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旋风铣削、螺杆

Abstract

TheGraduationisoutsidethecamtornadotheshapinglathedesign.Thistopicmainprocessingobjectforplastictransportationscrewrod.

Atpresentmainlyusestheturningandthegrindingtothescrewrodcommonlyusedprocessingmethod.Thelatheworkprecisionisbad,althoughtheabrasivemachiningtheworkingaccuracyishigh,butregardingledgreatlyorthelengthlongscrewrod,becausethegrindingbythemachinedsurfacewasthegrindingwheelcenterlinerelativescrewrodspoolthreaddeflectioncorrespondingangleofspiral,thescrewrodwillachievecertainlength,thegrindingwheellinkwillbumpintoisprocessedtheworkpiece.Therefore,thescrewrodmayprocessthelengththescrewrodleadanglelimit,evenifsimilarlytheleadangleisnotbig,whenthescrewrodlengthachievescertainvalue,isalsounabletoitsabrasivemachiningtocomplete.

Obviously,willbequiteobviouslydifficultwiththetraditionalprocessingmethod.Thereforeweusethetornadomillingtheprocessingmethod.Outsidethetornadothemillingprocessingmethodwellhassolvedthescrewrodproblemwhichprocesseswithdifficultywiththetraditionprocessingmethod,itmayeliminatethecuttingtoolcuttingtothespiralflutecontourinfluence,enhancesgreatlyisprocessedscrewrod'

sprecision,andtheprocessingefficiencyishigh.

Appliesalongwiththetornadomillingenginebed'

sinmachine-buildingindustrysuccessandpromotes,GermanLeistriteCorporationhaspromotedinrecentyearsthehighspeedhardwareboxthreadtornadomillingenginebed,assoonaschangestraditionaltheprocessingprinciple,thecutterbardoesnotusethedeflection,butwithnutspoolthreadparallel,andcausestheformingtoolcuttingfaceandthethreadnormalsectionsuperposition,themillingleavesthethreadrollerconveyertruncationisconsistentwithformedcutter'

struncation.InordertoimprovetheefficiencyofCNCmachining,Atpresent,manyforeignaircraftenginefactoryplantandhigh-speedmachininghasbeenusedtomakeaviationpartsandcomponents.Aluminumalloyparts,suchaslong,thinwebparts,molds,titaniumparts.Wearereferringtohigh-speedprocessingofhigh-speedspindle,highspeedfeedandadvancedcontrolsoftware.Atpresent,foreignhigh-speedmachininginadditiontothetechnologyaspectsofstudy,High-speedcuttingandprocessingequipmentandinstallationsrelatedtonewtechnologiesinclude:

improvementsinmachinetoolstructures,spindlestructureimprovementsaxisdrivetechnology,guidethedesign,toolmaterial,toolclampingdevices,coolingtechnology,precisionpositionmeasurementtechnology,Chiptechnologyandtoadapttohigh-speedcuttingCNC-controlledprocessingequipmentcontrolsystemandsoftware.Therefore,wedesignedmillingcutterisnecessary.

Keywords：

tornadomilling、screwrod

中文摘要…………………………………………………………………………ⅠAbstract…………………………………………………………………………Ⅱ

第一章绪论……………………………………………………………………1

1.1本课题分析……………………………………………………………1

1.2旋风铣削的原理………………………………………………………2

1.3旋风铣削国内外状况…………………………………………………4

第二章油马达驱动铣削头总体设计……………………………………5

2.1旋风铣工件成型原理…………………………………………………5

2.2方案一内旋风铣……………………………………………………6

2.3方案二外旋风铣……………………………………………………7

2.4最终方案………………………………………………………………8

第三章设计与计算…………………………………………………………8

3.1结构设计………………………………………………………………8

3.2旋风铣削运动的矢量建模……………………………………………16

3.3液压系统的设计……………………………………………………20

结论………………………………………………………………………………26

致谢………………………………………………………………………………27

参考文献…………………………………………………………………………28

第一章绪论

1.1本课题分析

Moineau泵自1931年发明以来，广泛地应用于石油化工和机械工业等领域。

螺杆钻具是一种依据Moineau泵反原理设计而成的容积式马达，结构简单，由旁通阀、动力节、万向节和支承节等部件组成，以高压钻井液或其它液体介质为动力直接驱动旋转。

它是石油定向井、水平井钻井工艺以及修井作业中最有效的井下动力工具。

动力节是螺杆钻具的关键部件,其内的转子和定子是旋向相同、螺距相等而波瓣数差一的螺旋曲面。

定子和转子螺旋曲面的成形精度,直接影响到螺杆钻具整机的能量转换效率。

目前,螺杆钻具的整机效率为55%左右。

其主要原因是,螺杆钻具的定子和转子是一对沿半径方向螺旋升角变化的3维空间螺旋曲面，现有的4坐标控制3轴联动数控铣床只能加工出固定升角的螺旋曲面,无法满足变螺旋升角的螺杆转子及其定子压胶心轴的精确成形技术要求,这样就破坏了定子和转子的正常啮合条件,造成了机械效率的降低。

