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摘要：如今，能源短缺、环境污染等问题给人们带来了非常多的困扰，甚至已经成为了人们急需解决的重要问题。而且随着工业和经济的发展，环境污染的问题越来越严重，风能发电是一种可再生的清洁能源，现在为了解决能源和环境问题，我国正在大力的提高风电设备的技术能力。本文介绍了用于加工大型风力发電机风电轮毂的工艺以及夹具的设计进行了研究，希望能为广大的相关工作者提供一些参考依据。
关键词：风电设备；轮毂；数控；加工工艺；夹具；分析
一、夹具的分类
一般情况下，机床夹具可以被分为几个大类，第一是通用的夹具，它的结构和尺寸都已经规范化，而且具有一定的通用性。其可以在一定的范围内加工不同的工件，比如车床上的三爪卡盘等等。第二种是专用夹具，这种夹具是转为某一工件的某道工序的加工而设计的夹具。在产品相对比较稳定，而且生产量非常大的生产当中，会产用专用的夹具。因为这样可以在一定程度上提高生产率以及加工的精度。而且其还具有操作方便、快捷等优势。第三种是通用可调夹具，这种夹具主要用来针对专用夹具和通用夹具的缺点而发明的。不同类型和尺寸的工件只需要换一个元件便可以使用。第四种是组合夹具，它指按照某一工件的工序的加工要求，并且事先准备好的标准元件和部件所组成的专用夹具。它也被称为是模块化的夹具。它的元件具有非常高的精度和耐磨性，可以进行拆卸和组成，装成各种不同的夹具。最后一种是自动线夹具，它和专用夹具有非常多的共同之处，而且它也可以随着工件一起运动，并且将工件沿着自动线从一个工位移动到另外一个工位，从而实现高精度的加工。
二、MW风电机轮毂数控加工工艺
（一）风电机轮毂外形结构
图1：风电机轮毂外形结构图
风力发电机的外形如图1所示，其加工面非常多，结构比较复杂，大约有26个面需要加工。而且其有很多里面大、外面小的同轴阶梯孔。需要钻孔的孔数非常多（大约有三四百个），而且尺寸的位置也有所不同。此外，风电机轮毂的体积非常庞大，整体体积为1.5立方米。如果包含了内部空间，那么则为9.8立方米。而且它也非常重，它的材质是球墨铸铁，密度是7932千克＼立方米，最大的孔口直径可以达到2.2米，重量达到了12吨。
（二）风电机轮毂加工的要求
这个风电机轮毂非常的重，而且体积庞大，形状和结构也比较复杂，所以图纸加工要求比较高。加工的时候也要注意很多的问题，它的加工位置和相关的技术参数是这样的，中心转轴孔 、 以及每一个孔的端面和端面上的小螺纹孔。在这其中，两孔的垂直度为0.05mm，同轴度为0.05mm，孔精度H7。而且还需要去除各个孔端面上的粗糙度。
（三）加工的方案一
整个风电机轮毂呈现出放射对称装，而且多面都待加工所以呈平面状。第一要利用专用的工装夹具，将风电机轮毂夹进花盘上面，然后用卧式车来加工这个轮毂工件的各个面，最后工作人员用摇臀钻进行钻孔和攻丝。
但是，这个方案有一定的缺陷，那就是没有充分考虑风电机轮毂的特点，因为风电机轮毂尺寸非常大，而且特别重。所以如果是采用比较大的卧式车来对风电机轮风电机轮毂进行加工，仅仅只用工装夹具将风电机轮风电机轮毂固定于花盘当中，就会使悬伸太长，这是因为工件的尺寸非常大。此外，为了加工中心轴孔面和其端面，需要使用几种不同的工装夹具。这会带来一些问题，比如更换夹具需要耗费更多的人力和劳力，而且会增加设备投入。所以这个方案不能对桨叶安装孔内部的凸台平面进行安装。
（四）方案二
方案二仍然使用工件旋转、刀具不转的方式，采用夹具将风电机轮毂夹在花盘上，并且使用立式车床来对轮毂工件进行加工。加工的方案是这样的，1，用立式车床加工风电机毂的中心轴孔面以及其端面，把风电机轮毂的中心轴垂直与花盘的方式固定在立式车床的花盘当中，而且要使风电机轮毂中心轴孔和花盘在同一个位置上。2，用立式车床加工风电机轮毂的桨叶安装孔端面：将风电机轮毂以中心轴平行于花盘的方式固定在立式车床的花盘上，从而使风电机轮毂转动起来。3，用立式车床加工风电机轮毂耳状结构上的变浆电机安装孔和端面，要把风电机轮毂以中心轴平行于花盘的方式夹在立式车床的花盘中，而且需要在此基础上沿着花盘径向平移700多米，这样可以使风电机轮毂的变浆电机安装孔和花盘处在同轴的位置上。另外，还必须使花盘的转动非常稳定。
