Im Bereich der Windenergieanlagen ist die Hauptwelle mit einem Durchmesser von 300–500 mm als zentrales Bauteil der Getriebetechnik einer Windturbine von entscheidender Bedeutung. Die Rundheit des Wellenhalses (maximal zulässig ≤ 0,02 mm) und die Zylindrizität der Lagerstelle (≤ 0,015 mm) bestimmen direkt die Zuverlässigkeit des 20-jährigen Betriebszyklus der Anlage. Bei einem führenden Hersteller von Windenergieanlagen tritt beim Bearbeiten dieser Art von Spindeln aus gehärtetem und temperiertem 42CrMo-Stahl ein Engpass in der herkömmlichen Fertigungstechnik auf: Es sind drei Prozesse notwendig – „Runddrehmaschine für die Vorbearbeitung → Stationäre Bohrmaschine für die Halbfeinbearbeitung → Außenrundschleifmaschine für die Feinschleifung“. Mehrfaches Spannen führt dazu, dass die Koaxialität der Lagerstelle 0,05–0,08 mm überschreitet, und die Temperaturerhöhung im Lager während des Anlagenbetriebs über 45 °C ansteigt (zulässiger Wert ≤ 40 °C), wobei der Einzelstück-Bearbeitungszyklus bis zu 16 Stunden beträgt. Gleichzeitig weist der gehärtete und temperierte Stahl (Härte 280–320 HB) einen hohen Schneidewiderstand auf, wodurch die Standzeit herkömmlicher Schneidwerkzeuge nur bei 3–4 Werkstücken pro Schneidkante liegt. Die Kosten für die Schneidwerkzeuge pro Spindel übersteigen 3000 Yuan.
Um dieses Dilemma zu überwinden, hat das Unternehmen die schwere Werkzeugmaschine VTC70 aus Wuhan eingeführt – eine CNC-Vertikaldrehmaschine, um ein exklusives Fertigungssystem für Spindeln nach dem Prinzip „schwerer Rigid-Machining + vollständiger Prozess in einer Aufspannung“ aufzubauen. Die Anlage verfügt über einen geschlossenen Bettkörper aus Gussharzsandguss (Gewicht der Gusskonstruktion 80 Tonnen), der einer doppelten Spannungsrelaxation unterzogen wurde – „natürliche Alterung über 24 Monate + Schwingungs-Entspannung über 120 Stunden“ – und ist mit Hydrostatikführungen (Tragfähigkeit ≥ 300 kN) ausgestattet. Durch Finite-Elemente-Analyse wurde die strukturelle Steifigkeit optimiert. Die radiale Schneidsteifigkeit erreicht 55 kN/mm und kann somit stabil eine radiale Kraft von 35 kN beim Zerspanen von 42CrMo aushalten. Ausgestattet mit dem Fanuc 31i-B5 CNC-System und dynamischer Laserinterferometer-Kompensation (Positionierungsgenauigkeit kompensiert auf ± 0,005 mm) sowie einem taktilen Messarm (Messgenauigkeit ± 0,002 mm) wird eine präzise Kontrolle der Zylindrizität der Lagerposition ≤ 0,01 mm erreicht. Im Hinblick auf die Bearbeitungsanforderungen von hochfestem Stahl verfügt die Maschine über eine 18,5-kW-Hochleistungsspindel (maximale Drehzahl 1000 min⁻¹) und ein Hochdruck-Innenkühlsystem (Kühlungsdruck 1,5 MPa), kombiniert mit ultrafeinen CBN-Schneidplatten (Härte HV3500), wodurch Werkzeugverschleiß effektiv unterdrückt wird.
