螺杆泵转子的数控加工

2024-05-13

螺杆泵转子的数控加工（精选4篇）

螺杆泵转子的数控加工篇1

1 转子的数学模型建立及形线方程

常见实心单头转子如下图:

转子的形状可以看成无数个及薄的圆盘相叠加而形成的, 它们的圆心组成一个螺距为t的螺旋线。转子的任意截面都是直径为d的圆。为了形象直观的反映出转子的形线方程, 我们利用图二来确定转子表面形线方程式的简图, 利用两个座标系统:动座标系统X1O1Y1和转子的中心O1相连, 方向维持一定, 定座标系统XO2Y和转子本身中心相重合, O2Z为转子本身的中心线。任意横截面Z的圆心为O1, 截面的位置由Z的座标所确定, 或由角度φ所确定。

转子工作表面任一点m在定坐标中的位置X、Y、Z可由θ和φ的函数来表示:

式中φ-M点相对动座标X1O1Y1的转角

θ-动坐标X1O1Y1相对定座标XOY的转角

t-转子螺距

由式 (1) 得: (X-e·sinθ) 2=R2·sin2φ (4)

由式 (2) 得 (Y-e·cosθ) 2=R2·cos2φ (5)

由式 (3) 得θ= (2πZ) /t (6) 由 (4) 加 (5) 得: (X-e·sinθ) 2+ (Y-e·cosθ) 2=R2 (7)

将 (6) 代入 (7) 得转子曲面方程为:

{X-e·sin (2πZ/t) }2+{Y-e·cos (2πZ/t) }2=R2

令X=0, 得转子的轴线曲面为:

Y=±{R2-e2·sin2 (2πZ/t) }1/2+e·cos (2πZ/t)

转子的轴面曲线为转子和YO2Z平面的交线方程。如果以此曲线绕转子中心线O2Z作螺距为t的螺旋运动, 就可行成转子表面。所以转子的形线方程为:

Y=±{R2-e2·sin2 (2πZ/t) }1/2+e·cos (2πZ/t)

2 转子的数控加工

下面结合笔者几年的实际操控经验和借鉴相关理论研究成果, 就螺杆泵转子的数控加工方法与大家做一下交流:

现在国内稍大型生产厂家已由3.5轴联动向4轴、5轴联动、集成化、大型化、中心化发展, 我所操控的机床为2个直线进给自由度, 3个圆周旋转自由度的5轴联动数控加工中心, 机床本体产自奥地利, 应用软件为美国硅谷的ROPOTP公司提供, 是九十年代末期国际上领先的转子加工设备, 转子大、小径加工精度为±0.01mm, 光洁度可达到3.2以上, 后序的磨削加工余量仅为0.04-0.06mm, 磨削加工方便、快捷、精度高。工件水平放置, 一端固定于三爪气动卡盘上, 另一端为自动锁紧的液压顶尖, 工件中间由二个活动托架支撑。

转子的切削刀具为旋风式内铣刀, 刀盘呈蝶状, 略带锥形, 刀盘上均匀安装6把截面为直角梯形的刀杆, 刀杆上装有三角形可转位标准刀片, 刀片一般采用德国可乐满或山特维克出品的粉末冶金刀具, 刀片表面镀有抗冲击、耐高温的立方氮化硼, 这样该刀片就可以较大的切削量、较高的切削速度进行加工, 此外刀具还具有转位迅速、更换方便、调整灵活等特点。每片刀片可连续加工180分钟, 6米工件从粗车、半精车、到精车一枚刀片足够, 经济效益十分显著。刀片连同刀杆固定在刀盘特定的凹槽内, 刀盘由主电机驱动高速旋转, 形成铣削加工的主切削运动;工件固定在卡盘上后, 由辅助加工机构和伺服电机带动, 按照一定的程序和设定的速度匀速缓慢旋转;在主计算机程序的控制下, 各轴均按照设定的速度运行, 并即时显示各运行参数, 如主轴速度、刀盘转速、切削抗力、冷却润滑状况, 万一出现异常能够立即报警、停机, 这样刀盘高速旋转的同时在刀盘座伺服电机的带动下, 沿工件中心方向做直线进给运动, 刀盘中心与工件中心相差一个偏心距e, 工件在卡盘的带动下每旋转一周, 刀盘座沿工件中心方向行进一个螺距t, 综上几个运动即合成连续不断的螺杆泵转子形线的表面, 加工出成型的转子。

