大型螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子齒廓面沿螺旋線逐行銑削的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及螺桿壓縮機(jī)，尤其是涉及一種大型螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子齒廓面沿螺旋線逐 行銑削的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于螺桿壓縮機(jī)具有平穩(wěn)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)、多相混輸、排氣量幾乎不受排氣壓力影響 及易于操作維護(hù)等特點(diǎn)，近年來，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、冶金、建筑、礦山、航天等 工業(yè)領(lǐng)域中，作為其核心部件的螺桿轉(zhuǎn)子的加工問題得到了廣泛的關(guān)注。
[0003] 成形銑削是螺桿轉(zhuǎn)子齒槽常采用的銑削加工工藝方法。但在用成形銑刀銑削加 工的過程中也出現(xiàn)了很多亟待解決的問題，伴隨著機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，在礦山、建筑、航空 等領(lǐng)域被廣泛使用的螺桿壓縮機(jī)日益大型化，與其配套使用的螺桿轉(zhuǎn)子也隨之變大，對螺 旋轉(zhuǎn)子的加工提出了更高的要求，螺旋面較大的齒槽寬度使銑刀成形銑削面臨著巨大的挑 戰(zhàn)，如要將銑刀一次修整成與轉(zhuǎn)子型線相配合的成形銑刀，就要增大銑刀厚度，于是就出現(xiàn) 了以下問題：隨著銑刀厚度的增大，勢必使銑刀質(zhì)量增大，銑削面積增大、銑削力增大；銑 刀的質(zhì)量增加對機(jī)床床身的剛度提出更高的要求，增大機(jī)床尺寸，增加電機(jī)負(fù)載；大型銑刀 的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)引起機(jī)床較為強(qiáng)烈的振動(dòng)，影響加工精度，勢必對機(jī)床制造提出更高要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的大型螺桿轉(zhuǎn)子加工困難的問題，提供一種將大型螺 桿轉(zhuǎn)子齒廓進(jìn)行沿螺旋線逐行銑削的方法，通過數(shù)控技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)盤形圓弧銑刀在數(shù)控 螺桿轉(zhuǎn)子銑床上對大型螺桿轉(zhuǎn)子進(jìn)行逐行銑削，避免了通過提高機(jī)床尺寸、銑刀尺寸等方 法所需的高成本的投入，可以實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有小規(guī)格機(jī)床上數(shù)控銑削加工大型螺桿轉(zhuǎn)子齒廓。
[0005] 本發(fā)明包括以下步驟：
[0006] 1)選擇盤形圓弧銑刀，確定盤形圓弧銑刀的圓弧半徑r，r的選取應(yīng)保證在小于螺 旋面法向齒形曲率半徑的前提下，盡可能取較大值；
[0007] 2)依據(jù)初始沿螺旋線逐行步長選取轉(zhuǎn)子型線型值點(diǎn)，具體方法為：根據(jù)步驟1)確 定的盤形圓弧銑刀的圓弧半徑r以及切削殘留高度h，確定螺旋線間的逐行間距1，再根據(jù) 螺旋線間的逐行間距1，確定轉(zhuǎn)子型線型值點(diǎn)M(Xi，yi);
[0008] 3)計(jì)算盤形圓弧銑刀加工轉(zhuǎn)子廓形的包絡(luò)路徑，根據(jù)螺旋面成形原理計(jì)算包絡(luò)路 徑，并確定包絡(luò)路徑的初始位置點(diǎn)；
[0009] 4)沿螺旋線逐行加工螺旋槽，具體方法為：根據(jù)步驟3)獲得的包絡(luò)路徑和機(jī)床運(yùn) 動(dòng)形式計(jì)算獲得加工指令，并將盤形圓弧銑刀的起始加工工位設(shè)置于步驟3)確定的初始 位置點(diǎn)，依靠螺桿轉(zhuǎn)子銑床的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，螺旋運(yùn)動(dòng)加工出第一個(gè)螺旋槽的第一段螺旋線，然 后偏移螺旋線間的逐行間距1加工第二段螺旋線，再逐行加工，直至整個(gè)螺旋槽成形；
[0010] 5)采用步驟4)的方法依次加工其它螺旋槽，直至所有螺旋槽加工完成。
