Dobór maszyn do obróbki kół zębatych i obudów przekładni planetarnych turbin wiatrowych

Scenariusze transformacji energetycznej wskazują turbiny wiatrowe jako jedno z wiodących źródeł pozyskiwania zielonej energii. Przy polskim wybrzeżu morza Bałtyckiego mają powstać wielkie farmy o łącznej mocy 1 gigawata [GW]. Biorąc to pod uwagę nie możemy pominąć aspektu produkcyjnego i ilości wież wiatrowych, które w najbliższym czasie wzniosą się na terenach offshore oraz onshore.

Wiele firm już dysponuje możliwościami produkcyjnymi ale pewnie sporo też myśli w kierunku uzupełnienia i modernizacji swoich parków maszynowych. Ostatnie wrześniowe badanie przeprowadzone przez Instytut Badań i Rozwiązań B2B Keralla Research z przedstawicielami 400 małych i średnich firm produkcyjnych wskazuje, że blisko połowa firm z branży obróbki metali planuje inwestycje w park maszyn i urządzeń. Kierunkiem dla wielu może właśnie być produkcja dla energetyki. Kierując się tym tropem postanowiliśmy zaprezentować po części technologię produkcji komponentów dla turbin wiatrowych i odpowiedzieć na kilka pytań, które przybliżą te właśnie technologie wykorzystywane do produkcji.

W ostatnich 40 latach rozwój turbin wiatrowych spowodował, że średnice wirników wzrosły prawie dwudziestokrotnie. Zmieniły się także wymagania dotyczące momentu obrotowego przekładni planetarnych.

Współczesne konstrukcje przekładni planetarnych, tych wykorzystywanych w budowie turbin wiatrowych oferują znacznie lepsze paramenty techniczne niż te konstruowane dekadę temu. Przede wszystkim większe momenty obrotowe i dużo większą gęstość momentu obrotowego [Nm/kg], przy jednoczesnej redukcji masy przekładni i jej gabarytów. To wszystko ma swój ogromny wpływ na koła zębate, gabaryty obudów przekładni i ich produkcję. Obecnie przekładnie planetarne są projektowane i produkowane w taki sposób aby uzyskać: wzrost gęstości momentu obrotowego, zwiększenie odporności na drgania i obniżenie poziomu hałasu.

NA CO POWINNIŚMY ZWRÓCIĆ UWAGĘ PRZY WYBORZE MASZYN DO OBRÓBKI OBUDÓW PRZEKŁADNI PLANETARNYCH?

Obróbka obudów przekładni planetarnych wymaga wysokiej precyzji i dokładności wykonania z jeszcze większym naciskiem na tolerancje kształtu i położenia. Wymienione kryteria w aspekcie produkcji jednostkowej i później seryjnej spełni tylko solidna i jakościowa obrabiarka, posiadająca m.in. termosymetryczną konstrukcję oraz odpowiednie zarządzanie źródłami ciepła, które występują w maszynie w tym odpowiednie rozprowadzenie ciepła pochodzącego z chłodziwa, szafy sterowniczej i agregatów hydraulicznych. Powstałe ciepło powinno być także odprowadzane z przestrzeni roboczej maszyny, tak aby utrzymywać równomierny rozkład temperatury. Stabilna i termosymetryczna konstrukcja maszyny zapewni równomierne, płynne ruchy osi pozbawione szarpnięć i skoków. Ma wpływ na optymalizację geometrii i bardzo dokładną obróbkę powierzchni. Nie bez znaczenie pozostaje także kwestia odprowadzania wiórów w przestrzeni roboczej oraz regulacja temperatury chłodziwa wykorzystywanego w procesie. Z pomocą przychodzi również kompensacja elektroniczna w połączeniu ze zwiększoną dokładnością geometryczną centrum obróbczego, dostosowana do warunków produkcji. Aby w pełni wykorzystać zdolności i możliwości maszyny musi ona zostać posadowiona na fundamencie o odpowiedniej sztywności, dostosowanym do warunków lokalnych.

NA CO POWINNIŚMY ZWRÓCIĆ UWAGĘ PRZY WYBORZE MASZYN DO OBRÓBKI KÓŁ ZĘBATYCH?

