真空泵转子加工工艺及工装改进设计

曹春雷 高利军 王丽敏

(邢台职业技术学院，河北邢台 054035)

1 真空泵转子的加工部位及精度要求

X100型真空泵转子3D模拟效果如图1所示。该转子总体外形为中间粗两头细的轴类零件，其总长为311 mm;主体工作部分长160 mm，直径105 mm，均为6级精度。临近转子主体工作部分两端安装轴承，该处轴颈精度为4级。两轴端分别开有安装A型和C型平键的键槽。安装轴承部位的两侧均开有砂轮越程槽，两轴端处倒角。主体工作部分外圆柱面及安装轴承的轴颈部分须磨削。主体工作部分外圆柱面上开有3个4 mm宽、5级精度的轴向通槽，槽的中心平面到轴心线的距离为20.5 mm，槽径向深度44±0.1 mm。

转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。两轴承处轴颈的径向圆跳动不大于0.012 mm，主体工作部分两端轴向圆跳动不大于0.02 mm，且主体工作部分圆柱面与轴承安装处的同轴度不大于0.01 mm。材料的最低抗拉强度大于400 MPa，必须经过时效处理。加工后的零件不允许有毛刺。

2 转子加工中的问题

目前真空泵转子加工中的两个主要问题:安装轴承处的直径经过磨削后出现锥度，根部的直径尺寸偏大，最大处超差0.005 mm，这样远远不能满足使用要求，也直接影响到产品的寿命;叶片槽铣削后用通止规检验发现槽底不合格，且有明显振纹，会导致叶片安装后无法在其槽内径向自由伸缩;其次形位精度几乎超差。

3 加工工艺分析及改进

3.1 原工艺路线分析

原工艺路线及要求如下:

工序10:车A型平键轴槽一端的端面及该端主体工作部分端平面，保证尺寸79 mm;钻中心孔;粗车次端各部轴颈及小轴肩凸台，留单边余量0.5 mm;粗车主体工作部分外圆柱面留长度1/3，半径留量2 mm;车槽到尺寸;倒角;以直径105 mm外圆毛坯面为粗基准，限制4个自由度，选用CAK6150D卧式数控车床和通用夹具三爪自定心卡盘。

工序20:车C型平键轴槽一端的端面及该端主体工作部分端平面，在保证主体工作部分长度160.2 mm的同时也保证总长尺寸311 mm;钻中心孔;粗车次端各部轴颈及小轴肩凸台，留单边余量0.5 mm;粗车主体工作部分外圆柱面留下的2/3部分，半径留量2 mm;车槽到尺寸;倒角;以上道工序车好的直径105 mm外圆柱面为径向精基准，联合车好的主体工作部分端平面，也为精基准，共限制5个自由度，同样选用CAK6150D卧式数控车床和通用夹具三爪自定心卡盘。

工序30:精车各部轴颈外圆到尺寸，放磨量0.2 mm;以两顶尖孔为精基准，用拨盘带动，限制5个自由度，选用CAK6150D卧式数控车床。

工序40:铣A型平键轴槽与C型平键轴槽(轴向的定位与定形尺寸到图样要求，径向按换算尺寸加工到深度);铣叶片槽，尺寸达到图样要求(辅助工装利用了第4轴功能);采用一夹一顶定位，选用欧玛加工中心EV810。

工序50:磨主体工作部分外圆柱面和其两端轴承安装圆柱面，并靠磨轴肩，尺寸及表面质量均符合图样要求;采用两中心孔定位，用鸡心夹拨盘带动，选用设备M1432A万能外圆磨床。

工序60:钳工倒棱去毛刺。

3.2 工艺路线改进

结合以前加工出现的问题，并考虑分析其他生产加工单位的建议和作法，在保证加工质量的前提下，从尽可能降低成本、减轻工人劳动强度的角度出发，修改了原工艺。

工序10:车端面;钻中心孔;粗车外圆各部，留量;切槽，到尺寸;倒角。调头安装，车另一端面保证总长;钻中心孔;粗车外圆各部，留量;切槽，到尺寸;倒角。选用CA6140普通卧式车床，采用三爪自定心卡盘安装。

