氫氣流量計三葉轉子四軸加工技術研究
點擊次數：2494 發布時間：2021-01-08 05:38:29
摘要：針對氫氣流量計內部的一種三葉擺線轉子，采用加工中心四軸銑削技術。通過三葉擺線轉子組件的結構基于立式加工中心四軸設備設計了一種能夠方便裝夾轉子的工裝，并利用 SolidCAM 軟件多軸加工策略，用常規標準立銑刀和球頭銑刀完成轉子的粗精加工。結合擺線轉子的線型特征，比較了多種四軸銑削轉子精加工刀具路徑的優缺點。以提高表面粗糙度與加工效率為目的，選擇了一種通過垂直于曲線并擺動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于油田、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組成，其中核心零部件轉子的線型、葉片頭數、形狀和加工精度都會直接影響氫氣流量計的流量范圍度、壓差、噪聲和計量準確度等工作性能。
目前國內外氫氣流量計大部分采用兩直葉轉子，線型大致有漸開線型、內外擺線型和圓弧線型等。由于設計三葉轉子和扭葉轉子對工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于兩葉轉子，所以，三葉轉子和扭葉轉子在實際的氫氣流量計中應用的很少。本文通過我們研發的一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制加工使用的轉子工裝，介紹 SolidCAM 中的一種多軸加工策略，以提高三葉轉子的研發試制水平。
1 工藝路線分析
氫氣流量計作為容積式計量儀表，由于在實際計量中存在一定的泄漏量，需控制兩根轉子之間的間隙、轉子與端板的間隙、轉子與殼體的間隙，所以其轉子有著非常高的加工精度。三葉氫氣流量計結構如圖 1 所示，三葉轉子組件結構如圖2 所示。兩端軸的不銹鋼材料使用氣動壓力機以過盈配合壓入轉子中，轉子為 6061#鋁材。由于只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工部位精度要求分析加工工藝路線。
工藝路線及要求:
1) 工序 10: 采用四軸臥式加工中心，使用 V 型塊和壓板固定轉子毛坯( 圓形棒料) ，鉆出 3 個均勻分布的孔以減輕轉子重量，留 5mm 不鉆通，加工成M5 螺紋孔，銑出一條找正平面，再加工轉子兩端面和壓軸孔，保證轉子長度、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: 采用氣動壓力機將軸Ⅰ壓入轉子。完成轉子組件半成品如圖 3 所示。
3) 工序 30: 采用四軸立式加工中心，使用專用工裝裝夾固定銑削轉子曲面( 截面輪廓) 。
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 三葉轉子四軸加工工裝
目前量產中的轉子都是型材毛坯，采用成型砂輪磨削或者定制成型銑刀進行加工轉子曲面。這種加工方式工藝成熟，適合大批量生產，而且有利于轉子線型的技術保密，但加工方式在研發試制中應用試制加工周期會很長，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 所示。用機床尾軸頂住轉子來增強加工剛性避免切削時產生震顫。
3 數控加工
3. 1 三葉轉子銑削原理
三葉轉子的曲面是由多條直線組成的直紋面，加工三葉轉子這種高精度的直紋曲面必須采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、繞軸線銑削兩種刀具路徑。平行軸線銑削原理為: 刀具在轉子曲面上沿 X軸從轉子的一端移動到另一端銑出一條直線，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，采用往復銑削直到完成整個轉子曲面，刀具路徑如圖 6 所示。繞軸線銑削原理為: 刀具在轉子曲面上 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，采用往復銑削直到完成整個轉子曲面，刀具路徑如圖 7 所示。由于繞軸銑削需要 AZ 軸聯動切削，而數控機床可以達到的進給率是由*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子曲面表面粗糙度的關鍵。如圖 8所示，刀軸控制策略有常見的刀軸過軸線、側傾角、刀軸平行于軸線。筆者采用平行軸線銑削加工方式對這 3 種刀軸控制策略進行實際加工對比，得出采用側傾角刀軸控制策略加工出的轉子曲面表面粗糙度*好。其原因主要由于刀軸平行于軸線這種刀軸控制策略采用球頭銑刀加工時，其刀具切削轉子曲面時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子曲面的接觸點一直在變換，但是也有刀位點是采用刀具頂部去切削。側前傾角刀軸控制策略: 控制刀具與轉子曲面接觸點的位置，避免球頭銑刀頂部銑削轉子曲面，實現刀尖的點的偏離，提高刀具切削點的線速度。球頭銑刀頂部切削和非頂部切削如圖 9 所示。
