风电法兰的研究

羽昂2012

一、        零件图工艺分析
1.        工件介绍
风电法兰为兰的一种，其焊接在塔筒和底座上，用于塔筒与底座的连接，相于其他法兰直径要大。应用于我国北部草原上，其具有耐30度低温的特性。其为连接件，有一定强度、韧性、屈服强度和抗拉伸强度等力学性能。此产品特点形状简单，无精度要求，要求法兰可配合使用，且能适应以上环境要求，能可靠的连接塔筒与底座。
2.        图纸分析
粗糙度6.3




图1.1
通过图纸可看出此工件属于圆环状零件，直径较大，高度小。此工件有规则表面构成，其有上表面、下表面（为平面），外圆表面、内圆表面，及孔构成。为规则零件。此图尺寸表达清晰，结构明显。结构合理，易于加工。由于此工件为批量生产，为流水线做业，相对成本较低。
二、        毛坯选择
考虑到此工件为大直径环状工件，应用于风电设备的连接，所处地域环境特殊，且使用时为焊接使用，所以要求有较好的综合力学性能，较好的耐低温性能，良好的焊接工艺性能和较好的耐腐蚀性。
故此选用的材料为Q345E钢材。Q345E钢材综合力学性能较好，焊接性能、冷热加工性能和耐蚀性能均好，具有良好的低温韧性。主要用于船舶，锅炉，压力容器，石油储罐，桥梁，电站设备，起重运输机械及其他较高载荷的焊接结构件。
由于此工件所需的力学性能较好，需要热处理和锻造，且在运输时要比较方便，在加工时节省材料适当的降低成本，所以选用直径为700毫米长度为1600毫米的Q345E钢材棒料。
三、        工艺路线设计
1.        加工方法
工件为环状，综合力学要求较高，需要热处理和锻造。毛坯为直径为700毫米长度为1600毫米的Q345E钢材棒料，需要下料，所以选用锯削来初步加工毛坯。由于工件需要有较好的力学性能，需要锻造，为了有利于锻造和获得较好的力学性能，所以先加热后在锻造。工件为环状，须要碾环，所以在锻造后冲孔使其可被碾环加工。在冲孔后为了使其容易被碾环加工和在碾环过程中防止工件出各种缺陷，使其再次回炉加热，使其有较好的加工性能。回炉加热后，工件在碾环机上加工。加工后由于工件内部会产生很大的应力，影响之后的加工，所以安排退应力去火来消除工件内部应力。工件形状成为了环形，直径很大，高度小，适于立车加工，在立车加工，工件基本成型，还有孔为加工，所以选用钻削，来夹攻控。孔加工完后工件成形，由于工件加工好后有尖角，需要倒角，采用钳工用手工倒钝。
现制定工件加工方案为锯削、加热、锻造、再次加热、碾环、去应力退火、车削、钻削、钳工倒角。
2.        加工阶段
由于此工件需要多种机械加工，所以以每种机械加工来划分加工阶段。加工阶段划分为锯削、加热、锻造、再次加热、碾环、去应力退火、车削、钻削，最后为钳工手工倒角。
在车削加工过程中，为了提高加工的效率，加工划分为粗加工上表面和外圆表面，精加工上表面和外圆表面，粗加工内圆表面和下表面，精加工内圆表面和下表面。
3.        加工顺序
由于工件与毛坯之间差异较大，且工件要求综合力学性能较好，所以加工顺序划分为下料（锯削）、加热、锻造、再次加热、碾环、去应力退火、车削、钻削、手工倒角。
车削加工过程中加工顺序划分为粗加工上表面和外圆表面，精加工上表面和外圆表面，粗加工内圆表面和下表面，精加工内圆表面和下表面。
4.        工序设计
4.1加工设备
○1锯削设备选择：
由于毛坯直径为700毫米
所以选用锯床GB42100

图4.1
锯削范围        圆　材        Φ1000mm
        方　材        1000×1000㎜
最小夹料尺寸        380mm
带锯条尺寸
        67×1.6×9500㎜
带锯条速度
        15-70m/min（变频调速）
电机功率        锯切电机        11KW
        油压电机        3.75KW
        冷却电机        0.25KW
        排屑电机        0.09KW
        送料电机        0.75KW
液压系统压力        5.5Mpa
工作台面高度        650㎜
锯床外形尺寸        4370×3015×2190㎜
锯床重量        9000㎏
电动送料架(3m)尺寸        1308×825×3000㎜
电动送料架(3m)重量        1500KG
油箱容量        100L
○2加热选择室势加热炉

