風能發(fā)電機轉子支架鉆模的設計及工藝.doc

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目 錄 前 言 1 1 課題介紹 3 2 風能發(fā)電機轉子支架鉆模的設計 4 2.1、加工產(chǎn)品的介紹 4 2.2、風能發(fā)電機轉子支架鉆模加工演示 5 2.3 鉆模簡介及選擇 6 2.3.1、鉆模的定義及優(yōu)點 6 2.3.2、鉆模的類型及選擇 6 2.3.3、鉆模板的類型及選擇 8 2.3.4、鉆套的類型與選擇 11 2.4鉆模的設計 13 2.4.1、定位方案 13 2.4.2、夾緊方案 14 2.4.3、鉆套的設計 15 2.4.4、鉆模板的設計 16 3、風能發(fā)電機轉子支架鉆模的工藝 19 3.1鉆模板的工藝 19 3.2、定向鍵的加工工藝 22 參考文獻 24 總 結 25 致 謝 26 前 言 眾所周知全球的能源爭奪戰(zhàn)已經(jīng)進入白熱化階段，隨著人類社會的進步，人口的增長，地球上的各種資源漸漸被消耗枯竭，人類正面臨著嚴重的能源危機，我們迫切的尋找各種能替代的新型能源。 世界能源危機是人為造成的能源短缺。其中石油資源將會在一代人的時間內(nèi)枯竭。它的蘊藏量不是無限的，容易開采和利用的儲量已經(jīng)不多，剩余儲量的開發(fā)難度越來越大，到一定限度就會失去繼續(xù)開采的價值。在世界能源消費以石油為主導的條件下，如果能源消費結構不改變，就會發(fā)生能源危機。另一大資源煤炭雖比石油多，但也不是取之不盡的。代替石油的其他能源資源，除了煤炭之外，能夠大規(guī)模利用的還很少。人類已經(jīng)估計到，非再生礦物能源資源枯竭可能帶來的危機，從而將注意力轉移到新的能源結構上，探索、研究開發(fā)利用新能源資源。 現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)的新型能源有∶燃料電池、甲醇、生物能、太陽能、潮汐能和風能等，但是迄今為止只有水利發(fā)電和核能有明顯的功效。不過風能卻有很大的研究價值和發(fā)展?jié)摿Α? 風能是太陽輻射下流動所形成的。風能與其他能源相比，具有明顯的優(yōu)勢，它蘊藏量大，是水能的10倍，分布廣泛，永不枯竭，對交通不便、遠離主干電網(wǎng)的島嶼及邊遠地區(qū)尤為重要。 風力發(fā)電，是當代人利用風能最常見的形式，自19世紀末，丹麥研制成風力發(fā)電機以來，人們認識到石油等能源會枯竭，才重視風能的發(fā)展，利用風來做其它的事情。 現(xiàn)在風能的利用也漸漸的被推廣，在一些新修的馬路邊上，可以看見一排排帶風車的路燈。那些風車就是風力發(fā)電機，只要有風，風葉便能帶動發(fā)電機的轉子轉動，產(chǎn)生的電流，以電能的形式儲存在蓄電池里，以備晚上路燈照明。 2008年9月，德國Enercon公司建造世界上最大的風力發(fā)電機。該風力發(fā)電機旋葉的直徑約有126米，重量超過120噸，發(fā)電機巨型三葉轉子距離地面的高度超過了180米，其中定子重量就有140噸，如圖1所示。 風力發(fā)電機正朝著大功率、大型號的方向發(fā)展，直徑幾米甚至十幾米的發(fā)電機，其轉子與定子的型號也跟著飆升。