1、毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 螺杆加工工艺 分析与成形刀具 设计 前言 改革开放以来，特别是 1985 年后螺杆的生产应用得到了飞速的发展，螺杆也进入了飞速发展的阶段。随着市场的不断壮大，诸如螺杆泵、螺杆压缩机、橡塑挤出机、汽轮机、鼓风机、透平机等高技术、高性能机械装备的需求量越来越大 ,对其性能的要求也越来越高 ,它们在军事、石油、机械、航空、能源、化工、塑料等国民经济的多个重要工业领域中具有广泛的应用。 目前我国的螺杆 机械产品生产 相对落后 。启点时间晚，螺杆机械设备 -单螺杆泵是 1932 年由法国工程师 Moineau 发明，并由德国 PCM 泵公司制成 产品 。三螺杆泵
2、是 1931 年由瑞典 IMO 公司发明并制造的。 我国 于 1984 年引进德国Allweiler 公司的制造技术和英国 Holroyd 公司的 2AC 螺杆 铣床 和配套设备后，我国才开始批量生产螺杆泵。 对于螺杆泵的生产我国 比国外整整落后了 20 年。因而，对螺杆的成形原理进行研究，解决加工过程中存在的关键技术问题，研制出先进高效的螺杆加工装备，无疑将促进我国的螺杆制造工艺水平的提高 ，进而促进螺杆相关机械行业的发展。 正文 1.螺杆技术应用举例：随着国内市场对螺杆机械的需求不断增加，螺杆应用技术也在不断的更新 单螺杆 技术的应用： 单螺杆挤压是借螺杆和筒体对物料的摩擦来输送物料的 ,
3、一种并列组合形式的应用 ,是一种 并列组合形式 ,其右面采用变径变螺距的螺杆 ,可使芯料更加紧密 ,可应用于夹 心产品 (夹心条、糖、汤元 、 月饼等 ) 的成型。 双螺杆 技术的应用： 双螺杆挤压是由一对互相啮合的异向和同向旋转的螺杆组成 ,靠正位移原理强制输送物料 ,它剪力、传热面积大 ,计量准确 ,回流少 ,供料性能好 ,故尔适用于比单螺杆更高的速度和产量。对块状物而言 ,螺杆输送装置还可将不规则排列的成批零件 (圆柱形 ,长方体形等 ) 按工艺要求的条件 ,逐个地供送到给定的工位 ,完成增距、减距、分合流、升降、起伏、调头、翻身等动作 。 多螺杆技术的应用 ： 将二根以上螺杆 (可以是
4、 10 个或更多 ,最好偶数 ) 组合 ,并将螺杆 设计成不同的特殊空间曲面 ,不同的头数 ,充分利用螺杆的径向直径、横向螺距的变化 ,可以设计出全新的多螺杆机 ,可用于揉搓、强化、剪切、成型产品等用途 (如面团的揉搓 ,糖条的揉挤 ,块状物的破碎等 )。 2.压机螺杆和制冷压缩机螺杆 现状： 空压机螺杆和制冷压缩机螺杆 中的介质和工况有差别，但材质、热处理、尺寸、型线设计等有许多相似之处，因此台湾的复盛公司和汉钟精机公司都是横跨空压机和制冷机两个行业，西方许多公司也是如此。目前国内许多制冷空调厂家都明确表示螺杆制冷压缩机要选用，但不自制，立足外购。因为需要形成螺杆制冷压缩机的 成批生产能力，
5、需要 3000 万元投资，这对许多厂都是不经济的。我国已经有 10 家空压机厂和 8 家制冷机厂 (含台湾复盛、汉钟精机 )具备螺杆成批生产能力。 纵观美、日、德、英、意等国有名气的螺杆压缩机制造公司，每国也就 37 家，因此我们不应再盲目增加螺杆压缩机制造厂家的数量，而应提高螺杆设计制造质量；扩展品种、规格；扩大产量、降低成本和售价三方面狠下工夫。提高制造技术的关键是采用新材料、新工艺、新设备。但任何机械产品都受到产品成本和市场的制约，因而不应脱离国情盲目地提倡全行业都采用世界第一流的工艺和设备。 压缩机行 业目前主要的倾向是先入为主，照搬国外个别公司的现成工艺。英国 Holroyd公司是一