3 螺杆泵转子旋风式铣削加工工艺的特点

3.1 对于加工过程中工件受力情况和刃具受力分析, 该种加工方式近似于车削加工, 所以一般将转子的加工称之为车削。各加工参数的选取、刀具的选择也以车削为主, 另外根据长细比很大, 工件挠性大等特点, 在刀具轨迹设计上, 采用圆周方向进刀, 中心线方向走刀的加工方案, 对各圆截面依次加工。

3.2 铣削刀杆轴心线的方向与周边进给的方向基本一致, 切削刃的切削方向与刀杆的方向垂直, 刀具受力情况较好, 刃倾角适合, 利于铁屑的排除和热量的散发, 能延长刀具的使用寿命。

3.3 螺杆泵转子的加工属于偏心加工, 且除最内一把刀具为连续切削外, 其余几把刀具均为断续切削, 对设备和刀具的振动和冲击较大, 对刀具的选型也比较严格, 既要求一定的硬度, 还须具有足够的韧性;另外, 由于加工过程中产生大量的热, 所以要求冷却液足够, 冷却效果良好, 冷却液数量一般要求30-60L/min。

3.4 铣削过程中, 工件的转动方向与切削刀具的旋转方向相同, 属于顺铣切削, 铣刀切削刃沿转子径向切入工件。由于螺杆泵转子多为长细比较大的细长轴, 特别是对一些直径D<50mm的工件, 转子的刚度较小, 在加工过程中极易产生振动和弯曲, 严重影响加工质量, 所以在加工过程中应注意调整各加工参数, 及时改变支撑位置和支撑高度, 使得加工能够精确、顺利进行。

4 结束语

随着螺杆泵应用的越来越广泛, 螺杆泵的数控加工技术必将在全国范围内铺展开来, 各种新的理论、学说不断涌现, 各种新技术、新工艺不断成熟, 衷心希望笔者几年的加工经验和心得能给后来者以启迪, 不断把螺杆泵的加工工艺推向前进。

转子外环块的机械加工技术研究篇2

摘要：转子外环块为压气机部分的一个重要零件，该零件材料为0Cr17Ni4Cu4Nb，是较复杂的薄壁机匣类零件，尺寸精度要求比较高，机械加工过程比较困难。针对转子外环块的特点，通过从加工工艺路线、定位基准、车削刀具、车削用量、工装夹具、精车工序内容等的考虑和研究，总结出了一套切实可行的机械加工方法，解决了大直径薄壁外环块加工难题。

关键词：航空发动机；压气机；外环块

中图分类号：TQ171 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）17-0027-03

在航空发动机气路封严配副中使用可磨耗封严涂层技术，可以改进发动机气路封严性能，减少气体泄漏，降低油耗，增大推力，不损伤转子，易于更换维修，显著提高发动机总体性能。封严涂层由于其生产工艺简便、封严效果好、易于返修和调整，是气路封严的关键技术之一。

转子外环块（以下简称外环块）是发动机压气机部分的重要零件，它装配于压气机机匣内腔，与转子叶片配副起封严作用，高速旋转的转子叶片像砂轮一样磨削与其对应的转子外环块上的封严涂层来达到气路封严的目的。

外环块是机匣类零件，薄壁、直径大、尺寸精度高、形状精度高、表面粗糙度低，加工难度比较大。针对转子外环块的特点，本文从加工工艺路线、定位基准、车削刀具、车削用量、工装夹具、精车工序内容等方面对外环块加工技术进行了摸索研究。

1 外环块工艺特性分析

1.1 外环块结构特性

图1 外环块剖面

外环块为锥形薄壁扇形件，直径大——最大直径Φ500多，厚度薄——壁厚最薄1.3mm，宽度窄——轴向长度不到30mm，其主要有以下几种结构特征：起安装固定作用的两处宽1.70-0.02mm凸台、内壁深10+0.1mm的喷涂封严槽以及端面各处倒角等，各处型面粗糙度不大于Ra1.6μm，大端止口端面与端面平行度不大于0.02mm，大端止口内孔与小端止口内孔半径差为1.350+0.03，具有较高的尺寸精度和形状位置要求，其中基准处直径要求在机床上检测的公差在ΦM0-0.02mm范围内。