三、静力分析
（一）材质
这个风电机轮毂工件的材质是QT450-10，但是在cosmosworks软件当中的材质库里，没有找到QT450-10。所以，需要在cosmosworks软件里重新定义一个新的材质，将这个材质命名为QT450-10。然后再从《金属材料手册》中查到的一些参数输入到cosmosworks软件当中。
（二）约束和荷载
所谓的约束，指的是把轮毂工件当中的 1006中心轴孔和端面设置为完全的约束。而荷载则指的是将轮毂工件放入到夹具当中，使轮毂受到夹具的各种作用和压力。
（三）划分网格
必须对网格进行划分，划分的越细，单元格也就越小，网格数也就越多。这样一来会增加一部分计算量。为了更加科学、准确的进行计算，需要对受力复杂的地方进行干预和控制。可以采用cosmosworks软件提供的网格控制，将网格定位为实体网格。其单元大小为40.3527mm，公差则为2.03352mm，其网格的品质为高。在确认了之后，cosmosworks软件会将车削头三维模型划分为965881个节点，323412个单元。
施加了约束和载荷，并且划分了网格之后，轮毂工件的有限元离散模型如图2所示。
图2：轮毂工件施加约束和载荷，并且划分网格之后
（四）静力分析
cosmosworks软件提供了几种不同的解算器选项，1，自动，2，Direct Sparsc，FFEPLus。 cosmosworks软件会根据选项、算例以及条件等自动的选择解算器。由于FFEPLus解算器使用的是矩阵排列方式，所以解决问题的效率非常高。也因此，可以选用FFEPLus解算器来进行静力分析。 （五）频率分析
在 cosmosworks软件当中，需要定义一个新的算例，将频率分析作为分析的类别。频率分析和静力分析相似，在进行了约束和载荷之后，要划分网格，进行计算和分析。通过这样的方式可以得到前面10个共振模式。共振模式是有害的，它不但能够对加工的精度造成影响，而且还能威胁到工作人员的安全。
四、结果分析
通过上面的静力分析和频率分析之后，得出了这样的结论。第一，轮毂工件在夹具的作用下，会产生变形的现象。而且也会对加工的精度产生不利影响。所以，加工的时候需要将粗加工、精加工和半精加工进行分类。而且每一个不同的阶段都要采用不同的夹具，这样才能避免夹持力对加工效果造成影响。第二，加工设备在对轮毂工件削切的时候，也就是相当于对轮毂工件一个周期性的作用力。假如加工设备的策动频率和轮毂工件的共振频率相同时，那么就可能造成极大的危险事故。所以，在确定削切量的时候，必须和专用刀具、轮毂工件相避开。
五、总结与体会
当前，人们已经意识到保护资源的重要性，所以风能发电也得到了一定的应用。只有对风电轮毂数控加工工艺进行了科学的研究，制定一系列经济、实惠的生产方式，才可能发挥出设备的作用，并且提高风能发电的效率。
参考文献：
[1]凌玮 于能浦 王亚东.3MW风电轮毂数控加工工艺及夹具设计[J].机床与液压，2013，41（20）：26-29，37.
[2]于赟 李小平 臧金平 徐贵宝.基于铸造CAE的风电轮毂的铸造工艺设计[J].铸造，2011，60（6）：599-601，603.
[3]张平 刘建彪.华铸CAE在风电轮毂球墨铸铁件上的应用[J].金属加工：热加工，2012（7）：76-77.
[4]刘佳 曲迎东 李荣德 马广辉 白彦华 姜珂 邱克强 尤俊华 王瑞春.兆瓦级风电轮毂球铁高周疲劳寿命研究[J].铸造，2012，61（5）：461-463，470.