6、家历史悠久的螺杆制造及机床公司，据介绍年产螺杆十万付，供应世界各国。该公司顺应世界潮流，近年开发了 TG150E 和 TG350E 螺杆磨床。因此我国压缩机螺杆制造技术及生产布点应有以下发展趋势： 用精磨代替精铣 。 铣削 能达到的型线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要求的提高，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。因此全行业应逐渐过渡到以精磨代替精铣。既然粗铣后还有精磨，粗铣后螺杆型线的尺寸 形状精度就不必要求过高，粗铣机床的精度及档次可以减低，因此进口每台高达 50 70 万美元的螺杆铣床作为粗铣机就没有必要了。目前国内许多厂家采用 Holr
7、oyd 公司的 2AC、 5AC 机床作粗铣机床是十分不经济的。今后发展的典型工艺路线应该是： 精磨，采用德国 Klingelnberg 公司的 HNC35SL 螺杆磨床、英国 Holroyd 公司的 TG150E 或 TG350E 螺杆磨床、意大利 SU 公司的螺杆磨床、汉江机床厂的螺杆磨床等。视各厂的螺杆精度、产量、经济实力而定。 螺杆空压机厂制造系列制冷压缩机，供应制冷空调设备厂家已有螺 杆制冷压缩机成批生产能力的大陆 7 家工厂，他们不可能向同行供应螺杆制冷压缩机，而我国其他几十家制冷空调设备厂再新增螺杆制冷压缩机的生产能力又是极不经济的，因此唯一的出路是大陆有螺杆压缩机生产能力的 1
8、0 家空压机厂开发系列的螺杆制冷压缩机供应国内需求，否则大量进口国外螺杆制冷压缩机的势头将无法遏制。 3.塑料业螺杆制造技术的现状： 我国塑料 机械工业是从轻工、化工等行业的机械厂发展起来的，因此与传统的机械厂有差距，一般设备条件较差，工艺落后。作者对国内的一些注塑机、挤出机厂作了生产现场调研，认为普遍存在下列工艺、质 量问题：直接选用热轧棒料作毛坯，几乎没有一家工厂采用经过锻打的圆料毛坯，因而热轧棒料的晶粒粗大和纵向纤维等所有缺陷全部保留到螺杆的成品中，造成螺杆淬火时变形无规律和成品使用中变形，寿命低。 螺杆淬火后，采用压力机校正弯曲变形，其后再无精加工工序，机械校正后螺杆内残留的内应力必然
9、在 200 300 的工作温度下释放出来，造成螺杆重新弯曲，工作时螺杆在机筒内 “刮磨 “甚至 “扫膛 “(振动 )，恶化了工况，并使螺杆一机筒付加速磨损。 螺杆铣削淬硬后采用砂带抛光，既不能保证螺杆的形状及尺寸精度，又严重污染生产环境，劳动条 件恶劣，这是目前机械行业中少有的落后工艺。 螺杆工序之间和成品存放过程中，几乎没有一家工厂采用吊装。这种L/D=12 35 的细长杆工件应该采用吊装存放，是机械工厂的常规，这种人为造成的螺杆弯曲，必然明显降低螺杆的制造和使用质量。 螺杆内在质量和尺寸形状精度没有有效的检测手段：对热处理的金相分析、硬度和精加工后的尺寸形状精度，几乎没有一家工厂有严格的检