由于在螺杆钻具转子的数控加工中，螺旋升角的变化不可忽视，因此应采用成形精度高的机床（例如5轴联CNC机床）来制造，以确保螺旋曲面的加工质量。

本课题的设计的铣削头主要加工对象为输送螺杆，固态塑料原料进入螺杆螺槽（screwchannel）内，由于螺杆高速旋转而与熔胶筒（barrel）产生剪切效应作用，使塑料原料混炼并沿着螺杆螺槽输送。

螺杆是塑料机设备中最重要的零部件，它直接关系到塑料机塑化效果和产量。

螺杆在料筒内旋转工作是在高温高压大扭拒下进行的，由于它要在转动中强力推动物料前移，同时，它本身还要承受强大的摩擦力和塑料分解腐蚀气体的侵蚀，因而螺杆的材料必须具有很高的力学强度、承受巨大的扭力矩和高温高压条件下不变形的性能。

传统螺纹加工主要在车床上进行，利用车床拖板和小拖板，采用双轴联动方法或靠模法,调整具的运动轨迹才能加工出成型面。

刀具与工件的成运动轨迹决定了被加工零件的表面形状，在车螺纹中易出现啃刀、乱扣、螺距不正确、中径不正确螺纹表面粗糙等问题，这种传统加工螺纹方法的产质量和效率都很低。

和传统铣削方法相比，高速切削加工中切削速度、进给速度要大得多，但是比传统的切削加工温升低、热变形小，可获得较高的金属切除率，很高的加工精度和良好的加工表面质量。

旋风铣削螺纹实质上是用质合金刀齿对螺纹进行高速铣削,是一种较先进的工螺纹方法，具有刀具冷却好、生产效率高的优点但其精度不高,批量较大的生产采用此法一次完成牙深切削，可提高螺纹粗加工生产率。

对于精度要不高的螺纹，可用此法一次完成切削加工。

速度越快操作机床的难度越高，越容易撞刀，所以无法达到所需要的切削速度，对于材料硬度高、切削量大的螺杆的加工，显然，用传统的加工方法显然会比较困难。

然而传统电机驱动外旋风铣削在高速加工中,铣削力及铣削中的震荡等问题将比较突出刀具设计不当将引发刀具过载、断裂等问题，故本课题采用油马达来驱动铣削头。

因为用液压驱动马达作为动力有许多优点：

1.可在运行过程中实现大范围的无级调速;

2.在同等输出功率下，液压传动装置体积小、重量轻、运动惯性小、反应速度快;

3.由于传动液体是无间隙流动,所以运动平稳;

4.与控制电路的配合便于实现自动工作循环和自动过载保护;

5.由于一般采用油作为传动介质，对液压元件有润滑作用，因此使用寿命较长;

6.液压元件都是标准化、系列化产品，可从市场上购买,这有利于液压系统的设计、制造和推广应用;

7.可采用大推力的液压缸或大转矩的液压马达带动负载省去中间减速装置，使传动简化，增加传动精度。

在旋风铣削过程中,每齿的切削厚度都是由小变大，再由大变小。

切出时切削厚度由大变小,切削最终表面时切削厚度很小，所以加工表面质量比普通车削和铣削质量高。

此外，外旋风铣削的加工方法则很好地解决了用传统加工方法难以加工的螺杆问题，它可以消除刀具切削对螺槽外形的影响，大大提高被加工螺杆的精度，并且加工效率高。

1.2旋风铣削的原理

随着高档数控机床与基础装备制造业的快速发展，对为之配套的滚珠丝杠提出了越来越高的要求，比如产品的高质量、短而快的交货期以及高品质的服务及优惠的价格等。

高速旋风铣加工技术正是以它优质、高效、低耗、清洁、无污染的优势，成为切削加工的主流，具有强大的生命力和广阔的应用前景。

其优点为：

①随着切削速度的提高，单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减少，大幅度提高了加工效率，降低加工成本。

②在高速切削加工时，随着切削速度提高，切削力随之减少，有助于对刚性差的零件的切削加工。

③高速硬切削加工时，切屑以很高速度排出，带走大量的切削热，切削速度愈大，带走的热量愈多，通常在90%以上，传给工件的热量大幅度减少，有助于减少加工零件的内应力和热变形。

