螺旋转子是螺杆压缩机等产品的核心部件。对于螺旋转子的大批量生产，一般都采用成形铣刀对螺旋转子进行铣削加工。但成形铣刀设计制造工艺复杂、成本高，且刀具磨损后很难进行刀具补偿，难以满足螺旋转子单件、小批量生产模式及经济性要求。为此，在四轴数控机床上采用标准球形铣刀加工螺旋转子，对于新产品试制和小批量生产具有重要意义。重点讨论螺旋转子四轴数控加工的自动编程数控软件开发原理和方法，从而为螺旋转子的数控编程和加工提供有效的技术支持。
1 螺旋转子四轴数控加工编程原理
1.1 螺旋转子四轴数控加工原理
螺旋转子螺旋面具有螺旋特性，它可以看成是由若干条螺旋线组成，而螺旋线则是螺旋面母线上点做螺旋运动的轨迹，也可认为球头铣刀的刀尖以加工刀位轨迹母线上的点为起点做螺旋运动加工出螺旋面。螺旋转子四轴数控加工原理如图１ 所示。其中，螺旋转子（工件）的旋转运动由数控机床的旋转工作台实现，刀具相对于工件的轴向、径向运动由数控机床的ｘ、ｚ 轴实现。
可用若干条螺旋线近似拟合组成螺旋齿面，这样可将转子齿曲面的加工视为许多条螺旋线的数控加工。图２ 所示为用球头铣刀铣削螺旋面，两条螺旋线之间的间距为Δｄ，通过控制Δｄ 的大小即可将制造误差Ｒｚ 限定在允许的范围内。数控加工中螺旋线成形过程为：工件沿ｘ 轴负方向作匀速进给，同时绕ｘ轴作匀速旋转运动，这样刀具在空间铣削出一条螺线；每完成一个铣削行程，工件快速复位，然后刀具在ｙＯｚ 平面快速运动到下一螺旋线起始点，依次加工下一螺旋线，直到整个螺旋面铣削完毕。点处的法线方向重合，该点加工完成后，利用Ａ轴将其旋转一角度，令下一点的法向量仍与刀轴方向重合，这样使得在数控实时加工过程中，保证铣刀与工件始终处于恒定点接触的状态，从而提高加工精度和实现任意复杂曲线轮廓的铣削加工。
如图3所示为螺旋转子一个齿形截面轮廓图。
图３ 待加工实际轮廓曲线
设待加工实际轮廓曲线上一点Ｍ的参数方程为：
由此得到加工时刀具位置，加工出点Ｍ 生成的螺旋线。加工过程中，刀具位置不动，工件沿ｘ 轴负方向移动，同时Ａ 轴转动，即可完成一条螺旋线的加工。
采用轮廓法线法加工螺旋齿面的关键是求出转子截面轮廓曲线的法线方向，从而求得Ａ 轴所转角度，使得在加工刀位轨迹母线上的点时，其法线方向即为刀轴方向。运用平面图形旋转公式，根据转子组成齿曲线方程求出工件旋转某一角度后的坐标，即为铣刀在ｙＯｚ面内的位置。
1.3 螺旋转子四轴数控加工程序的基本构成
如前所述，螺旋转子的每个齿面由若干条螺旋线组成。可将螺旋转子每一条螺旋线的数控加工分解为下列动作：
（1）将工件旋转某一角度Ａ，使加工点法向方向和刀轴方向平行；
（2）将刀具移动到距离工件不远处的安全位置；
（3）将刀具在ｙｚ 平面插补到刀具中心轨迹位置；
（4）将刀具移动到转子端面处，准备进行铣削；
（5）工件ｘ 轴负方向走刀，同时旋转Ａ 轴，进行该螺旋线的数控切削加工；
（6）将刀具抬到安全位置，工件旋转到初始位置，准备下一条螺旋线的加工。
2 螺旋转子四轴数控加工自动编程数控软件设计
2.1 数控软件数据流程分析
螺旋转子数控加工自动编程数控软件旨在用计算机根据用户输入的转子设计参数和加工参数等原始数据绘制出转子图形和生成转子数控加工代码。
2.2 数控软件结构设计与开发
图5为数控软件系统总体结构图，由５ 个模块构成，包括：转子设计参数输入、转子加工参数输入、转子端面齿形绘制、转子数控加工程序生成、转子数控加工程序显示输出。采用Ｖｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ ＮＥＴ 为开发平台，Ｃ ＋＋为编程语言，完成了螺旋转子四轴数控加工编程数控软件的设计开发。
3 应用实例
通过螺旋转子四轴数控加工编程数控软件生成的数控加工程序和绘制的转子端面齿形。将生成的数控加工程序在四轴数控铣床上利用空走刀的方式进行验证。验证数控程序正确无误后，可用于对螺旋转子的加工。
4 总结
分析了螺旋转子四轴数控加工编程原理，其主要思想是采用轮廓法线法对转子每一条螺旋线进行加工，这样使得在螺旋转子数控加工过程中，保证铣刀与工件始终处于恒定点接触的状态，从而保证了螺旋齿面的加工精度。在此基础上，分析了螺旋转子的数控加工自动编程数控软件的实现方案，以Ｖｉｓｕａｌ Ｃ ＋ ＋ 为开发工具开发数控软件实现了螺旋转子的四轴数控加工程序的自动生成。经验证：该数控软件生成的数控加工程序能完成螺旋转子齿面的粗加工、半精加工和精加工，具有良好的实用性。
(审核编辑: 智汇胡妮)
