控数加工罗茨鼓风机扭叶转子的几何模型研究--本科毕业设计南通农业职业技术学院学生毕业论文张泽：罗茨鼓风机扭叶转子的数控加工正文第31页共33页1.绪论刨削加工是传统的加工方法之一，具有刀具制造简单，生产准备时间短的特点。在加工窄而长的表面时，若采用强力刨削及宽刃刨刀精刨平面，能够获得较高的生产效率和较好的表面上的质量。并且，对不通孔或有障碍台肩的孔内键槽，刨削加工几乎是唯一的加工方法。因此，在实际生产中，尤其是在单件生产中，刨削加工占有较高的比例。扭叶罗茨鼓风机与直叶转子罗茨鼓风机相比，由于扭叶罗茨鼓风机具有工作平稳、能耗低、高效及噪声低等优点，因此在建材、电力、冶炼、矿山...
南通农业职业技术学院学生毕业论文张泽：罗茨鼓风机扭叶转子的数控加工正文第31页共33页1.绪论刨削加工是传统的加工
之一，具有刀具制造简单，生产准备时间短的特点。在加工窄而长的表面时，若采用强力刨削及宽刃刨刀精刨平面，能够获得较高的生产效率和较好的表面上的质量。并且，对不通孔或有障碍台肩的孔内键槽，刨削加工几乎是唯一的加工方法。因此，在实际生产中，尤其是在单件生产中，刨削加工占有较高的比例。扭叶罗茨鼓风机与直叶转子罗茨鼓风机相比，由于扭叶罗茨鼓风机具有工作平稳、能耗低、高效及噪声低等优点，因此在建材、电力、冶炼、矿山、港口等领域有更广泛的应用。转子是鼓风机的重要零件，它的加工精度直接影响鼓风机的性能。罗茨鼓风机转子按叶数可大致分为二叶和三叶，按叶轮形状可大致分为直叶和扭叶。而就声学性能上来说，三叶优于二叶，扭叶优于直叶。现在直叶转子在鼓风机结构中已经广泛使用，而扭叶转子虽然声学性能比较好，但是由于目前国内在扭叶转子的数控加工方面的研究相对较少，并且缺少对转子曲面的几何特性的定量分析，以至于造成了加工精度不高、加工效率低下等缺点。国内所见的对于扭叶罗茨鼓风机的研究有用成型刀加工扭叶转子的，但是存在着刀具磨损较快，不易修复的缺点，也有用刨床加工扭叶转子的，但是也存在着加工精度低，振动较大等缺点。目前国外扭叶罗茨鼓风机转子的加工多用专用数控机床加工，具有成本低、效率高等优点。由于国内扭叶转子的加工方法存在着加工精度低、成本比较高等缺点，以至于目前国内扭叶罗茨鼓风机还是以进口为主，国内企业还没形成批量生产扭叶转子。为了进一步提升扭叶转子数控加工的质量和效率，进一步促进扭叶罗茨鼓风机国产化。本文介绍了用球头铣刀数控加工罗茨鼓风机三叶扭叶转子的刀具参数及其走刀步长和切削行距的定量几何模型。数控技术作为现代制造业的基础，被应用在刨削加工中，给这一传统的生产模式带来了深刻的革命性的变化。数控刨削的加工方法，不仅可用于简单平面的加工，还可以加工象连铸机结晶槽、耐火砖模具、汽轮机叶片等这样复杂的异形零件以及象罗茨鼓风机扭叶转子这类具有回转轴螺旋形零件。这些都大大拓宽了刨削加工原有的适合使用的范围，为这一传统加工工艺注入了新的活力。1.1罗茨鼓风机的国内外发展概况及发展的新趋势1.1.1罗茨鼓风机的发展概况罗茨鼓风机是一种典型的气体增压与输送机械，具有工作稳定，机械效率高，结构相对比较简单，操作便捷等优点，被大范围的应用于很多领域。自从1854年，美国人弗朗西斯和菲兰德.罗茨（Francis&PhilanderRoots）兄弟发明罗茨鼓风机以来，它在实际生产中的应用已经有150多年的历史。从最初在冶炼工业上的应用，逐渐延伸到建材、电力、化工与石油化学工业、矿山、港口、轻纺、邮电、食品、造纸、水产养殖和污水处理等许多领域。我国于1951年开始制造罗茨鼓风机。从五十年代的仿制阶段，六十年代、七十年代的独立设计和行业联合设计阶段，到八十年代的引进吸收和创新阶段，我国风机工业发生了深刻变化，先进的技术得到了消化，形成了一定的生产能力。进入九十年代罗茨鼓风机技术开发活动更趋活跃。以长沙鼓风机厂为例，该厂先后开发出SR系列三叶鼓风机、WR系列水下鼓风机、JR系列两叶成组和JS系列三叶成组鼓风机，并承担国家“八五”科技攻关任务，研制出RCT系列单级高压鼓风机和RVT系列单级干式高负压真空泵，填补了国内空白。国外生产罗茨鼓风机的著名厂家有日本的日立、三井、三菱、川崎、石川岛、华中科技大学硕士学位论文荏原和神钢；美国的德莱赛、英格索兰、德拉瓦、爱利奥特、库佩尔和阿里斯；德国的德马格、GHH和波尔齐格；以及意大利的新比隆公司；瑞士苏尔寿公司和俄罗斯涅瓦工厂。其中罗茨鼓风机的年产量进入世界前3名的为：美国德莱赛--兰德公司、德国德马格公司和意大利新比隆公司。这一些企业生产的罗茨鼓风机技术水平先进、性能可靠、产品质量好；结构紧密相连、占地面积小，运输、安装极为方便。但是，这些厂家的罗茨鼓风机产品价格也比较昂贵。随着我们国家经济的迅速发展，罗茨鼓风机的需求呈扩大趋势。有关调查资料显示,“十五”期间，为满足石油、化工、化肥、轻工、煤气、造纸及污水处理等行业配套的需要，预计共需要罗茨鼓风机2万台左右。这对我国罗茨鼓风机行业的发展即是机遇又是挑战。