开题报告基于复杂截面螺杆磨削

题目基于复杂截面螺杆磨削技术的研究
一、选题的目的及研究意义
螺杆是一种常见的机械零件, 被广泛应用于压缩机、冷冻机、螺杆泵、橡塑机械等产品。

由于应用目的不同, 螺旋面成形机理各异, 螺杆型线也复杂多样, 这给螺杆的加工带来很大的困难。

目前, 我国螺杆加工工艺普遍比较落后, 通常采用铣( 车) 削成形热处理手工研磨抛光工艺; 除少数企业进口国外螺杆磨床之外, 绝大多数螺杆生产企业均未对螺杆进行磨削加工。

致使螺杆型线精度低, 表面粗糙度差, 严重地影响相关产品的质量。

如铣削的齿形精度只能达到0. 22- 0. 44 mm, 齿面粗糙度Ra1. 6-3. 2mm, 而磨削加工的精度可达0. 005 mm, 粗糙度达Ra0. 1- 0. 2 mm。

外, 螺杆最后的手工抛光劳动条件恶劣, 生产环境污染严重, 这是目前机械行业中少有的落后工艺!
螺杆应用最广泛的就是螺杆压缩机，具有易损件少、结构紧凑、运转平稳、寿命长、工作可靠性高和效率高等一系列独特的优点，广泛应用于空气动力、制冷及各种工艺流程中。

例如，在制冷行业发达国家采用螺杆压缩机已占到整个制冷压缩机市场的70％左右，相比之下由于设计及制造工艺等问题，我国目前螺杆压缩机只占整个制冷压缩机市场的30％左右，具有很大的发展空间。

转子是螺杆压缩机的核心零件，转子设计中最重要的是转子齿形的设计，其型线复杂，加工要求高，压缩机工作的可靠性、效率和噪声很大程度上取决于螺杆转子的加工精度。

从某种意义上讲，转子端面型线与齿形加工精度有内在联系的，齿形加工精度由加工工艺决定，转子型线的不断发展，促使转子加工工艺不断改进，加工工艺的不断改善又促进了转子型线的发展，由此推动螺杆压缩机性能不断提高。

随着计算机辅助设计技术在螺杆压缩机领域的应用，转子齿形的设计经历了三代变迁，设计也更加多样化、复杂化。

转子齿形的不断发展，促使转子加工工艺不断改进，对加工工艺的要求也越来越高。

因此，迫切需要采用先进的加工设备和加工方法来提高转子的质量。

以往转子齿形的加工，主要用铣削的方法：对称齿形可采用指状铣刀进行加工，但效率很低；而对于非对称齿形，一般采用指状铣刀进行粗加工，成形盘铣刀进行精加工。

但这种刀具设计和制造的工作量大，并需磨制样板，在昂贵的专用磨刀机上以样板为靠模磨削刀具刃形，生产周期长，制造加工成本很高，而且刀具切削后的磨损使得后期能重磨的次数有限，可谓之既费工又费时，贵重的刀具材料浪费极大。

转子一般采用铸铁材料制
造，加工时切削负荷较小，但零件在使用过程中易磨损和腐蚀；如果采用钢材代替铸铁，成形刀加工的切削负荷将急剧加大，产品的加工和改进都很困难。

因此，新工艺、新材料是今天螺杆工艺发展的主要目标之一，高精度机床的应用、高强度硬质合金刀具代替高速钢刀具以提高切削用量、转子综合测量及齿形测量等技术的出现，从技术、经济性分析，它们对螺杆式制冷压缩机的发展有着重要的意义。

二、综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等
由于近年来的数学模型和计算机模拟的发展，刺激和推动了新型线的研究，这些分析方法可结合起来成为过程分析的有力工具，而且省略了早期的直觉改进，复杂的反复试验测试的校验。

因此，在过去的几年里螺杆转子齿面型线最佳设计的方法己得到充分发展，且在不久的将来很可能会引发机床的性能更进一步的改进。

这一论点，在实践中得到了充分的验证，带有扫描式测头，能够自动测量，自动补偿的转子磨床的应用就是很好的例证。

目前国内外的发展状况：
1.型线的发展
随着对螺杆压缩机转子型线设计原理的逐步认识和转子加工方法的不断改进。

以及计算机辅助设计在转子型线中的应用，螺杆压缩机的转子型线大致经历了三代变迁:
(1)对称圆弧型线
第一代转子型线是对称圆弧型线。

应用于初期的螺杆压缩机的产品中。

由于对称型线易于设计、制造及测量。

这类型线逐被许多干式螺杆压缩机制造商应用。

(2)不对称型线
第二代型线是以点、直线和摆线等组成齿曲线为代表的不对称型线。

60年代后，随着喷油技术的发展，发展了以SRM-A型线为代表的第二代转子型线。

(3)新的不对称型线
上个世纪80年代后，随着计算机在螺杆压缩机领域的应用，精确解析螺杆压缩机转子的几何特性成为可能，在压缩机工作过程数学模拟的基础上，出现了各具特色的多种第二代转子型线。

