關於（yú）智能氣體流量計的工藝路線分析（xī）與加工
點（diǎn）擊次數：2067 發布（bù）時間（jiān）：2021-01-08 04:52:48
摘要：針對智能氣體（tǐ）流量計內部的一種三葉擺線轉子，采用加（jiā）工（gōng）中（zhōng）心四（sì）軸銑（xǐ）削技術。通過三（sān）葉擺線轉子組件（jiàn）的結構基於立式加（jiā）工（gōng）中（zhōng）心四軸設備設計（jì）了一種能夠方便裝夾轉子的工裝，並利用 SolidCAM 軟件多軸加（jiā）工策略，用常規標準立銑刀和球頭銑刀完成轉子的粗精加工。結合擺線轉（zhuǎn）子的線型特征，比（bǐ）較了多種四軸銑削轉（zhuǎn）子精加工刀具路徑的優缺點。以提高表（biǎo）麵粗糙度與加工效率為目（mù）的，選擇了一種通過垂直於曲線並擺動（dòng）球頭銑刀刀具側傾角的多軸銑削刀（dāo）具路徑。
引（yǐn）言
智能氣體流量計（jì）廣泛應用於油田（tián）、化工、城市燃氣等流量（liàng）計量（liàng）裝置，其（qí）基表結構（gòu）主要由殼體（tǐ）、轉 子、端板和同步齒輪等（děng）零部件組成，其中核心零部件（jiàn）轉子的線型（xíng）、葉片頭數、形狀和加工精度都會直接（jiē）影（yǐng）響（xiǎng）智能氣體流量（liàng）計的流量（liàng）範圍度（dù）、壓差、噪聲和計量準確度等工作性能。
目前國內外智能氣體流量計大（dà）部分采用兩直葉（yè）轉子（zǐ），線型大致有漸開線型、內外擺線型和圓弧線型等。由於設計三葉轉子和扭葉轉（zhuǎn）子對工程師的專業知識和數學有著較高（gāo）的要求，而且加工工藝性能也低於兩葉（yè）轉子，所以，三葉轉子和扭葉轉子在實際的智（zhì）能氣體流量計中應（yīng）用的很（hěn）少。本文通過我們研發的一種三（sān）葉轉子智能氣體流量計的工作性能，以三葉轉子的四（sì）軸加工為例，提出一種能夠滿足單件或小批量試製加工使用的轉子工裝（zhuāng），介紹 SolidCAM 中的一種（zhǒng）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
智能氣（qì）體流量計（jì）作為容積式計量儀表，由於在實（shí）際計（jì）量中存在一定的泄漏（lòu）量，需控製兩根轉子之間的（de）間隙、轉子與端板的間隙、轉子與殼體的（de）間隙，所以其轉子有著非常高的加工精度。三葉智能氣體流量（liàng）計結構如圖 1 所示，三葉轉子組件（jiàn）結構如圖2 所示。兩端軸的不鏽鋼材料使用氣動壓力機（jī）以過盈配合壓入轉子中（zhōng），轉子為 6061#鋁材（cái）。由於隻是測試三葉轉子的工作性能，為降低（dī）研發（fā）成（chéng）本，直接使用圓形棒料作（zuò）為轉（zhuǎn）子毛坯，根（gēn）據三葉轉子組（zǔ）件結構（gòu）及（jí）加工部位精度要求分析加工工藝路線。
工藝路線及要（yào）求:
1) 工序 10: 采用四（sì）軸臥式加工中心，使用 V 型塊和壓板固定轉子毛坯( 圓（yuán）形（xíng）棒料) ，鑽出 3 個均勻分布的孔以減輕（qīng）轉子重（chóng）量，留 5mm 不鑽通，加工成M5 螺紋孔，銑出一條找正平麵，再加工轉子（zǐ）兩端麵和壓軸孔，保證轉子長度、兩端平行度、平麵度，兩端（duān）壓軸孔的同軸度、壓軸孔和兩（liǎng）端平麵的垂直度。
2) 工序 20: 采（cǎi）用氣動壓力機將軸Ⅰ壓入轉子。完成（chéng）轉子組件半成品如圖 3 所示（shì）。
3) 工序 30: 采用四軸立式加工中心，使用專用工裝裝夾固定銑（xǐ）削轉（zhuǎn）子曲麵( 截麵輪廓) 。
4) 工序 40: 采用氣動壓力機將直（zhí）軸壓入轉子（zǐ），完成轉子組件。
2 三葉轉子四軸（zhóu）加工工裝