旋风铣削加工原理如下图

（1）所示，加工运动有：

刀盘的高速旋转运动R；

工件的进给旋转运动C；

刀盘相对工件的轴向进给运动W；

刀盘相对工件的径向切深运动X。

调整参数有刀盘轴线工件轴线的夹角β，偏心量H。

加工螺纹时，刀盘高速旋转，转速高达8000r/min，切削速度高达400m/min，工件缓慢转动。

根据螺纹螺旋参数，调整刀盘转角β，同时使刀盘沿工件轴线移动。

刀盘偏转角β等于螺纹的螺旋角。

工件转动速度与刀盘的移动速度有下列关系：

v=n·

d·

cotβ（1-1）

式中v为刀盘的移动速度，mm/min;

n为工件的转动速度，r/min;

d为螺纹中经，mm；

β为螺纹的螺纹角，rad。

（1）

（2）

图1-1

旋风铣削的铣削如图

（2）所示，当铣削深度为p时，每齿切削量如图中阴影部分所示。

切削沿工件外径尺寸为：

（1-2）

式中d1为未切工件直径，mm；

z为刀盘上布置的刀齿数。

由图不难看出，在旋风铣削过程中，每齿的切削厚度都是由小变大，再由大变小。

切出是切削厚度由大变小，切削最终表面时切削厚度很小，所以加工表面质量比普通铣削质量高。

切入时切削厚度由小变大，因此这种铣削可重力切削。

图1-2为旋风铣加工原理简图：

图1-2

1.3旋风铣削的国外内状况

前几年，旋风硬铣加工设备国内不能生产，但国外进口设备价格昂贵，后期使用、维护费用高，使国内中、小企业望而却步。

后来国内一些厂家利用现有的资源，以“旋”代“磨”，在普通机床上率先研制开发出旋风硬铣削机床，继而又生产出了数控螺纹旋风铣床，填补了国内的空白，为滚动功能部件的发展开辟了美好的前景，解决了国外进口高端设备价格昂贵、费用高的难题。

本课题是依据国内现有的旋风铣削技术设计由油马达来驱动铣削头的数控铣床来加工螺杆类零件，而本课题中的加工零件为膨化挤出螺杆。

图1-3为膨化挤出螺杆零件的立体图，其曲线设计通常要求保证螺杆具有良好的挤出特性,即具有压缩均匀、压缩比大、吃料情况好、送料均匀、出料口物料连续性好等特点，故该类零件要具有较高的加工精度、较高的表面耐磨性以及较高的强度和硬度要求。

此外不同螺杆的螺旋曲线方程变化较大,因而加工过程相对复杂。

图1-3

第二章油马达驱动铣削头总体设计

2.1旋风铣工件成型原理

膨化挤出螺杆的曲线设计通常要求保证螺杆具有良好的挤出特性,即具有压缩均匀、压缩比大、吃料情况好、送料均匀、出料口物料连续性好等特点。

而随着对所加工的原料特性及加工工艺的深人认识,挤出螺杆的形式变得多种多样,出现了许多具有不同特性的挤出螺杆，譬如变螺距螺杆、变底径螺杆等。

螺杆挤出曲线一般根据实际的要求进行设计,通过建立相关的表达式来实现曲线的展开。

但不同螺杆的螺旋曲线方程变化较大,因而加工过程相对复杂,采用普通加工方法非常困难。

旋风铣削螺纹的实质是高速铣削螺纹,按工件与刀具相对位置可分为内旋风铣和外旋风铣两种。

图2-1为描述旋风铣削运动过程的基本模型,旋风包络铣削螺杆技术是应用标准硬质合金机夹刀片的内铣装置,内铣刀盘上径向装有6把硬质合金刀具,分别等角度安装在刀杆槽中,刀尖圆弧迹线圆的直径大小可以根据工件直径大小调整刀杆上的调整螺钉来确定。

旋风铣削铣刀的回转轴线与工件的回转轴线交叉角度为β角（等于螺旋升角）,偏心量为e。

其加工过程包括工件的旋转运动,工件的螺旋轴向进给运动和径向进给运动（也可刀具进给）,铣刀盘上刀刃的旋转主切削运动,刀具在主电机带动下,作旋转运动为主切削运动,工件的旋转运动C与刀具的径向运动X和轴向运动Y在数控系统的控制下同时联动,形成了螺杆空间包络旋风运动。

循环以上过程便可加工出不同类型的复杂膨化挤出螺杆。

图2-1

旋风铣削法是一种高效、经济、实用的加工技术,不仅对于变底径、变导程螺杆工方便,而且可任意改变挤出螺杆的螺旋展开线方程,这种技术在加工时,不但刀刃回转面与工件表面的接触线较长,切削平稳,减少加工时间,而且加工出的螺旋表面粗糙度值较低,是将内旋风式铣削的高效性和包络法的高柔性结合一体的数控加工技术。

