叶片泵定子曲线的测绘及定子加工方法

■陕西秦川机床工具集团有限公司 （宝鸡 721000） 姜永军 杨利强

叶片泵定子曲线的测绘及定子加工方法

■陕西秦川机床工具集团有限公司 （宝鸡 721000） 姜永军 杨利强

摘要：从叶片泵定子曲线的测绘出发，详细描述了用三坐标测量仪测量扫描定子内曲线的具体方法和步骤，以及对测量得到的数据点借助于Pro/E软件进行曲率半径分析，并人工手动拉点对定子曲线进行优化和修正。阐述定子的加工方法及加工工艺，为定子曲线的研究与定子的制造生产提供了参考。

随着汽车工业的发展，助力转向泵市场日益扩大。助力转向泵主要以叶片泵为主，定子和转子是叶片泵上的关键零件。转子加工起来较为容易，而定子曲线的处理及定子加工工艺则非常关键。定子曲线对叶片泵的性能有着较大的影响。对曲线的研究、改进能够显著降低叶片泵的工作噪声，而低噪声、转向的舒适性则对于车辆有着重要的意义。

1. 定子曲线概述

通常定子曲线的获得有3种方法：①设计手段。根据泵的排量设计吸油段曲线、排油段曲线，保证曲线尽量连续、光滑，从而使泵在工作时流量稳定、噪声低。吸油段曲线、排油段曲线主要以阿基米德螺线、等加速曲线和高次（阶）过渡曲线等进行设计。②设计手段+曲线误差修正。主要是在原设计曲线的基础上，适当地改变局部的点坐标，从而使泵在运转过程中噪声更低，更平稳。③借助于高精度的三坐标测量仪对进口的、优异的定子曲线进行测量和测绘。

在这里详细谈一下第③种方法。实际定子的外形如图1所示。具体测绘步骤为：

图1　叶片泵定子模型

图2　叶片泵定子

（1）放置好定子，用橡皮泥将其固定好4点，以免测量头扰动零件。

（2）运行三坐标测量仪X轴，碰到曲线内左右两点分别为点坐标一、点坐标二。点坐标一、点坐标二确定的线段为内曲线内最长的线段，由程序自动进行找正并记录，设置步距为0.001 ～0.002 5mm。记录点坐标一、点坐标二，记录时进行设置，取小数点后四位。

（3）运行三坐标测量仪Y轴，碰到曲线内上下两点分别为点坐标三、点坐标四。点坐标三、点坐标四确定的线段为内曲线内最短的线段，由程序自动找正并记录，设置步距为0.001～0.002 5mm。记录点坐标三、点坐标四，记录时进行设置，取小数点后四位。

（4）点坐标一与点坐标二确定一条直线，点坐标三与点坐标四确定另一条直线，两条线段的交点即为曲线中心点坐标五。

以图2所示的定子为例，定位方式为两销孔+外圆定位。其中一个为圆柱销，一个为菱形销，销孔大小为mm。

孔，销孔中心点为点坐标六。

（6）点坐标五、点坐标六确定的直线与定子内曲线的交点七，即为扫描测量内曲线的起点，进行扫描时，每隔1°采一个点，采完整个曲线360°，共计360个离散点。离散点的坐标格式为极坐标，坐标原点O位于定子对称中心。

（7）扫描内曲线。

（8）数据以极坐标的形式输出，图3所示为是扫描得到的点坐标，具体的图形效果显示如图4所示。

图3

通常定子曲线中心坐标点五还有其他两种获得方法：①若以定子外圆为主定位基准，则通过三坐标测量外圆，找到圆心（通常采用4点法或多点法），即为坐标点五。②若以两销孔（圆柱销+菱形销）为主定位基准，则通过测量销孔1中心与销孔2中心的连线中点即为坐标点五。

图4　定子曲线CAD绘图分析

对扫描得到的360个离散点进行后处理，在Pro/E中进行。Pro/E中导入点坐标文本的后缀名必须为*.pts。借助“曲率分析工具”（见图5），查看实测曲线的连续、光滑情况。在比例和密度中进行设置（见图6），设置后打“√”进行查看。