图4.2
○3运输选用机械手

图4.3
○4锻造时选用5000T锻造液压机

图4.4
主要技术规格：
序号        项目        单位        数值
1        公称压制力        KN        50000
2        回程力        KN        2400
3        工作介质最大压力        Mpa        25
4        滑块最大行程
5        最大开口高度
6        滑块速度        空载下行
                工作
                回程
7        立柱中心距        左右
                前后
8        移动工作台移动速度
9        移动工作台尺寸
10        锻造偏心距
11        移动工作台承重
12        滑块行程控制精度
主要用途和特点：
本机主要用于圆盘类毛坏零件，环形类零件进行热自由锻工艺，及其它产品的热锻和热模锻。
本机的工作压力，行程均可根据工艺需要在规定的参数范围内调节。
本机具有独立的动力机构和电气系统，并采用按钮集中控制，可实现手动，半自动两种操作方式。本机操作灵敏简单，噪音小，压力稳定，具有下行快，回程快的特点，可以满足不同的生产工艺需要等特点。
本机可选配附件：
移动工作台       独立的冷却装置
缓冲冲裁装置     中孔装置
旋转工作台       行程，压力数显数控装置
打料装置         触模式工作显示屏
光电保护装置     PLG可编程控制器
○5再次加热选用室势加热炉（图4.2）
○6碾环选用D53K系列数控径－轴向辗环机

图4.5
    D53K系列数控径－轴向辗环机是一台机、电、液、仪一体化的数控设备，用该设备加工高质量的无缝环件是十分有效的方法，具有许多优良的工艺特性；主要用于轧制轴承环、齿圈、法兰、轮毂、薄壁桶形、风电法兰、高径法兰等锻件，可轧制碳钢、不锈钢、钛合金、铜合金、铝合金以及高温合金等材质环形件；目前在机械工业、石油化工业、纺织业、工程机械以及航空航天业等领域中得到了广泛的应用。  
○7去应力加热选用室势加热炉（图4.2）
○8车削选用车床CK5250-20/32

图4.6
主要规格与技术参数
1 最大车削直径                            5000mm
2 工作台直径                              3600mm
3 最大工件高度                            2000mm
4 工件最大重量                            32T
5工作台转速范围                           1.6-50r/min
            级数                           二级
6工作台最大扭矩                           80KN-m
7 垂直刀架行程                           
     右垂直刀架
            水平                            -20~2675mm
             垂直                            1250mm
      左垂直刀架
             水平                            -20~2675mm
              垂直                            1250mm
8 滑枕截面尺寸                               220*220mm
9 右垂直刀架最大切削力                        40KN
10 左垂直刀架最大切削力                       35KN
11 总切削力                                    63KN
12  刀方尺寸                                   50*50mm
13  刀架进给量范围                             0.1~500mm/min
              级数                             无级      
14  刀架快速移动速度                           
       右垂直刀架水平                          2000mm/min
右垂直刀架垂直                          2000mm/min
左垂直刀架水平                          2000mm/min
左垂直刀架垂直                          2000mm/min
15 横梁最大行程                                 2850mm
16 横梁升降速度                                 350mm/min
17 主电机功率（DC）                             75KW
18  机床重量（约）                              80t
19  机床外形尺寸（长*宽*高）                    9080*6000*8290
○9钻削选用为NCZ4000数控圆盘式双主轴钻铣床

