數(shù)控加工羅茨鼓風(fēng)機(jī)扭葉轉(zhuǎn)子的幾何模型研究畢業(yè)論文

1、1.緒論刨削加工是傳統(tǒng)的加工方法之一，具有刀具制造簡單，生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間短的特點(diǎn)。在加工窄而長的表面時(shí)，若采用強(qiáng)力刨削及寬刃刨刀精刨平面，可以得到較高的生產(chǎn)效率和較好的表面質(zhì)量。并且，對不通孔或有障礙臺肩的孔內(nèi)鍵槽，刨削加工幾乎是唯一的加工方法。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，尤其是在單件生產(chǎn)中，刨削加工占有較高的比例。扭葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)與直葉轉(zhuǎn)子羅茨鼓風(fēng)機(jī)相比，由于扭葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)具有工作平穩(wěn)、能耗低、高效及噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，因此在建材、電力、冶煉、礦山、港口等領(lǐng)域有更加廣泛的應(yīng)用。轉(zhuǎn)子是鼓風(fēng)機(jī)的重要零件，它的加工精度直接影響鼓風(fēng)機(jī)的性能。羅茨鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子按葉數(shù)可以分為二葉和三葉，按葉輪形狀可以分為直葉和扭葉。而就聲學(xué)

2、性能上來說，三葉優(yōu)于二葉，扭葉優(yōu)于直葉?，F(xiàn)在直葉轉(zhuǎn)子在鼓風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)中已經(jīng)普遍使用，而扭葉轉(zhuǎn)子雖然聲學(xué)性能比較好，但是由于目前國內(nèi)在扭葉轉(zhuǎn)子的數(shù)控加工方面的研究相對較少，并且缺少對轉(zhuǎn)子曲面的幾何特性的定量分析，以至于造成了加工精度不高、加工效率低下等缺點(diǎn)。國內(nèi)所見的對于扭葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)的研究有用成型刀加工扭葉轉(zhuǎn)子的，但是存在著刀具磨損較快，不易修復(fù)的缺點(diǎn)，也有用刨床加工扭葉轉(zhuǎn)子的，但是也存在著加工精度低，振動較大等缺點(diǎn)。目前國外扭葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的加工多用專用數(shù)控機(jī)床加工，具有成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。由于國內(nèi)扭葉轉(zhuǎn)子的加工方法存在著加工精度低、成本較高等缺點(diǎn)，以至于目前國內(nèi)扭葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)還是以進(jìn)口為主

3、，國內(nèi)企業(yè)還沒有形成批量生產(chǎn)扭葉轉(zhuǎn)子。為了進(jìn)一步提高扭葉轉(zhuǎn)子數(shù)控加工的質(zhì)量和效率，進(jìn)一步促進(jìn)扭葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)國產(chǎn)化。本文介紹了用球頭銑刀數(shù)控加工羅茨鼓風(fēng)機(jī)三葉扭葉轉(zhuǎn)子的刀具參數(shù)及其走刀步長和切削行距的定量幾何模型。數(shù)控技術(shù)作為現(xiàn)代制造業(yè)的基礎(chǔ)，被應(yīng)用在刨削加工中，給這一傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式帶來了深刻的革命性的變化。數(shù)控刨削的加工方法，不僅可用于簡單平面的加工，還可以加工象連鑄機(jī)結(jié)晶槽、耐火磚模具、汽輪機(jī)葉片等這樣復(fù)雜的異形零件以及象羅茨鼓風(fēng)機(jī)扭葉轉(zhuǎn)子這類具有回轉(zhuǎn)軸螺旋形零件。這些都大大拓寬了刨削加工原有的適用范圍，為這一傳統(tǒng)加工工藝注入了新的活力。1.1羅茨鼓風(fēng)機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展概況及發(fā)展趨勢1.1.1羅

4、茨鼓風(fēng)機(jī)的發(fā)展概況羅茨鼓風(fēng)機(jī)是一種典型的氣體增壓與輸送機(jī)械，具有工作穩(wěn)定，機(jī)械效率高，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域。自從1854年，美國人弗朗西斯和菲蘭德.羅茨（francis&philander roots）兄弟發(fā)明羅茨鼓風(fēng)機(jī)以來，它在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用已經(jīng)有150多年的歷史。從最初在冶煉工業(yè)上的應(yīng)用，逐漸延伸到建材、電力、化工與石油化工、礦山、港口、輕紡、郵電、食品、造紙、水產(chǎn)養(yǎng)殖和污水處理等許多領(lǐng)域。我國于1951年開始制造羅茨鼓風(fēng)機(jī)。從五十年代的仿制階段，六十年代、七十年代的獨(dú)立設(shè)計(jì)和行業(yè)聯(lián)合設(shè)計(jì)階段，到八十年代的引進(jìn)吸收和創(chuàng)新階段，我國風(fēng)機(jī)工業(yè)發(fā)生了深刻變化，先進(jìn)技術(shù)