10、测手段和分析报告。由于存在上述五个方面问题，因此全行业的螺杆内在质量和尺寸形状精度与设计图纸对比合格率很低。 4.螺杆制造技术的发展趋势 ： 对于直径 较大的 螺杆在锻造工艺允许的条件下，尽量采用锻造毛坯 (我国螺杆直径标准： D=10， 45， 65， 90， 120， 150， 200，250， 300mm)。 螺杆在加工工序之间和成品存放过程中一律采用吊装方式。 螺杆的典型工艺今后应该是 :锻坯 车削 粗铣 (采用青海第二机床厂的SB6332、 SK6332A 半自动或数控螺纹铣床、意大利 Saporiti 公司的螺杆铣床 )热处理 (淬火 ) 外圆磨削 数控螺杆磨削 (采用瑞士 Rei
11、shauer 公司的 RG 系列螺纹磨床、英国 Matrix 公司螺纹磨床，德国 Karstens 公司的螺纹磨床、意大利 SU公司的螺纹磨床和汉江机床厂的 SK7432、 SK7450 数控螺纹磨床。视各厂螺杆的精度、结构特点、产量和经济实力而定 ) 布轮抛光 (设备采用普通数控车床 )。 热处理后应仔细检查金相组织及硬度分布。螺杆精度后应有专门设计的螺杆动态精度检验仪全面检查螺杆的尺寸和形状精度。采用三座标测量机的静态检查是不全面、不科学的。 取消砂带抛光，采用布轮抛光可以改善生产环境，并保证不破坏精磨后的螺杆尺寸、形状精度，更进一步降低螺杆表面粗糙度，增加螺杆使用寿命。 目前遍布全国的众
12、多塑机螺杆专业厂大都设备简陋、产品质量低劣， 应进行大力整顿、改造。原机械部滚珠丝杠专业厂 (例如南京工艺装备厂、江江机床厂昆山分厂等 )如能利用现有设备和技术生产塑机螺杆，将会大大缩短我国精密塑料机械的研制进程。 螺杆的质量检测和性能测试 压缩机、工业泵、塑料机械中的螺杆全部为回转体，因此其尺寸和形状精度应该在回转状态 (动态 )中进行检测。过去由于量仪开发落后于工业产品开发，因此国外也是用三座标测量机检测的。现在国内外都开发了数控测量中心 (例如德国 Klingelnberg 公司的 PNC65、 Mahr 公司的 Primar 测量仪，国内的双频激光动态丝杠测量仪、数控 齿轮测量中心等
13、)，可使螺杆在回转状态下，测量全部尺寸、型线等的几何形状精度。即使是螺杆成型铣刀的刀口曲线也可快捷方便的测出。因此原有一些机械靠模、光学或三座标测量仪静态测量的方式和仪器应作根本性的改变。 螺杆热处理内在质量的检测普遍未予重视，应强调对螺杆内在质量 (金相组织、硬度、机械性能等 )的检测和控制。 螺杆付啮合精度的检测 (间隙及其均匀性、回转精度等 )，过去没有适用的仪器。现在国内成都工具研究所已开发了螺杆付精度检查仪，可以高精度自动检测、记录螺杆付的回转精度及其间隙的均匀性 挤出机中则必须有齿轮箱驱动 螺杆 (单、双、四螺杆 )并保持双、四螺杆之间的均匀侧隙和定比传动。注塑机中的齿轮是调整件，
14、不是动力齿轮。因此除轮齿等分误差 (齿距误差 fpt 和齿距累积误差 Fp)有严格要求外，齿形误差 ff，齿向误差 F 不必有高的要求，齿轮强度和寿命也无高的要求，因此齿轮采用中炭钢调质，滚切到 9 10 级精度一般可以满足使用要求。其余齿轮都是传动齿轮，因此齿轮应采用低炭合金纲渗炭淬火，滚制 淬硬 磨削到 6 级精度，才能满足使用要求。 压缩机、工业泵螺杆付的寿命、振动测试和塑机螺杆付的压力、料温、功率消耗、寿命等性能测试，过去普 遍未予重视。设有螺杆付性能测试室的工厂极少。这些产品性能测试工作只在国内少数大学和研究所的实际室里才有。今后螺杆专业厂和行业骨干厂应逐渐增设螺杆付产品性能测试室或
