风能发电机转子支架钻模的设计及工艺.doc

目 录前 言11 课题介绍32 风能发电机转子支架钻模的设计42.1、加工产品的介绍42.2、风能发电机转子支架钻模加工演示52.3 钻模简介及选择62.3.1、钻模的定义及优点62.3.2、钻模的类型及选择62.3.3、钻模板的类型及选择82.3.4、钻套的类型与选择112.4钻模的设计132.4.1、定位方案132.4.2、夹紧方案142.4.3、钻套的设计152.4.4、钻模板的设计163、风能发电机转子支架钻模的工艺193.1钻模板的工艺193.2、定向键的加工工艺22参考文献24总 结25致 谢26前 言众所周知全球的能源争夺战已经进入白热化阶段，随着人类社会的进步，人口的增长，地球上的各种资源渐渐被消耗枯竭，人类正面临着严重的能源危机，我们迫切的寻找各种能替代的新型能源。世界能源危机是人为造成的能源短缺。其中石油资源将会在一代人的时间内枯竭。它的蕴藏量不是无限的，容易开采和利用的储量已经不多，剩余储量的开发难度越来越大，到一定限度就会失去继续开采的价值。在世界能源消费以石油为主导的条件下，如果能源消费结构不改变，就会发生能源危机。另一大资源煤炭虽比石油多，但也不是取之不尽的。代替石油的其他能源资源，除了煤炭之外，能够大规模利用的还很少。人类已经估计到，非再生矿物能源资源枯竭可能带来的危机，从而将注意力转移到新的能源结构上，探索、研究开发利用新能源资源。现在已经开发的新型能源有燃料电池、甲醇、生物能、太阳能、潮汐能和风能等，但是迄今为止只有水利发电和核能有明显的功效。不过风能却有很大的研究价值和发展潜力。 风能是太阳辐射下流动所形成的。风能与其他能源相比，具有明显的优势，它蕴藏量大，是水能的10倍，分布广泛，永不枯竭，对交通不便、远离主干电网的岛屿及边远地区尤为重要。 风力发电，是当代人利用风能最常见的形式，自19世纪末，丹麦研制成风力发电机以来，人们认识到石油等能源会枯竭，才重视风能的发展，利用风来做其它的事情。 现在风能的利用也渐渐的被推广，在一些新修的马路边上，可以看见一排排带风车的路灯。那些风车就是风力发电机，只要有风，风叶便能带动发电机的转子转动，产生的电流，以电能的形式储存在蓄电池里，以备晚上路灯照明。2008年9月，德国Enercon公司建造世界上最大的风力发电机。该风力发电机旋叶的直径约有126米，重量超过120吨，发电机巨型三叶转子距离地面的高度超过了180米，其中定子重量就有140吨，如图1所示。风力发电机正朝着大功率、大型号的方向发展，直径几米甚至十几米的发电机，其转子与定子的型号也跟着飙升。这带来了很多新问题，像这种巨型的转子和定子的制造，要使用专门的机床，拟定新的工艺路线，特别是巨型产品的加工。 本毕业设计就是与风能发电机的定子有关，发电机的定子又叫转子支架。本文所涉及的风能发电机是大型风电场所用的，其直径有4米多，转子支架有3596mm。转子支架的加工步骤大体分四步：车外圆、铣方槽、钻孔、攻丝。其中车外圆可以使用大型的立车，铣方槽则使用专用升降铣床，然而钻孔出现了一个难以解决的问题，特别是转子支架圆柱壁上的螺纹孔。现在不是在钢板上钻孔，而是在圆柱面上钻孔，因此增加了加工难度。本毕业设计就是为了解决这一难题，像这种特殊但又有规律的孔，可以考虑使用钻模，本设计的课题就是设计此钻模，既要加工简单，又要保证孔的位置度要求和精度，并且尽量降低加工成本低。在设计过程中，指导老师文美纯及本人师父乐喜云给了热情的指导和帮助，在此表示衷心感谢。由于本人知识水平的有限，设计中定有不少的缺点和错误，希望各位评审老师批评指正。1 课题介绍本人现在在湘潭市江大机械制造有限公司实习，江大机械制造有限公司属于来料加工单位，专门为其他公司加工零部件。