5、得到了消化，形成了一定的生產(chǎn)能力。進(jìn)入九十年代羅茨鼓風(fēng)機(jī)技術(shù)開發(fā)活動更趨活躍。以長沙鼓風(fēng)機(jī)廠為例，該廠先后開發(fā)出sr系列三葉鼓風(fēng)機(jī)、wr系列水下鼓風(fēng)機(jī)、jr系列兩葉成組和js系列三葉成組鼓風(fēng)機(jī)，并承擔(dān)國家“八五”科技攻關(guān)任務(wù)，研制出rct系列單級高壓鼓風(fēng)機(jī)和rvt系列單級干式高負(fù)壓真空泵，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。國外生產(chǎn)羅茨鼓風(fēng)機(jī)的著名廠家有日本的日立、三井、三菱、川崎、石川島、華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文荏原和神鋼；美國的德萊賽、英格索蘭、德拉瓦、愛利奧特、庫佩爾和阿里斯；德國的德馬格、ghh和波爾齊格；以及意大利的新比隆公司；瑞士蘇爾壽公司和俄羅斯涅瓦工廠。其中羅茨鼓風(fēng)機(jī)的年產(chǎn)量進(jìn)入世界前3名的為：美

6、國德萊賽-蘭德公司、德國德馬格公司和意大利新比隆公司。這些公司生產(chǎn)的羅茨鼓風(fēng)機(jī)技術(shù)水平先進(jìn)、性能可靠、產(chǎn)品質(zhì)量好；結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小，運(yùn)輸、安裝極為方便。但是，這些廠家的羅茨鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)品價(jià)格也比較昂貴。隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，羅茨鼓風(fēng)機(jī)的需求呈擴(kuò)大趨勢。有關(guān)調(diào)查資料顯示,“十五”期間，為滿足石油、化工、化肥、輕工、煤氣、造紙及污水處理等行業(yè)配套的需要，預(yù)計(jì)共需要羅茨鼓風(fēng)機(jī)2萬臺左右。這對我國羅茨鼓風(fēng)機(jī)行業(yè)的發(fā)展即是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)。我國鼓風(fēng)機(jī)行業(yè)的設(shè)計(jì)制造水平，雖然經(jīng)過多年的不斷更新和發(fā)展，但是同國外著名的廠家相比，許多方面仍然有差距。如現(xiàn)有的羅茨鼓風(fēng)機(jī)高效基本級系列不全，效率較低；加工水平落后，

7、噪聲較高等。尤其是在羅茨鼓風(fēng)機(jī)三元葉輪的加工方面，與國外的先進(jìn)加工工藝還存在很大的差距。如意大利新比隆公司采用開槽焊接技術(shù)，德國德馬格公司采用釬焊接技術(shù)，而國內(nèi)還未將這些技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)；在五座標(biāo)銑制葉輪方面，國外先進(jìn)廠家的加工效率比國內(nèi)高23倍；在葉輪焊接方面，國外采用數(shù)控自動焊，而國內(nèi)還在沿用手工電弧焊的落后工藝方法。因此，提高設(shè)計(jì)和制造水平，是推動我國羅茨鼓風(fēng)機(jī)行業(yè)騰飛的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。1.1.2羅茨鼓風(fēng)機(jī)的發(fā)展趨勢羅茨鼓風(fēng)機(jī)的發(fā)展趨勢，主要是進(jìn)一步提高效率、降低噪聲、增強(qiáng)可靠性及擴(kuò)大應(yīng)用范圍。(1)提高效率。主要是優(yōu)化葉輪型線。改善葉輪“嚙合”間隙的內(nèi)密封效果；提高鼓風(fēng)機(jī)的制造精度，改善轉(zhuǎn)子

8、間隙的均勻程度，并使之盡可能縮小，從而減少氣體泄漏，提高容積效率。此外，要合理匹配電機(jī)，避免出現(xiàn)“大馬拉小車”的情況。(2)降低噪聲。重點(diǎn)是進(jìn)行低噪聲技術(shù)開發(fā)，如：預(yù)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三葉扭葉轉(zhuǎn)子加工等，以減小氣流脈動，降低氣體動力性噪聲。同時(shí)應(yīng)不斷改善葉輪平衡品質(zhì)，提高同步齒輪制造精度，以減小振動，降低機(jī)械性噪聲。大多數(shù)情況下，還需要采取消聲和隔聲等輔助措施，控制噪聲在傳播途徑中的輻射，以滿足用戶對低噪聲的要求。(3)增強(qiáng)可靠性。一是改進(jìn)產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量，二是加強(qiáng)安全保護(hù)措施。為此，應(yīng)注重低壓安全閥和逆止閥的研制與配置，并利用微機(jī)控制技術(shù)，對鼓風(fēng)機(jī)的壓力、油溫、電流等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行自動監(jiān)測，通過聯(lián)鎖或