我国鼓风机行业的设计制造水平，虽然经过多年的一直更新和发展，但是同国外著名的厂家相比，许多方面仍然有差距。如现有的罗茨鼓风机高效基本级系列不全，效率较低；加工水平落后，噪声较高等。尤其是在罗茨鼓风机三元叶轮的加工方面，与国外的先进加工工艺还存在很大的差距。如意大利新比隆公司采用开槽焊接技术，德国德马格公司采用钎焊接技术，而国内还未将这些技术应用于生产；在五座标铣制叶轮方面，国外先进厂家的加工效率比国内高2~3倍；在叶轮焊接方面，国外采用数控自动焊，而国内还在沿用手工电弧焊的落后工艺方法。因此，提高设计和制造水平，是推动我们国家罗茨鼓风机行业腾飞的基础和关键。1.1.2罗茨鼓风机的发展的新趋势罗茨鼓风机的发展的新趋势，主要是进一步提升效率、降低噪声、增强可靠性及扩大应用场景范围。(1)提高效率。主要是优化叶轮型线。改善叶轮“啮合”间隙的内密封效果；提高鼓风机的制造精度，改善转子间隙的均匀程度，并使之尽可能缩小，由此减少气体泄漏，提高容积效率。此外，要合理匹配电机，防止“大马拉小车”的情况。(2)降低噪声。重点是进行低噪声技术开发，如：预进气结构设计、三叶扭叶转子加工等，以减小气流脉动，降低气体动力性噪声。同时应不断改善叶轮平衡品质，提高同步齿轮制造精度，以减小振动，降低机械性噪声。大多数情况下，还需要采取消声和隔声等辅助措施，控制噪声在传播途径中的辐射，以使用户得到满足对低噪声的要求。(3)增强可靠性。一是改进产品实物质量，二是加强安全保护的方法。为此，应注重低压安全阀和逆止阀的研制与配置，并利用微机控制技术，对鼓风机的压力、油温、电流等运行参数进行自动监测，通过联锁或报警等方式，对鼓风机起动、运行及停车过程来控制，使其处于安全、稳定、可靠的受控状态。(4)扩大应用场景范围。应注重密封技术与材料技术的应用研究，改进产品的密封性、耐磨性、抵抗腐蚀能力、阻燃防爆性等，以满足各种易燃、易爆、有毒、含尘及腐蚀性气体的输送要求。也可针对高温、高压或高负压等特别的条件，开发适销对路的产品，以此扩大罗茨鼓风机的应用场景范围，向别的类型鼓风机和线罗茨鼓风机的工作原理及分类1.2.1罗茨风机的工作示意图（如图1）1.2.2罗茨鼓风机的工作原理罗茨鼓风机是一种双转子压缩机械，两个转子的轴线互相平行。其工作原理如图1.1所示。通过主、从动轴上的齿轮，使两转子作等速反向旋转。而完成吸气、压缩和排气过程。当左侧转子作顺时针转动时，右侧转子作逆时针转动，气体从下面进口吸入。随着旋转时所形成的工作室容积的减小，气体受到压缩，最后从上面出口排出。两叶轮转子之间、叶轮转子与机壳及墙板之间，既要保证相互不摩擦碰撞，又要保证不因间隙过大而使输送气体过多泄漏。同时，由于两只转子的外形，具有特殊的曲线，在运动时，始终能保持微小间隙，把进气与排气空间相互隔绝，使排出的气体尽量不返回进气室空间。。五个转子位置，表示转子在旋转三分之一圆周中的工作过程，接下去的三分之一圆周又以同样的顺序重复。假定叶轮与叶轮、叶轮与机壳之间的间隙为零，并将上叶轮与机壳的接触点用a1和a2表示，下叶轮与机壳的接触点用b1和b2表示。机壳分为三部分。左面为吸气腔，腔内的压力与进气压力相等。右面为排气腔，腔内的压力处于排气压力的作用之下。上叶轮与机壳围成封闭的基元容积V1，其内部压力等于进气压力。随着上叶轮右面接触点a2的消失，基元容积V1开始与排气腔连通。排气腔内的高压气体，突然由回流缝隙1迅速向基元容积V1回流，使其压力陡然由吸气压力上升至排气压力，这就是等容压缩过程。只不过上、下两个叶轮互换位置而已。原来在基元容积V1内的气体被推到排气口，下叶轮与机壳在b1和b2两处接触，构成新的基元容积V2。当叶轮旋转到位置时，随着接触点b1的消失和回流缝隙2的开启，基元容积V2与排气腔相通，此时的情况的相似。，基元容积V2的气体也被推到排气口去了，新的基元容积V3出现在先前V1所在的位置上。至此，上下两个叶轮各自旋转三分之一圆周，分别输送了一个基元容积的气体，达到了输送气体的目的。1.2.3罗茨鼓风机的分类罗茨鼓风机叶轮转子有很多种分类方式。按照转子的头数可分为两叶转子与三叶转子；按其形状可分为直叶转子与扭叶转子。两叶转子均为直叶，三叶转子有直叶和扭叶两种形状。就工作性能而言，三叶优于两叶，扭叶优于直叶。此外，还有下列各种分类方法：按照工作方法不一样，罗茨鼓风机有单级与双级、干式与湿式之分。按冷却方式分，有空冷鼓风机、水冷鼓风机和逆流冷却鼓风机等。按结构型式分，有立式鼓风机、卧式鼓风机、竖轴式鼓风机、密集成组型风机等。本文中，主要是针对罗茨鼓风机转子的第一种分类方式（两叶与三叶之分，直叶与扭叶之分）进行讨论。1.3罗茨鼓风机叶轮转子加工技术的重要意义从上面所讲的罗茨鼓风机发展的新趋势能够准确的看出：作为风机核心部件的叶轮转子，其发展的新趋势在很大程度上决定了风机的发展。因此，罗茨鼓风机叶轮转子的加工具有很大的意义[7-8]。