天然氣流量計三葉轉子四軸加工技術研究
點（diǎn）擊次（cì）數（shù）：2207 發布時間：2021-01-08 06:33:49
摘要：針對天然氣流量（liàng）計內部（bù）的一種三葉（yè）擺（bǎi）線轉子，采（cǎi）用加（jiā）工中心四軸銑削技術。通過三葉擺線轉子組件的結（jié）構基於立式加工（gōng）中心四軸設備設計了一種能夠方便裝夾轉子的工裝，並利用 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（zǐ）的粗精加工。結合擺線轉子的線型特（tè）征，比較了多種四（sì）軸銑削轉子精加工刀具路（lù）徑的優缺點。以提（tí）高表麵粗糙度與加工效率為（wéi）目的，選擇了一種通過垂（chuí）直於曲線並擺動球頭（tóu）銑刀刀具側傾角的多軸銑削刀具路徑。
引言
天然氣流量計（jì）廣泛應用於油田、化工、城市燃氣等流量計量裝置，其基（jī）表結構主要由殼體、轉（zhuǎn） 子、端板和同步齒輪等零（líng）部件（jiàn）組成，其中核心零部件轉子的線型、葉片（piàn）頭數、形狀和（hé）加工精度都會（huì）直接影響天然氣流量計的流量範圍（wéi）度、壓差、噪聲和計量準確度等工作性能。
目前國內外天然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（yuán）弧（hú）線型等。由於設計三葉轉子和扭（niǔ）葉（yè）轉子對工程師（shī）的專業知識和數學有著較高的要求，而（ér）且加工（gōng）工藝性能也低於兩葉轉子，所以，三葉轉子和扭葉轉子在實際（jì）的天然氣流（liú）量計（jì）中（zhōng）應用的很少（shǎo）。本（běn）文通過（guò）我們研（yán）發的一種三葉轉子天然氣流量計的（de）工作性能，以（yǐ）三葉轉（zhuǎn）子的四軸加工為例，提出一種能夠滿足單件或小批量試製加工使（shǐ）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製水平。
1 工藝路線分析
天然氣流量計作為容積式計量儀表（biǎo），由於（yú）在實際計量中存在一定（dìng）的泄漏量，需控製兩根轉子之間的間（jiān）隙、轉子與端板的（de）間隙、轉（zhuǎn）子與殼體的間（jiān）隙（xì），所以（yǐ）其轉子有著非常（cháng）高（gāo）的加工精（jīng）度。三葉天然氣（qì）流量計結構如圖 1 所示，三葉轉子組件結構（gòu）如圖2 所示。兩端軸的不鏽鋼（gāng）材料使（shǐ）用氣動壓力機以（yǐ）過盈配合壓入轉子中，轉子為（wéi） 6061#鋁材。由於隻是測試三葉轉子的工作性能，為降低研（yán）發成本，直接使用圓形棒料作為轉子（zǐ）毛坯，根據三葉轉子組件結構及加工部（bù）位精度（dù）要求分析加工工（gōng）藝路線。
工（gōng）藝路（lù）線及要（yào）求:
1) 工序 10: 采用四軸（zhóu）臥式加工中心，使用 V 型塊和壓板固定轉子毛坯( 圓形棒料) ，鑽出 3 個均勻分布的孔以減輕轉子重量，留 5mm 不（bú）鑽通，加工成M5 螺（luó）紋孔，銑出一條找正平麵（miàn），再加工轉子兩端麵和壓軸孔，保證轉子長度、兩端（duān）平行度、平（píng）麵度，兩端壓軸孔的同軸度、壓軸孔和兩端平麵的垂直度。
2) 工（gōng）序 20: 采用氣動壓力機（jī）將軸Ⅰ壓入（rù）轉子。完成轉子組件半成品如（rú）圖 3 所示。
3) 工序 30: 采用四軸立式（shì）加工中心，使用專用工裝裝夾固定銑削轉子曲麵( 截麵輪廓) 。
4) 工序 40: 采用氣（qì）動壓力機將直軸（zhóu）壓入轉子，完成轉子組件。
2 三葉轉子四軸加（jiā）工工裝