這帶來了很多新問題，像這種巨型的轉子和定子的制造，要使用專門的機床，擬定新的工藝路線，特別是巨型產(chǎn)品的加工。 本畢業(yè)設計就是與風能發(fā)電機的定子有關，發(fā)電機的定子又叫轉子支架。本文所涉及的風能發(fā)電機是大型風電場所用的，其直徑有4米多，轉子支架有3596mm。轉子支架的加工步驟大體分四步：車外圓、銑方槽、鉆孔、攻絲。其中車外圓可以使用大型的立車，銑方槽則使用專用升降銑床，然而鉆孔出現(xiàn)了一個難以解決的問題，特別是轉子支架圓柱壁上的螺紋孔。 現(xiàn)在不是在鋼板上鉆孔，而是在圓柱面上鉆孔，因此增加了加工難度。 本畢業(yè)設計就是為了解決這一難題，像這種特殊但又有規(guī)律的孔，可以考慮使用鉆模，本設計的課題就是設計此鉆模，既要加工簡單，又要保證孔的位置度要求和精度，并且盡量降低加工成本低。 在設計過程中，指導老師文美純及本人師父樂喜云給了熱情的指導和幫助，在此表示衷心感謝。 由于本人知識水平的有限，設計中定有不少的缺點和錯誤，希望各位評審老師批評指正。 1 課題介紹 本人現(xiàn)在在湘潭市江大機械制造有限公司實習，江大機械制造有限公司屬于來料加工單位，專門為其他公司加工零部件?，F(xiàn)在湘潭市電機廠風能發(fā)電分廠在研制新型的風能發(fā)電機組，委托本公司加工風能發(fā)電機的定子——轉子支架。電機廠送來毛坯，要求我們車轉子支架外圓、銑方槽、鉆孔并攻絲。現(xiàn)在我所設計的鉆模就是用在轉子支架鉆孔工藝中。 轉子支架是電機廠新研發(fā)的大型風能發(fā)電機的定子，直徑3596mm，長1300mm，是一個大圓筒，如圖2所示?，F(xiàn)在所研究的是其外圓柱面上孔的加工，這些孔是徑向方向，垂直于支架軸線，一組26個，60組共1560個均勻分布在轉子支架外圓壁上。如果展開轉子支架，就像一塊鋼板上有26x60個孔。加工這些孔的難處在于不是在鋼板上鉆孔，而是在圓柱面上鉆孔。 如果是劃線后鉆孔，其工作量是多么的巨大，特別是產(chǎn)品尺寸大，孔的數(shù)量多,劃線的精度都難保證，更不要說加工后的精度。而且在圓柱面鉆孔，孔的位置度難保證。因此設計一個鉆模，所有問題便迎面而解。 2 風能發(fā)電機轉子支架鉆模的設計 2.1、加工產(chǎn)品的介紹 加工產(chǎn)品為湘潭市電機廠風能發(fā)電分廠新型研發(fā)的風能發(fā)電機組的定子---轉子支架。其主要是26x60=1596個M10螺紋孔的加工。這些螺紋孔分布在圓柱面上，孔的位置如圖3、4所示： 螺紋孔加工應該是鉆孔后，立即攻絲，使工件只要一次裝夾，提高加工精度。 但考慮到轉子支架的螺紋孔數(shù)量多，鉆孔后攻絲，換刀麻煩，降低了加工速度。 因此等鉆完所有孔后再攻絲，可以提高效率。在以鉆好的孔內(nèi)攻絲，所產(chǎn)生的誤差較小，加之本廠使用的是為轉子支架定做攻絲機，因此攻絲所產(chǎn)生的誤差可以不計?，F(xiàn)在要考慮的就是在轉子支架圓柱面上鉆孔，設計一鉆模能很好的解決問題。 2.2、風能發(fā)電機轉子支架鉆模加工演示 轉子支架的鉆模有它的特點，此鉆模設計為一平板，按轉子支架尺寸在平板面設計鉆套，加工時把鉆模掛在轉子支架上，只需要對準鉆孔即可。一臺鉆床可以鉆兩組孔，為提高加工效率，兩臺鉆床同時加工，鉆床位置對稱的在轉子支架直徑上。一臺鉆轉子支架的上部分，一臺鉆下部分。