性能优越的主要有GHH型线、日立型线、和SRM-D型线。

上个世纪90年代后，转子型线更加多样化，己能够根据螺杆压缩机的具体应用场合，专门设计高效型线，目前所有的喷油螺杆压缩机采用的都是不对称型线。

第三代不对称型线均采用圆弧、椭圆、抛物线等曲线。

这种改变可使转子曲面由线密封改进为带密封，能明显提高密封效果，还有利于形成润滑油膜和减少齿面磨损。

有代表性的有以下几种型线:
(1)GHH型线
德国GHH公司开发的一种新型线，其组成齿曲线为点、摆线、圆弧、椭圆及椭圆包络线。

(2)台湾复盛型线
其组成齿曲线为圆弧、圆弧包络线、椭圆及椭圆包络线。

(3)SRM-D型线
SRM-D型线是对SRM-A的进一步改进。

SRM-D型线其组成齿曲线为圆弧、圆弧包络线。

在
转子间完全实现“曲面对曲面”的密封，有助于形成流体动力润滑油膜，降低通过接触线的横向泄漏，提高压缩机效率。

(4)日立型线
日立型线综合了SRM-D型线和GHH型线的优点，齿数组合方面，与GHH型线相同。

在齿曲线组成方面，类似于SRM-D型线，均为圆弧及其包络线。

因此日立型线具有较好的综合性能。

2.转子的加工工艺
转子加工工艺，大致有如下几种不同的加工方法:
(1)轮廓铣
使用的是多刀片成型铣刀，需在具有精密轮廓测量的专用工具磨床上制造。

此方法对于加工传统的转子材料有效，并且有通用性和实用性。

在适当控制的条件下:例如，被加工零件的余量一致，在加工一批零件时对刀具磨损要适当进行管理，成型铣削具有获得所需轮廓精度的能力。

但是这种加工方法对刀具管理的要求比磨削更难于控制，特别是在不具有熟练技术的情况下更是如此。

这种认识是我公司决定引进一台新式磨削转子设备的重要原因。

(2)滚切
这种加工方法也很精密，但它没有被广泛用于转子加工，因为滚刀的购买、测量和维护费用很高。

继圆盘铣刀铣削法之后，70年代发展起来连续滚铣的新铣削工艺。

与盘铣刀铣削相比，连续滚铣生产效率高，齿形精度高。

据Sullar欧洲公司报道，德国GHH公司转子直径在204mm 以下均采用滚铣，加工工时比盘形铣削缩短5倍以上。

(3)镀层工艺
八十年代，国外发展了涂层，镀层新工艺。

涂层新工艺代替了成型精加工，简化了最后成型工艺，有利于提高转子啮合精度，减少了气体泄露，降低了加工成本，提高了生产率，由于涂层的保护作用，使机器可压缩有腐蚀性的气体，扩大了压缩机的使用范围。

(4)用镀层立方氮化硼(CBN)砂轮磨削
这种加下方法目前仍被一些制造商采用，立方氮化硼(CBN)具有高效切削作用，而且大部分的热量都呈现在切屑中。

这样就可以采用高(表面)线速度取得高材料去除率。

砂轮是在电镀之前由专业公司预先成型，此后可重复再镀多次，但制造成本相对较高，所以使砂轮寿命尽量长就很重要。

被加工零件的余量必须要小，这就对前道工序提出很高的精度要求。

转子若使用易切削钢，对砂轮寿命会产生不利影响。

在整个镀层砂轮的寿命过程，磨削加工的效率逐渐降低。

由于砂轮会逐渐磨损，转子轮廓的两侧必须采用分别走刀磨削，以防转子的齿廓变厚。

每次需磨去的量必须和一个磨好的工件或试件来进行精密监测比较。

(5)用可修整氧化铝砂轮磨削
氧化铝砂轮比CBN砂轮的磨削效率低，但是随着近年可修整砂轮材料的发展，己使金属去除率提高差不多一倍，从而大大地减少了加工时间和零件成本，而且可以接受的被加工余量也允许增大。

