真空泵轉子加工工藝及工裝改進設計

曹春雷 高利軍 王麗敏

(邢臺職業技術學院，河北邢臺 054035)

1 真空泵轉子的加工部位及精度要求

X100型真空泵轉子3D模擬效果如圖1所示。該轉子總體外形為中間粗兩頭細的軸類零件，其總長為311 mm;主體工作部分長160 mm，直徑105 mm，均為6級精度。臨近轉子主體工作部分兩端安裝軸承，該處軸頸精度為4級。兩軸端分別開有安裝A型和C型平鍵的鍵槽。安裝軸承部位的兩側均開有砂輪越程槽，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有3個4 mm寬、5級精度的軸向通槽，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不大于0.012 mm，主體工作部分兩端軸向圓跳動不大于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。材料的最低抗拉強度大于400 MPa，必須經過時效處理。加工后的零件不允許有毛刺。

2 轉子加工中的問題

目前真空泵轉子加工中的兩個主要問題:安裝軸承處的直徑經過磨削后出現錐度，根部的直徑尺寸偏大，最大處超差0.005 mm，這樣遠遠不能滿足使用要求，也直接影響到產品的壽命;葉片槽銑削后用通止規檢驗發現槽底不合格，且有明顯振紋，會導致葉片安裝后無法在其槽內徑向自由伸縮;其次形位精度幾乎超差。

3 加工工藝分析及改進

3.1 原工藝路線分析

原工藝路線及要求如下:

工序10:車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;粗車次端各部軸頸及小軸肩凸臺，留單邊余量0.5 mm;粗車主體工作部分外圓柱面留長度1/3，半徑留量2 mm;車槽到尺寸;倒角;以直徑105 mm外圓毛坯面為粗基準，限制4個自由度，選用CAK6150D臥式數控車床和通用夾具三爪自定心卡盤。

工序20:車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度160.2 mm的同時也保證總長尺寸311 mm;鉆中心孔;粗車次端各部軸頸及小軸肩凸臺，留單邊余量0.5 mm;粗車主體工作部分外圓柱面留下的2/3部分，半徑留量2 mm;車槽到尺寸;倒角;以上道工序車好的直徑105 mm外圓柱面為徑向精基準，聯合車好的主體工作部分端平面，也為精基準，共限制5個自由度，同樣選用CAK6150D臥式數控車床和通用夾具三爪自定心卡盤。

工序30:精車各部軸頸外圓到尺寸，放磨量0.2 mm;以兩頂尖孔為精基準，用撥盤帶動，限制5個自由度，選用CAK6150D臥式數控車床。

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，尺寸及表面質量均符合圖樣要求;采用兩中心孔定位，用雞心夾撥盤帶動，選用設備M1432A萬能外圓磨床。

工序60:鉗工倒棱去毛刺。

3.2 工藝路線改進

結合以前加工出現的問題，并考慮分析其他生產加工單位的建議和作法，在保證加工質量的前提下，從盡可能降低成本、減輕工人勞動強度的角度出發，修改了原工藝。

工序10:車端面;鉆中心孔;粗車外圓各部，留量;切槽，到尺寸;倒角。調頭安裝，車另一端面保證總長;鉆中心孔;粗車外圓各部，留量;切槽，到尺寸;倒角。選用CA6140普通臥式車床，采用三爪自定心卡盤安裝。

工序20:精車外圓及軸肩，放磨量。以兩中心孔作精基準定位，在CAK6150D臥式數控車床上加工。

工序30:銑鍵槽;選用設備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，用雞心夾撥盤帶動，選用設備M1432A萬能外圓磨床(必要時配以中心架或跟刀架)。

