风电主齿轮箱齿轮批量化滚齿相关探讨

随着我国风电产业的进步，国内企业在风电齿轮箱方面的配套也取得了快速发展。风电齿轮箱是几类风电机组的重要部件，其主要功能是将风叶在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。数据显示，目前全球85%以上的风电整机都是带有齿轮箱的机型。并且，由于稀土价格上涨给永磁直驱机组带来成本上的压力，预计今后带齿轮箱机型的机组的比例还会增加。这就给国内风电主齿轮箱制造厂家带来了机遇，但也同时带来了新的挑战。风电齿轮箱属于高可靠性的工业齿轮箱，具有齿轮模数大，零件精度高，单个零件重量大、价值高，生产成本高，生产周期长，齿轮箱维修成本昂贵等属性。国内风电齿轮箱制造厂家一般都是从单件、小批量的工业齿轮箱厂家发展起来的，面对风电市场需求带来的风电主齿轮箱批量化生产的要求，很多厂家仍然沿用传统的生产方式，结果在市场面前失去机遇，或者由于产品的质量问题丢失客户，或者由于生产成本高主动止步。

　　本文从风电齿轮箱齿轮批量化生产入手，以快速的市场响应、满足客户需求的产品质量和较低的生产成本作为讨论的根本原则，选取齿轮加工中一个典型工序——滚齿作为讨论点，阐述了滚齿加工所涉及到的机床选择、刀具选用、夹具设计、精度系统等多个方面的内容。
　　滚齿机床的选择
　　滚齿机床的选择和待加工零件的特点是密切相关的。风电齿轮箱一般是三级传动，分为输入级、中间级和输出级。每一级零件由于设计功效不一样，差别很大。因此，在选择加工机床的时候，需要根据不同零件的特点，合理选用滚齿机床。

　　输入级一般是行星传动，由于受到较大的载荷，因此齿轮的模数很大。例如3MW级别的风电齿轮箱，输入级齿轮模数一般在20mm左右。所以该类滚齿机的刚性要求比较高，主驱动电动机功率要大，工作台排屑性能要好，机床的Y 轴串刀长度要长，机床需要具备滚、铣复合功能等。
　　中间级根据设计需要，可能设计成行星传动或者平行级传动。如果是行星传动，则齿轮、齿轴等零件对机床没有什么特殊要求。如果是平行级传动，由于齿轮件一般直径较大，为提高齿轮滚齿效率，滚刀的转速和Z轴的走刀速度会有较高的要求， Z轴的驱动电动机功率也有要求。
　　输出级一般为平行级，承载小，但转速高，齿轮件模数较小，一般为7mm左右。由于模数小，齿轴的齿数少，在高速滚齿时，工作台的转速会比较高。因此加工该类齿轴件时，要注意滚齿机工作台的转速是否能够满足加工要求。
　　齿轮刀具的选用

　　齿轮刀具的选用是滚齿工序的一个关键环节。合理的选用齿轮刀具，不仅可以兼顾齿轮加工的质量和效率，而且可以提高齿轮刀具的使用寿命，节约成本。
　　滚齿工序可以选择的加工方法从加工原理上可以分为“成形铣齿”和“展成滚齿”两种方法。风电齿轮用到的成形铣齿刀具主要是硬质合金镶片成形铣刀，展成滚齿的刀具主要有硬质合金镶片滚刀、高速钢双切滚刀、高速钢单刃整体滚刀。因为风电齿轮箱的输入级、中间级和输出级齿轮零件差异很大，因此根据被加工齿轮（齿轴）的模数、齿数以及设计结构，或者应用成形铣齿方法，或者应用展成滚齿方法，或者集成应用两种加工方法（滚、铣复合加工）。
　　下面根据风电齿轮箱输入级、中间级、输出级不同特点，选取中间级大轮做加工方法和刀具选用分析。
　　中间级大轮的模数一般为10～12mm，齿数约100，齿宽在350mm上下。根据上述数据，从模数和齿数上分析，由于齿数多，且模数适中，排除采用成形铣齿方法（切削效率低）；从齿数和齿宽上分析，该类齿轮切削长度（齿宽和齿数的乘积）超过了一般单刃滚刀的刃口切削寿命（单刃滚刀可以增加外径，提高切削刃口数，但造成刀体材料的浪费。至于如何优化设计滚刀，不在本文讨论范围之内），因此排除普通单刃滚刀；从刀具成本上分析，由于中间级大轮每台齿轮箱只有一个，数量需求还不够大，故没必要选择高成本的硬质合金镶片滚刀；而双切滚刀正好满足了效率、寿命、成本等各方面要求。
　　夹具设计

　　夹具设计是滚齿工序的另外一个关键环节。好的滚齿夹具至少应具备如下特点：夹持稳定、上下料迅速、校调基准方便、夹具易于拆卸，另外通用性要强、与滚齿机能够无缝对接。如前所述，风电齿轮箱输入级、中间级、输出级齿轮模数变化大，结构各异，因此要批量化稳定生产，需要针对各零件的具体特征，结合具体滚齿机、刀具、零件的材料硬度，以及切削参数等工艺要求，制定方案。
　　太阳轮外花键是风电齿轮箱输入级中一个特殊的齿轮件，其滚齿时，材料已经渗碳、淬火热处理工艺。尽管有硬度保护措施，但其硬度已超过中硬齿面齿轮的滚齿要求，且加工精度要求很高。针对该类零件，可以采用卡盘和顶尖相结合的过定位夹具设计方案。在使用该夹具时，不仅能够保证夹持的精度，而且刚性好，很好地化解了材料硬度、刀具寿命、花键精度以及机床刚性四者之间的矛盾，稳定了切削工艺。
　　滚齿的精度系统

　　滚齿的精度系统是实现风电齿轮批量化加工的系统保障。风电齿轮个体零件一般都比较重，价值昂贵。例如3MW风电齿轮箱输入级行星轮个体重量约有1t，光材料就价值不菲。在生产过程中，应杜绝零件质量不合格，更不能发生批量零件质量不合格的情况，这就要求滚齿的精度系统可靠性高。通过分析滚齿工序操作的过程，拆分出刀具精度系统、机床精度系统、夹具精度系统，以及其他精度保障系统。在各子系统精度都满足加工要求的前提下，得出整个系统的精度保障，从而稳定、有序地生产出合格的滚（铣）齿零件。
　　结语
　　滚齿工序是风电主齿轮箱齿轮加工工艺过程中最基础、简单的一道工序。正确地选择机床工具，保证精度系统，是风电齿轮批量化生产的基础。正是有了这些工艺保障，才能实现快速的市场反应、满足客户的质量要求，以及具有市场竞争力的成本优势。