螺桿的數控仿真加工與誤差分析

李京遠

(遼寧職業學院，遼寧 鐵嶺 112001)

0 引言

螺桿作為螺桿泵的關鍵零部件，工作環境較為復雜，其結構和加工質量將直接影響到整機的性能。因而除了在合理選擇和設計螺桿的加工工藝外，采用先進的制造技術，對于進一步提高螺桿的質量和壽命有著重要的意義。

在螺桿的制造工藝方面，國內螺桿制造公司制造工藝不先進，螺桿加工制造設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也只采用了簡易數控機床，其加工效率低，加工精度難以保證，很難達到螺桿的設計要求，另外螺桿的造型都比較復雜，現有的加工方法和設備很難適應螺桿高精度的要求。

數控加工仿真就是利用計算機軟件來模擬數控加工過程，對制造過程中可能出現的問題進行分析與預測，提出改進措施，預測產品性能、產品制造技術、產品的可制造性，實現產品從開發到制造整個過程的優化，達到降低產品生產周期、減少開發風險、提高經濟效益的目的。因此，開發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 螺桿數控仿真加工

1.1 數控仿真加工的一般流程

數控加工是指在計算機的CAM系統上，從加載毛坯，定義加工的對象，設定刀具參數，定義加工方式，最后生成相應硬件機床的數控加工程序的過程。

仿真加工過程，依據加工程序的內容確立刀具軌跡的生成方式。加工程序的內容主要有：定義刀具的驅動方式和加工對象的幾何尺寸以及切削步距、主軸轉速、進退刀點、進給量、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計合格，編輯修改相應的刀具軌跡達到機床的要求，進行仿真加工模擬，最后進行程序后處理生成相應數控系統的加工代碼， 復制到相應的機床上可以進行實際加工(進行DNC傳輸與數控加工)，其具體流程如圖1所示。本設計數控設備選定為DST五軸數控銑鏜床。

1.2 螺桿數控加工結果

螺桿數控加工結果如圖2所示。

圖2 數控加工螺桿Fig.2 NC manufacturing scraw

2 螺桿加工誤差分析

2.1 檢測項目的選擇

根據螺桿泵轉子的運動是轉子自轉和公轉兩個運動合成行星運動，由于加工誤差的存在，會影響螺桿泵的壽命和泵的效率。由于轉子型線綜合反映轉子偏心距和截面直徑的加工誤差，為了檢驗螺桿數控加工質量是否符合設計要求，對螺桿型線進行誤差檢測。

螺桿加工精度的評價指標為在某一個縱剖面上型面測量點誤差。

2.2 試驗設備與方法

2.2.1 試驗設備

測量螺桿直線度采用DEA橋式數控三坐標測量機。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，計算機系統分辨率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，環境溫度使用要求(20±2) ℃，環境濕度使用要求60%。

2.2.2 試驗方法

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

(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跳躍現象，選擇轉子上的凸緣位置幾個關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，選擇27個點，并測量點的坐標。

(2)在坐標系統內定義工件基準。測量基準采用數控加工基準，以此保證數控加工基準與測量基準的一致。

(3)固定轉子使軸向垂直于測量平臺，以轉子的軸向為 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，使測頭的中心點與測量點的矢量方向與螺桿曲面測量點的法線方向趨于一致。

(4)對測頭進行標定，然后進行型線坐標點的測量，并記錄測量結果。

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

2.3 試驗結果與分析

按照上面的操作步驟，測量數據點的坐標可以直接讀入計算機，得出測量結果，由最后測量結果可以看到，螺桿型線上各測量點的誤差值均在允許范圍內。即數控加工編程正確合理，加工零件產品合格。

3 結果與討論

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

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