1、本科毕业论文（20 届）螺杆加工工艺分析与成形刀具设计所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文II摘要 改革开放以来，伴随着机械制造业的迅速发展，有关螺杆机械设备也迅速发展。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。我国现在螺杆生产企业应用 最广泛的螺杆螺旋面加工
2、方法为成形铣削法，虽然其加工效率较高，但由于每一种规格的螺杆加工就需要一组刀具，刀具需求量较大，此外，还要配套相应的刀具刃磨设备，导致企业投入生产成本较大。而且国内螺杆加工企业的加工设备落后，加工工艺落后，无法加工高精度的螺杆。本论文主要对螺杆的加工工艺进行分析；对螺杆螺旋面分析，设计螺杆铣刀。本论文的主要研究内容包括两个方面：1、分析螺杆的加工工艺，制定螺杆的工艺卡片。2、螺杆铣刀廓形计算与设计。关键词:螺杆;工艺;铣刀本科生毕业论文IIIAbstractSince reform and open policy，following the mechanical manufacturing i
3、ndustry rapid development，The related screw rod mechanical device also rapidly develops.After 1985 the screw rod production application obtained the rapid development, the screw rod also entered the rapid development stage.Along with market unceasing strength, such as the screw rod pump, the screw r
4、od compressor, the oak model the extruding machine, the steam turbine, the air blower, the turbine and so on the High-tech, the high performance machinery equip the demand is more and more.More and more is also high to its performance request,They in national economy in and so on the military, petro
5、leum, machinery, aviation, energy, chemical industry, plastic many essential industry domains have the widespread application.The present paper carries on the analysis to the screw rod processing craft,To the screw rod craft analysis, has designed the end edge shape design through the mathematical c
6、omputation.Now screw manufacturer in China the most widely used method for processing screw is helical shape milling method.Although the process more efficient, but the processing of each specification screw requires a set tool, tool demand for larger.In addition, as also supporting the appropriate
7、tool grinding equipment, leading to greater business input costs of production.The processing equipment of domestic screw processing enterprises backward , processing technology behind, unable to process high-precision screw.This thesis mainly to screw machining process analysis; To screw helicoids
8、analysis through calculation and design means shape cutter blade shape. Present paper main research content including two aspects:1.Analysis screw processing technology, the process card set screw. 2.Screw milling cutters profile calculation and design Key words: Screw rod,;craft; milling cutter本科生毕
