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内容摘要：

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河海大学本科生毕业论文 风力发电机主轴加工工艺的研究 9 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。 河海大学本科生毕业论文 风力发电机主轴加工工艺的研究 10 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。 河海大学本科生毕业论文 风力发电机主轴加工工艺的研究 11 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~%，低于 %的称为工业纯铁，高于 %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；特殊用途钢则具有特殊的物理和化学性能，用于特殊的场合，如不锈耐酸钢、耐热不起皮钢、磁性材料和电热合金等。 由于 风力发电机主轴要承担很大的载荷， 较高 的耐磨性能，良好 的减震作用， 良好 的热传递和 大的耐用度，故在毛坯材料选择方面，我们选择 结构钢 42CrMo，该优质钢 强度、 淬透性高，韧性好，淬火时变形小，高温时有高的蠕变强度和持久强度。 其化学成分为： 碳 C ： ～ ； 硅 Si： ～ ； 锰 Mn： ～ ； 硫 S ：允许残余含量 ≤ ； 磷 P ：允许残余含量 ≤ ； 铬 Cr： ～ ； 镍 Ni：允许残余含量 ≤ ； 铜 Cu：允许残余含量 ≤ ； 钼 Mo： ～ 三 、 主轴毛坯自由锻工序 任何形状的锻件，均可视为由原材料经过一系列的锻造变形而成的，也即其变形过程是由一系列的变形工序组成的。 根据工序的变形性质和变形过程的不同，自由锻的工序可分为：基本工序、辅助工序、修整工序三类。 基本工序 使坯料发生较大的变形，获得锻件形状、尺寸和性能的变形工序。 如镦粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲、扭转、错移、锻焊等工序。 辅助工序 为完成基本工序，而使坯料预先产生某种变形的工序。 如钢锭预压钳把、倒棱、开坯、分段压痕、压肩等工序。 修整工序 为 达到锻件图的要求，用于最后精整锻件形状和尺寸的工序或纠正变形时产生的不需要变形的工序。 如平整端面、校正弯曲、清除毛刺、鼓形滚圆等工序。 自由锻造的基本工序分析如下： 镦粗： 使坯料高度减小，横截面积增大的变形工序称为镦 粗。 它是锻造工序中最重要的工序，也是许多其他锻造变形工序的基础， 如果 21 所示。 河海大学本科生毕业论文 风力发电机主轴加工工艺的研究 12 图 21 镦粗工艺 ：使坯料横截面积（或部分）减小，长度增加的变形工序 称为拔长。 它是自由锻最基本工序之一。 拔长是通过逐次送进和反复转动坯料，进行压缩变形，相当于一系列局部镦粗的组合。 可见它是耗费工时最多的变形工序。 有 平砧拔长和型砧拔长之分， 如图 22 所示。 图 22 拔长工艺 ：在芯轴上使空心坯长度增加，外径（壁厚） 减小的变形工序称为芯轴拔长。 同一般拔长相比 ，仅坯料不同， 为空心料，因此是拔长的一种变态工序，但又是它自身的工艺特点。 芯轴拔长用于长筒形锻件的成形。 适用于锻件长度和外径之比大于 ，即 L。 ：利用冲子在经过镦粗的坯料上，冲出透孔或 不透孔的变形工序称为 冲孔。 冲孔工序用于圆环、套同等空心件的锻制，用的工具为各种冲子， 如图 23 所示。 图 23 冲孔工艺 ：减小空心坯料壁厚，增大其内外直径的变形工序称为扩孔。 用于圆环形锻件的锻制。 生产中河海大学本科生毕业论文 风力发电机主轴加工工艺的研究 13 当圆环形件的 D/d 时，均采用先冲小孔，后扩孔成形的工艺。 扩孔的方法有：冲头扩孔和芯轴扩孔两种型式 ， 如图 24 所示。 图 24 扩孔工艺 以上五个是风力发电机主轴毛坯制造加工的主要工序，通过这些过程可以得到质地较好的主轴毛坯。 四、 主轴 毛坯的热处理 热处理顺序安排为：正火 —— 高温回火 — — 锻造 —— 粗加工 —— 调质 —— 精加工 —— 表面淬火。 所用材料合金钢 40CrMn 在锻造之前，需要安排正火处理。 其具体正火处理是：将锻件加热到 Ac3 或。