曹春雷 高利軍 王麗敏

(邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北邢臺(tái) 054035)

1 真空泵轉(zhuǎn)子的加工部位及精度要求

X100型真空泵轉(zhuǎn)子3D模擬效果如圖1所示。該轉(zhuǎn)子總體外形為中間粗兩頭細(xì)的軸類零件，其總長(zhǎng)為311 mm;主體工作部分長(zhǎng)160 mm，直徑105 mm，均為6級(jí)精度。臨近轉(zhuǎn)子主體工作部分兩端安裝軸承，該處軸頸精度為4級(jí)。兩軸端分別開(kāi)有安裝A型和C型平鍵的鍵槽。安裝軸承部位的兩側(cè)均開(kāi)有砂輪越程槽，兩軸端處倒角。主體工作部分外圓柱面及安裝軸承的軸頸部分須磨削。主體工作部分外圓柱面上開(kāi)有3個(gè)4 mm寬、5級(jí)精度的軸向通槽，槽的中心平面到軸心線的距離為20.5 mm，槽徑向深度44±0.1 mm。

轉(zhuǎn)子的所有表面都要求加工，表面粗糙度最高的是Ra0.8 μm，最低的是Ra6.3 μm。兩軸承處軸頸的徑向圓跳動(dòng)不大于0.012 mm，主體工作部分兩端軸向圓跳動(dòng)不大于0.02 mm，且主體工作部分圓柱面與軸承安裝處的同軸度不大于0.01 mm。材料的最低抗拉強(qiáng)度大于400 MPa，必須經(jīng)過(guò)時(shí)效處理。加工后的零件不允許有毛刺。

2 轉(zhuǎn)子加工中的問(wèn)題

目前真空泵轉(zhuǎn)子加工中的兩個(gè)主要問(wèn)題:安裝軸承處的直徑經(jīng)過(guò)磨削后出現(xiàn)錐度，根部的直徑尺寸偏大，最大處超差0.005 mm，這樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足使用要求，也直接影響到產(chǎn)品的壽命;葉片槽銑削后用通止規(guī)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)槽底不合格，且有明顯振紋，會(huì)導(dǎo)致葉片安裝后無(wú)法在其槽內(nèi)徑向自由伸縮;其次形位精度幾乎超差。

3 加工工藝分析及改進(jìn)

3.1 原工藝路線分析

原工藝路線及要求如下:

工序10:車(chē)A型平鍵軸槽一端的端面及該端主體工作部分端平面，保證尺寸79 mm;鉆中心孔;粗車(chē)次端各部軸頸及小軸肩凸臺(tái)，留單邊余量0.5 mm;粗車(chē)主體工作部分外圓柱面留長(zhǎng)度1/3，半徑留量2 mm;車(chē)槽到尺寸;倒角;以直徑105 mm外圓毛坯面為粗基準(zhǔn)，限制4個(gè)自由度，選用CAK6150D臥式數(shù)控車(chē)床和通用夾具三爪自定心卡盤(pán)。

工序20:車(chē)C型平鍵軸槽一端的端面及該端主體工作部分端平面，在保證主體工作部分長(zhǎng)度160.2 mm的同時(shí)也保證總長(zhǎng)尺寸311 mm;鉆中心孔;粗車(chē)次端各部軸頸及小軸肩凸臺(tái)，留單邊余量0.5 mm;粗車(chē)主體工作部分外圓柱面留下的2/3部分，半徑留量2 mm;車(chē)槽到尺寸;倒角;以上道工序車(chē)好的直徑105 mm外圓柱面為徑向精基準(zhǔn)，聯(lián)合車(chē)好的主體工作部分端平面，也為精基準(zhǔn)，共限制5個(gè)自由度，同樣選用CAK6150D臥式數(shù)控車(chē)床和通用夾具三爪自定心卡盤(pán)。

工序30:精車(chē)各部軸頸外圓到尺寸，放磨量0.2 mm;以兩頂尖孔為精基準(zhǔn)，用撥盤(pán)帶動(dòng)，限制5個(gè)自由度，選用CAK6150D臥式數(shù)控車(chē)床。