[5]周君恒.关于风电轮毂检测方法的探讨[J].商情，2012（41）：164-164.
[6]陈佳荣 陈开来 任颂赞 蒋毓良 吴铁明.风电轮毂用低温球墨铸铁的疲勞性能研究[J].热处理，2013（2）：31-35.
关键词：风电设备；轮毂；数控；加工工艺；夹具；分析
一、夹具的分类
一般情况下，机床夹具可以被分为几个大类，第一是通用的夹具，它的结构和尺寸都已经规范化，而且具有一定的通用性。其可以在一定的范围内加工不同的工件，比如车床上的三爪卡盘等等。第二种是专用夹具，这种夹具是转为某一工件的某道工序的加工而设计的夹具。在产品相对比较稳定，而且生产量非常大的生产当中，会产用专用的夹具。因为这样可以在一定程度上提高生产率以及加工的精度。而且其还具有操作方便、快捷等优势。第三种是通用可调夹具，这种夹具主要用来针对专用夹具和通用夹具的缺点而发明的。不同类型和尺寸的工件只需要换一个元件便可以使用。第四种是组合夹具，它指按照某一工件的工序的加工要求，并且事先准备好的标准元件和部件所组成的专用夹具。它也被称为是模块化的夹具。它的元件具有非常高的精度和耐磨性，可以进行拆卸和组成，装成各种不同的夹具。最后一种是自动线夹具，它和专用夹具有非常多的共同之处，而且它也可以随着工件一起运动，并且将工件沿着自动线从一个工位移动到另外一个工位，从而实现高精度的加工。
二、MW风电机轮毂数控加工工艺
（一）风电机轮毂外形结构
图1：风电机轮毂外形结构图
风力发电机的外形如图1所示，其加工面非常多，结构比较复杂，大约有26个面需要加工。而且其有很多里面大、外面小的同轴阶梯孔。需要钻孔的孔数非常多（大约有三四百个），而且尺寸的位置也有所不同。此外，风电机轮毂的体积非常庞大，整体体积为1.5立方米。如果包含了内部空间，那么则为9.8立方米。而且它也非常重，它的材质是球墨铸铁，密度是7932千克＼立方米，最大的孔口直径可以达到2.2米，重量达到了12吨。
（二）风电机轮毂加工的要求
这个风电机轮毂非常的重，而且体积庞大，形状和结构也比较复杂，所以图纸加工要求比较高。加工的时候也要注意很多的问题，它的加工位置和相关的技术参数是这样的，中心转轴孔 、 以及每一个孔的端面和端面上的小螺纹孔。在这其中，两孔的垂直度为0.05mm，同轴度为0.05mm，孔精度H7。而且还需要去除各个孔端面上的粗糙度。
（三）加工的方案一
整个风电机轮毂呈现出放射对称装，而且多面都待加工所以呈平面状。第一要利用专用的工装夹具，将风电机轮毂夹进花盘上面，然后用卧式车来加工这个轮毂工件的各个面，最后工作人员用摇臀钻进行钻孔和攻丝。
但是，这个方案有一定的缺陷，那就是没有充分考虑风电机轮毂的特点，因为风电机轮毂尺寸非常大，而且特别重。所以如果是采用比较大的卧式车来对风电机轮风电机轮毂进行加工，仅仅只用工装夹具将风电机轮风电机轮毂固定于花盘当中，就会使悬伸太长，这是因为工件的尺寸非常大。此外，为了加工中心轴孔面和其端面，需要使用几种不同的工装夹具。这会带来一些问题，比如更换夹具需要耗费更多的人力和劳力，而且会增加设备投入。所以这个方案不能对桨叶安装孔内部的凸台平面进行安装。
（四）方案二
方案二仍然使用工件旋转、刀具不转的方式，采用夹具将风电机轮毂夹在花盘上，并且使用立式车床来对轮毂工件进行加工。加工的方案是这样的，1，用立式车床加工风电机毂的中心轴孔面以及其端面，把风电机轮毂的中心轴垂直与花盘的方式固定在立式车床的花盘当中，而且要使风电机轮毂中心轴孔和花盘在同一个位置上。2，用立式车床加工风电机轮毂的桨叶安装孔端面：将风电机轮毂以中心轴平行于花盘的方式固定在立式车床的花盘上，从而使风电机轮毂转动起来。3，用立式车床加工风电机轮毂耳状结构上的变浆电机安装孔和端面，要把风电机轮毂以中心轴平行于花盘的方式夹在立式车床的花盘中，而且需要在此基础上沿着花盘径向平移700多米，这样可以使风电机轮毂的变浆电机安装孔和花盘处在同轴的位置上。另外，还必须使花盘的转动非常稳定。
