CN109249074A - 一种采用刨削方式加工罗茨风机扭叶轮的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用双向刨削的方式加工扭叶轮的技术方法，该方法的实现是基于一种左右支承座和横梁为一刚性整体门形架构的双支承刨床的承载结构技术，刨床横梁上装有可以承载刨刀机构做左右往复直线运动的滑枕，滑枕中部位置上装有可以上下移动的垂直拖板，拖板上装有可以控制刨刀做180度旋转并且带有角度微调的刨刀机构，在刨刀往复运行时，装在工作台上的旋转夹持机构同步控制夹持的叶轮工件作给定角度正负旋转，即直线刨削与叶轮旋转联动，在刨刀换向旋转180度的间歇时，工作台前后移动，同时刨刀上下移动，二轴联动对工作台上的叶轮做定距插补，整个控制使得叶面上的多个刨削轨迹曲线等距排列，从而实现逐线到面刨削扭叶轮的技术方法。

Description

一种采用刨削方式加工罗茨风机扭叶轮的方法

技术领域

本发明涉及一种金属刨削加工设备，尤其是一种双向刨削机床。

背景技术

罗茨真空泵腔体内的一对叶轮，通常采用的有直线型(直齿)叶轮或螺旋线型(螺旋齿)扭叶叶轮，扭叶叶轮除具备有直线叶轮排风量大、效率高等诸多优良特性外，比较直线叶轮更具有排风压力大、噪声低，功耗低等诸多特点，因此采用扭叶叶轮的罗茨真空泵，其性能要比采用直线型叶轮的罗茨真空泵更加优异。由于扭叶叶轮形状呈螺旋线型，叶轮呈扭曲形状，曲面型线较直线型面复杂得多，因此其加工要困难得多，目前，给出加工扭叶轮的方法有很多，除了采用铣削的方法外，绝大多数为理论上的加工思路和实验性的探讨论文居多，这些理论上实验性的探讨并没有给出可以实现的并且可以商业化批量生产加工的可以实施的具体技术方法，因此，这些理论探讨的思路和实施的可行性无法得到验证。而实际上真正商业化的能够适合批量加工生产的，还是采用车铣削加工中心铣削加工方法为主，即通过复杂的算法，计算出可以表述叶轮曲面的各种特征参数，形成数控系统可执行的G代码程序，对叶轮曲面逐点至线到面铣削，完成扭叶叶轮特殊型面的铣削加工，此方法可以保证加工精度，确保加工出的叶轮误差在配对的精度要求范围内，但其加工程序编制繁杂，扭叶轮型面是铣刀逐点铣出来的，加工周期长，效率低，对操作者有一定的技术门槛，加工成本很高。

发明内容

要解决的技术问题是：为了解决铣削加工中心加工扭叶轮周期长、效率低、加工门槛高等问题，摆脱扭叶叶轮加工主要依赖于车铣削加工中心的现状，本发明提供一种双向刨削的技术方法，即采用逐线刨削的加工方法加工扭叶轮，在刨刀循环往复刨削工件的过程中，被夹持的工件同步配合作给定的角度旋转，即刨削动作与旋转联动，在刨刀每刨削一刀(单程)后刀头换向旋转180度的间歇，工作台运动与刨刀上下运动联动移动一个定步距，这样的控制，使得刨刀每做一次直线刨削运动，刨削出来的就是叶面上的一根曲线轨迹，因刨刀刀口本身有一个微小宽度，这个曲线轨迹实际上是一条具有扭叶轮型面特征的具备一定扭曲角度的微小宽度曲平面轨迹，刨刀循环往复刨削运动，控制使得叶面上的多个曲线(面)等距排列，从而完成逐线到面的刨削，刨削出扭叶轮整个型面，最终完成整个扭叶轮的刨削加工。