1.2 外环块材料特性

0Cr17Ni4Cu4Nb是一种马氏体沉淀硬化不锈钢，具有较高的强度、耐腐蚀、抗氧化和可焊性，尤其是抗腐蚀疲劳性能及抗水滴冲蚀能力优于质量分数为12%Cr钢，具有良好的综合力学性能。多用于制造既要求有不锈性及耐弱酸、碱、盐腐蚀又要求高强度的部件。适用于制造400℃以下工作的高强度耐蚀零件，例如飞机、导弹的重要螺栓、销等紧固件、配件、蒙皮、发动机零件（叶片），发动机涡轮机匣的前后安装边和阀门部件、弹簧、刃具等，以及发动机反推装置精铸件、火电机组用汽轮机叶片等。

450℃～500℃时时效强度达最高值，550℃时左右时效强韧性配合最好。要求更高韧性、塑性及耐蚀性能，可于≥580℃进行时效，已达到冷作硬化的目的。

材料塑性、韧性大，易产生积屑瘤，还会出现被加工表面的撕扯现象，使表面粗糙度差。

1.3 外环块加工难点

外环块是机匣类零件，直径大、壁薄、型面尺寸精度高、形状精度高、表面粗糙度低，加工难度比较大。主要有以下难点：（1）零件直径大、壁薄，加工过程中极易因机加应力产生形变；（2）零件型面尺寸、形状精度要求较高，加工比较困难。

2 外环块加工技术研究

针对转子外环块的加工特性和加工难点，在工艺编制和机械加工过程中必须采取相应的措施，以控制和减少各种外界因素对加工过程产生的影响，主要从以下几个方面考虑和处理：加工工艺路线、定位基准、车削刀具、车削用量、工装夹具、精车工序内容等。

2.1 加工工艺路线的安排

按照加工性质和作用的不同，工艺过程一般可划分为如下加工阶段：粗加工阶段、半精加工阶段、精加工阶段和光整加工阶段。机械加工顺序的安排按照“先基面后其他、先主后次、先粗后精”的原则。

热处理工序中固溶处理属于毛坯预备性热处理，应安排在机械加工之前进行；淬火+回火处理属于改善零件组织结构和加工性能并达到零件最终要求的硬度，安排在粗加工后进行；对于尺寸较大、结构复杂、精度要求高的零件要求进行稳定热处理，消除零件残余应力，并且一般安排在半精加工后精加工前。

零件壁非常薄，机加过程中的内应力集中易引起形变，严重时导致零件报废。为了减少精加工去除量，消除机加应力，在机加过程中应安排一次到两次半精加工工序，并且相应安排一次到两次稳定热处理。

特种检验如水浸超声波探伤多用于工件材料内部质量的检验，一般安排在工艺过程的开始；荧光检验主要用于表面质量的检验，通常安排在精加工阶段。

热喷涂是一种利用某种热源将涂层材料加热、熔融或软化，并以高速气流将其雾化，使喷涂材料的溶滴以一定的速度喷向经过预处理的工件表面上，形成涂层的表面改性技术，通常安排在精加工阶段之后。

确定外环块的主要机加工艺路线如下：

锻件（固溶状态提供）→粗车（去除余量，为超声波检查做准备）→超声波（检查材料内部质量）→热处理（达到零件最终要求硬度）→立车（平基准）→细车（去除余量）→稳定热处理（消除机加内应力）→立车（平基准）→半精车（去除余量，为精加工做准备）→稳定热处理（消除机加内应力）→立车（平基准）→数控精车（精加工内外壁型面，去除工艺安装边）→线切割（切分成瓣）→钳工（修挫倒角）→荧光检查→喷涂→终检。

2.2 定位基准的选择

定位基准的合理选择不仅影响整个加工工艺的安排和夹具结构的设计，而且直接影响着机械加工的质量与稳定性。

精定位基准的选择应主要遵循以下原则：（1）便于装夹和易于获得所需的加工精度；（2）精度高，装夹稳定可靠，定位面较大。

在工艺安排中，在零件两端分别预留工艺安装边（大端外工艺安装边、小端内工艺安装边）作为零件加工基准，保证能够加工到零件的所有表面。为了获得均匀的加工余量和较高的位置精度，采用零件两端面互为基准、反复加工的原则。

