摘要：針對(duì)天然氣流量計(jì)內(nèi)部的一種三葉擺線(xiàn)轉(zhuǎn)子，采用加工中心四軸銑削技術(shù)。通過(guò)三葉擺線(xiàn)轉(zhuǎn)子組件的結(jié)構(gòu)基于立式加工中心四軸設(shè)備設(shè)計(jì)了一種能夠方便裝夾轉(zhuǎn)子的工裝，并利用 SolidCAM 軟件多軸加工策略，用常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)立銑刀和球頭銑刀完成轉(zhuǎn)子的粗精加工。結(jié)合擺線(xiàn)轉(zhuǎn)子的線(xiàn)型特征，比較了多種四軸銑削轉(zhuǎn)子精加工刀具路徑的優(yōu)缺點(diǎn)。以提高表面粗糙度與加工效率為目的，選擇了一種通過(guò)垂直于曲線(xiàn)并擺動(dòng)球頭銑刀刀具側(cè)傾角的多軸銑削刀具路徑。
引言
天然氣流量計(jì)廣泛應(yīng)用于油田、化工、城市燃?xì)獾攘髁坑?jì)量裝置，其基表結(jié)構(gòu)主要由殼體、轉(zhuǎn) 子、端板和同步齒輪等零部件組成，其中核心零部件轉(zhuǎn)子的線(xiàn)型、葉片頭數(shù)、形狀和加工精度都會(huì)直接影響天然氣流量計(jì)的流量范圍度、壓差、噪聲和計(jì)量準(zhǔn)確度等工作性能。
目前國(guó)內(nèi)外天然氣流量計(jì)大部分采用兩直葉轉(zhuǎn)子，線(xiàn)型大致有漸開(kāi)線(xiàn)型、內(nèi)外擺線(xiàn)型和圓弧線(xiàn)型等。由于設(shè)計(jì)三葉轉(zhuǎn)子和扭葉轉(zhuǎn)子對(duì)工程師的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和數(shù)學(xué)有著較高的要求，而且加工工藝性能也低于兩葉轉(zhuǎn)子，所以，三葉轉(zhuǎn)子和扭葉轉(zhuǎn)子在實(shí)際的天然氣流量計(jì)中應(yīng)用的很少。本文通過(guò)我們研發(fā)的一種三葉轉(zhuǎn)子天然氣流量計(jì)的工作性能，以三葉轉(zhuǎn)子的四軸加工為例，提出一種能夠滿(mǎn)足單件或小批量試制加工使用的轉(zhuǎn)子工裝，介紹 SolidCAM 中的一種多軸加工策略，以提高三葉轉(zhuǎn)子的研發(fā)試制水平。
1 工藝路線(xiàn)分析
天然氣流量計(jì)作為容積式計(jì)量?jī)x表，由于在實(shí)際計(jì)量中存在一定的泄漏量，需控制兩根轉(zhuǎn)子之間的間隙、轉(zhuǎn)子與端板的間隙、轉(zhuǎn)子與殼體的間隙，所以其轉(zhuǎn)子有著非常高的加工精度。三葉天然氣流量計(jì)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，三葉轉(zhuǎn)子組件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。兩端軸的不銹鋼材料使用氣動(dòng)壓力機(jī)以過(guò)盈配合壓入轉(zhuǎn)子中，轉(zhuǎn)子為 6061#鋁材。由于只是測(cè)試三葉轉(zhuǎn)子的工作性能，為降低研發(fā)成本，直接使用圓形棒料作為轉(zhuǎn)子毛坯，根據(jù)三葉轉(zhuǎn)子組件結(jié)構(gòu)及加工部位精度要求分析加工工藝路線(xiàn)。

工藝路線(xiàn)及要求:
1) 工序 10: 采用四軸臥式加工中心，使用 V 型塊和壓板固定轉(zhuǎn)子毛坯( 圓形棒料) ，鉆出 3 個(gè)均勻分布的孔以減輕轉(zhuǎn)子重量，留 5mm 不鉆通，加工成M5 螺紋孔，銑出一條找正平面，再加工轉(zhuǎn)子兩端面和壓軸孔，保證轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度、兩端平行度、平面度，兩端壓軸孔的同軸度、壓軸孔和兩端平面的垂直度。
2) 工序 20: 采用氣動(dòng)壓力機(jī)將軸Ⅰ壓入轉(zhuǎn)子。完成轉(zhuǎn)子組件半成品如圖 3 所示。
3) 工序 30: 采用四軸立式加工中心，使用專(zhuān)用工裝裝夾固定銑削轉(zhuǎn)子曲面( 截面輪廓) 。
4) 工序 40: 采用氣動(dòng)壓力機(jī)將直軸壓入轉(zhuǎn)子，完成轉(zhuǎn)子組件。

