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    風電葉片五軸數控機床五軸加工中心

    放大字體  縮小字體 發布日期:2017-03-16  瀏覽次數:743
    核心提示:FT0085 大型復合材料風電葉片模具整體設計與制造技術 1 引言   復合材料風電葉片是風力發電機組中能量轉化的關鍵部件,其設計

    FT0085 大型復合材料風電葉片模具整體設計與制造技術
    1 引言
      復合材料風電葉片是風力發電機組中能量轉化的關鍵部件,其設計制造的好壞直接關系到風力發電機的效率和使用壽命,影響著整個系統的性能。葉片成型質量的好壞又取決于模具質量的好壞,高精度的模具設計與制造技術是葉片氣動外形的重要保證,對產品的生產效率、最終質量和性能起著決定性作用。
      隨著風電機組不斷朝大型化方向發展,風電葉 片的尺寸逐漸增大, 成型時對模具強度和剛度的要求也越高, 相應的,模具的重量和成本將大幅提高。為了減輕模具重量,降低模具成本,大型復合材料葉片的模具也逐漸由早期的金屬模具向著復合材料模 具轉變。復合材料模具基本上是由聚酯樹脂、乙烯基樹脂和環氧樹脂等熱固性基體樹脂與E玻璃纖維、S玻璃纖維等增強材料以及鋼結構、翻轉機構、加熱系統等重要部分組成。復合材料模具的使用意味著復合材料葉片可以做得更大、更長;同時,由于模具和葉片采用了相同的材料,熱膨脹系數基本一致,使得制造出的復合材料葉片的精確度和尺寸穩定性均優于金屬模具制造的葉片產品。目前真空導入成型工藝已成為復合材料風電葉片制造的主流工藝,相應的葉片模具應具備以下基本要求  :
    (1)表面光滑、平整、密實:為保證葉片產品表面優良,模具表面應無裂紋、針孔,表面光澤度應達到90以上,表面粗糙度<10pLm;
    (2)氣密性好:因為采用真空導入成型工藝制造葉片,對模具的氣密性要求就比較高,通常情況下要求15min內真空降小于10mbar;
    (3)尺寸精度高、結構穩定性好:模具尺寸應實現長度方向平均每米偏差小于0.5mm;
    (4)溫度場均勻,加熱可靠,溫度場應能夠實現實時監測,保證每平米表面溫差小于0.5℃;
    (5)合模定位、鎖緊方便,翻轉精度高;
    (6)表面硬度高、使用壽命長:模具表面巴氏硬度應達到40以上,以減小脫模時對模具造成的損傷,使其壽命大于400支葉片;
    (7)運行安全、運輸便利。
    2  風電葉片陽模設計與制造技術
      為了順利制造模具,必須先進行陽模的設計制 造。對于小型葉片, 往往可以采用石膏、水泥、石蠟作為基材來制作整個葉片的模型, 這樣制作出來的葉片陽模往往尺寸精度較低,表面粗糙,容易產生氣孔、 裂紋等缺陷,平整度較差,適合那些精度要求較低、表面質量要求不高的模具制作 。對于大型葉片, 要將葉片整體制作成陽模難度比較大,故常將陽模分成上、 下兩個半模來制作,如圖1所示。陽模主要由三部分組成:
    (1)陽模平臺:用于承載整個陽模重量,一般采用支撐鋼結構做成;
    (2)肋板:用于支撐陽模表面,肋板的形狀與半個葉片截面形狀相符合;
    (3)陽模表面:用以翻制陰模模具殼板。
      目前陽模的制作加工主要有以下兩種技術路線。一種是鋼構代木型,其肋板由按一定間距規律排列的鋼板構成,在鋼板上將一系列鋼管按事先設 定的順序焊接成與葉片截面相符的形狀,然后再涂上代木。所謂代木其實是一種可加工的雙組分糊狀樹脂,通過兩根管子導出,在前段混合均勻后涂覆于陽模表面, 固化后機械加工性能好,有時甚至不用打磨就很光滑。國外包括在國內生產的專業做葉片模具的紅楓公司多數都是采用這種方式來制作加工葉片陽模。為了節省成本,也可用苯乙烯泡沫代替鋼板,再在表面涂上糊狀代木,完成這步后,再把固化后的模型在五軸聯動的CNC加工機器上按事先輸入的數據進行銑削即可得到與葉片外形一致的陽模 表面。另外一種是木質結構型, 其肋板由按一定間距規律排列的木質截面板構成,表面由按正交方式 鋪放的三合板蒙制而成。
      鋼構代木陽模的優點是模具型面質量高,缺點 是加工周期長、 價格高;木質陽模的優點是加工周期短、成本低,缺點是模具型面質量較差。下面以木質 陽模為例,講述陽模的制造工藝技術,圖2為木質陽模制作工藝流程。
    2.1 陽模平臺制作與調平
      制作高精度的模型首先必須搭建高精度的基準平臺, 搭建葉片陽?;鶞势脚_的關鍵在于其整體平面度、水平度和穩定性。一般采用大型槽鋼做橫撐梁, 沿長度方向按一定間距排列,其槽鋼與地用地腳螺栓連接,先用激光掃平儀進行粗調節,基本固定后再用水平儀調節高度,在基本滿足要求時在橫梁上順著長度方向固定鋼軌。在基本結構搭建完成后,用葉尖、葉根、葉中三臺水平儀進行再校正,對每次調節的活動點進行跟蹤,如此反復調整,使平臺滿足使用要求。
    2.2 截面板設計、加工與安裝
      陽模平臺搭建完畢之后,采用截面板的方式控 制葉片外形并將其固定于鋼軌平臺之上。圖3為截面板外形設計圖。首先將葉片三維圖轉化成CAD圖,并根據設計要求對截面板做出凹槽位置。
      此外,在截面板上還要進行連接孔的設計,用于截面板之間的連接,如圖4所示。截面板設計完成后, 利用CNC雕刻機編制程序加工截面板。截面板在平臺上采用激光定位,先在鋼軌兩端固定發射裝置和接收裝置,在葉根、葉中和葉尖處各立一塊截面板,使得激光發射裝置發射的激光穿過這三塊板正好打在接收裝置上的中心處,安裝過程中保證葉片中基準截面板上激光的大小位置不變。
     