目前量產（chǎn）中的（de）轉子都是型（xíng）材毛坯（pī），采用成型砂輪磨削或者定製成型銑刀進（jìn）行加工轉子曲麵（miàn）。這種加工方式工藝成熟（shú），適合大批（pī）量生產，而且有利於轉子線型的技術保密，但加工方式在研發試製中應用試製加（jiā）工周期會很長，而且成本很高，不適合單件或（huò）小批量試製。為此，筆者基於四軸立式加工中（zhōng）心，結（jié）合三葉轉子加工工藝提出一種工裝，如圖 4所示（shì）。將這套工裝定位（wèi）在立式（shì）加工中心四（sì）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（xuē）時產生震顫。
3 數控加工
3. 1 三（sān）葉轉子銑削原理
三葉轉子的曲麵是由多條直線組成的直紋麵（miàn），加工三葉轉子這種高精度的直紋曲麵必須采用四軸或五軸（zhóu）聯動的數控（kòng）機床（chuáng）。三葉轉子的銑削方式有刀具路徑平行軸線銑削、繞軸線（xiàn）銑削（xuē）兩（liǎng）種刀具路徑。平行軸線銑削原理為: 刀具在轉子曲麵上沿 X軸從轉（zhuǎn）子的一端移動到（dào）另一端銑出一（yī）條直線，銑（xǐ）削下一點位（wèi）時（shí）旋轉 A 軸 Z 軸聯動再次從轉子一端銑削（xuē）到另一端，采用往複銑削（xuē）直（zhí）到完成整個轉子曲（qǔ）麵（miàn），刀具路徑如圖 6 所（suǒ）示（shì）。繞（rào）軸線銑（xǐ）削原理為: 刀（dāo）具在轉子曲麵上 AZ 軸聯（lián）動（dòng）刀具繞 A 軸軸線銑削，銑削下一點位時（shí）移動（dòng） X 軸，再次 AZ 軸進行（háng）聯（lián）動銑削，采用往複銑削直到完成（chéng）整個轉子曲麵，刀具路徑如圖 7 所示。由於繞軸銑削需（xū）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（jīng）加工（gōng）高速銑削時並不適用。
四軸加工中采用球頭銑（xǐ）刀，刀軸控（kòng）製（zhì）策略是提高加工效率和轉子曲麵（miàn）表麵（miàn）粗糙度的（de）關鍵。如（rú）圖 8所示，刀軸控製（zhì）策略有常見（jiàn）的刀軸過軸線、側傾角、刀軸平行於軸線。筆者采用平行軸線銑削加工方式（shì）對這 3 種刀軸控製（zhì）策略進（jìn）行實際加工對（duì）比，得出采用側（cè）傾角刀軸（zhóu）控製策略加工出的轉（zhuǎn）子曲麵表麵粗糙（cāo）度*好。其原因主要由於刀軸平（píng）行於軸線這種刀（dāo）軸控製策略采用球頭（tóu）銑刀（dāo）加工時，其刀具切削（xuē）轉子曲麵時的接觸點為刀具的頂部，球頭銑刀的頂部直徑為（wéi）零，線速度也為零。此時（shí）刀具是在擠壓工件，刀具頂部也容易磨損。刀（dāo）軸過軸線策（cè）略雖然刀具與轉子曲麵的接觸點一直在變換，但是也有刀位點是采用刀具（jù）頂部去切削（xuē）。側前傾角刀軸控製策略: 控製刀（dāo）具與轉子曲麵接觸點的位（wèi）置，避免球（qiú）頭銑刀頂部（bù）銑削轉子曲麵，實現刀尖的（de）點的偏離，提高刀具切削點的線速度。球頭銑刀頂（dǐng）部切削和非（fēi）頂（dǐng）部切削如圖 9 所示。
3. 2 三葉（yè）轉子 CAM 編程過程
SolidCAM 軟（ruǎn）件四軸加工具有多軸粗精（jīng）銑、豐富的（de）刀軸控製（zhì）策略、刀具碰撞及（jí）幹涉檢查、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（gōng）中的垂直於曲線加工策略為例闡述粗精加工編程過程。*一步: 加載 Solidworks三維模型並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（lì）銑（xǐ）刀（dāo），精加工采用直徑為 6mm 的（de）球頭銑刀; *三步: 創（chuàng）建粗加工程序，打開（kāi）多（duō）軸加工中的垂直於曲線加工（gōng）; *四步: “驅動（dòng）曲麵”選擇三（sān）葉轉子曲（qǔ）麵，“引導曲線”選擇三葉轉子截麵（miàn）輪廓，將驅動曲麵餘量設置為 0. 