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压气机叶轮圆弧面铣削专机设计 |
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作者：山东工程学院 栾振涛 董大勇 王效岳 |
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摘要：介绍了叶轮圆弧面铣削专机的设计方案和采取的有效措施，保证了叶轮圆弧面铣削精度和表面质量，在专用机床上实现了一机多种零件(尺寸不同)加工。
1 铣削零件工艺分析
6160A和6200Z型柴油机的压气机叶轮，零件结构和形状相似，作用相同，但尺寸不同(如图1所示)。要求设计一台专用机床铣削两种尺寸不同的叶轮圆弧面(半径为R)。 
| 零件号 | d | D | A | R | | 1 | Ø16+0.0110 | Ø1050-0.0087 | 77.5 | 25 | | 2 | Ø16+0.018+0.005 | Ø90±0.043 | 80 | 35 |
图1 叶轮叶轮零件的技术要求
叶轮材料为ZL104，硬度≥70HBS，圆弧面(半径为R)的横截面与内孔(直径为d)的同轴度均为Ø0.04mm，表面粗糙度为Ra1.6µm。因为叶轮是高速旋转的零件，对其尺寸精度、形状精度及动平衡精度要求较高。
定位基准的选择
叶轮的内孔(直径为d)与Ø150mm大端面的粗、精加工均是在同一工序中一次安装加工完成的，以保证大端面与内孔轴线的垂直度要求(150mm端面跳动允差0.02mm)。铣削圆弧面时，均选Ø150mm大端面作为第一定位基准，以消除叶轮的3个自由度(沿内孔轴线的移动，绕其它两个垂直轴的转动)：以内孔为第二定位基准，消除沿两个垂直轴的移动。从理论上讲5点定位即可满足加工要求。
2 铣削专机的设计方案分析及采取的措施
1) 刀具设计方案和措施
刀具回转中心高度要求可调，调好后刀架要求能锁紧。
采用类似滚齿机刀架调整的方式，在立柱上设可调刀架(如图2所示)。当刀具中心高调到合适的高度后，锁紧立柱导轨后面的压块，以消除刀具与立柱导轨间的间隙，从而提高支承刚性和抗振能力，也保证了刀具的回转精度。
图2 刀架部件局部
圆弧面铣削采用圆柱铣刀，铣刀半径依圆弧面半径R选择。铣刀要求可换，刀杆刚性要好，而且应避免成悬臂结构，以免因切削引起振动让刀，影响回转精度和表面质量。于是采用万能铣床刀具支架的支承方式，在刀杆尾端设置尾架支承，以提高刀具系统的刚性。
选择高精度的铣削头TX25A作为刀具驱动装置，以提高刀具的回转精度。这种铣削头装有3182000系列的双列向心短圆柱滚子轴承和推力球轴承，回转精度高，精度保持性好。按ZB2651制造技术要求，其回转精度可保证在0.01mm之内。
对保证工件的回转精度及送进采取了如下措施:选择精密导向的B型导轨的液压滑台，导轨的扭曲为0.01mm/250mm，以保证工件送进的平直度，有利于提高圆弧面的回转精度。
2) 提高工件回转精度而采取的措施
a. 采用高精度的铣削头TX20A作夹具的驱动装置，其回转精度在0.01mm之内。
b. 提高夹具心轴的定心精度。
采用可调同轴度的夹具并且可换，以适应两个品种甚至多品种的需要。
夹具与铣头的连接不采用7:24锥度孔。这种锥孔目前的制造手段只能保证接触面达80%左右，很难满足高回转精度的要求。于是在夹具上采用法兰止口与铣头联接，在径向设有4个M8调整螺钉(如图3所示)，调整其心轴的定心精度。经过精细调整，夹具心轴的径向跳动控制在0.005mm之内。
图3 铣夹具
为了便于控制心轴直径的公差，将定位孔(Ø16+0.0110mm)换算成双向偏差，即为Ø16.0055±0.0055mm，这样即可减少因零件孔的制造误差而产生的定位误差。
对定位心轴作过定位处理，以提高定位系统的刚性，减少切削变形的影响。
根据六点定位原理，定位心轴消除两个自由度，只能用短圆柱心轴。由于该心轴还需作夹紧元件，所以不作定位的部分只能车细，这样就与工件内孔留有较大间隙。经过实际试用，发现圆弧面的径向跳动为0.07mm，超过了径向跳动允差0.03mm的精度要求，表面粗糙度也只能达Ra3.2µm，达不到图纸要求。经分析，由于定位心轴定位配合面长度较短，心轴不定位部分与工件内孔有较大的间隙，在径向切削力的作用下，心轴产生挠曲变形，而工件也在间隙处失去支承作用而产生变形，从而引起切削振颤，影响了加工精度。由于Ø150mm大平面和定位孔(直径为d)的垂直度完全控制在0.02mm之内，我们用过定位心轴进行试验。设计夹具时，用大平面和加长心轴联合定位(如图3所示)，使工件内孔在全长范围内与心轴配合定位。这样处理后，加工出的叶轮圆弧面的径向跳动经检测达0.012mm，完全达到图纸要求。
3 切削液的使用和机床的安装方法
叶轮圆弧面的加工采用机油冷却润滑刀具，以避免刀具上产生积屑瘤而影响加工表面质量。经测定表面粗糙度达到Ra1.6µm。
机床的安装没有采取传统的地基加地脚螺栓的安装方式，而是采用上海长征机械厂生产的JZQ-I型弹性支承。每个支承负重200kg，本机床共用了6个支承。这种支承不仅仅节省了50%安装费，而且大大缩短了安装调整周期。而最重要的还是这种弹性支承具有减振和隔振作用。一方面减少机床自身的振动，另一方面隔离外界设备通过地基传来的振动，从而有利于提高加工质量。
4 效果
由于刀具的中心高度可调，夹具心轴的定心精度可调且夹具可换，实现了一机多种零件加工。
采用高精度的铣削头作为刀具和工件的驱动装置，夹具心轴的定心精度可调，保证了叶轮圆弧面的尺寸精度和位置精度。
夹具的过定位设计、机床的弹性支承及切削液的使用，避免了切削振动，保证了圆弧面粗糙度要求。经过几年的使用证明，该机床具有结构合理、小巧紧凑、工作性能稳定可靠等优点，完全能够保证压气机叶轮圆弧面的铣削质量。(end)
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(7/10/2008) |
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