这种加工方法需要用精密成型砂轮修整系统，该系统对砂轮直径变化和对修整工具磨损应具有补偿能力。

砂轮通常是在机床上进行修整。

通过经常修整，氧化铝砂轮可以保持常新如一的状态，这就使得在砂轮寿命期内加工的工件具有很高的一致性，而且可以适于磨削各种软、硬材料而无不利影响。

与磨削及镀层CBN砂轮磨削相比，可修整的氧化铝砂轮具有刀具成本低的优点。

因此工件成本也比前两者低的特点，这种加工方法的劳动量也不像铣削那样大，因为铣削要求对刀具进行频繁的修磨。

新的转子型线可以被很快生产出来，不需要新的工装，因此这个方法非常灵活。

砂轮在世界范围内很容易购买。

精密铸造法是一种少切削或无切削的型线加工方法。

当转子采用球墨铸铁等金属材料时，这种加工方法可省去粗加工工序。

从目前转子磨床的运行状况看，用这种方法铸造转子，可以大大提高磨削的效率，降低制造的成本。

我国的螺杆压缩机转子是在70年代对国外产品进行测绘的基础上，逐步发展起来的。

齿形采用第二代不对称圆弧摆线齿形。

转子的加工工艺也基本上停留在圆盘铣刀铣削的水平上。

其他的零部件的结构及加工工艺基本没有变化，而且由于受加工水平的限制，许多部位还没有达到设计的要求。

我国96年以后陆续有少量厂家从国外引进转子磨床，主要用于空压机转子及蜗杆的加工。

制冷行业目前还沿用铣削的方法加工转子。

铣削能达到的型线的精度和表面粗糙度是比较低的，随着设计对螺杆型线尺寸及形状精度的提高，精铣已很难达到设计要求，粗糙度也直接影响螺杆付的使用寿命。

随着螺杆压缩机的不断发展，传统的铣削与滚削加工作为转子精加工，无论是从螺杆压缩机的高性能要求，还是从大批量生产、完全互换性要求看，都难以很好满足其要求。

从80年代开始，德国的Klingelnberg公司、意大利SU公司以及原来以生产转子铣床著称的英国Holroyd公司等相继推出了螺纹、蜗杆、转子磨床，从而使螺杆压缩机转子加工实现了从铣削向磨削的飞跃。

磨削成形法的出现，克服了滚削与盘形铣削存在的不足，与传统的加工方法相比它具有一系列独特的优点：(1)磨削精度较高(2)成形过程稳定性好(3)可获得更加合理的转子啮合间隙(4)有深磨削功能(5)适于各种不同型线(6)可实现高效生产。

螺杆压缩机的核心部件是一对按一定传动比作旋转运动的螺旋转子，而转子的端面型线是决定压缩机性能的主要因素,国内外学者对转子型线的研究非常重视，针对螺杆压缩机的用途需要，目前已研究和开发了许多具有优良性能的转子型线且应用于工业实际,一旦确定了一种端面型线，分析转子螺旋面的几何性质以及在计算机屏幕上动态模拟这种型线的阴阳转子啮合运动，无论是在螺杆压缩机的生产制造还是在压缩机性能评价方面都具有重要的实际意义同时，也为转子型线几何参数的优化设计提供极好的帮助，已经有学者应用微分几何和共轭曲面理论对螺杆压缩机的阴阳转子螺旋面的空间啮合运动进行基本的几何分析用Visual6.0编程来实现各种型线的阴阳转子啮合运动的计算机动态模拟分析，所推导出的几何量计算公式，适用于任何型线的转子，具有通用性，且比较规范，适合编制成计算机程序，可用来分析螺杆转子的几何性质和评价转子型线的优越性和质量以及预测螺杆压缩机的性能%同时齿廓啮合的计算机动态模拟为分析螺杆压缩机的工作过程提供了极好的帮助。

螺杆是一种常见的机械零件, 被广泛应用于压缩机、冷冻机、螺杆泵、橡塑机械等产品。

三、对本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或设计（实验）方案进行说明，论文要写出相应的写作提纲
转子齿形加工质量是保证螺杆加工精度的关键，目前，广泛使用的加工方法有盘形铣刀铣削加工法、展成法滚削和磨削成形法三种。