工序40:銑A型平鍵軸槽與C型平鍵軸槽(軸向的定位與定形尺寸到圖樣要求，徑向按換算尺寸加工到深度);銑葉片槽，尺寸達(dá)到圖樣要求(輔助工裝利用了第4軸功能);采用一夾一頂定位，選用歐瑪加工中心EV810。

工序50:磨主體工作部分外圓柱面和其兩端軸承安裝圓柱面，并靠磨軸肩，尺寸及表面質(zhì)量均符合圖樣要求;采用兩中心孔定位，用雞心夾撥盤(pán)帶動(dòng)，選用設(shè)備M1432A萬(wàn)能外圓磨床。

工序60:鉗工倒棱去毛刺。

3.2 工藝路線改進(jìn)

結(jié)合以前加工出現(xiàn)的問(wèn)題，并考慮分析其他生產(chǎn)加工單位的建議和作法，在保證加工質(zhì)量的前提下，從盡可能降低成本、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度的角度出發(fā)，修改了原工藝。

工序10:車(chē)端面;鉆中心孔;粗車(chē)外圓各部，留量;切槽，到尺寸;倒角。調(diào)頭安裝，車(chē)另一端面保證總長(zhǎng);鉆中心孔;粗車(chē)外圓各部，留量;切槽，到尺寸;倒角。選用CA6140普通臥式車(chē)床，采用三爪自定心卡盤(pán)安裝。

工序20:精車(chē)外圓及軸肩，放磨量。以兩中心孔作精基準(zhǔn)定位，在CAK6150D臥式數(shù)控車(chē)床上加工。

工序30:銑鍵槽;選用設(shè)備X52，采用V型塊加擋塊定位，壓板安裝。

工序40:修研頂尖孔;在CA6140臥式普通車(chē)床上用鑄鐵頂尖研磨。

工序50:磨兩軸承安裝軸頸及主體工作部分外圓柱面，并靠磨軸肩。采用兩中心孔定位，用雞心夾撥盤(pán)帶動(dòng)，選用設(shè)備M1432A萬(wàn)能外圓磨床(必要時(shí)配以中心架或跟刀架)。

工序60:銑葉片槽。選用設(shè)備XA6132/I臥式萬(wàn)能升降臺(tái)銑床。采用改制的機(jī)用平口鉗安裝，自行設(shè)計(jì)專用夾具。