W przypadku obrabiarek do kół zębatych bardzo istotne jest sprzężenie osi obrotu stołu z głowicą w naszym wypadku frezującą. Napęd stołu odgrywa kluczową rolę i to on odpowiada za wysoką dokładność podziału. Bez wątpienia najlepszym gwarantem dokładności podziału jest przekładnia ślimakowa w połączeniu z hydrostatycznym łożyskowaniem stołu oraz w pełni automatyczną hydrostatyczną kompensacja obciążenia stołu. Ponadto rozpatrując produkcję kół zębatych do przekładni (nie tylko planetarnych), należy pamiętać o uzębieniu zewnętrznym oraz wewnętrznym.

Do obróbki kół zębatych o uzębieniu wewnętrznym niezbędna jest głowica frezarska, która powinna się charakteryzować z jednej strony odpowiednio dużą mocą a z drugiej strony dość kompaktową budową. Przykład głowicy do frezowania uzębień wewnętrznych na załączonym filmie: https://polskiprzemysl.com.pl/obrobka-metali/frezowanie-wewnetrzne-kola-zebatego-do-3200-mm/

Głowice frezarskie Gleason posiadają odpowiednią rezerwę mocy, co umożliwia im współpracę z najnowocześniejszymi narzędziami skrawającymi jak np. frezy Opti-Cut® z wymiennymi płytkami. Przy wyborze maszyny należy również zwrócić uwagę na możliwość frezowania na sucho i na mokro.

Poniżej przedstawiamy dwa przykłady rozwiązań związanych z obróbką komponentów dla turbin wiatrowych. Prezentujemy obróbkę na paletowych centrach obróbczych oraz na frezarkach obwiedniowych do kół zębatych.

PRZYKŁAD 1

OBRÓBKA OBUDÓW PRZEKŁADNI PLANETARNYCH

CEL:
Zadanie polegało na opracowaniu zautomatyzowanej i bardzo elastycznej obróbki obudów przekładni planetarnych wykorzystywanych w turbinach wiatrowych.

WYZWANIE:
Klient oprócz turbin posiada zróżnicowany asortyment produkcji. W większości jest to żeliwo, a w przypadku obudów przekładni żeliwo z grafitem sferoidalnym GGG70. Ciężar detali dochodzi do 4500 kg. Omawiana technologia ma być rozwiązaniem alternatywnym dla obróbki np. na tokarkach karuzelowych. Wymagana jest obróbka głęboko położonych powierzchni i otworów za pomocą wysuwanej pinoli. Czas obróbki nie może przekroczyć 3 godzin. Potrzeby produkcyjne, elastyczność w obsłudze projektów stawiają dodatkowe wymagania dotyczące dużej pojemności magazynu narzędzi i możliwości obsługi narzędzi ponadgabarytowych. Maszyna musi charakteryzować się zwiększoną dokładnością pozycjonowania w osiach liniowych i obrotowych oraz zapewnić wysoki poziom dostępności całego gniazda obróbczego w systemie pracy wielozmianowej.

ROZWIĄZANIE:
Do obróbki obudów przekładni wykorzystano dwa centra paletowe STARRAG Heckert HEC 1600 P Athletic o następującej specyfikacji:
– paleta 1800 x 1600 [mm]; nośność 12400 [kg]
– przejazdy w osiach X/Y/Z: 2800/ 2100/2100 [mm]
– poziome wrzeciono z pinolą NC o wysuwie 750 [mm]
– napęd wrzeciona 56 [kW] i 4000 [min-1]
– stół obrotowy NC
– wieżowy magazyn narzędzi 180 miejsc

– maks. Ø 980 [mm] dla narzędzi mostkowych
– maks. 800 [mm] długość
– maks. 50 [kg] ciężar

– głowica frezarska kątowa NC
– agregat chłodzący z filtrem włókninowym i regulacją temperatury chłodziwa, ciśnienie chłodziwa podawanego przez wrzeciono 70 [bar]
– dokładność pozycjonowania P / szerokość rozpraszania położenia Psmax
– osie liniowe 0,006 [mm] / 0,004 [mm]
– osie obrotowe 6”/4”
– laserowa sonda narzędziowa
– sonda detalu 3D