2.3 车削刀具的选取

切削刀具的选择主要取决于工序所采用的加工方法、加工表面的尺寸、工件材料、所要求的加工精度和表面粗糙度、生产率及经济性等。一般应尽可能采用标准刀具，必要时采用高生产率的复合刀具及其他专用刀具。

刀具材料是决定刀具切削性能的根本因素，对于加工效率、加工质量、加工成本以及刀具耐用度影响很大。刀具材料应具有较高硬度、强度和韧性，又具有良好的耐磨性、抗氧化性及抗粘接性。硬质合金刀具应选用含

Ta（Nb）的钨钴类（YG）。

根据我单位实际加工单件小批加工特点，在数控卧式车床车削不锈钢材料过程中经常使用某品牌刀具，通用性能和使用效果良好。该刀具材质为KC5010，表面为高级PVD TiA1N涂层，非合金硬质基体，具有出色的抗变形性能。该材质是对大多数工件材料进行精加工和普通加工的理想之选，速度更高。在加工状态稳定的情况下，非常适合于大多数钢、不锈钢、铸铁、有色金属材料和高温合金的加工。

2.4 车削用量的选择

选择在刚性较好的CKS6180 X2000全功能数控卧式车床上进行车削加工，其最大加工直径Φ800mm。在车削过程中选取车削用量应遵循以下原则：（1）切削速度不宜过高，以减小切削温度，避免刀具急剧磨钝失效；（2）进给量不宜过大，以保证加工表面光洁，避免切削负荷太重；但也不宜过小，以免切屑刃在上次进给所形成的冷硬层内工作；（3）切削深度不宜过大，避免切削力增大，引起变形振动，也不宜过小，以避免在前道工序所留下的加工硬化层或毛坯外皮内切削。

经过工艺试验，确定在实际精加工中采用的切削用量为v=60～80m/min，ap=0.1～0.2mm，f=0.1～0.2mm/r。

2.5 工装夹具的设计

工艺装备的选择原则为：在单件小批生产中，应尽量选用通用夹具和组合夹具，在大批量生产中，应根据工序加工要求设计制造专用夹具。外环块的加工属于单件加工，因此尽量选择通用装备，但是由于零件结构的特殊性，也设计了一些专用的工装夹具。

为尽量减少和避免外环块装夹过程中产生变形，在装夹过程中不应采用卡盘直接径向夹紧零件的方式装夹，应采用垫盘支靠端面、轴向压紧的方式进行装夹。

图2 精车内孔及小端工装

设计的精车内壁及小端专用工装如图2所示，以垫盘凸台定位零件，垫盘凸台与零件大端内止口间隙配合，采用圆弧型面压板多点压紧零件大端外侧圆弧槽。这种设计结构优点非常明显：压板能够最大限度接触并压紧零件，更重要的是能够最大限度地减少零件装夹次数。特别强调的是压板应12～16处多点压紧，拧紧螺栓时应采用限力扳手，尽量避免因受拧紧力不均产生应力而导致零件形变。

在垫盘定位凸台与零件大端内止口接触处，特别要注意两处结构（如图3所示）：（1）垫盘与零件大端面接触处（序号1处）应留适当的间隙，以方便拆卸；（2）垫盘凸台与零件止口配合处（序号2处）应保持间隙0.02～0.03mm。

图3 垫盘与零件配合处

2.6 精车工序内容的安排

为了控制零件变形，采用分层交替切削法进行精车：即在精加工过程中，沿着零件表面采用小切削量逐层交替均匀去量，使零件内应力得到均匀释放。

图4 精车工步二

图5 精车工步三

合理安排精车工序加工内容非常重要，为减少装夹次数，逐层切削时均分两次装夹加工到零件全部表面，且最后一刀的精车分三个工步进行：（1）工步一：平零件小端端面，端面跳动不大于0.01mm；（2）工步二：支靠零件小端端面，压板压紧小端工艺安装边，加工出大端外圆大部、端面及大端内孔小部；（3）工步三：以垫盘凸台定位，支靠零件大端内止口端面，采用圆弧型面压板压紧零件大端外侧圆弧槽，加工出小端外圆其余及小端端面、小端内孔其余。