目（mù）前量產中的轉（zhuǎn）子都是（shì）型材毛（máo）坯，采用成型砂輪磨削或者定製成型銑刀（dāo）進行（háng）加工轉子曲（qǔ）麵。這種加工方式工藝成熟，適（shì）合大批量生產，而且有利於（yú）轉子線型的技術保密，但加工（gōng）方式在研發試製中應用試製加工周期會很長（zhǎng），而且成本很高，不適（shì）合（hé）單件或小批量試製。為此（cǐ），筆者基於四軸立式（shì）加工中心，結合三葉（yè）轉子加工工藝提出一種工裝（zhuāng），如圖 4所（suǒ）示。將這套工裝（zhuāng）定位在立式加（jiā）工中心四軸（zhóu）回轉中心上，加工裝夾方式如（rú）圖 5 所示。用（yòng）機（jī）床尾（wěi）軸頂住轉子（zǐ）來增強（qiáng）加工剛性避免切削時產生震顫。
3 數控加工（gōng）
3. 1 三葉轉子（zǐ）銑削原（yuán）理
三葉轉子的曲麵是（shì）由多條直線組成的直紋麵，加工三葉轉子（zǐ）這種高精（jīng）度的直紋曲（qǔ）麵必須采用四軸或五軸聯動的數控機床。三葉轉子的銑削（xuē）方式有刀具路徑平行（háng）軸線銑削、繞軸線銑削兩種刀具（jù）路（lù）徑（jìng）。平行軸線銑削原理為: 刀具在轉子曲麵上沿 X軸從轉（zhuǎn）子（zǐ）的一端移動到另一端（duān）銑出一（yī）條直線，銑削（xuē）下一點位時旋轉 A 軸（zhóu） Z 軸聯動再次從轉子一端銑削到另一端，采用往複銑削直到完成整個轉子曲麵，刀具路徑如（rú）圖（tú） 6 所示。繞軸線銑削原理為: 刀具（jù）在轉（zhuǎn）子曲麵上 AZ 軸聯動刀（dāo）具繞 A 軸軸線銑削，銑削下一點位時移動 X 軸，再次 AZ 軸進行聯動銑削，采（cǎi）用往複銑削直到完成整個（gè）轉子曲麵，刀具路徑如圖 7 所示。由於繞軸銑削需要 AZ 軸聯動切削，而數控機床（chuáng）可以達到（dào）的進給率（lǜ）是由*慢的軸決定的，所以，這種刀具路徑在精（jīng）加工高（gāo）速銑削時並不適用。
四軸加工中采用球頭銑刀，刀軸控製策略是提高加工效率和轉子曲麵表麵粗糙度的關鍵。如圖 8所示，刀軸控製策略有常見的刀軸過軸線、側傾角、刀軸平行於軸（zhóu）線。筆者采用平行（háng）軸線銑削加工方式對這 3 種刀軸控製策略進行實際加工對比，得（dé）出采用側傾角刀軸控（kòng）製策略加工出的（de）轉子曲麵表麵粗糙度*好。其原因主要由於刀軸平行於軸線這種刀軸控製（zhì）策略采用球（qiú）頭銑刀加（jiā）工時，其刀具切削轉子（zǐ）曲麵時（shí）的接觸點為刀具的（de）頂部，球頭銑刀的（de）頂部直徑為零，線速度也為零。此時刀具是在擠壓工件，刀具頂部也容易磨（mó）損。刀（dāo）軸過軸線策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頂部去切削。側前傾角刀軸控製策略: 控製刀具與轉子曲麵接觸點的位置，避免（miǎn）球頭銑刀頂部銑削轉子曲麵，實（shí）現刀尖的點的偏離（lí），提高刀（dāo）具切削點的線速度（dù）。球頭銑（xǐ）刀頂部切削和非頂部切削如圖 9 所示。
3. 2 三葉轉子 CAM 編程過程
SolidCAM 軟件四軸加（jiā）工具有多軸（zhóu）粗（cū）精銑、豐富的刀軸控製策略、刀具（jù）碰撞及幹涉檢查（chá）、多（duō）軸機（jī）床仿真、生成（chéng）數控機床 NC 代（dài）碼等功能。此處筆者以SolidCAM 多軸加工（gōng）中的垂直（zhí）於曲線加工策略為例（lì）闡述粗精加工編程過程。*一步: 加載 Solidworks三維模型並設置軟（ruǎn）件四軸（zhóu）加工環境; *二步: 添加（jiā）刀具，粗加工（gōng）采用直徑為 10mm 的立銑刀，精加工采用直徑為 6mm 的球頭銑刀; *三步: 創建粗（cū）加工程序，打開多軸加工中的垂直於（yú）曲線加工; *四步（bù）: “驅動曲麵”選擇（zé）三葉轉子（zǐ）曲麵，“引導曲線”選擇三葉轉子截麵輪廓，將驅動曲（qǔ）麵餘量（liàng）設置為 0. 