氫氣流量計三（sān）葉（yè）轉子四軸加工技術研究
點擊次數（shù）：2085 發（fā）布時間：2021-01-08 05:38:29
摘要：針對氫氣流量計內部的一種三（sān）葉擺線轉子，采用加（jiā）工（gōng）中心四軸銑削技術。通過三葉擺線轉子組件（jiàn）的結構基（jī）於立式加工中心四軸設備設計了（le）一種能（néng）夠方便裝夾轉子（zǐ）的工裝，並（bìng）利用（yòng） SolidCAM 軟件多軸加工策略，用（yòng）常規標（biāo）準立銑（xǐ）刀（dāo）和球頭銑刀完成轉子的粗（cū）精加工。結合擺線（xiàn）轉子的線型特征，比較了（le）多種四軸銑削轉子精加工刀具路徑的優缺點。以提高表麵（miàn）粗糙度與加工（gōng）效率為目的，選（xuǎn）擇了（le）一種通過垂直於曲線並擺動（dòng）球頭銑刀刀具側傾角的多軸銑削刀具路徑。
引言
氫氣流量計廣泛應用於油田（tián）、化工、城市燃氣等流量計量裝置，其基表結構主要由殼體、轉 子、端板和同步齒輪等零部件（jiàn）組成，其中核心零部件轉子的線型、葉片頭數、形（xíng）狀和加工精度都會直接影響氫氣流量（liàng）計的流量範圍度、壓差、噪聲和計量（liàng）準確度等工作性能。
目（mù）前國內外氫氣流量計大部（bù）分采用兩直葉轉子，線型大致有漸開線型（xíng）、內外擺線型和圓弧線型等。由於設（shè）計三葉轉子和扭葉轉子對工（gōng）程師的專業知識和數學有著較高的要求，而且加工工藝性能也低於兩葉轉子，所以，三葉轉子和扭葉轉子在實際的氫氣流量（liàng）計中應用的很少。本文通過我們研發的一（yī）種三葉轉子氫氣流量計的工作性能，以三葉轉子的四軸加工為例，提出一種能夠滿足單件或小批量試製加工使用的轉子工裝，介紹 SolidCAM 中的一種多軸加（jiā）工策略，以提高（gāo）三葉轉子的研發試製水平。
1 工藝路線分析
氫氣流量計作為容積式計量儀表，由於在實（shí）際計量中存在一定的泄（xiè）漏量，需控製兩根轉子之間的間隙、轉子（zǐ）與端板的間隙、轉子與殼體的間隙，所（suǒ）以其轉子有著（zhe）非常高的加工精度（dù）。三葉氫氣流量計結構如圖 1 所示，三葉轉（zhuǎn）子組件結構如圖（tú）2 所示。兩端軸的不（bú）鏽鋼材料使用氣動（dòng）壓力機以過盈配合壓入轉子（zǐ）中，轉子為 6061#鋁材。由（yóu）於隻是測（cè）試三葉轉子的工（gōng）作性能，為降低研發（fā）成本，直（zhí）接使用圓形棒料（liào）作為轉（zhuǎn）子毛（máo）坯，根據三葉轉（zhuǎn）子組（zǔ）件結構及加工部位精度要求分析加工工藝路線。
工藝（yì）路線及要求:
1) 工序 10: 采用四軸臥式加（jiā）工中（zhōng）心，使用 V 型塊和壓板固定轉（zhuǎn）子毛坯（pī）( 圓形棒料) ，鑽出 3 個均（jun1）勻分布（bù）的孔以減輕轉子重量，留 5mm 不鑽通，加工成M5 螺紋孔，銑出一條找正平麵，再加工轉子兩端麵和壓軸孔，保證轉子長度、兩端平行度、平（píng）麵度（dù），兩端（duān）壓軸孔的同軸度、壓軸孔和（hé）兩端平麵的垂直度。
2) 工（gōng）序 20: 采用氣動（dòng）壓力機將軸Ⅰ壓入轉子。完成轉子組件半成品如圖 3 所（suǒ）示。
3) 工序 30: 采用四軸立式加工中心，使（shǐ）用專用工裝裝（zhuāng）夾固定銑削轉子曲麵( 截麵輪廓) 。
4) 工序 40: 采用氣動壓力機將直軸壓入轉子，完成轉子組件。
2 三葉轉（zhuǎn）子四軸加工工裝
