CN104924158A - 大型螺杆压缩机转子的分段磨削方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型螺杆压缩机转子的分段磨削方法，具体步骤为：第一步，修整圆弧砂轮，第二步，依据初始分段行距选取转子型线型值点，第三步，计算圆弧砂轮加工转子的包络路径；第四步，分段加工螺旋槽。本发明是利用圆弧砂轮对大型螺杆转子的分段磨削，它是在降低对加工设备的要求下，将大型转子螺旋面进行分段，调整砂轮工件相对位置，通过分段磨削对大型螺杆转子进行逼近精密加工，在保证加工精度的前提下降低刀具磨损。本发明设备体积及负载要求不大，磨具方便修形且修形量小，加工精度高，生产成本低。

Description

大型螺杆压缩机转子的分段磨削方法

技术领域

本发明属于机械加工方法技术领域，具体涉及一种大型螺杆压缩机转子的分段磨削方法。

背景技术

近年来，由于螺杆压缩机具有平稳的高速运转、多相混输、排气量几乎不受排气压力影响及易于操作维护等特点，被广泛应用于机械﹑化工﹑冶金﹑建筑﹑矿山﹑航天等工业领域中，作为其核心部件的螺杆转子的加工问题得到了广泛的关注。

随着成形磨削技术的日益成熟，成形磨削被越来越多的用到复杂曲面的精加工中，空气压缩机用螺杆转子的精加工常采用成型砂轮磨削加工法。但在成形砂轮磨削加工的过程中也出现了很多亟待解决的问题，伴随着机械制造业的发展，在矿山、建筑、航空等领域被广泛使用的螺杆压缩机日益大型化，与其配套使用的螺杆转子也随之变大，对螺旋转子的加工提出了更高的要求，螺旋面较大的齿槽宽度使砂轮成形磨削面临着巨大的挑战，如要将砂轮一次修整成与转子型线相配合的成形砂轮，就要增大砂轮厚度，于是就出现了以下问题：随着砂轮厚度的增大，势必使砂轮质量增大，磨削面积增大、磨削力增大；砂轮的质量增加对机床床身的刚度提出更高的要求，增大机床尺寸，增加电机负载；大型砂轮的转动会引起机床较为强烈的振动，影响加工精度，势必对机床制造提出更高要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大型螺杆压缩机转子的分段磨削方法，能够实现普通砂轮在普通螺杆转子磨床上对大型螺杆转子进行磨削，避免了通过提高机床尺寸、砂轮尺寸等方法所需的高成本的投入，可以实现在现有小规格机床上磨削加工。

本发明所采用的技术方案是：一种大型螺杆压缩机转子的分段磨削方法，具体包括如下步骤：

第一步，修整圆弧砂轮

通过砂轮修整装置将平行砂轮修整为外圆半径为r的圆弧砂轮；

第二步，依据初始分段行距选取转子型线型值点

根据第一步确定的圆弧砂轮外圆半径r以及通过加工精度要求确定的切削残留高度h，通过如下公式确定初始分段行距l：

再根据上述初始分段行距l，通过三次参数样条插值法确定转子型线型值点；

第三步，计算圆弧砂轮加工转子的包络路径；

第四步，分段加工螺旋槽，直至分别完成每一个螺旋槽的整体加工；即可完成大型螺杆压缩机转子的分段磨削加工。

本发明所采用的技术方案的特点还在于，

第一步中圆弧砂轮的外圆半径r与平行砂轮的宽度d的比例关系为0.5:1～0.7:1。

第三步中计算圆弧砂轮加工转子的包络路径的具体为：

将第二步中选取的转子型值点作为圆弧砂轮回转面与待加工工件螺旋面的接触点，在任一接触点M处有公共的法线矢量n，可得如下公式(2)～(5)：

通过上述(2)～(5)公式求解θ、α、φ，再根据θ、α、φ以及公式(6)、(7)分别求接触点M点在工件坐标系和砂轮坐标系中的坐标M_s(x,y,z)和M_g(X,Y,Z)；

再根据公式(8)求得对应于接触点M的砂轮中心O点在工件坐标系的坐标O(x_g,y_g,z_g)：

假设只有砂轮运动，对于转子端截形的不同型值点M_i(x_i,y_i)可通过(2)～(8)式求得砂轮分段磨削转子时的系列砂轮中心点，构成刀位轨迹坐标O_i(x_gi,y_gi,z_gi)，故还需通过根据式(9)将砂轮刀位轨迹转化为机床的运动轨迹，得到转子工件调整相对位置时砂轮与转子的中心距a和转子工件调整相对位置时的旋转角度δ：