现在湘潭市电机厂风能发电分厂在研制新型的风能发电机组，委托本公司加工风能发电机的定子转子支架。电机厂送来毛坯，要求我们车转子支架外圆、铣方槽、钻孔并攻丝。现在我所设计的钻模就是用在转子支架钻孔工艺中。转子支架是电机厂新研发的大型风能发电机的定子，直径3596mm，长1300mm，是一个大圆筒，如图2所示。现在所研究的是其外圆柱面上孔的加工，这些孔是径向方向，垂直于支架轴线，一组26个，60组共1560个均匀分布在转子支架外圆壁上。如果展开转子支架，就像一块钢板上有26x60个孔。加工这些孔的难处在于不是在钢板上钻孔，而是在圆柱面上钻孔。如果是划线后钻孔，其工作量是多么的巨大，特别是产品尺寸大，孔的数量多,划线的精度都难保证，更不要说加工后的精度。而且在圆柱面钻孔，孔的位置度难保证。因此设计一个钻模，所有问题便迎面而解。 2 风能发电机转子支架钻模的设计 2.1、加工产品的介绍加工产品为湘潭市电机厂风能发电分厂新型研发的风能发电机组的定子-转子支架。其主要是26x60=1596个M10螺纹孔的加工。这些螺纹孔分布在圆柱面上，孔的位置如图3、4所示：螺纹孔加工应该是钻孔后，立即攻丝，使工件只要一次装夹，提高加工精度。但考虑到转子支架的螺纹孔数量多，钻孔后攻丝，换刀麻烦，降低了加工速度。因此等钻完所有孔后再攻丝，可以提高效率。在以钻好的孔内攻丝，所产生的误差较小，加之本厂使用的是为转子支架定做攻丝机，因此攻丝所产生的误差可以不计。现在要考虑的就是在转子支架圆柱面上钻孔，设计一钻模能很好的解决问题。2.2、风能发电机转子支架钻模加工演示转子支架的钻模有它的特点，此钻模设计为一平板，按转子支架尺寸在平板面设计钻套，加工时把钻模挂在转子支架上，只需要对准钻孔即可。一台钻床可以钻两组孔，为提高加工效率，两台钻床同时加工，钻床位置对称的在转子支架直径上。一台钻转子支架的上部分，一台钻下部分。如图5所示：万向摇臂钻床钻完一组孔后，转动转动架，用顶针固定转子支架，即可以钻另外一组孔。其实钻完两组孔，也只钻了52个孔，因为万向摇臂钻床的升降高度有限，一台钻床只钻上部分的孔，另一台只钻下部分的孔。钻完两组孔后，松顶针，拧松螺钉，两个钻模按相同的移动方向移动钻模（顺时针或逆时针），拧紧螺钉，固定钻模，最后转动转子支架，对好刀即可钻孔，如图5所示。从钻模的加工示意图6，可以看出钻模加工时既要和转子支架回转转动，又要圆周移动，可以说转子支架的钻模是回转钻模与移动钻模的结合体。它取两者之长，很好的解决了在圆柱面上钻孔的难题。特别是移动块的设计，是本钻模的一大亮点，它使装夹变的简单，省力。把钻模挂上转子支架，到加工完整个转子支架，其中的装夹只要转动钻模即可。2.3 钻模简介及选择2.3.1、钻模的定义及优点钻模的使用能省去了划线和其它测量与装夹的方法，使技术不熟练的工人在了解到工件可以准确定位，刀具也可以准确地引导，在正确安装的前提下，也可以快速而又自信地进行操作，从而使工作效率大大的提高。使孔的定位精度不靠操作者而是靠钻模保证。 钻模使零件的装配变得容易。因为所有零件在小的极限范围内都视为相同，而且零件试装和锉削操作都可省去。它使零件具有互换性。如果产品大范围销售的话，备用零件的问题就可以得到简化。下面我们来了解下钻模：钻模的定义钻模是引导刀具在工件上钻孔或铰孔用的机床夹具。钻模的结构特点是除有工件的定位、夹紧装置外，还有根据被加工孔的位置分布而设置的钻套和钻模板，用以确定刀具的位置，并防止刀具在加工过程中倾斜，从而保证被加工孔的位置精度。常用的钻模有固定式、回转式、翻转式和盖板式4种。此外，还有移动式、滑柱式等钻模。 