羅茨真空泵螺旋轉(zhuǎn)子的CAD/CAM技術(shù)研究

　　提出一種在四軸數(shù)控加工中心上用展成法加工羅茨真空泵螺旋轉(zhuǎn)子的方法。著重闡述某新型圓弧擺線型羅茨真空泵三葉螺旋轉(zhuǎn)子型線曲線數(shù)學(xué)參數(shù)化模型的建立、三維實(shí)體參數(shù)化造型、數(shù)控銑削自動(dòng)編程與加工的技術(shù)方法�？紤]轉(zhuǎn)子型面的型線特點(diǎn)，借用CAM軟件，利用流線型加工方式，用平刀和球頭刀進(jìn)行加工，通過(guò)控制表面殘留高度降低表面粗糙度，從而達(dá)到表面加工精度的要求�？梢愿咝Ъ庸ぢ菪�轉(zhuǎn)子，在實(shí)際加工中，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

　　在航空航天、大型動(dòng)力、石油化工及其空氣分離等設(shè)備中需要大抽氣速率的真空泵組合機(jī)組。但目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的部分機(jī)組在做地面模擬試驗(yàn)以及其他工作過(guò)程中存在巨大噪聲，限制了該種類(lèi)無(wú)油真空機(jī)組在上述行業(yè)中的應(yīng)用。筆者針對(duì)上述問(wèn)題開(kāi)發(fā)了一種新型低噪聲羅茨真空泵，該真空泵采用螺旋轉(zhuǎn)子，新產(chǎn)品經(jīng)測(cè)試取得了較好的降噪效果。

　　轉(zhuǎn)子是羅茨真空泵的核心零/部件，其性能直接影響到羅茨真空泵的工作性能。轉(zhuǎn)子按其頭數(shù)可分為兩葉轉(zhuǎn)子、三葉轉(zhuǎn)子和多葉轉(zhuǎn)子，其中，由于加工的復(fù)雜性，多葉轉(zhuǎn)子應(yīng)用較少；按其形狀可分為直葉轉(zhuǎn)子與螺旋轉(zhuǎn)子(又稱扭葉轉(zhuǎn)子)。兩葉轉(zhuǎn)子均為直葉，兩葉以上轉(zhuǎn)子有直葉和螺旋兩種形狀。常見(jiàn)的轉(zhuǎn)子如圖1所示。就工作性能而言，三葉優(yōu)于兩葉，螺旋優(yōu)于直葉。但因加工條件的限制，在羅茨真空泵領(lǐng)域螺旋轉(zhuǎn)子在實(shí)際中很少應(yīng)用，筆者新開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品是第一次應(yīng)用。

　　螺旋轉(zhuǎn)子在其他小型泵中已有應(yīng)用。目前在國(guó)外，考慮到技術(shù)保密和加工效率的因素，螺旋轉(zhuǎn)子一般都采用成形銑刀來(lái)加工。但成形銑刀設(shè)計(jì)制造比較困難，且磨損后很難進(jìn)行刀具補(bǔ)償，一種型號(hào)的產(chǎn)品須配備一種型號(hào)的成形銑刀，不能滿足單件小批量生產(chǎn)模式。在我國(guó)，由于進(jìn)口成形刀的價(jià)格很高，而國(guó)產(chǎn)成形刀受精度和材料的限制，特別是羅茨真空泵轉(zhuǎn)子體積和重量都比較大，使得螺旋轉(zhuǎn)子加工變得十分困難，且制造成本很高。為此，筆者考慮在數(shù)控銑床上采用平底刀和球頭刀代替成形刀加工轉(zhuǎn)子。與成形刀相比，標(biāo)準(zhǔn)球頭刀有良好的性價(jià)比。但是，數(shù)控銑床在用普通銑刀加工螺旋轉(zhuǎn)子前，必須先求出加工輪廓軌跡線或進(jìn)行CAD造型后才能自動(dòng)生成數(shù)控代碼。由于螺旋轉(zhuǎn)子輪廓曲面復(fù)雜，致使三維實(shí)體精確造型和數(shù)控編程加工較為困難本文以某新型羅茨真空泵三葉螺旋轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，探討其三維數(shù)學(xué)建模及CAD/CAM技術(shù)。

圖1 常見(jiàn)的轉(zhuǎn)子

1、轉(zhuǎn)子型線分析

　　轉(zhuǎn)子型線曲線一般由圓弧、漸開(kāi)線和擺線組合而成。在螺旋轉(zhuǎn)子精確實(shí)體造型前，首先要分析曲線形成原理，建立型面曲線方程。以圓弧擺線型轉(zhuǎn)子為例，轉(zhuǎn)子型面型線理論上由圓弧與共軛曲線組成，即由頂面為圓弧、根切線為擺線的曲線段組成，理論型線如圖2所示。

　　式中：U為轉(zhuǎn)子理論型線峰頂角；n為轉(zhuǎn)子葉數(shù)；R為轉(zhuǎn)子節(jié)圓半徑；Rm為轉(zhuǎn)子理論型線頂面半徑；a為轉(zhuǎn)子理論型線之半；b為轉(zhuǎn)子峰圓心O3至轉(zhuǎn)子中心O2的距離；rn為轉(zhuǎn)子理論型線峰半徑。除U以外，只要給出兩個(gè)參數(shù)，就能求出其他參數(shù)，但設(shè)計(jì)時(shí)，一般給出轉(zhuǎn)子節(jié)圓半徑R和轉(zhuǎn)子理論型線頂面半徑Rm。理論型線圓弧c1c2段方程為：

　　式中：x1、y1為圓弧c1c2上點(diǎn)的坐標(biāo)。理論型線擺線(根切線)c2p段實(shí)際上是一條內(nèi)擺線，可以通過(guò)該曲線的形成原理來(lái)求得曲線方程：

結(jié)語(yǔ)

　　三葉螺旋轉(zhuǎn)子三維實(shí)體的精確建模和加工一直限制該類(lèi)型羅茨真空泵的應(yīng)用，筆者介紹的參數(shù)化三維建模方法很好地解決了羅茨真空泵螺旋轉(zhuǎn)子三維實(shí)體精確建模問(wèn)題，使利用展成法加工原理和球頭銑刀在四軸銑削加工中心上加工螺旋轉(zhuǎn)子成為可能。在新產(chǎn)品的實(shí)際調(diào)試生產(chǎn)中，該方法將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，同時(shí)也提高了加工精度，縮短了制造周期，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。此類(lèi)螺旋轉(zhuǎn)子相當(dāng)于大模數(shù)、小齒數(shù)的螺旋齒輪，該加工方法也可以推廣到此類(lèi)齒輪加工中。