風能以其清潔環保、可再生等特點而具有廣闊的應用發展前景。風力發電設備將風的動能轉變成機械能帶動發電機發電。輪轂零件是支撐風力發電機旋轉葉片的關鍵零件，其加工精度不但影響葉片的安裝精度，而且影響整個風力發電機的發電效率。

1 輪轂結構和加工工藝現狀分析

　　3 MW 風電輪轂，材質QT400-18-AL，最大直徑約3. 5 m，質量約18 t。輪轂的3 個葉片面以1200. 1的角度在球面上對稱分布; 其葉片面軸心線與大、小端面形成3  0. 1的風輪錐角。3 個葉片面的軸心線與大、小端面的軸線相交于同一點，即4 線共一點。該型輪轂形狀結構較復雜，共5 個加工面，各面加工要素多，且輪轂零件體積、質量龐大，翻轉及裝夾定位困難，輪轂形狀及重要尺寸見圖1。加工工藝現狀。以5 ～ 6 臺通用設備為1 組，主要工藝安排: ( 1) 2 臺立式車床分別加工輪轂大、小兩個端面; ( 2) 搖臂鉆+ 鉆模加工大、小兩個端面各孔; ( 3) 立式車床依次翻轉加工3 個輪轂葉片面;( 4) 搖臂鉆+ 鉆模加工3 個葉片面各孔; ( 5) 鏜床加工輪轂電機孔。該工藝雖然設備成本較低，但存在工裝夾具多，特別是鉆模多，工序繁雜，零件吊裝翻轉次數多，用工人數多，生產效率低，尺寸穩定性不夠等較多問題。

　　工裝夾具應用。由于輪轂存在風輪錐角，處理與機床主軸成一定角度的面及孔系加工問題有兩種方法: 一種是配裝可傾斜一定范圍角度的數控回轉工作臺［4］，可減少夾具數量，生產柔性好，但機床改造成本高，用正弦規測量及調試角度流程較復雜; 另一種是在工作臺床身下墊斜鐵( 斜角等于風輪錐角) ，使零件加工面垂直于機床主軸，此方法對工作臺精度有影響，且不適合配靜壓導軌的機床。隨著生產任務的持續增加，原工藝已不能滿足現有生產節拍的需求，為此需要根據現有設備狀況和加工能力，重新設計輪轂加工工藝及工裝夾具。

2 輪轂數控加工工藝

　　2. 1 機床的選擇

　　由于零件體積、質量龐大，生產實際中選用TK6916 大型數控落地鏜銑床。該機床主鏜軸直徑160 mm，立柱橫向行程( X) 8 000 mm ( 加長) ，主軸箱垂直行程( Y) 4 000 mm ( 加高) ，鏜軸最大軸向( Z) 行程2 000 mm ( 含滑枕行程) ，主電機功率55 kW，控制系統Siemens840D。

　　2. 2 輪轂加工工藝

　　規劃以2 臺數控鏜銑床為1 組，用兩大工序完成整個零件加工。一序: 大、小兩個端面加工。以輪轂上3 個對稱分布的葉片面中的任意1 個葉片面為粗基準，加工輪轂的大、小兩個端面及各孔系。主要有大、小端面粗精銑，基準孔1447H7 粗銑精鏜，粗糙度3. 2 μm，螺紋孔72 × M39 ( 沉孔43) 、24 × M12、8 × M16 等加工。二序: 3 個對稱葉片面加工。以在工序一中加工完成的大端面為精基準，依次完成3 個對稱分布的葉片面( 包含電機孔、凸臺等) 的加工。主要有葉片面粗精銑; 電機孔正、反兩面粗精銑以及300H9、350H8 電機孔粗精鏜，粗糙度3. 2 μm，螺紋孔92 ×M36 ( 沉孔40) ，具體的加工工藝過程如表1所示。

　　此外，葉片面凸臺上的6 × M56 的粗牙螺紋，在生產實際中采用銑牙刀進行螺紋銑削完成加工，對于輪轂腔壁內側的120 × M16 深32 螺紋孔，操作者需進入輪轂內部借助鉆模和磁力鉆完成鉆孔及攻絲等工序。

　　2. 3 刀具的選用與刀具安裝

　　由于輪轂大端面1447H7 孔尺寸較大，常規鏜刀無法加工，故專門設計并定制1447H7 精鏜刀。該精鏜刀采用3 節組合式結構設計，中間節安裝于機床主軸端，左右兩節分別安裝切削刀片和配重塊，刀具整體采用鋁合金材質。二序中精鏜350H8 電機孔這道工序，由于該孔正面尺寸只有300，精鏜刀無法通過該孔，所以在實際加工中操作者必須進入輪轂內部，從輪轂內側將精鏜刀裝入主軸后，才能進行鏜孔加工，精鏜完成后，操作者仍需從輪轂內部卸下刀具，故該工序稱為背精鏜。容易理解，背銑420 平面( 350H8 電機孔背面) 工序所用315 三面刃銑刀也需從輪轂內部裝、卸才能進行加工。