9、報(bào)警等方式，對鼓風(fēng)機(jī)起動、運(yùn)行及停車過程進(jìn)行控制，使其處于安全、穩(wěn)定、可靠的受控狀態(tài)。(4)擴(kuò)大應(yīng)用范圍。應(yīng)注重密封技術(shù)與材料技術(shù)的應(yīng)用研究，改進(jìn)產(chǎn)品的密封性、耐磨性、耐腐蝕性、阻燃防爆性等，以滿足各種易燃、易爆、有毒、含塵及腐蝕性氣體的輸送要求。也可針對高溫、高壓或高負(fù)壓等特殊要求，開發(fā)適銷對路的產(chǎn)品，以此擴(kuò)大羅茨鼓風(fēng)機(jī)的應(yīng)用范圍，向其他類型鼓風(fēng)機(jī)和真空泵的使用領(lǐng)域滲透。1.2羅茨鼓風(fēng)機(jī)的工作原理及分類1.2.1羅茨風(fēng)機(jī)的工作示意圖（如圖1）1.2.2羅茨鼓風(fēng)機(jī)的工作原理羅茨鼓風(fēng)機(jī)是一種雙轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)械 ，兩個(gè)轉(zhuǎn)子的軸線互相平行。其工作原理如圖1.1所示。通過主、從動軸上的齒輪，使兩轉(zhuǎn)子作等速

10、反向旋轉(zhuǎn)。而完成吸氣、壓縮和排氣過程。當(dāng)左側(cè)轉(zhuǎn)子作順時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)，右側(cè)轉(zhuǎn)子作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，氣體從下面進(jìn)口吸入。隨著旋轉(zhuǎn)時(shí)所形成的工作室容積的減小，氣體受到壓縮，最后從上面出口排出。兩葉輪轉(zhuǎn)子之間、葉輪轉(zhuǎn)子與機(jī)殼及墻板之間，既要保證相互不摩擦碰撞，又要保證不因間隙過大而使輸送氣體過多泄漏。同時(shí)，由于兩只轉(zhuǎn)子的外形，具有特殊的曲線，在運(yùn)動時(shí)，始終可以保持微小間隙，把進(jìn)氣與排氣空間相互隔絕，使排出的氣體盡量不返回進(jìn)氣室空間。五個(gè)轉(zhuǎn)子位置，表示轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)三分之一圓周中的工作過程，接下去的三分之一圓周又以同樣的順序重復(fù)。假定葉輪與葉輪、葉輪與機(jī)殼之間的間隙為零，并將上葉輪與機(jī)殼的接觸點(diǎn)用a1和a2表示，下葉

11、輪與機(jī)殼的接觸點(diǎn)用b1和b2表示。機(jī)殼分為三部分。左面為吸氣腔，腔內(nèi)的壓力與進(jìn)氣壓力相等。右面為排氣腔，腔內(nèi)的壓力處于排氣壓力的作用之下。上葉輪與機(jī)殼圍成封閉的基元容積v1，其內(nèi)部壓力等于進(jìn)氣壓力。隨著上葉輪右面接觸點(diǎn)a2的消失，基元容積v1開始與排氣腔連通。排氣腔內(nèi)的高壓氣體，突然由回流縫隙1迅速向基元容積v1回流，使其壓力陡然由吸氣壓力上升至排氣壓力，這就是等容壓縮過程。只不過上、下兩個(gè)葉輪互換位置而已。原來在基元容積v1內(nèi)的氣體被推到排氣口，下葉輪與機(jī)殼在b1和b2兩處接觸，構(gòu)成新的基元容積v2。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)到位置時(shí)，隨著接觸點(diǎn)b1的消失和回流縫隙2的開啟，基元容積v2與排氣腔相通，此時(shí)的

12、情況的相似。，基元容積v2的氣體也被推到排氣口去了，新的基元容積v3出現(xiàn)在先前v1所在的位置上。至此，上下兩個(gè)葉輪各自旋轉(zhuǎn)三分之一圓周，分別輸送了一個(gè)基元容積的氣體，達(dá)到了輸送氣體的目的。1.2.3羅茨鼓風(fēng)機(jī)的分類羅茨鼓風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)子有很多種分類方式。按照轉(zhuǎn)子的頭數(shù)可分為兩葉轉(zhuǎn)子與三葉轉(zhuǎn)子；按其形狀可分為直葉轉(zhuǎn)子與扭葉轉(zhuǎn)子。兩葉轉(zhuǎn)子均為直葉，三葉轉(zhuǎn)子有直葉和扭葉兩種形狀。就工作性能而言，三葉優(yōu)于兩葉，扭葉優(yōu)于直葉。此外，還有下列各種分類方法：按照工作方式不同，羅茨鼓風(fēng)機(jī)有單級與雙級、干式與濕式之分。按冷卻方式分，有空冷鼓風(fēng)機(jī)、水冷鼓風(fēng)機(jī)和逆流冷卻鼓風(fēng)機(jī)等。按結(jié)構(gòu)型式分，有立式鼓風(fēng)機(jī)、臥式鼓風(fēng)機(jī)、

