羅茨真空泵“ 8 ”字形轉(zhuǎn)子數(shù)控加工研究

撰文/張家口煤礦機械制造技工學校 任　濤

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羅茨真空泵“ 8 ”字形轉(zhuǎn)子數(shù)控加工研究

撰文/張家口煤礦機械制造技工學校 任濤

一、引言

羅茨真空泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在泵腔內(nèi)，有2個“8”字形的轉(zhuǎn)子相互垂直地安裝在一對平行軸上，由傳動比為1的一對齒輪帶動做彼此反向的同步旋轉(zhuǎn)運動。在轉(zhuǎn)子之間，轉(zhuǎn)子與泵殼內(nèi)壁之間，保持有一定的間隙。由于羅茨泵是一種無內(nèi)壓縮的真空泵，通常壓縮比很低，故中、高真空羅茨泵需要前級泵。因此，羅茨泵的極限真空除取決于泵本身結(jié)構(gòu)和制造精度外，還取決于前級泵的極限真空度。工作原理如表所示。

圖1　羅茨真空泵的結(jié)構(gòu)簡圖

表

由此可以看出羅茨真空泵的關(guān)鍵零部件是“8”字形轉(zhuǎn)子，而“8”字轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵是它的型線?！?”字轉(zhuǎn)子橫截面的輪廓線即為“8”字轉(zhuǎn)子的型線。羅茨真空泵工作時，“8”字轉(zhuǎn)子的表面之間不接觸，但“8”字轉(zhuǎn)子之間的間隙要保持一定，這樣“8”字轉(zhuǎn)子的型線必須是共軛曲線。所以本例介紹“8”字形轉(zhuǎn)子的數(shù)控加工過程，以保證工件最后符合設(shè)計要求。

二、CAD建模

本例是外來圖樣加工，已有設(shè)計好的CAD二維圖形，如圖2所示，利用NX10.0的數(shù)據(jù)接口將“8”字形轉(zhuǎn)子輪廓導入軟件，依次點擊“文件”→導入→AutoCAD DXF/ DWG，出現(xiàn)下一級對話框，按提示選擇“8”字轉(zhuǎn)子橫截面的輪廓線。再使用拉伸命令得到加工零部件的CAD模型，如圖3所示。

圖2

圖3

三、CAM加工

進入加工模塊，將工作部件和毛坯設(shè)置好后，選擇多軸銑削mill_multi-axis模式，在工序子類型中選擇可變軸輪廓銑VARIABLE_CONTOUR，如圖4所示。

圖4

在可變軸輪廓銑VARIABLE_CONTOUR中設(shè)置指定切削區(qū)域，如圖5所示的工作部件的綠色區(qū)域。

圖5

在可變軸輪廓銑VARIABLE_CONTOUR中設(shè)置驅(qū)動方法，如圖6所示的藍色圓柱曲面，調(diào)整最大殘余高度為0.0032mm和切削方向。

圖6

在可變軸輪廓銑VARIABLE_CONTOUR中設(shè)置投影矢量為垂直于驅(qū)動體，如圖7所示。另外選擇Φ12的球頭銑刀，如圖8所示。設(shè)置好刀軸設(shè)置為4軸，相對于部件，側(cè)傾角為15°，目的是解決刀具中心切削條件差的問題，如圖9所示。

圖7

圖8

圖9

在可變軸輪廓銑VARIABLE_CONTOUR中設(shè)置好切削參數(shù)、非切削移動和切削用量等參數(shù)如圖10所示。刀具軌跡生成后如圖11所示。

圖10

圖11

結(jié)合加工設(shè)備INDEX TNA400車削中心，參數(shù)為最大零件直徑：Φ665mm；加工零件的最大長度：750 mm最大車削直徑盤件/軸件：Φ435～340 mm；最大棒料直徑：Φ65mm；主軸轉(zhuǎn)速：50～4000r/min；主軸功率：15/18.5kW；切削進給速度：X/Z軸0～10r/min；最大快速移動速度：X/Z軸 15/24m/min刀盤工位數(shù)：12；動力刀具轉(zhuǎn)速：30～4000rpm（可編程）；刀盤重復定位精度：小于等于3″的控制系統(tǒng)：T65n1/T65n2。40°整體傾斜床身，排屑方便，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好；高性能伺服主軸電機，主軸功率強勁；性能優(yōu)異的數(shù)字式交流伺服電機，配合高精度的的直線滾動導軌，定位快速，準確；絕對位置檢測系統(tǒng)，不需參考點；尾架和中心架配有獨立的滑動導軌；導軌采用柔性防護，可防止鐵屑進入；縱橫直線滾動導軌及相關(guān)軸承采用油脂潤滑。可長期保持機床精度。提高關(guān)鍵部件的壽命；ATC光學對刀儀，可減少操作者對刀時間。如圖12所示。

