（机械制造及其自动化专业论文）捏合块数控磨床的关键技术研究.pdf

摘要 捏合块是同向双螺杆挤出机中广泛使用着种螺秆元件，其外形较复 杂，精度要求较高目前我国的捏合块制造工艺还相对落后，捏合块轮廓曲 线加工精度无法保证。大大影响了挤出机的整机性能。因而，对捏合块的磨 削成形机理进行研究，解决捏合块数控磨床研制的关键技术问题，研制出先 进高效的数控捏合块磨床，无疑将促进我国的双螺杆挤出机制造工艺水平的 提高 捏合块磨削时，由于其形状的特殊性，若零件以匀角速度旋转，则捏合 块轮廓面各磨削点的线速度、磨削力等都不一样，这将严重影响磨削质量。 如产生波纹、烧伤和形状误差等针对国内现有加工工艺的不足，我 f 1 提出 了挤出机捏合块等线速磨削的工艺方法。在对捏合块进行结构分析的基础 上，以单位时间内等弧长进行磨削，建立捏合块等线速磨削的数学模型，计 算砂轮中心的运动轨迹，自动生成n c 数控指令，经实际磨削试验，取得了 较好的鹰削效果。 本论文在扬州大学机电研究所帮助支持下，在外圆磨床基础上改造了一 台捏合块数控磨床，根据捏合块磨削所需的运动对外圆磨床的床身、磨头和 头架进行了改造，设计了砂轮修整装置，满足了捏合块磨床的精度、剐性和 结构合理性要求。 所改造的捏合块数控磨床控制系统是以p m a c 伺服运动控制器为基础， 采用“p m a c + p c ”的结构形式研制和开发了专用磨床数控系统，将系统开 发平台直接构建于p c 微机基础之上，实现软硬件功能模块化，各功能模块 之间通过标准的接口协调工作，共同完成捏合块磨削所需的数控功能。所研 制的系统具有程序译码解释、插补计算、伺服控制、系统管理等控制功能。 它不仅具备了一般商用数控系统所要求的透尾功能，而且还具备了握合块塞 床所必需的参数输入、砂轮修整轨迹计算、捏合块磨削和砂轮修整程序自动 生成等特定功能同时，系统还为用户设置了今后根据需求增减的模块 ， 本论文通过捏合块磨削工艺试验，获取了实用可彳亍的捏合块磨削参数。 并对磨削参数进行了优化，使捏合块磨削具有较高的磨削效率和质量 关键词：捏合块；等线速磨削；数控磨床；p m a c ；开放体系结构 a b s t r a c t k n e a d i n gb l o c k s 讯ak i n do fs c r e we l 朗n e i i i sw i i d l yu s e di nc o - r o t a t i n gt w i ns c r o w “t r u d e r s ，w i t hc o m p l i c a t e ds h a p ea n dh i g hp r e c i s i o n a tp r e s e n t , i t sl a gi nt e c h n o l o g yf o r k n e a d i n gb l o c km a n u f a c t u r i n g , o rs a y , t h eo u t l i n ep r e c i s i o no fk n e a d i n gb l o c k c a nn o tb e o n s u r o d , w h i c hi n f u e n e e st h ew h o l ep r o p e r t yo fe x t r u d e r sg r e a t l y t h e r e f o r e ，s t u d y i n gt h e m e c h a n i s mo fg r i n d i n gp r o c e s s ，r e s o l v i n gt h ek e yp r o b l e m so fd e v e l o p i n gn cg r i n d i n g m a c h i n ea n dd e v e l o p i n ga d v a o c e da n de r i e c t i v em a c h i n ew i i ii m p r o v em f fc o u n t r y m a n u f a c t u r et e c h n o l o g yl e v e lo f t w i n5 c r e we x t r u d e ru n d o u b t e d ly i f p a r tr o t a t e sa ta c o n s t a n ta n g u l a rv e l o c i t yd u d n g g r i n d i n gp r o c e s sf o r 如s p e c i a ls h a p e , t h el i n e a rv e l o c i t ya n dg r i n d i n gf o r c eo fe a c hg r i n d i n gp o i n to nk n e a d i n gb l o c kp r o f i l ei s d i f f e r e n t , w h i c hi n f l u e n c e st h eg f i n d i n gq u a l i 钞t e r r i b l