以上的一系列(a,δ)代表了分段磨削转子时砂轮相对工件的位置参数，从而构成了圆弧砂轮加工转子的包络路径；

其中：

n_M：转子螺旋面的法线矢量；

n′_M：砂轮回转面在工件坐标系中的法线矢量；

n_x：转子螺旋面法线矢量的x向分量；

n_y：转子螺旋面法线矢量的y向分量；

n_z：转子螺旋面法线矢量的z向分量；

p：螺旋参数为型线绕z轴转过单位角度时，沿轴线方向移动的距离，

x(s)：转子型值点x坐标；

y(s)：转子型值点y坐标；

x′(s)：转子型值点x对其对应弦长的偏导；

y′(s)：转子型值点y对其对应弦长的偏导；

θ：参变数，表示型线从起始绕z轴转过的角度，顺着z轴看去，以顺时针方向为正；

n_X：砂轮回转面法线矢量的X向分量；

n_Y：砂轮回转面法线矢量的Y向分量；

n_Z：砂轮回转面法线矢量的Z向分量；

α：砂轮坐标系中接触点M与其所在圆弧圆心连线与XOY平面的夹角；

φ：砂轮坐标系中接触点M与其回转圆心连线与XOZ平面的夹角；

R：砂轮坐标系中圆弧中心轨迹圆半径；

n′_x：砂轮回转面在工件坐标系中的法线矢量的x向分量；

n′_y：砂轮回转面在工件坐标系中的法线矢量的y向分量；

n′_z：砂轮回转面在工件坐标系中的法线矢量的z向分量；

Σ：砂轮转子安装角；

x₀(s)：工件螺旋面上任一点在工件坐标系中的x坐标；

y₀(s)：工件螺旋面上任一点在工件坐标系中的y坐标；

k：参变数，k＝1表示转子为右旋，k＝-1表示转子为左旋。

第四步加工螺旋槽的具体步骤为：

4.1、通过对刀将待加工的转子放置于分段磨削装置的初始加工位；

4.2、根据第三步获得的包络路径，通过砂轮进给轴X轴进给实现中心距a的调整；通过工件旋转轴C轴旋转角度δ实现转子加工位置调整；

4.3、依靠螺杆转子磨床的Z轴、C轴联动做螺旋运动，加工第一段螺旋槽，然后转子反向螺旋运动退刀至本次加工初始位；

4.4、再次通过机床X轴和C轴调整砂轮与工件的相对位置，重复步骤4.3实现第二段螺旋槽的加工；

4.5、多次循环步骤4.4，完成第一个螺旋槽的整体加工；

4.6、根据待加工转子的螺旋槽的头数，将待加工转子分次放置于该螺旋槽分段磨削的初始加工位，每次均重复步骤4.2-4.5，直至分别完成每一个螺旋槽的整体加工；即可完成大型螺杆压缩机转子的分段磨削加工。

本发明的有益效果是：本发明的大型螺杆压缩机转子的分段磨削方法只需要使用现有普通砂轮和普通螺杆转子磨床，就能够实现对大型螺杆转子的磨削加工，设备体积及负载要求不大，磨具方便修形且修形量小，加工精度高，生产成本低，因而具有很好的推广应用价值。

附图说明

图1是本发明采用的分段磨削装置的结构示意图；

图2是本发明中转子与砂轮空间位置关系图；

图3是本发明中砂轮回转面的坐标系图；

图4是本发明中转子螺旋面坐标系图；

图5是本发明中分段磨削的砂轮轨迹示意图。

图中，1.床身，2.导轨，3.砂轮架，4.凸台，5.砂轮，6.工作台，7.头架，8.转子工件，9.滑槽，10.尾架，11.顶尖。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明采用的分段磨削装置，结构如图1所示，包括床身1，床身1上分别设置有横向导轨2和纵向滑槽9，横向导轨2和纵向滑槽9相互垂直；纵向滑槽9上设置有砂轮架3，砂轮架3能够沿着纵向滑槽9运动；砂轮架3的一侧设置有凸台4，凸台4的一侧设置有砂轮5；横向导轨2上设置有工作台6，工作台6能够沿着导轨2运动；工作台6上设置有相互平行的头架7和尾架10，头架7上设置有用于夹装转子工件8的转子夹装头，尾架10上设置有用于夹紧转子工件8的顶尖11。导轨2的方向设为Z轴方向，滑槽9的方向设为X轴方向，转子工件8转动的方向设置为C轴方向。

