼而成，根据其成分的不同可分为碳钢和合金钢。

钢在冶炼时还伴有微量的有害杂质元素：

硫、磷等，应加以限制。

钢的含碳量为0.02~2.11%，低于0.02%的称为工业纯铁，高于2.11%的称为生铁。

碳钢是指钢种除铁外，还含有碳和一定量的硫、磷、硅、锰等元素的一类钢。

合金钢是指在钢中加入了一定量的合金元素，可以改善钢的机械性能、工艺性能、物理性能和化学性能。

加入的合金元素大都有：

铬（Cr）、镍（Ni）、硅（Si）、锰（Mn）、钒（V）、钼（Mo）、钨（W）等。

根据合金总含量的多少，合金钢又可分为三种：

低合金钢（含量低于5%）、中合金钢（含量为5~10%）和高合金钢（含量高于10%）。

按照不同的用途钢又可以分为结构钢、工具钢和特殊用途钢。

结构钢主要用于建筑工程结构、制造机械零件；工具钢主要用来制造各种工具、量具、刃具、模具等；特殊用途钢则