大多数表现在以下几个方面：风机转子的加工精度直接影响风机的使用性能。由于两叶轮相啮合来实现鼓风机的正常工作，其转子的加工质量直接影响啮合过程中叶轮之间的间隙。当间隙过大时，没办法完成气体的压缩，进而影响风机的鼓风量，甚至不可以进行鼓风。如果间隙过小，在鼓风的过程中转子会因工作发热而升温，导致转子膨胀，产生干涉现象，使风机异常工作或者使风机破坏。风机转子工艺流程中中心不对称直接影响风机的常规使用的寿命。在转子加工中，由于加工的问题，即使加工的转子通过配对能很好的啮合，然而由于加工对称度有一定的问题而使其动平衡不理想。这样会因为叶轮的质量偏心而造成两传动齿轮在啮合时产生冲击，使啮合齿轮的常规使用的寿命明显降低，同时引起整个鼓风机的振动，对其他装配件的常规使用的寿命也会产生较大的不良影响，以此来降低整个风机的常规使用的寿命。风机转子加工表面上的质量和转子轮廓曲面质量直接影响风机工作噪声。这两者直接影响啮合时转子间的间隙的均匀性，而啮合时的间隙是否均匀对转子之间的气体流动的波动情况存在比较大的影响。如果在转子加工时，加工的表面上的质量不好或者轮廓曲面不是十分理想，这样会造成转子之间的气体波动较大，非常容易导致较大的气体动力学噪声，直接影响风机周围的环境。由此可见，风机转子加工对罗茨鼓风机的发展有重要的意义，它直接影响风机的性能和常规使用的寿命，也影响风机将来的发展。尤其在当今社会环保成为社会日常生活中的重要课题时，风机转子的加工工艺的好坏对罗茨鼓风机的发展具有举足轻重的作用。1.4国内外罗茨鼓风机叶轮转子加工工艺1)仿形法(靠模法)采用仿形法加工罗茨鼓风机叶轮转子，其加工原理与其他仿形加工方法一样，首先要根据罗茨鼓风机叶轮的型线方程来计算、设计和制造靠模板。然后以靠模板为基准运用仿形原理，加工出符合标准要求的转子型线。在工艺流程中，靠模板会发生磨损，而且靠模加工方法本身的精度不是很高，这样导致加工后的转子型面误差较大，两转子在装配时往往无法正确啮合。所以加工后一般都需要对转子成对进行人工刮研。这样不仅不利于提高生产率，而且没办法实现转子在装配时的互换性。这种方法是一种比较传统的加工方法。现在这种加工方法的使用已经比较少，主要是在一些小型生产企业。2)范成法范成法加工罗茨鼓风机叶轮转子是利用啮合原理进行的。罗茨鼓风机工作时两转子相互“啮合”，因此叶轮转子可以看作是齿数为2或者3的齿轮。机床强制工具齿轮（刀具）与转子毛坯之间作啮合运动，从而在转子毛坯上切出轮廓来[12]。其中工具齿轮的节圆等于叶轮的分度圆或基圆直径。以上介绍的仿形法与范成法一般只能用于加工相对固定的叶轮型线，这对于目前多品种小批量的产品很不适合，特别是三叶叶轮的加工，尤为不方便。相比之下，数控加工成为叶轮加工改革的主要方向。3)数控加工方法数控技术是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用。它所具有的高精度、高柔性、高效率等优点现在已被人们广泛认可。随着数控技术在生产中的广泛应用，传统机械工业的产业体系和生产模式发生了深刻的革命性的变化[9]。近年来，国内外已经有不少厂家用数控刨床、数控铣床、数控车床等数字控制机床加工出多种型号的罗茨鼓风机叶轮转子。数控加工的产品品种类型多、精度高，互换性好；同时加工效率高，操作简单便捷。这些优点使得数控加工方法成为罗茨鼓风机叶轮加工的必然趋势。更重要的是：数控技术的应用，为工作性能较好的三叶扭叶转子的加工提供了新的途径，使这种转子的批量生产成为可能目前市场上，罗茨鼓风机两叶转子已经实现了数控加工。但是，三叶转子，尤其是扭叶转子的加工，数控技术的应用非常有限，这类转子的产量也非常小。数控刨削加工扭叶转子，具有工艺简单，加工效率高的优点。因此，开发针对罗茨鼓风机扭叶转子数控刨削加工的专用系统，将会拥有非常良好的经济效益与广阔的未来市场发展的潜力。。1.5本文的立题和主要研究工作本文以罗茨鼓风机扭叶转子的数控加工项目为背景，对加工具有回转轴螺旋形零件的数控刨削技术进行研究，实现基于开放式数控系统平台的罗茨鼓风机扭叶转子的刨削数控加工。本文具体进行了以下几个方面的工作：1）建立罗茨鼓风机转子的数学模型，然后从转子的端面型线及转子的形状两方面做比较，选择最优的转子类型。2）对罗茨鼓风机扭叶转子进行工艺分析，进而比较了几种数控加工方法，从而选定数控刨削加工工艺。3）根据现有罗茨鼓风机生产厂商的技术条件和设备情况，确定数控刨削的总体方案。包括机床结构的改进，运动控制方案及位置控制方式的选择等。4）在华中“世纪星”数控平台上，完成刨削数控系统的应用开发2罗茨风机扭叶转子的加工工艺分析2.1算例已知某型号的扭叶转子的基本信息参数如下：转子的节圆半径r=42mm，，转子螺旋转角，螺距T＝858.865mm，螺旋参数=136.69mm，行间残留高度h=0.08㎜,步长误差e1=0.06㎜。