文/殷勇鋒·江蘇凌飛鍛造有限公司

大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸的創(chuàng)新型工藝

文/殷勇鋒·江蘇凌飛鍛造有限公司

風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量大型化是未來的發(fā)展方向，既有利于提高風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率，又有利于降低風(fēng)電機(jī)組全壽命周期的制造與運(yùn)營(yíng)成本。隨著風(fēng)電機(jī)組的大型化，風(fēng)電主軸尺寸在增加，產(chǎn)品重量也在急劇增加。本文通過對(duì)大型風(fēng)電主軸的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝和創(chuàng)新型生產(chǎn)工藝進(jìn)行對(duì)比，詳細(xì)介紹了大型風(fēng)電主軸創(chuàng)新型生產(chǎn)工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。

近年來，由于資源短缺和環(huán)境惡化，世界各國(guó)開始重視開發(fā)和利用可再生能源和清潔能源。風(fēng)能作為一種綠色、環(huán)保的能源，已越來越得到人們的重視。風(fēng)電產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度令人震驚。而風(fēng)電主軸又是風(fēng)電機(jī)組中一個(gè)核心零部件，其質(zhì)量決定了整個(gè)風(fēng)力發(fā)電整機(jī)的使用壽命。

隨著風(fēng)電機(jī)組的大型化，風(fēng)電主軸尺寸在增加，產(chǎn)品重量也在急劇增加，同時(shí)需符合嚴(yán)格的產(chǎn)品驗(yàn)收技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這些因素都大大增加了風(fēng)電主軸的鍛造、機(jī)加工以及熱處理等各生產(chǎn)工序的生產(chǎn)難度，并提高了生產(chǎn)成本，增加了產(chǎn)品的質(zhì)量控制難度。因此針對(duì)此類大型風(fēng)電主軸的生產(chǎn)工藝方案，工藝路線和生產(chǎn)工藝條件，都必須進(jìn)行技術(shù)升級(jí)或技術(shù)革新，才能保證產(chǎn)品質(zhì)量符合客戶要求，并順利生產(chǎn)和交貨。

在風(fēng)電機(jī)組容量大型化的生產(chǎn)過程中，由于每一次產(chǎn)品升級(jí)，其產(chǎn)品零部件均需重新設(shè)計(jì)。特別是3.0MW以上的風(fēng)電主軸，其產(chǎn)品形狀、尺寸、重量等參數(shù)與小容量單機(jī)主軸對(duì)比，有了非常大的改變?cè)黾印榻档惋L(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)輸、吊裝、安裝等難度，3.0MW以上規(guī)格的風(fēng)電主軸，其內(nèi)孔設(shè)計(jì)成大尺寸通孔，如圖1所示。

對(duì)主軸要求無損探傷：主軸粗加工后對(duì)整根軸進(jìn)行100%的超聲波探傷檢測(cè)，尤其各過渡圓角及截面變化處50～100mm寬度范圍內(nèi)，符合JB/T 5000.15-2007中II級(jí)質(zhì)量等級(jí)的規(guī)定。主軸主要技術(shù)要求詳見表1。

傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝

該工藝采用傳統(tǒng)風(fēng)電主軸鍛造方法，即鍛制實(shí)心主軸，具體生產(chǎn)工藝實(shí)施如下：

⑴鍛件采用真空脫氣VOD爐精煉鋼錠，將熱鋼錠熱送至鍛造生產(chǎn)車間。嚴(yán)格按照熱鋼錠加熱工藝進(jìn)行加熱、保溫，保溫溫度為1230℃。

圖1 3.0MW半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸

表1 主軸材料性能及化學(xué)成分

⑵鋼錠出爐，冒口壓鉗柄，同時(shí)確保水口端有一定切除量。將鋼錠放入鐓粗漏盤，以壓機(jī)最大鍛壓力鐓粗，第一次鐓粗后的高徑比盡可能接近極限高徑比（1≥L/D≥0.6）。鍛坯出模后，采用WHF法（WHF法是一種寬砧強(qiáng)力壓下鍛造法）拔長(zhǎng)，將鍛坯按工藝拔長(zhǎng)至出坯尺寸，按圖紙分料，制坯成功，入爐保溫2h。