13、豎軸式鼓風(fēng)機(jī)、密集成組型風(fēng)機(jī)等。本文中，主要是針對羅茨鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的第一種分類方式（兩葉與三葉之分，直葉與扭葉之分）進(jìn)行討論。1.3羅茨鼓風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)子加工技術(shù)的重要意義從上面所講的羅茨鼓風(fēng)機(jī)發(fā)展趨勢可以看出：作為風(fēng)機(jī)核心部件的葉輪轉(zhuǎn)子，其發(fā)展趨勢在很大程度上決定了風(fēng)機(jī)的發(fā)展。因此，羅茨鼓風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)子的加工具有很大的意義7-8。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的加工精度直接影響風(fēng)機(jī)的使用性能。由于兩葉輪相嚙合來實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)的正常工作，其轉(zhuǎn)子的加工質(zhì)量直接影響嚙合過程中葉輪之間的間隙。當(dāng)間隙過大時(shí)，無法完成氣體的壓縮，從而影響風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)量，甚至不能進(jìn)行鼓風(fēng)。如果間隙過小，在鼓風(fēng)的過程中轉(zhuǎn)子會因工作發(fā)熱

14、而升溫，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子膨脹，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，使風(fēng)機(jī)不能正常工作或者使風(fēng)機(jī)破壞。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子加工過程中中心不對稱直接影響風(fēng)機(jī)的使用壽命。在轉(zhuǎn)子加工中，由于加工的問題，即使加工的轉(zhuǎn)子通過配對能很好的嚙合，然而由于加工對稱度存在問題而使其動平衡不理想。這樣會因?yàn)槿~輪的質(zhì)量偏心而造成兩傳動齒輪在嚙合時(shí)產(chǎn)生沖擊，使嚙合齒輪的使用壽命顯著降低，同時(shí)引起整個(gè)鼓風(fēng)機(jī)的振動，對其他裝配件的使用壽命也會產(chǎn)生較大的不良影響，從而降低整個(gè)風(fēng)機(jī)的使用壽命。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子加工表面質(zhì)量和轉(zhuǎn)子輪廓曲面質(zhì)量直接影響風(fēng)機(jī)工作噪聲。這兩者直接影響嚙合時(shí)轉(zhuǎn)子間的間隙的均勻性，而嚙合時(shí)的間隙是否均勻?qū)D(zhuǎn)子之間的氣體流動的波動情況存在較大的影響。如果在轉(zhuǎn)

15、子加工時(shí)，加工的表面質(zhì)量不好或者輪廓曲面不是十分理想，這樣會造成轉(zhuǎn)子之間的氣體波動較大，很容易造成較大的氣體動力學(xué)噪聲，直接影響風(fēng)機(jī)周圍的環(huán)境。由此可見，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子加工對羅茨鼓風(fēng)機(jī)的發(fā)展有重要的意義，它直接影響風(fēng)機(jī)的性能和使用壽命，也影響風(fēng)機(jī)將來的發(fā)展。尤其在當(dāng)今社會環(huán)保成為社會日常生活中的重要課題時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的加工工藝的好壞對羅茨鼓風(fēng)機(jī)的發(fā)展具有舉足輕重的作用。1.4國內(nèi)外羅茨鼓風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)子加工工藝1)仿形法(靠模法)采用仿形法加工羅茨鼓風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)子，其加工原理與其他仿形加工方法一樣，首先要根據(jù)羅茨鼓風(fēng)機(jī)葉輪的型線方程來計(jì)算、設(shè)計(jì)和制造靠模板。然后以靠模板為基準(zhǔn)運(yùn)用仿形原理，加工出符合要求的轉(zhuǎn)

16、子型線。在加工過程中，靠模板會發(fā)生磨損，而且靠模加工方法本身的精度不是很高，這樣導(dǎo)致加工后的轉(zhuǎn)子型面誤差較大，兩轉(zhuǎn)子在裝配時(shí)往往無法正確嚙合。所以加工后一般都需要對轉(zhuǎn)子成對進(jìn)行人工刮研。這樣不僅不利于提高生產(chǎn)率，而且無法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在裝配時(shí)的互換性。這種方法是一種比較傳統(tǒng)的加工方法?，F(xiàn)在這種加工方法的使用已經(jīng)比較少，主要是在一些小型生產(chǎn)企業(yè)。2)范成法范成法加工羅茨鼓風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)子是利用嚙合原理進(jìn)行的。羅茨鼓風(fēng)機(jī)工作時(shí)兩轉(zhuǎn)子相互“嚙合”，因此葉輪轉(zhuǎn)子可以看作是齒數(shù)為2或者3的齒輪。機(jī)床強(qiáng)制工具齒輪（刀具）與轉(zhuǎn)子毛坯之間作嚙合運(yùn)動，從而在轉(zhuǎn)子毛坯上切出輪廓來12。其中工具齒輪的節(jié)圓等于葉輪的分度圓或基