2.2扭叶转子的端面曲线三叶扭叶转子罗茨鼓风机的端面型线个周期相同的轮廓线首尾相连而成，因此，可以只对一个周期做多元化的分析。三叶扭叶转子罗茨鼓风机端面型线有：外圆弧及其包络线型、内圆弧及其包络线]可知：内外圆弧加摆线型才是最佳型线。所以本例转子端面型线即采用内外圆弧加摆线为外圆弧曲线为内圆弧曲线为内圆弧曲线为外圆弧曲线。转子节圆半径为r，内外圆弧半径为。内圆弧C4的曲线的曲线，摆线分别与曲线关于X轴对称，所以能很容易得到它们的曲线方程，在此不再一一写出。2.3螺旋曲面上的主曲率分析在加工螺旋曲面之前，首先应该确定所用刀具及其参数，为此应该要依据微分几何原理计算曲面上各点主曲率的大小。由于篇幅有限，因此以曲线形成的螺旋曲面为例求出其主曲率。根据式（1）内圆弧C4的曲线方程能够获得其螺旋曲面方程[5]：(4)图1转子端面曲线式中为圆弧半径；为转子的螺旋转角；为螺旋参数，=，T为螺旋面的导程。根据微分几何中关于主曲率的原理，通过求出曲面上任意点的主曲率，找出最大主曲率，以便于确定数控加工所用的最大允许球刀半径，为此先求相关基本量[6]。(5)(6)(7)曲面的第一类基本量为(8)曲面的单位法矢量为(9)曲面的第二类基本量为(10)将上述各基本量代入主曲率方程：(11)所以当确定一个曲线参数就可以求出该部分螺旋曲面的主曲率和,曲面的主曲率。根据计算能确定该曲面上的最大的曲率K0，因此无妨设0,0,令(12)同样也可以求得其它部分螺旋曲面的主曲率。由计算可知，转子内圆弧螺旋面上K＜0,因此所有的点均为双曲点，外圆弧螺旋曲面上K＞0，因此所有点为椭圆点，摆线，所有点为椭圆点。因此仅应该要依据曲面的凹向最小主曲率半径选择刀具参数，防止走刀步长内的干涉；而根据凸向的最小主曲率半径确定切削行距等参数，在保证加工精度的前提下，以获得最高的加工效率。为此，设各个不同曲面的最大主曲率为，最小主曲率为，得出整个螺旋曲面上的最大主曲率K1和最小主曲率K2，因此可得：(13)于是可以求得整个螺旋曲面的最小主曲率半径为(14)式中R1为转子曲面凹向的最小主曲率半径；R2为转子曲面凸向的最小主曲率半径。加工工艺1.3.1理及分类2.4球头铣刀的半径选择依据球面的特征决定了球面铣刀的任一方向法曲率都是其半径的倒数，故用球面铣刀铣削转子螺旋曲面时，数控加工仅需三轴联动。球面铣刀的半径R应当满足：R＜R1（15）当然确定刀具半径时还应该要考虑刀具规格和被加工面的边缘残留高度等情况。把实例中的数据带入公式，可以得球头铣刀的半径为8mm。2.5球头铣刀对应的步长在用球头铣刀来加工螺旋曲面的时候，铣刀对应步长的确定要分两种情况来定。对于图2a所示的凹向螺旋面，因为凹向螺旋面的端面曲线为内圆弧，所以曲面沿步长方向的法曲率半径为R1，所以步长应该满足[7-8]：(a)凸曲面（b）凹曲面图3球头刀行距(a)凹曲面（b）凸曲面图2球头刀步长(16)同理对于图2b所示的凸向螺旋面，可以求得步长应当满足：(17)因此实际的综合步长取值应为(18)把实例中的数据带入公式，可以算出球头铣刀对应的步长为2.6mm。2.6球头铣刀对应的行距在进行螺旋曲面加工而确定行距时，要分为凸曲面和凹曲面。如图3所示，加工曲面的曲率就是螺旋面的主曲率，由已定刀具半径为R，给定许用加工误差值为h，这样做才能够计算出切削行距[9]为凹曲面的球头铣刀行距：(19)凸曲面的球头铣刀行距：(20)当给定最大允许误差h后，由上式可以求出行距，当然实际行距值一定要满足：(21)至此已全部给出了方案实施中对应的全部模型。综上，用Matlab编程计算出R1和R2，运用前述模型可求得有关参数见表1。表1扭叶转子螺旋曲面数控加工的刀具参数、步长、行距及其误差 R1，R2 刀具 刀具半径/㎜ 步长/㎜ 步长误差/㎜ 行距/㎜ 行间残留高度/㎜ R1=21.689㎜R2=25.128㎜ 球头铣刀 8 2.6 0.06 2 0.083扭叶转子的加工3.1加工方法的确定扭叶转子，顾名思义，就是将直叶转子的前后两个端面相对扭转过一个角度。我们也可以将它看成是圆弧斜齿轮，只是这个斜齿轮的齿数较少，只有3个齿。扭叶转子上的螺旋槽，在第二章己分析过了，实际上就是圆柱螺旋面，它是由扭叶转子的端截面上的转子型线在沿着转子轴线前进形成柱面的同时，绕着转子轴线旋转过一个角度而综合而成的圆柱螺旋面。具体的螺旋面方程及其上的法向量，己经在第四章给出了。本章讨论刀具设计及加工方法。在生产实践中具有螺旋面的工件很多:螺纹、蜗杆、螺旋齿轮(斜齿轮)、螺旋泵、及各类螺旋齿刀具(钻头、螺旋绞刀、铣刀、拉刀)等。这些工件的螺旋面都有一个共同的特点，即:螺旋面的螺旋参数从上式能够准确的看出，对于P=常数的螺旋面来说，在不同半径(ry,)的圆柱面上的螺纹升角(BY)是不相同的。因此，加工这类螺旋面的刀具(盘状铣刀或指状铣刀)与被加工螺旋面的接触线不可能是平面曲线，而只能是一条空间曲线。