螺杆压缩机壳体零件快速切换柔性加工工艺设计与实现

螺杆压缩机壳体零件快速切换柔性加工工艺设计与实现

王刚

无锡锡压压缩机有限公司

摘要：本论文旨在设计和实现一种适用于无油螺杆压缩机主机壳体零件的快速切换柔性加工工艺，以提高生产效率和加工质量。首先，分析了无油螺杆压缩机主机壳体的结构与功能、零件加工的技术要求以及加工中面临的挑战。接着，研究提出了工艺方案设计与工装优化策略，包括工艺设计原则、多设备共用设计、模块化工装的应用、刀具选择与固定策略，以及程序编制的标准化与自动化。随后，进行了前机体和机体的半精加工与精加工工艺实践，优化了加工方法以提高效率。通过改进切削方式，显著提升了加工效率和质量，为无油螺杆压缩机主机壳体零件的高效生产提供了可靠的技术支持。

关键词：螺杆压缩机；主机壳体；柔性加工；工艺优化

引言

无油螺杆压缩机作为工业领域中广泛应用的气体压缩设备，其主机壳体是核心部件之一，承担着支撑、保护、密封和散热等重要功能[1]。随着市场对螺杆压缩机多样化和高性能的需求不断增长，传统的加工方法已难以满足生产效率和质量的要求。因此，研究和设计一种能够快速切换的柔性加工工艺，具有重要的现实意义和应用价值。

1无油螺杆压缩机主机壳体加工需求分析

1.1无油螺杆压缩机主机壳体的结构与功能

无油螺杆压缩机是一种广泛应用于工业领域的气体压缩设备，其主机壳体作为核心部件之一，承担着重要的结构和功能任务。主机壳体提供了一个稳定的框架，用于支撑和保护内部的转子和其他关键组件，使转子在高压和高速运行下仍然稳定安全。壳体内部包含密封结构，确保气体在压缩过程中不会泄漏，同时有效隔离压缩区域和外部环境。在压缩过程中，主机壳体还起到散热和冷却的作用，防止转子因过热而咬死。

1.2零件加工的技术要求

无油螺杆压缩机主机壳体零件的尺寸和形位公差要求极高，通常需要在微米级别的精度范围内加工，以确保螺杆和其他运动部件能够精确配合，减少磨损和提高效率。由于需要承受高压和高温以及耐腐蚀，壳体材料通常选择高强度合金钢或铸铁并加入少量镍元素，这些材料的加工难度较大，需要特殊的切削工具和工艺。主机壳体内部结构复杂，包括多种孔、槽和螺纹等特征，需要多轴数控机床和精密夹具进行加工。

1.3零件加工中的挑战与问题

无油螺杆主机壳体铸铁的硬度和韧性较高，加工过程中容易造成刀具磨损和工件变形，增加了加工难度和成本。复杂几何形状和高精度要求使得加工过程中容易产生误差，需要严格的工艺控制和多次调试，才能保证零件的尺寸精度和形位公差。传统加工方法中，人工操作比例较高，导致生产效率低、质量波动大，需要提高生产效率和加工质量。随着市场对多样化和定制化产品的需求增加，生产线需要具备快速切换不同零件加工的能力，这对柔性加工系统提出了更高的要求。

2工艺方案设计与工装优化

2.1工艺设计原则与目标

本次研究遵循模块化、标准化、自动化的设计原则，旨在通过优化工艺流程，实现无油螺杆壳体零件的快速切换和高效加工。研究的目标是降低成本、提升生产效率、增强生产柔性，并确保产品质量满足行业标准，同时促进可持续发展[2]。

2.2工装设计创新

2.2.1多设备共用与多零件共用设计

本次研究中，工装设计的创新之处在于实现了多设备共用和多零件共用的理念。通过设计通用角铁和零点平板工装降低工装的准备时间，提高工装的使用效率。通过整合不同型号前机体的半精加工工序，研究将14个工序集中在一个角铁模具上，不仅减少了工装成本，还简化了工装管理和加工切换过程。此外，工装与工作台采用中心定位，确保了加工精度，减少了零件加工坐标系的设定时间。

2.2.2模块化工装的应用

研究采用了模块化设计，将工装分解为可互换的模块，以适应不同零件和设备的加工需求。这种设计不仅提高了工装的通用性，还便于管理和维护。通过使用不同尺寸的零点单元和对应的工装板，灵活地适应不同零件的加工，实现快速切。

2.3刀具选择与固定策略

研究采用了固定刀位的策略，通过减少程序调整的需要，简化了加工流程。这一策略允许刀具在机床上的固定位置进行加工，从而减少了因刀具更换或调整而造成的停机时间。固定刀位的应用还提高了加工的一致性和重复性，因为每次加工都使用相同的刀具和设置，确保了零件之间的加工质量一致。

为了进一步优化工艺流程，研究优先选用了通用铣刀来替代粗镗刀进行部分轴承孔的粗加工。通用铣刀由于其广泛的适用性，可以用于不同的加工任务和多种零件，减少了对特定工具的依赖。通用刀具的使用降低了刀具库存的复杂性和成本，同时加快了刀具准备和调整时间。通过标准化刀具的选择，研究还提高了程序编制的效率，因为相同的刀具可以在不同的加工任务中重复使用，减少了对特定程序的需要。

2.4程序编制的标准化与自动化

研究对程序编制流程进行了标准化处理，确立了统一的格式和结构，增强了程序的通用性，使不同设备和操作人员都能轻松使用和理解，减少了错误发生的可能性，简化了新员工的培训过程，并为后续维护和升级提供了便利。通过引入自动化技术模拟加工轨迹，研究确保了程序的准确性和可靠性，提高了编制正确率和新品首件加工成功率，快速生成加工程序，减少了人工编程时间和劳动强度，同时降低了人为错误风险。