[0011] 在步驟5)中，所述所有螺旋槽可為2~6個(gè)螺旋槽。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的大型螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子齒廓面的沿螺旋線逐行銑 削方法只需要使用現(xiàn)有普通盤形圓弧銑刀和數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子銑床，通過建立分段銑削數(shù)學(xué)模 型，推導(dǎo)銑刀與螺桿轉(zhuǎn)子的相對加工位置，利用現(xiàn)有數(shù)控技術(shù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)盤形圓弧銑刀在 數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子銑床上對大型螺桿轉(zhuǎn)子的逐行銑削加工。該方法對設(shè)備體積及負(fù)載要求不 大，加工精度高，生產(chǎn)成本低，可以實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有小規(guī)格機(jī)床上數(shù)控銑削加工大型螺桿轉(zhuǎn)子， 也可用于磨削加工工藝中，因而具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0013] 圖1為螺桿轉(zhuǎn)子銑床簡圖。
[0014] 圖2為盤形圓弧銑刀回轉(zhuǎn)面與工件螺旋面接觸點(diǎn)。
[0015] 圖3為盤形圓弧銑刀與轉(zhuǎn)子工件之間的坐標(biāo)系統(tǒng)。
[0016] 圖4為螺桿轉(zhuǎn)子型線等步長分段。
[0017] 圖5為逐行銑削加工的轉(zhuǎn)子螺旋面。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖以及【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0019] 一種大型螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的沿螺旋線逐行銑削方法，具體步驟如下：
[0020] 第一步，選擇盤形圓弧銑刀，盤形圓弧銑刀的圓弧半徑為r，r的選取應(yīng)保證在小 于螺旋面法向齒形曲率半徑的前提下，盡可能取較大值。
[0021] 第二步，確定盤形圓弧銑刀與待加工工件的接觸點(diǎn)。將第一步修整好的盤形圓弧 銑刀1安裝于螺桿轉(zhuǎn)子2銑床上（如圖1，其中X軸為銑刀進(jìn)給軸，B軸為銑刀擺動(dòng)軸，U軸 為銑刀微進(jìn)給軸，Z軸為工件進(jìn)給軸，C軸為工件回轉(zhuǎn)軸），盤形圓弧銑刀1的軸線與待加工 工件Z軸夾角為2 = (90° -(0+1~2° ))，根據(jù)螺旋面成形原理，盤形圓弧銑刀1回轉(zhuǎn) 面與待加工工件螺旋面的接觸點(diǎn)M處（如圖2)，它們有公共的法線矢量n，其關(guān)系滿足：
[0023] 已知XOY平面上轉(zhuǎn)子端面型線離散點(diǎn)（Xi，yi)，其中（i= 1，2…，n)，根據(jù)螺旋面 成形原理建立轉(zhuǎn)子螺旋面方程式：

[0031 ] 如圖3所示，銑刀坐標(biāo)系O-XYZ的X軸與工件坐標(biāo)系o-xyz的x軸始終平行，Z軸 與z軸夾角為2，將銑刀回轉(zhuǎn)面的法向矢量變換到工件坐標(biāo)系中有表達(dá)式（6)。
[0033] 第三步，對于給定的型值點(diǎn)（Xi，yi)，用三次參數(shù)樣條的數(shù)值計(jì)算方法求得對應(yīng)的 一階導(dǎo)數(shù)（Xi'（s)，y/ (S))，將式（3)和式（6)代入式（1)，得到方程式（7)，式（7)為包含 有未知數(shù)0、a、（}>的非線性方程，通過計(jì)算可求得0、a、（}>，將其分別代入式（2)和式 (4)，可求得接觸點(diǎn)M在工件坐標(biāo)系和銑刀坐標(biāo)系的坐標(biāo)值（xM，yM，zM)、（XM，YM，Zm)。
[0035] 在轉(zhuǎn)子螺旋面各沿螺旋線逐行螺旋槽的加工過程中，盤形圓弧銑刀相對于轉(zhuǎn)子工 件坐標(biāo)系的位置總是變化的，設(shè)銑刀中心0在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（Xg，yg，Zg)，兩坐標(biāo)系 之間的變換關(guān)系為：
[0037] 將（xM，yM，zM)、(XM，YM，Zm)代入式（8)，可求得銑刀中心在轉(zhuǎn)子工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo) (xg，yg，zg) 〇
[0038] 第四步，將轉(zhuǎn)子型線等步長分段（如圖4)，所取型值點(diǎn)依上述理論可求得對應(yīng)的 銑刀中心坐標(biāo)，即銑刀相當(dāng)于工件的不同位置，由此得到銑刀與工件的中心距a和工件轉(zhuǎn) 角S〇
[0040] 將盤形圓弧銑刀的加工工位設(shè)置于初始位置點(diǎn)，依靠螺桿轉(zhuǎn)子銑床的各軸聯(lián)動(dòng)， 螺旋運(yùn)動(dòng)加工出第一個(gè)小型螺旋槽，再控制X軸與C軸運(yùn)動(dòng)，將銑刀與工件相對位置調(diào)整到 下一間距步長螺旋線起點(diǎn)位置。沿螺旋線逐行步長1的選取過大，會(huì)增加切削殘留高度，初 始按式（10)近似選取，并根據(jù)實(shí)際加工要求適當(dāng)修正。