y , r e s u l t i n gi nw a v e ，b u ma n ds h a p e e t t o t so c c m 代l 雠i no r d e rt om a k eu pt h ed e f e c to fp r e s e n tm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , w e b o u g h tf o r w a r dt h en e wt e c h n o l o g yo fe q u a ll i n e a rv e l o c i t yg r i n d i n g b a s e do nk n e a d i n g b l o c k s s l r u c t u r oa n a l y s i s ，m a k i n gt h em a c h i n e 鲥n dw i t he q u a la r el e n g t hp e ru n i tt i m e ，w e b u i l tu pt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ee q u a ll i n e a rv e l o c i t yg r i n d i n g d u r i n gt h e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s , n u m e r i c a lc o n t r o li n s t r u c t i o nc a nb ep r o d u c e da n dt h et r a j e c t o r yo f w h e e lc e n t e rc a l lb ec a l c u l a t e da u t o m a t i c a l l y m o d i f i e db yf e a l 鲥n d i n ge x p e r i m e n t s , t h e g 枷i n g e f f e c t i v ei sv e r yg o o d k n e a d i n gb l o c kn cg r i n d i n gm a c h i n e sh a v ea l r e a d yb e e ns u c c e e d e dd e v e l o p i n gb yt h e m e c h a n o - c l e c t r o n i cs t u d yc e n t e ri ny a n g z h o uu n i v e r s i t y a c c o r d i n gt ot h en l o v e m e f l to f k n e a d i n gb l o c k , t h eb e db o d y , t h eg r i n dh e a d , t h eh e a df r a m ea n dw h e e ld r e s s i n gm e c h a n i c a l s t r u c t u r eo fk n e a d i n gb l o c kg r i n d i n gm a c h i n ec mb ed e s i g n e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so f p r e c i s i o n , s t i f f a n ds t r u c t u r er a t i o n a l i z a t i o n t h ec o n w o ls y s t e mo fk n e a d i n gb l o c kn c 庐n d i n gm a c h i n eb a s e do bp m a cm o t i o n c o n t r o l l e ru s e st h e 叩m a c + p c ”s t r u c t u r et os t u d ya n dd e v e l o ps p e c i a lp u r p o s eg r i n d i n g m a c h i n es y s t e m , b u i l d i n gs y s t e md e v e l o p m e n tp l a t f o r mo np cd i r e c t l y , r e a l i f i n gb l o c k i n g d i v i s i o no ft h ef u n c t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，o r g a n i z i n gf u n c t i o nb l o c kc o o r d i n a t i o n w o r i 【b ys t a n d a r di n t e r f a c ea n dr e a l i z i n gt h en cf u