3 夾具設計

　　3. 1 一序夾具

　　用于輪轂大、小兩個端面加工。該夾具由夾具體、擋塊、可調螺釘、壓板等組成，具體見圖2。4個擋塊沿橢圓線( 對應輪轂葉片面孔口形狀) 布置，有助于確定輪轂在夾具上的位置，并限制輪轂在夾具體表面的橫向移動，4 個M36 可調螺釘支撐零件的底面。因為存在3°風輪錐角且加工面必須垂直于機床主軸，故將此夾具的上表面與底面設計成3° 夾角，調節螺釘的高度，可使輪轂的大、小2 個端面垂直于機床主軸，也即使葉片面與夾具底面成3° 夾角。安裝夾具時盡量使4 顆調節螺釘所在的圓心與工作臺的回轉中心重合( 避免工作臺旋轉后，輪轂大、小面余量不均) 。4 塊壓板是夾緊固定零件，確保零件在加工過程不發生位置移動，輪轂安裝效果圖 見圖3。

　　M36 承載能力校核計算( 低碳鋼抗壓強度近似于抗拉強度) 。螺栓選用Q235 材料，抗拉強度為

　　3. 2 二序夾具

　　用于加工3 個對稱布置的葉片面。該夾具由夾具體、旋轉體、中心定位銷、旋轉體定位銷、零件定位銷、20 滾珠、壓板、杠桿等組成，具體結構見圖4。夾具體與旋轉體之間是平面、中心定位銷、旋轉體定位銷( 防轉，銷孔沿圓周120°均布) 組合定位方式，中心定位銷與旋轉體配合公差100F7 /h6，中心定位銷與夾具體配合公差100N7 /h6。夾具體與旋轉體之間開有對應位置環形凹槽，在凹槽中布滿20 滾珠，因為是滾動摩擦，工人使用杠桿可較容易撬動安裝有輪轂的旋轉體圍繞著夾具體上的中心定位銷進行360°的旋轉( 旋轉體3 個方形凸臺外側均有1 個杠桿撬洞) ，所以可以在零件一次裝夾完畢后只通過旋轉旋轉體即可實現對3 個對稱分布葉片面的加工，這樣既避免了多次裝夾而產生的加工誤差，又明顯地提高了產品生產效率。對應一序夾具的上、下平面夾角，該夾具體的上、下表面之間的夾角也是3°，這樣確保輪轂安裝后3 個葉片面垂直于機床主軸和垂直于機床工作臺。輪轂與旋轉體之間采用一面兩銷定位方式。一面即輪轂大端面，一銷是旋轉體中心1447圓形凸臺( 凸臺與一序加工完成的大端面1447H7孔配合，配合公差1447H7 /f7) ; 另一銷主要作用是防轉，采用一端M39 螺紋、另一端39 菱形銷的形式。在安裝輪轂時，先將螺紋端擰入大端面已加工完成的M39 螺紋中，將輪轂慢慢放下，并將39 菱形銷端插入安裝在旋轉體上對應位置的鋼套中( 內徑為39) ，然后控制吊機待1447H7 孔對準旋轉體上圓形凸臺后放下輪轂并緊固，輪轂安裝效果見圖5。

　　3. 3 夾具校正

　　夾具第一次安裝于機床時必須進行位置校正。以二序夾具校正為例( 一序夾具校正方法類似) ，校正方法和要求: 工作臺0°時，打表測量夾具側邊基準線，誤差± 0. 02 mm/1 500 mm; 工作臺180° 時，打表測量夾具上表面，誤差0. 03 mm/1 500 mm; 工作臺90°時，打表驗證夾具上表面兩點高度落差78. 61mm，誤差控制0. 03 mm/1 500 mm ( 行程1 500 mm，1 500 × tan3° = 78. 612) 。另外，需要找正二序夾具中旋轉體回轉中心的位置，該回轉中心與葉片面外孔中心有尺寸鏈換算關系，該中心坐標數據也是確定加工零點的重要依據，校正后將夾具緊固于工作臺。

4 零件校正

　　圖6 輪轂葉片面試切( 大端面)零件校正主要是指一序零件裝夾校正，此序的零件裝夾校正非常重要，因為直接影響著二序的加工余量，稍有不慎就會造成整個零件報廢從而產生較大的生產損失。主要內容有:用百分表拉輪轂大端面X 軸水平方向的平行度，然后用80mm 的玉米銑刀在輪轂大、小端面上進行試切，再用尋邊器測量兩端面之間的距離( 驗證是否大于總長2 960 并判斷零件是否裝偏) ; 用“劃針+ 刀桿”找大端面圓心位置，用玉米銑刀對三葉片面進行試切，測量試切缺口深度、寬度尺寸，根據實測值與理論值的偏差來判斷是否存在毛坯鑄造偏差( 孔中心偏移) ，葉片面加工余量是否足夠，輪轂葉片面試切示意圖見圖6、圖7;驗證大、小端面到電機孔中心的位置尺寸，判斷電機孔位置是否存在鑄造偏差，電機孔位置驗證見圖8。綜合以上步驟的試切結果數據和位置驗證情況，進行相應的尺寸借補，最后確定加工零點參數，這樣才能保證二序加工余量的充足，才開始零件正式加工。

5 結論

　　通用設備組、數控機床組輪轂加工工藝比較詳見表2。