抗堵凸轮泵扭叶转子的数控加工工艺

2013/10/27 12:53:15      点击:
三叶扭叶转子具有较优的声学性能,但在实际的抗堵凸轮泵结构应用中,却没有两叶和三叶直叶转子那么广泛。主要原因是加工条件的限制和其扭转型面的加工存在很大的难度。扭叶转子的加工工艺是限制扭叶抗堵凸轮泵推广应用的瓶颈。本文一个主要目的就是在现有的凸轮泵厂的技术条件和设备下,找出一个能适合实际加工生产扭叶转子的方法。本文将通过对扭叶转子的数控加工工艺的分析,选择合适的三叶扭叶叶轮转子的数控加工方法。

1 扭叶转子螺旋面的数学模型
扭叶转子,顾名思义,就是将直叶转子的前后两个端面相对扭转过一个角度。
也可以看作转子端截面上的转子型线在沿着转子轴线前进形成柱面的同时,绕着转子轴线旋转过一个角度而综合而成圆柱螺旋面。图1 所示即为抗堵凸轮泵三叶扭叶叶轮示意图。叶轮前后的扭转角为α。图2 为三叶扭叶型转子的端面即型面。
图1 三叶扭叶叶轮示意图 
图2 三叶扭叶叶轮端截面示意图
根据上面的扭叶叶轮示意图,可以把扭叶转子看成是一截面形状复杂的圆柱螺旋面,因此可以通过研究圆柱螺旋面的形成及其性质,来研究扭叶转子螺旋面的相关性质。
设在空间有一固定的坐标系(o -x, y, z) (图3),它的三个坐标轴方向的单位矢量分别为i ,j ,k 。一段空间曲线T的矢量方程式为r0= r0 (μ) 或用坐标式表示为:
x0= x0 (α) 
y0= y0 (α)     (1)
z0= z0 (α) 
上式中α为参变量。
令曲线T一方面绕着z 轴等速转动,同时又沿着z 轴等速移动,这样综合得到的运动称为螺旋运动。此时,曲线T在空间形成的轨迹曲面就是等升距圆柱螺旋面。该曲线T称为圆柱螺旋曲面的母线(或发生线)。
图3 圆柱螺旋面
将母线T用其向量形式表示,我们可以得到如下的式子:
r0= r0 (α)= x0(α)i +y0(α)j +z0(α)k  (2)
结合上式,并利用矢量回转公式,可以把右旋螺旋面的方程式表示为:
r0=r0(α)*(k,θ)R +p *θ*k (3)
将该式用坐标式表示为:
x=x0(α)cosθ-y0(α)sinθ
y=x0(α)sinθ+ y0(α)cosθ     (4)
z= z0 (α )+pθ
式中:
θ为参变量,它表示母线从起始位置绕z 轴转过的角度。顺着z 轴看去,以顺时针方向转动为正;p 为螺旋参数,p 等于Pz/2π,式中Pz 为螺旋面的导程。p 的意义为母线T绕z轴转过单位角度时,沿z 轴轴线方向移动的距离。
对于左旋螺旋面,只要把上式(4)中的pθ前的正号改为负号即可,即母线绕z 轴逆时针转动。
在生产实际中遇到的螺旋面,往往是已经知道了它的端截面形状或轴向截面形状,也就是已知的母线是在轴截面或轴向截面中。这时的螺旋面方程就可用和上面相同的方法求得。
设已知螺旋面在xoy 平面上的端截面方程式为:
r= x0(α)i+y0(α)j (5)
则相应的右螺旋面的方程式为:
r=[x0(α)cosθ-y0(α)sinθ]*i + [x0(α)sinθ+y0(α)cosθ]*j +pθk (6)
将该式用坐标式表示为:
x=x0(α)cosθ-y0(α)sinθ
y= x0(α)sinθ+ y0(α)cosθ  (7)
z= pθ
根据第二章的分析,转子的端面型线选用“ 内外圆弧加摆线型” (如图2 所示)。
型线的方程式已经给出(式(2.14 )~(2.15 ))。因此,可以根据上面的方法,推导出螺旋面的方程。