因而刀具的刃形与螺旋面的任一截面(哪怕是法截面)的截形都不相同，必须重新计算【321】在本次设计中，决定采用盘形铣刀来加工出扭叶转子，即:利用万能铣床能用来加工螺旋面这一性能，设计出一把盘状铣刀，加工出所需的扭叶转子。3.2盘型刀具的刃型设计要设计出所需的盘状刀具，得到正确的刀具刃形，必须要建立如图3一1所示的坐标系，并利用前面的螺旋面形成原理，研究盘状刀具加工螺旋面的原理，进而设计出所需的刀具。3.2.1坐标系的建立用盘形刀具加工圆柱螺旋曲面时，刀具与工件(指待加工的螺旋曲面)的相对位置如图5-1所示。工件在右手坐标系0一x,y,z中，其轴心线与z轴重合。刀具在右手坐标系O一X,Y,Z中，其回转轴轴心线与Z轴重合。o-x,y,z坐标系的x轴与O一X,Y,Z坐标系的X轴重合，且方向一致。刀具轴心线与工件轴心线之间的夹角(又称刀具安装角)为E，两轴心线的最短距离(又称中心距)为a。上述两个坐标系的空间位置是固定的，不随工件和刀具的相对运动而改变331。这两个坐标系的坐标变换关系为:图3-1加工示意图X=a一xY=-ycos}-zsinZ=-ysin+zcos和X=a-xY=-Ycos-ZsinZ=-Ysin+Zcos3.2.2啮合原则在工艺流程中，刀具绕自身轴线作回转运动，同时，工件绕自身轴线作参数为P的螺旋运动，从而加工出螺旋面来。假设工件上己经有了正确的螺旋面，刀具的原始刀具面己形成，则在相对运动的任一瞬间，工件螺旋面与刀具原始刀具面将沿某一空间曲线相切接触。当工件作螺旋运动时，该空间曲线上面的每一个点都沿通过该点的螺旋线运动，因此这个工件螺旋面在空间就好像没有运动一样。而刀具作回转运动，原始刀具面是回转面，当它绕自身轴线转动时，这个回转面在空间的位置也是不变的。因此，工件螺旋面与原始刀具面可以看成是空间相切接触的两“固定”曲面，它们沿某一空间曲线相接触(相切)，这条空间曲线既在工件螺旋曲面上，又在刀具回转面上，称为接触线。刀具与工件的运动都不影响这条接触线的形状和位置，接触线的形状和空间位置是相对不变的。与齿轮的空间啮合原理相似，在接触线上，两曲面必定遵循以下啮合原则【34】(1)接触线上的各点均为两曲面的公共点;(2)曲面在各接触点均相切;(3)过某一接触点的的两曲面的公法线与两曲面任一方向上的切线相垂直;如果这条接触线能求出，则令它绕工件轴线作参数为P的螺旋运动，就能得到工件螺旋面，它是该接触线在与工件相固连的坐标系中的运动轨迹面。令该接触线绕刀具轴线作回转运动，就形成原始刀具面，它是该接触线在与刀具相固连的坐标系中的运动轨迹面。所以盘状刀具加工螺旋面的问题就可以归结为求这一条在空间的位置固定不变的接触线的问题。因此可把加工(造型)时，工件的螺旋运动看成是进给运动，而只把刀具绕其自身轴线的回转运动看成是造型运动，这样做才能够大大简化计算，但不影响造型的实质【3p-36】3.2.3接触条件式综上所述，可以将圆柱螺旋曲面的成形铣削加工工艺过程用图5-2所示的向量关系来归纳表示，图中所示的M点是工件螺旋曲面与刀具回转面的一个接触点。它相对于两坐标原点的径矢分别为:设刀具回转的角速度为W，工件回转的角速度为田，螺旋参数为P，工件上的M点与刀具上的M点的相对运动速度为IIIv可求得如下:M点沿螺旋线运动时的线速度yr为vIv=}(kxr+pk)M点随刀具运动时的线速度VII为VII=}(kxR)所以相对运动速度VIII为VI”=v，一VII=w(kx;+砂)一w(kxR)又根据“回转面和螺旋面在接触点处有公共的法线矢量n，而且相对运动速度应该与公法线垂直”这一条件可知，接触线的条件应为:VI}n=0或。(kxr+pk)}n一c}(kxR)n=0这就是刀具和工件表面的接触线应满足的门槛式。因为，在本次设计中，工件的螺旋面是已知的，而刀具的回转面是待求的，根据第四章所介绍的可知，螺旋面上任意一点的法线n与过该点的线速度VI相垂直，既n}v二n}(kxr+pk)二0。因此，可进一步得到螺旋面上的接触线的条件式:和上式中参数的具体意义与第四章中参数的具体意义相同。3.2.4盘形铣刀廓型设计的通用方法在上式中，x，y，“，n二，气,n:都是曲面坐标参数(a,9)的函数，所以当确定了安装角艺和中心距a以后，上式都可写成F(a,9)-0的形式。根据第四章求出的工件螺旋面的方程及其给定的尺寸，将工件螺旋曲面的母线按一定的规则离散化，选定其上任一点的“，值。就能够准确的通过F(a,B)=0解出一系列对应于a的哄值，把这一对对的(a;,乓)值代入工件螺旋面的方程就能求出工件螺旋面上接触点的坐标，它是以坐标(x,y,z)表示的，进而得到了整条接触线)把接触点的坐标变换到与刀具相固连的坐标系O一X,Y,Z中，则可求出铣刀的原始刀具面上的接触线。它是接触点在与刀具相固连的坐标系O一X,Y,Z中的轨迹(总和)。铣刀的刃形通常指的是它的轴向截形，即过x一z的平面截原始刀具面所得到的截形。设原始刀具面与工件螺旋面的接触线为BnCn，点A。