2 三葉轉(zhuǎn)子四軸加工工裝
目前量產(chǎn)中的轉(zhuǎn)子都是型材毛坯，采用成型砂輪磨削或者定制成型銑刀進(jìn)行加工轉(zhuǎn)子曲面。這種加工方式工藝成熟，適合大批量生產(chǎn)，而且有利于轉(zhuǎn)子線(xiàn)型的技術(shù)保密，但加工方式在研發(fā)試制中應(yīng)用試制加工周期會(huì)很長(zhǎng)，而且成本很高，不適合單件或小批量試制。為此，筆者基于四軸立式加工中心，結(jié)合三葉轉(zhuǎn)子加工工藝提出一種工裝，如圖 4所示。將這套工裝定位在立式加工中心四軸回轉(zhuǎn)中心上，加工裝夾方式如圖 5 所示。用機(jī)床尾軸頂住轉(zhuǎn)子來(lái)增強(qiáng)加工剛性避免切削時(shí)產(chǎn)生震顫。

3 數(shù)控加工
3. 1 三葉轉(zhuǎn)子銑削原理
三葉轉(zhuǎn)子的曲面是由多條直線(xiàn)組成的直紋面，加工三葉轉(zhuǎn)子這種高精度的直紋曲面必須采用四軸或五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床。三葉轉(zhuǎn)子的銑削方式有刀具路徑平行軸線(xiàn)銑削、繞軸線(xiàn)銑削兩種刀具路徑。平行軸線(xiàn)銑削原理為: 刀具在轉(zhuǎn)子曲面上沿 X軸從轉(zhuǎn)子的一端移動(dòng)到另一端銑出一條直線(xiàn)，銑削下一點(diǎn)位時(shí)旋轉(zhuǎn) A 軸 Z 軸聯(lián)動(dòng)再次從轉(zhuǎn)子一端銑削到另一端，采用往復(fù)銑削直到完成整個(gè)轉(zhuǎn)子曲面，刀具路徑如圖 6 所示。繞軸線(xiàn)銑削原理為: 刀具在轉(zhuǎn)子曲面上 AZ 軸聯(lián)動(dòng)刀具繞 A 軸軸線(xiàn)銑削，銑削下一點(diǎn)位時(shí)移動(dòng) X 軸，再次 AZ 軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)銑削，采用往復(fù)銑削直到完成整個(gè)轉(zhuǎn)子曲面，刀具路徑如圖 7 所示。由于繞軸銑削需要 AZ 軸聯(lián)動(dòng)切削，而數(shù)控機(jī)床可以達(dá)到的進(jìn)給率是由*慢的軸決定的，所以，這種刀具路徑在精加工高速銑削時(shí)并不適用。

四軸加工中采用球頭銑刀，刀軸控制策略是提高加工效率和轉(zhuǎn)子曲面表面粗糙度的關(guān)鍵。如圖 8所示，刀軸控制策略有常見(jiàn)的刀軸過(guò)軸線(xiàn)、側(cè)傾角、刀軸平行于軸線(xiàn)。筆者采用平行軸線(xiàn)銑削加工方式對(duì)這 3 種刀軸控制策略進(jìn)行實(shí)際加工對(duì)比，得出采用側(cè)傾角刀軸控制策略加工出的轉(zhuǎn)子曲面表面粗糙度*好。其原因主要由于刀軸平行于軸線(xiàn)這種刀軸控制策略采用球頭銑刀加工時(shí)，其刀具切削轉(zhuǎn)子曲面時(shí)的接觸點(diǎn)為刀具的頂部，球頭銑刀的頂部直徑為零，線(xiàn)速度也為零。此時(shí)刀具是在擠壓工件，刀具頂部也容易磨損。刀軸過(guò)軸線(xiàn)策略雖然刀具與轉(zhuǎn)子曲面的接觸點(diǎn)一直在變換，但是也有刀位點(diǎn)是采用刀具頂部去切削。側(cè)前傾角刀軸控制策略: 控制刀具與轉(zhuǎn)子曲面接觸點(diǎn)的位置，避免球頭銑刀頂部銑削轉(zhuǎn)子曲面，實(shí)現(xiàn)刀尖的點(diǎn)的偏離，提高刀具切削點(diǎn)的線(xiàn)速度。球頭銑刀頂部切削和非頂部切削如圖 9 所示。