工序20:精车外圆及轴肩，放磨量。以两中心孔作精基准定位，在CAK6150D卧式数控车床上加工。

工序30:铣键槽;选用设备X52，采用V型块加挡块定位，压板安装。

工序40:修研顶尖孔;在CA6140卧式普通车床上用铸铁顶尖研磨。

工序50:磨两轴承安装轴颈及主体工作部分外圆柱面，并靠磨轴肩。采用两中心孔定位，用鸡心夹拨盘带动，选用设备M1432A万能外圆磨床(必要时配以中心架或跟刀架)。

工序60:铣叶片槽。选用设备XA6132/I卧式万能升降台铣床。采用改制的机用平口钳安装，自行设计专用夹具。

工序70:钳工倒棱去毛刺。

3.3 工艺路线改进分析

工艺改进分析如下:将工序10改用普通车床进行粗加工，完全能保证精度，且经济实惠，效率并不低。而精车的工序20仍采用数控车床进行，能够很好保证尺寸的一致性，为完工后的较严格的形位精度打下基础［1］。工序30铣键槽时，采用V型块定位，增加了支承刚度，进一步为后续加工保证形位精度打基础。铣键槽时的走刀方向应指向挡块，防止因夹紧力不够而产生轴向窜动，从而造成键槽的轴向定位尺寸不准确。在磨削两轴承安装轴颈及主体工作部分外圆柱面工序之前，新增加了工序40修研顶尖孔。因为要提高外圆加工质量，修研顶尖孔是主要手段之一，此外在工件加工过程中，顶尖孔还会磨损、拉毛，所以必须修研。工序50磨削的设备技术要求基本没变，但是安装时要求在修研后的顶尖孔内填润滑脂，在死顶尖上安装。死顶尖接触刚度大，虽然没有轴向补偿力，但也减小了因工件转动惯量大带来的回转误差，反而更能保证同轴度的要求。磨削两端安装轴承处轴颈时，采用自两端向轴向中心纵向磨削法，取消原有的径向进给横磨法。待到磨至根部时停止进给，保持主轴转动一段时间，观察火花量非常少时径向退出并靠磨直径105 mm两侧的轴肩。或是增加辅助装备中心架，防止因质量大回转惯性大而导致靠近轴中部加工时的“让刀”现象出现。这样就解决了首件加工时产生的第一个问题。接下来将铣叶片槽单独生成工序60，并且放在磨削之后进行，看起来是违背了“先主后次”的原则，通常槽加工尽可能往后安排，一般应放在外圆精车(或粗磨)之后，精磨加工前进行。考虑的原因是，叶片安装后应尽可能在槽内自由伸缩，若先铣槽后磨外圆，产生的毛刺易忽略，不易清洗去除。再者，铣槽的径向分力很大，两端轴颈很细而刚度低，极易破坏已磨好的形位精度，为此特别设计了专用夹具(下面介绍)。在铣叶片槽工艺上，原来采用的是每槽加工分2或3次走刀完成，用万能分度头分度或数控程序控制第4轴分度。原有的工艺生产效率低，刀具易磨损，生产成本也高。采用专用夹具后，工件的支承刚度会变得非常大，利用“背吃刀量增加时单位切削力不变;进给量增加时单位切削力减小”这一原理，在不改变切削速度的情况下，仅用1次走刀加工完成一个槽就会大大提高生产效率。此外，适当降低切削速度还会提高刀具耐用度。至此，首件加工时产生的第二个主要问题也迎刃而解。

4 铣叶片槽工装改进设计

4.1 工装改进设计

为防止叶片槽铣削后，槽底出现明显的振纹，我们改进了工序60的工件装夹方式。取消了“一夹一顶”，换成了专门设计的铣床专用平口钳［2］，如图2和图3所示。

在两块颚板的一侧顶部装有水平定位块，而另一侧开有4 mm宽的斜槽，斜槽与颚板顶部水平面成30°夹角。夹持工件时，对应的两斜槽内安装角向定位叶片，如图4所示。角向定位叶片顶部可插入到已加工好的转子叶片槽内，其底部与两块颚板上斜槽成紧滑动配合关系。

