135型螺桿泵螺桿外旋風(fēng)切削加工研究
通過(guò)對旋風(fēng)切削理論的研究，確定了該方法對螺桿加工的可行性，并應用該理論對135型螺桿泵螺桿的旋風(fēng)切削加工進(jìn)行研究，分析各參數的關(guān)系及相互影響的因素，在此基礎上獲得135型螺桿外旋風(fēng)切削加工的參數關(guān)系方程，同時(shí)討論了三螺桿泵螺桿的材料選擇及制造工藝，為螺桿加工提供了有參考價(jià)值的加工方案，也為高精度螺桿制造的進(jìn)一步研究，提供了有力的技術(shù)參考。
螺桿泵轉子螺桿為擺線(xiàn)形成的成型螺旋面，如何快速準確地加工出螺桿的螺旋面是螺桿加工工藝中最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節。這一環(huán)節也決定了螺桿泵整體的運行效果。在對螺桿加工的研究上，更多的是集中在用于傳動(dòng)的絲桿或用于水泵上的異形螺桿的加工，這類(lèi)螺桿要么精度高但形狀簡(jiǎn)單，要么形狀復雜但精度要求低。其研究角度也多以成型加工為主，也有部分文獻是研究傳動(dòng)絲桿旋風(fēng)切削加工方法的。但傳動(dòng)用絲桿截面相對簡(jiǎn)單，多以矩形，梯形、圓弧形為主，并且槽深有限，切削加工余量并不是非常大，通過(guò)成型刀具車(chē)削或是旋風(fēng)切削的方式都可獲得較高效率，較好質(zhì)量的加工產(chǎn)品，但是三螺桿泵螺桿本身截面結構復雜，為多段擺線(xiàn)組成，且槽的深度大，導程也比較長(cháng)，普通車(chē)削加工難度非常大，因此在實(shí)際生產(chǎn)中多以專(zhuān)用機床及成型銑的方式進(jìn)行加工，但這類(lèi)加工有一個(gè)很大的弊端就是成本高，一把刀具只能加工一種螺桿。因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為研究應用普通刀具對螺桿進(jìn)行成型加工是非常必要的，為提高加工效率，將普通刀具的數量增加，并將切削速度提高，這種加工方法稱(chēng)為旋風(fēng)切削方法。
1、旋風(fēng)切削基本原理
旋風(fēng)切削為在普通機床上加動(dòng)力頭，通過(guò)動(dòng)力頭帶動(dòng)刀盤(pán)上安裝的普通刀具進(jìn)行高速切削。旋風(fēng)切削特點(diǎn)：刀具可用普通刀具代替成型刀具進(jìn)行切削，刀具重復刃磨次數多，擴大了對象的加工范圍，切削速度高，且可以安裝多把，切削效率高，旋風(fēng)切削加工螺桿原理如圖1所示。
圖1 切削原理
由圖1知，任意時(shí)刻刀具回轉在零件表面留下切削線(xiàn)，當機床相對工件做進(jìn)給運動(dòng)時(shí)，相當于這一切削線(xiàn)在沿著(zhù)工件軸線(xiàn)做螺旋運動(dòng)，在工件表面就形成了螺旋加工面，實(shí)現螺旋槽型面加工。旋風(fēng)切削在加工螺桿泵擺線(xiàn)螺桿時(shí)，為獲得比較好的加工精度，兩者要滿(mǎn)足如下條件：
(1)為獲得根部的圓柱形面(齒根圓形面)，刀具的尖部要與螺桿根部圓弧相切；
(2)為獲得螺旋面頂部與外圓柱面的空間廓形線(xiàn)，旋風(fēng)切削用刀具刀尖要通過(guò)外部螺旋線(xiàn)。
2、旋風(fēng)切削參數
根據兩者的加工關(guān)系建立刀具和螺桿件的空間位置關(guān)系，按此關(guān)系建立如圖2的坐標體系。
圖2 工件刀具坐標系
根據圖1及圖2可以得出，要應用旋風(fēng)切削，必須確定刀盤(pán)的半徑MF，刀盤(pán)的安裝角度α、β。設刀盤(pán)半徑為R，因此R、α、β與原螺桿截面方程的關(guān)系就是決定旋風(fēng)切削應用的關(guān)鍵參數數據。
3、135型螺桿泵螺桿旋風(fēng)切削參數關(guān)系計算
按圖2方式建立工件、刀具形成的切削面的用戶(hù)坐標系，設旋風(fēng)切削形成的坐標體系的3個(gè)基本向量為L(cháng)1、L2、L3。則根據圖2所示有
F點(diǎn)是刀具切削刃與工件加工面的共有點(diǎn)，設F在螺桿坐標系的坐標為(f，0，0)，由圖1及圖2，根據坐標變換式子可得F點(diǎn)在刀盤(pán)坐標系下與F點(diǎn)在螺桿坐標系下的坐標關(guān)系式為
如圖3所示為刀盤(pán)所在坐標平面XMY。按圖可得，刀尖的切削圓方程為
