關於蒸汽孔板流量計的工藝路線分析與加工（gōng）
點擊次數：2183 發（fā）布時間：2021-01-07 15:04:31
摘要：針（zhēn）對蒸（zhēng）汽孔板（bǎn）流量計內部的一種三葉擺線轉子，采用加工（gōng）中心四軸銑（xǐ）削技術。通過三葉擺線轉子組（zǔ）件的結構基於立式加工中心四軸設備設計（jì）了一種能夠（gòu）方（fāng）便裝夾轉子的工裝，並利用 SolidCAM 軟件（jiàn）多軸加工策略，用常規標準立銑刀和球（qiú）頭銑刀完成轉子的粗精加工。結合擺線轉子的線型特征，比較了多種四軸銑（xǐ）削轉子精加（jiā）工刀具（jù）路（lù）徑的優缺點。以提高表麵粗糙度與加工效率（lǜ）為目的，選擇了一種（zhǒng）通（tōng）過垂直於曲線並（bìng）擺動球頭銑刀刀具側傾角（jiǎo）的多軸銑（xǐ）削刀具路徑。
引言
蒸汽孔板流量計廣泛應用於油田、化工、城市燃氣等（děng）流量計量裝置，其基表結構主（zhǔ）要由殼體、轉 子、端板和同步（bù）齒輪等零部件組成，其中核心零部件（jiàn）轉子的（de）線型、葉片頭數、形狀和加工精度都會（huì）直（zhí）接（jiē）影響蒸汽孔板流量計的流量範圍度、壓差、噪（zào）聲和計量準確度等工作性能。
目前國（guó）內外蒸汽孔板（bǎn）流量計大部分采用兩直葉轉子，線型大致（zhì）有漸開線型、內外擺線型和圓弧線型等。由於設計三葉轉子和扭（niǔ）葉轉子對工程師的（de）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蒸（zhēng）汽孔板流量（liàng）計中（zhōng）應用的很少。本（běn）文通過我們研發的一種三葉轉子蒸汽（qì）孔板流量計的工作性能，以三葉轉子（zǐ）的四軸加工為（wéi）例，提出一種（zhǒng）能夠滿足單件或小批（pī）量試製加工（gōng）使用的轉（zhuǎn）子工裝，介（jiè）紹 SolidCAM 中的一種多軸加工策略，以（yǐ）提高三葉轉子的研發試製水平（píng）。
1 工藝路線分析
蒸汽孔板流（liú）量計作為容（róng）積式計（jì）量儀表，由於在實際計量中存在一定的泄漏量（liàng），需控製兩根轉子之（zhī）間的間隙、轉子與端板的（de）間隙、轉子與殼體的間隙，所以其轉子（zǐ）有著非常高（gāo）的加工精度。三葉蒸汽孔（kǒng）板流量計結構如圖 1 所示，三葉轉子組件結構如圖2 所示。兩（liǎng）端軸的不鏽鋼（gāng）材料使（shǐ）用氣動壓力機（jī）以（yǐ）過盈配合壓入轉子中（zhōng），轉子為 6061#鋁材（cái）。由於隻是測試三葉轉子的工作性能，為降低研發成本，直接使用圓形棒料作為轉子毛坯，根據三葉轉子組件結構及加（jiā）工部位精度要求（qiú）分析加工工藝路線。
工藝（yì）路線及要求:
1) 工序 10: 采用四軸臥式加工中心（xīn），使用 V 型塊和壓板固（gù）定轉子毛坯( 圓形（xíng）棒料) ，鑽出 3 個均勻分布的孔以減輕轉子重（chóng）量，留 5mm 不（bú）鑽通，加工成M5 螺紋孔，銑出一條找正平麵，再（zài）加工轉子（zǐ）兩端麵和壓軸孔，保證轉子長度、兩端平行度、平麵度，兩端壓軸孔的同軸度（dù）、壓軸孔和兩端平麵的垂直度。
2) 工序 20: 采用氣動壓力機（jī）將（jiāng）軸Ⅰ壓入轉子。完成轉子組件半成品如圖 3 所示。
3) 工序 30: 采用（yòng）四軸立式加工中心，使用專用工裝裝夾固定銑削轉子曲麵（miàn）( 截麵輪廓) 。
4) 工序 40: 采用氣動壓力機將直軸壓入轉子（zǐ），完（wán）成（chéng）轉（zhuǎn）子組件。
2 三葉轉子四軸（zhóu）加工工裝