工序70:鉗工倒棱去毛刺。

3.3 工藝路線改進(jìn)分析

工藝改進(jìn)分析如下:將工序10改用普通車(chē)床進(jìn)行粗加工，完全能保證精度，且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，效率并不低。而精車(chē)的工序20仍采用數(shù)控車(chē)床進(jìn)行，能夠很好保證尺寸的一致性，為完工后的較嚴(yán)格的形位精度打下基礎(chǔ)［1］。工序30銑鍵槽時(shí)，采用V型塊定位，增加了支承剛度，進(jìn)一步為后續(xù)加工保證形位精度打基礎(chǔ)。銑鍵槽時(shí)的走刀方向應(yīng)指向擋塊，防止因夾緊力不夠而產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，從而造成鍵槽的軸向定位尺寸不準(zhǔn)確。在磨削兩軸承安裝軸頸及主體工作部分外圓柱面工序之前，新增加了工序40修研頂尖孔。因?yàn)橐岣咄鈭A加工質(zhì)量，修研頂尖孔是主要手段之一，此外在工件加工過(guò)程中，頂尖孔還會(huì)磨損、拉毛，所以必須修研。工序50磨削的設(shè)備技術(shù)要求基本沒(méi)變，但是安裝時(shí)要求在修研后的頂尖孔內(nèi)填潤(rùn)滑脂，在死頂尖上安裝。死頂尖接觸剛度大，雖然沒(méi)有軸向補(bǔ)償力，但也減小了因工件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大帶來(lái)的回轉(zhuǎn)誤差，反而更能保證同軸度的要求。磨削兩端安裝軸承處軸頸時(shí)，采用自兩端向軸向中心縱向磨削法，取消原有的徑向進(jìn)給橫磨法。待到磨至根部時(shí)停止進(jìn)給，保持主軸轉(zhuǎn)動(dòng)一段時(shí)間，觀察火花量非常少時(shí)徑向退出并靠磨直徑105 mm兩側(cè)的軸肩。或是增加輔助裝備中心架，防止因質(zhì)量大回轉(zhuǎn)慣性大而導(dǎo)致靠近軸中部加工時(shí)的“讓刀”現(xiàn)象出現(xiàn)。這樣就解決了首件加工時(shí)產(chǎn)生的第一個(gè)問(wèn)題。接下來(lái)將銑葉片槽單獨(dú)生成工序60，并且放在磨削之后進(jìn)行，看起來(lái)是違背了“先主后次”的原則，通常槽加工盡可能往后安排，一般應(yīng)放在外圓精車(chē)(或粗磨)之后，精磨加工前進(jìn)行?？紤]的原因是，葉片安裝后應(yīng)盡可能在槽內(nèi)自由伸縮，若先銑槽后磨外圓，產(chǎn)生的毛刺易忽略，不易清洗去除。再者，銑槽的徑向分力很大，兩端軸頸很細(xì)而剛度低，極易破壞已磨好的形位精度，為此特別設(shè)計(jì)了專用夾具(下面介紹)。在銑葉片槽工藝上，原來(lái)采用的是每槽加工分2或3次走刀完成，用萬(wàn)能分度頭分度或數(shù)控程序控制第4軸分度。原有的工藝生產(chǎn)效率低，刀具易磨損，生產(chǎn)成本也高。采用專用夾具后，工件的支承剛度會(huì)變得非常大，利用“背吃刀量增加時(shí)單位切削力不變;進(jìn)給量增加時(shí)單位切削力減小”這一原理，在不改變切削速度的情況下，僅用1次走刀加工完成一個(gè)槽就會(huì)大大提高生產(chǎn)效率。此外，適當(dāng)降低切削速度還會(huì)提高刀具耐用度。至此，首件加工時(shí)產(chǎn)生的第二個(gè)主要問(wèn)題也迎刃而解。

4 銑葉片槽工裝改進(jìn)設(shè)計(jì)

4.1 工裝改進(jìn)設(shè)計(jì)

為防止葉片槽銑削后，槽底出現(xiàn)明顯的振紋，我們改進(jìn)了工序60的工件裝夾方式。取消了“一夾一頂”，換成了專門(mén)設(shè)計(jì)的銑床專用平口鉗［2］，如圖2和圖3所示。

在兩塊顎板的一側(cè)頂部裝有水平定位塊，而另一側(cè)開(kāi)有4 mm寬的斜槽，斜槽與顎板頂部水平面成30°夾角。夾持工件時(shí)，對(duì)應(yīng)的兩斜槽內(nèi)安裝角向定位葉片，如圖4所示。角向定位葉片頂部可插入到已加工好的轉(zhuǎn)子葉片槽內(nèi)，其底部與兩塊顎板上斜槽成緊滑動(dòng)配合關(guān)系。

該夾具在后期制作裝配時(shí)要特別小心。加工時(shí)，兩個(gè)水平定位塊及兩塊顎板銑時(shí)放磨量較大，之后熱處理，再分別磨平各結(jié)合面、對(duì)合面、安裝基面等，使各面見(jiàn)光;角向定位葉片磨時(shí)盡量保證上偏差，即取最大極限尺寸。安裝時(shí)，首先在兩鉗口上緊固兩塊顎板，先緊固一個(gè)(最好在固定鉗口一端)，然后使兩塊顎板上的斜槽對(duì)齊，松開(kāi)活動(dòng)鉗口端至合適尺寸，插入角向定位葉片，使角向定位葉片能在斜槽內(nèi)自由滑動(dòng)為宜，此時(shí)配磨上表面B，使之等高水平;再用螺釘緊固兩個(gè)水平定位塊，緊固時(shí)靠齊E、F面，緊固后配磨兩端面A，使之共面且垂直于B面;最后配磨C、D面，使之共面且平行于對(duì)應(yīng)的另一側(cè)鉗口上的C－D面。