图4.7
电气系统：
         1）802D  sl数控系统
         2）PP72/48输入/输出模块
         3）SINAMIC电机模块
         4）1FK7伺服电机
交流私服主轴单元：
在本机床中，采用的是超同步主轴伺服电机，其主要技术参数为：
         电机型号：    CTB-4013ZGD10-M5G
         额定功率：    13KW
其他控制装置：
在本机床中，除了主轴及进给轴的控制以外，还有冷却、机床导轨集中润滑等装置。
主轴松刀装置：
主轴松刀装置用于机床主轴送拉力，它主要有松刀按钮打刀缸、拉刀检测开关组成。
内冷装置
内冷装置用于零件加工时主轴中心喷出冷却液，左右主轴可分别控制。
机床导轨集中润滑装置：
集中润滑装置主要用于机床的导轨润滑。
液压装置
液压装置为Z轴，工件装夹，主轴松刀，C轴夹紧等提供液压动力。
机床厂制造商规定的辅助功能（M代码）如下 ：
代码        功能        代码        功能        代码        功能
M03        启动主轴旋转功能        M13        主轴1正传        M14        主轴1反转
M15        主轴1停止        M16        主轴1定向        M23        主轴2正传
M24        主轴2反转        M25        主轴2停止        M26        主轴2定向
M33        主轴同时正传        M34        主轴同时反转        M35        主轴同时停止
M12        C轴夹紧        M22        C轴放松               
M11        内冷1开        M21        内冷2开        M09        所有内冷关
M08        外冷开                               
M50        排屑开        M51        排屑关               
M52        工件夹紧        M53        工件松开               
M54        冲屑开        M55        冲屑关               
4.2工装
○1锯床加工
由于锯床上带有液压夹具，所以在锯床加工时采用的工装为锯床自带工装
刀具选用
根据锯床厂家的推荐选用德国进口锯带
量具选择
由于此加工为最初的下料加工，不要求太高精度，所以选用钢板尺
○2车床加工
夹具选择
由于车床加工时，毛坯被制作成了环状，由于环状工件局部不规则，且需要多次装夹，考虑成本采用四爪卡盘
刀具选择
为了提高加工效率，粗车采用120度车刀，由于粗加工属于一般车床加工，所以选用普通硬质合金车刀
在精车时，为了提高加工效率和保证车削表面质量及粗糙度，球头车刀的加工表面质量较好，所以选用球头车刀作为精加工道具
量具选择
由于工件直径为3.4米，而内孔与其差距不大，所以选用最大测量值为3500毫米的游标卡尺。高度较小，为100毫米，选用150毫米游标卡尺就可以满足要求。由于工件需要多次装夹，需要调整工件与转台的同心度来保证加工质量，选用百分表
由于卡抓之间夸距较大，在车削过程中不稳定，在吃刀过程中容易发颤，影响加工质量，所以加12个垫块
○3钻床加工
钻床转台上带有厂家为产品设计的专用液压自定心夹具，所以工装为钻床上专用工装
刀具选择
根据钻床厂家推荐，采用肯纳刀具，直径3.8
量具选择
由于是大体测量空的位置，所以量具选择游标卡尺
4.3数学处理
根据工件体积计算毛坯下料尺寸
车削后工件体积为
A＝(3400÷2)×(3400÷2)×3.14×100－(3200÷2)×(3200÷2)×3.14×100
＝907460000－803840000
＝103620000
锻造时下料为
B＝（50÷2）×（50÷2）×3.14×15
＝2884875
总体积为
C＝103620000+2884875
＝106504875
由于在热处理是会损失3%～5%
下料体积为
D＝106504875×109%
＝116090313.75
下料长度为
h＝116090313.75÷（700÷2）÷（700÷2）÷3.14
＝301.80765306122448979591836734694
≈302
锯床下料长度为302
切削用量：
1. 粗圆柱面
1）进给量 f  根据《手册》表8-58（P380），当刀杆尺寸为40mm*40mm，ap=10mm,工件直径为3400mm时
f=0.8-1.2mm/r
取f=0.8mm/r
2）计算切削速度  根据《手册》表8-60（P381），切削速度的计算公式为（寿命选60T）
Vc=CV*KV/(Tmapxfy)m/min
其中：CV=158, x=0.15, y=0.40, m=0.20。修正系数见《手册表》8-617。至表8-69，即
KMv=1.44, ksv=0.8, kkv=1.04, kkrv=0.81, kBv=0.9
所以         vc=158*1.44*0.8*1.04*0.81*0.97/(600.2*10.15*0.80.40)
              =71.85(m/min)
3) 确定机床主轴转速
ns=1000vc/(Лd)=1000*71.85/(3.14*3400)=7(r/min)
4)切削工时   根据《手册》表8-56（P379）
切削用量：
1. 粗圆柱面
1）进给量 f  根据《手册》表8-58（P380），当刀杆尺寸为40mm*40mm，ap=10mm,工件直径为3400mm时
f=0.5-1.2mm/r
取f=0.5mm/r
2）计算切削速度  根据《手册》表8-60（P381），切削速度的计算公式为（寿命选60T）
Vc=CV*KV/(Tmapxfy)m/min
其中：CV=158, x=0.15, y=0.40, m=0.20。修正系数见《手册表》8-617。至表8-69，即
KMv=1.44, ksv=0.8, kkv=1.04, kkrv=0.81, kBv=0.9
所以         vc=158*1.44*0.8*1.04*0.81*0.97/(600.2*10.15*0.80.40)
              =120(m/min)
3) 确定机床主轴转速
ns=1000vc/(Лd)=1000*120/(3.14*3400)=12(r/min)
4)切削工时   根据《手册》表8-56（P379）
4.4切削用量
粗车上表面时
背吃刀量：10毫米
切削速度：55米每分钟
进给量：1毫米每分钟
粗车外圆表面时
背吃刀量：10毫米
切削速度：55米每分钟
进给量：1毫米每分钟
精车上表面时
背吃刀量：1毫米
切削速度：130米每分钟
进给量：0.5毫米每分钟
精车外圆表面时
背吃刀量：1毫米
切削速度：130米每分钟
进给量：0.5毫米每分钟
粗车下表面时
背吃刀量：10毫米
切削速度：55米每分钟
进给量：1毫米每分钟
粗车内圆表面时
背吃刀量：10毫米
切削速度：55米每分钟
进给量：1毫米每分钟
精车下表面时
背吃刀量：1毫米
切削速度：130米每分钟
进给量：0.5毫米每分钟
精车内圆表面时
背吃刀量：1毫米
切削速度：130米每分钟
进给量：0.5毫米每分钟
钻削时
根据机床厂商给定数据为
背吃刀量：3.3毫米
切削速度：120米每分钟
进给量：200毫米每分钟
5.填写工艺卡片
邢台职业技术学院机电系        机械加工工艺卡        产品名称
         风电法兰        图   号         
                                       