2.3.2、钻模的类型及选择1、钻模的类型钻模从结构上可以分了两种：一种是整体钻模；一种是可分离钻模。区别在与整体钻模没有钻套，而可分离钻模是由钻模扳与钻套组成。根据加工的产品可以确定钻模的大小，钻模的尺寸至少要L=1300mm，不可能选择整体钻模，因为如果磨损就只能重新制造，它只能用于制造小型的钻模。所以选用可分离钻模，这样的话如果磨损，只要更换钻套即可，可以很大程度的节约成本。下面分别介绍几种可分离钻模 1）固定式钻模固定式钻模特点是加工中，钻模固定不动，用于立式钻床上加工单孔或摇壁钻床上加工位于同一方向上平行孔素。如图7所示，钻模板3用若干个螺钉2和两个圆柱定位销1固连夹具体4上，钻模板可装配时调整位置。除用上述螺钉、销连接外、还可以采用焊接结构或直接铸造成一体。固定式钻模板结构简单，制造方便，定位精度高，但装卸工件不便。2）回转式钻模回转式钻模用于加工工件上围绕某一轴线公布轴向或径向孔系。如图8所示，为加工套筒上三圈径向孔回转式钻木木模。工件以内孔和一个端面定位轴3和公度盘2端面A上定位，用螺母4夹紧工件。钻完一排孔后，将分度销5拉出，松开螺母1，即可转动分度盘2另一位置，再插入公度销，拧紧螺母1和4后，即查行另一排孔加工。3）翻转式钻模 加工中，翻转式钻模一般用手进行翻转。夹具和工件一起总重量不能太重，一般不超过100N为宜，翻转式钻模主要用于加工小型工件分布不同表面上孔。它可以减少安装次数，提高各被加工孔间位置精度。其加工批量不宜过大。4）盖板式钻模盖板式钻模无夹具体，其定位元件和夹紧装置直接安装钻模板上。它主要特点是钻模工件上定位，夹具结构简单，轻便，易清除切屑。盖板式钻模适合体积大而笨重工件上小孔加工。中小批量生产，凡需钻铰后立即进行倒角、锪孔、攻螺纹等工序时，采用盖板工钻模也极为方便。，盖板式钻模每次需从工件上装卸，比较费时，故钻模重量一般不宜超过100N。图9所示为盖板式钻模。5）移动式钻模 移动式钻模用立式钻床上，先后钻削工件同一表面上多个孔，属于小型夹具。移动方式有两种：一种是自由移动，另一种是定向移动，用专门设计导轨和定程机构来控制移动方向和距离。6）滑柱式钻模 滑柱式钻模是带有升降钻模板通用可调夹具。它由钻模板、滑柱、夹具体和齿轮齿条传动、锁紧机构组成。这几总分结构已经标准化，具有不同系列，钻模板也有不同结构形式，且可以预先制好备用。滑柱式钻模具有结构简单、操作方便和动作迅速、制造周期短优点，生产中应用广泛，但难于保证更高精度。2、钻模的选择根据转子支架孔分布的特点，沿着轴线分布，完全符合回转式钻模的要求。但又有个很现实的问题，转子支架结构太大，我们不可能做个同样大的钻模，浪费材料而且工件不好定位和旋转。转子支架的结构特殊，是一个大型的圆筒，而孔的位置都在圆柱上也分布均匀有规律，加工时的摆放位置也只能是转子支架的轴线与地面垂直。因此根据转子支架的结构特点，我们选用移动式钻模，并且是其中可定向移动的。只要限定钻模轴向的自由度，便其可以沿圆柱端面做圆周定向移动。2.3.3、钻模板的类型及选择1、钻模板的类型钻模板通常是装配在夹具体或支架上，或与夹具体上的其它元件相连接，常见的有以下几种类型： 1）固定式钻模板如图10所示，这种钻模板是直接固定在夹具体上的，故钻套相对于夹具体也是固定的，钻孔精度较高。但是这种结构对某些工件而言，装拆不太方便。该钻模板与夹具体多采用圆锥销定位、螺钉紧固的结构。对于简单钻模也可采用整体铸造或焊接结构。2）分离式钻模板如图11所示，这种钻模板与夹具体是分离的，并成为一个独立部分，且模板对工作要确定定位要求。工件在夹具体中每装卸一次，钻模板也要装卸一次。该钻模板钻孔精度较高，但装卸工件的时间较长，因而效率较低。 