真空泵泵體加工專用鏜床設(shè)計開發(fā)

張輝　呂思睿

摘 要：針對螺桿真空泵和羅茨真空泵泵體“8字形”孔加工質(zhì)量不穩(wěn)定，加工效率低的問題，筆者設(shè)計了一款泵體加工專用鏜床，通過鏜模來提高鏜桿動剛度，保證孔的加工精度;通過機床的數(shù)控滑臺來實現(xiàn)零件一次裝夾，完成多孔加工;通過組合刀具來提高專用機床的柔性生產(chǎn)。經(jīng)生產(chǎn)驗證，專用鏜床能滿足量產(chǎn)要求的質(zhì)量穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：專用鏜床 泵體加工 鏜模 數(shù)控滑臺 組合刀具

Design and Development of Special Boring Machine for Processing Vacuum Pump Body

Zhang Hui Lv Sirui

Abstract：In view of the problem of unstable processing quality and low processing efficiency of the "8-shaped" hole of the screw vacuum pump and the roots vacuum pump body， the author has designed a special boring machine for processing the pump body， which improves the dynamic rigidity of the boring bar through the boring mould， and guarantees the machining accuracy of the machine; through the CNC sliding table of the machine tool， the one-time clamping of the parts and the completion of the porous processing are realized; and the combined tool improves the flexible production of the special machine tool. After production verification， the special boring machine can meet the quality stability and production efficiency required by mass production.

Key words：special boring machine， pump body processing， boring mould， CNC slide table， combined tool

螺桿真空泵和羅茨真空泵以其自身原理、結(jié)構(gòu)、抽氣效率等方面的突出優(yōu)勢，在機械、化工、食品等諸多行業(yè)得到了廣泛認(rèn)可與應(yīng)用，同時也是各真空泵制造企業(yè)銷量最大的產(chǎn)品類型[1-3]。螺桿泵和羅茨泵都是旋轉(zhuǎn)式真空泵，其真空性能和使用壽命在很大程度上取決于零件精度和裝配精度。泵體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度高，尤其是內(nèi)部“8字形”孔的加工，孔徑大，深度深，兩孔軸線平行度以及和端面的垂直度要求高[4-5]。筆者設(shè)計開發(fā)的真空泵泵體加工專用鏜床主要是解決泵體“8字形”長通孔加工質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低的問題，滿足企業(yè)柔性生產(chǎn)需求，實現(xiàn)不同類型產(chǎn)品加工的快速切換。

1 真空泵泵體結(jié)構(gòu)分析

真空泵泵體由鑄造而成，常用材料為灰鑄鐵。某螺桿泵泵體結(jié)構(gòu)如圖1所示，“8字形”長通孔加工精度要求很高，孔徑，孔貫穿整個泵體，兩孔中心距，兩孔軸線平行度φ0.04，軸線與泵體端面垂直度φ0.025。目前企業(yè)采用的鏜床為懸臂鏜，鏜桿剛度差，加工振動明顯，“8字形”孔加工需要進行多次工裝夾具定位，累計誤差大，效率低。泵體加工質(zhì)量取決于鏜床精度和工人的技能水平，后期質(zhì)量檢驗工作量很大，嚴(yán)重制約了企業(yè)的生產(chǎn)效益。

2 專用鏜床總體方案設(shè)計

根據(jù)被加工泵體的結(jié)構(gòu)特點、精度要求、工藝流程等要素，專用鏜床的總體方案設(shè)計如圖2所示，包括動力頭、鏜桿、鏜模、數(shù)控滑臺、潤滑系統(tǒng)及電控系統(tǒng)等部件。

考慮到泵體“8字形”孔孔深和孔距加工尺寸不同，采用NC系列數(shù)控滑臺控制橫向和縱向進給運動;動力頭驅(qū)動電機采用變頻電機控制鏜桿的鏜削運動。整機電控系統(tǒng)配備獨立電控柜和操作面板，電器元件采用西門子、歐姆龍等進口產(chǎn)品，保證控制系統(tǒng)的質(zhì)量穩(wěn)定性。同時，留有一定量的I/O輸入/輸出點，以便后續(xù)專用鏜床的功能擴展。

專用鏜床加工采用鏜桿旋轉(zhuǎn)并進給而泵體固定不動的膛加工方式。多孔加工時，只需移動鏜模安裝處的縱向數(shù)控滑臺，以調(diào)整工件待加工孔的位置。一次裝夾就能實現(xiàn)泵體多孔加工，消除多次裝夾產(chǎn)生的累積誤差，零件加工精度高;大批量加工時，只需更換待加工零件毛坯，而無需調(diào)整鏜模、鏜床加工參數(shù)等，大大提升企業(yè)的生產(chǎn)效率;切換不同中心距長通孔的泵體加工時，需調(diào)整相應(yīng)的鏜模規(guī)格。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 鏜夾具設(shè)計