目前量產中（zhōng）的轉子都是型材毛坯，采用成型砂輪磨削或（huò）者（zhě）定製（zhì）成型銑刀進行加工轉子曲麵。這種加工方式工藝成熟，適合大批量生（shēng）產，而且有利於轉子線型的（de）技（jì）術保密，但加工方（fāng）式在研發試（shì）製中應用試製加工周期會很（hěn）長，而且成本很高，不適合單件或小批量試製。為此（cǐ），筆者基於四軸立式加工中（zhōng）心，結合（hé）三葉轉子（zǐ）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（gōng）中（zhōng）心四軸回轉中（zhōng）心上，加工裝夾方式如圖 5 所（suǒ）示。用機床尾軸頂住轉子來增強加工（gōng）剛性避免切削（xuē）時產生震顫。
3 數控（kòng）加工
3. 1 三葉轉子銑削原理
三葉轉子的曲麵（miàn）是由多條直（zhí）線組成的直紋麵，加工三葉轉子這（zhè）種高精度的直（zhí）紋曲麵必須采（cǎi）用四軸或五軸聯動的數控機床。三葉轉子的銑削方式有刀具路徑平行軸線銑削、繞（rào）軸線銑削兩種刀具路徑。平行軸（zhóu）線銑削原（yuán）理（lǐ）為: 刀具在轉子曲麵上沿 X軸從轉子的一（yī）端移動到另一端（duān）銑出一條直線，銑削下一點位時旋轉 A 軸 Z 軸聯動再次從轉子一端銑削到另一端，采用往複銑削（xuē）直到完成整個轉子曲麵（miàn），刀具路徑如圖 6 所示。繞軸線銑削原理為: 刀（dāo）具在轉子曲麵上 AZ 軸聯動刀具繞 A 軸軸線銑削，銑削下一點位（wèi）時移動 X 軸，再次 AZ 軸進行聯動銑削，采用往複（fù）銑削直到完成整（zhěng）個轉子曲麵，刀具路徑（jìng）如圖 7 所示。由於繞軸銑削需要 AZ 軸聯動切削，而（ér）數控機床可以達到（dào）的進給率是由*慢的軸決定的，所以，這種刀具路徑在精加（jiā）工高速銑削時並不適用。
四軸加工中采用球（qiú）頭銑刀，刀軸控（kòng）製策略是提（tí）高加工效率和轉子曲麵表麵粗糙度的關鍵。如圖 8所示，刀軸控製策略（luè）有常見的刀軸過（guò）軸線、側傾（qīng）角、刀軸（zhóu）平行於軸線。筆者采用平行軸線銑（xǐ）削加工方式對這 3 種刀軸控製策略進行實際加（jiā）工對比（bǐ），得出采用側傾角刀（dāo）軸控（kòng）製策略加工出的轉子曲麵表（biǎo）麵粗糙度*好。其原因主要由於刀（dāo）軸平（píng）行於軸線這種刀軸控製策略（luè）采用球頭銑刀加工時，其刀具切削轉子曲麵時的接觸點（diǎn）為刀具的頂部，球（qiú）頭銑刀的頂部直徑為零，線速度也為零。此（cǐ）時刀具是在擠壓工件（jiàn），刀具頂部也（yě）容易磨損。刀軸過軸線策略雖然刀（dāo）具（jù）與轉子（zǐ）曲麵的接觸點一直在變換，但是也有刀位點是采用刀具頂部去（qù）切削。側前傾角（jiǎo）刀軸控製策略: 控製刀（dāo）具與轉子曲麵接觸點的位置，避免球頭銑刀頂部銑削轉子曲麵，實現刀尖的點的偏離，提高刀具切削（xuē）點的線速度。球頭銑（xǐ）刀頂部（bù）切削和非頂部切削如圖 9 所示。
3. 2 三葉（yè）轉子（zǐ） CAM 編程過程
SolidCAM 軟件（jiàn）四軸加工具有多軸（zhóu）粗精銑、豐富的刀軸控製（zhì）策略、刀具碰撞及幹涉（shè）檢查、多軸機床仿（fǎng）真、生成（chéng）數控機床 NC 代碼等（děng）功能。此處筆者以SolidCAM 多軸加工中的垂（chuí）直於曲線加（jiā）工策略為（wéi）例闡述（shù）粗精加工（gōng）編程過程。*一步: 加載 Solidworks三維模型並設置軟件四軸加工環境; *二步: 添加刀具，粗加工采用直徑為 10mm 的立銑（xǐ）刀，精加工采用直徑為 6mm 的球頭銑刀; *三步: 創建粗加工程序（xù），打開多軸加工中的垂直於曲線加（jiā）工; *四步: “驅動曲麵”選（xuǎn）擇三葉轉子曲（qǔ）麵（miàn），“引導（dǎo）曲線”選擇三葉轉子截麵輪廓，將驅動曲麵餘量設置為 0. 