大規(guī)格齒輪的批量化生產(chǎn)

加工用于風(fēng)電傳動(dòng)的大規(guī)格齒輪，是極為特殊的挑戰(zhàn)——為此專門研發(fā)出兼顧效率和自動(dòng)化批量生產(chǎn)解決方案。

用于風(fēng)電機(jī)組（簡(jiǎn)稱WTG)的傳動(dòng)組件，都屬于高負(fù)載裝備。
靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載會(huì)體現(xiàn)在塔頂?shù)墓?jié)距、滾動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)以及整體傳動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)變形上。
因此傳動(dòng)組件上會(huì)出現(xiàn)多種多樣的動(dòng)態(tài)反應(yīng)：轉(zhuǎn)子葉片的自發(fā)振動(dòng)、每個(gè)葉片旋轉(zhuǎn)中的負(fù)載變化，以及作用于轉(zhuǎn)子上不一致的空氣湍流。
所有這些都會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)組件出現(xiàn)變形，力矩出現(xiàn)波動(dòng)。而波動(dòng)的力矩在瞬間內(nèi)會(huì)遠(yuǎn)超力矩的額定值。圖1展示了負(fù)載導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子、塔體和傳動(dòng)的變形。

圖1:圖像顯示負(fù)載引發(fā)的傳動(dòng)變形

(圖像來(lái)源:FVA, Workbench)

風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)必須能夠在數(shù)十年的時(shí)間里抗住靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載。只有憑借現(xiàn)代化的模擬手段以及傳動(dòng)負(fù)載的相關(guān)知識(shí)，傳動(dòng)組件才能得以優(yōu)化，從而保證使用率在98%的情況下使用壽命能達(dá)到20或25年。

除了模擬工具的先進(jìn)性，高純度鋼材的材料學(xué)發(fā)展也對(duì)傳動(dòng)鏈的成功做出了貢獻(xiàn)。

方法

只有根據(jù)負(fù)載導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形，設(shè)計(jì)工程師才能定義每個(gè)齒輪*優(yōu)的齒面形貌，從而保證齒面接觸時(shí)的壓力才不會(huì)在各種負(fù)載情況下超出允許的材料參數(shù)范圍。在生產(chǎn)中，必須確保齒面形狀是精密制造的。圖2展示了典型的齒面修形。

圖2：典型的齒輪齒面修形

由于較大的模數(shù)和齒寬，成形磨成了硬齒面精磨的標(biāo)準(zhǔn)方式，在齒面設(shè)計(jì)方面擁有極高的自由度。
能在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行齒面修形，是齒輪設(shè)計(jì)的先決條件。
霍夫勒RAPID圓柱齒輪磨齒機(jī)的Gear Production軟件幫助設(shè)計(jì)工程師將預(yù)期的齒面形狀轉(zhuǎn)化為可生產(chǎn)的齒面幾何結(jié)構(gòu)。
所以，能在現(xiàn)實(shí)條件下執(zhí)行系統(tǒng)模擬。這個(gè)前提條件也有助于生產(chǎn)，因?yàn)樗∪チ嗽O(shè)計(jì)和生產(chǎn)之間的反復(fù)確認(rèn)過(guò)程，即判斷實(shí)際生產(chǎn)出來(lái)的齒輪是否滿足所需的精度要求。

生產(chǎn)就緒工藝

成本的壓力和產(chǎn)量的增長(zhǎng)通常會(huì)帶來(lái)工藝的優(yōu)化，*終加工工藝會(huì)變得強(qiáng)大而高效。對(duì)于大規(guī)格齒輪的批量化生產(chǎn)，工藝水平和機(jī)床的生產(chǎn)效率扮演著同等重要的角色。 機(jī)床的溫度穩(wěn)定性對(duì)于二者而言都非常關(guān)鍵。RAPID系列磨齒機(jī)的研發(fā)始于20年前。從那時(shí)起就開始累積經(jīng)驗(yàn)，并反復(fù)進(jìn)行優(yōu)化。
但機(jī)床床身和立柱從未改變。它們?nèi)匀徊捎玫V物質(zhì)鑄件材料。
其中包括了石英顆粒，石英砂和礦物粉塵，以及少量的環(huán)氧樹脂粘合劑。這種材料使高精度磨床具備出色的材料特性：熱傳導(dǎo)性低、熱容量高、而熱衰減相較灰鑄鐵高出十倍。
基于此，無(wú)論加工時(shí)間長(zhǎng)短，都可保證大規(guī)格齒輪在較窄的公差范圍內(nèi)的尺寸精度。出色的衰減特性保證了數(shù)控軸的高動(dòng)態(tài)，這是高效生產(chǎn)的前提。

齒輪對(duì)中解決方案

在加工之前必須檢測(cè)熱處理變形，這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的磨削工藝可避免不必要的“空刀行程”，以及由過(guò)大進(jìn)刀量導(dǎo)致的微結(jié)構(gòu)損壞。為此，測(cè)針需要移動(dòng)進(jìn)入，檢測(cè)到*大的余量。

但是如果*大余量位于齒根、齒頂、齒的上部或底部怎么辦？

所需的齒面修形越大，加工就越成問(wèn)題。而擴(kuò)展的對(duì)中分析，為之提供了解決方案。在分析過(guò)程中，可以定義多個(gè)測(cè)量點(diǎn)(見圖3)。在結(jié)束時(shí)，可以從測(cè)量結(jié)果中計(jì)算出用于統(tǒng)一磨削的砂輪位置。