目前量產中的轉子都是型材毛坯，采用成（chéng）型砂輪磨削或者定製成型銑刀進行加工轉（zhuǎn）子曲（qǔ）麵。這種加工方式工藝成熟，適合大批量生產，而且有利於轉（zhuǎn）子線型的技術保密，但加工方式在研發試製中應（yīng）用試製加工周期（qī）會很長，而且成本很高（gāo），不適合單件或小批量試製（zhì）。為此，筆者基於四軸立式加（jiā）工中（zhōng）心，結合三葉轉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中心上，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剛性避免切削時產（chǎn）生震顫。
3 數控（kòng）加工
3. 1 三葉轉子（zǐ）銑削原（yuán）理
三（sān）葉轉（zhuǎn）子的曲麵是（shì）由多條直線組成的直紋麵，加工三葉轉子（zǐ）這種高（gāo）精度的直紋曲麵必須采用四軸或五軸聯動的數控機床。三（sān）葉轉（zhuǎn）子的銑削方式有（yǒu）刀具路徑平行軸線（xiàn）銑削、繞軸線銑（xǐ）削兩種刀具路徑。平行軸線銑削（xuē）原理為: 刀具在轉子（zǐ）曲麵上沿（yán） X軸（zhóu）從轉子的一端移動到另一端銑出（chū）一（yī）條直線，銑削下一點位時（shí）旋（xuán）轉 A 軸 Z 軸聯動再次從轉子一端銑削（xuē）到（dào）另一端，采用往複（fù）銑削直到完成整個轉（zhuǎn）子曲麵，刀（dāo）具路徑如圖 6 所示。繞軸線銑削原理為: 刀具在轉子曲麵（miàn）上 AZ 軸聯動刀具繞 A 軸軸線銑削，銑削下一點位時移動 X 軸，再次 AZ 軸進行聯動銑削，采用往複銑削直到（dào）完成整個轉子（zǐ）曲麵，刀具路徑如圖 7 所示。由於繞軸銑削需要 AZ 軸聯動切削（xuē），而數控機床可以達（dá）到的進給率（lǜ）是由*慢的軸決定的，所以，這種刀（dāo）具路徑在精加工高速銑削時並不適用。
四軸加工中采用球頭銑刀，刀軸控製策（cè）略是提高加（jiā）工效率和轉子曲麵（miàn）表麵粗糙度的（de）關鍵。如圖 8所示，刀軸控製策略有常見的刀軸過軸線、側傾角、刀（dāo）軸平行於軸線。筆者采用平行軸線銑削加工方式對這 3 種刀（dāo）軸（zhóu）控製策略進行實際加工對比，得出采用側傾角刀軸（zhóu）控（kòng）製策略（luè）加工出的（de）轉子（zǐ）曲麵表麵粗糙度*好。其原因主要由於刀軸平行於軸線（xiàn）這種刀軸控製策略采用球頭銑刀加工時，其刀具切削轉子曲麵時（shí）的接觸點為刀具的頂部，球頭銑刀的頂部直徑為零，線速度也為零。此時刀具是在擠壓工件，刀具頂部也容易磨損。刀軸過軸線策略雖然刀具與轉（zhuǎn）子曲（qǔ）麵的接（jiē）觸點一直在變換，但是也有（yǒu）刀位點是采用（yòng）刀具（jù）頂部去切削。側（cè）前傾（qīng）角刀軸控製策（cè）略: 控製（zhì）刀（dāo）具與轉（zhuǎn）子曲麵接觸（chù）點（diǎn）的（de）位置，避免球頭銑刀頂部銑削轉子曲（qǔ）麵，實現刀尖的點的偏離，提高刀具切削點的線（xiàn）速度。球頭銑刀頂部切削和非（fēi）頂部切削如圖（tú） 9 所（suǒ）示。
3. 2 三葉轉子 CAM 編程過程
SolidCAM 軟件四軸加工具有（yǒu）多（duō）軸（zhóu）粗精銑、豐富的刀軸控製策（cè）略、刀具碰撞及幹涉檢查、多軸機床仿真（zhēn）、生成數控機床 NC 代碼等功能。此處筆者以SolidCAM 多軸加工中的垂直於曲線加（jiā）工策（cè）略為例闡述粗精加工編程過程。*一步: 加載 Solidworks三維模型並設置軟件四軸加工環境; *二步（bù）: 添加刀具，粗加工（gōng）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（dǎ）開多（duō）軸加工中的垂直於曲線加工; *四步: “驅動曲麵”選擇三葉轉子曲麵，“引導曲線”選擇三葉轉子截麵輪廓，將驅動曲麵餘量設置為 0. 