3. 2 三葉轉子 CAM 編程過程
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、多軸機床仿真、生成數控機床 NC 代碼等功能。此處筆者以SolidCAM 多軸加工中的垂直于曲線加工策略為例闡述粗精加工編程過程。*一步: 加載 Solidworks三維模型并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 的立銑刀，精加工采用直徑為 6mm 的球頭銑刀; *三步: 創建粗加工程序，打開多軸加工中的垂直于曲線加工; *四步: “驅動曲面”選擇三葉轉子曲面，“引導曲線”選擇三葉轉子截面輪廓，將驅動曲面余量設置為 0. 2mm;*五步: 選擇已添加的立銑刀，并設置刀具切削參數; *六步: 設置切削步距為 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: 設置刀軸控制方向為相對切削方向傾斜，側傾角為 15°; *十步: 將曲面的切削公差設置為 0. 005mm( 控制三葉轉子曲面輪廓度誤差) ，計算刀具路徑; *十一步: 對粗精加工刀具路徑操作進行三維模擬仿真，觀察刀具軌跡是否正確，并生成 G 代碼。
3. 3 三葉轉子曲面尺寸控制
氫氣流量計中的兩對轉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子尺寸進行測試驗證。實際加工常用的尺寸控制方法有兩種: 一種是通過電腦 CAM 軟件進行調整加工尺寸，在 SolidCAM 軟件中通過更改驅動曲面余量尺寸，即可調整轉子尺寸，這種方法更改時要重新生成加工 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方式; 另一種是通過數控機床控制器補償，在 CAM 軟件生成 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只需要更改數控機床上的刀具長度補償值。
4 結語
本文分析了三葉轉子的結構，編制了加工工藝過程，設計的三葉轉子工裝方便裝夾、操作簡單，同時運用 CAM 軟件合理選擇加工策略，詳細講解了使用球頭銑刀在多軸加工中設置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、尺寸控制方法、編程技巧只要稍做改變就能應用于氫氣流量計中的兩葉轉子、三葉螺旋轉子，提高新產品研發試制周期。
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氫氣流量計廣泛應用于油田、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組成，其中核心零部件轉子的線型、葉片頭數、形狀和加工精度都會直接影響氫氣流量計的流量范圍度、壓差、噪聲和計量準確度等工作性能。
目前國內外氫氣流量計大部分采用兩直葉轉子，線型大致有漸開線型、內外擺線型和圓弧線型等。由于設計三葉轉子和扭葉轉子對工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于兩葉轉子，所以，三葉轉子和扭葉轉子在實際的氫氣流量計中應用的很少。本文通過我們研發的一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制加工使用的轉子工裝，介紹 SolidCAM 中的一種多軸加工策略，以提高三葉轉子的研發試制水平。
1 工藝路線分析
氫氣流量計作為容積式計量儀表，由于在實際計量中存在一定的泄漏量，需控制兩根轉子之間的間隙、轉子與端板的間隙、轉子與殼體的間隙，所以其轉子有著非常高的加工精度。三葉氫氣流量計結構如圖 1 所示，三葉轉子組件結構如圖2 所示。兩端軸的不銹鋼材料使用氣動壓力機以過盈配合壓入轉子中，轉子為 6061#鋁材。由于只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工部位精度要求分析加工工藝路線。
工藝路線及要求:
1) 工序 10: 采用四軸臥式加工中心，使用 V 型塊和壓板固定轉子毛坯( 圓形棒料) ，鉆出 3 個均勻分布的孔以減輕轉子重量，留 5mm 不鉆通，加工成M5 螺紋孔，銑出一條找正平面，再加工轉子兩端面和壓軸孔，保證轉子長度、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: 采用氣動壓力機將軸Ⅰ壓入轉子。完成轉子組件半成品如圖 3 所示。
3) 工序 30: 采用四軸立式加工中心，使用專用工裝裝夾固定銑削轉子曲面( 截面輪廓) 。