如圖5所示： 萬向搖臂鉆床鉆完一組孔后，轉動轉動架，用頂針固定轉子支架，即可以鉆另外一組孔。其實鉆完兩組孔，也只鉆了52個孔，因為萬向搖臂鉆床的升降高度有限，一臺鉆床只鉆上部分的孔，另一臺只鉆下部分的孔。鉆完兩組孔后，松頂針，擰松螺釘，兩個鉆模按相同的移動方向移動鉆模（順時針或逆時針），擰緊螺釘，固定鉆模，最后轉動轉子支架，對好刀即可鉆孔，如圖5所示。 從鉆模的加工示意圖6，可以看出鉆模加工時既要和轉子支架回轉轉動，又要圓周移動，可以說轉子支架的鉆模是回轉鉆模與移動鉆模的結合體。它取兩者之長，很好的解決了在圓柱面上鉆孔的難題。 特別是移動塊的設計，是本鉆模的一大亮點，它使裝夾變的簡單，省力。把鉆模掛上轉子支架，到加工完整個轉子支架，其中的裝夾只要轉動鉆模即可。 2.3 鉆模簡介及選擇 2.3.1、鉆模的定義及優(yōu)點 鉆模的使用能省去了劃線和其它測量與裝夾的方法，使技術不熟練的工人在了解到工件可以準確定位，刀具也可以準確地引導，在正確安裝的前提下，也可以快速而又自信地進行操作，從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鉆模保證。 鉆模使零件的裝配變得容易。因為所有零件在小的極限范圍內(nèi)都視為相同，而且零件試裝和銼削操作都可省去。它使零件具有互換性。如果產(chǎn)品大范圍銷售的話，備用零件的問題就可以得到簡化。 下面我們來了解下鉆模： 鉆模的定義 鉆模是引導刀具在工件上鉆孔或鉸孔用的機床夾具。鉆模的結構特點是除有工件的定位、夾緊裝置外，還有根據(jù)被加工孔的位置分布而設置的鉆套和鉆模板，用以確定刀具的位置，并防止刀具在加工過程中傾斜，從而保證被加工孔的位置精度。常用的鉆模有固定式、回轉式、翻轉式和蓋板式4種。此外，還有移動式、滑柱式等鉆模。 2.3.2、鉆模的類型及選擇 1、鉆模的類型 鉆模從結構上可以分了兩種：一種是整體鉆模；一種是可分離鉆模。區(qū)別在與整體鉆模沒有鉆套，而可分離鉆模是由鉆模扳與鉆套組成。 根據(jù)加工的產(chǎn)品可以確定鉆模的大小，鉆模的尺寸至少要L=1300mm，不可能選擇整體鉆模，因為如果磨損就只能重新制造，它只能用于制造小型的鉆模。所以選用可分離鉆模，這樣的話如果磨損，只要更換鉆套即可，可以很大程度的節(jié)約成本。 下面分別介紹幾種可分離鉆模 1）固定式鉆模 固定式鉆模特點是加工中，鉆模固定不動，用于立式鉆床上加工單孔或搖壁鉆床上加工位于同一方向上平行孔素。如圖7所示，鉆模板3用若干個螺釘2和兩個圓柱定位銷1固連夾具體4上，鉆模板可裝配時調(diào)整位置。除用上述螺釘、銷連接外、還可以采用焊接結構或直接鑄造成一體。固定式鉆模板結構簡單，制造方便，定位精度高，但裝卸工件不便。 2）回轉式鉆模 回轉式鉆模用于加工工件上圍繞某一軸線公布軸向或徑向孔系。如圖8所示，為加工套筒上三圈徑向孔回轉式鉆木木模。工件以內(nèi)孔和一個端面定位軸3和公度盤2端面A上定位，用螺母4夾緊工件。鉆完一排孔后，將分度銷5拉出，松開螺母1，即可轉動分度盤2另一位置，再插入公度銷，擰緊螺母1和4后，即查行另一排孔加工。 3）翻轉式鉆模 加工中，翻轉式鉆模一般用手進行翻轉。夾具和工件一起總重量不能太重，一般不超過100N為宜，翻轉式鉆模主要用于加工小型工件分布不同表面上孔。它可以減少安裝次數(shù)，提高各被加工孔間位置精度。