[0042] 盤形圓弧銑刀的每次加工都能形成一個(gè)小型螺旋槽，隨后通過多次調(diào)整盤形圓弧 銑刀的位置來對轉(zhuǎn)子進(jìn)行沿螺旋線逐行銑削，進(jìn)而加工出整個(gè)螺旋槽，如附圖5所示。
[0043] 第五步，采用第四步的方法依次加工其它螺旋槽，直至所有螺旋槽（可為2~6個(gè) 螺旋槽）加工完成。
[0044] 本發(fā)明的一種大型螺桿轉(zhuǎn)子的沿螺旋線逐行銑削方法具有以下突出的特點(diǎn)：設(shè)備 體積及負(fù)載要求不大；銑刀方便修形且修形量小，銑刀利用率高，生產(chǎn)成本低。
[0045] 以下給出各記號(hào)的含義：
[0046] 0一一待加工的螺桿轉(zhuǎn)子的螺旋角；
[0047] nM一一M點(diǎn)在工件螺旋面上的法向矢量；
[0048] n'M--M點(diǎn)在銑刀回轉(zhuǎn)面上的法向矢量；
[0049] r一一銑刀圓弧半徑；
[0050]h一一切削殘留高度；
[0051] R--圓弧圓心所在圓的半徑；
[0052] --接觸點(diǎn)所在圓圓心半徑線與XOZ平面的夾角；
[0053] a--接觸點(diǎn)圓弧中半徑線與XOY平面的夾角；
[0054] 0--參變數(shù)，它表示型線從起始位置繞z軸轉(zhuǎn)過的角度。順著z看去，以順時(shí)針 方向轉(zhuǎn)動(dòng)為正；
向移動(dòng)的距離。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 大型螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子齒廓面沿螺旋線逐行銑削的方法，其特征在于包括以下步驟： 1) 選擇盤形圓弧銑刀，確定盤形圓弧銑刀的圓弧半徑r，r的選取應(yīng)保證在小于螺旋面 法向齒形曲率半徑的前提下，盡可能取較大值； 2) 依據(jù)初始沿螺旋線逐行步長選取轉(zhuǎn)子型線型值點(diǎn)，具體方法為：根據(jù)步驟1)確定的 盤形圓弧銑刀的圓弧半徑r以及切削殘留高度h，確定螺旋線間的逐行間距1，再根據(jù)螺旋 線間的逐行間距1，確定轉(zhuǎn)子型線型值點(diǎn)M( Xi，yi); 3) 計(jì)算盤形圓弧銑刀加工轉(zhuǎn)子廓形的包絡(luò)路徑，根據(jù)螺旋面成形原理計(jì)算包絡(luò)路徑， 并確定包絡(luò)路徑的初始位置點(diǎn)； 4) 沿螺旋線逐行加工螺旋槽，具體方法為：根據(jù)步驟3)獲得的包絡(luò)路徑和機(jī)床運(yùn)動(dòng)形 式計(jì)算獲得加工指令，并將盤形圓弧銑刀的起始加工工位設(shè)置于步驟3)確定的初始位置 點(diǎn)，依靠螺桿轉(zhuǎn)子銑床的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，螺旋運(yùn)動(dòng)加工出第一個(gè)螺旋槽的第一段螺旋線，然后偏 移螺旋線間的逐行間距1加工第二段螺旋線，再逐行加工，直至整個(gè)螺旋槽成形； 5) 采用步驟4)的方法依次加工其它螺旋槽，直至所有螺旋槽加工完成。2. 如權(quán)利要求1所述大型螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子齒廓面沿螺旋線逐行銑削的方法，其特征在 于在步驟5)中，所述所有螺旋槽為2~6個(gè)螺旋槽。
【專利摘要】大型螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子齒廓面沿螺旋線逐行銑削的方法，涉及螺桿壓縮機(jī)。選擇盤形圓弧銑刀，確定盤形圓弧銑刀的圓弧半徑r；依據(jù)初始沿螺旋線逐行步長選取轉(zhuǎn)子型線型值點(diǎn)；計(jì)算盤形圓弧銑刀加工轉(zhuǎn)子廓形的包絡(luò)路徑，根據(jù)螺旋面成形原理計(jì)算包絡(luò)路徑，并確定包絡(luò)路徑的初始位置點(diǎn)；沿螺旋線逐行加工螺旋槽；依次加工其它螺旋槽，直至所有螺旋槽加工完成。只需使用現(xiàn)有普通盤形圓弧銑刀和數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子銑床，通過建立分段銑削數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)銑刀與螺桿轉(zhuǎn)子的相對加工位置，利用現(xiàn)有數(shù)控技術(shù)，就能實(shí)現(xiàn)盤形圓弧銑刀在數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子銑床上對大型螺桿轉(zhuǎn)子的逐行銑削加工。精度高，成本低，可實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有小規(guī)格機(jī)床上數(shù)控銑削加工大型螺桿轉(zhuǎn)子。
【IPC分類】B23C3/32
【公開號(hào)】CN104985244
【申請?zhí)枴緾N201510385324
【發(fā)明人】姚斌, 盧杰, 羅琪, 周斌, 向明新, 唐峰博
【申請人】廈門大學(xué), 陜西漢機(jī)精密機(jī)械股份有限公司
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年6月30日