2mm;*五步: 選擇已添加的立銑刀，並設（shè）置刀具切（qiē）削參數; *六步: 設置切削步（bù）距為 1mm、旋轉軸為 X 軸;*七步: 計算刀具路徑，完成粗加工程序; *八步:拷貝粗加工操作過程，驅動曲麵餘量更改為（wéi） 0mm，刀具（jù）更改為直徑為 6mm 的精加（jiā）工球頭銑刀，切（qiē）削步距更改為（wéi） 0. 25mm; *九步（bù）: 設（shè）置刀軸控製方向為相對切削方向傾斜，側傾角為 15°; *十步（bù）: 將曲麵的切（qiē）削（xuē）公差設置為 0. 005mm( 控製（zhì）三葉轉子曲麵輪（lún）廓度誤差) ，計算刀具路徑; *十一步: 對粗精加工刀具路徑操（cāo）作（zuò）進行三維模擬仿真，觀察刀具軌跡是否正確，並生成 G 代碼。
3. 3 三葉轉子曲麵尺寸控製
蒸（zhēng）汽孔板流量計中的兩對轉子（zǐ）齧合間隙尺寸非常重要，定（dìng）出合理的齧合間隙需要加工多種轉子尺寸進行測試驗證（zhèng）。實際加工常用的尺寸控製方法有兩種: 一種是通過電腦 CAM 軟件進行（háng）調整加工尺寸（cùn），在 SolidCAM 軟件中通（tōng）過更改驅動曲麵餘量尺寸，即可（kě）調整轉子尺寸，這種方法更改時要重新（xīn）生成加（jiā）工 G 代碼（mǎ）導（dǎo）入到機床進（jìn）行（háng）加工，機床與電腦聯網時會考慮采用這種方式（shì）; 另一種是通過數控（kòng）機床控製器補償，在 CAM 軟件生（shēng）成 G 代碼時需加入 G43刀具長度補償指令，加工時調（diào）整轉子尺（chǐ）寸時隻需要更改數控機床上的刀具長度補償值（zhí）。
4 結語
本（běn）文分析了三葉轉子（zǐ）的結構，編製了加工工藝過程，設計的三葉（yè）轉子工裝方便（biàn）裝夾、操作簡單，同時運（yùn）用 CAM 軟件合（hé）理選擇加工策略，詳細講解了使用球頭（tóu）銑刀在多（duō）軸加工中設置側傾角可（kě）以避免刀具線速度為（wéi）零的問題。這些加工（gōng）工藝、工裝、尺寸控製（zhì）方法、編程技巧隻要稍做改變就能（néng）應用於蒸汽孔板流量計中的兩葉轉子、三葉螺旋（xuán）轉子，提高新產品（pǐn）研發試製周（zhōu）期。
引言
蒸汽孔板流量計廣泛應用於油田、化工、城市燃氣等（děng）流量計量裝置，其基表結構主（zhǔ）要由殼體、轉 子、端板和同步（bù）齒輪等零部件組成，其中核心零部件（jiàn）轉子的（de）線型、葉片頭數、形狀和加工精度都會（huì）直（zhí）接（jiē）影響蒸汽孔板流量計的流量範圍度、壓差、噪（zào）聲和計量準確度等工作性能。
目前國（guó）內外蒸汽孔板（bǎn）流量計大部分采用兩直葉轉子，線型大致（zhì）有漸開線型、內外擺線型和圓弧線型等。由於設計三葉轉子和扭（niǔ）葉轉子對工程師的（de）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蒸（zhēng）汽孔板流量（liàng）計中（zhōng）應用的很少。本（běn）文通過我們研發的一種三葉轉子蒸汽（qì）孔板流量計的工作性能，以三葉轉子（zǐ）的四軸加工為（wéi）例，提出一種（zhǒng）能夠滿足單件或小批（pī）量試製加工（gōng）使用的轉（zhuǎn）子工裝，介（jiè）紹 SolidCAM 中的一種多軸加工策略，以（yǐ）提高三葉轉子的研發試製水平（píng）。
1 工藝路線分析