n c t i o nt o g e t h e r t h es y s t e mt h a t w e s m d i e di sac o n n o ls y s t e m ，w h i c hc a nm a k et h ep r o g r a md e c a d ee x p l a i n , t h ei n t c t l o o l a t i o n a l g o d t h m , t h es e r v oc o n t r o ia n dt h es y s t e ma d m i n i s t r a t i o nw o r k a tat i m e i th a sn o to n l ya c o m m o nc o m m e r c i a ln cs y s t e m sg c n e r a if u n c t i o mb u ta l s od o e st h es p e c i f i cf u n c t i o nf o r k n e a d i n gb l o c kg r i n d e r , s u c h 勰p a r a m e t e ri n p u t , c a l c u l a t i o no fw h e e ld r e s s i n gt r a j e c t o r y , k n e a d i n gb l o c kg r i n d i n g a n dt h ew h e e ld r e s s i n gp r o g r a mp e r f o r m i n ga u t o m a t i c a l l y m 赫强et h es y s t e md e v e p e r sa n d 也ck l h c 搬矗镉孔a d do fd e l e t ef i m c t i o n 铋o c k a c c o r d i n g t or e a lt i m er e q u i r e m e n t t h ea v a i l a b l ea n dp r a c t i c a lp a r a m e t e ro f 鲥n d i n gk n e a d i n gb l o c kc a nb co b t a i n e db y g r i n a i n ge x p e r i m e n t s s od o e st h eo p t i m u mo f i c s w h i c hm a k e sac o n t r i b u t i o n g a i nt i 鹭 l l i g l i 鲥n d i n ge f f i c i e n c ya n dq u a l i t y k e y w o r d s ：k n e a d i n gb l o c i c ：e q 词l i n e a rv d o c i t y 鲥n d h 喀n cg r i n d 哪m a c h i n e d p m a c ：o p e us y m m s t n t o r c 姚海滨捏合块敦控磨床的关键技术研究 第1 章绪论 捏合块是双螺杆挤出机中广泛使用着种机械零件，具有良好的分布搓 揉和分散混合功能。捏合块的齿形比较复杂，精度要求较高，这给捏合块的 加工带来很大困难茸前我国的捏合块制造工艺还相对落后，捏合块轮廓曲 线加工精度无法保证，大大影响了挤出机的整机性能，制约了我国橡塑机械 的发展。因而，通过对捏合块的磨削成形机理的研究，解决捏合块数控磨床 的关键技术问题，研制出先进高效的数控捏合块磨床，无疑将促进我国的双 嫘杆挤出机静j 造工艺水平的提高 1 1 平行同向双螺杆挤出机简介 平行同向双螺杆挤出机的主要用途是对聚合物进行物理和化学改性，对 聚合物进行共混、填充和增强改性，以及进行反应挤出、脱挥发分、脱水等 作业 不论何种双螺杆挤出机组，其整体结构组成与单螺杆挤出机组类似，由 主机、机头和辅机组成。其中主机就是通常所说的双螺杆挤出机，在实际应 用中，双螺杆挤出机必须配以机头和辅机才能完成预定的任务，这就是所谓 的双螺杆挤出机组 图1 1 所示为双螺杆挤出机组的示意图。其中图( a ) 为用于工程塑料配 混料和着色的平行同向双螺杆挤出机组，其最终产品是粒料图( b ) 为用 于挤出r p v c 异型材的双螺杆机组，其最终产品是异型材 双螺杆挤出机是双螺杆挤出机组的核心组成部分。从总体组成上看，双 螺杆挤出机和单螺杆挤出机差不多，由传动系统、挤压系统、加热冷却系统、 控制系统等组成 2 扬州大学硕士学位论文 j 豳1 i 双螺杆挤出机组 ( a ) 卜t 热塑性塑料的科斗2 一贮颜料的科斗3 - - z s - b 型双螺杆进 辩嚣4 z s k 型双螺杆配科挤出机卜脱挥发分6 一挤出模头 7 一水掐8 一空气刀9 线料切粒机l o 一粒科装袋 ( b ) i 一主机2 一冷却定型3 牵引4 切断卜堆放 图1 2 所示为平行同向双螺杆挤出机结构简图。