铣削加工法是4～6个齿一个个地分度铣削，属于非连续加工，有较大的分度误差。

因此，铣削加工存在生产率低和加工精度低的问题，从而影响压缩机的效率、可靠性，增大了噪声。

滚削加工与盘形铣削加工相比，能一次走刀完成加工，无需分度，理论上无分度误差。

因而其生产率较高，加工齿形精度高，齿距误差小。

这种方法比较适用于外径小、批量大的小型压缩机螺杆转子。

滚削法加工螺杆转子既可保证转子的加工精度，又可节省加工时间，但也存在着局限性，即螺杆的型线必须也用滚削方法加工才行。

而且型线还局限于标准齿形，即对称圆弧齿形和单边不对称摆线一销齿圆弧齿形两种。

由于单边不对称摆一线销齿圆弧齿形螺杆压缩机具有功耗低、机器气密性好等优点，因此，目前国内厂家几乎全部采用该种型线螺杆。

但其型面复杂，型面上存在尖点且为非对称齿形，因此，滚刀的设计制造困难，故以滚代铣的螺杆滚削新工艺也难以推广。

新型的加工方法——磨削成形法的出现，克服了滚削与盘形铣削存在的不足。

特点是砂轮被修整成与工件轮廓相吻合的形状，加工时砂轮与工件廓型全面接触，从而磨出工件整个廓型，是一种精度高、效率高、成本低的型面精加工方法。

我们将要解决的主要问题是对砂轮廓形的设计计算，砂轮结构修整器的设计、计算，满足转子磨削时的加工精度，绘制出砂轮修整器的装配图，撰写说明书。

研究方法（技术路线）：
螺杆的应用领域不同, 其截面形状的构成差异很大, 就同一类螺杆而言, 其型线也随螺杆直径、导程、螺旋角等参数的变化而变化。

根据成形磨削的要求, 不同型线的螺杆需要用不同截形的砂轮进行磨削。

因而, 螺杆的成形磨削, 首先需要计算磨削砂轮的截面形状。

一、砂轮截形的计算过程复杂, 理论性较强,其计算步骤如下:
螺杆的磨削加工其关键在于成形砂轮的修整, 而砂轮成形修整的首要任务是砂轮的截形计算。

异型螺杆成形磨削砂轮截形计算和修整步骤可归纳为如图2 所示的过程。

(1) 曲线的拟合
砂轮截形计算的主要依据是螺杆螺旋面型线参数。

螺杆型线是企业的技术机密, 通常不会向外界泄露, 往往只是以螺旋面轴截面或端截面离散点数据提供给机床厂商。

如果由这些离散数据逐点计算砂轮截形, 计算工作量较大。

为此, 可用多种二次曲线对这些离散点进行曲线拟合, 以减轻计算工作量。

笔者采用了双圆弧样条进行了曲线的拟合处理, 即在给定数据点之间用两段彼此相切的圆弧进行拟合, 并使各数据点到圆弧的距离控制在给定的误差范围内。

(2) 螺旋面方程建立
对螺杆型线离散数据点进行处理之后, 便得到一个个彼此相切的端截面或轴截面小圆弧段, 其方程为:
其中: Ri 为圆弧段半径, α为圆弧参数, L 为小圆弧段数。

以这些小圆弧段作螺旋运动便可建立分段的螺杆螺旋面方程：
其中: θ为转角, p 为螺旋参数。

由式(3) 可知, 若令Zi = 0 , 可得螺杆端截面型线方程, 若令Xi = 0 , 可得螺杆轴截面型线方程。

(3) 砂轮截形的计算
用成形砂轮对螺杆螺旋面磨削过程实质上是砂轮工作表面对螺杆螺旋面的包络成形过程。

由于砂轮工作表面是一个回转曲面, 若已知该回转面与螺杆螺旋面这对共轭啮合曲面的瞬时啮合线, 便能根据该瞬时啮合线求取砂轮轴截面形状。

两共轭啮合曲面啮合条件方程为:
其中: Δv 为两啮合面在啮合点的相对速度,h为啮合点处曲面公法线矢量。

式(4) 的含义为两共轭啮合面在啮合点处公法线方向的相对速度为零。

由式(3) 提供的螺旋面方程可求得啮合点的法线矢量, 代入(4) 式可得到砂轮与螺杆螺旋面分段的瞬时啮合线矢量:
其中: Xi 、Yi 、Zi 分别啮合线三坐标分矢量。

由瞬时啮合线矢量方程可方便的求得砂轮各截面处的半径值:
(4) 砂轮的修整
螺杆磨削成形砂轮截形计算获取后, 砂轮修整就不再成为问题。

用圆弧形金刚滚轮作为砂轮的修整工具, 按照所计算的轨迹作二维插补运动, 便能得到所需的砂轮成形工作表面, 其要求是: 修整滚轮圆弧半径应小于砂轮截形的最小曲率半径。

