基于热变形的风电机组轴系零件加工表面残余应力控制

Some important component in wind energy source such as bearings, drive shafts, rim are easy to produce fatigue failure due to they undergo alternate stress and thermal load in working process.In this project,a new method is put forward to control surface residual stress state by cutting program based on workpiece preheating deformation.The key of this method is to reduce temperature different between cutting surface and internal,which substrate to produce mechanical and thermal shrinkage stresses to form a surface residual compressive stress on the machined surface after cutting.The project intends to establish mathematical model about thermal deformation under cutting conditions,investigate the science issue of residual stress control and forecasting under the cooperative action of cutting temperature,force,deformation and other factors through adopt grey theory and wavelet analysis method. The research content include the effect mechanism of workpiece thermal deformation on residual stress, thermal-force coupling,adaptive control of heating temperature,nonlinear relationship between temperature and residual stress,topology optimization of heating modality , machining precision and shape error, dimensional stability of part and optimization of cutting process parameters. The preliminary research results show that the methods is available to obtain machined surface residual compressive stress, which can improve the surface quality of parts and service life and take full advantage of energy and resources.

绿色新能源风能领域的传动齿轮、轴承及轮毂等重要构件工作时承受热载荷和交变应力，易产生疲劳破坏。针对风电机组中的核心部件齿轮、轴承等本项目提出通过工件预热变形来控制加工表面残余应力状态的切削方案。该方法的关键是减少切削表面与工件内部的温差，切削后使基体对加工表面产生机械和热收缩应力，从而形成加工表面残余压应力。项目拟建立热变形条件下的切削数学模型，基于灰色理论和小波分析法研究切削温度、力、变形等因素协同作用下加工表面残余应力控制和预报的科学问题。内容包括研究工件热变形对残余应力的影响机制，热力耦合模型和效应、加热温度的自适应控制、温度变化与残余应力之间的非线性映射关系，加热形式的拓扑优化、形状、尺寸稳定性以及切削工艺参数优化等。前期研究结果表明该方法可获得加工表面残余压应力，能提高零件的表面质量和使用寿命，实现节能和资源充分利用。

风能作为现今重要的新型清洁能源，世界各国争相发展，汽车、高铁和新能源风能等领域的传动齿轮、轴承、轮毂等重要构件工作时承受交变应力和热载荷，易产生疲劳破坏，如作为风能动力装置的齿轮箱，由于气流的不稳定性，导致齿轮箱长期处于复杂的交变载荷下工作。齿轮失效是齿轮箱发生故障的主要原因，本项目“基于热变形的风电机组轴系零件加工表面残余应力控制”（No.51375101）针对轴承圈易出现疲劳破坏提出采用预加热硬态切削加工轴承外表面的方法，以实现获得较好的加工表面质量来提高轴承圈的使用寿命。.该方法的关键是减少切削表面与工件内部的温差，切削后使基体对加工表面产生机械和热收缩应力，从而形成加工表面残余压应力。内容包括研究工件热变形对残余应力的影响机制，热力耦合模型和效应、加热温度的自适应控制、温度变化与残余应力之间的非线性映射关系，加热形式的拓扑优化、形状、尺寸稳定性以及切削工艺参数优化等。普通硬态切削和加热切削试验结果表明，将工件内圈预先加热到160℃时进行硬态切削加工，有助于降低加工表面的粗糙度，由于内圈加热降低了轴承圈内外表面的温度差，加工后的表面残余应力显著降低，其值可达-50Mpa，加工得到的表面纹理清晰，形貌光滑、规整，刀具进给运动轨迹清晰；加热切削得到的是均匀的锯齿形切屑，并且切屑形态呈螺旋状，与普通硬态切削相比，加热切削过程较为平稳，说明加热切削可获得良好的表面完整性，且不会引来额外的加工硬化。.本项目的研究成果如加热温度和表面残余应力的对应关系、优化的工艺参数对表面粗糙度的影响规律以及齿轮表面质量状态对齿轮的疲劳寿命及耐用度的影响等，通过学术论文和知识产权形式呈现，并与相关企业合作，将研究成果应用于企业的各种型号风电轴承的加工制造过程，如主轴轴承、偏航轴承、变桨轴承等的内外套圈的精密加工，研究成果可使轴承的耐用度提高约25%，增加了经济效益，并使风电机组轴承的国产化程度大大提高。