3）铰链式钻模板如图12所示，这种钻模板是通过铰链与夹具体或固定支架连接在一起的，钻模板可绕铰链轴翻转。铰链轴和钻模板上相应孔的配合为基轴制间隙配合(G7/h6)，铰链轴和支座孔的配合为基轴制过盈配合(N7/h6)，钻模板和支座两侧面间的配合则按基孔制间隙配合(H7/g6)。当钻孔的位置精度要求较高时，应予配制，并将钻模板与支座侧面间的配合间隙控制在0.010.02mm之内。同时还要注意使钻模板工作时处于正确位置。图12所示是为保证这一要求的几种常用结构，设计时可根据情况选用。 这种钻模板常采用蝶形螺母锁紧，装卸工件比较方便，对于钻孔后还需要进行锪平面、攻丝等工步尤为适宜。但该钻模板可达到的位置精度较低，结构也较复杂。4）悬挂式钻模板 如图d所示，这种钻模板是悬挂在机床主轴或主轴箱上，随主轴的往复移动而靠紧工件或离开，它多与组合机床或多头传动轴联合使用。图中钻模板4由锥端紧定螺钉将其固定在导柱2上，导柱2的上部伸入多轴传动头6的座架孔中，从而将钻模板4悬挂起来；导柱2的下部则伸入夹具体1的导孔中，使钻模板4准确定位。当多轴传动头6向下移动进行加工时，依靠弹簧5压缩时产生的压力使钻模板4向下靠紧工件。加工完毕后，多轴传动头上升继而退出钻头，并提起钻模板恢复至原始位置。2、钻模板的选择在设计钻模板的结构时，主要要根据工件的外形大小、加工部位、结构特点和生产规模以及机床类型等条件而定。要求所设计的钻模板结构简单、使用方便、制造容易，并要注意以下几点：1） 在保证钻模板有足够刚度的前提下，要尽量减轻其重量。钻模板的厚度往往按钻套的高度来确定，一般在1030mm之间。如果钻套较长，可将钻模板局部加厚。另外，钻模板一般不宜承受夹紧力。2） 钻模板上安装钻套的底孔与定位元件间的位置精度直接影响工件孔的位置精度，因此至关重要。在上述各钻模板结构中，以固定式钻模板钻套底孔的位置精度最高，而以悬挂式钻模板钻套底孔的位置精度为最低。根据钻模板的种类: 固定式钻模板、分离式钻模板 、铰链式钻模板、悬挂式钻模板。以及上面注意要点，固定式钻模板对于直径3596mm，长1300mm的转子支架来说装卸困难，而铰链式钻模板、悬挂式钻模板则设计复杂，而且难度大。因此我们选择分离式钻模板。其实钻模板的选择与钻模的选择没什么区别，只要确定其中一个的类型，另一个的也就基本确定了。2.3.4、钻套的类型与选择1、钻套的类型钻套和钻模板是钻夹具上的特殊元件。钻套装配在钻模板或夹具体上，其作用是确定被加工孔的位置和引导刀具加工。根据钻套的结构和使用特点，主要有四种类型：1）固定钻套固定钻套的两种形式：无肩和带肩，该类钻套外圆以H7/n6或H7/r6配合，直接压入钻模板上的钻套底孔内。在使用过程中若不需要更换钻套（据经验统计，钻套一般可使用100012000次），则用固定钻套较为经济，钻孔的位置精度也较高。2）可换钻套当生产批量较大，需要更换磨损的钻套时，则用可换钻套较为方便，如右图所示。可换钻套装在衬套中，衬套是以H7/n6或H7/r6的配合直接压入钻模板的底孔内，钻套外圆与衬套内孔之间常采用F7/m6或F7/k6配合。当钻套磨损后，可卸下螺钉，更换新的钻套。螺钉还能防止加工时钻套转动或退刀时钻套随刀具拔出。3）快换钻套当被加工孔需依次进行钻、扩、铰时，由于刀具直径逐渐增大，应使用外径相同而内径不同的钻套来引导刀具，这时使用快换钻套可减少更换钻套的时间，如下图所示。快换钻套的有关配合与可换钻套的相同。更换钻套时，将钻套的削边处转至螺钉处，即可取出钻套。钻套的削边方向应考虑刀具的旋向，以免钻套随刀具自行拔出。4）特殊钻套由于工件形状或被加工孔位置的特殊性，有时需要设计特殊结构的钻套，如图16所示。 