2.7 注意事项

由于此零件壁薄、直径大，尺寸精度和形位要求高，在车削过程中要特别注意以下四点：（1）定位基准的加工精度要好，应小于零件尺寸和形位精度的1/3；（2）精加工中，同一型面应尽量避免接刀，以免形成接刀痕；（3）刀具锋利，刀具半径要小，以减小加工形变，增加光洁度；（4）刀具切削方向应垂直于定位面，以消除机加应力，减少形变。

2.8 实际加工中出现问题

在半精车稳定热处理后零件出现了变形，翘曲量较大，单边达到了0.5mm，若此时进行精加工势必会产生更大形变。

考虑到零件有足够余量，为了达到消除机加内应力、稳定零件尺寸的目的，另行增加了立车平基准和稳定热处理工序，并且在此次稳定热处理过程中利用工装对零件两端面进行装夹和固定，以稳定尺寸和控制变形。结果证明采取的措施非常有效。

3 结语

转子外环块是典型的大直径薄壁难加工类零件，存在变形及尺寸精度高等加工难题。在合理安排加工工艺路线前提下，选用合适的切削刀具、切削用量，巧妙设计工装夹具，精心安排精车工序内容等，降低加工难度，控制和减少变形等因素的影响，保证了零件加工质量，满足了设计要求，在实践基础上总结出了一套可靠高效的大直径薄壁零件加工方法。

参考文献

[1] 干勇，田志凌，董瀚，冯涤，王新林.钢铁材料手册（下）[M].北京：化学工业出版社，2009.

[2] 孟少农.机械加工工艺手册（第3卷）[M].北京：机械工业出版社，1992.

作者简介：张忠伟（1979—），男，辽宁庄河人，沈阳发动机设计研究所工程师，研究方向：机械加工生产

螺杆泵转子的数控加工篇3

螺杆泵转子端面型线即螺杆泵转子横截面上的齿廓曲线。端面型线在产品设计中占有非常重要的地位, 它直接影响到螺杆泵的啮合特性、效率和流量特性, 因此型线设计的合理与否至关重要。

1 螺杆泵转子螺旋面加工的基本原理

1.1 运动分析

文献[1]、[2]对于盘形刀具截形的理论计算做了详细的理论推导和计算。如图1所示, 工件在o-xyz坐标系中, 刀具在O-XYZ坐标系中, 刀具轴线和工件轴线之间的夹角为ε, 两轴线间的最短距离为A。刀具高速旋转, 形成切削速度, 其刀刃在旋转中形成一个回转表面。工件相对刀具作螺旋运动, 即随它绕自身的轴线回转一圈的同时, 沿轴线方向前进一个螺旋导程, 这样逐步切出整个螺旋面。

1.2 数学模型

工件螺旋面可以看作是它的端面的截形或者轴向截形作螺旋运动后形成的。设在固定空间有一坐标系o-xyz, 如图2所示。

如果已经形成端面截形T, 其截形上任一点M0的坐标为:

式中u为参变数, 确定截形上某点的初始位置。

设其矢径为r軆, 则端面截形方程式为:

令截形T既绕z轴等速转动 (圆运动) , 同时又沿z轴等速移动 (直线运动) , 即作螺旋运动, 则它在空间就形成一个螺旋面, 如图2所示, 截形T上任一点M0 (x0, y0) 初始位置参变数为u, 向右旋转, 转过θ角, 沿z轴上升到M (x, y, z) , 其高度为z=pθ, p为螺旋参数, 表示母线T绕z轴转过单位角时沿z轴方向移动的距离, p=pz/ (2π) , pz为螺旋面的导程。

工件螺旋运动可看作是等速运动和等速移动的合成, 因此工件右旋与端面截形相应的螺旋面方程式为:

将式 (1) 按三角函数展开, 由于x0=r軆cosu, y0=r軆sinu, 代入式 (1) 并整理得:

由此可见, 由工件端面截形方程可写出其螺旋面方程。

1.3 根据齿轮啮合原理求解盘形刀具截形

工件上的螺旋面是由回转面盘形刀具加工出来的, 螺旋面与盘形刀具在相对运动的任意瞬间都相切, 每个相切点即螺旋面和盘形刀具回转面的接触点, 这些接触点组成一条空间曲线 (即接触线) [3,4]。通过任意接触点作垂直于盘形刀具轴线的平面, 在工件螺旋面上得到曲线截形, 盘形刀具上得到圆的截形, 其中盘形刀具圆的半径即为在这一平面上的砂轮的外廓半径。设工件螺旋面上一点的矢径为r軆, 其