本发明提供了一种大型螺杆压缩机转子的分段磨削方法，以加工四头螺杆转子为例，具体包括如下步骤：

第一步，修整圆弧砂轮

通过砂轮修整装置将平行砂轮修整为外圆半径为r的圆弧砂轮；

第二步，依据初始分段行距选取转子型线型值点

根据第一步确定的圆弧砂轮外圆半径r以及通过加工精度要求确定的切削残留高度h，通过如下公式确定初始分段行距l：

再根据上述初始分段行距l，通过三次参数样条插值法确定转子型线型值点；

第三步，计算圆弧砂轮加工转子的包络路径

将第二步中选取的转子型值点作为圆弧砂轮回转面与待加工工件螺旋面的接触点，在任一接触点M处有公共的法线矢量n，可得如下公式(2)～(5)：

通过上述(2)～(5)公式求解θ、α、φ，再根据θ、α、φ以及公式(6)、(7)分别求接触点M点在工件坐标系和砂轮坐标系中的坐标M_s(x,y,z)和M_g(X,Y,Z)；

再根据公式(8)求得对应于接触点M的砂轮中心O点在工件坐标系的坐标O(x_g,y_g,z_g)：

假设只有砂轮运动，对于转子端截形的不同型值点M_i(x_i,y_i)可通过(2)～(8)式求得砂轮分段磨削转子时的系列砂轮中心点，构成刀位轨迹坐标O_i(x_gi,y_gi,z_gi)，故还需通过根据式(9)将砂轮刀位轨迹转化为机床的运动轨迹，得到转子工件调整相对位置时砂轮与转子的中心距a和转子工件调整相对位置时的工件旋转角度δ：

以上的一系列(a,δ)代表了分段磨削转子时砂轮相对工件的位置参数，从而构成了圆弧砂轮加工转子的包络路径；

其中：

如图2所示为转子与砂轮空间位置关系图，图3所示为砂轮回转面的坐标系图，图4所示为转子螺旋面坐标系图，

n_M：转子螺旋面的法线矢量；

n′_M：砂轮回转面在工件坐标系中的法线矢量；

n_x：转子螺旋面法线矢量的x向分量；

n_y：转子螺旋面法线矢量的y向分量；

n_z：转子螺旋面法线矢量的z向分量；

p：螺旋参数为型线绕z轴转过单位角度时，沿轴线方向移动的距离，

x(s)：转子型值点x坐标；

y(s)：转子型值点y坐标；

x′(s)：转子型值点x对其对应弦长的偏导；

y′(s)：转子型值点y对其对应弦长的偏导；

θ：参变数，表示型线从起始绕z轴转过的角度，顺着z轴看去，以顺时针方向为正；

n_X：砂轮回转面法线矢量的X向分量；

n_Y：砂轮回转面法线矢量的Y向分量；

n_Z：砂轮回转面法线矢量的Z向分量；

α：砂轮坐标系中接触点M与其所在圆弧圆心连线NM与XOY平面的夹角；

φ：砂轮坐标系中接触点M与其回转圆心连线OM与XOZ平面的夹角；

R：砂轮坐标系中圆弧中心轨迹圆半径；

n′_x：砂轮回转面在工件坐标系中的法线矢量的x向分量；

n′_y：砂轮回转面在工件坐标系中的法线矢量的y向分量；

n′_z：砂轮回转面在工件坐标系中的法线矢量的z向分量；

Σ：砂轮转子安装角；

x₀(s)：工件螺旋面上任一点在工件坐标系中的x坐标；

y₀(s)：工件螺旋面上任一点在工件坐标系中的y坐标；

k：参变数，k＝1表示转子为右旋，k＝-1表示转子为左旋；

第四步，分段加工螺旋槽(如图5所示为砂轮轨迹示意图)

4.1、通过对刀将待加工的转子放置于分段磨削装置的初始加工位；

4.2、根据第三步获得的包络路径，通过砂轮进给轴X轴进给实现中心距a的调整；通过工件旋转轴C轴旋转角度δ实现转子加工位置调整；

4.3、依靠螺杆转子磨床的Z轴、C轴联动做螺旋运动，加工第一段螺旋槽，然后转子反向螺旋运动退刀至本次加工初始位；

4.4、再次通过机床X轴和C轴调整砂轮与工件的相对位置，重复步骤4.3实现第二段螺旋槽的加工；

4.5、多次循环步骤4.4，完成第一个螺旋槽的整体加工；

4.6、将待加工转子放置于第一个螺旋分段磨削的初始加工位，螺杆转子磨床的C轴旋转90°，确定第二个螺旋槽的初始加工位，重复步骤4.2-4.5完成第二个螺旋槽的整体加工；