平行同向双螺杆挤出机 主要由螺杆、机筒组成，它是双螺杆挤出机的核心部分，其作用是把加入的 固( 液) 体物料熔融塑化、混合或进行化学反应，为口模提供定温、定压， 定量的熔体( 混合物) ，并将在这一过程中产生的气体或液体排除，最后通 过口模及后续的辅机，得到满足质量要求的制品。针对这些用途进行螺杆设 计时，应使设计出的螺杆除了能很好地完成加料和固体输送、熔融、熔体输 送之外，一个核心问题就是设计出的螺杆应具有优异的混合能力 平行同向双螺杆挤出机的螺杆在机械结构上一般都采用积木式或组合 式( 图1 2 ) ，相应于物料在挤出过程中经过螺杆不同区段而发生的相态变 化，一般把整根螺杆分解成不同的功能段，而不同功能段靠采用不同的几何 姚 母淡捏合块数控磨床的关键技术研究 3 结构组合来完成特定的功能。我们把能实现不同功能的螺杆区段称为螺杆元 件，根据所实现的功能不同，可将螺杆元件分为输送元件、剪切元件和混合 元件。 图1 2 啮合同向双螺扦挤出机结构简图 输送元件由螺纹元件组成，可有不同的螺纹头数和导程。剪切元件主要 是捏合盘及其组合。混合元件包括捏合块和螺纹套组合等。 1 2 捏合块的结构及其功能作用 捏合块是平行同向双螺杆挤出 机中一种重要的机械零件，它由若干 个捏合盘按一定的错列角和错列方 向组合而成，如图1 3 所示由于捏 合块能对流动体提供较好的剪切作 用，由此组成的螺杆能提供良好的分 布搓揉和分散混合功能，因而又将捏 合块称之为剪切元件。 图l 3 捏合块外型图 1 2 1 捏合盘的形状分析 就捏合盘在垂直于其轴线截面内的形状丽言，可以将捏合盘看做是一个 扬州大学硕士学位论文 螺距无穷大、螺纹侧面角w - - - 9 0 。的螺纹元件，着从轴线方向看去，其轮廓 与平行同向双螺杆挤出机螺纹元件在端截面中的轮廓相同与螺纹元件端面 截形相对应，在端截面内的捏合盘轮廓形状有三种类型，即类同偏心圆、菱 形和曲边三角形；若从螺纹头数分，捏合盘亦有一头、二头和三头的捏合盘， 如图1 4 所示。 仔孓 悲乡 厅泰肜婶 逮努逢 乡 ，( h ) 圈1 4 捏合盘的类型 ( a ) 单头( b ) 双头c o ) 三头 1 2 2 捏合盘与捏合块 捏合盘的几何参数有头数和厚度。而捏合块的参数有捏合盘个数、捏合 块的轴向长度、相邻盘之间的错列角。 捏合盘不能单个使用，而是成对使用和成串使用。即在两根螺杆上装上 相应的捏合盘成对使用和在每一根螺杆上都装上相应的捏合块使用。 捏合块的性能与其各捏合盘之间的错列角的大小和方向、捏合盘的个 数、捏合块的轴向长度等有关。捏合块的长度等于单个捏合盘的轴向厚度乘 上捏合盘的个数 捏合盘应与相同头数的螺纹元件相接使用，如二头( 菱形) 捏合盘应与 二头螺纹元件相接使用，三头( 曲边三角形) 捏合盘应与三头螺纹元件相接 使用，如图1 5 所示 婉海滨捏合块数控磨床的关键技术研究 图i 5 螺纹元件与捏合盘元件相连接 在垂直于捏合盘所在平面方向上盘的厚度称为捏合盘的厚度。它也是一 个重要参量，与捏合块的错列角和组成捏合块的捏合盘个数一起会对剪切混 合起重要作用 由于捏合块是由捏合盘错列而形成，故其形成的螺旋槽不光滑，呈阶跃 式变化 错列角是捏合块的一个重要参数，它对捏合块的工作性能有重要影响。 捏合块有了错列角，相邻捏合盘之间才能进行物料交换，成串的捏合盘才能 像螺纹元件那样形成螺旋角，沿捏合块的轴线方向才能进行物料输送双螺 杆挤出机的捏合块的错列角是固定的，但可取不同的数值。 按照错列角的数值不同可将捏合块分为芷向捏合块、中性捏合块和反向 捏合块。如图1 6 、图1 7 和图1 8 分别所示 移零嚣i 一霉 圈1 6 正向捏合块。 ( - ) 二头正向捏合块( b ) 三头正恕捏合块 6 扬州大学硕士学位论文 图1 7 中性捏合块 ( t ) 双头中性捏合块( b ) 兰头中性捏合块 髑。露嚣枣 圈1 8 反向捏台块 ( a ) 双头反向捏合块( b ) 三头反向捏合块 正f 句捏合块：若捏合块中各捏合盘错列的方向与右旋螺纹元件的螺旋 方向一致，称这种捏合块为正向捏合块，这种捏合块的物料输送方向与挤出 方向一致，但物辩流经各捏合盘错列露形成的空隙有一定懿翟混作甩 整 1 9 ( 8 ) ) ，其上游螺纹元件的螺槽内有回流物料 反向捏合块：若捏合块中各捏合盘锩列的方向与左旋螺纹元件的螺旋 方向一致，称这种捏合块为反向捏合块这种捏合块的物料输送方向与挤出 方向相反，它能产生一种反压，通过它的总流动交成漏流( 图l ，9 ( c ) ) 。其 上游螺纹输送元件内物辩的充满度增加但其产生的压力降比反向螺纹元件 小，这是由于错列角而形成的空隙造成的，错列角越大，其分散混合越差 中性捏合块：对二头捏含盘丽售，其错聚凫为9 0 。t 对三头捏合盏而 姚海滨捏合块数控磨床的关键技术研究7 言，其错列角为6 0 。，这类捏合块叫中性捏合块。它对物料无轴向输送能力， 物料是依赖其上游正向螺纹元件建立的压力而通过它的( 图1 9 ( b ) ) 仁墨型 v 圈1 9 不同方向错列角的捏合块的工作原理 ( a ) 正向( b ) 中性( c ) 反向 图1 1 0 表示错列角对轴向通道( 漏流) 开口的影响。由图可见，错列角 越大，两相邻捏合盘之间的开口越大，在这些开口中发生漏流就越容易在 错列角形成正向输送的捏合块中，开口增大，会使充满度和停留时间增加， 使输送能力减少在错列角形成反向输送的捏合块中，错列角越大，意味着 对聚合物输送的阻碍越小。