由圖3有S點(diǎn)到圓心M的距離為
正交坐標變換下，距離不變所以在螺桿坐標系下SF的距離有
將式(5)與135型螺桿型面上P點(diǎn)的方程聯(lián)立(見(jiàn)圖1)就可以獲得旋風(fēng)切削下，刀盤(pán)的安裝參數與螺桿截面曲線(xiàn)的關(guān)系，設135型螺桿型面P點(diǎn)參數方程為x=rcosψ、y=rsinψ、z=P(ψ-φr)。聯(lián)立式(5)有
式中r———螺桿的頂圓半徑；φr———端截面點(diǎn)所在位置角度值。
由式(6)將切削圓半徑R及切削面安裝角α、β與被加工螺桿螺旋面上的點(diǎn)P對應的角度ψ聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)式(6)確定旋風(fēng)切削加工時(shí)安裝參數α、β與螺旋型面參數ψ之間的關(guān)系。
圖3 切削圓
式(6)中ψ的確定對α、β有關(guān)鍵性的作用，確定好ψ后，再帶入式(6)求出α、β，如果先確定β或α中的任何一個(gè)，再求解其他2個(gè)參數都是比較困難的。下面來(lái)確定ψ，由刀具切削圓軸向看，刀具切削通過(guò)軌跡如圖3所示，式(6)確定的依據是，假定旋風(fēng)切削時(shí)，刀尖切出的軌跡通過(guò)F、P點(diǎn)，而ψ正是在P點(diǎn)時(shí)的切削軌跡線(xiàn)所對應的角度。從加工過(guò)程分析，P點(diǎn)的位置，是受刀具回轉半徑以及切削平面相對加工工件傾斜角度所決定的，也就是R及β所決定。因此初設R及β，用式(6)中式①來(lái)定ψ值，再重新計算α、β，由此就可以合理確定旋風(fēng)切削加工時(shí)刀盤(pán)的安裝角度。
4、應用旋風(fēng)切削的工藝過(guò)程分析
對于三螺桿泵的主從螺桿，因導程較一般螺桿大，齒槽寬且深，切削量大，因此建議的加工流程是先用指狀銑刀對螺桿進(jìn)行粗銑，然后用旋風(fēng)切削進(jìn)行精加工，這樣刀具的使用壽命長(cháng)，在刀的設置上建議應用4把刀，對稱(chēng)分布，兩前、兩后，前刀粗加工后刀精加工，受力平衡，對工件造成的變形量小，提升加工精度。在螺桿的材料選擇上，傳統的選擇是45鋼或40Cr，這2種材料在熱處理工藝中，材料穩定性差，變形量大，表面滲氮處理后合格率低，需經(jīng)校形處理，工藝復雜性增加，質(zhì)量穩定性受到很大影響。20CrMnTi、40CrNiMo，38CrMoAl、40Cr4種材料經(jīng)各自熱處理及表面處理工藝要達到使用要求顯示，20CrMnTi的變形量最小，180長(cháng)，直徑27的桿件徑向變形不超過(guò)5μm，經(jīng)磨削處理后，可達使用要求。因此建議采用20CrMnTi，材料費用上無(wú)差別，機加工后進(jìn)行滲碳處理，硬度可以達到HRC58，耐磨性極大增強，變形小，工件心部強度高。20CrMnTi屬低碳鋼，材料韌、塑性強，切削加工性差，因此在機加工時(shí)，應選用硬度較高的硬質(zhì)合金牌號的刀具，增強因材料韌、塑性而帶來(lái)的對刀具的磨損，從而提高刀具的使用壽命。
5、結語(yǔ)
通過(guò)對135型螺桿旋風(fēng)切削的理論研究，合理確定135型螺桿旋風(fēng)切削時(shí)的加工參數，確保能正確應用該方法加工螺桿。旋風(fēng)切削從機理上講是一種近似切削的方法，對從桿及小螺距的主桿有非常好的近似加工效果。旋風(fēng)切削可以通過(guò)普通機床添加動(dòng)力頭的方式改造實(shí)現，因其高的切削速度，可以使螺桿的加工效率得到較大的提升，設備與專(zhuān)用的螺桿加工設備比較，價(jià)格低廉，因此大大降低螺桿整體制造成本。如此看來(lái)，對于小螺桿應推廣應用旋風(fēng)切削法進(jìn)行加工。當前數控技術(shù)飛速發(fā)展，在設備改造中，通過(guò)數控方式的引入，會(huì )進(jìn)一步簡(jiǎn)化加工操作過(guò)程的復雜性，提升加工的精確性，提高應用該方法加工螺桿的質(zhì)量穩定性�？偟膩�(lái)說(shuō)更好的研究、應用旋風(fēng)切削加工螺桿，對中小加工企業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低加工成本、獲得穩定的產(chǎn)品意義重大。