Kundennutzungsszenarien
In Bezug auf technologische Innovation hat die Ausrüstung einen doppelten Durchbruch bei der „Prozessintegration + kontinuierlichen Präzisionssteuerung“ in der Spindelbearbeitung erzielt: Integration eines hydraulischen Vier-Backen-Spannfutters mit Φ 800 mm (Spannkraft 300 kN), eines 8-Stationen-Revolverkopfes (Werkzeugwechselzeit 1,5 Sekunden) und eines Planfräskopfes, wodurch in einem Arbeitsgang die Präzisionsdrehung des Spindelhalses (Rundheit ≤ 0,015 mm), die Präzisionsbohrung der Lagerposition (Zylindrizität ≤ 0,01 mm), das Fräsen der Flanschoberfläche (Ebenheit ≤ 0,03 mm) sowie das Bohren und Gewindeschneiden von 12–16 Verbindungsbohrungen (Positionsgenauigkeit ≤ 0,15 mm) durchgeführt werden können. Um dem Problem der Durchbiegungssteuerung bei ultralangen Spindeln (Länge 3–5 m) zu begegnen, wird ein innovativer „adaptiver Mehrpunktabstützungsprozess“ angewandt: Mithilfe von drei einstellbaren Hilfsabstützungen wird eine Echtzeitkompensation der Verformung durch Eigengewicht des Werkstücks erreicht (Kompensationsgenauigkeit 0,005 mm), wodurch die Geradheit über die gesamte Achslänge stabil innerhalb von ≤ 0,05 mm/m gehalten wird. Für die präzise Bearbeitung der Lagerpositionen wird ein „konstantes Temperaturumfeld + Schichtschneidverfahren“ eingesetzt, wobei die Umgebungstemperatur bei 20 ± 0,5 °C gehalten und die Schnitttiefe jeder Schicht auf 0,2–0,5 mm begrenzt wird. In Kombination mit dem Schneiden mit konstanter Schnittgeschwindigkeit (80–120 m/min) wird eine Oberflächenrauhigkeit von Ra 0,8 μm sichergestellt.
Spannprozess
Die Implementierungsergebnisse entsprechen vollständig den Standards der Windenergiebranche: Der Bearbeitungszyklus pro Einzelteil wurde von 16 Stunden auf 9 Stunden verkürzt, und die tägliche Produktionskapazität stieg von 6 auf 11 Teile; Die Zylindrizität der Hauptwellenlagerstelle beträgt ≤ 0,01 mm, und die Koaxialität der gesamten Welle beträgt ≤ 0,03 mm, was vollständig den Anforderungen der Norm GB/T 19073-2018 „Getriebe für Windenergieanlagen“ sowie der GL-Zertifizierung entspricht; Die Temperatur der Lager während des Betriebs der Anlage stieg um 36 ℃, und die Schwingungsintensität verringerte sich von 1,2 mm/s auf 0,6 mm/s; Durch die optimale Materialanpassung verlängerte sich die Werkzeugstandzeit um 150 % (bis zu 8–10 Teile/Schneide), und die Kosten für Einzelwellenwerkzeuge reduzierten sich auf 1200 Yuan; Das an den Geräten installierte Industrial Internet of Things-System kann in Echtzeit die Schnittkraft (Abtastfrequenz 1 kHz) und die Spindeltemperatur erfassen. In Kombination mit dem Modell zur Vorhersage der Restlebensdauer erhöhte sich die Gesamtnutzungsrate der Anlage von 70 % auf 92 %, und die jährliche Stillstandszeit verringerte sich um 650 Stunden.
CKX52100 löst den industriellen Widerspruch zwischen Hochleistungs-Bearbeitung und mikrometergenauer Präzision bei Windturbinen-Spindeln. Der Produktionsleiter des Unternehmens sagte: „Mittlerweile hat unsere 3-MW-Windturbinen-Spindel nicht nur die Prüfung durch Goldwind Technology und Mingyang Intelligence bestanden, sondern erfüllt auch die höchsten Anforderungen an ‚Salzsprühbeständigkeit und lange Lebensdauer‘ für Offshore-Windenergieanlagen, wodurch sich für uns ein technologischer Vorsprung im Bereich der Windenergie-Ausrüstung abzeichnet.“ Dieser Fall bestätigt, dass CNC-Vertikaldrehmaschinen durch die tiefe Integration von „ultra-steifer Strukturdesign + prozessgenauer geschlossener Regelung + intelligentem Betriebs- und Wartungssystem“ zum Kerngerät zur Überwindung von Leistungsgrenzen in der Fertigung großer Bauteile für die Windenergie geworden sind.
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