⑶將鍛坯小頭端放入由旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)與模圈組成的風(fēng)電主軸工裝，鐓粗鍛坯上部，換砧旋壓法蘭面至圖紙尺寸。鍛坯出模后滾圓法蘭端外圓。操作機(jī)夾持鍛坯法蘭端外徑，用WHF法拔長(zhǎng)小軸端，按圖紙鍛制成品。

⑷鍛件鍛后空冷至400℃左右，立刻進(jìn)爐均溫，按鍛后熱處理工藝進(jìn)行兩次正火+一次回火的鍛后熱處理。

⑸鍛件毛坯檢驗(yàn)合格后，先將鍛件外圓按圖紙尺寸加工到位，內(nèi)孔再利用專用深孔鉆鉆床進(jìn)行鉆孔，將內(nèi)孔加工至粗加工圖紙尺寸。

⑹鍛件進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，并進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，無損檢測(cè)，以及相關(guān)理化檢測(cè)。

⑺產(chǎn)品按成品圖進(jìn)行精加工，噴涂，檢驗(yàn)合格。

采用傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的優(yōu)點(diǎn)

⑴風(fēng)電主軸鍛件生產(chǎn)操作流程和生產(chǎn)方式比較熟練，鍛件尺寸容易控制。

⑵因粗加工鍛件外圓時(shí)，內(nèi)孔尚未加工，粗加工外圓尺寸容易控制。

采用傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的缺點(diǎn)

⑴因鍛件重量大（鍛件重28t），尺寸大（法蘭端尺寸約φ2300mm）。按此鍛件的重量和尺寸規(guī)格，需配套選用8000t以上壓機(jī)才能順利生產(chǎn)。

⑵因鍛件在第二火鍛制拔長(zhǎng)時(shí)，受限于小軸端出坯尺寸限制，造成此處的局部拔長(zhǎng)鍛造比不足。故鍛坯內(nèi)部鍛透性不佳，無法消除鋼錠原有缺陷，不易通過嚴(yán)格的超聲波無損檢測(cè)。

⑶針對(duì)鍛件有效直徑較大，鍛件重量較重的特性，需采用兩次高溫正火+一次回火的熱處理工藝。

⑷因該風(fēng)電主軸成品內(nèi)孔為通孔，需在調(diào)質(zhì)前將一支實(shí)心軸機(jī)加工出約φ400mm×2700mm通孔。

⑸因主軸調(diào)質(zhì)前內(nèi)孔通過機(jī)加工，其內(nèi)孔表面容易暴露出鍛件內(nèi)部原有的非金屬夾雜物，偏析和一些尚未完全焊合的疏松等缺陷。這些因素極易增加風(fēng)電主軸內(nèi)孔在調(diào)質(zhì)過程中開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

故綜上所述，采用傳統(tǒng)工藝具有生產(chǎn)成本高、能耗高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、產(chǎn)品合格率低、高風(fēng)險(xiǎn)等缺點(diǎn)，且需特定的生產(chǎn)設(shè)備。這對(duì)一般生產(chǎn)企業(yè)具有極大的生產(chǎn)難度和高風(fēng)險(xiǎn)，無強(qiáng)大的生產(chǎn)設(shè)備和完善的生產(chǎn)工藝，無法保證產(chǎn)品的順利生產(chǎn)。

創(chuàng)新型工藝

采用此新工藝鍛造的風(fēng)電主軸鍛件，利用成品主軸內(nèi)有一大尺寸通孔特性，即直接鍛造出中空的主軸鍛件，完全改變傳統(tǒng)風(fēng)電主軸的生產(chǎn)理念的新生產(chǎn)工藝。具體工藝實(shí)施如下：