2mm;*五步: 選擇已添加的立銑（xǐ）刀，並設置刀具切（qiē）削參數; *六步: 設置切削步距（jù）為 1mm、旋轉軸為 X 軸;*七步: 計算刀具路徑，完成粗加工程序; *八步:拷貝粗加工操（cāo）作過程，驅動曲麵餘（yú）量更改為 0mm，刀具更（gèng）改（gǎi）為直徑為 6mm 的（de）精加工球頭銑刀，切削步距更改（gǎi）為 0. 25mm; *九步: 設（shè）置（zhì）刀軸控製方向為相對切削方向傾斜，側傾角為 15°; *十步: 將曲麵的切削公差設置為 0. 005mm( 控製（zhì）三葉轉子曲麵輪廓（kuò）度誤差（chà）) ，計算刀具路徑; *十一步: 對粗精（jīng）加工刀具路徑操（cāo）作進行三維模（mó）擬仿真，觀察刀具軌（guǐ）跡是否（fǒu）正確，並生成 G 代碼。
3. 3 三葉轉（zhuǎn）子曲麵尺寸控（kòng）製
氫氣流量計中的（de）兩對轉子齧合間隙尺寸非常重要，定出合理的齧合間隙（xì）需要加（jiā）工多種轉子尺寸進行測試驗證。實際加工常用的尺寸控（kòng）製方法有兩種: 一種（zhǒng）是通過（guò）電（diàn）腦 CAM 軟件（jiàn）進行（háng）調整加工尺寸，在 SolidCAM 軟件中通（tōng）過更（gèng）改驅動曲麵（miàn）餘量（liàng）尺寸，即可調整轉子尺寸，這種方法更改時要重新生成加（jiā）工 G 代碼導入到機床進行加工，機床與電腦聯網時會考慮采用這種（zhǒng）方式; 另（lìng）一種（zhǒng）是通過數控機床控製器補償，在 CAM 軟件生成（chéng） G 代碼時需加入 G43刀具長度補償指令，加工時調整轉子尺寸時隻需要更改數控機床上的刀具長度補（bǔ）償（cháng）值。
4 結語（yǔ）
本文分析了三（sān）葉轉子的結構，編製了加工工藝過程，設計的三葉轉子工裝方（fāng）便裝夾、操作簡單，同（tóng）時運用 CAM 軟件合理選擇加工策略，詳細講解了使用球頭銑刀在（zài）多軸加工中設置（zhì）側傾角可以避免刀具線速度為零的問題。這些加工工藝、工裝、尺寸控製方法（fǎ）、編程技巧隻要稍做改變就能應用於氫氣流量計中的兩葉轉（zhuǎn）子、三葉螺旋轉子，提高新產品研發試製周期。
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引言
氫氣流量計廣泛應用於油田（tián）、化工、城市燃氣等流量計量裝置，其基表結構主要由殼體、轉 子、端板和同步齒輪等零部件（jiàn）組成，其中核心零部件轉子的線型、葉片頭數、形（xíng）狀和加工精度都會直接影響氫氣流量（liàng）計的流量範圍度、壓差、噪聲和計量（liàng）準確度等工作性能。
目（mù）前國內外氫氣流量計大部（bù）分采用兩直葉轉子，線型大致有漸開線型（xíng）、內外擺線型和圓弧線型等。由於設（shè）計三葉轉子和扭葉轉子對工（gōng）程師的專業知識和數學有著較高的要求，而且加工工藝性能也低於兩葉轉子，所以，三葉轉子和扭葉轉子在實際的氫氣流量（liàng）計中應用的很少。本文通過我們研發的一（yī）種三葉轉子氫氣流量計的工作性能，以三葉轉子的四軸加工為例，提出一種能夠滿足單件或小批量試製加工使用的轉子工裝，介紹 SolidCAM 中的一種多軸加（jiā）工策略，以提高（gāo）三葉轉子的研發試製水平。
1 工藝路線分析
氫氣流量計作為容積式計量儀表，由於在實（shí）際計量中存在一定的泄（xiè）漏量，需控製兩根轉子之間的間隙、轉子（zǐ）與端板的間隙、轉子與殼體的間隙，所（suǒ）以其轉子有著（zhe）非常高的加工精度（dù）。三葉氫氣流量計結構如圖 1 所示，三葉轉（zhuǎn）子組件結構如圖（tú）2 所示。兩端軸的不（bú）鏽鋼材料使用氣動（dòng）壓力機以過盈配合壓入轉子（zǐ）中，轉子為 6061#鋁材。由（yóu）於隻是測（cè）試三葉轉子的工（gōng）作性能，為降低研發（fā）成本，直（zhí）接使用圓形棒料（liào）作為轉（zhuǎn）子毛（máo）坯，根據三葉轉（zhuǎn）子組（zǔ）件結構及加工部位精度要求分析加工工藝路線。