2mm;*五步（bù）: 選擇已添加的（de）立銑刀，並（bìng）設置（zhì）刀具切削參數; *六步: 設置切削步（bù）距（jù）為 1mm、旋轉軸為（wéi） X 軸;*七步: 計算刀具路徑，完成粗加工程序; *八步:拷（kǎo）貝粗加工操作過程，驅動曲麵餘量更改為 0mm，刀具更改為直徑為（wéi） 6mm 的精（jīng）加工球頭銑（xǐ）刀，切（qiē）削步距更改（gǎi）為 0. 25mm; *九步: 設置刀軸控製方向為相對（duì）切削方向傾斜，側傾角為 15°; *十步: 將曲麵的切削公差設置為 0. 005mm( 控製三葉（yè）轉子曲麵輪廓度誤差) ，計（jì）算刀具路徑; *十一步: 對粗精加工刀具路徑（jìng）操作進行三維（wéi）模擬仿真（zhēn），觀（guān）察刀具（jù）軌跡是否正確，並生成 G 代碼。
3. 3 三葉轉子曲麵尺寸控（kòng）製
天然氣流量計中的兩對轉子（zǐ）齧合間隙尺（chǐ）寸非常重要，定出合（hé）理的（de）齧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製方法有兩（liǎng）種: 一種是通過電腦 CAM 軟件進行調整加工尺寸，在（zài） SolidCAM 軟（ruǎn）件中通過更改驅動曲麵餘量尺寸，即（jí）可調整轉子尺寸，這種方法更改時要重（chóng）新生成加工 G 代碼導入到機床進行（háng）加（jiā）工，機床與電腦聯網時會考慮采用這種（zhǒng）方式; 另一種是通過（guò）數控機床控製器（qì）補償，在 CAM 軟件生成 G 代碼時需加（jiā）入 G43刀具長度補償指令，加工時調整轉子尺寸時隻（zhī）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，編製了加工工藝過程，設計的三葉轉子（zǐ）工裝方便裝（zhuāng）夾、操作簡單，同時運用 CAM 軟件合理選擇加（jiā）工（gōng）策略，詳細講解了使用球頭銑刀在多軸加工中設（shè）置側傾角可以避免刀具（jù）線速度為零（líng）的問題。這些加（jiā）工工藝、工裝（zhuāng）、尺寸控製方（fāng）法、編程技（jì）巧隻（zhī）要稍做改變就能應用於天然氣流量計中的兩葉轉子、三葉螺旋轉子，提高新產品研發試製周期。
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引言
天然氣流量計（jì）廣泛應用於油田、化工、城市燃氣等流量計量裝置，其基（jī）表結構主要由殼體、轉（zhuǎn） 子、端板和同步齒輪等零（líng）部件（jiàn）組成，其中核心零部件轉子的線型、葉片（piàn）頭數、形狀和（hé）加工精度都會（huì）直接影響天然氣流量計的流量範圍（wéi）度、壓差、噪聲和計量準確度等工作性能。
目前國內外天然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（yuán）弧（hú）線型等。由於設計三葉轉子和扭（niǔ）葉（yè）轉子對工程師（shī）的專業知識和數學有著較高的要求，而（ér）且加工（gōng）工藝性能也低於兩葉轉子，所以，三葉轉子和扭葉轉子在實際（jì）的天然氣流（liú）量計（jì）中（zhōng）應用的很少（shǎo）。本（běn）文通過（guò）我們研（yán）發的一種三葉轉子天然氣流量計的（de）工作性能，以（yǐ）三葉轉（zhuǎn）子的四軸加工為例，提出一種能夠滿足單件或小批量試製加工使（shǐ）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製水平。
1 工藝路線分析