    2.3 陽模表面制作
      圖5所示為截面板L的木條拼接。圖6所示為三合板蒙皮制作。如圖5和圖6所示,截面板定位安裝完成后,在其預留的凹槽里采用木條填充拼接,木條填充完畢后再在上面蒙制三合板,然后進行密封層制作,最后對表面進行后處理即可完成陽模制作。
    2.4 陽模制作過程中需要注意的幾個問題
      木質陽模雖然有成本低、加工周期短等優點,但 用這種方法制作陽模必須注意以下問題:
    (1)整體收縮變形
    因木質陽模的截面板是由密度板加工而成,對環境濕度比較敏感,使用過程中模型整體收縮變形嚴重。解決方式通常有兩種:其一是對截面板四周加工處刷封孔劑以減少截面板的吸濕變形。其二是采取加固的方式,比如在截面板處立支撐,減少截面板收縮變形;
    (2)葉根需加固
    木質陽模制作過程中, 葉根基圓是整套陽模因受力最易變形的地方,可以在葉根基圓處安裝鋼板作為葉根擋板,在保證其垂直度的前提下進行焊接加固, 將第一塊CNC雕刻截面板與鋼板采用螺栓連接,以防止陽模葉根的變形;
    (3)型面不平順
    木質陽模的表面修型主要采用手工刮膩子與檢驗樣板校核相結合的方式, 用CNC數控雕刻機制造標準的帶激光定位眼的檢驗樣板,通常間距1m一個,檢測時保持樣板的垂直與水平并且使激光能夠穿透所有的檢驗樣板,將樣板處的木質陽模型面修復完畢后,再將各樣板之間的型面平滑過渡。由于完全靠手工制作,所以型面會存在波浪線問題,這個可以通過調整修型工序和提高員工的操作水平來解決。
    3 風電葉片模具設計與制造技術
      復合材料葉片模具主要由玻璃鋼殼體、支撐鋼 架、加熱系統以及液壓翻轉與鎖緊裝置等組成。
    3.1 模具設計技術
    3.1.1 模具殼體結構層設計
      模具殼體結構層又分為內結構層、外結構層以及加固層??刂颇>叩母飨蛲允菍崿F尺寸精確度及穩定性、傳熱均勻性的重要手段。一般采用0/45/90/——45四軸玻璃纖維織物對模具復合材料結構層進行各向同性設計,保證模具復合材料層結構和傳熱上的均勻性,避免和消除一部分施工過程中產生的內應力。此外,通過借助CAE技術對模具的受力進行分析研究,根據分析結果在模具被覆層一些重要部位進行加固,夾芯加筋結構的使用可增強模具復合材料層的剛性,對穩定模具尺寸有重要作用。
    3.1.2 模具支撐鋼架結構設計
      鋼架結構用來支撐上、下半個模具,首先必須滿足強度和剛度要求。在模具起吊、翻轉時,模具鋼結構必須能夠承受大約20t的重力而本身無塑性變形,其中包括半個葉片(3t)與上模自重(17t)。在玻璃鋼模具制造過程中,其剛度和重量是兩個相互矛盾而又十分重要的因素。以目前市場主流產品40.25m葉片模具為例,一套模具重18t,其中鋼架占整個模具重量的33%,對鋼架結構進行優化設計可以在保證其強度、剛度的同時減輕重量,從而減輕整個模具的重量,對降低成本、運輸起到很大作用。如圖7所示CAE分析計算圖, 通常先借助CAE技術對模具結構單元進行受力分析,設計模具鋼架結構單元,根據實際翻轉的高度設計鋼架的整體高度,鋼架的左右腿根據葉片翻邊的外形高度而定,保持上表面水平,然后進行模具鋼架整體三維建圖。圖8所示為模具鋼架示意圖。
      模具對鋼架的第二點要求是其外形與模具的玻 璃鋼殼體要隨形, 保持模具復合材料層與鋼架連接的協同變形。目前40m以上長度的葉片基本都使 用環氧樹脂。環氧樹脂在固化過程中需要加熱,同時葉片在合模過程中粘接膠也需要加熱固化,這就 使模具的復合材料層和鋼架處于不同溫度中,因此解決復合材料和鋼材熱脹冷縮時的矛盾變得非常重 要。目前有兩種方式。圖9(a)為第一種方式,即在鋼架與復合材料層之間采用分段連接。預先在模具 復合材料層上每隔一定距離糊制預埋件, 預埋件與鋼架之間采用連接套筒固定,使模具復合材料面層 與金屬鋼架自由均勻伸長,減少了熱應力的產生。圖9(b)為第二種方式,即在鋼架與復合材料層之間采用整體連接。此種方式在模具前后緣部分固定兩根通長的鋼管,鋼架每隔一定距離與鋼管采用滑動裝置連接,該連接可以在軸線方向、軸線垂直方向和上下方向進行調節, 在保證正常生產產品的同時減少了模具的應力集中, 增加了模具的使用壽命。
    3.1.3 模具加熱系統設計
      模具溫度場的均勻性、可靠性以及加熱效率等 在葉片生產中起著至關重要的作用,最普遍的做法 是在模具結構層中分區預埋加熱系統, 通過溫度控制系統、導熱層等措施實現精確控溫,保證模具溫度 場的均勻性。進行加熱系統設計之前首先應根據模具加熱區域的面積進行局部加熱試驗, 確保加熱能達到工藝設計要求。加熱系統設計應考慮模具大小和加熱功率,單個回路加熱區域的大小,管路的排布 密度和導熱方式等因素。
      目前風電葉片模具最有效且最流行的加熱方式如圖10所示,為水加熱和電加熱。圖10(a)為水加熱示意圖, 水循環加熱方式是利用銅管作為加熱管路布滿模具產品區以及分模面上形成模具加熱的框架,并在銅管之間填充傳熱介質來實現模具加熱后 的熱傳遞,外接大功率的水加熱器,直接把熱水注入 到模具的銅管中, 并實現熱水循環。圖10(b)為電加熱示意圖。電加熱易于監控、 操作方便、加熱效率高且能大大減輕模具的重量,但是易于發生故障,使用壽命也不及水加熱方式的長。
     