17、圓直徑。以上介紹的仿形法與范成法一般只能用于加工相對固定的葉輪型線，這對于目前多品種小批量的產(chǎn)品很不適合，特別是三葉葉輪的加工，尤為不方便。相比之下，數(shù)控加工成為葉輪加工改革的主要方向。3)數(shù)控加工方法數(shù)控技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域的一種典型應(yīng)用。它所具有的高精度、高柔性、高效率等優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)在已被人們廣泛認(rèn)可。隨著數(shù)控技術(shù)在生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)機(jī)械工業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)模式發(fā)生了深刻的革命性的變化9。近年來，國內(nèi)外已經(jīng)有不少廠家用數(shù)控刨床、數(shù)控銑床、數(shù)控車床等數(shù)控機(jī)床加工出多種型號的羅茨鼓風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)子。數(shù)控加工的產(chǎn)品種類多、精度高，互換性好；同時(shí)加工效率高，操作簡便。這些優(yōu)點(diǎn)使得數(shù)控加工方法成

18、為羅茨鼓風(fēng)機(jī)葉輪加工的必然趨勢。更為重要的是：數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用，為工作性能較好的三葉扭葉轉(zhuǎn)子的加工提供了新的途徑，使這種轉(zhuǎn)子的批量生產(chǎn)成為可能目前市場上，羅茨鼓風(fēng)機(jī)兩葉轉(zhuǎn)子已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控加工。但是，三葉轉(zhuǎn)子，尤其是扭葉轉(zhuǎn)子的加工，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用非常有限，這類轉(zhuǎn)子的產(chǎn)量也非常小。數(shù)控刨削加工扭葉轉(zhuǎn)子，具有工藝簡單，加工效率高的優(yōu)點(diǎn)。因此，開發(fā)針對羅茨鼓風(fēng)機(jī)扭葉轉(zhuǎn)子數(shù)控刨削加工的專用系統(tǒng)，將會具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場前景。1.5本文的立題和主要研究工作本文以羅茨鼓風(fēng)機(jī)扭葉轉(zhuǎn)子的數(shù)控加工項(xiàng)目為背景，對加工具有回轉(zhuǎn)軸螺旋形零件的數(shù)控刨削技術(shù)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)基于開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺的羅茨鼓風(fēng)機(jī)扭葉轉(zhuǎn)子的

19、刨削數(shù)控加工。本文具體進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的工作：1）建立羅茨鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的數(shù)學(xué)模型，然后從轉(zhuǎn)子的端面型線及轉(zhuǎn)子的形狀兩方面進(jìn)行比較，選擇最優(yōu)的轉(zhuǎn)子類型。2）對羅茨鼓風(fēng)機(jī)扭葉轉(zhuǎn)子進(jìn)行工藝分析，進(jìn)而比較了幾種數(shù)控加工方法，從而選定數(shù)控刨削加工工藝。3）根據(jù)現(xiàn)有羅茨鼓風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家的技術(shù)條件和設(shè)備情況，確定數(shù)控刨削的總體方案。包括機(jī)床結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，運(yùn)動控制方案及位置控制方式的選擇等。4）在華中“世紀(jì)星”數(shù)控平臺上，完成刨削數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā) 2 羅茨風(fēng)機(jī)扭葉轉(zhuǎn)子的加工工藝分析2.1 算例已知某型號的扭葉轉(zhuǎn)子的基本參數(shù)如下：轉(zhuǎn)子的節(jié)圓半徑r=42mm，轉(zhuǎn)子螺旋轉(zhuǎn)角， 螺距t858.865mm，螺旋參數(shù)=13

20、6.69mm，行間殘留高度h=0.08,步長誤差e1=0.06。 2.2 扭葉轉(zhuǎn)子的端面曲線三葉扭葉轉(zhuǎn)子羅茨鼓風(fēng)機(jī)的端面型線是由3個(gè)周期相同的輪廓線首尾相連而成，因此，可以只對一個(gè)周期進(jìn)行分析。三葉扭葉轉(zhuǎn)子羅茨鼓風(fēng)機(jī)端面型線有：外圓弧及其包絡(luò)線型、內(nèi)圓弧及其包絡(luò)線型、內(nèi)外圓弧加擺線型3種。由文獻(xiàn)4可知：內(nèi)外圓弧加擺線型才是最佳型線。所以本例轉(zhuǎn)子端面型線即采用內(nèi)外圓弧加擺線型。如圖1所示，c1為外圓弧曲線，c2為擺線，c3為內(nèi)圓弧曲線，c4為內(nèi)圓弧曲線，c5為擺線，c6為外圓弧曲線。轉(zhuǎn)子節(jié)圓半徑為r，內(nèi)外圓弧半徑為。內(nèi)圓弧c4的曲線方程為 (1)擺線c5的曲線方程為(2)外圓弧c6的曲線方程為

