螺桿的數(shù)控仿真加工與誤差分析

李京遠(yuǎn)

(遼寧職業(yè)學(xué)院，遼寧 鐵嶺 112001)

0 引言

螺桿作為螺桿泵的關(guān)鍵零部件，工作環(huán)境較為復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)和加工質(zhì)量將直接影響到整機(jī)的性能。因而除了在合理選擇和設(shè)計螺桿的加工工藝外，采用先進(jìn)的制造技術(shù)，對于進(jìn)一步提高螺桿的質(zhì)量和壽命有著重要的意義。

在螺桿的制造工藝方面，國內(nèi)螺桿制造公司制造工藝不先進(jìn)，螺桿加工制造設(shè)備普遍采用普通車床、銑床配以專用成形刀具；部分加工能力較好的企業(yè)也只采用了簡易數(shù)控機(jī)床，其加工效率低，加工精度難以保證，很難達(dá)到螺桿的設(shè)計要求，另外螺桿的造型都比較復(fù)雜，現(xiàn)有的加工方法和設(shè)備很難適應(yīng)螺桿高精度的要求。

數(shù)控加工仿真就是利用計算機(jī)軟件來模擬數(shù)控加工過程，對制造過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析與預(yù)測，提出改進(jìn)措施，預(yù)測產(chǎn)品性能、產(chǎn)品制造技術(shù)、產(chǎn)品的可制造性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從開發(fā)到制造整個過程的優(yōu)化，達(dá)到降低產(chǎn)品生產(chǎn)周期、減少開發(fā)風(fēng)險、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。因此，開發(fā)螺桿加工新工藝以提高螺桿制造工藝水平是十分必要的。

1 螺桿數(shù)控仿真加工

1.1 數(shù)控仿真加工的一般流程

數(shù)控加工是指在計算機(jī)的CAM系統(tǒng)上，從加載毛坯，定義加工的對象，設(shè)定刀具參數(shù)，定義加工方式，最后生成相應(yīng)硬件機(jī)床的數(shù)控加工程序的過程。

仿真加工過程，依據(jù)加工程序的內(nèi)容確立刀具軌跡的生成方式。加工程序的內(nèi)容主要有：定義刀具的驅(qū)動方式和加工對象的幾何尺寸以及切削步距、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)退刀點(diǎn)、進(jìn)給量、切削角度的輸入，并在模型上定義干涉面及安全平面。

圖1 數(shù)控仿真加工的一般流程Fig.1 General process of NC simulation machining

待所有的刀具軌跡設(shè)計合格，編輯修改相應(yīng)的刀具軌跡達(dá)到機(jī)床的要求，進(jìn)行仿真加工模擬，最后進(jìn)行程序后處理生成相應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)的加工代碼， 復(fù)制到相應(yīng)的機(jī)床上可以進(jìn)行實(shí)際加工(進(jìn)行DNC傳輸與數(shù)控加工)，其具體流程如圖1所示。本設(shè)計數(shù)控設(shè)備選定為DST五軸數(shù)控銑鏜床。

1.2 螺桿數(shù)控加工結(jié)果

螺桿數(shù)控加工結(jié)果如圖2所示。

圖2 數(shù)控加工螺桿Fig.2 NC manufacturing scraw

2 螺桿加工誤差分析

2.1 檢測項目的選擇

根據(jù)螺桿泵轉(zhuǎn)子的運(yùn)動是轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)兩個運(yùn)動合成行星運(yùn)動，由于加工誤差的存在，會影響螺桿泵的壽命和泵的效率。由于轉(zhuǎn)子型線綜合反映轉(zhuǎn)子偏心距和截面直徑的加工誤差，為了檢驗螺桿數(shù)控加工質(zhì)量是否符合設(shè)計要求，對螺桿型線進(jìn)行誤差檢測。

螺桿加工精度的評價指標(biāo)為在某一個縱剖面上型面測量點(diǎn)誤差。

2.2 試驗設(shè)備與方法

2.2.1 試驗設(shè)備

測量螺桿直線度采用DEA橋式數(shù)控三坐標(biāo)測量機(jī)。該儀器的組成包括工作臺、移動橋架、中央滑架、Z軸、測頭、電子系統(tǒng)等。 測量行程范圍(x/y/z) 460 mm×710 mm×420 mm，顯示分辨率測量速度0.001 mm，計算機(jī)系統(tǒng)分辨率760 mm·s-1，電源要求220 V±10%，50 Hz±2%，氣源要求最小壓力0.6 MPa，耗氣量24 L·min-1，環(huán)境溫度使用要求(20±2) ℃，環(huán)境濕度使用要求60%。

2.2.2 試驗方法

為方便定位對于細(xì)長螺桿的測量，一般采用軸截面測量。本實(shí)驗的測量選擇接觸式測量方法對螺桿軸截面表面誤差進(jìn)行測量。

(1)選擇圖3所示零件型面黑色曲線位置作為被測特征，測量時測頭容易出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象，選擇轉(zhuǎn)子上的凸緣位置幾個關(guān)鍵位置的測量有助于保證測量精度。在一個螺距200 mm范圍內(nèi)，選擇27個點(diǎn)，并測量點(diǎn)的坐標(biāo)。

(2)在坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)定義工件基準(zhǔn)。測量基準(zhǔn)采用數(shù)控加工基準(zhǔn)，以此保證數(shù)控加工基準(zhǔn)與測量基準(zhǔn)的一致。

(3)固定轉(zhuǎn)子使軸向垂直于測量平臺，以轉(zhuǎn)子的軸向為 z 軸方向，取向上為正，以測量平臺為 xoy 平面，面對測量平臺時，以向右方向為 x 正方向，向前方向為 y 正方向。

為了獲得較高的測量精度，使測頭的中心點(diǎn)與測量點(diǎn)的矢量方向與螺桿曲面測量點(diǎn)的法線方向趨于一致。

(4)對測頭進(jìn)行標(biāo)定，然后進(jìn)行型線坐標(biāo)點(diǎn)的測量，并記錄測量結(jié)果。

圖3 被測特征示意圖Fig.3 Schematic diagram of measured features

2.3 試驗結(jié)果與分析

按照上面的操作步驟，測量數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)可以直接讀入計算機(jī)，得出測量結(jié)果，由最后測量結(jié)果可以看到，螺桿型線上各測量點(diǎn)的誤差值均在允許范圍內(nèi)。即數(shù)控加工編程正確合理，加工零件產(chǎn)品合格。

3 結(jié)果與討論

(1) 通過論述了螺桿數(shù)控仿真加工的一般流程，對螺桿的加工工藝進(jìn)行了選擇和設(shè)計，并對螺桿的數(shù)控加工進(jìn)行了分析，完善了螺桿的加工模型，綜合考慮其形狀特點(diǎn)，選擇合適加工參數(shù)，從而確定數(shù)控加工區(qū)域，規(guī)劃加工工藝路線；利用計算機(jī)輔助設(shè)計與制造軟件對螺桿的數(shù)控加工流程進(jìn)行了規(guī)劃，對三維數(shù)字模型進(jìn)行了仿真加工，最終生成數(shù)控加工程序，在數(shù)控加工中心上制造螺桿。

(2) 利用DEA橋式數(shù)控三坐標(biāo)測量對螺桿型線坐標(biāo)進(jìn)行測量，并將測量結(jié)果與數(shù)模進(jìn)行對比分析。分析結(jié)果表明各項指標(biāo)均在誤差值允許范圍內(nèi)，即數(shù)控加工編程正確合理，加工零件產(chǎn)品合格。