郭 剛

(新疆農業(yè)大學機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830052)

變截面渦旋壓縮機是一種高效的流體機械，采用較少的嚙合圈數(shù)可實現(xiàn)高壓比，具有結構緊湊、效率高、運行平穩(wěn)、噪聲小等特點，在工業(yè)、農業(yè)、交通運輸、醫(yī)療器械、食品等領域得到了廣泛的應用[1]。渦旋盤是渦旋機械的關鍵零部件，渦旋盤加工精度直接影響渦旋壓縮機的工作性能。在高速銑削加工過程中，渦旋齒極易發(fā)生變形，嚴重影響齒壁面的加工精度和加工效率。近年來，渦旋齒變形問題引起了研究者的廣泛關注，分析齒變形規(guī)律、找到影響齒變形的因素，對減小渦旋齒變形有重要的意義。

對渦旋壓縮機的研究大部分集中在其幾何特性、工作原理、泄漏、密封、型線修正等方面。如孫永吉等[2]通過AdvantEdge軟件建立了渦旋盤銑削模型，研究了其加工機理；Ali等[3]用不同的有限元軟件切削加工鈦合金，研究其加工變形問題；王光宇等[4]建立了航空鋁合金薄壁件加工變形預測模型，利用有限元軟件研究加工薄壁件變形；湯愛君等[5]研究了在靜態(tài)銑削力的作用下平面薄壁件在不同位置處的變形；Wang等[6]以鋁合金葉輪為研究對象，利用AdvantEdge軟件銑削薄壁葉輪，研究了其銑削力及薄壁葉輪在各個刀接觸點處的變形量。目前在變截面渦旋盤銑削試驗和齒變形方面的研究還是較少。本文在高速銑削渦旋盤試驗的基礎上，利用有限元ABAQUS軟件研究了渦旋齒在銑削時沿渦旋型線軌跡方向、齒壁高度方向及齒壁厚和銑削力變化時的齒變形規(guī)律，為減小齒的變形提供理論依據(jù)，提高了渦旋盤加工精度和加工效率。

1 變截面渦旋盤銑削試驗

1.1 試驗裝置

試驗在額定功率為7.5 kW的XK714型高速數(shù)控機床上完成。工件材料為HT250灰鑄鐵，其毛坯形狀為φ140 mm×50 mm的圓柱體，銑刀選用直徑為10 mm四刃整體式YG6X立銑刀，切削力采用瑞士Kistler9257B三向壓電式測力儀測量，試驗裝置如圖1所示。

圖1 變截面渦旋盤加工試驗裝置

變截面渦旋盤型線復雜、齒槽窄、齒壁厚、比值大，加工較復雜，在加工過程中受銑削力和顫振等多因素的影響齒易發(fā)生變形。本文選取加工變截面渦旋盤第二段基圓漸開線外圈型線，其外圈基圓漸開線型線方程為：

(φ1≤φ≤φ2)

(1)

式中：x2，y2分別為展角φ處第二段基圓漸開線對應點的橫坐標和縱坐標；a1，a2為基圓漸開線的基圓半徑；φ1，φ2為基圓漸開線連接點處的展角值；Ror為回轉半徑。取a1=2.885，a2=4.158，φ1=2π，φ2=4π，Ror=5.063，根據(jù)法向等距線法[7]將基圓漸開線外偏移Ror/2生成變截面渦旋外圈型線，幾何模型如圖2所示。

圖2 幾何模型

1.2 試驗結果與分析

根據(jù)表1試驗因素與水平值銑削渦旋盤第二段基圓外圈齒，得到徑向力Fx和切向力Fy的值，見表2。

表1 試驗因素與水平值

表2 變截面渦旋盤試驗銑削力數(shù)據(jù)

續(xù)表

為研究變截面渦旋盤高速銑削時主軸轉速、切削深度、切削寬度和每齒進給量對銑削力的影響規(guī)律，并得到最優(yōu)銑削參數(shù)組合，應用極差法對試驗數(shù)據(jù)進行分析，分析結果見表3。

表3 極差分析結果 單位：N

由表3極差分析結果得出，高速銑削變截面渦旋盤時，切削深度和切削寬度對銑削力的影響較大，每齒進給量影響次之，主軸轉速影響最小。得到最優(yōu)的銑削參數(shù)組合為n4ap5ae5f1。

為了更直觀地分析不同銑削參數(shù)對銑削力的影響，繪制橫坐標為各銑削參數(shù)的因素、縱坐標為銑削力的折線圖，得到銑削參數(shù)對銑削力影響的規(guī)律如圖3所示。

圖3 各銑削因素對銑削力影響規(guī)律

由圖3可得，在給定因素水平范圍內，高速銑削變截面渦旋盤時，切削力隨主軸轉速先減小后增大，且分別隨切削深度、切削寬度、每齒進給量的增大而增大，切削深度和切削寬度對切削力的影響較大，進給量的影響次之，主軸轉速的影響最小。

2 渦旋齒加工變形規(guī)律

在試驗的基礎上，利用有限元ABAQUS軟件研究渦旋齒在銑削時集中力的變化和作用點的變化對齒變形的影響，齒變形規(guī)律研究的流程如圖4所示。

圖4 渦旋齒變形規(guī)律研究流程

選取第二段基圓外圈渦旋型線起始段，銑削力作用于沿型線軌跡方向、齒高方向，不同齒壁厚位置的路徑示意圖如圖5所示。

圖5 銑削力沿不同位置路徑圖

2.1 渦旋型線軌跡方向齒變形

結合極差分析和得到的最優(yōu)銑削參數(shù)組合，選取第22組試驗的銑削力，其切向力為95.30 N，徑向力為38.07 N，軸向力為11.61 N。將銑削力作用于所選取的第二段基圓外圈齒壁面上，銑刀作用點沿型線軌跡坐標X(-23.65～1.55)、Y(-2.14～30.75)、Z始終等于23.00變化時，得到齒變形數(shù)據(jù)和規(guī)律如表4和圖6所示。