在斜面上钻孔时，钻套应尽量接近加工表面，并使之与加工表面的形状相吻合，如图a。如果钻套较长，可将钻套孔上部的直径加大（一般取0.1mm），以减少导向长度。 在凹坑内钻孔时，常用加长钻套（H为钻套导向长度）如图b。图c、d为钻两个距离很近的孔时所设计的非标准钻套。2、钻套的选择 转子支架的钻模只是钻固定位置上的孔，不需跟换钻套，因此我们使用固定钻套中带台阶的，钻套与模板的配合使用过盈配合。总结上面钻模、钻模板、钻套的选择。选择可分离钻模中的移动式钻模，模板选择可分离式模板，钻套选择固定钻套。此时钻模的大体样子已经清楚，下一步只要根据转子支架确定模板和钻套的尺寸，及其配合。2.4钻模的设计 2.4.1、定位方案 在空间完全自由的单元体的条件下，它有6个自由度。用3条互相垂直的XX,YY,ZZ轴来表示这6个自由度。单元体可沿任何一条轴线移动，因此有3个平动自由度。单元体也可绕任何一条轴线转动，因此有3个转动自由度，总计有6个自由度。只要限定所有的自由度才能使钻模定位准确，因此要考虑所有自由度的限制。1、V型面的设计转子支架是一个大圆筒，待加工孔的位置在圆柱外表面。在夹具设计中常用于外圆表面的定位元件有定位套、支撑板和V型块。根据所加工螺纹孔位置特点，选用V型块，不过这里的设计有点不同，把这个钻模设计成V型面，两斜面的夹角是根据设计需要计算的，且它的安装位置不是水平而是竖直的，因此它只能限制3个自由度。V型面可以限制3个自由度、，如图所示。2、挡板的设计如图18在侧模板一端面设计一挡板，用螺钉固定，此板不仅限定了轴向即轴的自由度和轴的自由度，而且承担了所有板的重量。此板限制了自由度。3、定向键的设计please contact Q 3053703061 give you more perfect drawings表二工序代码工序名称扁键的工序内容车 间设 备10下料键条按下料图下料，长度保留单边余量6mm，冷却后，去毛刺下料切割机20铣端面以A面定位，竖直安装扁键，一定要保证扁键的垂直，铣B面，先粗铣2mm，再精铣1mm；以B端面定位，加工A端面，保证图纸尺寸长度85mm机加立式升降式铣床30铣平面 以C面定位，保证平面的平整，加工另一面，先粗铣5mm，精铣1mm,保证图纸尺寸高度14mm 机加立式升降式铣床40铣侧面以D面定位，保证平面的平整，直接另一面精铣达到图纸尺寸要求机加卧式数显镗铣床50清理去毛刺，锐角倒钝机加打磨机60划线 把扁键平放在平板上，画M10螺纹孔的位置，打样孔 机加划针70钻螺纹孔用老虎钳把扁键定位在钻床下，用8.6mm的钻花钻通孔；换10mm的攻丝钻，攻丝机加50立式钻床80清理 去孔周围毛刺，清理螺纹孔内铁屑 机加90倒角 在平台上，用老虎钳固定定向键，手工打磨所有锐角，倒角1x45，保证平整 机加打磨机100清理 去未加工面铁锈，加工面上油 机加110检验 按图纸检验 库存 参考文献1 王启平.机床夹具设计.哈尔滨.哈尔滨工业大学出版社.2005.第2版 2 周良德、朱泗芳.现代工程图学.长沙.湖南科学技术出版社.2002.第1版 3 王启平.机械制造工艺学. 哈尔滨.哈尔滨工业大学出版社.2005.第5版 4 寥念钊、古莹菴、莫雨松、李硕根、杨兴骏.互换性与技术测量.北京.新华书店北京发行所发行.2007.第5版 5 周增文.机械加工工艺基础.长沙.中南大学出版社.2003.第1版 6 苏旭平.工程材料.湘潭.湘潭大学出版社.2008.第9版总 结本钻模不同于常见的钻模结构，它是根据现场工件的需求而设计的，既能和工件一起转动，又能移动。它对于转子支架螺纹孔的加工，大大的提高了工作效率，同时也提高了钻孔的位置度。减少了加工难度，降低了加工成本。为公司产生了效益立竿见影。致 谢