Technologie obróbki:
– ustawienie i przygotowanie detalu za pomocą sondy 3D
– obróbka w jednym zamocowaniu
– obróbka kompleksowa z wytaczaniem, frezowaniem, fazowaniem i gwintowaniem
– maks. wymiary narzędzi

– narzędzie mostkowe o maks. Ø650 [mm]
– wytaczadło o długości 735 [mm]

– głowica frezarska kątowa NC do wykonania otworów

KORZYŚCI:
Wykorzystane maszyny oraz technologia produkcji zapewniły elastyczną, kompleksową obróbkę z redukcją czasów maszynowych i ustawczych. Uzyskano bardzo wysoką dokładność w ujęciu jednostkowym i seryjnym. Dla przykładu uzyskano jakość powierzchni otworów pod łożyska Ra 1,6 µm. Czas taktu jest poniżej wymagań klienta i wynosi 164 minuty. Potwierdzono także wysoką dokładność pozycjonowania: otwory kół planetarnych 600 mm w stosunku do otworu bazującego 0,04 mm. Zastosowanie wysuwanej pinoli i głowicy frezarskiej NC optymalizuje możliwości produkcyjne centrum, daje dużą elastyczność. Urządzenia kontrolne i monitorujące zapewniają zmniejszenie kosztów utrzymania i eksploatacji. Co w efekcie przekłada się na efektywną obsługę narzędzi i detali. System diagnozy błędów minimalizujący przestoje w pracy, wpływa na dostępność, która w tym wypadku wyniosła ≥ 95% dla pracy w systemie wielozmianowym. Finalnie klient odczuł również redukcje kosztów operacyjnych w wyniku zastosowania w budowie maszyn komponentów energooszczędnych.

Obróbka wykańczająca narzędziem mostkowym Ø650 mm / wiercenie otworów za pomocą głowicy kątowej / Fot. Starrag

Narzędzie mostkowe na wysuniętej pinoli / Fot. Starrag

System mocowania obudowy przekładni / magazyn narzędziowy, narzędzia ponadgabarytowe / Fot. Starrag

PRZYKŁAD 2

OBRÓBKA OBWIEDNIOWA PRZEKŁADNI KÓŁ ZĘBATYCH

NA CZYM POLEGA OBRÓBKA OBWIEDNIOWA KÓŁ ZĘBATYCH?

Podczas nacinania zębów frez i detal wykonują ruchy, jakby były wzajemnie zazębione ze sobą. Frez ślimakowy obtacza się po powierzchni wieńca przedmiotu obrabianego. Narządzie obwodzi zarys zęba przez kolejne ostrza skrawające. Przy każdej zmianie położenia krawędź skrawająca usuwa warstwę materiału z części obrabianej – co widać na załączonym filmie. Jest to najpopularniejsza metoda frezowania kół zębatych.

W JAKI SPOSÓB WYTWARZANE SĄ KOŁA ZĘBATE?

Oprócz frezowania obwiedniowego inną metodą wykonywania kół zębatych jest frezowanie kształtowe, w której wrąb zęba odwzorowuje na całej długości zęba kształt freza. Jest to metoda stosowna w obróbce wstępnej oraz dla kół o mniejszej dokładności wykonania. Inną metodą wytwarzania kół zębatych jest dłutowanie, w którym narzędzie w kształcie koła tj. dłutak wykonuje pionowy ruch roboczy, a przedmiot obrabiany obtacza się po narzędziu. Obydwa elementy detal i narzędzie wykonują ruch obrotowy po średnicach tocznych. Współczesne metody wykonywania kół zębatych umożliwiają obróbkę materiałów w stanie utwardzonym. Z pomocą przychodzi tutaj technologia Power Skiving wykorzystywana do wysokowydajnej produkcji kół zębatych walcowych o uzębieniu zewnętrznym i wewnętrznym. Jest to technologia umożliwiająca uzyskanie bardzo wysokiej jakości uzębienia i niosąca za sobą duże korzyści finansowe w aspekcie produkcji seryjnej. Power Skiving umożliwia także modyfikację profilu i linii zęba. Otwiera to zupełnie nowe możliwości zastosowania, w szczególności tam, gdzie inne metody są wyeliminowane z powodów technicznych. Tego typu aplikacje są z powodzeniem stosowane w Polsce zarówno w przemyśle lotniczym jak i samochodowym. Ale o tym może innym razem.