鏜夾具是專用鏜床泵體加工精度的保證，主要包括左右鏜模、壓緊桿、壓緊塊、可調(diào)支撐等部件，來實現(xiàn)泵體的精準(zhǔn)定位，典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過鏜模支撐鏜桿兩端，在加工長通孔時保證了鏜桿的動剛度，通過鏜夾具精度保證了“8字形”長通孔的加工精度，而不受鏜床精度的影響，從而極大地降低了專用鏜床的開發(fā)費用。

3.2 鏜桿組件和浮動接頭設(shè)計

針對鏜桿長度長，整體加工精度難以保證，自身剛度不足的難點，設(shè)計了組合式鏜桿，由鏜桿1、鏜桿2、固定長螺桿等零部件組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。兩鏜桿結(jié)合面為錐度設(shè)計，便于安裝定位。泵體更換時，組合式鏜桿的退出和更換也更為方便。

浮動接頭用于雙支撐鏜模鏜孔時，使鏜桿和機床主軸實現(xiàn)浮動連接，為了降低對機床精度和整套鏜夾具安裝位置的精度要求，對浮動接頭進行了優(yōu)化設(shè)計。該接頭由球頭和球套組成，通過圓柱銷定位，能夠?qū)崿F(xiàn)大角度的兩相交軸之間的運動傳遞，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.3 組合刀具設(shè)計

組合刀具的應(yīng)用能大幅提升泵體“8字形”孔的加工效率和專用鏜床的加工柔性。“8字形”孔孔徑較大，在鏜桿上設(shè)置一個鏜刀刀鼓，減小鏜刀尺寸，提高其整體剛性。刀轂采用整體式結(jié)構(gòu)，通過螺栓鏈接壓緊在鏜桿上。沿著鏜刀刀轂軸線，錯置半精刀和精刀，實現(xiàn)一次鏜削加工完成半精鏜和精鏜兩道工序，加工效率高，結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。通過刀轂和鏜刀規(guī)格的切換，來實現(xiàn)同一鏜模加工同一中心距、不同孔徑的泵體，減少鏜模規(guī)格數(shù)量，提高專用鏜床的柔性生產(chǎn)能力。

4 其他部件設(shè)計

4.1 動力系統(tǒng)

主軸采用鏜削動力頭，動力頭將全部的傳動變速機構(gòu)和主軸組件集成設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊。主傳動裝置采用交換齒輪變速。驅(qū)動電機配備變頻器，可實現(xiàn)變頻調(diào)速。

4.2 進給系統(tǒng)

進給運動包含橫向滑臺的移動帶動鏜桿的鏜削加工，縱向滑臺的移動實現(xiàn)加工孔位的調(diào)整。各進給系統(tǒng)都單獨配備伺服電機，通過滾珠絲桿進行驅(qū)動，利用數(shù)控系統(tǒng)來調(diào)整各執(zhí)行件間的運動比，有利于簡化中間的機械傳動系統(tǒng)，提高傳動精度。各滑臺采用滾子式直線導(dǎo)軌，承載能力強，整體剛性好。

4.3 鏜床防護

半封閉防護，泵體加工工作臺面設(shè)有推拉門，減少切削液油霧對周圍環(huán)境的污染，同時起到相應(yīng)的安全防護作用。

5 結(jié)束語

真空泵泵體加工專用鏜床通過安裝調(diào)試之后，進行小批量的試生產(chǎn)，泵體加工效率提升明顯，加工質(zhì)量穩(wěn)定性好，滿足各項技術(shù)要求，達(dá)到了預(yù)期的開發(fā)要求。目前，用戶已使用該鏜床一年多，使用效果良好。

本鏜床的成功開發(fā)，既實現(xiàn)了專機加工的高效性，又滿足了企業(yè)多品種小批量的柔性生產(chǎn)需求，解決了企業(yè)加工效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定的難點和痛點。同時，為專機柔性化設(shè)計提供了一種可復(fù)制推廣的經(jīng)驗。

基金項目：臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院2020年校級大學(xué)生科技創(chuàng)新項目（項目編號：2020DKC11）。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫瑾亭，王慶生，王國棟等.變螺距螺桿真空泵轉(zhuǎn)子溫度場和熱變形的有限元分析[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報（EI），2017，37（8）：791—795.

[2]肖茹，錢洪善.FMS柔性制造生產(chǎn)線仿真技術(shù)研究[J].計算機仿真.2019（8），204-207.

[3]鄭金來，王德權(quán)，熊昌秀，丁玲等.箱體類零件敏捷柔性生產(chǎn)線的設(shè)計[J].組合機床與自動化加工技術(shù).2016（09），133-135.

[4]趙偉宜，曾燕玲，張彩珠等. 中開雙吸離心泵泵體中道孔加工工藝及工裝設(shè)計[J].金屬加工，2017，8（9）：38-41.

[5]焦建華，趙海東. 超大型環(huán)形零件專用數(shù)控立式車鏜床的研發(fā)[J].制造技術(shù)與機床，2018，（9）：46-48.