中性捏合盘有最大的漏流开口，当捏合块旋转时， 会推动相等量的物料向正向和反向输送对二头捏合块，当错列角超过4 5 。 捏合块的拖曳能力会猛烈地下降。 脚阅圆唧 图1 1 0 二头捏合块，错列角对轴向通道( 漏流) 开口的影响 ( a ) 3 0 。( b ) 4 5 ( c ) 6 0 ( d ) 9 0 。 捏合块能提供分散混合和分布混合作用这两种混合作用的相对强度， 除了与相邻捏合盘问的错列角有关外，还取决于每个捏合盘的厚度。捏合盘 的厚度会引起轴向( 向上游或向下游) 流动，这取决于错列角的大小和方向 对于恒定的错列角，增加盘厚会增加物料沿下游螺槽的有效轴向取向表面， 可用来支持在高剪切区内通过应力传递的能量输人。反之，会使粘性耗散增 加若忽略可能的温升和剪切对粘度的影响，盘厚增加导致单位混合长度上 s 扬州大学硕士学位论文 分散混合成分增加，分布混合成分减少。另外，捏合盘厚度也影响捏合块的 “拖曳流”能力以及对压力流的敏感程度( z x q a p ，q 是总的挤出量。p 是 压力) ，厚捏合盘比薄捏合盘有更大的“拖曳流能力，但用来对抗背压即 压力流时，它对流率的减少更敏感当捏合盘厚度增加时，捏合盘中拖曳流 和压力流之问的关系类似于在螺纹元件中，当导程增加时看到的情况，但控 制机理二者完全不同。当捏合块转动时，每个盘的顶部会在圆周方向推动一 少部分物料。聚合物自身会在垂直于圆周方向流动，向下游和向上游散布开 来。每个盘越厚，会有更多的物料在轴线方向散布开，顺槽向下的净流动与 整个物料流的比例会越大。 总之，捏合块是一种应用广泛、具有良好分布混合和分散混合能力的螺 杆元件。它的混合能力主要是靠物料在捏合块形成的高剪切区中受到的高剪 切、拉伸以及经历的分流和重新汇合、流线折叠、回流等作用来实现的。 1 。3 捏合块加工工艺现状分析 随着机械制造业的发展，螺杆在我国空压机、冷冻机、工业泵、塑料机 械等行业中得到越来越广泛的应用。然而，与西方工业国家相比较，我国螺 杆制造业无论在设计方面还是在制造工艺方面都存在相当大的差距，这种落 后局面严重制约了我国相关机械产品在国际和国内市场上的竞争力。为此我 们应该对我国螺杆制造技术的现状和水平有一个清醒的认识，尽快跟踪国际 先进制造技术的发展趋势，使我国螺杆制造技术和产品质量早日达到国际上 发达国家的水平 螺杆上所设置的混炼元件捏合块，其齿形比较复杂，其端面型线是 由直线段、圆弧段、摆线等多段型线组成由于精度要求较高，目前我国基 本上是参照国外现有的型线，材料现有高速钢、合金钢等，其工艺路线通常 为粗铣+ 调质+ 精铣( 多数厂) ，只有少数企业采用粗铣+ 调质+ 精磨的加工工 艺，其磨削设备高价进口了国外数控磨床 妨海滨捏合块数控者床的关键技术研究9 针对我国螺杆加工工艺的现状，国内一些高校和研究机构对螺杆成形机 理和加工方法进行了研究，并对相关的加工设备进行开发，取得了一定的进 展在螺杆磨削方面，扬州大学机电研究所成功地解决了螺杆磨削砂轮截形 计算的难题，并研制了五轴三联动的数控螺杆磨床，该机床正与国内知名的 螺纹磨床生产厂家合作进行批量生产。在螺杆铣削方面，沈阳工业大学研制 了应用盘状铣刀的外旋风包络法数控螺杆铣床：清华大学也采用球面成形指 状铣刀研制了一台三轴联动的数控螺杆铣床。该机床能够对变径、变距的螺 杆进行加工 目前，国内挤出机捏合块加工普遍采用。铣削+ 调质+ 手工抛光”传统 加工工艺，该工艺生产效率低，劳动强度大，捏合块轮廓曲线加工精度无法 保证，使得捏合块的分布搓揉和分散混合功能不能充分得到保证，从而大大 影响了挤出机的整机性能。 1 4 课题研究目的和主要研究任务 本课题研究的目的：通过对捏合块磨削成形机理的分析，研究解决捏合 块数控磨床韵关键技术问题，研制开发一台新型数控捏合块磨床，以填补国 内捏合块磨削设备的空白。 本课题的主要研究任务包括： ( 1 ) 探索捏合块磨削成形机理，进行捏合块等线速磨削工艺研究，建立 捏合块磨削数学模型 ( 2 ) 开发捏合块磨削控制系统，解决捏合块等线速磨削运动的计算、数 控程序的自动生成、捏合块磨削过程的自动控制等关键技术问题。 ( 3 ) 捏合块数控磨床机械结构的设计，保证捏合块磨削和砂轮修整功能 的实现捏合块磨床本体是实现捏合块磨削的基础，本课题研究将根据捏合 块磨削所需的基本运动来设计捏合块磨削机床的床身、磨头、头架和砂轮修 整器等部件的机械结构，满足其精度、刚性和结构合理性要求 扬州大学硕士学位论支 ( 4 ) 从事捏合块磨削工艺试验，获取实用可行的捏合块磨削参数通过 对捏合块的磨削工艺试验，获取最佳磨削参数使捏合块磨削具有较高的磨 削效率和质量 姚海滨捏合块数控塔床的关键技术研究 1 1 第2 章捏合块数控磨削工艺方法研究 前已述及，从轴线方向看去，捏合块周边轮廓相当于平行同向双螺杆挤 出机的螺纹元件在垂直于其轴线截面中的轮廓。故可从分析平行同向双螺杆 的啮合原理、端面曲线的形成入手，分析捏合块的端面轮廓，探索捏合块磨 削成形机理，进而进行捏合块磨削工艺分析，确定磨削实施方案，建立捏合 块磨削数学模型。 