⑴鍛件采用真空脫氣VOD爐精煉鋼錠，將熱鋼錠熱送至鍛造生產(chǎn)車間。嚴(yán)格按照熱鋼錠加熱工藝進(jìn)行加熱、保溫，保溫溫度為1230℃。

⑵鋼錠出爐，倒棱，并切除冒口和水口，使這兩端有足夠的切除量，確保鍛件無縮孔和嚴(yán)重的偏析，進(jìn)爐均溫，均溫溫度升至1240℃。

⑶鍛坯出爐，采用上下大平板對(duì)鋼錠進(jìn)行縱向鐓粗，以壓機(jī)最大的鍛壓力鐓粗，第一次鐓粗后的高徑比盡可能接近極限高徑比，L/D≈1，以增加后續(xù)拔長(zhǎng)鍛比。然后將鍛坯采用FM法（即無曼內(nèi)斯曼效應(yīng)的鍛造法)，對(duì)坯料進(jìn)行縱向大變形量壓拔，直接將鍛坯鍛壓至制坯直徑尺寸。按工藝尺寸制坯成圓柱體，滾圓，平整，進(jìn)爐保溫約2h。

⑷將鍛坯放入專用旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)與漏盤組成的風(fēng)電主軸專用工裝，用上平板直接鐓粗圓柱體鍛坯，換上砧旋壓法蘭端至圖紙尺寸，然后帶模圈滾圓平整法蘭端外圓尺寸。將鍛坯出模，用專用長(zhǎng)沖頭置于法蘭端端面上，沖出通孔。嚴(yán)格控制沖孔位置和尺寸，確保沖孔尺寸質(zhì)量。鍛坯進(jìn)爐保溫≤1h。

⑸將專用芯棒置入鍛坯通孔，用上下V型砧拔長(zhǎng)小軸端，先從法蘭根部開始?jí)喊危_保第一趟拔長(zhǎng)壓下量≥20%，嚴(yán)格控制拔長(zhǎng)過程中的壓下量和進(jìn)給量，防止偏心，確保鍛件尺寸符合工藝圖紙，按圖紙鍛制成品。

⑹鍛后空冷至400℃左右，立刻進(jìn)爐均溫，按鍛后熱處理工藝進(jìn)行一次正火+一次回火，如圖2所示。

圖2 中空型風(fēng)電主軸鍛件鍛后空冷

⑺毛坯檢驗(yàn)合格后，按粗加工圖進(jìn)行外圓粗加工，在粗加工外圓尺寸時(shí)，需參考內(nèi)孔毛坯尺寸。外圓粗加工合格后，再對(duì)風(fēng)電主軸內(nèi)孔進(jìn)行內(nèi)孔粗鏜至圖紙尺寸，并做無損檢測(cè)。

⑻鍛件進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，并進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)、無損檢測(cè)以及相關(guān)理化檢測(cè)。

⑼按成品圖進(jìn)行精加工、噴涂、檢驗(yàn)合格，如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品精加工后噴涂階段

工藝分析優(yōu)點(diǎn)

⑴因采用新工藝，該鍛件工藝重量約22t，對(duì)比傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝重量節(jié)約6t原材料，節(jié)約了原材料使用量。且在生產(chǎn)過程中，因無需夾持大法蘭端，只需夾持專用芯棒，降低了對(duì)操作機(jī)設(shè)備的要求。綜合整體生產(chǎn)技術(shù)要領(lǐng)，按照該生產(chǎn)工藝生產(chǎn)該類大型風(fēng)電主軸，鍛造生產(chǎn)設(shè)備只需配備4000t以上壓機(jī)規(guī)模即可。采用此新工藝將大大降低了原材料成本和鍛造成本，提高了鍛造設(shè)備的適用性，并大大的提高了生產(chǎn)效率。