然而通常的旋风铣包括内旋风铣和外旋风铣削，下面对将要对这两种方案经行分析对比。

2.2方案一内旋风铣

内旋风包络铣削是一种高效、经济、实用的螺杆加工方法,人们常利用旋风铣头中的成形刀具来加工三角及梯形螺纹。

这种技术对截面廓形为凸形的复杂螺杆（简称凸螺杆）螺旋曲面进行数控铣削加工时,不但刀刃回转面与工件表面的接触线较长,切削平稳,加工时间较短,而且加工出的螺旋表面粗糙度值较低。

螺纹旋风铣削是用安装在刀盘上的多把成形刀具，借助于刀盘旋转中心与工件中心的偏移量ｅ来构成渐进式的高速切削（下图2-2）。

刀盘的旋转轴线相对于工件的轴线倾斜一个螺旋升角β，加工时，工件以低速旋转，刀盘与工件同向高速旋转，工件每转360°

，刀盘纵向进给一个导程T，从而铣出螺纹。

刀盘上有多把成形刀具，但只能依次由一把刀具参加切削。

切削余量由每把刀具合理分配，切屑厚度的渐进式变化使切削力减小，而偏心量ｅ使尚未进入切削区的刀具有充分的散热时间，这就十分有助于延长刀具的使用寿命，提高加工表面质量。

采用内旋风数控包络铣削技术加工凸螺杆,可大大提高凸螺杆的加工效率和加工精度。

图2-2

下图为内旋风铣削刀盘实物图：

图2-3

2.3第二种方案外旋风铣

外旋风铣与内旋风铣在原理上的最大不同之处在于待加工螺杆在铣刀盘的外侧而不是内侧。

外旋风铣削是一种高效、经济、实用的螺杆加工方法,人们常利用旋风铣头中的成形刀具来加工三角及梯形螺纹。

这种技术对截面廓形为凸形的复杂螺杆（简称凸螺杆）螺旋曲面进行数控铣削加工时，不但刀刃回转面与工件表面的接触线较长，切削平稳，加工时间较短，而且加工出的螺旋表面粗糙度值较低。

图2-4为外旋风铣的原理图：

图2-4

2.4最终方案

通过上述分析我们会发现这两种方案均有以下优点：

但是，先从结构看，内旋风铣削要比外旋风铣削来得紧凑，即设备占用空间比较小，因为工件时放在刀盘内部加工；

再从原理上看，由于外旋风铣削在加工时每把刀与加工件表面的接触线比内旋风铣削的要短，所以外旋风铣削的刀具所受到的磨损较小，即刀具寿命较长；

另外从数控加工工艺上看，外旋风铣削要比内旋风铣削在数控程序上来得简洁，并且切削的精度也相对较高。

通过比较会发现，外旋风铣削要优于内旋风铣削，故本课题使用外旋风铣削。

第三章设计与计算

3.1结构设计

一、动力源设计

为了克服以往电机驱动所带来的一系列缺点，本课题选用较为先进的液压方式，因为液压传动有以下优点：

（1）可在运行过程中实现大范围的无级调速;

（2）在同等输出功率下,液压传动装置体积小、重量轻、运动惯性小、反应速度快;

（3）由于传动液体是无间隙流动,所以运动平稳;

（4）与控制电路的配合便于实现自动工作循环和自动过载保护;

（5）由于一般采用油作为传动介质,对液压元件有润滑作用,因此使用寿命较长;

（6）液压元件都是标准化、系列化产品,可从市场上购买,这有利于液压系统的设计、制造和推广应用;

（7）可采用大推力的液压缸或大转矩的液压马达带动负载省去中间减速装置,使传动简化,增加传动精度。

本设计将选用钢球液压马达，该型马达有以下特点：

（1）该型马达的滚动体用一只钢球代替了一般内曲线液压马达所用的两只以上滚轮和横梁，因而结构简单、工作可靠、体积、重量显著减少。

（2）运动副惯量小，钢球结实可靠，故该型马达可以在较高转速和冲击负载下连续工作。

（3）摩擦副小，配油轴与转子内力平衡，活塞副具有静压平衡和良好润滑条件，并采用软性塑料球垫密封高压油，因而具有较高的机械和容积效率。

（4）因配油轴与定子刚性联接，故该型马达进出油管允许用钢管连接。

（5）该型马达具有二级和三级变排量，因而具有较大的调速范围。

（6）结构简单，拆修方便。

（7）该系列标准液压马达的输出轴一般只允许承受扭矩，不能承受径向和轴向外力，但*QJM*--**Z型液压马达的输出轴可承受径向和轴向外力。

下面将要选定马达的额定转速：

首先，代加工零件为膨化挤出类零件，此类零件的材料为合金钢38CrMoALA，其硬度和强度都比较高，加工难度比较大，通常选取切削速度为120m/min，刀