法矢量为n軋, 该点两参数曲线的切线矢量为由高等数学矢量运算可知:

根据行列式运算可知:

螺旋面上一点的法线方程式为:

式中x1, y1, z1为法线上动点的坐标。

根据上述方法就可以计算螺旋面上任一点的法线。

根据坐标变换, 对应轴的系数都是对应坐标轴之间夹角的余弦。由图3可得刀具坐标系转移到工件坐标系的方程式为:

刀具轴线在坐标O-XYZ中既然就是Z轴, 则Z轴上点的坐标为X=0, Y=0, Z≠0。代入公式 (4) , 就得到刀具轴线在坐标系o-xyz中方程式为:

对于工件螺旋面和刀具回转面接触线上的各点, 既在法线上, 其法线又通过刀具轴线。那么我们就可以把刀具轴线上的动点坐标方程式表示为:

代入法式方程式即为:

这就是接触线上的各点必须满足的条件, 消去Z可得:

式 (7) 就是工件螺旋面和刀具回转面的接触线应满足的条件式, 或叫接触线方程。式中x, y, z及nx, ny, nz都是螺旋面参变数u, θ的函数。

这样, 根据工件螺旋面端面截形的尺寸范围, 选定一系列的u值, 用上述方法便可求得一系列接触点的坐标 (X, Y, Z) , 进而求得刀具轴向廓形。

刀具回转面的任一端截面是一个圆, 轴向截形 (Z, R) 如图4所示, 由此可得如下方程式:

在坐标系上作出Z-R图, 即为刀具轴向廓形。

盘形刀具的轴向截形既和工件螺旋面的端截形不一样, 也和它的法向截形或任何一个截面中的截形不一样, 这是由于接触线是一条空间曲线, 它绕刀具轴线回转而形成的结果。

1.4 实例求解

若已知工件的端面截形, 如图5所示, r1=20mm, r2=40 mm, 外圆螺旋角β=30°, 旋向为右旋。

由图5可得工件端面截形方程为:

u为参变数, 考虑对称性, 只需计算半边刀具廓形尺寸,

根据工件截形尺寸范围, 先给定u的值, 然后采用数值计算方法计算出θ的值, 然后采用牛顿迭代法对接触线方程求解, 确定接触点的坐标, 即Z、R值, 如表1所示。

2 基于计算结果进行建模和运动仿真

2.1 螺母和盘形刀具模型的建立

在Pro/E中建立螺杆泵转子模型[5]。首先在Pro/E中通过曲线 (Curve) 命令中的从方程 (From Equation) 选项, 在曲线程序文本框中编辑方程式, 最后依次建立各条曲线。用同样的方法建立螺杆旋转螺旋线, 然后将端面曲线沿螺杆中心线和螺旋线轨迹拉伸, 形成转子精确的实体造型, 如图6所示。

将通过公式所求解的点坐标按照超文本格式存储, 以CAV点文件 (.pts) 格式导入到Pro/E中生成曲线, 旋转成型, 即完成了盘形刀具模型的建立。

2.2 转子加工过程模拟仿真

对所建立的实体模型进行组装, 注意盘形刀具轴线与转子轴线之间的夹角为安装角ε, 利用Pro/E中的机构运动模块对转子加工的过程进行仿真。

模型通过设定伺服电机的转速来设定转子的转速和盘形刀具的平动速度, 以保证转子旋转一周, 盘形刀具沿转子轴向平移一个导程。通过仿真可以验证盘形刀具截形的计算结果。

3 结语

加工螺杆泵转子用盘形刀具截形设计的关键是建立接触线方程, 此方程借助于电子计算机进行数值运算而求出刀具廓形的坐标是精确的, 能够满足产品设计要求;采用Pro/E三维软件对盘形刀具进行辅助设计和加工仿真, 可使开发环境得到改善, 避免了大量复杂公式的推导、计算以及加工试验, 从而提高了开发效率和产品质量。

参考文献

[1]程光仁, 施祖康, 张超鹏.滚珠螺旋传动设计基础[M].机械工业出版社, 1987, 29-31.

[2]张劲, 张士诚, 帅国臣.常规螺杆泵定子有限元分析[J].力学季刊, 2003, 24 (4) :590-598.