二、砂轮修整器的设计
砂轮修整器具有结构简单、轻巧、使用方便等特点，可对普通和超硬型砂轮进行整修。

其设计主要包括以下几个方面：
1、结构与工作原理：其结构主要由底座、升降座、转杆、转台座、右左滑块和前后滑块以及摇座和千分尺等部件组成。

2、设计修整圆弧部分
（1）修整凹圆弧的调整
（2）修整凸圆弧的调整
3、设计修整角度
工作原理简图
三、工艺过程分析和确定
以往，对于材质为铸件的非对称转子齿形，一般经指状铣刀粗加工→（半精铣）成形盘铣刀半精加工→（精铣）成形盘铣刀精加工来完成，刀具的材质通常均为高速钢。

用于磨削成形精铣刀的专用磨刀机若不是全自动数控磨刀机，需高费用线切割加工来制成磨刀样板，用铣床进行转子齿形加工时，首先精铣一对阴阳转子后，依据阴阳转子啮合间隙的检验结果，对铣刀进行反复的修磨，方可达到设计要求的间隙，才可以进行批量生产。

在加工过程中，需注意刀具磨损情况，如刀具有磨钝或烧着现象，须立即磨刀。

此种工艺设备和方案造成生产周期长，加工成本高。

若从国外引进昂贵的全自动数控磨刀机，因无法改变工艺过程，所以生产周期和加工成本没有明显的变化，生产效率无根本转变；而对于型线试验以及样机试制阶段的转子加工，成形精铣刀的设计与制造是不可缺少的，而转子齿形稍有变化，此成形精铣刀必将作废（若幸运也许只需重磨刀板），
这加大了试验和试制成本。

若引进转子齿形磨床，采用成形磨削技术作为螺杆压缩机转子齿形的精加工，则效果有以下几点：1.降低了对粗铣和半精铣的加工精度要求以及对磨刀样板的精度要求；若对于转子外圆相对较小的转子齿形，只经过成形盘铣刀粗铣之后，便可直接转入转子齿形磨床进行精加工，减少了多道工序的加工成本和工时；同时成形磨削齿形的效率很高，故大大缩短了生产周期；2.转子齿形磨床与以往作为转子齿形精加工设备的铣床相比，具
有可随意选择的多功能探测系统，包括探测转子轴径跳动、转子齿槽位置、齿槽深度、转子齿形的型线测量和偏差反馈等。

机床自身带有自动修整砂轮系统，并可以根据测量结果与转子理论型线的偏差来自动修改砂轮型线，使磨削后的转子型线满足设计要求，提高了齿形型线在线控制的精度；3.因为在转子齿形磨床上修整砂轮具有效率高和精度高的特点，所以，对于型线试验以及样机试制阶段的转子新型线的加工，可以采用“以实体成形磨削来代替铣削”的工艺方案，既省去了铣刀的加工成本和工时，缩短了试验和样机试制周期，又精确地反映出型线试验和样机试制效果。

综上所述，相应的转子型线的加工过程为：铣齿形→磨削转子齿形，此种工艺方案的确定和改进，必将带来很好的经济效益。

四、成形磨削机床的功能实现
成形磨削机床的特点列举如下：
（1）具有可随意选择的多功能探测系统，包括。

探测转子齿槽深度、齿槽位置、所有齿槽的转子型线测量和偏差反馈以及转子轴径跳动等。

（2）具有转子型线在线测量及反馈系统，可以根据测量结果与转子理论型线的偏差来自动修改砂轮型线。

（3）砂轮可自动定位到所需要的磨削角度。

（4）机床主轴具有全自动砂轮平衡系统。

（5）具有2轴CNC系统控制的砂轮修整器，可自动计算每次修整循环的砂轮型线，并且可以根据粗精修整的不同而编程控制修整进给率。

（6）具有全自动可编程循环系统，其中包括修整砂轮、型线磨削以及可选择的探测和型线测量。

五、数控程序编制技术
输入转子主要参数→处理单槽转子齿形端面型线数据→形成砂轮型线数据→进行数据分析、校验→设置转子型线检测点→计算砂轮宽度及其所需垫片厚度→校验在线检测型线所用的探头直径及探针臂的长度→设置左右修整轮的行程→设置砂轮磨削转子时的横向起始位置和终止位置→设置砂轮完全进入转子齿槽时（可以是尚未成形磨削的转子齿槽）砂轮所在的横向位置和转子所在的角度位置（动作名称：找槽）→设置转子轴径跳动的检测位置→设置转子型线的检测点位置以用来自动定心转子齿形→设置转子导程检测时的横向起始位置和终止位置→修整轮的修整速率!修整砂轮→作砂轮动平衡→找正，磨削首对阴阳转子→在磨床上最终检测型线和导程等→在三坐标测量仪CMM上检测型线、导程和分度等→应用CMM的检测结果对转子磨床的自身检测系统进行校对和纠正，兼顾阴阳转子啮合的实测间隙值→调整参数和程序。