是它上面的任意一点。在刀具轴向截面内(X一Z)内，鸡点的对应点为凡。显然它的坐标由垂直于Z轴的铣刀圆的半径R以及决定这个铣刀圆的位置的坐标Z所决定。因此只要求出一系列的(Z,R)值，刀具的刃形就被唯一的确定了，见图5-3a而(Z,R)可用下式来求得:3.2.5扭叶转子盘形铣刀实例本论文的主要任务之一是设计并加工出罗茨鼓风机的扭叶转子，其端截面的形状如图3-4所示，型线因为罗茨风机的转子是相互啮合运转的，所以两个转子一个为左旋，另一个为右旋。在本次设计中，扭叶转子端截面的尺寸如下表，来源见式((2-13一15):扭叶转子工艺参数的确定:外圆螺旋角的确定参考国外的产品，初定扭叶转子的外圆柱螺旋角为250，在此计算一下转子外圆柱的螺足巨T:T=D/tg25=2x63.74x/0.466=858.85mm根据铣床挂轮架的结构，参见本章第四节，可得到挂轮之间的关系式:2.中心距及安装角的确定本次加工的扭叶转子的端截面是由几条曲线组成的，其中内圆弧与摆线之间的相接处形成不圆滑的转折点(见图5-4)0若刀具的安装参数a及艺选得不合适，则加工出来的转折点处会留有一段过渡曲线，将使得工件出现过切或少切的情况如图5-5，其中ABCD为理论形状，}}kzliJzD为加工后的形状。因此，有必要调整刀具的安装参数a及艺，使得两曲线间的连接为完整的连接，即如图5-6所示，使得AB,BC两部分的接触线ab和be的端点能重合在一点b上，那么相应的刀具截形12和23的端点2和2也就能重合在一起(图5-6c)。在这种情况下，刀具上就能作出完整的理论刃形，因而避免了过渡表面。而安装参数Q及艺的计算公式也可得到如下【32】图3-6完整刃形条件示意图当刀具尖角的外圆与B点的螺旋线相切在然也就是刀具外圆的切线。又因刀具的轴线与投影必然和刀具轴线垂直，则可得到:b点时，从byoz平面平行，点作的螺旋线的切线t当因此，t在yoz平面上的投影必然和刀具轴线垂直，则可得到:式中ra一转折点B的半径oB;-oB与x轴的夹角;8一根据试算所选定的切点b的B值。将本次设计中的实际尺寸代入，即p=T12=152.788(mm)，根据扭叶转子的端截面的尺寸，可得到=/6(rad)，见图3-4，即图中的cob，根据试算初定=一0.09075(rad)，则铣刀与工件的对应中心距a为:因为中心距出现了小数值，故需调整e的数值，使得中心距为整数值，便于加工调整，经过优化整理可知，当8=-0.090595(rad)时，中心距a为相应的刀具安装角艺为因此本次加工的工艺参数列于下表:在前几章中，己经确定了转子的端截面采用的型线是内外圆弧加摆线型，并将其参数方程也求出了，同时还给出了由该型线所生成的螺旋曲面的参数方程)及螺旋曲面上任意一点的法向量的参数方程o因为扭叶转子的对称性，所以根据工件的截形尺寸，只需取端面型线的六分之一来作为螺旋面的母线(。然后，将各个参数方程中的参变量的取值区间进行离散，再代入到接触线)中，进而解出所对应的8值。因为该接触线条件式是一超越方程，其数字计算量比较大，因此用计算机求解相对来说还是比较容易些。在此，将本次设计中所用的遍历搜索计算程序列出(只给出圆弧段的):#includestdafx.h#includemath.h#includestdio.h#definepi3.1415926main(){FILE*印;doubleA,r,rl,p,a,b,m,x2,y2;doubleX,丫Z,R;doublex,y,z,x0,xO1,y0,y01,nx,ny,nz,j,k;//定义基本的参数A=120r--42.0;r1=84*sin(pi/12);p=152.788;//给基本信息参数赋值for(a=O;a=75;a=a+5)//使变量a在取值范围内离散{x0=r-rl*cos(a*pi/180);y0=r1*sin(a*pi/180);//端截面上的参数方程x01=rl*sin(a*pi/180);y01=rl*cos(a*pi/180);//参数方程的一次导数x2=rl*cos(a*pi/180);y2=-rl*sin(a*pi/180)刀参数方程的二次导数for(b=一10.0;b=10.O;b=b+0.000001)x=x0*cos(b*pi1180)-y0*sin(b*pi/180);y-x0*sin(b*pi/180)+y0*cos(b*pi/180);}p*b*pi/180;//螺旋面的参数方程nx=p*(x01*sin(b*pi/180)+y01*cos(b*pi/180));n}-p*(x01*cos(b*pi/180)-y01*sin(b*pi/180));nz=x0*x01+卯*卯1刃过任一点的法向量参数方程m=(A-x)*(ny+nz*tan(1.3262554))/nx+y+z*tan(1.3262554);//接触条件式if(fabs(m)=0.00001)//循环中止条件{X=A-x;Y=-