2 几种数控加工方法的比
扭叶转子作为截面形状相当复杂的圆柱螺旋面,其加工一方面要保证端面型线的正确,另一方面,要完成扭转型面的正确加工。扭叶转子的型面精度要求高,而且型号和规格多,传统的转子仿形和范成加工工艺已不能适用,而比较适宜在数控机床上加工。可采用以下数控加工工艺来实现扭叶转子型面的加工。
(1)扭叶转子数控滚切工艺
扭叶转子可以看作将直叶转子的前后两个端面相对扭转过一个角度,这样也就可以将它看成是圆弧斜齿轮,只是这个斜齿轮的齿数较少,只有3 个齿。因此,可以采用滚齿工艺 。加工机床为四轴二联动数控滚齿机。这种机床结构复杂,制造成本及改造费用高;刀具为成形滚刀,多刃连续滚切加工,生产效率高。但是刀具规格型号多、制造费用大。当转子的长度达到一定值后(如:300mm 以上),这种加工方法就很难做到了。因此,滚切工艺适合大批量、小规格的扭叶转子加工。
(2)扭叶转子数控铣削工艺
这是目前采用较多的工艺方法。加工机床为四轴二联动数控铣床或是万能铣床。
其机床结构较复杂,制造成本较高;同时,铣削加工时容易产生振动:铣刀刀齿在切入和切出工件时易产生冲击,并将引起同时参加工作的刀齿数目的变化,每个刀齿在铣削过程中的铣削厚度也是不断变化的。因此,铣削过程不够平稳,在一定程度上影响了加工质量。
刀具为盘状铣刀或指状铣刀,多刃连续铣削加工,虽然生产效率较高,但是,刀具刃形设计麻烦,刀具磨损较快,因为:刀齿的间断切削,使每个刀齿在切入及切出工件时,不但受到冲击力的作用,而且受到热冲击,这将加剧刀具的磨损。
刀具的刃磨须用工具磨床,费用较高,并且刀具规格型号多,制造费用高。
因此,铣削工艺适合中批量、不同规格的扭叶转子加工。
(3)扭叶转子数控车削工艺
加工机床为三轴两联动的车削加工中心 。刀具为球头铣刀,刀具刃磨须用工具磨床,费用较高;而且加工效率较低。车削加工时,车床主轴带动工件做回转运动,刀具同时做径向和纵向进给,车削要求较高的主运动速度,而工件的尺寸大,形状复杂,毛坯不可避免存在偏心,势必在高速回转时带来强烈的振动;因此实施起来较困难。
(4 )扭叶转子数控磨削工艺
加工机床为万能磨床。但是磨削力大,易产生力变形和热变形,加之加工余量较大,上述变形势必加剧。所以对机床的刚度要求较高,并要求机床具有一定的抵抗热变形的能力。同时,对转子毛坯的形状精度要求较高。这些无疑会增加设计和制造的复杂性和成本。因此实施起来难度较大。
(5)扭叶转子数控刨削工艺
这是加工抗堵凸轮泵两叶和三叶直叶转子所经常采用的方法。对于扭叶转子,数控刨削工艺同样适用。我们选用加工机床为三轴二联动数控刨床,其机床结构简单,调整、操作方便,加工工艺也相对简单。刀具采用可转位圆形硬质合金机夹刀片,单刃刨削加工,刀具制造和刃磨容易,加工费用低。生产准备工作省时省力。
精刨时可以得到较高的精度和较小的表面粗糙度。若采用宽刃刨刀,选用大进给量,生产效率可以大大提高。刨削工艺适合中、小批量不同规格的扭叶转子加工。生产效率与目前国内抗堵凸轮泵厂家的直叶转子刨削加工工艺相当,容易实施[30]。
通过上面的比较可以看出:数控刨削工艺的可实施性最强,是一种理想而易实现的工艺方法。并且具有操作简单、便于推广应用的优点。