21、(3) 由于外圓弧c1，擺線c2，內(nèi)圓弧c3分別與曲線c6，c5，c4關(guān)于x軸對稱，所以可以很容易得到它們的曲線方程，在此不再一一寫出。 2.3 螺旋曲面上的主曲率分析在加工螺旋曲面之前，首先應(yīng)該確定所用刀具及其參數(shù)，為此需要根據(jù)微分幾何原理計(jì)算曲面上各點(diǎn)主曲率的大小。由于篇幅有限，因此以曲線c4形成的螺旋曲面為例求出其主曲率。根據(jù)式（1）內(nèi)圓弧c4的曲線方程可以得到其螺旋曲面方程5： (4)圖1 轉(zhuǎn)子端面曲線 式中為圓弧半徑；為轉(zhuǎn)子的螺旋轉(zhuǎn)角；為螺旋參數(shù)，=，t為螺旋面的導(dǎo)程。根據(jù)微分幾何中關(guān)于主曲率的原理，通過求出曲面上任意點(diǎn)的主曲率，找出最大主曲率，以便于確定數(shù)控加工所用的最大允許球刀半

22、徑，為此先求相關(guān)基本量6。 (5) (6) (7)曲面的第一類基本量為 (8)曲面的單位法矢量為 (9)曲面的第二類基本量為 (10)將上述各基本量代入主曲率方程： (11)所以當(dāng)確定一個(gè)曲線參數(shù)就可以求出該部分螺旋曲面的主曲率和, 曲面的主曲率。根據(jù)計(jì)算可以確定該曲面上的最大的曲率k0, 因?yàn)榱_茨風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是相互嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)的，所以兩個(gè)轉(zhuǎn)子一個(gè)為左旋，另一個(gè)為右旋。在本次設(shè)計(jì)中，扭葉轉(zhuǎn)子端截面的尺寸如下表，來源見式(2-13一15 ):扭葉轉(zhuǎn)子工藝參數(shù)的確定:外圓螺旋角的確定參考國外的產(chǎn)品，初定扭葉轉(zhuǎn)子的外圓柱螺旋角為250，在此計(jì)算一下轉(zhuǎn)子外圓柱的螺足巨t:t=d/tg25=2x63.74x/

23、0.466=858.85mm根據(jù)銑床掛輪架的結(jié)構(gòu)，參見本章第四節(jié)，可得到掛輪之間的關(guān)系式:2.中心距及安裝角的確定本次加工的扭葉轉(zhuǎn)子的端截面是由幾條曲線組成的，其中內(nèi)圓弧與擺線之間的相接處形成不圓滑的轉(zhuǎn)折點(diǎn)(見圖5-4)0若刀具的安裝參數(shù)a及藝選得不合適，則加工出來的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處會留有一段過渡曲線，將使得工件出現(xiàn)過切或少切的情況如圖5-5，其中abcd為理論形狀， kzl ij zd為加工后的形狀。因此，有必要調(diào)整刀具的安裝參數(shù)a及藝，使得兩曲線間的連接為完整的連接，即如圖5-6所示，使得ab, bc兩部分的接觸線ab和be的端點(diǎn)能重合在一點(diǎn)b上，那么相應(yīng)的刀具截形12和2 3的端點(diǎn)2和2也就能重

24、合在一起(圖5-6 c )。在這種情況下，刀具上就能作出完整的理論刃形，因而避免了過渡表面。而安裝參數(shù)q及藝的計(jì)算公式也可得到如下【32】 圖3-6 完整刃形條件示意圖 當(dāng)?shù)毒呒饨堑耐鈭A與b點(diǎn)的螺旋線相切在然也就是刀具外圓的切線。又因刀具的軸線與投影必然和刀具軸線垂直，則可得到:b點(diǎn)時(shí)，從byoz平面平行，點(diǎn)作的螺旋線的切線t當(dāng)因此，t在yoz平面上的投影必然和刀具軸線垂直，則可得到:式中ra一轉(zhuǎn)折點(diǎn)b的半徑ob ;-ob與x軸的夾角;8一根據(jù)試算所選定的切點(diǎn)b的b值。 將本次設(shè)計(jì)中的實(shí)際尺寸代入，即p=t12=152.788(mm)，根據(jù)扭葉轉(zhuǎn)子的端截面的尺寸，可得到=/6(rad )，見圖

