葉片泵定子曲線的測(cè)繪及定子加工方法

■陜西秦川機(jī)床工具集團(tuán)有限公司 （寶雞 721000） 姜永軍 楊利強(qiáng)

葉片泵定子曲線的測(cè)繪及定子加工方法

■陜西秦川機(jī)床工具集團(tuán)有限公司 （寶雞 721000） 姜永軍 楊利強(qiáng)

摘要：從葉片泵定子曲線的測(cè)繪出發(fā)，詳細(xì)描述了用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量掃描定子內(nèi)曲線的具體方法和步驟，以及對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)借助于Pro/E軟件進(jìn)行曲率半徑分析，并人工手動(dòng)拉點(diǎn)對(duì)定子曲線進(jìn)行優(yōu)化和修正。闡述定子的加工方法及加工工藝，為定子曲線的研究與定子的制造生產(chǎn)提供了參考。

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，助力轉(zhuǎn)向泵市場(chǎng)日益擴(kuò)大。助力轉(zhuǎn)向泵主要以葉片泵為主，定子和轉(zhuǎn)子是葉片泵上的關(guān)鍵零件。轉(zhuǎn)子加工起來較為容易，而定子曲線的處理及定子加工工藝則非常關(guān)鍵。定子曲線對(duì)葉片泵的性能有著較大的影響。對(duì)曲線的研究、改進(jìn)能夠顯著降低葉片泵的工作噪聲，而低噪聲、轉(zhuǎn)向的舒適性則對(duì)于車輛有著重要的意義。

1. 定子曲線概述

通常定子曲線的獲得有3種方法：①設(shè)計(jì)手段。根據(jù)泵的排量設(shè)計(jì)吸油段曲線、排油段曲線，保證曲線盡量連續(xù)、光滑，從而使泵在工作時(shí)流量穩(wěn)定、噪聲低。吸油段曲線、排油段曲線主要以阿基米德螺線、等加速曲線和高次（階）過渡曲線等進(jìn)行設(shè)計(jì)。②設(shè)計(jì)手段+曲線誤差修正。主要是在原設(shè)計(jì)曲線的基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)馗淖兙植康狞c(diǎn)坐標(biāo)，從而使泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中噪聲更低，更平穩(wěn)。③借助于高精度的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)進(jìn)口的、優(yōu)異的定子曲線進(jìn)行測(cè)量和測(cè)繪。

在這里詳細(xì)談一下第③種方法。實(shí)際定子的外形如圖1所示。具體測(cè)繪步驟為：

圖1　葉片泵定子模型

圖2　葉片泵定子

（1）放置好定子，用橡皮泥將其固定好4點(diǎn)，以免測(cè)量頭擾動(dòng)零件。

（2）運(yùn)行三坐標(biāo)測(cè)量?jī)xX軸，碰到曲線內(nèi)左右兩點(diǎn)分別為點(diǎn)坐標(biāo)一、點(diǎn)坐標(biāo)二。點(diǎn)坐標(biāo)一、點(diǎn)坐標(biāo)二確定的線段為內(nèi)曲線內(nèi)最長(zhǎng)的線段，由程序自動(dòng)進(jìn)行找正并記錄，設(shè)置步距為0.001 ～0.002 5mm。記錄點(diǎn)坐標(biāo)一、點(diǎn)坐標(biāo)二，記錄時(shí)進(jìn)行設(shè)置，取小數(shù)點(diǎn)后四位。

（3）運(yùn)行三坐標(biāo)測(cè)量?jī)xY軸，碰到曲線內(nèi)上下兩點(diǎn)分別為點(diǎn)坐標(biāo)三、點(diǎn)坐標(biāo)四。點(diǎn)坐標(biāo)三、點(diǎn)坐標(biāo)四確定的線段為內(nèi)曲線內(nèi)最短的線段，由程序自動(dòng)找正并記錄，設(shè)置步距為0.001～0.002 5mm。記錄點(diǎn)坐標(biāo)三、點(diǎn)坐標(biāo)四，記錄時(shí)進(jìn)行設(shè)置，取小數(shù)點(diǎn)后四位。