表4 沿渦旋型線軌跡方向各點X，Y，Z三向齒變形數(shù)據(jù) 單位：mm

圖6 沿渦旋型線軌跡方向各點的X,Y,Z三向變形

由圖6可知，銑刀沿第二段基圓外圈型線由內到外銑削時，由于第二段基圓外圈型線起始端齒的剛度較低，Y向的變形最大，其最大變形為0.013 752 6 mm,而X向的變形幅度(最大變形與最小變形之差)最大，最大變形為0.005 343 mm,與最小變形值之差為 0.001 798 mm,Z向最大變形與最小變形之差為0.000 782 mm,變形曲線接近于水平直線。沿著第二段基圓型線由內到外加工渦旋盤時，齒的變形在X和Y方向都在減小，因此主要應檢測型線起始端齒壁面的變形。

2.2 渦旋齒壁高度方向齒變形

當銑刀位置作用于X(-22.92)、Y(-10.51)、高度方向為Z(2.50～23.50)變化時，得到齒變形結果如表5和圖7所示。

表5 渦旋齒壁高度方向X,Y,Z三向齒變形數(shù)據(jù) 單位：mm

圖7 沿渦旋齒壁高度方向各點的X,Y,Z三向齒變形

由圖7可知，3個方向的變形均為越遠離渦旋盤固定端變形越大，由于切向力Fy較大，沿渦旋齒壁高度方向的變形依然是Y向的變形最大，渦旋齒高從17.50 mm到齒頂部23.50 mm處時，齒的變形最明顯。齒頂部分變形最大，齒根部分變形較小,Y向最大變形為0.013 906 mm，而X向的最大變形為0.006 040 mm,最小為0.004 408 mm。因此，在高速銑削齒頂壁面時，應盡可能選擇較小切削深度、每齒進給量、切削寬度，這樣可減小齒的變形。

2.3 不同壁厚齒變形

當銑刀作用于齒高位置Z(20.50)、銑削力作用于不同齒壁厚位置時得到各點X,Y,Z3個方向齒變形數(shù)據(jù)和規(guī)律如表6和圖8所示。

由表6和圖8可知，高速銑削不同壁厚渦旋盤時，其Y向變形最大，最大變形為0.012 997 mm,與最小變形相差0.001 704 mm，Z向的變形最小,其最大變形為0.001 731 mm，由內到外加工第二段基圓漸開線外圈齒壁時，起始端3個方向上齒的變形均最大。因此在設計變截面渦旋盤時，壁厚是一個重要的考慮因素，壁厚太小齒極易變形，很難達到加工精度要求。

圖8 不同齒壁厚各點的X,Y,Z三向齒變形

表6 不同壁厚X,Y,Z三向齒變形數(shù)據(jù) 單位：mm

2.4 不同銑削力時的齒變形

銑削力是引起齒變形的主要因素，最易引起齒徑向變形，嚴重影響齒的加工精度和表面質量。選取試驗序號為1、2、5、6、11、15參數(shù)下的徑向力Fx，研究渦旋齒位置為(-22.928 5,-10.517 6, 20.50)、齒厚為5.151 9 mm時不同銑削力下渦旋齒的徑向變形。得到各點在X向的齒變形數(shù)據(jù)和規(guī)律如表7和圖9所示。

表7 不同銑削力X向齒變形數(shù)據(jù)

圖9 不同銑削力X向齒變形

過渦旋齒上一點(-22.9285，-10.5176，20.50)作齒根到齒頂?shù)穆窂絧ath-1，在此位置施加38.62 N銑削力時，齒在路徑path-1的X方向變形分布如圖10所示。

圖10 路徑path-1的X方向變形分布曲線

由表7、圖9和圖10分析得到，隨著銑削力的增大，齒在X向的變形也隨之增大，且成線性增加。在作用點處的變形最大，銑削力為38.62 N時，X向變形為0.004 000 mm,而在銑削力為66.93 N時，最大變形為0.007 078 mm,可見銑削力對齒變形影響極大。因此，當高速加工變截面渦旋盤時，在滿足加工要求的前提下，應選取最優(yōu)的銑削參數(shù)，以減小銑削力，提高齒的加工精度和表面質量。

3 結束語

本文通過對變截面渦旋盤銑削力的試驗研究，應用極差法得到了銑削參數(shù)對銑削力的影響規(guī)律，并得到了最優(yōu)的銑削參數(shù)組合。利用有限元ABAQUS軟件分析了渦旋齒在銑削時力的變化和作用點的變化對齒變形的影響規(guī)律，得到的結論是：銑削力對齒變形影響最大，且徑向變形幅度最明顯；刀具作用于第二段基圓外圈型線，由內到外加工渦旋盤時，齒的變形程度在減小，且齒頂?shù)淖冃巫畲蟆１疚膶u旋齒變形規(guī)律的研究為加工變截面渦旋盤時減小齒的變形提供了理論依據(jù)，提高了渦旋盤的加工精度和加工效率。