圖12

四、數(shù)控代碼仿真及加工

NX10.0作為一種優(yōu)秀的CAD/CAM軟件，幾乎可以覆蓋從設(shè)計到加工的方方面面。NX的CAM加工模塊可以產(chǎn)生刀軌，但是不能直接將這種未修改過的刀軌文件傳送給機床切削工件，因為機床的類型很多，每種類型的機床都有其獨特的硬件性能和要求，比如他可以垂直或是水平的主軸，以及多軸聯(lián)動等。此外，每種機床又受其控制器（controller）的控制?？刂破鹘邮艿盾壩募⒅笓]刀具的運動或其他的行為（比如冷卻液的開關(guān)）。但控制器也無法接受這種未經(jīng)格式化過的刀軌文件，因此，刀軌文件必須被修改成適合于不同機床/控制器的特定參數(shù)，這種修改就是所謂的后處理。需要用到post構(gòu)造器。根據(jù)加工設(shè)備的具體參數(shù)，定制NX的后處理，生成NC代碼，如圖13所示。

圖13

由于加工設(shè)備比較貴重，所以利用第三方仿真軟件，進行NC代碼的仿真加工，本例采用美國CGTECH公司開發(fā)的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)VERICUT軟件進行仿真加工，共可以進行NC程序優(yōu)化，縮短加工時間、延長刀具壽命、改進表面質(zhì)量，檢查過切、欠切，防止機床碰撞、超行程等錯誤；具有真實的三維實體顯示效果，可以對切削模型進行尺寸測量，并能保存切削模型供檢驗、后續(xù)工序切削加工；具有CAD/CAM接口，能實現(xiàn)與NX、CATIA及MasterCAM等軟件嵌套運行。

為在VERICUT軟件中實現(xiàn)NC程序加工仿真，需要預先構(gòu)建整個工藝系統(tǒng)的仿真環(huán)境，其構(gòu)建的一般過程如下。

（1）工藝系統(tǒng)分析。

確定數(shù)控機床CNC系統(tǒng)型號和功能、機床結(jié)構(gòu)形式和尺寸、機床運動原理、各坐標軸行程、機床坐標系統(tǒng)以及所用到的毛坯、刀具庫和夾具庫等。

（2）建立機床幾何模型。

采用三維CAD軟件建立機床運動部件（主要是各運動坐標軸和刀庫）和固定部件的實體幾何模型，并轉(zhuǎn)換成VERICUT軟件可用的STL格式。使用NX10.0軟件建立“8”字轉(zhuǎn)子毛坯及夾具（三爪卡盤等），另存為stl格式，在VERICUT軟件中導入使用。

（3）建立機床文件。

建立機床運動模型，即部件樹，添加各部件的幾何模型，并準確定位。將結(jié)果保存為機床文件（后綴為mch）。機床文件為：2_axis_turret_lathe_cdc。該機床模型為車削中心，需要在刀臺處拓撲結(jié)構(gòu)下添加動力銑頭，如圖14所示。

（4）建立用戶文件和控制系統(tǒng)文件。

在VERICT軟件中新建用戶文件（后綴為usr），設(shè)置所用CNC系統(tǒng)文件（后綴為ctl）。調(diào)用機床控制文件：fan15t_t。

（5）建立刀具工具庫。

根據(jù)機床選用的刀柄型式和規(guī)格、刀具種類，構(gòu)建機床刀具工具庫，將結(jié)果保存為刀具文件（后綴為tcl）。建立一把直徑為12mm的球頭銑刀。

（6）設(shè)置機床參數(shù)設(shè)置。

機床各坐標軸的行程，換刀位置、機床初始位置和機床參考原點等。

（7）保存所有文件。

全部設(shè)置完成后，保存所有文件，則仿真系統(tǒng)構(gòu)建完成。

圖14

（8）導入NC代碼。

在VERICUT軟件特征樹中雙擊“數(shù)控程序”，系統(tǒng)打開“數(shù)控程序”對話框，依次選取前面生產(chǎn)NC代碼，導入到VERICUT軟件中。

（9）數(shù)控仿真加工。

單擊重置模型按鈕，再單擊仿真到末端按鈕，該軟件開始進行加工仿真，結(jié)果如圖14所示。

經(jīng)過仿真優(yōu)化的NC代碼傳輸?shù)郊庸ぴO(shè)備中，可以進行工件的數(shù)控加工，如圖15所示。加工時需要自制輔助夾具，利于工件的批量生產(chǎn)。

圖15

五、結(jié)語

采用NX10.0、VERICUT軟件進行羅茨真空泵“8”字轉(zhuǎn)子的三維造型、4軸加工自動編程與仿真校驗過程，是基于計算機數(shù)字建模技術(shù)和虛擬制造技術(shù)。該過程建立了仿照實際加工環(huán)境下的刀具干涉與碰撞情況。加工仿真后與傳統(tǒng)加工對比可以有效地提高加工效率并減輕操作工人的勞動強度，而且在企業(yè)不增加設(shè)備的情況下增大機床的適用范圍。另外通過仿真加工，可以提高NC代碼的正確性，有效地保護加工設(shè)備。產(chǎn)品效果圖如圖16所示。

圖16