                零件名称                共 1页        第 1 页
毛坯种类        圆 钢        材料牌号
        Q345E        毛坯尺寸        ￠700mm×16000mm
序号        工种        工步        工 序 内 容        设备        工       具
                                        夹 具        刀 具

1        下料              1        ￠700mm×302mm          锯床                  德国锯条
2        加热        2         室温加热到800摄氏度（加热时间大约为2小时），保温3小时（使组织全部升温到800摄氏度）
加热到1250摄氏度（加热时间大约为2小时），保温5小时（使组织全部升温到800摄氏度）

        室势加热炉       

       
3         锻造        3         锻压到150毫米、冲500毫米的空       
5000T锻造液压机
                 
4         再次加热        4        加热到1250摄氏度保温1小时        室势加热炉               
5         碾环        4         根据数控操作辅助调节各轧辊压力        D53K系列数控径－轴向辗环机
               
6          去应力加热        6        加热到600摄氏度保温4小时         室势加热炉                
7
车削         7                 车床CK5250-20/32                  
        粗车上表面时、外圆表面时                 车削
粗车上表面、外圆表面
背吃刀量：10毫米
切削速度：55米每分钟
进给量：1毫米每分钟
转速：5转每分钟
加工余量为1毫米                 四爪卡盘
        90度硬质合金车刀
        精车上表面时、外圆表面时                 精车上表面、外圆表面
背吃刀量：1毫米
切削速度：130米每分钟
进给量：0.5毫米每分钟
转速：12转每分钟
车削加工到要求尺寸                        球头车刀
        粗车下表面时、内圆表面时                 车削
粗车上表面时
背吃刀量：10毫米
切削速度：55米每分钟
进给量：1毫米每分钟
转速：5转每分钟
加工余量为1毫米                         90度硬质合金车刀
        精车下表面时、内圆表面时                 精车下表面、内圆表面
背吃刀量：1毫米
切削速度：130米每分钟
进给量：0.5毫米每分钟
转速：12转每分钟
车削加工到要求尺寸                        球头车刀
8
钻削         8        钻孔
背吃刀量：3.3毫米
切削速度：120米每分钟
进给量：200毫米每分钟
转速：1000转每分钟
        NCZ4000数控圆盘式双主轴钻铣床        液压自定心夹具        肯纳刀具直径3.8
9         倒角        9        手工倒角                          
6.程序
6.1精车上表面
精加工表面上表面程序
程序  JGBM1
G54G90S12
G0X3404Z-1
G1X3196F0.5
G0Z10
X3800Z100
M05
M30
6.2精车外圆表面
精加工外表面程序
程序  JGWBM
G57G90S12
G0X3400Z2
G1Z-102F0.5
G0X3410
Z200
X3800
M05
6.3精车下表面
精加工表面下表面程序
程序  JGBM2
G56G90S12
G0X3404Z-1
G1X3196F0.5
G0Z10
X3800Z100
M05
M30
6.4精车内圆表面程序
精加工内表面
程序  JGNBM
G55G90S12
G0X3200Z2
G1Z-102F0.5
G0X3190
Z200
X3800
M05
6.5钻孔
主程序ZCJG
G54G90S1200M03M33
GOX1=-50X2=-50Y1=10Y2=10
Y1=2Y2=2
L10 P120
G90GOX1=200X2=200Y1=200Y2=200
M35
M02
子程序L10
G91
M12(C轴加紧)
G4F3(延时三秒)
M11M21(打开内冷1、内冷2)
G1Y1=-105Y2=-105F200
G0Y1=105Y2=105
M09(内冷关)
M22(C轴放松)
G4F3（延时三秒）
G0C1=3(C轴转动3度)
M2

zhanghonglian

我们也做风电法兰  但碾环后不是退火   而是正火

dc永恒之心

要冲500的孔，这么大？怎么减小余量啊？

ytrewq1111

这一领域的竞争已达白热化，LZ好大方

闫鹏程

需要控制正火后的冷却速度

luomateng

需要控制正火后的冷却速度

feathers1022

謝謝樓主的分享,很實用

sdhyjd

zhanghonglian 发表于 2011-12-14 13:48
我们也做风电法兰  但碾环后不是退火   而是正火

和塔筒或者底座焊接完成后你们也进行消除应力处理吗

燕山童话

我怎么看不到图？