工藝（yì）路線及要求:
1) 工序 10: 采用四軸臥式加（jiā）工中（zhōng）心，使用 V 型塊和壓板固定轉（zhuǎn）子毛坯（pī）( 圓形棒料) ，鑽出 3 個均（jun1）勻分布（bù）的孔以減輕轉子重量，留 5mm 不鑽通，加工成M5 螺紋孔，銑出一條找正平麵，再加工轉子兩端麵和壓軸孔，保證轉子長度、兩端平行度、平（píng）麵度（dù），兩端（duān）壓軸孔的同軸度、壓軸孔和（hé）兩端平麵的垂直度。
2) 工（gōng）序 20: 采用氣動（dòng）壓力機將軸Ⅰ壓入轉子。完成轉子組件半成品如圖 3 所（suǒ）示。
3) 工序 30: 采用四軸立式加工中心，使（shǐ）用專用工裝裝（zhuāng）夾固定銑削轉子曲麵( 截麵輪廓) 。
4) 工序 40: 采用氣動壓力機將直軸壓入轉子，完成轉子組件。
2 三葉轉（zhuǎn）子四軸加工工裝
目前量產中（zhōng）的轉子都是型材毛坯，采用成型砂輪磨削或（huò）者（zhě）定製（zhì）成型銑刀進行加工轉子曲麵。這種加工方式工藝成熟，適合大批量生（shēng）產，而且有利於轉子線型的（de）技（jì）術保密，但加工方（fāng）式在研發試（shì）製中應用試製加工周期會很（hěn）長，而且成本很高，不適合單件或小批量試製。為此（cǐ），筆者基於四軸立式加工中（zhōng）心，結合（hé）三葉轉子（zǐ）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（gōng）中（zhōng）心四軸回轉中（zhōng）心上，加工裝夾方式如圖 5 所（suǒ）示。用機床尾軸頂住轉子來增強加工（gōng）剛性避免切削（xuē）時產生震顫。
3 數控（kòng）加工
3. 1 三葉轉子銑削原理
三葉轉子的曲麵（miàn）是由多條直（zhí）線組成的直紋麵，加工三葉轉子這（zhè）種高精度的直（zhí）紋曲麵必須采（cǎi）用四軸或五軸聯動的數控機床。三葉轉子的銑削方式有刀具路徑平行軸線銑削、繞（rào）軸線銑削兩種刀具路徑。平行軸（zhóu）線銑削原（yuán）理（lǐ）為: 刀具在轉子曲麵上沿 X軸從轉子的一（yī）端移動到另一端（duān）銑出一條直線，銑削下一點位時旋轉 A 軸 Z 軸聯動再次從轉子一端銑削到另一端，采用往複銑削（xuē）直到完成整個轉子曲麵（miàn），刀具路徑如圖 6 所示。繞軸線銑削原理為: 刀（dāo）具在轉子曲麵上 AZ 軸聯動刀具繞 A 軸軸線銑削，銑削下一點位（wèi）時移動 X 軸，再次 AZ 軸進行聯動銑削，采用往複（fù）銑削直到完成整（zhěng）個轉子曲麵，刀具路徑（jìng）如圖 7 所示。由於繞軸銑削需要 AZ 軸聯動切削，而（ér）數控機床可以達到（dào）的進給率是由*慢的軸決定的，所以，這種刀具路徑在精加（jiā）工高速銑削時並不適用。
四軸加工中采用球（qiú）頭銑刀，刀軸控（kòng）製策略是提（tí）高加工效率和轉子曲麵表麵粗糙度的關鍵。如圖 8所示，刀軸控製策略（luè）有常見的刀軸過（guò）軸線、側傾（qīng）角、刀軸（zhóu）平行於軸線。筆者采用平行軸線銑（xǐ）削加工方式對這 3 種刀軸控製策略進行實際加（jiā）工對比（bǐ），得出采用側傾角刀（dāo）軸控（kòng）製策略加工出的轉子曲麵表（biǎo）麵粗糙度*好。其原因主要由於刀（dāo）軸平（píng）行於軸線這種刀軸控製策略（luè）采用球頭銑刀加工時，其刀具切削轉子曲麵時的接觸點（diǎn）為刀具的頂部，球（qiú）頭銑刀的頂部直徑為零，線速度也為零。此（cǐ）時刀具是在擠壓工件（jiàn），刀具頂部也（yě）容易磨損。刀軸過軸線策略雖然刀（dāo）具（jù）與轉子（zǐ）曲麵的接觸點一直在變換，但是也有刀位點是采用刀具頂部去（qù）切削。側前傾角（jiǎo）刀軸控製策略: 控製刀（dāo）具與轉子曲麵接觸點的位置，避免球頭銑刀頂部銑削轉子曲麵，實現刀尖的點的偏離，提高刀具切削（xuē）點的線速度。球頭銑（xǐ）刀頂部（bù）切削和非頂部切削如圖 9 所示。