该夹具在后期制作装配时要特别小心。加工时，两个水平定位块及两块颚板铣时放磨量较大，之后热处理，再分别磨平各结合面、对合面、安装基面等，使各面见光;角向定位叶片磨时尽量保证上偏差，即取最大极限尺寸。安装时，首先在两钳口上紧固两块颚板，先紧固一个(最好在固定钳口一端)，然后使两块颚板上的斜槽对齐，松开活动钳口端至合适尺寸，插入角向定位叶片，使角向定位叶片能在斜槽内自由滑动为宜，此时配磨上表面B，使之等高水平;再用螺钉紧固两个水平定位块，紧固时靠齐E、F面，紧固后配磨两端面A，使之共面且垂直于B面;最后配磨C、D面，使之共面且平行于对应的另一侧钳口上的C－D面。

4.2 铣叶片槽改进工装的定位误差分析

(1)槽定形尺寸深度的图样要求是浅侧44±0.1 mm。因为加工槽深尺寸的定位基准是安装轴承轴颈的下母线，而工序基准是主体工作部分外圆柱面上的母线，所以会有基准不重合误差存在。又因为该工件以其磨削过的轴颈为精基准在平面支承上定位，所以其基准位移误差可忽略不计(平面支承定位件经过热处理，很耐磨，磨损量及其微小)［3］。

式中:ΔD为定位误差;ΔB为基准不重合误差;Δy为基准位移误差。

(2)槽定位尺寸的图样要求是20.5 mm。若按GB/T1804－2000未注公差线性尺寸的公差等级f(精密级)选取，其极限偏差为±0.1 mm。加工槽的水平定位基准是安装轴承轴颈的最左母线(所谓的左右是按铣工的又一个操作位置上来看安装的工件的)，而工序基准是转子安装轴承轴颈的轴线(公共轴线)，所以会有基准不重合误差存在。同样该工件以其磨削过的轴颈为精基准在竖直的平面支承上定位，所以其基准位移误差亦可忽略不计。

以上两项误差即便算上轴颈的径向圆跳动0.012 mm和主体工作部分同轴度0.01 mm，也小于图样要求，故该定位方案完全能保证叶片槽深度和位置的精度要求。

设槽底配合间隙为a，利用三角形相似原理可计算如下:

求解出a=0.057 885 mm，

而 Δα =arctan(a/43.9)，将a代入得:

同理计算:当最薄或达到磨损极限的厚度3.992 mm角向定位叶片，插入钳口定位斜槽里时，定位斜槽按最宽设计尺寸计算或达到最大磨损量计算取值为4.012 mm，配合间隙量会达到最大的0.02 mm，此时的实际配合接触最短边为67.527 7 mm，产生最大的搬动角度误差Δβ。

设底部配合间隙为b，利用三角形相似原理可计算如下:

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

实测夹具钳口制造角度误差Δγ最大为3'。

则 Δα +Δβ+Δγ≈8.6'＜ ±20'。

故该定位方案也完全能满足角度的定向，保证槽在径向圆周上均匀分布。

5 结语

通过重排真空泵转子机加工工艺规程，安装轴承处直径磨削后不再有锥度，尺寸精度满足要求，同时各形位精度得到了保证。铣床专用平口钳工装的设计保证了叶片槽铣削精度要求，消除了槽底振纹。该工艺规程和专用平口钳工装已在生产中实际执行和应用，实践证明能满足产品质量要求，降低了工人的劳动强度。

［1］杨断宏.数控加工工艺手册［M］.北京:化学工业出版社，2008.

［2］浦林祥.金属切削机床夹具设计手册［M］.北京:机械工业出版社，1995.

［3］王先逵.机械加工艺手册第1卷工艺基础篇［M］.北京:机械工业出版社，2006.