CN104985244B - 大型螺杆压缩机转子齿廓面沿螺旋线逐行铣削的方法 - Google Patents

Abstract

大型螺杆压缩机转子齿廓面沿螺旋线逐行铣削的方法，涉及螺杆压缩机。选择盘形圆弧铣刀，确定盘形圆弧铣刀的圆弧半径r；依据初始沿螺旋线逐行步长选取转子型线型值点；计算盘形圆弧铣刀加工转子廓形的包络路径，根据螺旋面成形原理计算包络路径，并确定包络路径的初始位置点；沿螺旋线逐行加工螺旋槽；依次加工其它螺旋槽，直至所有螺旋槽加工完成。只需使用现有普通盘形圆弧铣刀和数控螺杆转子铣床，通过建立分段铣削数学模型，推导铣刀与螺杆转子的相对加工位置，利用现有数控技术，就能实现盘形圆弧铣刀在数控螺杆转子铣床上对大型螺杆转子的逐行铣削加工。精度高，成本低，可实现在现有小规格机床上数控铣削加工大型螺杆转子。

Description

大型螺杆压缩机转子齿廓面沿螺旋线逐行铣削的方法

技术领域

本发明涉及螺杆压缩机，尤其是涉及一种大型螺杆压缩机转子齿廓面沿螺旋线逐行铣削的方法。

背景技术

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，近年来，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。

成形铣削是螺杆转子齿槽常采用的铣削加工工艺方法。但在用成形铣刀铣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铣刀成形铣削面临着巨大的挑战，如要将铣刀一次修整成与转子型线相配合的成形铣刀，就要增大铣刀厚度，于是就出现了以下问题：随着铣刀厚度的增大，势必使铣刀质量增大，铣削面积增大、铣削力增大；铣刀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；大型铣刀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

本发明的目的在于针对现有的大型螺杆转子加工困难的问题，提供一种将大型螺杆转子齿廓进行沿螺旋线逐行铣削的方法，通过数控技术，能够实现盘形圆弧铣刀在数控螺杆转子铣床上对大型螺杆转子进行逐行铣削，避免了通过提高机床尺寸、铣刀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数控铣削加工大型螺杆转子齿廓。

本发明包括以下步骤：

1)选择盘形圆弧铣刀，确定盘形圆弧铣刀的圆弧半径r，r的选取应保证在小于螺旋面法向齿形曲率半径的前提下，尽可能取较大值；

2)依据初始沿螺旋线逐行步长选取转子型线型值点，具体方法为：根据步骤1)确定的盘形圆弧铣刀的圆弧半径r以及切削残留高度h，确定螺旋线间的逐行间距l，再根据螺旋线间的逐行间距l，确定转子型线型值点M(x_i,y_i)；

3)计算盘形圆弧铣刀加工转子廓形的包络路径，根据螺旋面成形原理计算包络路径，并确定包络路径的初始位置点；

4)沿螺旋线逐行加工螺旋槽，具体方法为：根据步骤3)获得的包络路径和机床运动形式计算获得加工指令，并将盘形圆弧铣刀的起始加工工位设置于步骤3)确定的初始位置点，依靠螺杆转子铣床的联动关系，螺旋运动加工出第一个螺旋槽的第一段螺旋线，然后偏移螺旋线间的逐行间距l加工第二段螺旋线，再逐行加工，直至整个螺旋槽成形；

5)采用步骤4)的方法依次加工其它螺旋槽，直至所有螺旋槽加工完成。

在步骤5)中，所述所有螺旋槽可为2～6个螺旋槽。

本发明的有益效果是：本发明的大型螺杆压缩机转子齿廓面的沿螺旋线逐行铣削方法只需要使用现有普通盘形圆弧铣刀和数控螺杆转子铣床，通过建立分段铣削数学模型，推导铣刀与螺杆转子的相对加工位置，利用现有数控技术，就能够实现盘形圆弧铣刀在数控螺杆转子铣床上对大型螺杆转子的逐行铣削加工。该方法对设备体积及负载要求不大，加工精度高，生产成本低，可以实现在现有小规格机床上数控铣削加工大型螺杆转子，也可用于磨削加工工艺中，因而具有很好的推广应用价值。

附图说明

图1为螺杆转子铣床简图。

图2为盘形圆弧铣刀回转面与工件螺旋面接触点。

图3为盘形圆弧铣刀与转子工件之间的坐标系统。

图4为螺杆转子型线等步长分段。

图5为逐行铣削加工的转子螺旋面。

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。

一种大型螺杆压缩机转子的沿螺旋线逐行铣削方法，具体步骤如下：

第一步，选择盘形圆弧铣刀，盘形圆弧铣刀的圆弧半径为r，r的选取应保证在小于螺旋面法向齿形曲率半径的前提下，尽可能取较大值。

第二步，确定盘形圆弧铣刀与待加工工件的接触点。将第一步修整好的盘形圆弧铣刀1安装于螺杆转子2铣床上(如图1，其中X轴为铣刀进给轴，B轴为铣刀摆动轴，U轴为铣刀微进给轴，Z轴为工件进给轴，C轴为工件回转轴)，盘形圆弧铣刀1的轴线与待加工工件Z轴夹角为Σ＝(90°-(β+1～2°))，根据螺旋面成形原理，盘形圆弧铣刀1回转面与待加工工件螺旋面的接触点M处(如图2)，它们有公共的法线矢量n，其关系满足：