其加工批量不宜過大。 4）蓋板式鉆模 蓋板式鉆模無夾具體，其定位元件和夾緊裝置直接安裝鉆模板上。它主要特點是鉆模工件上定位，夾具結構簡單，輕便，易清除切屑。蓋板式鉆模適合體積大而笨重工件上小孔加工。中小批量生產(chǎn)，凡需鉆鉸后立即進行倒角、锪孔、攻螺紋等工序時，采用蓋板工鉆模也極為方便。，蓋板式鉆模每次需從工件上裝卸，比較費時，故鉆模重量一般不宜超過100N。圖9所示為蓋板式鉆模。 5）移動式鉆模 移動式鉆模用立式鉆床上，先后鉆削工件同一表面上多個孔，屬于小型夾具。移動方式有兩種：一種是自由移動，另一種是定向移動，用專門設計導軌和定程機構來控制移動方向和距離。 6）滑柱式鉆模 滑柱式鉆模是帶有升降鉆模板通用可調(diào)夾具。它由鉆模板、滑柱、夾具體和齒輪齒條傳動、鎖緊機構組成。這幾總分結構已經(jīng)標準化，具有不同系列，鉆模板也有不同結構形式，且可以預先制好備用。滑柱式鉆模具有結構簡單、操作方便和動作迅速、制造周期短優(yōu)點，生產(chǎn)中應用廣泛，但難于保證更高精度。 2、鉆模的選擇 根據(jù)轉子支架孔分布的特點，沿著軸線分布，完全符合回轉式鉆模的要求。但又有個很現(xiàn)實的問題，轉子支架結構太大，我們不可能做個同樣大的鉆模，浪費材料而且工件不好定位和旋轉。 轉子支架的結構特殊，是一個大型的圓筒，而孔的位置都在圓柱上也分布均勻有規(guī)律，加工時的擺放位置也只能是轉子支架的軸線與地面垂直。 因此根據(jù)轉子支架的結構特點，我們選用移動式鉆模，并且是其中可定向移動的。只要限定鉆模軸向的自由度，便其可以沿圓柱端面做圓周定向移動。 2.3.3、鉆模板的類型及選擇 1、鉆模板的類型 鉆模板通常是裝配在夾具體或支架上，或與夾具體上的其它元件相連接，常見的有以下幾種類型： 1）固定式鉆模板 如圖10所示，這種鉆模板是直接固定在夾具體上的，故鉆套相對于夾具體也是固定的，鉆孔精度較高。但是這種結構對某些工件而言，裝拆不太方便。該鉆模板與夾具體多采用圓錐銷定位、螺釘緊固的結構。對于簡單鉆模也可采用整體鑄造或焊接結構。 2）分離式鉆模板 如圖11所示，這種鉆模板與夾具體是分離的，并成為一個獨立部分，且模板對工作要確定定位要求。工件在夾具體中每裝卸一次，鉆模板也要裝卸一次。該鉆模板鉆孔精度較高，但裝卸工件的時間較長，因而效率較低。 3）鉸鏈式鉆模板 如圖12所示，這種鉆模板是通過鉸鏈與夾具體或固定支架連接在一起的，鉆模板可繞鉸鏈軸翻轉。鉸鏈軸和鉆模板上相應孔的配合為基軸制間隙配合(G7/h6)，鉸鏈軸和支座孔的配合為基軸制過盈配合(N7/h6)，鉆模板和支座兩側面間的配合則按基孔制間隙配合(H7/g6)。當鉆孔的位置精度要求較高時，應予配制，并將鉆模板與支座側面間的配合間隙控制在0.01~0.02mm之內(nèi)。同時還要注意使鉆模板工作時處于正確位置。圖12所示是為保證這一要求的幾種常用結構，設計時可根據(jù)情況選用。 這種鉆模板常采用蝶形螺母鎖緊，裝卸工件比較方便，對于鉆孔后還需要進行锪平面、攻絲等工步尤為適宜。但該鉆模板可達到的位置精度較低，結構也較復雜。 4）懸掛式鉆模板 如圖d所示，這種鉆模板是懸掛在機床主軸或主軸箱上，隨主軸的往復移動而靠緊工件或離開，它多與組合機床或多頭傳動軸聯(lián)合使用。