图7所示为比例为4.0的曲率变化图，从图中可以看出，曲率变化较为广顺，无突变和跳边产生。

曲率半径界面如图8所示，曲率查看工具如图9所示。

图5　Pro/E曲率分析工具

图6　比例和密度设置

图7　实际曲率变化

图8　曲率半径界面

图9　曲率查看工具

图10　曲线最小过渡半径

由图1 0可以看出，能加工该内曲线的最大刀具半径为

10.664 7mm（粗加工阶段的铣刀半径或磨削阶段的砂轮半径）。由图11可以看出，该定子曲线的曲率变化较为平滑，曲线质量较佳，曲率变化范围为：最小曲率0.001 2mm，最大曲率为0.098 8mm。

图12所示为另外一种定子的实际测绘曲线，可以看出该曲线有突变，对局部点进行修正后才能进行正常加工。

在对局部点进行修正时，可在曲线上直接拉点，拉点时，建议沿着曲线轮廓拉，这样对曲线的曲率变化不敏感，可较快地降低峰峰值及曲线局部的峰谷值。若单独沿着曲线径向或X/Y方向拉伸时，曲率变化会很大，且不易降低曲率半径的峰谷值。拉点的最终目标是保证整条曲线上曲率变化尽可能一致、均匀，且数值较小。

2. 定子曲线的加工

（1）定子曲线的粗加工：主要以加工中心的铣削、数控铣床的铣削、仿形车床车削为主要加工手段。在铣床铣削时，两个数控轴走直角坐标插补或极坐标插补就可以实现，当需要坐标系进行转换时，可借助编程指令G12.1/G13.1（Fanuc数控系统）实现，或者利用直角坐标和极坐标的转换公式

图11　最大最小曲率查看

图12　手工拉点法

图13　定子仿形车床模型

图14　改造后的定子车床

而数控机床走插补的曲线点为三坐标测量的实际点进行修正补偿后的数据点。刀具半径应小于曲线拟合后的最小曲率半径，比如图10中描述的定子在加工时铣刀半径就必须＜10.664 7mm。

仿形车床车削加工，工件在回转时，靠模板一起随着转动，从而带动横滑板发生移动，在重锤的作用下，车刀刀尖始终与定子内曲线接触，进行车削加工。车削时加工效率高，但精度较低，曲线精度主要依赖靠模板的外轮廓精度。加工类机床如图13、图14所示。

（2）定子曲线的精加工：主要是数控定子曲线磨床进行加工。加工时，与铣削类似，只是把铣刀改变为圆柱状砂轮进行磨削。砂轮主要以刚玉类（白刚玉、棕刚玉）、CBN（立方氮化硼）砂轮为主。典型的磨削机床主要有：秦川机床厂的QCK005B数控定子曲线磨床、浙江松菱精机的SL006数控定子曲线磨床。

在定子曲线磨削过程中，为了避免砂轮切入时有棱线产生，往往采用圆弧进刀和圆弧退刀的方式，从而使得定子曲线更加光滑。

定子曲线内的小圆为CBN砂轮截面，其中图15所示为圆弧切入进刀，图16所示为圆弧切出方式，直接退刀到中心点。

图15　砂轮圆弧切入

图16　砂轮圆弧切出

3. 结语

本文系统介绍了叶片泵定子

曲线的测绘及详细步骤。对从定子上采集的离散点进行实际的拟合，以及拟合后对曲线进行后处理及曲线的修正，经修正后，将曲线点导入数控机床进行铣削及磨削加工，从而获得理想的定子曲线及精度，使得叶片泵的噪声大大降低、排量压力稳定，泵的质量得以提高。该方法及理论对叶片泵生产制造厂家具有较高的参考价值。

参考文献：

[1] 姜勇，李善锋，谢卫标. Auto CAD机械制图教程[M]. 北京：人民邮电出版社，2010.

[2] 赵学跃. PreE Wildfire 5.0立体词典产品建模[M]. 杭州：浙江大学出版社，2012.

[3] 北京发那科机电有限公司技术部. FANUC Series Oi Mate-MC操作说明书[E]. 北京：北京发那科机电有限公司，2009.

[4] 李长河，修世超. 磨粒、磨具加工技术与应用[M]. 北京：化学工业出版社，2012.

专家点评

该文介绍了叶片泵定子曲线的测绘及加工过程，从定子上采集的曲线点经拟合、修正后导入数控机床进行加工，从而获得理想的定子曲线。该方法介绍得很详细，也很实用，对叶片泵生产制造厂家具有较高的参考价值。

收稿日期：（20141125）