25、3-4，即圖中的cob，根據(jù)試算初定=一0.09075(rad )，則銑刀與工件的對應(yīng)中心距a為:因?yàn)橹行木喑霈F(xiàn)了小數(shù)值，故需調(diào)整e的數(shù)值，使得中心距為整數(shù)值，便于加工調(diào)整，經(jīng)過優(yōu)化整理可知，當(dāng)8=-0.090595(rad)時(shí)，中心距a為相應(yīng)的刀具安裝角藝為因此本次加工的工藝參數(shù)列于下表: 在前幾章中，己經(jīng)確定了轉(zhuǎn)子的端截面采用的型線是內(nèi)外圓弧加擺線型，并將其參數(shù)方程也求出了，同時(shí)還給出了由該型線所生成的螺旋曲面的參數(shù)方程)及螺旋曲面上任意一點(diǎn)的法向量的參數(shù)方程 o 因?yàn)榕と~轉(zhuǎn)子的對稱性，所以根據(jù)工件的截形尺寸，只需取端面型線的六分之一來作為螺旋面的母線(。然后，將各個(gè)參數(shù)方程中的參變量的取

26、值區(qū)間進(jìn)行離散，再代入到接觸線的條件式(5.11)中，進(jìn)而解出所對應(yīng)的8值。因?yàn)樵摻佑|線條件式是一超越方程，其數(shù)字計(jì)算量比較大，因此用計(jì)算機(jī)求解相對比較容易些。在此，將本次設(shè)計(jì)中所用的遍歷搜索計(jì)算程序列出(只給出圓弧段的):#include stdafx.h#include math.h#include stdio.h#define pi 3.1415926main()file*印;double a,r,rl,p,a,b,m,x2,y2;double x,丫z,r;double x,y,z,x0,xo1,y0,y01,nx,ny,nz,j,k;/定義基本的參數(shù)a=120r-42.0;r1=84

27、*sin(pi/12);p=152.788;/給基本參數(shù)賦值for(a=o;a=75;a=a+5)/使變量a在取值范圍內(nèi)離散 x0=r-rl *cos(a*pi/180); y0=r 1 * sin(a* pi/ 180);/端截面上的參數(shù)方程x01=rl *sin(a*pi/180);y01=rl *cos(a*pi/180);/參數(shù)方程的一次導(dǎo)數(shù)x2=rl *cos(a*pi/180);y2=-rl *sin(a*pi/180)刀參數(shù)方程的二次導(dǎo)數(shù)for(b=一10. 0;b=10. o;b=b+0. 000001)x=x0*cos(b*pi1180)-y0*sin(b*pi/180);y

28、-x0*sin(b*pi/180)+y0*cos(b*pi/180);p*b*pi/180;/螺旋面的參數(shù)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刃過任一點(diǎn)的法向量參數(shù)方程m=(a-x)*(ny+nz*tan(1.3262554)/nx+y+z*tan(1.32625 54);/接觸條件式if(fabs(m)=0.00001)/循環(huán)中止條件 x=a-x; y=-y*cos(1.3262554)-z* sin(1.3262554);

29、 z=-y*sin(1.3262554)+z*cos(1.3262554);/坐標(biāo)變換式 r=sqrt(x*x+y*y);z=z; /檢驗(yàn)條件式 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(

30、1.3262554)-p*x)* (x2 *y01-y2* x01)/nx);printf(%6f %6f,%6f %6f %6f %6fn,a,z,r,b*pi/180j,k);fp-fopen(螺旋n.txt,w);fprintf(fp,%6f,%6fn,z,r);fclose(fp);break;else/printf(there is a error)return0按照上述程序，可以得到下表所示的數(shù)據(jù)(序號表示曲線上的離散點(diǎn)，q為參變e表示母線從起始位置繞z軸轉(zhuǎn)過的角度，順著z軸看去以順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動為正，為銑刀圓的位置坐標(biāo)，rp為銑刀圓的半徑。)在坐標(biāo)系上將各點(diǎn)描出，并用光滑的曲線加以

31、連接，可以得到如圖3-7所示的刀具刃形，此刃形即為盤形銑刀在平面x一o一z上的刃形。. 圖3-7盤形刀具刃形圖3.4加工設(shè)備及調(diào)整 本次加工所采用的機(jī)床是日本hitachi seiki公司的ml型升降臺式銑床，實(shí)際上就是萬能升降臺式銑床，通過更換不同的刀桿，可以在臥銑床和立銑床之間進(jìn)行切渙。它的主要技術(shù)規(guī)格如下:工作臺最大行程(機(jī)動): 縱向 710mm橫向(有支柱) 220mm橫向(無支柱) 300mm垂直 400mm工作臺絲桿螺距 6mm工作臺臺面面積(長x寬): 1350 310mm工作臺最大回轉(zhuǎn)角度: 45主軸中心線距臺面的距離: 最大 400mm最小 180mm主軸轉(zhuǎn)速(21級):