[3]吴序堂.齿轮啮合原理[M].机械工业出版社, 1985, 114-123.

[4]S Kaldor, Messinger I.On the CAD of profiles for cutters and helical flute-geometrical aspects.Annals of the CIRP, 1988, 37 (1) :53-56.

双半球测头测量螺杆转子型线篇4

螺杆压缩机中相互啮合的螺旋形转子称为螺杆转子，以下简称转子。用与轴线相垂直的平面去截转子所得到的封闭截形称为螺杆转子型线，以下简称型线。某厂研究表明：螺杆压缩机压缩空气所耗功只占75%，内泄损失高达15%，型线一旦确定，内泄形面积和容积效率就确定了，因此型线直接影响螺杆压缩机的性能[1]。

型线是转子最重要的几何参数，型线的测量是确保转子质量的关键，同时对CAD模型未知的高性能转子更精准的测量，并进行逆向设计，可以快速提高设计水平。目前型线的测量主要在三坐标测量机（CMM）上完成，CMM按其测量方式分为接触式和非接触式，非接触式主要是激光测量。激光测量是利用物体表面漫反射进行测量，实验表明：表面粗糙度控制在1.6μm<Ra<12.5μm效果最佳[2]，而转子要求为Ra<1.0μm，实验证实了在目前技术条件下非接触式测量精度低于接触式测量精度。生产领域中大多使用专用球形测头螺杆三坐标测量机测量型线，这些专用设备配有专门的三维球头半径补偿功能，对于CAD模型已知的转子测量精度高，满足使用要求；对于未知CAD模型的转子，测量误差大。半球形测头测量需要与专门的调整装置相连，测量时使半球形测头平面与测量平面重合[3]，半球法可以使曲面测量转化为曲线测量。理论上这种方法简单、精度较高，实际测量时需要制作配套的调整装置，测量精度受调整装置的影响。目前大多数三坐标测量机测头不能旋转，只有少数三坐标测量机具有旋转功能[4]。

基于上述原因，在半球法基础上，根据转子齿形的螺旋特点，本文提出双半球测头测量螺杆转子型线的方法。该方法吸取了半球法测量简单的优点，不需要调整装置，测量精度更高，极大地简化了测量过程。

1 测量机理

转子表面为三维螺旋曲面，球形测头与被测曲面的接触点不在测量平面内。球形测头测量原理如图1所示，对于右旋转子曲面，用球形测头测量型线时，接触点B位于测量平面的左部，接触点C位于测量平面的右部，其接触点轨迹为一条空间曲线，分布在测量平面两侧。接触点为B、C而默认补偿点为A，产生很大误差。

双半球测头测量的方法如图2所示，以右旋转子为例（左旋转子同理），沿测量平面切去球形测头半部分，测量时包括B点、C点在内的所有接触点落在了测量平面内，即B、C与A重合。如此，球心轨迹与接触点轨迹为等距关系，知道了球心轨迹坐标，对其进行二维半径补偿，就可以精确地计算出转子曲面在测量平面的型线。该方法消除了型线测量时，第三轴对球形测头的干涉，将三维补偿转化为二维补偿，同时不需要调整装置，理论上测量精度高于半球法测量精度。在现有三坐标测量机上安装这种测头就可以直接测量了。

2 双半球测头设计

图2所示的测头为理论示意图，实际是无法实现的，实际双半球测头三视图如图3所示。

3 实验验证双半球测头测量方法及数据处理

3.1 测量数据

以某未知模型螺杆转子为例，由CMM测得其单齿截形数值如表1、表2所示。以螺杆转子轴线与一端面交点为原点，建立测量坐标系。

3.2 测量数据第三轴误差分析

测量螺杆转子型线时，锁住第三轴，即本次测量的z轴。理论上z轴测量值为恒值不变，实际测量时，由于螺杆转子表面为空间曲面，测量时测头碰触螺杆，有微小力作用，测头会在螺杆转子表面产生微小滑动，同时测头也会发生微小变形，因此z轴测量值会变化，而不会是一定值。下面对z轴测量值进行分析。

3.2.1 表1 z轴测量值波动分析

3.2.2 表2 z轴测量值波动分析

通过以上分析可以得出：双半球测头测量精度高于球形测头。

3.3两种测头点线图比较

忽略z轴的影响，只考虑x轴、y轴数值，点线图如图4～图6所示。