圖中鉆模板4由錐端緊定螺釘將其固定在導柱2上，導柱2的上部伸入多軸傳動頭6的座架孔中，從而將鉆模板4懸掛起來；導柱2的下部則伸入夾具體1的導孔中，使鉆模板4準確定位。當多軸傳動頭6向下移動進行加工時，依靠彈簧5壓縮時產(chǎn)生的壓力使鉆模板4向下靠緊工件。加工完畢后，多軸傳動頭上升繼而退出鉆頭，并提起鉆模板恢復至原始位置。 2、鉆模板的選擇 在設計鉆模板的結構時，主要要根據(jù)工件的外形大小、加工部位、結構特點和生產(chǎn)規(guī)模以及機床類型等條件而定。要求所設計的鉆模板結構簡單、使用方便、制造容易，并要注意以下幾點： 　　1） 在保證鉆模板有足夠剛度的前提下，要盡量減輕其重量。鉆模板的厚度往往按鉆套的高度來確定，一般在10~30mm之間。如果鉆套較長，可將鉆模板局部加厚。另外，鉆模板一般不宜承受夾緊力。 　　2） 鉆模板上安裝鉆套的底孔與定位元件間的位置精度直接影響工件孔的位置精度，因此至關重要。在上述各鉆模板結構中，以固定式鉆模板鉆套底孔的位置精度最高，而以懸掛式鉆模板鉆套底孔的位置精度為最低。 根據(jù)鉆模板的種類: 固定式鉆模板、分離式鉆模板 、鉸鏈式鉆模板、懸掛式鉆模板。以及上面注意要點，固定式鉆模板對于直徑3596mm，長1300mm的轉子支架來說裝卸困難，而鉸鏈式鉆模板、懸掛式鉆模板則設計復雜，而且難度大。因此我們選擇分離式鉆模板。 其實鉆模板的選擇與鉆模的選擇沒什么區(qū)別，只要確定其中一個的類型，另一個的也就基本確定了。 2.3.4、鉆套的類型與選擇 1、鉆套的類型 鉆套和鉆模板是鉆夾具上的特殊元件。鉆套裝配在鉆模板或夾具體上，其作用是確定被加工孔的位置和引導刀具加工。 　根據(jù)鉆套的結構和使用特點，主要有四種類型： 　　1）固定鉆套 　　固定鉆套的兩種形式：無肩和帶肩，該類鉆套外圓以H7/n6或H7/r6配合，直接壓入鉆模板上的鉆套底孔內(nèi)。在使用過程中若不需要更換鉆套（據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計，鉆套一般可使用1000~12000次），則用固定鉆套較為經(jīng)濟，鉆孔的位置精度也較高。 　　2）可換鉆套 當生產(chǎn)批量較大，需要更換磨損的鉆套時，則用可換鉆套較為方便，如右圖所示?？蓳Q鉆套裝在襯套中，襯套是以H7/n6或H7/r6的配合直接壓入鉆模板的底孔內(nèi)，鉆套外圓與襯套內(nèi)孔之間常采用F7/m6或F7/k6配合。當鉆套磨損后，可卸下螺釘，更換新的鉆套。螺釘還能防止加工時鉆套轉動或退刀時鉆套隨刀具拔出。 3）快換鉆套 當被加工孔需依次進行鉆、擴、鉸時，由于刀具直徑逐漸增大，應使用外徑相同而內(nèi)徑不同的鉆套來引導刀具，這時使用快換鉆套可減少更換鉆套的時間，如下圖所示?？鞊Q鉆套的有關配合與可換鉆套的相同。更換鉆套時，將鉆套的削邊處轉至螺釘處，即可取出鉆套。鉆套的削邊方向應考慮刀具的旋向，以免鉆套隨刀具自行拔出。 　　 4）特殊鉆套 由于工件形狀或被加工孔位置的特殊性，有時需要設計特殊結構的鉆套，如圖16所示。 在斜面上鉆孔時，鉆套應盡量接近加工表面，并使之與加工表面的形狀相吻合，如圖a。如果鉆套較長，可將鉆套孔上部的直徑加大（一般取0.1mm），以減少導向長度。 在凹坑內(nèi)鉆孔時，常用加長鉆套（H為鉆套導向長度）如圖b。圖c、d為鉆兩個距離很近的孔時所設計的非標準鉆套。 