4.2 銑葉片槽改進(jìn)工裝的定位誤差分析

(1)槽定形尺寸深度的圖樣要求是淺側(cè)44±0.1 mm。因?yàn)榧庸げ凵畛叽绲亩ㄎ换鶞?zhǔn)是安裝軸承軸頸的下母線，而工序基準(zhǔn)是主體工作部分外圓柱面上的母線，所以會(huì)有基準(zhǔn)不重合誤差存在。又因?yàn)樵摴ぜ云淠ハ鬟^(guò)的軸頸為精基準(zhǔn)在平面支承上定位，所以其基準(zhǔn)位移誤差可忽略不計(jì)(平面支承定位件經(jīng)過(guò)熱處理，很耐磨，磨損量及其微小)［3］。

式中:ΔD為定位誤差;ΔB為基準(zhǔn)不重合誤差;Δy為基準(zhǔn)位移誤差。

(2)槽定位尺寸的圖樣要求是20.5 mm。若按GB/T1804－2000未注公差線性尺寸的公差等級(jí)f(精密級(jí))選取，其極限偏差為±0.1 mm。加工槽的水平定位基準(zhǔn)是安裝軸承軸頸的最左母線(所謂的左右是按銑工的又一個(gè)操作位置上來(lái)看安裝的工件的)，而工序基準(zhǔn)是轉(zhuǎn)子安裝軸承軸頸的軸線(公共軸線)，所以會(huì)有基準(zhǔn)不重合誤差存在。同樣該工件以其磨削過(guò)的軸頸為精基準(zhǔn)在豎直的平面支承上定位，所以其基準(zhǔn)位移誤差亦可忽略不計(jì)。

以上兩項(xiàng)誤差即便算上軸頸的徑向圓跳動(dòng)0.012 mm和主體工作部分同軸度0.01 mm，也小于圖樣要求，故該定位方案完全能保證葉片槽深度和位置的精度要求。

設(shè)槽底配合間隙為a，利用三角形相似原理可計(jì)算如下:

求解出a=0.057 885 mm，

而 Δα =arctan(a/43.9)，將a代入得:

同理計(jì)算:當(dāng)最薄或達(dá)到磨損極限的厚度3.992 mm角向定位葉片，插入鉗口定位斜槽里時(shí)，定位斜槽按最寬設(shè)計(jì)尺寸計(jì)算或達(dá)到最大磨損量計(jì)算取值為4.012 mm，配合間隙量會(huì)達(dá)到最大的0.02 mm，此時(shí)的實(shí)際配合接觸最短邊為67.527 7 mm，產(chǎn)生最大的搬動(dòng)角度誤差Δβ。

設(shè)底部配合間隙為b，利用三角形相似原理可計(jì)算如下:

求解出b=0.02 mm，而 Δβ =arctan(b/67.527 7)，將b代入得:

實(shí)測(cè)夾具鉗口制造角度誤差Δγ最大為3'。

則 Δα +Δβ+Δγ≈8.6'＜ ±20'。

故該定位方案也完全能滿足角度的定向，保證槽在徑向圓周上均勻分布。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)重排真空泵轉(zhuǎn)子機(jī)加工工藝規(guī)程，安裝軸承處直徑磨削后不再有錐度，尺寸精度滿足要求，同時(shí)各形位精度得到了保證。銑床專用平口鉗工裝的設(shè)計(jì)保證了葉片槽銑削精度要求，消除了槽底振紋。該工藝規(guī)程和專用平口鉗工裝已在生產(chǎn)中實(shí)際執(zhí)行和應(yīng)用，實(shí)踐證明能滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

［1］楊斷宏.數(shù)控加工工藝手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［2］浦林祥.金屬切削機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［3］王先逵.機(jī)械加工藝手冊(cè)第1卷工藝基礎(chǔ)篇［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.