蒸汽孔板流（liú）量計作為容（róng）積式計（jì）量儀表，由於在實際計量中存在一定的泄漏量（liàng），需控製兩根轉子之（zhī）間的間隙、轉子與端板的（de）間隙、轉子與殼體的間隙，所以其轉子（zǐ）有著非常高（gāo）的加工精度。三葉蒸汽孔（kǒng）板流量計結構如圖 1 所示，三葉轉子組件結構如圖2 所示。兩（liǎng）端軸的不鏽鋼（gāng）材料使（shǐ）用氣動壓力機（jī）以（yǐ）過盈配合壓入轉子中（zhōng），轉子為 6061#鋁材（cái）。由於隻是測試三葉轉子的工作性能，為降低研發成本，直接使用圓形棒料作為轉子毛坯，根據三葉轉子組件結構及加（jiā）工部位精度要求（qiú）分析加工工藝路線。
工藝（yì）路線及要求:
1) 工序 10: 采用四軸臥式加工中心（xīn），使用 V 型塊和壓板固（gù）定轉子毛坯( 圓形（xíng）棒料) ，鑽出 3 個均勻分布的孔以減輕轉子重（chóng）量，留 5mm 不（bú）鑽通，加工成M5 螺紋孔，銑出一條找正平麵，再（zài）加工轉子（zǐ）兩端麵和壓軸孔，保證轉子長度、兩端平行度、平麵度，兩端壓軸孔的同軸度（dù）、壓軸孔和兩端平麵的垂直度。
2) 工序 20: 采用氣動壓力機（jī）將（jiāng）軸Ⅰ壓入轉子。完成轉子組件半成品如圖 3 所示。
3) 工序 30: 采用（yòng）四軸立式加工中心，使用專用工裝裝夾固定銑削轉子曲麵（miàn）( 截麵輪廓) 。
4) 工序 40: 采用氣動壓力機將直軸壓入轉子（zǐ），完（wán）成（chéng）轉（zhuǎn）子組件。
2 三葉轉子四軸（zhóu）加工工裝
目前量產中的轉子都是型材毛坯，采用成（chéng）型砂輪磨削或者定製成型銑刀進行加工轉（zhuǎn）子曲（qǔ）麵。這種加工方式工藝成熟，適合大批量生產，而且有利於轉（zhuǎn）子線型的技術保密，但加工方式在研發試製中應（yīng）用試製加工周期（qī）會很長，而且成本很高（gāo），不適合單件或小批量試製（zhì）。為此，筆者基於四軸立式加（jiā）工中（zhōng）心，結合三葉轉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中心上，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剛性避免切削時產（chǎn）生震顫。
3 數控（kòng）加工
3. 1 三葉轉子（zǐ）銑削原（yuán）理
三（sān）葉轉（zhuǎn）子的曲麵是（shì）由多條直線組成的直紋麵，加工三葉轉子（zǐ）這種高（gāo）精度的直紋曲麵必須采用四軸或五軸聯動的數控機床。三（sān）葉轉（zhuǎn）子的銑削方式有（yǒu）刀具路徑平行軸線（xiàn）銑削、繞軸線銑（xǐ）削兩種刀具路徑。平行軸線銑削（xuē）原理為: 刀具在轉子（zǐ）曲麵上沿（yán） X軸（zhóu）從轉子的一端移動到另一端銑出（chū）一（yī）條直線，銑削下一點位時（shí）旋（xuán）轉 A 軸 Z 軸聯動再次從轉子一端銑削（xuē）到（dào）另一端，采用往複（fù）銑削直到完成整個轉（zhuǎn）子曲麵，刀（dāo）具路徑如圖 6 所示。繞軸線銑削原理為: 刀具在轉子曲麵（miàn）上 AZ 軸聯動刀具繞 A 軸軸線銑削，銑削下一點位時移動 X 軸，再次 AZ 軸進行聯動銑削，采用往複銑削直到（dào）完成整個轉子（zǐ）曲麵，刀具路徑如圖 7 所示。由於繞軸銑削需要 AZ 軸聯動切削（xuē），而數控機床可以達（dá）到的進給率（lǜ）是由*慢的軸決定的，所以，這種刀（dāo）具路徑在精加工高速銑削時並不適用。