4.7、将待加工转子放置于第二个螺旋槽的初始加工位，螺杆转子磨床的C轴旋转90°，确定第三个螺旋槽的初始加工位，重复步骤4.2-4.5完成第三个螺旋槽的整体加工；

4.8、将待加工转子放置于第三个螺旋槽的初始加工位，螺杆转子磨床的C轴旋转90°，确定第四个螺旋槽的初始加工位，重复步骤4.2-4.5完成第四个螺旋槽的整体加工，至此完成四头螺杆转子的分段磨削全部加工。

本发明的一种大型螺杆转子的分段磨削方法：设备体积及负载要求不大；砂轮方便修形且修形量小，砂轮利用率高，生产成本低。

Claims (4)

1.一种大型螺杆压缩机转子的分段磨削方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

第一步，修整圆弧砂轮

通过砂轮修整装置将平行砂轮修整为外圆半径为r的圆弧砂轮；

第二步，依据初始分段行距选取转子型线型值点

根据第一步确定的圆弧砂轮外圆半径r以及通过加工精度要求确定的切削残留高度h，通过如下公式确定初始分段行距l：

$l=2\sqrt{h(2r-h)}---\left(1\right)$

再根据上述初始分段行距l，通过三次参数样条插值法确定转子型线型值点；

第三步，计算圆弧砂轮加工转子的包络路径；

第四步，分段加工螺旋槽，直至分别完成每一个螺旋槽的整体加工；即可完成大型螺杆压缩机转子的分段磨削加工。

2.如权利要求1所述的一种大型螺杆压缩机转子的分段磨削方法，其特征在于，第一步中所述的圆弧砂轮的外圆半径r与平行砂轮的宽度d的比例关系为0.5:1～0.7:1。

3.如权利要求1所述的一种大型螺杆压缩机转子的分段磨削方法，其特征在于，所述第三步中计算圆弧砂轮加工转子的包络路径的具体为：

将第二步中选取的转子型值点作为圆弧砂轮回转面与待加工工件螺旋面的接触点，在任一接触点M处有公共的法线矢量n，可得如下公式(2)～(5)：

$\frac{n_M}{\left|n_M\right|}=\frac{n_M^{\′}}{\left|n_M^{\′}\right|}---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{n}_x=p(x^{\′}\left(s\right)\sin \mathrm{\θ}+y^{\′}\left(s\right)\cos \mathrm{\θ})\\ n_y=-p((x^{\′}\left(s\right)\cos \mathrm{\θ}-y^{\′}\left(s\right)\sin \mathrm{\θ})\\ n_z=x^{\′}\left(s\right)x\left(s\right)+y^{\′}\left(s\right)y\left(s\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{n}_X=-r\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\φ}(R+r\cos \mathrm{\α})\\ n_Y=-r\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\φ}(R+r\cos \mathrm{\α})\\ n_Z=-r\sin \mathrm{\α}(R+r\cos \mathrm{\α})\end{array}\right.---\left(4\right)$

$\left(\begin{array}{c}{n}_x^{\′}\\ n_y^{\′}\\ n_z^{\′}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\Σ}& -\sin \mathrm{\Σ}\\ 0& \sin \mathrm{\Σ}& \cos \mathrm{\Σ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{n}_X\\ n_Y\\ n_Z\end{array}\right)---\left(5\right)$

通过上述(2)～(5)公式求解θ、α、φ，再根据θ、α、φ以及公式(6)、(7)分别求接触点M点在工件坐标系和砂轮坐标系中的坐标M_s(x,y,z)和M_g(X,Y,Z)；

$\left\{\begin{array}{c}x=x_0\left(s\right)\cos \mathrm{\θ}-y_0\left(s\right)\sin \mathrm{\θ}\\ y=x_0\left(s\right)\sin \mathrm{\θ}+y_0\left(s\right)\cos \mathrm{\θ}\\ z=\±\mathrm{p\θ}\end{array}\right.---\left(6\right)$

