軸承滾道磨削過程中所要求的精度是至關(guān)重要的參數(shù)，旨在以最小的摩擦得到更長的零件壽命并降低能耗。在立式車磨復(fù)合機(jī)床上配置光學(xué)和磁編碼器，以幫助風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承的高精度生產(chǎn)。
汽車和火車的車輪、發(fā)電站的渦輪機(jī)和冰箱壓縮機(jī)等，這些設(shè)備所包含的零件都需要以最小的摩擦進(jìn)行回轉(zhuǎn)，而且往往會在嚴(yán)重的外部負(fù)荷下進(jìn)行。顯然，摩擦越小，越省能源。在每次的旋轉(zhuǎn)中軸承起到相當(dāng)大的作用，以減少摩擦和保證穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)。生產(chǎn)過程中各工序的要求都很高，尤其是軸承的最終形狀磨削以及超精加工的表面質(zhì)量。
適應(yīng)客戶
目前，風(fēng)電行業(yè)已經(jīng)成為科美騰重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域。“我們追隨客戶在新市場的發(fā)展，”科美騰首席執(zhí)行官托馬斯.卡爾森說道，“當(dāng)我們的客戶在風(fēng)力發(fā)電站領(lǐng)域進(jìn)行擴(kuò)張的時(shí)候，新類型的軸承是必需的。因此我們必須研發(fā)出新的機(jī)床以滿足他們的需要。”
在一個風(fēng)力發(fā)電站渦輪機(jī)組中軸承位于不同的部位，回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動葉片通過直徑約4m的軸承連接到渦輪軸。這個尺寸的軸承套圈由利雪平（Lidk?ping）VTG4000立式磨床磨削，使得材料在可選擇的磨削和車削組合加工下得到正確的輪廓外形。卡爾森強(qiáng)調(diào)這個工藝有多關(guān)鍵：“ 磨削工藝決定了滾道的精度能夠達(dá)到多少。這個精度決定了摩擦和發(fā)電的準(zhǔn)確性。優(yōu)質(zhì)磨削的軸承帶來的高精度輸出不僅僅使降低能耗成為可能，同時(shí)也提高了它們的可靠性。”
在強(qiáng)風(fēng)載荷應(yīng)力下，如果轉(zhuǎn)動葉片被放置到錯誤的軸上，將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，巨大的力量可以使葉片松脫，乃至發(fā)電站倒塌。
圖1 風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動葉片通過裝配直徑最大到4m的軸承連接到渦輪軸，
這個尺寸的軸承套圈由Lidk?ping VTG4000 立式磨床進(jìn)行加工
“調(diào)節(jié)葉片槳距是風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)最關(guān)鍵的功能之一，通過VTG4000調(diào)整機(jī)構(gòu)中的巨型軸承，能夠以通常只有小零件才能達(dá)到的精度級別進(jìn)行高精度的制造（圖1）。”KMT Lidk?ping 的首席設(shè)計(jì)師Eive Johansson說道，“ 機(jī)床結(jié)合了先進(jìn)的運(yùn)動系統(tǒng)，在關(guān)鍵軸上配置光學(xué)和磁性直線及角度編碼器以保證零件的形狀偏差小于1μm。”輪廓偏差是指所需要的輪廓的變化。在軸承的機(jī)加工業(yè)務(wù)中，Lidk?ping 的優(yōu)勢在于高速和高金屬去處率，這些優(yōu)勢促進(jìn)了整體生產(chǎn)力的提高。
定位和品質(zhì)
定位精度是非常重要的，與加工后的軸承品質(zhì)直接相關(guān)。在VTG4000之前，KMT公司的最大機(jī)床能夠涵蓋零件直徑最大到600mm，但是VTG4000加工的直徑超過4000mm，是最大風(fēng)力渦輪機(jī)軸承的尺寸，同時(shí)可提供良好的精度。