四軸加工中采用球頭銑刀，刀軸控製策（cè）略是提高加（jiā）工效率和轉子曲麵（miàn）表麵粗糙度的（de）關鍵。如圖 8所示，刀軸控製策略有常見的刀軸過軸線、側傾角、刀（dāo）軸平行於軸線。筆者采用平行軸線銑削加工方式對這 3 種刀（dāo）軸（zhóu）控製策略進行實際加工對比，得出采用側傾角刀軸（zhóu）控（kòng）製策略（luè）加工出的（de）轉子（zǐ）曲麵表麵粗糙度*好。其原因主要由於刀軸平行於軸線（xiàn）這種刀軸控製策略采用球頭銑刀加工時，其刀具切削轉子曲麵時（shí）的接觸點為刀具的頂部，球頭銑刀的頂部直徑為零，線速度也為零。此時刀具是在擠壓工件，刀具頂部也容易磨損。刀軸過軸線策略雖然刀具與轉（zhuǎn）子曲（qǔ）麵的接（jiē）觸點一直在變換，但是也有（yǒu）刀位點是采用（yòng）刀具（jù）頂部去切削。側（cè）前傾（qīng）角刀軸控製策（cè）略: 控製（zhì）刀（dāo）具與轉（zhuǎn）子曲麵接觸（chù）點（diǎn）的（de）位置，避免球頭銑刀頂部銑削轉子曲（qǔ）麵，實現刀尖的點的偏離，提高刀具切削點的線（xiàn）速度。球頭銑刀頂部切削和非（fēi）頂部切削如圖（tú） 9 所（suǒ）示。
3. 2 三葉轉子 CAM 編程過程
SolidCAM 軟件四軸加工具有（yǒu）多（duō）軸（zhóu）粗精銑、豐富的刀軸控製策（cè）略、刀具碰撞及幹涉檢查、多軸機床仿真（zhēn）、生成數控機床 NC 代碼等功能。此處筆者以SolidCAM 多軸加工中的垂直於曲線加（jiā）工策（cè）略為例闡述粗精加工編程過程。*一步: 加載 Solidworks三維模型並設置軟件四軸加工環境; *二步（bù）: 添加刀具，粗加工（gōng）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（dǎ）開多（duō）軸加工中的垂直於曲線加工; *四步: “驅動曲麵”選擇三葉轉子曲麵，“引導曲線”選擇三葉轉子截麵輪廓，將驅動曲麵餘量設置為 0. 2mm;*五步: 選擇已添加的立銑刀，並設（shè）置刀具切（qiē）削參數; *六步: 設置切削步（bù）距為 1mm、旋轉軸為 X 軸;*七步: 計算刀具路徑，完成粗加工程序; *八步:拷貝粗加工操作過程，驅動曲麵餘量更改為（wéi） 0mm，刀具（jù）更改為直徑為 6mm 的精加（jiā）工球頭銑刀，切（qiē）削步距更改為（wéi） 0. 25mm; *九步（bù）: 設（shè）置刀軸控製方向為相對切削方向傾斜，側傾角為 15°; *十步（bù）: 將曲麵的切（qiē）削（xuē）公差設置為 0. 005mm( 控製（zhì）三葉轉子曲麵輪（lún）廓度誤差) ，計算刀具路徑; *十一步: 對粗精加工刀具路徑操（cāo）作（zuò）進行三維模擬仿真，觀察刀具軌跡是否正確，並生成 G 代碼。
3. 3 三葉轉子曲麵尺寸控製
蒸（zhēng）汽孔板流量計中的兩對轉子（zǐ）齧合間隙尺寸非常重要，定（dìng）出合理的齧合間隙需要加工多種轉子尺寸進行測試驗證（zhèng）。實際加工常用的尺寸控製方法有兩種: 一種是通過電腦 CAM 軟件進行（háng）調整加工尺寸（cùn），在 SolidCAM 軟件中通（tōng）過更改驅動曲麵餘量尺寸，即可（kě）調整轉子尺寸，這種方法更改時要重新（xīn）生成加（jiā）工 G 代碼（mǎ）導（dǎo）入到機床進（jìn）行（háng）加工，機床與電腦聯網時會考慮采用這種方式（shì）; 另一種是通過數控（kòng）機床控製器補償，在 CAM 軟件生（shēng）成 G 代碼時需加入 G43刀具長度補償指令，加工時調（diào）整轉子尺（chǐ）寸時隻需要更改數控機床上的刀具長度補償值（zhí）。
4 結語
本（běn）文分析了三葉轉子（zǐ）的結構，編製了加工工藝過程，設計的三葉（yè）轉子工裝方便（biàn）裝夾、操作簡單，同時運（yùn）用 CAM 軟件合（hé）理選擇加工策略，詳細講解了使用球頭（tóu）銑刀在多（duō）軸加工中設置側傾角可（kě）以避免刀具線速度為（wéi）零的問題。這些加工（gōng）工藝、工裝、尺寸控製（zhì）方法、編程技巧隻要稍做改變就能（néng）應用於蒸汽孔板流量計中的兩葉轉子、三葉螺旋（xuán）轉子，提高新產品（pǐn）研發試製周（zhōu）期。