1、毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 螺杆三维建模技术研究及数控加工技术研究 摘要 螺杆设计可说是注塑机射出单元的心脏，更是塑料材料塑化时，熔胶质量好坏的重要因素，也是注塑工艺得以可靠实现的必要前提。过去国内的注塑机厂或螺杆专业厂，多延用国外螺杆设计，经验设计，且多为泛用型螺杆，对专精螺杆设计技术普遍欠缺，特别是工程塑料之专用螺杆。 为了满足不同需求，螺杆的结构形式也是多种多样。螺杆在许多方面都起重要作用，所以研究其结构特点和加工方法显得尤为重要。 螺杆被广泛用于塑料挤出机、注塑机中 ,螺杆结构、 长径比取决于原料及制品 ,所以结构多变 .本文使用 Solidworks 软件 ,介绍了通过
2、对螺杆分段特征的参数化 ,对螺杆进行快速装配拼接 ,最后派生一新螺杆的三维 CAD 设计方法 .此方法几乎适用于所有的螺杆设计 ,也有利于螺杆 CAD/CAM 技术的推广 1。 关键词 : 螺杆结构；注塑机；螺杆设计；参数化；模拟； 1、引言 70年代末，我国计算机应用尚处于萌芽阶段，二维 CAD图纸设计是我国最早应用的 CAD技术，从 80年代初， CAD技术应用经历了 “六五 “探索， “七五 “技术攻关， “八五 “普及推广， “九五 “深化应用四个阶段。 CAD 技术在我国机械行业应用较早，并得到迅速发展，取得一批重要应用成果。但是，从我国企业 CAD技术应用的总体水平来看，应用还停留
3、在二维绘图水平上。 随着微机三维 CAD/CAM 系统的日趋完善及 Window 操作平台的普及和微机性能价格比的不断提高，企业使用三维 CAD 技术时机已经成熟。随着信息时代及全球经济一体化进程的到来，我国的企业必须面临这一严峻事实，企业必须具备新产品开发、研制及创新能力，才能在激烈的市场竞争中生存下来，否则的话，就面临破产和淘汰。实践证明，三维 CAD/CAM技术对加速新产品开发、提高产品质量 、降低成本起着关键作用，是支持企业增强创新设计，提高市场竞争力的强有力的手段。 在形体分析的基础上对波状螺杆进行参数化建模，介绍了SolidWorks 波状螺杆参数化建模的过程和技术要点，探索了参数
4、化技术在螺杆快速设计、系列设计及变形设计中的应用 2。 2、 螺杆三维建模技术 研究现状与发展趋势 2.1 基本知识 螺杆在注塑机、挤出机中被广泛应用，其结构大都是几何螺旋式的硬质钢轴，螺杆的结构形式多样，取决于塑料制品及用料不同，实际上，采用传统的三段通用型螺杆，在工艺上很难满足现代塑料工业的成型要求。因此，在通用螺杆 的基础上又开发了许多新型螺杆，如混炼型、波状型、分离型、排气型等，新螺杆结构大多较为复杂，有些甚至很难用二维图纸进行精确表达。用三维 CAD 软件设计螺杆与传统二维 CAD 绘图软件设计螺杆相比，不仅效率高，还便于实现产品系列化设计和变异设计，同时用三维 CAD 设计在设计意
5、图表达、几何形状要求等方面更容易得到保证，还易于实现螺杆 CAD/CAE/CAM 技术的应用 3。 2.2 研究现状 我国专用螺杆的设计开发已有多年，但是整体设计水平和手段比较落后，前人已开发出单螺杆挤出仿真平台，对单螺杆挤出机螺杆计算机辅助设计软件 也有所研究。通过将已开发的基于 SolidWorks 的参数化的螺杆三维实体模型和单螺杆挤出仿真平台搭接，可以完成螺杆挤出动态模拟，得到一些挤出过程的后处理曲线来指导普通螺杆的设计。但是螺杆数据库还并不完善，包括的螺杆类型仍有限，对挤出机新型螺杆的 CAD 设计均未有研究。 在螺杆设计中，经常需要对同一个元件模型进行多个参数的设计，图纸方案也要反
6、复地修改。 CAD CAE 技术是螺杆发展中的一个重要里程碑。实践证明， CAD CAE 技术是螺杆设计的发展方向。在螺杆的 CAE 分析中，需要频繁地对螺杆的几个重要参数进行更改和 对比，进而需要对螺杆重复地建模造型，极大地影响了分析的效率。 在过去 50 年最重大的挤出技术进展就是双螺杆技术。第一个开发成功双螺杆挤出机的是意大利和德国的工程师，其中包括异向旋转和同向旋转。 二次世界大战后， LMP 授权法国的 Creosot-Loire（现在的 Clextral）公司、英国的 R.H.Windsor 和日本的 Ikegai Iron 制造双螺杆挤出机。东芝机器公司（ Toshiba Mac