$\left\{\begin{array}{c}X=(R+r\cos \mathrm{\α})\cos \mathrm{\φ}\\ Y=(R+r\cos \mathrm{\α})\sin \mathrm{\φ}\\ Z=r\sin \mathrm{\α}\end{array}\right.---\left(7\right)$

再根据公式(8)求得对应于接触点M的砂轮中心O点在工件坐标系的坐标O(x_g,y_g,z_g)：

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\Σ}& -\sin \mathrm{\Σ}\\ 0& \sin \mathrm{\Σ}& \cos \mathrm{\Σ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{x}_g\\ y_g\\ z_g\end{array}\right)---\left(8\right)$

假设只有砂轮运动，对于转子端截形的不同型值点M_i(x_i,y_i)可通过(2)～(8)式求得砂轮分段磨削转子时的系列砂轮中心点，构成刀位轨迹坐标O_i(x_gi,y_gi,z_gi)，故还需通过根据式(9)将砂轮刀位轨迹转化为机床的运动轨迹，得到转子工件调整相对位置时砂轮与转子的中心距a和转子工件调整相对位置时的旋转角度δ：

$\left\{\begin{array}{c}a=\sqrt{x_{\mathrm{gi}}^2+y_{\mathrm{gi}}^2}\\ \mathrm{\δ}=\arctan \left(\frac{y_{\mathrm{gi}}}{x_{\mathrm{gi}}}\right)+k\frac{z_{\mathrm{gi}}}{p}\end{array}\right.---\left(9\right)$

以上的一系列(a,δ)代表了分段磨削转子时砂轮相对工件的位置参数，从而构成了圆弧砂轮加工转子的包络路径；

其中：

n_M：转子螺旋面的法线矢量；

n'_M：砂轮回转面在工件坐标系中的法线矢量；

n_x：转子螺旋面法线矢量的x向分量；

n_y：转子螺旋面法线矢量的y向分量；

n_z：转子螺旋面法线矢量的z向分量；

p：螺旋参数为型线绕z轴转过单位角度时，沿轴线方向移动的距离，

x(s)：转子型值点x坐标；

y(s)：转子型值点y坐标；

x'(s)：转子型值点x对其对应弦长的偏导；

y'(s)：转子型值点y对其对应弦长的偏导；

θ：参变数，表示型线从起始绕z轴转过的角度，顺着z轴看去，以顺时针方向为正；

n_X：砂轮回转面法线矢量的X向分量；

n_Y：砂轮回转面法线矢量的Y向分量；

n_Z：砂轮回转面法线矢量的Z向分量；

α：砂轮坐标系中接触点M与其所在圆弧圆心连线与XOY平面的夹角；

φ：砂轮坐标系中接触点M与其回转圆心连线与XOZ平面的夹角；

R：砂轮坐标系中圆弧中心轨迹圆半径；

n'_x：砂轮回转面在工件坐标系中的法线矢量的x向分量；

n'_y：砂轮回转面在工件坐标系中的法线矢量的y向分量；

n'_z：砂轮回转面在工件坐标系中的法线矢量的z向分量；

Σ：砂轮转子安装角；

x₀(s)：工件螺旋面上任一点在工件坐标系中的x坐标；

y₀(s)：工件螺旋面上任一点在工件坐标系中的y坐标；

k：参变数，k＝1表示转子为右旋，k＝-1表示转子为左旋。

4.如权利要求1所述的一种大型螺杆压缩机转子的分段磨削方法，其特征在于，所述第四步加工螺旋槽的具体步骤为：

4.1、通过对刀将待加工的转子放置于分段磨削装置的初始加工位；

4.2、根据第三步获得的包络路径，通过砂轮进给轴X轴进给实现中心距a的调整；通过工件旋转轴C轴旋转角度δ实现转子加工位置调整；

4.3、依靠螺杆转子磨床的Z轴、C轴联动做螺旋运动，加工第一段螺旋槽，然后转子反向螺旋运动退刀至本次加工初始位；

4.4、再次通过机床X轴和C轴调整砂轮与工件的相对位置，重复步骤4.3实现第二段螺旋槽的加工；

4.5、多次循环步骤4.4，完成第一个螺旋槽的整体加工；

4.6、根据待加工转子的螺旋槽的头数，将待加工转子分次放置于该螺旋槽分段磨削的初始加工位，每次均重复步骤4.2-4.5，直至分别完成每一个螺旋槽的整体加工；即可完成大型螺杆压缩机转子的分段磨削加工。