2mm;*五步: 選擇已添加的立銑刀，並設置刀具切削參數; *六步: 設置切削步距為 1mm、旋轉軸為（wéi） X 軸;*七步: 計算刀具路徑（jìng），完成粗加工程序; *八步:拷貝粗加工操作過程，驅動曲麵餘量更改（gǎi）為 0mm，刀（dāo）具更改為直徑（jìng）為 6mm 的精加工球頭銑刀，切削（xuē）步距（jù）更（gèng）改為 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（jiāng）曲麵的切削公差設置為 0. 005mm( 控製三葉轉子曲麵輪廓度誤差) ，計算刀（dāo）具路（lù）徑; *十一步: 對粗精加工刀具路徑操作進行三維模擬仿真，觀察刀具軌跡是否正確，並生成 G 代碼。
3. 3 三葉轉子曲麵尺寸控製（zhì）
智能氣體流量計（jì）中的兩對轉子齧合間隙尺寸非常重要，定出合理的齧合間隙需要加工多種轉子尺寸進行測試驗證（zhèng）。實際加工常用的尺寸（cùn）控製方法（fǎ）有兩種: 一種（zhǒng）是通過電腦 CAM 軟（ruǎn）件進（jìn）行調整加工尺寸，在 SolidCAM 軟件中通過更改驅動曲麵餘量尺寸，即可調整轉子尺寸，這（zhè）種方法更改時要重新生成加工 G 代碼導入到機床進行加工，機床（chuáng）與電腦聯網時會考（kǎo）慮采用這種方式; 另一種是（shì）通過數控機床控製器補償，在（zài） CAM 軟件生成 G 代碼時需加入 G43刀具長度補償指令，加工時調整轉子尺寸時隻需要更改數控機床上的刀具長度（dù）補償值。
4 結語
本（běn）文分析了三葉轉（zhuǎn）子的結構，編製了加工工藝過程，設（shè）計的三葉（yè）轉（zhuǎn）子工裝方便裝夾、操作簡（jiǎn）單，同時運用 CAM 軟件合理選擇加（jiā）工策略，詳細講解了使用球頭銑刀在多軸加工中設置側傾角可以避免刀具線速度為零的問題。這些加工工藝、工裝、尺（chǐ）寸控製方法、編程技巧隻要（yào）稍做改變（biàn）就能應用於智（zhì）能（néng）氣體（tǐ）流量計中的兩葉轉子（zǐ）、三葉螺旋（xuán）轉子，提高新產品研發試（shì）製周期。
引（yǐn）言
智能氣體流量計（jì）廣泛應用於油田（tián）、化工、城市燃氣等流量（liàng）計量（liàng）裝置，其（qí）基表結構（gòu）主要由殼體（tǐ）、轉 子、端板和同步齒輪等（děng）零部件組成，其中核心零部件（jiàn）轉子的線型（xíng）、葉片頭數、形狀和加工精度都會直接（jiē）影（yǐng）響（xiǎng）智能氣體流量（liàng）計的流量（liàng）範圍度（dù）、壓差、噪聲和計量準確度等工作性能。
目前國內外智能氣體流量計大（dà）部分采用兩直葉（yè）轉子（zǐ），線型大致有漸開線型、內外擺線型和圓弧線型等。由於設計三葉轉子和扭葉轉（zhuǎn）子對工程師的專業知識和數學有著較高（gāo）的要求，而且加工工藝性能也低於兩葉（yè）轉子，所以，三葉轉子和扭葉轉子在實際的智（zhì）能氣體流量計中應（yīng）用的很（hěn）少。本文通過我們研發的一種三（sān）葉轉子智能氣體流量計的工作性能，以三葉轉子的四（sì）軸加工為例，提出一種能夠滿足單件或小批量試製加工使用的轉子工裝（zhuāng），介紹 SolidCAM 中的一種（zhǒng）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