7、hine Co.）在 1955 年率先制造成功全啮合的反向旋转双螺杆。基于图像的建模和绘制技术进行综述性介绍 ,着重阐述研究的最 新进展 。 扼要地回顾了一些基本方法 ,并对这些方法的优点和局限性进行分析比 4。 目前韩国公司的真空泵都使用多头转子型线，为适应市场需求，许多公司都已经开始开发单头等螺距转子型线，日本的大晃株式会社和荏原株式会社也开发了具有知识产权的单头螺杆转子型线。里奇乐凯尼和莱宝公司也在单头等螺距转子型线基础上开发出单头变螺距转子型线，并已经将产品投放市场。目前德国生产的大型造粒用单螺杆挤出机，螺杆直径达700mm，产量为 36t/h5。 中国虽作为制造大国，制造技术却为国外
8、掌握，我国尚处于起步阶段。国内较早研 究螺杆的学者的是东北大学的刘春姐张世伟，他们对单头变螺距型线、双边对称圆弧型线、单头螺距型线做了一定的研究，并申请了专利。台湾中正大学的冯展华教授与汉钟精机合作，研发出螺杆真空泵，并在 2004 年成功申请了专利。去年在真空泵的基础上，还提出了螺杆爪式型线，并与一般形式的螺杆进行了多重对比 6。通过塑化过程的有限元数值模拟及优化设计，进行了优化螺杆和标准螺杆的性能比对实验，验证了优化螺杆的性能已优于标准螺杆。 截至 2010 年 12 月底，在国内已经拥有空气压缩机生产许可证（或者已经通过国家压缩机制冷设备质 量监督检验中心检验）的企业已经由 20 世纪
9、90 年代只有 100 多家发展到目前的有将近 400家，这 400家企业中在生产螺杆空压机的有 100多家（其中单螺杆的有 8 家），生产微型往复活塞式空压机的有 300 家左右。我国至今已有近百种螺杆，常见的有屏障型、剪切型、分离型、波状型与分流型等。单螺杆塑料挤出机无论作为塑化造粒机械还是成型加工机械都占有重要地位，近几年业，单螺杆挤出机有了很大的发展 7。 2.3 发展趋势 未来趋势是基于 SolidWorks 平台开发了挤出机新型螺杆三维实体参数化造型设计系统。基于 SolidWorks 开发的挤出机单螺杆参数化设计模块，用户可方便快速地创建出适合CAE 分析的螺杆模型，该模型包括螺
10、杆的基本结构和主要的设计参数，所以也可作为螺杆结构详细设计的基础 8。 这种螺杆零件模型的建立方法，是一个从“零件”到“装配”再倒“零件”的设计过程，不仅在一定程度上简化了螺杆三维设计的结构参数，还能有效解决由于螺杆结构的复 杂性所带来的建模困难问题，同时利用 SolidWorks强大的黄金伙伴软 CAMWorks 使螺秆的 CAD CAE CAM 技术应用更加方便。 近几年以来，人们对螺杆进行了大量的理论和实验研 究， 螺杆国内的研究还处在起始阶段，很多技术难题还没有解决。 塑料原料种类的不断增多，产品要求的提高，改性的工程塑料应用越来越广泛，对螺杆的要求也相应提高。普通螺杆一统天下的局面已
11、经不存在了，针对各种改性的、新性能的塑料原料，设计制造出相应的专用螺杆，以提高成型的质量和效率以及螺杆的使用寿命，是未来注塑螺杆设计的发展方向。同时，不断加强对新型合金材料在螺杆上的应用研究试验，以及对螺杆表面镀铬等表面处理工艺的研究试验，将是螺杆制造业需要坚持不懈地努力探索的工作 9。一些具有完整开发实力的注塑机整机制造企业也将 螺杆技术研究列为企业技术部门重要研究方向，通过对螺杆的持续研究试验，并针对各种新原料、新工艺进行相应改进，不断提高塑化性能。通过螺杆制造厂家和注塑机制造厂家的共同努力，设计、生产出高效、稳定、耐用的螺杆将会越来越多 。 3、开发平台的比较与分析 3.1 SolidW