3 扭叶转子数控刨削加工精度的控制
通过上面的分析已经确定了刨削加工方法,刀具选用圆形硬质合金机夹刀片。
由于扭叶转子为回转型工件,加工时一般是将工件装夹在回转心轴上。这样,转子端面型线轮廓应由移动刀架和工件回转轴联动形成;转子的螺旋型面应由移动滑枕和工件回转轴联动形成。
为了保证零件的加工质量和效率,应对刀具轨迹的精度进行控制。自由曲面零件加工的精度控制主要包括两个方面:步长直线插补误差δ和行距间的残留高度h,如图4 所示。
图4 曲面加工精度控制的两个因素
刀具沿着曲线轨迹运动时,由于CNC 系统插补能力的限制,该连续光滑轨迹只能用一系列的小直线段进行逼近,再由CNC 控制机床的坐标轴作线性插补运动来近似包络成型。由于直线段与曲线轨迹之间存在偏差,其结果会导致加工误差,我们称之为直线插补误差。显然,走刀步长过长将使这一误差值加大,降低轮廓的理论加工精度。但走刀步长过小又将导致零件程序膨胀,编程效率下降,并加剧进给速度波动和平均速度的下降,从而影响加工效率和表面质量 。可见,合理确定走刀步长是曲面数控加工技术中的一个重要问题。很多文献中均有相关论述[33-36]。
如图5 所示,在步长L1 内的最大允许插补误差为δ ,刀具半径为R ,零件工作面在步长方向的法曲率半径为ρ。由图易见,步长L1 应该满足:
L1=2ρ/(ρ-R)*(2(ρ-R)d-d2)1/2   (8)
由上式可知:为保证曲面的加工精度δ,加工步长必须小于或等于L1 。但是,步长不能选择太小,否则就会影响加工效率。
图5 走刀步长的确定
当刀具走完端面型线上某个节点所形成的螺旋线,转向下一个节点时所跨越的横向距离称作行距。
决定行距大小的主要因素是加工后零件表面上的残留刀痕高度,如图4(b)中h 所示。残留刀痕高度的计算与曲面的局部性质有关 。根据抗堵凸轮泵端面型线的形状,分凸面、凹面分别讨论,如图6 所示,其中:AB 刀具中心间的距离 2a ;PX 残留刀痕高度 h ;ρ 曲率半径;O 为曲率中心;r 为刀具半径。
图6 凸面和凹面上行距的控制
1)、凸面
如图6(a),ρ为点r0 处的曲率半径,曲面在点r0 处的领域近似为以ρ为半径的球面,则:
OD=(OB2-BD2)1/2= ((r+ρ)2 -a2)1/2
DX=(BX2-BD2 r 2)1/2 =(r2-a2)1/2
OX= ρ+h= OD-DX
h= OD-DX -ρ= ((r+ρ)2 -a2)1/2 - (r2 -a2)1/2 -ρ   (9)
2 (2rρ-2hρ-h )
a= (r2- (2rρ-2hρ-h2 )2/4(h+ρ)2)1/2  (10)
2)、凹面
如图6 (b ),ρ为点r0 处的曲率半径,曲面在点r0 处的领域近似为以ρ为半径的内球面,则:
OD= (OB2-BD2)1/2= ((ρ-r)2 -a2)1/2
DX=(BX2-BD2+1/2= (r 2 -a2)1/2
OX= ρ-h= OD+DX
h= ρ-OD -DX= ρ- ((ρ-r)2 -a2)1/2 - (r2 -a2)1/2  (11)
a= (r2- (h2 +2rρ-2hρ)2/r(ρ-h)2)1/2  (12)
这样:可由残留刀痕高度h 来确定加工的行距a 。从而确保工件的加工精度。行距的取值应小于或等于a 。
实际加工中,步长和行距都应在允许的取值范围内。因此,应根据零件的加工精度要求,分别计算出步长和行距,然后对两者进行比较,取较小值。
在本文介绍的数控加工中,抗堵凸轮泵扭叶转子端面型线的离散,就是根据这一方法确定各个离散点的位置的。

4 小
本章根据抗堵凸轮泵扭叶转子的特点,简单分析了扭叶转子的加工工艺,进而对几种可能的数控加工方法进行了比较,得出“数控刨削工艺是比较适宜的扭叶转子数控加工方法”这一结论。同时对数控刨削过程中的精度控制进行了分析。


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