工序60:銑葉片槽。選用設備XA6132/I臥式萬能升降臺銑床。采用改制的機用平口鉗安裝，自行設計專用夾具。

工序70:鉗工倒棱去毛刺。

3.3 工藝路線改進分析

工藝改進分析如下:將工序10改用普通車床進行粗加工，完全能保證精度，且經濟實惠，效率并不低。而精車的工序20仍采用數控車床進行，能夠很好保證尺寸的一致性，為完工后的較嚴格的形位精度打下基礎［1］。工序30銑鍵槽時，采用V型塊定位，增加了支承剛度，進一步為后續加工保證形位精度打基礎。銑鍵槽時的走刀方向應指向擋塊，防止因夾緊力不夠而產生軸向竄動，從而造成鍵槽的軸向定位尺寸不準確。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。因為要提高外圓加工質量，修研頂尖孔是主要手段之一，此外在工件加工過程中，頂尖孔還會磨損、拉毛，所以必須修研。工序50磨削的設備技術要求基本沒變，但是安裝時要求在修研后的頂尖孔內填潤滑脂，在死頂尖上安裝。死頂尖接觸剛度大，雖然沒有軸向補償力，但也減小了因工件轉動慣量大帶來的回轉誤差，反而更能保證同軸度的要求。磨削兩端安裝軸承處軸頸時，采用自兩端向軸向中心縱向磨削法，取消原有的徑向進給橫磨法。待到磨至根部時停止進給，保持主軸轉動一段時間，觀察火花量非常少時徑向退出并靠磨直徑105 mm兩側的軸肩?；蚴窃黾虞o助裝備中心架，防止因質量大回轉慣性大而導致靠近軸中部加工時的“讓刀”現象出現。這樣就解決了首件加工時產生的第一個問題。接下來將銑葉片槽單獨生成工序60，并且放在磨削之后進行，看起來是違背了“先主后次”的原則，通常槽加工盡可能往后安排，一般應放在外圓精車(或粗磨)之后，精磨加工前進行。考慮的原因是，葉片安裝后應盡可能在槽內自由伸縮，若先銑槽后磨外圓，產生的毛刺易忽略，不易清洗去除。再者，銑槽的徑向分力很大，兩端軸頸很細而剛度低，極易破壞已磨好的形位精度，為此特別設計了專用夾具(下面介紹)。在銑葉片槽工藝上，原來采用的是每槽加工分2或3次走刀完成，用萬能分度頭分度或數控程序控制第4軸分度。原有的工藝生產效率低，刀具易磨損，生產成本也高。采用專用夾具后，工件的支承剛度會變得非常大，利用“背吃刀量增加時單位切削力不變;進給量增加時單位切削力減小”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槽就會大大提高生產效率。此外，適當降低切削速度還會提高刀具耐用度。至此，首件加工時產生的第二個主要問題也迎刃而解。

4 銑葉片槽工裝改進設計

4.1 工裝改進設計

為防止葉片槽銑削后，槽底出現明顯的振紋，我們改進了工序60的工件裝夾方式。取消了“一夾一頂”，換成了專門設計的銑床專用平口鉗［2］，如圖2和圖3所示。

在兩塊顎板的一側頂部裝有水平定位塊，而另一側開有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，對應的兩斜槽內安裝角向定位葉片，如圖4所示。角向定位葉片頂部可插入到已加工好的轉子葉片槽內，其底部與兩塊顎板上斜槽成緊滑動配合關系。

該夾具在后期制作裝配時要特別小心。加工時，兩個水平定位塊及兩塊顎板銑時放磨量較大，之后熱處理，再分別磨平各結合面、對合面、安裝基面等，使各面見光;角向定位葉片磨時盡量保證上偏差，即取最大極限尺寸。安裝時，首先在兩鉗口上緊固兩塊顎板，先緊固一個(最好在固定鉗口一端)，然后使兩塊顎板上的斜槽對齊，松開活動鉗口端至合適尺寸，插入角向定位葉片，使角向定位葉片能在斜槽內自由滑動為宜，此時配磨上表面B，使之等高水平;再用螺釘緊固兩個水平定位塊，緊固時靠齊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應的另一側鉗口上的C－D面。

4.2 銑葉片槽改進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44±0.1 mm。因為加工槽深尺寸的定位基準是安裝軸承軸頸的下母線，而工序基準是主體工作部分外圓柱面上的母線，所以會有基準不重合誤差存在。又因為該工件以其磨削過的軸頸為精基準在平面支承上定位，所以其基準位移誤差可忽略不計(平面支承定位件經過熱處理，很耐磨，磨損量及其微小)［3］。

式中:ΔD為定位誤差;ΔB為基準不重合誤差;Δy為基準位移誤差。

(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f(精密級)選取，其極限偏差為±0.1 mm。加工槽的水平定位基準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操作位置上來看安裝的工件的)，而工序基準是轉子安裝軸承軸頸的軸線(公共軸線)，所以會有基準不重合誤差存在。同樣該工件以其磨削過的軸頸為精基準在豎直的平面支承上定位，所以其基準位移誤差亦可忽略不計。

以上兩項誤差即便算上軸頸的徑向圓跳動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。

設槽底配合間隙為a，利用三角形相似原理可計算如下:

求解出a=0.057 885 mm，

而 Δα =arctan(a/43.9)，將a代入得:

同理計算:當最薄或達到磨損極限的厚度3.992 mm角向定位葉片，插入鉗口定位斜槽里時，定位斜槽按最寬設計尺寸計算或達到最大磨損量計算取值為4.012 mm，配合間隙量會達到最大的0.02 mm，此時的實際配合接觸最短邊為67.527 7 mm，產生最大的搬動角度誤差Δβ。

設底部配合間隙為b，利用三角形相似原理可計算如下:

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

實測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 結語

通過重排真空泵轉子機加工工藝規程，安裝軸承處直徑磨削后不再有錐度，尺寸精度滿足要求，同時各形位精度得到了保證。銑床專用平口鉗工裝的設計保證了葉片槽銑削精度要求，消除了槽底振紋。該工藝規程和專用平口鉗工裝已在生產中實際執行和應用，實踐證明能滿足產品質量要求，降低了工人的勞動強度。

［1］楊斷宏.數控加工工藝手冊［M］.北京:化學工業出版社，2008.

［2］浦林祥.金屬切削機床夾具設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，1995.

［3］王先逵.機械加工藝手冊第1卷工藝基礎篇［M］.北京:機械工業出版社，2006.