天然氣流量計作為容積式計量儀表（biǎo），由於（yú）在實際計量中存在一定（dìng）的泄漏量，需控製兩根轉子之間的間（jiān）隙、轉子與端板的（de）間隙、轉（zhuǎn）子與殼體的間（jiān）隙（xì），所以（yǐ）其轉子有著非常（cháng）高（gāo）的加工精（jīng）度。三葉天然氣（qì）流量計結構如圖 1 所示，三葉轉子組件結構（gòu）如圖2 所示。兩端軸的不鏽鋼（gāng）材料使（shǐ）用氣動壓力機以（yǐ）過盈配合壓入轉子中，轉子為（wéi） 6061#鋁材。由於隻是測試三葉轉子的工作性能，為降低研（yán）發成本，直接使用圓形棒料作為轉子（zǐ）毛坯，根據三葉轉子組件結構及加工部（bù）位精度（dù）要求分析加工工（gōng）藝路線。
工（gōng）藝路（lù）線及要（yào）求:
1) 工序 10: 采用四軸（zhóu）臥式加工中心，使用 V 型塊和壓板固定轉子毛坯( 圓形棒料) ，鑽出 3 個均勻分布的孔以減輕轉子重量，留 5mm 不（bú）鑽通，加工成M5 螺（luó）紋孔，銑出一條找正平麵（miàn），再加工轉子兩端麵和壓軸孔，保證轉子長度、兩端（duān）平行度、平（píng）麵度，兩端壓軸孔的同軸度、壓軸孔和兩端平麵的垂直度。
2) 工（gōng）序 20: 采用氣動壓力機（jī）將軸Ⅰ壓入（rù）轉子。完成轉子組件半成品如（rú）圖 3 所示。
3) 工序 30: 采用四軸立式（shì）加工中心，使用專用工裝裝夾固定銑削轉子曲麵( 截麵輪廓) 。
4) 工序 40: 采用氣（qì）動壓力機將直軸（zhóu）壓入轉子，完成轉子組件。
2 三葉轉子四軸加（jiā）工工裝
目前量產（chǎn）中的（de）轉子都是型（xíng）材毛坯（pī），采用成型砂輪磨削或者定製成型銑刀進（jìn）行加工轉子曲麵（miàn）。這種加工方式工藝成熟（shú），適合大批（pī）量生產，而且有利於轉子線型的技術保密，但加工方式在研發試製中應用試製加（jiā）工周期會很長，而且成本很高，不適合單件或（huò）小批量試製。為此，筆者基於四軸立式加工中（zhōng）心，結（jié）合三葉轉子加工工藝提出一種工裝，如圖 4所示（shì）。將這套工裝定位（wèi）在立式（shì）加工中心四（sì）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（xuē）時產生震顫。
3 數控加工
3. 1 三（sān）葉轉子銑削原理
三葉轉子的曲麵是由多條直線組成的直紋麵（miàn），加工三葉轉子這種高精度的直紋曲麵必須采用四軸或五軸（zhóu）聯動的數控（kòng）機床（chuáng）。三葉轉子的銑削方式有刀具路徑平行軸線銑削、繞軸線（xiàn）銑削（xuē）兩（liǎng）種刀具路徑。平行軸線銑削原理為: 刀具在轉子曲麵上沿 X軸從轉（zhuǎn）子的一端移動到（dào）另一端銑出一（yī）條直線，銑（xǐ）削下一點位（wèi）時（shí）旋轉 A 軸 Z 軸聯動再次從轉子一端銑削（xuē）到另一端，采用往複銑削（xuē）直（zhí）到完成整個轉子曲（qǔ）麵（miàn），刀具路徑如圖 6 所（suǒ）示（shì）。繞（rào）軸線銑（xǐ）削原理為: 刀（dāo）具在轉子曲麵上 AZ 軸聯（lián）動（dòng）刀具繞 A 軸軸線銑削，銑削下一點位時（shí）移動（dòng） X 軸，再次 AZ 軸進行（háng）聯（lián）動銑削，采用往複銑削直到完成（chéng）整個轉子曲麵，刀具路徑如圖 7 所示。由於繞軸銑削需（xū）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（jīng）加工（gōng）高速銑削時並不適用。