    3.1.4 模具翻轉定位設計
      大型風電葉片模具的翻轉定位是比較困難的, 模具的開模與合模需要將上模進行180°翻轉,這一過程可以通過機械行車提吊與液壓翻轉兩種方式來實現。前者是將前后兩臺行車通過吊鉤連接在模具的上模結構上,利用行車的動力,驅動上模繞著輔助翻轉鉸鏈的中心翻轉。由于機械行車的特性,翻轉運動不連續, 尤其當上模重心越過回轉中心線時,會發生“突變”現象,產生較大的振動和沖擊,易出現重大安全事故,同時對行車損傷特別大,縮短了行車的使用壽命。這種方式要求行車操作人員的實際操作經驗特別豐富,同時要求行車的承載力和安全系 數特別大 。在行車提吊方式基礎上,中材葉片項 目組設計了一種適合大型模具開閉模系統的門軸,通過液壓伸縮吊鉤的使用實現了同步翻轉,在兩個吊桿右端分別安裝一個位移液壓缸,在接近發生 “突變”之前行車停止動作,位移液壓缸起作用,產生小位移的推力,使重心平穩地越過回轉中心,保證了模具在翻轉時的平穩性。同時項目組還設計了多步定位的合模方法,即首先采用液壓平衡半球定位系統,使模具在進入定位階段已基本實現粗定位,然后用一種活動的定位銷進行精確定位,“丁”字螺栓和液壓鎖模系統的組合實現了快速鎖模。
      液壓翻轉是目前國外比較流行的翻轉方法。全自動液壓翻轉設備由翻轉架、液壓系統以及電控系統3部分組成,不僅可以實現翻轉過程的自動化,提高翻轉效率,使翻轉過程平穩,而且還能更好地保證模具精度和壽命, 提高葉片生產的質量,其液壓翻轉系統原理如圖11所示。
     