⑵采用此新工藝，通過芯棒拔長(zhǎng)，該鍛件的有效厚度降低至400mm左右，且該鍛件有效壁厚變化量減小。鍛后熱處理只需進(jìn)行一次正火+回火，便達(dá)到了晶粒細(xì)化和碳化物分布均勻化，去除了鍛件的內(nèi)應(yīng)力作用。此工序縮短熱處理保溫時(shí)間，降低了能耗，達(dá)到了節(jié)能增效的效果。

⑶因該鍛件需通過芯棒鍛造拔長(zhǎng)，通過第三火鍛造階段的沖通孔工序，能夠沖出鍛坯內(nèi)中心最差的組織部分，且通過芯棒拔長(zhǎng)，減少了有效壁厚，增強(qiáng)了對(duì)鍛件內(nèi)部缺陷的鍛合能力，并有效的改善偏析等缺陷。因筒形鍛件經(jīng)過鍛造拔長(zhǎng)后，具有更優(yōu)異的鍛造流線，其探傷合格率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)心軸類件，這些都大大提高了鍛件的無損檢測(cè)合格率，并提高了產(chǎn)品調(diào)質(zhì)后的機(jī)械性能。

⑷因鍛件內(nèi)孔為通孔，在粗加工過程中，大大減少了內(nèi)孔的加工工作量和工作時(shí)間，大大縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間，并節(jié)約了成本。

⑸因主軸鍛件內(nèi)孔為沖孔后拔長(zhǎng)鍛造而成，其內(nèi)孔非金屬夾雜物以及偏析等缺陷均少于采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的實(shí)心主軸內(nèi)孔。這些因素均大大降低了主軸在調(diào)質(zhì)過程中內(nèi)孔開裂的風(fēng)險(xiǎn)，并使調(diào)質(zhì)后產(chǎn)品具有更優(yōu)異的力學(xué)性能和組織均勻性。

工藝分析缺點(diǎn)

鍛造此主軸，生產(chǎn)技術(shù)難度較大，生產(chǎn)節(jié)奏緊張，需很好的操作熟練程度和生產(chǎn)班組的默契配合。并需嚴(yán)格控制鍛造生產(chǎn)過程中每個(gè)關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)，如加熱溫度、保溫時(shí)間、形變過程以及最終鍛件成品尺寸，避免因鍛件毛坯尺寸誤差較大增加后續(xù)鍛件機(jī)加工難度。

綜上所述，采用此新工藝，具有成本低、節(jié)能節(jié)材、產(chǎn)品性能優(yōu)異、合格率高、高效率、設(shè)備適用性廣等優(yōu)點(diǎn)。是值得企業(yè)推廣的創(chuàng)新型新技術(shù)、新工藝、新方法。

結(jié)束語(yǔ)

公司對(duì)兩種生產(chǎn)工藝經(jīng)過嚴(yán)格的分析，決定采用大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸的創(chuàng)新型工藝進(jìn)行試生產(chǎn)。為確保此新工藝的順利實(shí)施，充分挖掘了公司設(shè)備的最大生產(chǎn)潛能，重新設(shè)計(jì)優(yōu)化了生產(chǎn)專用工裝，嚴(yán)格制定詳細(xì)科學(xué)的生產(chǎn)流程和控制節(jié)點(diǎn)。嚴(yán)格控制制造過程中的冶煉、鍛造、熱處理、機(jī)加工、過程檢驗(yàn)等每個(gè)環(huán)節(jié)，確保大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸的創(chuàng)新型工藝的順利實(shí)施。

經(jīng)過試生產(chǎn)，成功的完成了大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸的鍛造以及后續(xù)生產(chǎn)工序，并通過了嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)?？偨Y(jié)出一套較成熟、完整的生產(chǎn)工藝。大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸的創(chuàng)新型工藝的研發(fā)成功，將為公司進(jìn)一步拓展大功率風(fēng)電主軸產(chǎn)品市場(chǎng)提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持和參考價(jià)值，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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