已知XOY平面上转子端面型线离散点(x_i,y_i),其中(i＝1，2…，n)，根据螺旋面成形原理建立转子螺旋面方程式：

由螺旋面方程式求得M点在工件螺旋面上的法向矢量表达式：

建立铣刀回转面方程式：

由铣刀回转面求得M点在铣刀回转面上的法向矢量表达式(5)：

如图3所示，铣刀坐标系O-XYZ的X轴与工件坐标系o-xyz的x轴始终平行，Z轴与z轴夹角为Σ，将铣刀回转面的法向矢量变换到工件坐标系中有表达式(6)。

第三步，对于给定的型值点(x_i,y_i)，用三次参数样条的数值计算方法求得对应的一阶导数(x_i'(s),y_i'(s))，将式(3)和式(6)代入式(1)，得到方程式(7)，式(7)为包含有未知数θ、α、φ的非线性方程，通过计算可求得θ、α、φ，将其分别代入式(2)和式(4)，可求得接触点M在工件坐标系和铣刀坐标系的坐标值(x_M,y_M,z_M)、(X_M,Y_M,Z_M)。

在转子螺旋面各沿螺旋线逐行螺旋槽的加工过程中，盘形圆弧铣刀相对于转子工件坐标系的位置总是变化的，设铣刀中心O在工件坐标系中的坐标为(x_g,y_g,z_g)，两坐标系之间的变换关系为：

将(x_M,y_M,z_M)、(X_M,Y_M,Z_M)代入式(8)，可求得铣刀中心在转子工件坐标系中的坐标(x_g,y_g,z_g)。

第四步，将转子型线等步长分段(如图4)，所取型值点依上述理论可求得对应的铣刀中心坐标，即铣刀相当于工件的不同位置，由此得到铣刀与工件的中心距a和工件转角δ。

将盘形圆弧铣刀的加工工位设置于初始位置点，依靠螺杆转子铣床的各轴联动，螺旋运动加工出第一个小型螺旋槽，再控制X轴与C轴运动，将铣刀与工件相对位置调整到下一间距步长螺旋线起点位置。沿螺旋线逐行步长l的选取过大，会增加切削残留高度，初始按式(10)近似选取，并根据实际加工要求适当修正。

盘形圆弧铣刀的每次加工都能形成一个小型螺旋槽，随后通过多次调整盘形圆弧铣刀的位置来对转子进行沿螺旋线逐行铣削，进而加工出整个螺旋槽，如附图5所示。

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(可为2～6个螺旋槽)加工完成。

本发明的一种大型螺杆转子的沿螺旋线逐行铣削方法具有以下突出的特点：设备体积及负载要求不大；铣刀方便修形且修形量小，铣刀利用率高，生产成本低。

以下给出各记号的含义：

β——待加工的螺杆转子的螺旋角；

n_M——M点在工件螺旋面上的法向矢量；

n'_M——M点在铣刀回转面上的法向矢量；

r——铣刀圆弧半径；

h——切削残留高度；

R——圆弧圆心所在圆的半径；

φ——接触点所在圆圆心半径线与XOZ平面的夹角；

α——接触点圆弧中半径线与XOY平面的夹角；

θ——参变数，它表示型线从起始位置绕z轴转过的角度。顺着z看去，以顺时针方向转动为正；

p——螺旋参数，它的意义为型线绕z轴转过单位角度时，沿轴线方向移动的距离。

Claims (2)

1.大型螺杆压缩机转子齿廓面沿螺旋线逐行铣削的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)选择盘形圆弧铣刀，确定盘形圆弧铣刀的圆弧半径r，r的选取应保证在小于螺旋面法向齿形曲率半径的前提下，尽可能取较大值；

2)依据初始沿螺旋线逐行步长选取转子型线型值点，具体方法为：根据步骤1)确定的盘形圆弧铣刀的圆弧半径r以及切削残留高度h，确定螺旋线间的逐行间距l，再根据螺旋线间的逐行间距l，确定转子型线型值点M(x_i,y_i)；

3)计算盘形圆弧铣刀加工转子廓形的包络路径，根据螺旋面成形原理计算包络路径，并确定包络路径的初始位置点；

4)沿螺旋线逐行加工螺旋槽，具体方法为：根据步骤3)获得的包络路径和机床运动形式计算获得加工指令，并将盘形圆弧铣刀的起始加工工位设置于步骤3)确定的初始位置点，依靠螺杆转子铣床的联动关系，螺旋运动加工出第一个螺旋槽的第一段螺旋线，然后偏移螺旋线间的逐行间距l加工第二段螺旋线，再逐行加工，直至整个螺旋槽成形；

5)采用步骤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.如权利要求1所述大型螺杆压缩机转子齿廓面沿螺旋线逐行铣削的方法，其特征在于在步骤5)中，所述所有螺旋槽为2～6个螺旋槽。