3快速切换工艺实现

3.1前机体与机体的半精加工工艺

3.1.1前机体半精加工工艺

本研究对前机体的半精加工工艺进行了深入的优化，以实现快速切换和提高生产效率。工艺流程在保留原工艺的基础上，针对设备限制进行了调整，将立式加工转变为卧式加工，并通过工艺销孔定位取代了回火后的划线工序，从而减少了加工准备时间并提升了定位精度[3]。工装设计上，采取了集成化策略，将14个工序的工装整合在单一角铁模具上，与工作台的中心定位相结合，不仅降低了制造成本，还简化了工装管理和加工切换。四周加工工艺通过使用平板模和零点定位替代传统工字模，实现了工装板的共用，提高了工装利用率。程序编制上，采用了多独立坐标系，替代了单一坐标系，简化了程序编制和调试过程，具体如图3-1所示。这些综合措施不仅提升了加工效率，还确保了加工质量，为后续精加工工序奠定了坚实基础。

图3-1程序坐标系设定图

3.1.2机体半精加工工艺

在机体半精加工阶段，研究的工艺优化着重于提高加工效率和确保加工质量。首先，对四周的加工工艺进行了调整，采用了零点+平板工装，这种工装与原工艺中的工字模具相比，提供了更高的定位精度和重复性。此外，研究实施了多坐标系的程序编制策略，替代了单一坐标系，这使得程序编制和调试更为简便，同时提高了加工的灵活性和准确性。由于机体的加工需要更复杂的坐标变换和计算，与前机体相比虽然同样采用了多坐标系，但具体优化的焦点在于坐标系的迭代计算。在半精加工的两端面加工中，研究优化了加工参数和工艺流程，确保了加工表面的质量和尺寸精度。

3.2精加工工艺优化

3.2.1前机体精加工工艺优化

首先，研究采用了阵列孔角铁模具，这不仅增加了模具的通用性，还通过3点支撑确保了基准面加工后的平面度，从而保证了加工精度，如图3-2所示。对于轴承孔的加工，将原来的镗削加工改进为铣削，这一改变减少了刀具准备时间，尽管铣削效率低于镗削，但整体上提高了零件的切换效率。此外，转子孔底的铣削方式也进行了调整，优化了加工过程。

精度保持方面，研究采用了工装销孔间距作为基准来补偿加工零件，确保了零件加工精度。同时，通过单向进刀的方式，消除了丝杠的反向间隙，进一步提高了加工精度。

图3-2基准面精加工示意图

3.2.2机体精加工工艺优化

在对无油螺杆压缩机主机壳体的精加工工艺进行优化时，研究特别关注了进气法兰面的精铣和轴承孔与转子孔的精镗两个关键环节。

针对进气法兰面，通过精确控制切削速度、进给速率和切削深度，研究实现了平面度误差控制在±0.005mm以内，表面粗糙度Ra达到0.4μm的高标准。而在轴承孔和转子孔的精镗过程中，采用了精密镗刀和先进的数控编程技术，确保孔径公差维持在±0.01mm，圆度误差小于0.005mm，满足了同轴度和垂直度的严格标准。

为了提高整体精加工工艺的效率，研究改进了装夹方式，采用零点加工装板，增强了装夹的稳定性和重复性。同时，通过程序坐标系的迭代计算和多坐标系应用，优化了加工路径，提升了加工效率。在槽加工方面，将断续切削改进为连续切削，使加工效率提高了约25%，同时降低了刀具损坏风险。此外，通过使用回转校验工装，将回转精度控制在±0.003mm，确保了机械装配的高精度要求。

3.3切削方式改进与效率提升

本次研究引入了连续切削技术，连续切削的优势在于它能够减少因频繁的刀具进退刀造成的非生产时间和刀具磨损，同时，它还提供了更加稳定的切削负载，这有助于延长刀具寿命并提高加工表面的光洁度。

对于转子孔底和槽加工，研究通过程序模块优化，将原来的断续切削方式改进为连续切削。这一改进不仅减少了空刀时间，还使得切削过程更加高效。例如，以001一级机体为例，改进后的转子孔底加工时间从30分钟减少到了20分钟，槽加工时间也从180分钟减少到了130分钟，整体加工效率提高了约25%。

4结语

本研究成功设计并实现了一种适用于无油螺杆压缩机主机壳体零件的快速切换柔性加工工艺。通过深入分析壳体的结构与功能、加工技术要求及面临的挑战，提出了以标准化、模块化和自动化为核心的工艺设计方案。多设备共用设计、模块化工装应用、刀具选择与固定策略的优化，以及程序编制的标准化与自动化，不仅提升了加工效率和质量，还显著减少了切换时间和生产成本。实验结果表明，优化后的前机体和机体加工工艺显著提高了加工精度和生产效率，满足了多样化和高性能的生产需求。本研究为螺杆压缩机主机壳体零件的高效生产提供了可靠的技术支持，也为制造业的技术创新和柔性生产系统的发展提供了宝贵的经验和参考。

参考文献

[1]赵杨阳.螺杆压缩机效能改进创新现状及展望[J].科技创新与生产力,2023,44(07):20-22.

[2]刘贤伟.机械车间信息化柔性加工产线设计及应用[J].自动化应用,2023,64(16):4-6.

[3]陈先锋.多台DMC65H卧式加工中心集成托盘自动上下料在实现柔性化加工系统中的组合应用[J].中国机械,2023,(25):72-75.

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