三、静力分析
（一）材质
这个风电机轮毂工件的材质是QT450-10，但是在cosmosworks软件当中的材质库里，没有找到QT450-10。所以，需要在cosmosworks软件里重新定义一个新的材质，将这个材质命名为QT450-10。然后再从《金属材料手册》中查到的一些参数输入到cosmosworks软件当中。
（二）约束和荷载
所谓的约束，指的是把轮毂工件当中的 1006中心轴孔和端面设置为完全的约束。而荷载则指的是将轮毂工件放入到夹具当中，使轮毂受到夹具的各种作用和压力。
（三）划分网格
必须对网格进行划分，划分的越细，单元格也就越小，网格数也就越多。这样一来会增加一部分计算量。为了更加科学、准确的进行计算，需要对受力复杂的地方进行干预和控制。可以采用cosmosworks软件提供的网格控制，将网格定位为实体网格。其单元大小为40.3527mm，公差则为2.03352mm，其网格的品质为高。在确认了之后，cosmosworks软件会将车削头三维模型划分为965881个节点，323412个单元。
施加了约束和载荷，并且划分了网格之后，轮毂工件的有限元离散模型如图2所示。
图2：轮毂工件施加约束和载荷，并且划分网格之后
（四）静力分析
cosmosworks软件提供了几种不同的解算器选项，1，自动，2，Direct Sparsc，FFEPLus。 cosmosworks软件会根据选项、算例以及条件等自动的选择解算器。由于FFEPLus解算器使用的是矩阵排列方式，所以解决问题的效率非常高。也因此，可以选用FFEPLus解算器来进行静力分析。 （五）频率分析
在 cosmosworks软件当中，需要定义一个新的算例，将频率分析作为分析的类别。频率分析和静力分析相似，在进行了约束和载荷之后，要划分网格，进行计算和分析。通过这样的方式可以得到前面10个共振模式。共振模式是有害的，它不但能够对加工的精度造成影响，而且还能威胁到工作人员的安全。
四、结果分析
通过上面的静力分析和频率分析之后，得出了这样的结论。第一，轮毂工件在夹具的作用下，会产生变形的现象。而且也会对加工的精度产生不利影响。所以，加工的时候需要将粗加工、精加工和半精加工进行分类。而且每一个不同的阶段都要采用不同的夹具，这样才能避免夹持力对加工效果造成影响。第二，加工设备在对轮毂工件削切的时候，也就是相当于对轮毂工件一个周期性的作用力。假如加工设备的策动频率和轮毂工件的共振频率相同时，那么就可能造成极大的危险事故。所以，在确定削切量的时候，必须和专用刀具、轮毂工件相避开。
五、总结与体会
当前，人们已经意识到保护资源的重要性，所以风能发电也得到了一定的应用。只有对风电轮毂数控加工工艺进行了科学的研究，制定一系列经济、实惠的生产方式，才可能发挥出设备的作用，并且提高风能发电的效率。
参考文献：
[1]凌玮 于能浦 王亚东.3MW风电轮毂数控加工工艺及夹具设计[J].机床与液压，2013，41（20）：26-29，37.
[2]于赟 李小平 臧金平 徐贵宝.基于铸造CAE的风电轮毂的铸造工艺设计[J].铸造，2011，60（6）：599-601，603.
[3]张平 刘建彪.华铸CAE在风电轮毂球墨铸铁件上的应用[J].金属加工：热加工，2012（7）：76-77.
[4]刘佳 曲迎东 李荣德 马广辉 白彦华 姜珂 邱克强 尤俊华 王瑞春.兆瓦级风电轮毂球铁高周疲劳寿命研究[J].铸造，2012，61（5）：461-463，470.
[5]周君恒.关于风电轮毂检测方法的探讨[J].商情，2012（41）：164-164.
[6]陈佳荣 陈开来 任颂赞 蒋毓良 吴铁明.风电轮毂用低温球墨铸铁的疲勞性能研究[J].热处理，2013（2）：31-35.