15、实验室。国外的一些大公司是很重视产品性能测试的，在这方面应投入大量资金和人力，以保证产品不断更新换代。 1.3 我国当前螺杆制造工艺 目前在国内 ,由于加工设备的控制能力有限 ,加工中只能将导程分段 ,在每一段内按照等导程处理 ,这样加工的整条曲线与理论上的导程连续变化要求不相符 ,螺杆的尺寸及精度一致性要求不能保证 ,使用过程中磨损快、寿命短。因而这样的螺杆只 能用于精度要求不高的场合 ,而高精度的螺杆 ,必须依靠进口 ,价格昂贵。 目前，我国螺杆加工的典型工艺为 :车 粗铣 精铣 (多数企业 )，或车 铣 磨 (少数企业 )，亦有些企业用成形车代替铣削加工。螺杆的磨削加工，无论是齿形精度还
16、是表面质量都有明显的提高，但从国外进口一台螺杆磨床需耗费巨额资金。然而，在螺杆铣削方面，加工工艺还有待于进一步改进和提高。目前我国广泛采用的铣削方法有 :成形法和包络法。其中采用最多的是成形铣，有些企业采用自制的设备，有些企业采用由其他工厂生产的铣床。所谓成形铣，是指根据螺杆的螺旋面形状及刀具安 装的角度将刀具刃磨成所需的形状，然后进行螺杆加工。若按刀具类型分，成形铣削方法可分为以下三类 :指状铣刀的成形铣削、盘状铣刀的成形铣削和旋风式成形铣削。成形铣削法存在的主要问题是刀具制造成本高，每加工一种螺杆就要更换一组刀具，而且需要配套相应的刀具刃磨设备，生产准备时间长，使生产企业投入成本较大。也有
17、些企业从国外进口高价的螺杆铣床，如英国 Ho1royd(哈罗德 )公司的螺杆铣床及奥地利 Linsinger(林森格 )公司的数控螺杆铣床。还有一种是国外最近提出的新加工工艺，称之为螺杆包络法加工 ,即采用标准的圆形或三角 形刀片依据螺杆型线和表面粗糙度要求 ,不断改变刀具和工件的相对运动关系 ,利用刀具刃形空间运动轨迹 ,包络加工出所需的螺杆螺旋面。包络法加工具有如下的优越性 :刀具廓形简单 ,不需要专用的刃磨设备 ,刀具制造成本低 ;一把刀具可加工多种螺杆 ;可采用高性能的硬质合金刀片 ,提高切削效率。该加工方法所使用的刀具是由若干只菱形或圆形标准刀片组成的内旋铣刀盘 ,通过工件与刀具的相
18、对运动构成内旋风铣削。刀具在切削旋转过程中 ,刀尖圆弧形成一圆环面 ,该圆环按照一定的规律在空间作包络运动 ,最后形成的包络面就是螺杆的螺旋面。为避免刀具与 螺杆螺旋面的干涉 ,在铣削螺杆前根据螺旋面参数 ,通过角度调整系统将旋风铣刀盘的轴线相对于工件的轴线旋转一定的角度。铣刀盘的高速旋转形成主切削运动。铣刀盘可由拖板带动实现沿工件轴线的运动和垂直于轴线的运动 ,以保证切削进给运动。 小结 从 螺杆技术应用举例， 压机螺杆和制冷压缩机螺杆 现状， 塑料业螺杆制造技术的现状， 螺杆制造技术的发展趋势 这四点看出， 随着塑料 行业，压缩机行业等行业 的飞速发展，螺杆的应用 得到 进一步扩大，高质量
19、螺杆的市场需求也呈快速增长的势头。 面对现在中国产业结构的调整，粗放型的追求低工业附加值的企业不会得到很快速的发展，在条件允许的情况下企业该主动去适应 螺杆制造技术的发展趋势 。 参考文献 1詹捷，许洪斌 .复杂螺杆零件的三维设计和加工 M.现代制造工程， 2002(10) 2薇井淳 .挤出机变距变径螺杆的加工 M.机械工艺师 ,1996， No.1 3赵文欣 .摆线啮合三螺杆泵成型设计与制造技术研究 M.石油机械， 2003.1 4郑雷飞 ,夏振鹏 .我国单螺杆压缩机的发展历程与进 展 M 压缩机技术 ,2004.4 5林子良 ,于洋 .国内螺杆压缩机的发展现状 M压缩机技术刊中刊 2006
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