2 1 平行同向双螺杆的啮合原理、端面曲线的形成 双螺杆挤出机的每根螺杆的几何形状和尺寸不是独立的，而是由两根螺 杆共同确定的。双螺杆几何学是根据相对运动原理推导出来的。螺杆的顶部 和根部对应的半径是恒定的，两者之间的差值是螺槽的最大深度而螺旋面 所对应的半径从根部变到顶部是变化的。这种变化符合下述规则：一根螺杆 的半径和相应位置处的另一根螺杆的半径之和等于中心距。为了决定螺纹侧 面的几何尺寸，必须研究两根螺杆的运动学 2 1 1 啮合原理 图2 1 平行同向双螺杆运动原理图 冀不葫盘 穆运动时 的适动孰麓 1 2 扬州大学硕士学位论文 图2 ，1 为平行同向旋转双螺杆的运动原理图。设盘1 不动，令盘2 绕盘 1 作圆的平移运动( 不作滚动) ，中心点m ：以肼。鸩为半径绕肘，运动，盘2 本身不产生自身的转动，其上每一点同样也以相同的半径描绘出一条圆形轨 迹。如果盘2 圆周上圆弧只最是螺顶，则该弧上的点( 用两个中间点己和只 表示) 将描绘出从盘l 上切去半月状的弧线族切去面积的形状与回转轴线 相适应如果螺纹头数确定，则两盘相对运动的结果( 若盘2 是切刀) ，会 将盘1 切成一个特定形状的截形若将该截形沿通过m 。的轴线作轴向运动 和旋转运动，最终就形成了螺杆元件的螺旋面，其螺旋表面上每一点相对另 一根螺杆以恒定的速度切向进行啮合。 为了进一步弄清这一关系，下面作进一步讨论 2 1 2 端面曲线的形成 图2 2 表示了一对平行同向双 螺杆端面曲线形成的过程。 设两相同直径的螺杆以相同角 速度同方向( 如顺时针) 旋转，两 螺杆中心距d l d 2 = q ，螺杆外圆半 径为b ，则螺杆根圆半径 r l = c l r s 机多辉蕊 ，忒 r 万。 ffo 堰卷 j ，! - j j 圈2 2 平行同向双螺杆端面 曲线形成的过程 p 是圆盘d 2 上任一点( 相当于螺棱上的点) ，现考查j p 点相对于圆盘d l 的运动轨迹根据相对运动原理，建立一动坐标系，该动坐标系随圆盘d l 以 角速度顺时针旋转在动坐标系中圆盘d l 相对静止，圆盘0 2 的圆心以角 速度珊逆时针绕圆盘d l 的圆心旋转，而圆盘0 2 自身旋转的角速度为 娆海滨捏台块蠹控磨床的关键技术研究 口一= 0 圆盘d 2 这种运动方式为圆平动，这种运动的特点是：圆盘上任 意一点的相对运动轨迹为一个圆由圆平动的特点易知圆盘d 2 上任意一点p 的相对运动轨迹的圆心m ，就是过p 作圆心d 1 0 2 连线的平行线与圆盘d i 的 交点，其半径是g = d 1 0 2 。p 点的运动轨迹与圆盘d l 交于- ，、j ，2 ，与圆 盘0 l 的根圆切于c ， 由图2 2 可以看出，螺杆端面曲线在相对运动中形成的过程。设p 、q 是圆盘0 2 上夹角a 的弧段，介于p 、q 问每一点的轨迹都是一条中心在圆盘 d i 上、半径为c l 的圆弧，q 的轨迹与圆盘a 交于两点，2 ，与圆盘d l 的根圆切于c q 根据全啮合不干涉原理，螺杆i 的端面曲线应是螺杆i i 上所有点相对运 动轨迹的包络线。如果p 、q 分别是螺杆i i 端面的螺棱的端点，那么整个螺 棱pq 扫过圆盘q 上的区域是_ 个月牙形，由包络线c ，c 。及轨迹线了p i c p 、 q ：三段圆弧组成，构成了同向啮合双螺杆的端面曲线的部分。 如图2 2 所示，螺杆的端面曲线由厶g 、c ，q 、q 厶：圆弧以及在大 圆上的，q 2 材，m 。，i 构成由啮合原理知：_ p 0 2 q = c ，0 1 q ，即圆盘0 2 棱 上pq 一段圆弧所对中心角口和它们对应轨迹在包络线上即第一个圆盘圆 上的夹角相等 扬州大学硬士学位论文 2 2 捏合块几何结构分析 通过分析螺杆结构可知，捏合块是螺杆中提供高剪切功能的螺杆区段， 是螺杆的剪切元件。如图1 1 所示，捏合块是由若干结构形状相同的凸轮( 捏 合盘) 按一定角度沿轴线错叠而成，分析其中一只凸轮( 捏合盘) 曲线形状， 便可得知整个捏合块的结构特征。 如前所述，就捏合盘在垂直于其轴线截面内的形状而言，可以将一个捏 合盘看做是螺距无穷大、螺纹侧面角q t - - - 9 0 。的螺纹元件沿其轴线切下的一 段。故从轴线方向看去，其轮廓相当于平行同向双螺杆螺纹元件在轴截面中 的轮廓。图2 3 为平行同向双螺杆挤出机捏合块中相互啮合的一对凸轮( 捏 合盘) 端面轮廓曲线图，现通过其啮合关系分析其曲线的构成 t it l 亿簖一 _ m i 愚f 0 z ， x t x , 心夕八 图2 3 捏合块凸轮端面轮廓曲线的构成 如图所示，在工作时两凸轮以相同的角速度。绕各自的轴线同向旋转， 在任意时刻两凸轮都有且仅有一点互相接触。两凸轮中心距为d 1 0 2 = c ，顶 圆半径为凡，根圆半径为毛= c 。- r 。根据共扼啮合原理可知“1 ，同向双 螺杆挤出机捏合块凸轮端面轮廓曲线由三类不同圆弧组成，在图示凸轮1 的 第一象限内三段圆弧曲线分别为a b ，b c 和c d ，其它象限的曲线可通过对坐 标轴( x ，y ) 对称关系获得。 圆弧肺为凸轮的根圆，其半径为r ，圆心为o l ，圆心角为口1 2 ；圆 姚海滨捏合块教控磨床的关键技术研究1 5 弧c d 为凸轮的顶圆，其半径为如，圆心为0 l 圆心角为# 1 2 ；圆弧b c 半 径为c ，相对于凸轮轴心0 l 的圆心角为( 9 0 。