線性軸上的直線電機(jī)使得VTG4000快速、穩(wěn)固的靜壓導(dǎo)軌精度得以提升。伴隨靜壓導(dǎo)軌，壓力油注入到上下滑臺之間浮起上滑臺，形成一個幾乎無摩擦和高響應(yīng)的滑臺系統(tǒng)。“標(biāo)準(zhǔn)尺寸的機(jī)床，在軸上使用滾珠絲杠，維持約3μm的形狀偏差，”Johannson解釋道，“這個機(jī)床保持形狀偏差小于1μm， 進(jìn)給分辨率0.1μm。” 線性滑臺是Lidk?ping機(jī)床的核心，液體靜壓滑臺、氣密封和直線電機(jī)的結(jié)合產(chǎn)生了高剛性、高精度且免維護(hù)的系統(tǒng)。
變槳軸承允許風(fēng)力渦輪機(jī)葉片依據(jù)風(fēng)速優(yōu)化自身的角度或在大風(fēng)中產(chǎn)生失速條件，因此這類軸承的可靠性直接決定了效率和安全操作。多用途VTG4000被設(shè)計(jì)用來在單次設(shè)置后加工這類大型軸承，執(zhí)行兩個獨(dú)立工作頭的車削和磨削。兩個工作頭可根據(jù)需要重新布置，通常情況下進(jìn)行磨削/車削或磨削/磨削作業(yè)。機(jī)床4.5m的X軸支撐著零件相對側(cè)的兩個工作頭，允許磨削和車削刀具接近零件。VTG4000非常耐變形和熱變化，這是借助于嚴(yán)密控制液壓油和冷卻液溫度實(shí)現(xiàn)的。
圖2 磨削系統(tǒng)/左動柱使用直線電機(jī)驅(qū)動液體靜壓滑臺，配置直線電機(jī)、高分辨率編碼器、閉環(huán)伺服系統(tǒng)
“我們從1970年代開始使用液體靜壓滑臺取代滾動導(dǎo)軌（圖2），再將它們與直線電機(jī)進(jìn)行結(jié)合，這給我們帶來了更快、更高精度和更大的加/減速度，” 工廠經(jīng)理J?rgen M?ller說道，“ 當(dāng)你能用手指使25000kg的旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動時(shí)，你會意識到液體靜壓系統(tǒng)有多么出色。” 四個主要滑臺的運(yùn)動精度建立在Siemens直線電機(jī)配置全閉環(huán)反饋的高分辨率編碼器上。液體靜壓滑臺接近零摩擦并實(shí)現(xiàn)超高精度。
Johansson第一次看到編碼器最終安裝到VTG4000上是在2007年的EMO展覽會，Lidk?ping對傳感器經(jīng)過嚴(yán)格的測試。“我們比較了不同的光柵尺組裝到我們的滑臺上，并選擇了表現(xiàn)最出色的那個，” Johansson說道，“重要的是線性編碼器的連續(xù)長度至少要4.5m，且要具備很強(qiáng)的抗污染能力，雷尼紹（Renishaw）的SiGNUM系列是這些要求的最佳選擇。我們已經(jīng)將他們安裝到所有的四個直線滑臺，并且沒有出現(xiàn)任何問題。我們的回轉(zhuǎn)工作臺具有同樣的設(shè)計(jì)原理，配置液壓徑向和軸向軸承、空氣密封和力矩馬達(dá)。回轉(zhuǎn)工作臺的力矩馬達(dá)擁有一個高分辨率編碼器用于伺服閉環(huán)控制。我們做了同樣的分析并選擇了SiGNUM角度編碼器。”
編碼器同樣有助于設(shè)定磨削主軸角度，該功能再次利用靜壓/直線電機(jī)滑臺的超高精度，任何超出的角度將會在砂輪修整期間進(jìn)行微調(diào)。
雷尼紹的磁性角度編碼器安裝在磨頭的B軸上。這些編碼器暴露于機(jī)床環(huán)境的苛刻條件下，他們的非接觸式、非光學(xué)設(shè)計(jì)及IP68密封特征，確保它們免受冷卻液和切屑的影響。數(shù)字或模擬輸出LM10允許達(dá)到100m的行程及25m/s的高速運(yùn)動。
編碼器配置一個集成設(shè)置的LED，加速了安裝和更換的時(shí)間以用于復(fù)雜的設(shè)置環(huán)境或示波器。“雷尼紹編碼器最大的特點(diǎn)就是容易設(shè)置，分辨率高且經(jīng)久耐用。”Johansson補(bǔ)充道。
為了精確地將零件設(shè)置到機(jī)床的工作坐標(biāo)系，VTG4000使用雷尼紹RMP60無線信號傳輸接觸探針。毛坯零件安裝到機(jī)床上之后，RMP60從刀庫內(nèi)裝上，用來在數(shù)秒內(nèi)定位主要特征的準(zhǔn)確位置。