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 三葉轉子四軸加工工裝
目前量產中的轉子都是型材毛坯，采用成型砂輪磨削或者定制成型銑刀進行加工轉子曲面。這種加工方式工藝成熟，適合大批量生產，而且有利于轉子線型的技術保密，但加工方式在研發試制中應用試制加工周期會很長，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 所示。用機床尾軸頂住轉子來增強加工剛性避免切削時產生震顫。
3 數控加工
3. 1 三葉轉子銑削原理
三葉轉子的曲面是由多條直線組成的直紋面，加工三葉轉子這種高精度的直紋曲面必須采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、繞軸線銑削兩種刀具路徑。平行軸線銑削原理為: 刀具在轉子曲面上沿 X軸從轉子的一端移動到另一端銑出一條直線，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，采用往復銑削直到完成整個轉子曲面，刀具路徑如圖 6 所示。繞軸線銑削原理為: 刀具在轉子曲面上 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，采用往復銑削直到完成整個轉子曲面，刀具路徑如圖 7 所示。由于繞軸銑削需要 AZ 軸聯動切削，而數控機床可以達到的進給率是由*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子曲面表面粗糙度的關鍵。如圖 8所示，刀軸控制策略有常見的刀軸過軸線、側傾角、刀軸平行于軸線。筆者采用平行軸線銑削加工方式對這 3 種刀軸控制策略進行實際加工對比，得出采用側傾角刀軸控制策略加工出的轉子曲面表面粗糙度*好。其原因主要由于刀軸平行于軸線這種刀軸控制策略采用球頭銑刀加工時，其刀具切削轉子曲面時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子曲面的接觸點一直在變換，但是也有刀位點是采用刀具頂部去切削。側前傾角刀軸控制策略: 控制刀具與轉子曲面接觸點的位置，避免球頭銑刀頂部銑削轉子曲面，實現刀尖的點的偏離，提高刀具切削點的線速度。球頭銑刀頂部切削和非頂部切削如圖 9 所示。
3. 2 三葉轉子 CAM 編程過程
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、多軸機床仿真、生成數控機床 NC 代碼等功能。此處筆者以SolidCAM 多軸加工中的垂直于曲線加工策略為例闡述粗精加工編程過程。*一步: 加載 Solidworks三維模型并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 的立銑刀，精加工采用直徑為 6mm 的球頭銑刀; *三步: 創建粗加工程序，打開多軸加工中的垂直于曲線加工; *四步: “驅動曲面”選擇三葉轉子曲面，“引導曲線”選擇三葉轉子截面輪廓，將驅動曲面余量設置為 0. 2mm;*五步: 選擇已添加的立銑刀，并設置刀具切削參數; *六步: 設置切削步距為 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: 設置刀軸控制方向為相對切削方向傾斜，側傾角為 15°; *十步: 將曲面的切削公差設置為 0. 005mm( 控制三葉轉子曲面輪廓度誤差) ，計算刀具路徑; *十一步: 對粗精加工刀具路徑操作進行三維模擬仿真，觀察刀具軌跡是否正確，并生成 G 代碼。
3. 3 三葉轉子曲面尺寸控制
氫氣流量計中的兩對轉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子尺寸進行測試驗證。實際加工常用的尺寸控制方法有兩種: 一種是通過電腦 CAM 軟件進行調整加工尺寸，在 SolidCAM 軟件中通過更改驅動曲面余量尺寸，即可調整轉子尺寸，這種方法更改時要重新生成加工 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方式; 另一種是通過數控機床控制器補償，在 CAM 軟件生成 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只需要更改數控機床上的刀具長度補償值。
4 結語
本文分析了三葉轉子的結構，編制了加工工藝過程，設計的三葉轉子工裝方便裝夾、操作簡單，同時運用 CAM 軟件合理選擇加工策略，詳細講解了使用球頭銑刀在多軸加工中設置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、尺寸控制方法、編程技巧只要稍做改變就能應用于氫氣流量計中的兩葉轉子、三葉螺旋轉子，提高新產品研發試制周期。
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