y*cos(1.3262554)-z*sin(1.3262554);Z=-y*sin(1.3262554)+z*cos(1.3262554);//坐标变换式R=sqrt(X*X+Y*Y);Z=Z;//检验条件式J=一(l+sin(1.3262554)*sin(1.3262554)*((ny/tan(1.3262554)+nz)/nx)*((ny/tan(1.3262554)+nz)lnx))l(A-x);k=-pow(sin(1.3262554),2)/p/pow(nx,2)*((p*x-2*p*p/tan(1.3262554))*(nx*nx+ny*ny)/p/p-ny*nz+(p*p/tan(1.3262554)-p*x)*(p*p/tan(1.3262554)-p*x)*(x2*y01-y2*x01)/nx);printf(%6f%6f,%6f%6f%6f%6f\n,a,Z,R,b*pi/180}j,k);fp--fopen(螺旋n.txt,w);fprintf(fp,%6f,%6f\n,Z,R);fclose(fp);break;}else{//printf(thereisaerror)}}}return0}按照上述程序，能够获得下表所示的数据(序号表示曲线上的离散点，Q为参变e表示母线从起始位置绕z轴转过的角度，顺着z轴看去以顺时针方向转动为正，为铣刀圆的位置坐标，Rp为铣刀圆的半径。)在坐标系上将各点描出，并用光滑的曲线加以连接，能够获得如图3-7所示的刀具刃形，此刃形即为盘形铣刀在平面x一o一z上的刃形。图3-7盘形刀具刃形图3.4加工设施及调整本次加工所采用的机床是日本HITACHISEIKI公司的ML型升降台式铣床，实际上就是万能升降台式铣床，通过更换不同的刀杆，可以在卧铣床和立铣床之间进行切涣。它的主要技术规格如下:工作台最大行程(机动):纵向710mm横向(有支柱)220mm横向(无支柱)300mm垂直400mm工作台丝杆螺距6mm工作台台面面积(长X宽):1350×310mm工作台最大回转角度:45主轴中心线mm3.4.1机床的调整1.铣削螺旋槽的调整与计算【37】要利用卧式万能升降铣床来铣削扭叶转子，必须要对铣床和分度头做调整，主要进行以下的调整工作:a.将扭叶转子毛胚支撑在分度头主轴与尾座上的两顶尖之间，如图3-8(a)所示。图3-8铣螺旋面的调整图3-9工艺流程(左旋)b.将工作台绕垂直轴线偏移一个安装角，使铣刀的旋转平面与扭叶转子的螺旋曲面方向一致，如图5-8(a).图S-9为实际工艺流程中的机床及转子毛胚。对于左旋的扭叶转子，工作台顺时针转过一个安装角;右旋曲面的扭叶转子，工作台逆时针转一个安装角。c.在工作台纵向进给丝杆与分度头之间搭配挂轮，使工作台纵向移动的同时，分度头主轴能带动工件绕自身轴向连续转动，从而形成扭叶转子的螺旋曲面。因此，工作台带动工件移动和分度头主轴带动工件转动这两个运动之间应保持形成螺旋线的严格传动比关系，即:工件移动一螺旋线导程T(~)时，工件转1圈。由图3-8(b)铣削螺旋槽时的传动系统，可列出运动平衡式:将上式简化后，可得换置公式:式中:T丝杆一工作台纵向进给丝杆导程(T丝杆=6mm);工作台移动一螺旋线导程Tmm时，纵向进给丝杆的转数;b,c,d一一纵向进给丝杆与分度头主轴之间的配换挂轮。d.加工扭叶转子时，因为是三叶转子，即有三个螺旋曲面待加工，因此在加工完图3-10挂轮架结构简图一个螺旋曲面后，要用分度头进行分度，再铣第二个螺旋曲面。依此类推，铣削出全部的螺旋曲面。分度时，应将工件从工作位置退出，并拔出插销，断开分度头主轴与纵向丝杆之间的运动联系，然后用简单分度法进行分度。e.挂轮架的结构图5-10所示为挂轮架的结构简图。q为主动轴，即运动的输入轴，q为中间轴，O,为从动轴，即运动的输出轴。挂轮架上有一径向槽，可供轴03在槽内移动，以调整c与d轮的中心距;挂轮架可以q为中心在一定的角度范围内做摆动，以调整a与b的中心距。安装挂轮的方法和步骤如下:(1)在轴q与轴q上分别装好挂轮a与d;(2)在中间轴q上装挂轮b与c，调整中间轴q在径向槽中的位置，使挂轮c与d正确啮合后再用螺母将中间轴固定。(3)使挂轮架绕输出轴q中心向上摆动、保证挂轮b与a正确啮合，最后将挂轮架固定。搭配挂轮时一定要注意以下几个问题:齿轮的相互啮合不能太紧，应保证留有0.1~0.2mm的啮合间隙，否则会使噪声增大，齿轮的磨损加剧;在中间轴、套间应加入润滑油;搭配挂轮时，应先断电。图3-I1加工后的转子的端面图3-12加工后的转子图3-11,3-12所示为利用本章所求得的刀具刃形加工出来的转子，因在试制阶段，故采用便于加工的蜡模，以验证设计的正确性。从加工后的工件端面型线能够准确的看出，本章所求得的加工中心距a、刀具安装角艺、刀具刃形、加工方法、及机床调整等是正确无误的。