- a 1 2 一f l 2 ) ，圆心位于m 点， m 点的坐标为： 善= - r sc o s a 2 ( 1 ) y = 一r ss i n a i 2 ( 2 ) 根据上述凸轮曲线的构成分析，可很容易列出捏合块凸轮端面轮廓曲线 的方程 a b 圆弧段方程为： x 2 + y 2 = 尺；， ( 3 ) b c 圆弧段方程为： ( j 一工) 2 + ( y y ，) ：= c 2 c d 圆弧段方程为： 工2 + y 2 = 尺；。 图2 4 捏合块的端面轮廓曲线的构成 ( 4 ) ( 5 ) 扬州大学硕士学位论文 2 3 捏合块磨削工艺分析和实施方案 2 3 1 捏合块轮廓磨削关键技术分析 从上节对捏合块几何结构分析可知，对捏合块轮廓表面进行磨削，实际 上就是对一个个相互错叠的平面凸轮的磨削 关于平面凸轮的数控磨削，国内已有不少的成功的报道。通常，凸轮的 磨削是将凸轮工件装夹于机床主轴，使凸轮回转中心与主轴中心重合，通过 凸轮绕轴线的旋转，以及砂轮的径向进给运动实现对平面凸轮的磨削。因而， 平面凸轮磨削的一般要求为：砂轮的进给运动( x 轴) 与凸轮的回转运动 ( c 轴) 两者之间必须按照凸轮曲线的要求进行协调控制；磨削砂轮的半 径应小于凸轮轮廓曲线的最小曲率半径，以避免磨削干涉 在常规的凸轮磨削工艺中“”，往往是由凸轮通过绕自身的轴线等角速 度旋转来维持磨削过程的。由于凸轮轮廓髓线各点的曲率半径并不相等，这 种常规的凸轮磨削工艺将带来一个不可忽略的问题：凸轮每转过一个单位角 度，砂轮实际磨削的凸轮轮廓长度并不相等，即凸轮曲线各点实际磨削线速 度不相等，单位时间内金属磨除率或大或小，从而引起磨削力较大的波动； 曲率半径相差越大，其磨削力变化越大，往往会造成磨削表面一楞一楞的棱 边现象，甚至会引起磨削表面烧伤。 要消除上述磨削缺陷，必须使磨削过程平稳均匀，使磨削力的波动尽可 能地减少为此，本课题提出等线速凸轮磨削工艺，使单位时间内被磨削的 凸轮轮廓曲线长度相等，金属磨除率均匀，以减小磨削力的波动这种磨削 工艺要求凸轮表面磨削线速度根据曲率半径而变化，然而这对凸轮磨削机床 控制系统提出了较高的要求，下面将介绍具体的捏合块轮廓磨削解决办法和 相关的计算方法 姚海滨捏合块数控磨床的关键技术研究1 7 2 3 2 捏合块轮廓磨削的实施方案 所谓捏合块等线速磨削即使捏合块凸轮曲线上任意点磨削线速度相等 为了得到捏合块等线速磨削，可使单位时间内所磨削的凸轮曲线弧长s 相 等采用等线速数控磨削有如下优点： 1 ) 加工精度高 采用“等线速数控磨削”，单位时间内磨削的捏合块轮廓曲线长度相等， 金属磨除率相等，磨削力变化不大，故减少了捏合块表面的波纹和烧伤，提 高了工件的精度。同时由于砂轮上参与切削的磨粒多，切削刃多且几何形状 不同，仅在较小的局部产生加工应力，因而可大大提高加工的精度。 2 ) 加工效率高。 “等线速数控磨削”是通过两轴联动的数控磨床进行加工的，能大幅度 提高自动化程度，减轻工人的劳动强度，显著提高加工的效率。 3 ) 柔性高 “等线速数控磨削”的加工方法可以在凸轮产品换型时仅改变数控程序 就可实现产品的迅速加工，克服了传统的加工方法存在的生产准备周期长等 一系列问题，具有较高的柔性 本论文对捏合块轮廓磨削的实施方案和工艺路线为：在对捏合块进行结 构分析豹基础上，首先进行等线速磨削工艺及其相关的计算方法研究，建立 全新的捏合块磨削数学模型其次开发捏合块磨削自动编程软件模块和控制 系统，解决捏合块磨削实时计算、数控程序的自动生成、捏合块磨削过程的 自动控制等关键技术问题。然后进行捏合块磨床机械结构的设计，保证捏合 块磨削和修整功能的实现。最后进行捏合块磨削工艺试验，获取实用可行的 捏合块磨削参数 扬州大学硕士学位论文 2 4 捏合块等线速磨削数学模型的建立 2 4 1 等线速磨削实现思路 图2 5 为捏合块数控磨削加工模型，其中0 为捏合块轴心，0 。为磨削砂 轮中心，r 为砂轮半径，t 为捏合块上任意k 点的瞬时磨削速度矢量。 彦黧 弋 0 吨j 一x 0 一 图2 5 第一象限捏合块磨削加工模型 进行捏合块凸轮曲线的数控磨削，最终需要求取砂轮中心o 。运动轨迹。 如图2 5 所示，可假设凸轮不动，磨削砂轮一边绕凸轮中心0 转动、一边沿 凸轮径向移动，此时砂轮中心所走过的轨迹便为凸轮磨削所需的砂轮中心运 动轨迹。其计算过程如下： 根据给定的弧长s 求取凸轮曲线等弧长离散点k 坐标； 根据各离散点坐标以及砂轮半径求取砂轮中心0 。运动轨迹。 2 4 2 凸轮曲线等弧长离散点的求取 在给定弧长s 的条件下，凸轮曲线等弧长离散点k ( j ，f ，匕) 坐标可以如 下方法求取，以第一象限为例，如图2 5 所示： a b 圆弧段( 0 e 。a 2 ) 此时，k 为根圆上一点，给定弧长增量 a s 对应的转角增量a 口。为； 姚海演捏合块数控磨床的关键技术研究 而 则有 以：竺 墨 ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) k = 毛s i n o f ( 9 ) b c 圆弧段( 0 2 0 - 2 1 3 2 ) 此时，j i ：所在中间段圆弧的半 径为螺杆中心距c ，单位插补时间内弧长增量s 的对应角纵( _ k m b ) 的角增量尹。