四軸加工中采用球頭銑（xǐ）刀，刀軸控（kòng）製（zhì）策略是提高加工效率和轉子曲麵（miàn）表麵（miàn）粗糙度的（de）關鍵。如（rú）圖 8所示，刀軸控製（zhì）策略有常見（jiàn）的刀軸過軸線、側傾角、刀軸平行於軸線。筆者采用平行軸線銑削加工方式（shì）對這 3 種刀軸控製（zhì）策略進（jìn）行實際加工對（duì）比，得出采用側（cè）傾角刀軸（zhóu）控製策略加工出的轉（zhuǎn）子曲麵表麵粗糙（cāo）度*好。其原因主要由於刀軸平（píng）行於軸線這種刀（dāo）軸控製策略采用球頭（tóu）銑刀（dāo）加工時，其刀具切削（xuē）轉子曲麵時的接觸點為刀具的頂部，球頭銑刀的頂部直徑為（wéi）零，線速度也為零。此時（shí）刀具是在擠壓工件，刀具頂部也容易磨損。刀（dāo）軸過軸線策（cè）略雖然刀具與轉子曲麵的接觸點一直在變換，但是也有刀位點是采用刀具（jù）頂部去切削（xuē）。側前傾角刀軸控製策略: 控製刀（dāo）具與轉子曲麵接觸點的位（wèi）置，避免球（qiú）頭銑刀頂部（bù）銑削轉子曲麵，實現刀尖的（de）點的偏離，提高刀具切削點的線速度。球頭銑刀頂（dǐng）部切削和非（fēi）頂（dǐng）部切削如圖 9 所示。
3. 2 三葉（yè）轉子 CAM 編程過程
SolidCAM 軟（ruǎn）件四軸加工具有多軸粗精（jīng）銑、豐富的（de）刀軸控製（zhì）策略、刀具碰撞及（jí）幹涉檢查、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（gōng）中的垂直於曲線加工策略為例闡述粗精加工編程過程。*一步: 加載 Solidworks三維模型並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（lì）銑（xǐ）刀（dāo），精加工采用直徑為 6mm 的（de）球頭銑刀; *三步: 創（chuàng）建粗加工程序，打開（kāi）多（duō）軸加工中的垂直於曲線加工（gōng）; *四步: “驅動（dòng）曲麵”選擇三（sān）葉轉子曲（qǔ）麵，“引導曲線”選擇三葉轉子截麵（miàn）輪廓，將驅動曲麵餘量設置為 0. 2mm;*五步（bù）: 選擇已添加的（de）立銑刀，並（bìng）設置（zhì）刀具切削參數; *六步: 設置切削步（bù）距（jù）為 1mm、旋轉軸為（wéi） X 軸;*七步: 計算刀具路徑，完成粗加工程序; *八步:拷（kǎo）貝粗加工操作過程，驅動曲麵餘量更改為 0mm，刀具更改為直徑為（wéi） 6mm 的精（jīng）加工球頭銑（xǐ）刀，切（qiē）削步距更改（gǎi）為 0. 25mm; *九步: 設置刀軸控製方向為相對（duì）切削方向傾斜，側傾角為 15°; *十步: 將曲麵的切削公差設置為 0. 005mm( 控製三葉（yè）轉子曲麵輪廓度誤差) ，計（jì）算刀具路徑; *十一步: 對粗精加工刀具路徑（jìng）操作進行三維（wéi）模擬仿真（zhēn），觀（guān）察刀具（jù）軌跡是否正確，並生成 G 代碼。
3. 3 三葉轉子曲麵尺寸控（kòng）製
天然氣流量計中的兩對轉子（zǐ）齧合間隙尺（chǐ）寸非常重要，定出合（hé）理的（de）齧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製方法有兩（liǎng）種: 一種是通過電腦 CAM 軟件進行調整加工尺寸，在（zài） SolidCAM 軟（ruǎn）件中通過更改驅動曲麵餘量尺寸，即（jí）可調整轉子尺寸，這種方法更改時要重（chóng）新生成加工 G 代碼導入到機床進行（háng）加（jiā）工，機床與電腦聯網時會考慮采用這種（zhǒng）方式; 另一種是通過（guò）數控機床控製器（qì）補償，在 CAM 軟件生成 G 代碼時需加（jiā）入 G43刀具長度補償指令，加工時調整轉子尺寸時隻（zhī）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，編製了加工工藝過程，設計的三葉轉子（zǐ）工裝方便裝（zhuāng）夾、操作簡單，同時運用 CAM 軟件合理選擇加（jiā）工（gōng）策略，詳細講解了使用球頭銑刀在多軸加工中設（shè）置側傾角可以避免刀具（jù）線速度為零（líng）的問題。這些加（jiā）工工藝、工裝（zhuāng）、尺寸控製方（fāng）法、編程技（jì）巧隻（zhī）要稍做改變就能應用於天然氣流量計中的兩葉轉子、三葉螺旋轉子，提高新產品研發試製周期。