2、鉆套的選擇 轉子支架的鉆模只是鉆固定位置上的孔，不需跟換鉆套，因此我們使用固定鉆套中帶臺階的，鉆套與模板的配合使用過盈配合。 總結上面鉆模、鉆模板、鉆套的選擇。選擇可分離鉆模中的移動式鉆模，模板選擇可分離式模板，鉆套選擇固定鉆套。此時鉆模的大體樣子已經(jīng)清楚，下一步只要根據(jù)轉子支架確定模板和鉆套的尺寸，及其配合。 2.4鉆模的設計 2.4.1、定位方案 在空間完全自由的單元體的條件下，它有6個自由度。用3條互相垂直的XX,YY,ZZ軸來表示這6個自由度。單元體可沿任何一條軸線移動，因此有3個平動自由度。單元體也可繞任何一條軸線轉動，因此有3個轉動自由度，總計有6個自由度。只要限定所有的自由度才能使鉆模定位準確，因此要考慮所有自由度的限制。 1、V型面的設計 轉子支架是一個大圓筒，待加工孔的位置在圓柱外表面。在夾具設計中常用于外圓表面的定位元件有定位套、支撐板和V型塊。 根據(jù)所加工螺紋孔位置特點，選用V型塊，不過這里的設計有點不同，把這個鉆模設計成V型面，兩斜面的夾角是根據(jù)設計需要計算的，且它的安裝位置不是水平而是豎直的，因此它只能限制3個自由度。 V型面可以限制3個自由度、、，如圖所示。 2、擋板的設計 如圖18在側模板一端面設計一擋板，用螺釘固定，此板不僅限定了軸向即軸的自由度和軸的自由度，而且承擔了所有板的重量。此板限制了自由度。 3、定向鍵的設計 please contact Q 3053703061 give you more perfect drawings 表二 工序代碼 工序名稱 扁鍵的工序內(nèi)容 車 間 設 備 10 下料 鍵條按下料圖下料，長度保留單邊余量6mm，冷卻后，去毛刺 下料 切割機 20 銑端面 以A面定位，豎直安裝扁鍵，一定要保證扁鍵的垂直，銑B面，先粗銑2mm，再精銑1mm；以B端面定位，加工A端面，保證圖紙尺寸長度85mm 機加 立式升降式銑床 30 銑平面 以C面定位，保證平面的平整，加工另一面，先粗銑5mm，精銑1mm,保證圖紙尺寸高度14mm 機加 立式升降式銑床 40 銑側面 以D面定位，保證平面的平整，直接另一面精銑達到圖紙尺寸要求 機加 臥式數(shù)顯鏜銑床 50 清理 去毛刺，銳角倒鈍 機加 打磨機 60 劃線 把扁鍵平放在平板上，畫M10螺紋孔的位置，打樣孔 機加 劃針 70 鉆螺紋孔 用老虎鉗把扁鍵定位在鉆床下，用Φ8.6mm的鉆花鉆通孔；換Φ10mm的攻絲鉆，攻絲 機加 50立式鉆床 80 清理 去孔周圍毛刺，清理螺紋孔內(nèi)鐵屑 機加 　 90 倒角 在平臺上，用老虎鉗固定定向鍵，手工打磨所有銳角，倒角1x45，保證平整 機加 打磨機 100 清理 去未加工面鐵銹，加工面上油 機加 　 110 檢驗 按圖紙檢驗 　 　 　 庫存 　 　 　 參考文獻 [1] 王啟平.機床夾具設計.哈爾濱.哈爾濱工業(yè)大學出版社.2005.第2版 [2] 周良德、朱泗芳.現(xiàn)代工程圖學.長沙.湖南科學技術出版社.2002.第1版 [3] 王啟平.機械制造工藝學. 哈爾濱.哈爾濱工業(yè)大學出版社.2005.第5版 [4] 寥念釗、古瑩菴、莫雨松、李碩根、楊興駿.互換性與技術測量.北京.新華書店北京發(fā)行所發(fā)行.2007.第5版 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