WYMAGANIA W OBRÓBCE DOBREJ JAKOŚCI UZĘBIENIA?

Wymagania w obróbce kół zębatych są ukierunkowane na niezawodność i poprawną współpracę kół. Chodzi o równomierne przenoszenie ruchu, cichą pracę jak i żywotność przekładni. Jakiekolwiek odstępstwa wymiarowe, czy kształtu prowadzą do poważnych konsekwencji w tym nierównomiernej współpracy pary kół czy zespołu współpracujących kół. Przyspieszenia lub opóźnienia elementów napędzanych przekładnią powodują wzrost obciążeń dynamicznych, w tym drgania i uszkodzenia przekładni. Dobrej jakości uzębienie zapewnia należyty przypór kół zębatych oraz właściwą powierzanie styku współpracujących ze sobą zębów. Właśnie te naprężenia kontaktowe stanowią o trwałości przekładni. Przenoszony moment obrotowy oraz powierzchnia współpracy kół zębatych wpływają na siły międzyzębne. Zagadnienie kół zębatych jest bardzo złożone. Wszystkich miłośników technologii kół zębatych zapraszamy do śledzenia naszego profilu na LinkedIn, gdzie publikujemy informacje na temat webinariów i szkoleń prowadzonych przez firmę Gleason.

CEL:
Wzrost gęstości momentu obrotowego, zwiększenie odporności na drgania, obniżenie poziomu hałasu.

ROZWIĄZANIE 1:
Frezowanie obwiedniowe / frezarka obwiedniowa Gleason P1200 / satelita
liczba zębów 47
moduł 12
kąt przyporu 20
kąt pochylenia lini śrubowej 9 RH
średnica zewnętrzna 600 [mm]
szerokość wieńca 260 [mm]
materiał 17CrNiMo6 (1150 N/mm2)

Dane technologiczne:
frezarka obwiedniowa Gleason P1200/P1600
frezowanie zgrubne przed szlifowaniem, 2 przejścia, na mokro
frez EZ, G30, z powłoką TiAIN
frez wykonany w klasie B
prędkość skrawania 40/60 [m/min]
posuw osiowy 2.8 / 5.8 [mm]
grubość wiórów 0,22 [mm]
czas skrawania 114 [min]

KORZYŚCI Z WYBORU MASZYNY:
Frezy EZ zapewniają szybkie usuwanie wiórów. Około dwie trzecie cięcia jest wykonywane przez górną część zębów. Frezy EZ posiadają specjalistyczne rowki, które zapewniają więcej krawędzi tnących na końcach zębów freza, co pozwala na stosowanie wyższych posuwów do 185% (!), zmniejsza obciążenie maszyny, zmniejszona również liczbę przejść, co z kolei skraca czas cyklu i zwiększa trwałość narzędzia.

ROZWIĄZANIE 2:
Frezowanie obwiedniowe / frezarka obwiedniowa Gleason P2400 / pierścień
liczba zębów 99
moduł 18
kąt przyporu 20
kąt pochylenia lini śrubowej 7 LH
średnica zewnętrzna 2100 [mm]
średnica wewnętrzna 1780 [mm]
szerokość wieńca 480 [mm]
materiał 17CrNiMo6 (1150 N/mm2)

Dane technologiczne:
frezarka obwiedniowa Gleason P2400 z głowicą wewnętrzną IFK2
frezowanie zgrubne przed szlifowaniem, 2 przejścia, na mokro
frez Opti-Cut, do obróbki zgrubnej, z płytkami z węglika, z powłoką TiAIN
efetywna liczba zebów 10 / 5
prędkość skrawania 130/150 [m/min]
posuw osiowy 3.7 [mm]
grubość wiórów 0,11 [mm]
czas skrawania 330 [min]

KORZYŚCI Z WYBORU MASZYNY:
Frezy Opti-Cut są projektowane dla pojedynczego lub wielokrotnego przebiegu w zależności od procesu i maszyny. Do obróbki zgrubnej i wykańczającej, zapewniają wyższą prędkość skrawania niż frezy HSS.

Frezowanie koła centralnego o uzębieniu zewnętrznym / Głowica frezarska / Fot. Gleason

Frez tarczowy OPTI-CUT i frez modułowy z wymiennymi płytkami / Fot Gleason