圖3：5點(diǎn)的示例9點(diǎn)的示例

用于對(duì)中的不同測(cè)量點(diǎn)位置

圖4以單齒為示例顯示了原理。未修形的名義齒形是判斷余量的起始點(diǎn)。余量即測(cè)量期間的測(cè)量位置和未修形的齒形位置之間的差異。

圖4的左上部分對(duì)以單點(diǎn)測(cè)量為例進(jìn)行了展示。當(dāng)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量時(shí)，余量的位置不同，兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間是傾斜線段，而三個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間是拋物線。

圖4：余量和材料去除
 

為了確定材料去除，需要考慮現(xiàn)有余量和待加工的名義齒形(見圖4左下部分)。很明顯材料去除是在變化的。如果按這種方式進(jìn)行磨削的話，*初幾次走刀時(shí)，只有左上部分可以得到磨削，而右側(cè)齒面上則不會(huì)出現(xiàn)磨削去除。

為盡可能減少磨削齒槽的走刀次數(shù)，可以將余量進(jìn)行橫移，以便使左右齒面的*大余量保持一致，同時(shí)其值也能盡可能小。此處需要保證材料去除率不低于*低值(見圖4右下部分)。采用此對(duì)中位置，在*初幾次走刀時(shí)，即可對(duì)左右兩側(cè)進(jìn)行磨削。

當(dāng)圓周和齒寬上有更多齒槽用于計(jì)算對(duì)中位置時(shí)，對(duì)于當(dāng)前熱變形的磨削余量就越接近*小磨削余量。而磨削余量越小，加工時(shí)間也就越短。

圖5：優(yōu)化的工藝參數(shù)

工藝設(shè)計(jì)的解決方案

只要余量評(píng)估越可靠，就越可能得到*大的去除量，可使用不同沖程次數(shù)自動(dòng)確定每個(gè)齒槽磨削所需的走刀數(shù)。這避免了不必要的走刀，以及超出進(jìn)刀量限制的材料去除。因?yàn)閷?duì)于余量大的齒槽會(huì)自動(dòng)增加走刀次數(shù)。

向操作者展示所有關(guān)于余量和走刀次數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)(見圖5)。相比于盲目地依賴算法，Gear Production軟件中的數(shù)字化輔助系統(tǒng)可為操作者提供優(yōu)化支持。

存檔和質(zhì)量保證的解決方案

在磨削工藝結(jié)束后，仍可在磨齒機(jī)上直接自動(dòng)化測(cè)量齒輪?；趫?bào)告生成的機(jī)床設(shè)定修正值，可將生產(chǎn)偏差盡可能*小化。因?yàn)槲覀兗庸さ氖强梢詫?shí)際生產(chǎn)出來(lái)的齒面幾何形狀，因此沒(méi)有必要使用粗略方案來(lái)計(jì)算修正值——算法Hui得出準(zhǔn)確的數(shù)值。

本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，測(cè)量結(jié)果是來(lái)自磨齒機(jī)的在線檢測(cè)系統(tǒng)，還是來(lái)自齒輪測(cè)量中心并不重要。這兩種情況中，如果需要進(jìn)行修正，操作者在加工下個(gè)工件前就會(huì)收到通知(見圖6)。會(huì)通過(guò)交通信號(hào)燈的顏色顯示(綠色、黃色和紅色)來(lái)展示各項(xiàng)偏差，含義非常明確。

自動(dòng)化

重量達(dá)到2.5噸的行星輪，在風(fēng)電機(jī)組中是極為常見的。自動(dòng)化系統(tǒng)非常適用這類齒輪。通過(guò)與用戶合作，即便風(fēng)電大規(guī)格齒輪加工的難度要高于批量化的小齒輪，也可采用適當(dāng)?shù)淖詣?dòng)化方案。

由于工件過(guò)重，所以推薦使用框架式上下料裝置。為了確保自動(dòng)化系統(tǒng)可接入機(jī)床，需要調(diào)整機(jī)床防護(hù)罩，按照Machinery Directive規(guī)章增加防護(hù)裝置。除工件加工外，還需加強(qiáng)磨齒機(jī)自動(dòng)上下料裝置的**措施來(lái)確保數(shù)據(jù)的一致性以及在機(jī)床工作臺(tái)上對(duì)工件進(jìn)行準(zhǔn)確的裝夾和釋放。

當(dāng)工件在夾具上完成裝夾后，機(jī)床上集成的測(cè)量系統(tǒng)將檢測(cè)軸向跳動(dòng)和同心度。如果測(cè)量值超出設(shè)定公差，將更換位置重新裝夾。如果仍不符合裝夾公差，則從機(jī)床內(nèi)部卸載工件，并中止批量化生產(chǎn)。

圖6：生產(chǎn)偏差可視化

結(jié)論
為了降低生產(chǎn)成本，提高工藝產(chǎn)能而做的努力一方面縮短了開發(fā)與設(shè)計(jì)間的距離，另一方面打破了大規(guī)格齒輪批量生產(chǎn)上的限制。
大規(guī)格齒輪的批量化生產(chǎn)不能簡(jiǎn)單地套用其他行業(yè)的設(shè)計(jì)方案，例如汽車行業(yè)。但是原理相通，可靠的齒輪設(shè)計(jì)和加工方案能造就強(qiáng)大的加工工藝。

上海浦量元齒輪技術(shù)

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