为实现双向刨削扭叶轮工件的技术方法所采用的技术方案是：一种双向刨削加工机床，该机床基于本公司另一项专利，专利号为ZL 2005 1 0094183.9，名称为双支承刨床的承载结构技术，将分体的左、右支承座和横梁改为整体刚性门形框架构，提升机床结构刚性稳定，机床上装有可以承载刨刀机构做往复运动的滑枕、可以控制刨刀同轴做180度旋转且带刨刀角度微调的刨刀机构、可随刨刀往复运行同步旋转给定角度的夹持机构、前后移动的工作台及刨削控制专用数控系统。机床的主要特征是承载刨刀机构的滑枕经由安装在机床支承架横梁上的导轨副实现动连接，滑枕由系统Z轴控制可带动拖板及刨刀机构做左右循环往复直线运动，使刨刀可循环往复刨削工件；刨刀机构安装在可上下移动(垂直运动)的拖板上，拖板安装在滑枕中部，拖板由系统Y轴控制做上下垂直运动，用来控制刨削叶轮型面厚度方向上的尺寸；刨刀机构中刨刀本身可以同轴水平旋转180度，并可以在旋转方向上做正负微小角度调整，适应扭叶曲面刨削角度要求；旋转夹持机构安装在工作台左侧台面上，其特征是夹持机构可随工作台移动，其旋转端面与工作台垂直，旋转轴伸分别与滑枕(Z轴)移动方向平行、与工作台(X轴)运动方向垂直，机构内连接带有多级减速器的驱动伺服电机，以驱动旋转夹持机构可动态翻转动作；工作台右侧安装一液压尾座作为旋转分度辅助夹持支撑，扭叶轮工件固定在左右夹持机构夹头之间，旋转夹持机构可以控制工件随着循环往复的刨刀同步动态的作正负给定角度旋转，刨削完一个叶轮型面后可自动翻转叶轮至另一个待加工型面；机床的工作台由系统X轴控制，其特征是用于承载安装在台面上的旋转夹持机构和夹持的扭叶轮工件，可以拖动夹持机构及扭叶轮工件做前后移动，在刨削过程当中，每刨削完一刀，X轴与Y轴做扭叶轮型线中的小线段插补移动一定距，配合下一刀刨削。

机床的运动控制核心由一4轴数控系统承担，根据加工扭叶轮对各个运动轴的运动配合需求，设计研发一套双向刨削及工件动态同步旋转的控制算法，其控制技术的特征及原理为当滑枕沿Z向左右往复运动时，A轴控制旋转机构夹持的叶轮工件随Z轴的运动同步旋转对应的正或负角度，Z轴往复运动每通过一边端点时，系统收到该端点的信号后，即控制刨刀旋转180度，使刀头对准下次切削工件方向；同时调整Y轴方向上刨刀的高度和X轴方向上移动的位置步距，以保持下一刀的刨削轨迹与上一刀轨迹并行等距，而后自动运行刨削下一刀，此动作循环往复，逐一刨削当前扭叶轮叶面各曲面部位，当扭叶轮一个叶面刨削完后，分度机构控制旋转工件翻转到另个叶面，继续之后的刨削，直至扭叶轮所有叶面均刨削好，完成扭叶轮型面加工。

扭叶轮采用刨削加工的方法，其最显著的特点就是被夹持的扭叶轮工件可以通过双向刨削的技术方法完成型面加工，相比较经典的車铣逐点加工扭叶轮叶面的技术方法，从工艺上由逐点至线到面的铣削方法改为从线到面的刨削方法，加工方法要简便得多，加工工艺也简化许多，又因加工方法差异，刨削的速度本身就要比铣削速度快得多，因此加工同样尺寸扭叶轮叶面，可以缩短加工周期，提高加工效率，该技术产生的技术效果是采用本技术方法刨削扭叶轮比车铣加工中心铣削扭叶轮，其加工周期可缩短2倍以上，而加工效率要高3～4倍。采用刨削的技术方法加工扭叶轮，其带来的积极效果是叶轮编程的难度和门槛都比铣削的方法要低，从而简化了程序编制、减少使用的程序量，在这样的平台上，还可以通过加载不同控制功能的软件模块，而无需再添加其它设施，就可在同一平台机床上加工直线型叶轮，可以用于更多线型叶轮的加工。

附图说明

图1为扭叶轮刨削加工机床正面示意图。

图2为扭叶轮刨削加工机床右侧面示意图。

图3为扭叶轮刨削加工机床外观示意图。

图中1.机床身，2.工作台，3.旋转夹持机构，4.门形框架支承座，5.门形框架横梁，6.滑枕，7.刨刀驱动器，8.拖板，9.Y轴伺服电机，10.导轨副，11.工作台X轴伺服电机，12.Z轴伺服电机，13.刨刀，14.扭叶轮，15.尾座，16.机床外罩壳，17.拉门防护罩，18，穿线管道，19.控制箱支撑柱，20.机床操作控制箱，21.数控系统，22.控制箱支撑座，23.排屑箱