32、33-2000mm3. 4.1機(jī)床的調(diào)整1.銑削螺旋槽的調(diào)整與計(jì)算【37】 要利用臥式萬能升降銑床來銑削扭葉轉(zhuǎn)子，必須要對銑床和分度頭進(jìn)行調(diào)整，主要進(jìn)行以下的調(diào)整工作:a. 將扭葉轉(zhuǎn)子毛胚支撐在分度頭主軸與尾座上的兩頂尖之間，如圖3-8 ( a)所示。 圖3-8銑螺旋面的調(diào)整 圖3-9加工過程(左旋) b.將工作臺繞垂直軸線偏移一個(gè)安裝角，使銑刀的旋轉(zhuǎn)平面與扭葉轉(zhuǎn)子的螺旋曲面方向一致，如圖5-8 (a).圖s-9為實(shí)際加工過程中的機(jī)床及轉(zhuǎn)子毛胚。對于左旋的扭葉轉(zhuǎn)子，工作臺順時(shí)針轉(zhuǎn)過一個(gè)安裝角;右旋曲面的扭葉轉(zhuǎn)子，工作臺逆時(shí)針轉(zhuǎn)一個(gè)安裝角。 c.在工作臺縱向進(jìn)給絲桿與分度頭之間搭配掛輪，使工作臺

33、縱向移動的同時(shí)，分度頭主軸能帶動工件繞自身軸向連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而形成扭葉轉(zhuǎn)子的螺旋曲面。因此，工作臺帶動工件移動和分度頭主軸帶動工件轉(zhuǎn)動這兩個(gè)運(yùn)動之間應(yīng)保持形成螺旋線的嚴(yán)格傳動比關(guān)系，即:工件移動一螺旋線導(dǎo)程t()時(shí)，工件轉(zhuǎn)1圈。由圖3-8 ( b)銑削螺旋槽時(shí)的傳動系統(tǒng)，可列出運(yùn)動平衡式:將上式簡化后，可得換置公式:式中:t絲桿一工作臺縱向進(jìn)給絲桿導(dǎo)程(t絲桿=6mm);工作臺移動一螺旋線導(dǎo)程tmm時(shí)，縱向進(jìn)給絲桿的轉(zhuǎn)數(shù);b, c, d一一縱向進(jìn)給絲桿與分度頭主軸之間的配換掛輪。d.加工扭葉轉(zhuǎn)子時(shí)，因?yàn)槭侨~轉(zhuǎn)子，即有三個(gè)螺旋曲面待加工，因此在加工完 圖3-10掛輪架結(jié)構(gòu)簡圖一個(gè)螺旋曲面后，要用

34、分度頭進(jìn)行分度，再銑第二個(gè)螺旋曲面。依此類推，銑削出全部的螺旋曲面。分度時(shí)，應(yīng)將工件從工作位置退出，并拔出插銷，斷開分度頭主軸與縱向絲桿之間的運(yùn)動聯(lián)系，然后用簡單分度法進(jìn)行分度。 e.掛輪架的結(jié)構(gòu) 圖5-10所示為掛輪架的結(jié)構(gòu)簡圖。q為主動軸，即運(yùn)動的輸入軸，q為中間軸，o,為從動軸，即運(yùn)動的輸出軸。掛輪架上有一徑向槽，可供軸03在槽內(nèi)移動，以調(diào)整c與d輪的中心距;掛輪架可以q為中心在一定的角度范圍內(nèi)做擺動，以調(diào)整a與b的中心距。 安裝掛輪的方法和步驟如下: (1)在軸q與軸q上分別裝好掛輪a與d; (2)在中間軸q上裝掛輪b與c，調(diào)整中間軸q在徑向槽中的位置，使掛輪c與d正確嚙合后再用螺母將

35、中間軸固定。 (3)使掛輪架繞輸出軸q中心向上擺動、保證掛輪b與a正確嚙合，最后將掛輪架固定。 搭配掛輪時(shí)必須注意以下幾個(gè)問題:齒輪的相互嚙合不能太緊，應(yīng)保證留有0.1 0.2mm的嚙合間隙，否則會使噪聲增大，齒輪的磨損加劇;在中間軸、套間應(yīng)加入潤滑油;搭配掛輪時(shí)，應(yīng)先切斷電源。 圖3-i1加工后的轉(zhuǎn)子的端面 圖3-12加工后的轉(zhuǎn)子 圖3-11,3-12所示為利用本章所求得的刀具刃形加工出來的轉(zhuǎn)子，因在試制階段，故采用便于加工的蠟?zāi)?，以?yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。從加工后的工件端面型線可以看出，本章所求得的加工中心距a、刀具安裝角藝、刀具刃形、加工方法、及機(jī)床調(diào)整等是正確無誤的。 全 文 結(jié) 論本文為扭葉轉(zhuǎn)子螺旋曲面數(shù)控加工提供了刀具參數(shù)、步長和行距