3. 2 三葉（yè）轉子（zǐ） CAM 編程過程
SolidCAM 軟件（jiàn）四軸加工具有多軸（zhóu）粗精銑、豐富的刀軸控製（zhì）策略、刀具碰撞及幹涉（shè）檢查、多軸機床仿（fǎng）真、生成（chéng）數控機床 NC 代碼等（děng）功能。此處筆者以SolidCAM 多軸加工中的垂（chuí）直於曲線加（jiā）工策略為（wéi）例闡述（shù）粗精加工（gōng）編程過程。*一步: 加載 Solidworks三維模型並設置軟件四軸加工環境; *二步: 添加刀具，粗加工采用直徑為 10mm 的立銑（xǐ）刀，精加工采用直徑為 6mm 的球頭銑刀; *三步: 創建粗加工程序（xù），打開多軸加工中的垂直於曲線加（jiā）工; *四步: “驅動曲麵”選（xuǎn）擇三葉轉子曲（qǔ）麵（miàn），“引導（dǎo）曲線”選擇三葉轉子截麵輪廓，將驅動曲麵餘量設置為 0. 2mm;*五步: 選擇已添加的立銑（xǐ）刀，並設置刀具切（qiē）削參數; *六步: 設置切削步距（jù）為 1mm、旋轉軸為 X 軸;*七步: 計算刀具路徑，完成粗加工程序; *八步:拷貝粗加工操（cāo）作過程，驅動曲麵餘（yú）量更改為 0mm，刀具更（gèng）改（gǎi）為直徑為 6mm 的（de）精加工球頭銑刀，切削步距更改（gǎi）為 0. 25mm; *九步: 設（shè）置（zhì）刀軸控製方向為相對切削方向傾斜，側傾角為 15°; *十步: 將曲麵的切削公差設置為 0. 005mm( 控製（zhì）三葉轉子曲麵輪廓（kuò）度誤差（chà）) ，計算刀具路徑; *十一步: 對粗精（jīng）加工刀具路徑操（cāo）作進行三維模（mó）擬仿真，觀察刀具軌（guǐ）跡是否（fǒu）正確，並生成 G 代碼。
3. 3 三葉轉（zhuǎn）子曲麵尺寸控（kòng）製
氫氣流量計中的（de）兩對轉子齧合間隙尺寸非常重要，定出合理的齧合間隙（xì）需要加（jiā）工多種轉子尺寸進行測試驗證。實際加工常用的尺寸控（kòng）製方法有兩種: 一種（zhǒng）是通過（guò）電（diàn）腦 CAM 軟件（jiàn）進行（háng）調整加工尺寸，在 SolidCAM 軟件中通（tōng）過更（gèng）改驅動曲麵（miàn）餘量（liàng）尺寸，即可調整轉子尺寸，這種方法更改時要重新生成加（jiā）工 G 代碼導入到機床進行加工，機床與電腦聯網時會考慮采用這種（zhǒng）方式; 另（lìng）一種（zhǒng）是通過數控機床控製器補償，在 CAM 軟件生成（chéng） G 代碼時需加入 G43刀具長度補償指令，加工時調整轉子尺寸時隻需要更改數控機床上的刀具長度補（bǔ）償（cháng）值。
4 結語（yǔ）
本文分析了三（sān）葉轉子的結構，編製了加工工藝過程，設計的三葉轉子工裝方（fāng）便裝夾、操作簡單，同（tóng）時運用 CAM 軟件合理選擇加工策略，詳細講解了使用球頭銑刀在（zài）多軸加工中設置（zhì）側傾角可以避免刀具線速度為零的問題。這些加工工藝、工裝、尺寸控製方法（fǎ）、編程技巧隻要稍做改變就能應用於氫氣流量計中的兩葉轉（zhuǎn）子、三葉螺旋轉子，提高新產品研發試製周期。
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