智能氣（qì）體流量計（jì）作為容積式計量儀表，由於在實（shí）際計（jì）量中存在一定的泄漏（lòu）量，需控製兩根轉子之間的（de）間隙、轉子與端板的間隙、轉子與殼體的（de）間隙，所以其轉子有著非常高的加工精度。三葉智能氣體流量（liàng）計結構如圖 1 所示，三葉轉子組件（jiàn）結構如圖2 所示。兩端軸的不鏽鋼材料使用氣動壓力機（jī）以過盈配合壓入轉子中（zhōng），轉子為 6061#鋁材（cái）。由於隻是測試三葉轉子的工作性能，為降低（dī）研發（fā）成（chéng）本，直接使用圓形棒料作（zuò）為轉（zhuǎn）子毛坯，根（gēn）據三葉轉子組（zǔ）件結構（gòu）及（jí）加工部位精度要求分析加工工藝路線。
工藝路線及要（yào）求:
1) 工序 10: 采用四（sì）軸臥式加工中心，使用 V 型塊和壓板固定轉子毛坯( 圓（yuán）形（xíng）棒料) ，鑽出 3 個均勻分布的孔以減輕（qīng）轉子重（chóng）量，留 5mm 不鑽通，加工成M5 螺紋孔，銑出一條找正平麵，再加工轉子（zǐ）兩端麵和壓軸孔，保證轉子長度、兩端平行度、平麵度，兩端（duān）壓軸孔的同軸度、壓軸孔和兩（liǎng）端平麵的垂直度。
2) 工序 20: 采（cǎi）用氣動壓力機將軸Ⅰ壓入轉子。完成（chéng）轉子組件半成品如圖 3 所示（shì）。
3) 工序 30: 采用四軸立式加工中心，使用專用工裝裝夾固定銑（xǐ）削轉（zhuǎn）子曲麵( 截麵輪廓) 。
4) 工序 40: 采用氣動壓力機將直（zhí）軸壓入轉子（zǐ），完成轉子組件。
2 三葉轉子四軸（zhóu）加工工裝
目（mù）前量產中的轉（zhuǎn）子都是（shì）型材毛（máo）坯，采用成型砂輪磨削或者定製成型銑刀（dāo）進行（háng）加工轉子曲（qǔ）麵。這種加工方式工藝成熟，適（shì）合大批量生產，而且有利於（yú）轉子線型的技術保密，但加工（gōng）方式在研發試製中應用試製加工周期會很長（zhǎng），而且成本很高，不適（shì）合（hé）單件或小批量試製。為此（cǐ），筆者基於四軸立式（shì）加工中心，結合三葉（yè）轉子加工工藝提出一種工裝（zhuāng），如圖 4所（suǒ）示。將這套工裝（zhuāng）定位在立式加（jiā）工中心四軸（zhóu）回轉中心上，加工裝夾方式如（rú）圖 5 所示。用（yòng）機（jī）床尾（wěi）軸頂住轉子（zǐ）來增強（qiáng）加工剛性避免切削時產生震顫。
3 數控加工（gōng）
3. 1 三葉轉子（zǐ）銑削原（yuán）理
三葉轉子的曲麵是（shì）由多條直線組成的直紋麵，加工三葉轉子（zǐ）這種高精（jīng）度的直紋曲（qǔ）麵必須采用四軸或五軸聯動的數控機床。三葉轉子的銑削（xuē）方式有刀具路徑平行（háng）軸線銑削、繞軸線銑削兩種刀具（jù）路（lù）徑（jìng）。平行軸線銑削原理為: 刀具在轉子曲麵上沿 X軸從轉（zhuǎn）子（zǐ）的一端移動到另一端（duān）銑出一（yī）條直線，銑削（xuē）下一點位時旋轉 A 軸（zhóu） Z 軸聯動再次從轉子一端銑削到另一端，采用往複銑削直到完成整個轉子曲麵，刀具路徑如（rú）圖（tú） 6 所示。繞軸線銑削原理為: 刀具（jù）在轉（zhuǎn）子曲麵上 AZ 軸聯動刀（dāo）具繞 A 軸軸線銑削，銑削下一點位時移動 X 軸，再次 AZ 軸進行聯動銑削，采（cǎi）用往複銑削直到完成整個（gè）轉子曲麵，刀具路徑如圖 7 所示。由於繞軸銑削需要 AZ 軸聯動切削，而數控機床（chuáng）可以達到（dào）的進給率（lǜ）是由*慢的軸決定的，所以，這種刀具路徑在精（jīng）加工高（gāo）速銑削時並不適用。