12、orks Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidw orks 功能强大、易学易用和技术创新是 SolidWorks 的三大特点，使得 SolidWorks 成为领先的、主流的三维 CAD解决方案。 SolidWorks 能够提供不同的设计方 案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。 SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用 10。 3.2 CAMWorks CAMWorks 采用用户熟悉的 SolidWorks 界面，易学易用。 CAMWorks 的加工特征树和SolidWorks 的特征管理器相似，和在 Solid
13、Works 中的做法一样，没一项都可以折叠、打开、重新命名和移动。在线帮助、快速启动的使用指导和教学材料能让用户迅速生成加工轨迹和代码 11。 CAMWorks 是一个基于特征的计算机辅助 加工系统，能自动识别很多包括斜面在内的棱柱特征。自动特征识别（ AFR）分析零件的形状及对常见的可加工特征进行铣削的意图，铣切的特征如凹套、凸台、孔和槽。 AFR 也定义车削特征，比如零件的内外径、端面和沟槽。AFR 即能对 SolidWorks 生成的零件也能对以 IGES 和 SAT 格式输入的零件进行特征识别。 CAMWorks 还可以用交互特征识别（ IFR）来定义特征，从而处理那些无法自动识别的特
14、征或需要专门定义的加工要求。类似 SolidWorks 的特征导向， IFR 导向提供了一个方便和快捷的方法来定义可加工特征。 4、结 束语 国际和国内的理论和实践给我们提供了很好的方法和理念，拓展了我们更多的发展空间。在这些前提下，我国 CAD/CAM 产业只要紧跟时代潮流， 利用 solidwork 的扫描混合功能 ,构造了变螺距螺杆的三维实体模型 ,并通过 camworks 进行了运动仿真分析 ,证明了按本方法设计的变螺距螺杆与供送件不会发生干涉 ,运行平稳 ,仿真结果与理论曲线相吻合 ,验证了模型建立的正确性 12。解决了复杂形体供送件螺杆的参数化设计 ,完善了其设计理论与设计方法。
15、跟踪国际最新动态，遵守国际规范，形成自己独特的优势，并且立足国内、结合国情 、面向国内经济建设的需要，一定能够开发出有特色的符合中国人习惯的 CAD/CAM 软件，为我国制造业的发展插上腾飞的翅膀 13。 螺杆 其设计参数多 ,受制约的因素多 ,且螺杆多为变螺距 ,运动规律复杂 ,设计和制造的工作量都很大 14。 随着 CAD/CAE 的广泛应用 , 对系统集成要求越来越高 ,为了更加高效、直观地进行机械产品的开发和设计 15, 应用三维造型技术将推动现代设计和制造技术的进一步发展。尤其中国进入 WTO 后 , 国内企业将直面激烈的国际竞争 , 我们将会愈来愈深地体会到我国制造业的技术水平与发
16、达国 家的差距 ,因此我们必须顺应国际技术发展趋势 ,积极吸收国际上先进的思想和工具 , 进一步提升我国 CAD/CAM 技术的应用水平 , 从而增强我国制造业的总体水平和国际竞争力 16。 通过 solidwork 建立了螺杆的三维模型，实现了三维 CAD对复杂曲面的建模，为螺杆的结构改进和力学等性能的研究奠定了基础。对于 camworks 模拟加工，自动粗加工、精加工、铣削、车削，轴铣削，车铣复合加工都有一定理解，学习掌握了如何改善表面加工精度和延长刀具使用寿命。 参考文献： 1陈胜 ， 张玉莲 ， 章海 . 螺杆三维参数化分段拼装设计 . 中国科技成果 ， 2009年 5期 2陈胜，顾平
17、灿，章海 . 波状螺杆 J.CAD/CAM 与制造业信息化， 2009 年 3陈胜，王春涛，陈毓 . 螺杆零件的简化表达 J.温州大学学报， 2008 年 4邱建雄 , 赵跃龙 , 杨瑞元 .基于图像 的建模和绘制技术综述 .小型微型计算机系统 , 2004 5王永康 .变螺距螺杆加工方法 .食品与机械 ， 1987 6杨涛 ， 张光辉 .差速双螺杆挤出机螺纹元件及刀具设计 .现代制造工程 ,2006 第 8 期 7梁基照 .挤出机螺杆加料段几何参数的优化设计 .轻工机械 ， 1994 年 9曾锋，牛鸣岐 .蜗轮齿面的三维仿真造型 J .水利电力机械 ， 2007 年， 29（ 6） 10熊小
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