（4）點(diǎn)坐標(biāo)一與點(diǎn)坐標(biāo)二確定一條直線，點(diǎn)坐標(biāo)三與點(diǎn)坐標(biāo)四確定另一條直線，兩條線段的交點(diǎn)即為曲線中心點(diǎn)坐標(biāo)五。

以圖2所示的定子為例，定位方式為兩銷孔+外圓定位。其中一個(gè)為圓柱銷，一個(gè)為菱形銷，銷孔大小為mm。

孔，銷孔中心點(diǎn)為點(diǎn)坐標(biāo)六。

（6）點(diǎn)坐標(biāo)五、點(diǎn)坐標(biāo)六確定的直線與定子內(nèi)曲線的交點(diǎn)七，即為掃描測(cè)量?jī)?nèi)曲線的起點(diǎn)，進(jìn)行掃描時(shí)，每隔1°采一個(gè)點(diǎn)，采完整個(gè)曲線360°，共計(jì)360個(gè)離散點(diǎn)。離散點(diǎn)的坐標(biāo)格式為極坐標(biāo)，坐標(biāo)原點(diǎn)O位于定子對(duì)稱中心。

（7）掃描內(nèi)曲線。

（8）數(shù)據(jù)以極坐標(biāo)的形式輸出，圖3所示為是掃描得到的點(diǎn)坐標(biāo)，具體的圖形效果顯示如圖4所示。

圖3

通常定子曲線中心坐標(biāo)點(diǎn)五還有其他兩種獲得方法：①若以定子外圓為主定位基準(zhǔn)，則通過三坐標(biāo)測(cè)量外圓，找到圓心（通常采用4點(diǎn)法或多點(diǎn)法），即為坐標(biāo)點(diǎn)五。②若以兩銷孔（圓柱銷+菱形銷）為主定位基準(zhǔn)，則通過測(cè)量銷孔1中心與銷孔2中心的連線中點(diǎn)即為坐標(biāo)點(diǎn)五。

圖4　定子曲線CAD繪圖分析

對(duì)掃描得到的360個(gè)離散點(diǎn)進(jìn)行后處理，在Pro/E中進(jìn)行。Pro/E中導(dǎo)入點(diǎn)坐標(biāo)文本的后綴名必須為*.pts。借助“曲率分析工具”（見圖5），查看實(shí)測(cè)曲線的連續(xù)、光滑情況。在比例和密度中進(jìn)行設(shè)置（見圖6），設(shè)置后打“√”進(jìn)行查看。

圖7所示為比例為4.0的曲率變化圖，從圖中可以看出，曲率變化較為廣順，無突變和跳邊產(chǎn)生。

曲率半徑界面如圖8所示，曲率查看工具如圖9所示。

圖5　Pro/E曲率分析工具

圖6　比例和密度設(shè)置

圖7　實(shí)際曲率變化

圖8　曲率半徑界面

圖9　曲率查看工具

圖10　曲線最小過渡半徑

由圖1 0可以看出，能加工該內(nèi)曲線的最大刀具半徑為

10.664 7mm（粗加工階段的銑刀半徑或磨削階段的砂輪半徑）。由圖11可以看出，該定子曲線的曲率變化較為平滑，曲線質(zhì)量較佳，曲率變化范圍為：最小曲率0.001 2mm，最大曲率為0.098 8mm。

圖12所示為另外一種定子的實(shí)際測(cè)繪曲線，可以看出該曲線有突變，對(duì)局部點(diǎn)進(jìn)行修正后才能進(jìn)行正常加工。

在對(duì)局部點(diǎn)進(jìn)行修正時(shí)，可在曲線上直接拉點(diǎn)，拉點(diǎn)時(shí)，建議沿著曲線輪廓拉，這樣對(duì)曲線的曲率變化不敏感，可較快地降低峰峰值及曲線局部的峰谷值。若單獨(dú)沿著曲線徑向或X/Y方向拉伸時(shí)，曲率變化會(huì)很大，且不易降低曲率半徑的峰谷值。拉點(diǎn)的最終目標(biāo)是保證整條曲線上曲率變化盡可能一致、均勻，且數(shù)值較小。