为： m ：垒量 ( 1 0 ) 伊f2 百 。川 而 伊f = 伊f l + 矿f ( 1 1 ) 则有x = x m + c l c o s ( q , r + 薹) ( 1 2 ) 瓦= r _ + c l s i n ( q , r + 詈) - ( 1 3 ) 由上述方程( 6 ) ( 1 3 ) 可求出凸轮曲线等弧长离散点足( j 0 ，k ) 坐标 值注：由于c d 圆弧段为捏合块的外圆柱表面，可预先磨除，这里就不再 计算。 由于捏合块凸轮是一对称结构，因而仅需对第一象限各曲线离散点进行 求解，其它象限各点可通过对称方法求得。 2 4 3 砂轮中心d l ( p ，运动轨迹的求取 根据已求出凸轮曲线等弧长离散点k ( x 。，k ) 坐标值以及砂轮半径r 可求取 砂轮中心d l ( p ，力运动轨迹坐标值。以第一象限为例进行计算，如图2 5 所 示 扬州大学硕士学位论文 当以 a 1 2 时，k 为根圆上一点，o k o , - - g ( 共线，则 户；r + r o = 以 ( 1 4 ) ( t 5 ) 当口，2 以 9 0 。- p 2 时，k 为中间段b c 圆弧上一点，o k 0 1 - - , 点 不共线，但- m k o i - - 点共线。此时，可先求砂轮中心o l 的直角坐标c z d p ) ， 计算如下： 盖o = x + ( c j + r ) c o s ( , p f + 刍 ( 1 6 ) = 匕+ ( c + r ) s i n ( q , f + 刍 ( 1 7 ) 二 则有p = 、x o l 2 + y o l 2 ( 1 8 ) 0 ；a r a g ( ! 马 ( 1 9 ) ； ( 专 ) ( 1 9 ) o o f 由上述方程( 1 4 ) ( 1 9 ) 可求出砂轮轴心轨迹的极坐标0 1 ( a 同理，其它象限各点可通过对称方法求得。 2 4 4 包络点数量和位置的确定 捏合块的磨削加工，其包络点的数量和位置直接影响捏合块的加工效率 和加工精度。现以端面型线来分析计算包络点的位置和数量，如图2 6 所示， 设任意相邻的两包络点a 、b ，其刀具运动轨迹分别为轨迹1 ，轨迹2 设捏 合块轮廓精度所允许的误差为仃克，则轨迹l 和轨迹2 所形成的残留高度。 应满足以下的要求： 盯盯兜 ( 2 0 ) 因而，根据上述要求可根据包络点a 计算出包络点丑的位置。 姚海演捏合块数控磨床的关键技术研究2 i 图2 6 廓形误差计算的示意图 扬州大学硕士学位论文 第3 章捏合块数控磨床的机械结构设计 数控机床是数控技术最成功、最典型的应用，其特点是高精度、高效率、 高速度、低摩擦。无论是从机床布局、基础件结构设计，还是轴承的选择与 配置，其要求都比普通机床提高很多，因而，数控机床的研制与普通机床比 较有其特殊性。 为提高课题的研究进度，在满足使用要求的前提下，利用现有的机床进 行专用数控机床的改造，具有研制周期短、研制成本低等优点本论文所研 制的捏合块数控磨床是利用现有的普通外圆磨床m 1 4 2 0 进行改造的，涉及到 很多方面的工作，主要内容包括：机床的总体布局设计、进给传动系统的改 造、控制控制系统设计及控制软件的开发等工作 3 1 数控机床设计的原则与要求 为了研制出技术先进、质量好、效率高、结构简单、使用方便的数控机 床，设计时应满足以下基本要求： l 、具有大的切削功率、高的静动态刚度和良好的抗振性。 高效切削是我国数控机床发展的方向之一，它直接反映了机床的生产能 力，尤其对于专用或专门化机床。提高效率主要可通过提高切削速度和进给 速度、增大切削深度等途径实现，因而，为满足高效切削的要求，数控机床 必须具有较高的动、静态刚度和系统的抗振性。 2 、高的几何精度、定位精度和热稳定性。 机床的几何精度、定位精度和热变形直接影响到零件的加工精度。因此 机床必须具有足够的设计和制造精度，同时减少发热，控制温升，改善机床 结构，以减少熟变形。 3 、适当的工艺范围 对于通用机床，设计要求在同一台机床上能尽可能完成多种不同的工序 以适应不同工件的需要。而对于专用机床和专门化机床，多用于大批量生产， 合理地缩小机床工艺范围以简化机床结构、提高效率、保证质量、降低成本， 这是设计专用机床的基本原则 4 、可靠的数控系统和伺服系统 姚l 拇演捏合块教控磨床的关键技术研究 由于数控机床的先进性和合理性，各种数控系统不断出现。全功能数控 系统功能强大，但随控制系统复杂程度的提高，其制造成本也随之上升。普 及型数控系统制造成本较低，而且其功能也在不断增加，应用日益广泛，宜 优先考虑使用普及型通用数控系统。 机床伺服系统是数控装置与机床的联接环节，用来驱动机床执行部件。 要求伺服系统具有良好的快速响应能力，大的进给速度范围，有良好的工作 稳定性 5 、系列化、通用化和标准化 产品的系列化、通用化和标准化便于的机床设计、使用与维护，对机床 产品的品种、规格、质量和生产效率有重要的意义，在数控机床设计时，应 努力遵循“三化”的原则。 此外，机床的可靠性、机床的寿命、人机关系及环境特