      液壓裝置分為兩個部分:液壓頂升裝置與液壓 閉模鎖緊裝置,安裝在下模鋼結構上。液壓頂升裝置通過在下模具的兩側均布頂升油缸來實現支撐和頂升上模;液壓閉模鎖緊裝置通過兩側適當間隔布置的張緊油缸來實現另一要求,即合模后液壓缸張 緊上、下模具。圖12為液壓翻轉示意圖。
    3.2  模具制造技術
    3.2.1 模具制造工藝
    復合材料模具制造工藝流程如圖13所示。
    (1)高氣密性模具制造技術
      模具的氣密性是葉片成型過程中最為關鍵的技術,直接影響產品質量,一旦出現問題可能會導致產品報廢。模具的氣密性要靠表面層來保證。模具表面層分為膠衣和方格布層,膠衣又分為面層膠衣和過渡層膠衣。面層膠衣有很強的抗劃傷、傳熱和耐熱性能,過渡層膠衣用來提高面層膠衣和玻璃鋼的粘接性能。膠衣涂覆完畢后間隔1h左右即可糊制方格布層,然后貼上脫模布固化后即可進行下一步的內結構層工序。整個工序中應注意膠衣的脫泡。由于膠衣較稠,只能采用手工打膠鉆進行混合,在混合的過程中不可避免地會混入空氣,若不進行脫泡處理,涂覆膠衣層的時候將會把空氣混入其中以致做出的模具表面會有針孔,將嚴重影響表面質量;
    (2)RIM工藝模具制造技術
      模具制造采用真空導入工藝,在對模具的結構、 受力和功能充分考慮的基礎上,需要對導流管路、連續氈和泡沫芯材、注膠口、溢膠口等真空導入技術的關鍵點進行科學合理的設置,并利用PAM等軟件進行優化設計,對實施過程進行仿真模擬,極大地降低大型模具制備過程用RIM工藝成型時缺陷產生的可能性。
    3.2.2 模具制造過程中需要注意的幾個問題
    (1)膠衣分層 膠衣分層主要是表面層與內結構層的分層,可能的原因是在進行內結構層鋪層的時候沒有將表面 層的界面處理好,一般要求表面粗糙,無粉塵顆粒。其次的原因是,模具的整體固化度不夠,樹脂體系還沒有反應完全;
    (2)模具基圓收縮變形 目前大型模具制造一般采用環氧樹脂作為基體材料,固化時存在一定的收縮,在模具后固化前,必須用鋼板將模具基圓進行加固,否則基圓失效將會 影響葉片基圓的圓度,情況嚴重時將影響葉片圓螺母及法蘭的安裝;
    (3)銅管凍裂 在北方及零度以下的地區, 當模具不經常使用時,必須將模具里的水用空氣壓縮泵完全吹出后方 可進行室外放置及轉運,否則銅管里的水易結冰,冰的密度比水小,銅管體積不變,在嚴重時撐爆銅管,造成極大的維修難度。
     
    4.結束語
      大力開發風電能源對于緩解我國將來的能源危機具有戰略意義。國家對可再生清潔能源的支持,加快了風力發電的發展速度,也為我國的大型復合材料葉片開發提供了一個不可多得的發展機遇。葉片質量的好壞絕大部分取決于模具質量的優劣,目前我國大型、 復雜、高精度的復合材料模具設計、制造和加工技術還很缺乏,核心技術還不具備,模具設計、校核及工藝技術人員的經驗尚不足。葉片行業 的可持續發展,急需形成自主高質量的模具設計制造技術。
    來源:玻璃鋼/復合材料
     
     
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