3. 2 三葉轉(zhuǎn)子 CAM 編程過(guò)程
SolidCAM 軟件四軸加工具有多軸粗精銑、豐富的刀軸控制策略、刀具碰撞及干涉檢查、多軸機(jī)床仿真、生成數(shù)控機(jī)床 NC 代碼等功能。此處筆者以SolidCAM 多軸加工中的垂直于曲線(xiàn)加工策略為例闡述粗精加工編程過(guò)程。*一步: 加載 Solidworks三維模型并設(shè)置軟件四軸加工環(huán)境; *二步: 添加刀具，粗加工采用直徑為 10mm 的立銑刀，精加工采用直徑為 6mm 的球頭銑刀; *三步: 創(chuàng)建粗加工程序，打開(kāi)多軸加工中的垂直于曲線(xiàn)加工; *四步: “驅(qū)動(dòng)曲面”選擇三葉轉(zhuǎn)子曲面，“引導(dǎo)曲線(xiàn)”選擇三葉轉(zhuǎn)子截面輪廓，將驅(qū)動(dòng)曲面余量設(shè)置為 0. 2mm;*五步: 選擇已添加的立銑刀，并設(shè)置刀具切削參數(shù); *六步: 設(shè)置切削步距為 1mm、旋轉(zhuǎn)軸為 X 軸;*七步: 計(jì)算刀具路徑，完成粗加工程序; *八步:拷貝粗加工操作過(guò)程，驅(qū)動(dòng)曲面余量更改為 0mm，刀具更改為直徑為 6mm 的精加工球頭銑刀，切削步距更改為 0. 25mm; *九步: 設(shè)置刀軸控制方向?yàn)橄鄬?duì)切削方向傾斜，側(cè)傾角為 15°; *十步: 將曲面的切削公差設(shè)置為 0. 005mm( 控制三葉轉(zhuǎn)子曲面輪廓度誤差) ，計(jì)算刀具路徑; *十一步: 對(duì)粗精加工刀具路徑操作進(jìn)行三維模擬仿真，觀察刀具軌跡是否正確，并生成 G 代碼。
3. 3 三葉轉(zhuǎn)子曲面尺寸控制
天然氣流量計(jì)中的兩對(duì)轉(zhuǎn)子嚙合間隙尺寸非常重要，定出合理的嚙合間隙需要加工多種轉(zhuǎn)子尺寸進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。實(shí)際加工常用的尺寸控制方法有兩種: 一種是通過(guò)電腦 CAM 軟件進(jìn)行調(diào)整加工尺寸，在 SolidCAM 軟件中通過(guò)更改驅(qū)動(dòng)曲面余量尺寸，即可調(diào)整轉(zhuǎn)子尺寸，這種方法更改時(shí)要重新生成加工 G 代碼導(dǎo)入到機(jī)床進(jìn)行加工，機(jī)床與電腦聯(lián)網(wǎng)時(shí)會(huì)考慮采用這種方式; 另一種是通過(guò)數(shù)控機(jī)床控制器補(bǔ)償，在 CAM 軟件生成 G 代碼時(shí)需加入 G43刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償指令，加工時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)子尺寸時(shí)只需要更改數(shù)控機(jī)床上的刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值。
4 結(jié)語(yǔ)
本文分析了三葉轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，編制了加工工藝過(guò)程，設(shè)計(jì)的三葉轉(zhuǎn)子工裝方便裝夾、操作簡(jiǎn)單，同時(shí)運(yùn)用 CAM 軟件合理選擇加工策略，詳細(xì)講解了使用球頭銑刀在多軸加工中設(shè)置側(cè)傾角可以避免刀具線(xiàn)速度為零的問(wèn)題。這些加工工藝、工裝、尺寸控制方法、編程技巧只要稍做改變就能應(yīng)用于天然氣流量計(jì)中的兩葉轉(zhuǎn)子、三葉螺旋轉(zhuǎn)子，提高新產(chǎn)品研發(fā)試制周期。

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