9、业论文IV目录摘要 .1第 1 章 绪论 .51.1 螺杆分类 .51.2 螺杆的应用 .6第 2 章 螺杆的加工工艺 .72.1 螺杆材料及其选择 .72.2 挤出螺杆工艺过程 .72.2.1 工件结构特点 .72.2.2 工艺过程 .82.3 锥形螺杆加工工艺 .92.3.1 工件结构特点 .92.3.4 加工工艺过程 .92.4 螺杆抛光工艺分析 .112.4.1 砂带抛光螺旋曲面螺杆的特点 .112.5 螺杆的氮化工艺分析 .12第 3 章 螺旋面数控加工分析 .143.1 异形螺杆的数控螺旋面加工 .143.2 锥状异形螺杆的数控螺旋面加工 .153.3 异形螺杆盘形铣刀包络法数控螺
10、旋面加工 .163.4 变螺距螺杆螺旋面加工方法 .18第 4 章 螺杆铣刀廓形计算与设计 .224.1 螺旋面方程 .224.2 单参数曲面族及其包络面 .234.3 单参数曲面族的特征线 .254.4 工件螺旋面的形成 .264.4.1 工件螺旋面的形成 .264.4.2 工件螺旋面的方程式 .274.5 螺旋面的法线及特性方程 .274.6 工件螺旋面与刀具回转面的接触条件 .29本科生毕业论文V4.7 设计刀具轴向廓形 .314.7.1 成型铣刀设计 .324.8 铣刀的刀体设计 .344.9 铣刀的刀槽结构设计 .35结束语 .37致谢 .38参考文献 .39附 录 .40本科生毕业
11、论文35第 1 章 绪论改革开放以来，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。就螺杆泵而言，我国单螺杆泵是1932年由法国工程师 Moineau 发明，并由德国 PCM 泵公司制成产品。三螺杆泵是 1931年由瑞典 IMO 公司发明并制造的。我国于1984年引进德国 Al
12、lweiler 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。就我国注塑螺杆而言我国塑料机械螺杆业是从轻工、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。在塑料机械中用到螺杆的主要是注塑机和挤出机。注塑机基本上是单螺杆，挤出机以单螺杆为主，近年发展了双螺杆，晨光化工研究院还研制了四螺杆挤出机，北京化工大学近些年还研制了三螺杆挤出机、行星螺杆挤出机和往复式单螺杆挤出机（布斯机）等，但产量很少。改革开放30年来，家电、建材、汽车、文具、玩具等行业突飞猛进，家庭作坊式民营企业也
13、迅速发展，因此注塑机行业厂家众多，仅浙江宁波地区就有33家注塑机厂，全国60余家。挤出机行业发展稳健，至今骨干厂也就56家。我国现在生产合模力1t3000t 注塑机及螺杆直径 20200mm 的单、双螺杆挤出机。注塑机的全国年产量约15000台，挤出机的全国年产量约2000台。我国目前还不能生产精密型注塑机。塑机行业有许多螺杆专业厂，浙江舟山是全国著名的“螺杆之乡” ，有金海机械公司、华业公司等200余家螺杆制造厂。由于大多数厂家尚处于“原始资本的积累阶段” ，目前存在的问题仍然是设备简陋，制造技术落后，螺杆质量低，制造精度低、寿命短。这些都严重制约了我国高精度注塑机和挤出机的发展。因而，对螺
14、杆的制造工艺过程和工艺设备进行研究，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。1.1 螺杆分类按照螺杆根数可以分为单螺杆、双螺杆、多螺杆。双螺杆又可以分为平行双螺杆和锥形双螺杆。双螺杆按照旋转方向又可以分为同向和异向。按照功能能的不同可以分为分离性螺杆、屏障型螺杆、分流型螺杆、变流道型螺杆、减压型螺杆等。按照螺槽结构特点可以分为等深螺杆和非等深螺杆。按照螺棱特点可以分为普通螺杆和波形螺杆。按照螺棱数目可以分为单头螺杆双头螺杆三头螺杆等。本科生毕业论文36按螺杆结构及其几何形状特征，可分为常规螺杆和新型
15、螺杆，常规螺杆又称为三段式螺杆，是螺杆的基本形式，新型螺杆形式则有很多种，如分离型螺杆、分流型螺杆、波状螺杆、无计量段螺杆等。1.2 螺杆的应用螺杆的应用相当广泛，根据功能不同的螺杆分以下几类：1.分离型螺杆分离型螺杆是在普通螺丝杆的加料段末端设置一外径小于主螺纹的副螺纹，并在固体物料熔融结束处与主螺纹相交，从而有效地避免常规单螺杆在熔融段后期出现的固相破碎，使熔融速率得到提高。分离型螺杆的熔体温度、压力和流率波动小，挤出量大。不仅适用于通用的聚稀烃塑料、尼龙、聚碳酸酯和聚砜等工程塑料，而且可用于聚氯乙烯和聚甲醛等热敏性的塑料加工。分离型螺杆有：BM 型、Barr 型熔体槽型、XLK 双层型、
16、PM 型和 ICT 型等，目前工业应用最多的是 BM 型。2.屏障型螺杆屏障型螺杆是在均化段设置屏障，以阻止未熔融固相进入均化段，并促进物料熔融。屏障元件有直槽式、斜槽式、三角槽式、深槽渐变型、斜槽双屏障式或多屏障式等多种结构。该螺杆属高剪切元件，通常仅适用于聚烯烃物料。但只要屏障头设计合理，也可用于挤出热敏性的塑料。3.分流型螺杆分流型螺杆是在常规螺杆螺槽内设置分流元件（如销钉、犁钉、凸台、分流沟槽、分流孔等)，其作用是打乱固液两相流动、增加固体和熔体间的剪切，促进熔融和混合。主要结构型式为销钉型和 DIS 型。这种螺杆可适用于硬聚氯乙烯制品、发泡挤出、交联挤出、聚乙烯和尼龙等混配作业。4.