全文结论本文为扭叶转子螺旋曲面数控加工提供了刀具参数、步长和行距的定量计算表达式，所建模型最大限度地考虑了可能会产生的最大误差，因而是可行和可靠的。本模型不仅适用于扭叶转子罗茨鼓风机的数控加工，还适用于直叶转子罗茨鼓风机的数控加工。致谢本设计在曹老师细心指导和严格要求下业已完成，从制品选择、方案论证到具体设计，无不凝聚着老师的心血和汗水，在三年的专科学习和生活期间，也始终感受着导师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。在此向曹老师致以崇高的敬意。不积跬步无以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业相关知识，并在设计中得以体现。正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，在此向南通农业职业技术学院机电系机制3073班全体老师表示感谢，感谢他们三年来对我的栽培。毕业论文是对自己的三年学习综合能力进行考核的一个方法。能够最终靠毕业论文说明自己在三年中所学到、掌握的知识。虽然我在毕业设计中投入了大量的时间，耗费了大量精力，但也从中学到了很多的知识。我之所以投入了这么多的时间，并不是为了论文的成绩，更多的是为了回顾自己三年来所掌握的知识及学习新理念，要自己主动去学，而不是老师要我学，被动学习变主动学习。由于本人知识浅薄,水平有限,设计肯定有很多不足之处，请各位老师批评指正参考文献[1]苏春模．罗茨鼓风机及其使用[M]．中南工业大学出版社，1999．[2]胡记生，朱天明，易先忠.加工圆柱螺旋曲面用盘形铣刀廓形设计的向量法[J].石油机械，1997，25（8）：7-9，48.[3]金健，龙海洋.罗茨鼓风机扭叶转子的数控刨床加工[J].机床与液压,2006(2)：64-65，41.[4]叶仲和，蔡海毅．三叶罗茨鼓风机三种圆弧型转子的曲率半径及比较[J]．风机技术，2001(3):12-16.[5]汪国平，刘占平，华宣积，等．螺旋曲面的等距曲面．计算机辅助设计与图形学学报[J]，2000（5）：321-324.[6]陈朝光，唐余勇，吴鸿业.微分几何及其在机械工程中的应用[M].哈尔滨工业大学出版社,1998:243-260.[7]唐余勇，任秉银.复杂曲面的区域分类与数控加工[J].河北科技大学学报，2002，23（2）：7-11，35.[8]BING-YINREN，YU-YONGTANG，CHA-KUANGCHEN.Thegeneralgeometricalmodelsofthedesignand2-axisNCmachiningofahelicalend-millwithconstantpitch[J].JMATERPROCESSTECH，2001，115C(3):265-270.[9]刘牧．数控加工表面粗糙度预测的关键技术探讨研究[D]．西北工业大学硕士学位论文,2006.[10]李建磊叶仲和/福州大学机械工程及自动化学院PAGE31_1248593455.unknown_1261910642.unknown_1261982706.unknown_1268640450.unknown_1268640573.unknown_1261988663.unknown_1261988931.unknown_1261988645.unknown_1261982685.unknown_1261910702.unknown_1261982656.unknown_1248763701.unknown_1248775652.unknown_1253378100.unknown_1253378192.unknown_1253378987.unknown_1253378141.unknown_1248775676.unknown_1248775750.unknown_1248763772.unknown_1248775602.unknown_1248763746.unknown_1248763462.unknown_1248763637.unknown_1248595040.unknown_1248595076.unknown_1248593486.unknown_1244620272.unknown_1248510904.unknown_1248593431.unknown_1245001800.unknown_1244700010.unknown_1244574091.unknown_1244616118.unknown_1244617257.unknown_1244574530.unknown_1244576988.unknown_1241339362.unknown_1244573898.unknown_1037366515.unknown
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