2. 定子曲線的加工

（1）定子曲線的粗加工：主要以加工中心的銑削、數(shù)控銑床的銑削、仿形車床車削為主要加工手段。在銑床銑削時(shí)，兩個(gè)數(shù)控軸走直角坐標(biāo)插補(bǔ)或極坐標(biāo)插補(bǔ)就可以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)需要坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，可借助編程指令G12.1/G13.1（Fanuc數(shù)控系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)，或者利用直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換公式

圖11　最大最小曲率查看

圖12　手工拉點(diǎn)法

圖13　定子仿形車床模型

圖14　改造后的定子車床

而數(shù)控機(jī)床走插補(bǔ)的曲線點(diǎn)為三坐標(biāo)測(cè)量的實(shí)際點(diǎn)進(jìn)行修正補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)點(diǎn)。刀具半徑應(yīng)小于曲線擬合后的最小曲率半徑，比如圖10中描述的定子在加工時(shí)銑刀半徑就必須＜10.664 7mm。

仿形車床車削加工，工件在回轉(zhuǎn)時(shí)，靠模板一起隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)橫滑板發(fā)生移動(dòng)，在重錘的作用下，車刀刀尖始終與定子內(nèi)曲線接觸，進(jìn)行車削加工。車削時(shí)加工效率高，但精度較低，曲線精度主要依賴靠模板的外輪廓精度。加工類機(jī)床如圖13、圖14所示。

（2）定子曲線的精加工：主要是數(shù)控定子曲線磨床進(jìn)行加工。加工時(shí)，與銑削類似，只是把銑刀改變?yōu)閳A柱狀砂輪進(jìn)行磨削。砂輪主要以剛玉類（白剛玉、棕剛玉）、CBN（立方氮化硼）砂輪為主。典型的磨削機(jī)床主要有：秦川機(jī)床廠的QCK005B數(shù)控定子曲線磨床、浙江松菱精機(jī)的SL006數(shù)控定子曲線磨床。

在定子曲線磨削過程中，為了避免砂輪切入時(shí)有棱線產(chǎn)生，往往采用圓弧進(jìn)刀和圓弧退刀的方式，從而使得定子曲線更加光滑。

定子曲線內(nèi)的小圓為CBN砂輪截面，其中圖15所示為圓弧切入進(jìn)刀，圖16所示為圓弧切出方式，直接退刀到中心點(diǎn)。

圖15　砂輪圓弧切入

圖16　砂輪圓弧切出

3. 結(jié)語

本文系統(tǒng)介紹了葉片泵定子

曲線的測(cè)繪及詳細(xì)步驟。對(duì)從定子上采集的離散點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際的擬合，以及擬合后對(duì)曲線進(jìn)行后處理及曲線的修正，經(jīng)修正后，將曲線點(diǎn)導(dǎo)入數(shù)控機(jī)床進(jìn)行銑削及磨削加工，從而獲得理想的定子曲線及精度，使得葉片泵的噪聲大大降低、排量壓力穩(wěn)定，泵的質(zhì)量得以提高。該方法及理論對(duì)葉片泵生產(chǎn)制造廠家具有較高的參考價(jià)值。

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專家點(diǎn)評(píng)

該文介紹了葉片泵定子曲線的測(cè)繪及加工過程，從定子上采集的曲線點(diǎn)經(jīng)擬合、修正后導(dǎo)入數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，從而獲得理想的定子曲線。該方法介紹得很詳細(xì)，也很實(shí)用，對(duì)葉片泵生產(chǎn)制造廠家具有較高的參考價(jià)值。

收稿日期：（20141125）