四軸加工中采用球頭銑刀，刀軸控製策略是提高加工效率和轉子曲麵表麵粗糙度的關鍵。如圖 8所示，刀軸控製策略有常見的刀軸過軸線、側傾角、刀軸平行於軸（zhóu）線。筆者采用平行（háng）軸線銑削加工方式對這 3 種刀軸控製策略進行實際加工對比，得（dé）出采用側傾角刀軸控（kòng）製策略加工出的（de）轉子曲麵表麵粗糙度*好。其原因主要由於刀軸平行於軸線這種刀軸控製（zhì）策略采用球（qiú）頭銑刀加（jiā）工時，其刀具切削轉子（zǐ）曲麵時（shí）的接觸點為刀具的（de）頂部，球頭銑刀的（de）頂部直徑為零，線速度也為零。此時刀具是在擠壓工件，刀具頂部也容易磨（mó）損。刀（dāo）軸過軸線策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頂部去切削。側前傾角刀軸控製策略: 控製刀具與轉子曲麵接觸點的位置，避免（miǎn）球頭銑刀頂部銑削轉子曲麵，實（shí）現刀尖的點的偏離（lí），提高刀（dāo）具切削點的線速度（dù）。球頭銑（xǐ）刀頂部切削和非頂部切削如圖 9 所示。
3. 2 三葉轉子 CAM 編程過程
SolidCAM 軟件四軸加（jiā）工具有多軸（zhóu）粗（cū）精銑、豐富的刀軸控製策略、刀具（jù）碰撞及幹涉檢查（chá）、多（duō）軸機（jī）床仿真、生成（chéng）數控機床 NC 代（dài）碼等功能。此處筆者以SolidCAM 多軸加工（gōng）中的垂直（zhí）於曲線加工策略為例（lì）闡述粗精加工編程過程。*一步: 加載 Solidworks三維模型並設置軟（ruǎn）件四軸（zhóu）加工環境; *二步: 添加（jiā）刀具，粗加工（gōng）采用直徑為 10mm 的立銑刀，精加工采用直徑為 6mm 的球頭銑刀; *三步: 創建粗（cū）加工程序，打開多軸加工中的垂直於（yú）曲線加工; *四步（bù）: “驅動曲麵”選擇（zé）三葉轉子（zǐ）曲麵，“引導曲線”選擇三葉轉子截麵輪廓，將驅動曲（qǔ）麵餘量（liàng）設置為 0. 2mm;*五步: 選擇已添加的立銑刀，並設置刀具切削參數; *六步: 設置切削步距為 1mm、旋轉軸為（wéi） X 軸;*七步: 計算刀具路徑（jìng），完成粗加工程序; *八步:拷貝粗加工操作過程，驅動曲麵餘量更改（gǎi）為 0mm，刀（dāo）具更改為直徑（jìng）為 6mm 的精加工球頭銑刀，切削（xuē）步距（jù）更（gèng）改為 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（jiāng）曲麵的切削公差設置為 0. 005mm( 控製三葉轉子曲麵輪廓度誤差) ，計算刀（dāo）具路（lù）徑; *十一步: 對粗精加工刀具路徑操作進行三維模擬仿真，觀察刀具軌跡是否正確，並生成 G 代碼。
3. 3 三葉轉子曲麵尺寸控製（zhì）
智能氣體流量計（jì）中的兩對轉子齧合間隙尺寸非常重要，定出合理的齧合間隙需要加工多種轉子尺寸進行測試驗證（zhèng）。實際加工常用的尺寸（cùn）控製方法（fǎ）有兩種: 一種（zhǒng）是通過電腦 CAM 軟（ruǎn）件進（jìn）行調整加工尺寸，在 SolidCAM 軟件中通過更改驅動曲麵餘量尺寸，即可調整轉子尺寸，這（zhè）種方法更改時要重新生成加工 G 代碼導入到機床進行加工，機床（chuáng）與電腦聯網時會考（kǎo）慮采用這種方式; 另一種是（shì）通過數控機床控製器補償，在（zài） CAM 軟件生成 G 代碼時需加入 G43刀具長度補償指令，加工時調整轉子尺寸時隻需要更改數控機床上的刀具長度（dù）補償值。
4 結語
本（běn）文分析了三葉轉（zhuǎn）子的結構，編製了加工工藝過程，設（shè）計的三葉（yè）轉（zhuǎn）子工裝方便裝夾、操作簡（jiǎn）單，同時運用 CAM 軟件合理選擇加（jiā）工策略，詳細講解了使用球頭銑刀在多軸加工中設置側傾角可以避免刀具線速度為零的問題。這些加工工藝、工裝、尺（chǐ）寸控製方法、編程技巧隻要（yào）稍做改變（biàn）就能應用於智（zhì）能（néng）氣體（tǐ）流量計中的兩葉轉子（zǐ）、三葉螺旋（xuán）轉子，提高新產品研發試（shì）製周期。