具体实施方式：

参考图1、图2，扭叶刨削加工机床包括床身1，整体的刚性门形框架的左、右支承座4固定在床身1两侧上，构成了刨削机床的刚性整体，这样可以更好的抑制加工过程中产生的振动，保证机床刚性整体能够稳定承载；门形框架中的横梁5经导轨副10与滑枕6连接，确保滑枕轻松平滑移动平稳，滑枕由带有减速机构的Z轴伺服电机12驱动，拖动滑枕做左右往复直线移动；拖板8为垂直运动拖板，安装在滑枕6中部，拖板上装有刨刀驱动器7和刨刀13组成刨刀机构，滑枕做左右往复直线移动，就相当于控制刨刀左右往复直线运动，刨刀驱动器7用于刨刀13旋转180度驱动控制，使刨刀切削刀头始终对准需刨削的工件型面，刨刀13除可作180度旋转外，刀头本身可对旋转角度作精细微调，以保证刨削角度和刨削轨迹的精确度，满足叶轮型面的精度要求；拖板8上方装有Y轴伺服电机9，Y轴电机驱动拖板上下移动，相当于控制刨刀做上下移动；床身1上门形框架的左、右支承座4间安装有工作台2，由工作台X轴电机11驱动，做前后(即横向)移动，工作台2上安装旋转夹持机构3和尾座15，用于夹持扭叶轮工件14，在刨刀换向旋转180度的间歇时，X轴工作台前后移动配合Y轴上下移动对工作台上被夹持住的叶轮14控制做定距插补，并保持工件在加工中与工作台平行和稳定；旋转夹持机构3由带有大减速比的减速机构A轴伺服电机驱动，并与Z轴伺服电机联动控制，配合滑枕做左右往复移动时，同步做对应角度的正偏转和负偏转。

如图3，机床外罩壳16、拉门防护罩17和排屑箱23面板组成机床整体防护罩壳，将图1、图2所示机床身包裹，利于安全防护，使机床整体美观，排屑箱23面板装有拉环，可以方便开启，及时清理刨削出的铁屑，避免铁屑量较多时在工作台上形成堆积；控制机床的数控系统21嵌入安装在机床正面右侧位置处的机床操作控制箱20内，该控制箱连接在箱体左侧一支撑柱19上，箱体以该支撑柱19为轴心可旋转，方便操作数控系统，支撑座22与机床外罩壳16连接，用以支撑柱19的连接固定，承载支撑柱及数控系统重量，所有电器的控制信号线，经由支撑柱顶端穿线管道18再通过内部引线管道至机床电柜内各个电器，连接电器及驱动实现各轴运动控制。其中，由数控系统主轴(A轴)控制口引出的控制信号线与电气柜内的主轴伺服驱动器相连接，从该伺服驱动器引出的伺服电机电源线和编码器线与工作台上控制旋转夹持机构的主轴伺服电机相连接；数控系统脉冲信号输出口引出的各轴信号控制线分别与电气柜中X、Y、Z轴伺服驱动器相连接，再由各驱动器引出至对应的伺服电机。

Claims (7)

1.双向刨削加工扭叶轮的技术方法，是基于一种具备双向刨削加工功能的机床来实现的技术方法，其特征是：刨刀在进行刨削运动时，旋转分度机构夹持的扭叶轮工件能够配合同步旋转到一个给定的角度，刨刀运行路径是直线，在扭叶轮工件叶面上形成的刨削轨迹是带有一定角度扭曲的微小宽度曲线，当刨刀循环往复直线运动双向刨削，扭叶轮叶面上多个刨削曲线呈现等距排列分布，形成扭叶轮型面。

2.根据权利要求1所述的机床，其特征是：该机床采用的是一种双支承刨床的承载结构技术，其左、右支承座和横梁为一刚性整体门形架构的双向刨削机床。

3.根据权利要求1或2所述的机床，其特征是：该机床的构成是由装有可以承载刨刀机构做往复运动的滑枕、可以控制刨刀做180度旋转换向的刨刀机构、可随刨刀往复运行同步旋转给定角度的旋转分度机构、前后移动的工作台及刨削控制专用数控系统诸多机构的组合。

4.根据权利要求3所述的机床，其特征是，所用的刨刀机构可以控制刨刀同轴旋转180度换向，且刨刀角度可作微调控制。

5.根据权利要求3所述的机床，其特征是，旋转分度机构夹持扭叶轮旋转动作与刨刀直线运动为同步的、刚性联动关系。

6.根据权利要求3或5所述的旋转分度机构，其特征是，该机构为大减速比传动且由伺服电机驱动。

7.根据权利要求5所述的刚性联动，其特征是，联动由数控驱动控制，或机械传动机构驱动。