17、变流道型螺杆该螺杆的结构特征是螺杆流道截面形状或截面面积大小是变化的。其代表是波形螺杆和HM 型（其具有多边形的螺杆段)。由于物料在这种螺杆内要承受不断的压缩、捏合和混炼作用，故可强化熔融和混合。变流道型螺杆虽然制造麻烦，但塑化、混合质量好，尤适于加工难以熔融的塑料。但这种螺杆不适用于热敏塑料。5.减压型螺杆减压型螺杆是在螺槽熔融段内设置 23 个螺距槽深较浅的区域，目的是避免熔体因过大的剪切热而导致塑料过热分解。由于熔体可在较小的剪切作用下进行热量的扩散和均化，故可适用于热敏性塑料和需脱挥的物料挤出。本科生毕业论文37第2章 螺杆的加工工艺2.1 螺杆材料及其选择螺 杆 材 料 ： 目 前
18、我 国 常 用 的 螺 杆 材 料 有 45 号 钢 、 40Cr、 氨 化 钢 、 38CrMOAl 等 。 （ 1） 45 号 钢 优 点 :价 格 便 宜 ， 加 工 性 能 好 ， 但 耐 磨 耐 腐 蚀 性 能 差 。 45 号 钢 调质处理后的零件具有良好的综合机械性能。缺点：表面硬度较低，不耐磨，所以通常需要经过调质和表面淬火提高零件表面硬度。 （ 2） 40Cr 的 性 能 优 于 45 号 钢 ， 但 往 往 要 镀 上 一 层 铬 ， 以 提 高 其 耐 腐 蚀 耐 磨 损 的 能力 。 但 对 镀 铬 层 要 求 较 高 ， 镀 层 太 薄 易 于 磨 损 ， 太 厚 则
19、 易 剥 落 ， 剥 落 后 反 而 加 速 腐 蚀 ， 目前 已 较 少 应 用 。 （ 3） 38crmoal 是高级氮化钢，主要用于具有高耐磨性.高疲劳强度和相当大的强度.热处理后尺寸精确的氮化零件，或各种受冲击负荷不大而耐磨性高的氮化零件，有高的表面硬度、耐磨性及疲劳强度，并具有良好的耐热性及腐蚀性，淬透性不高。螺杆材料选择:选择螺杆的材料时要根据所需要的力学强度需求、承受的最大扭矩需求、温度和压力等多方面的因素考虑。挤出螺杆是塑料机设备的最重要的零部件，它直接关系到注塑机塑化效果和产量。挤出螺杆在料筒内旋转工作，其在高温高压大扭拒下进行的，由于它要在转动中强力推动物料前移。同时，它本
20、身还要承受强大的摩擦力和塑料分解腐蚀气体的侵蚀，因而螺杆的材料必须具有很高的力学强度、承受巨大的扭力矩和高温高压条件下不变形的性能，所以目前国内的塑料机一般采用 38CrMoAl 合金钢材制造。2.2 挤出螺杆工艺过程2.2.1工件结构特点挤出螺杆是塑料吹膜机中的关键零件，其特点是长度长, 长径比大, 精度要求高, 螺杆在机筒内输送塑料颗粒, 其磨损程度大, 在工作过程中, 由于须对塑料颗粒进行加热使其熔化, 螺杆总在200左右的温度下工作, 因此螺杆不仅要耐磨损, 而且还要耐热。所以, 选材时要特别采用既耐热又耐磨的38CrMoA1 优质合金钢, 并需进行硬氮化处理。为保证螺杆输送颗粒稳定,
21、 塑料不产生回流, 避免发生割伤机筒表面事故, 所以要切实保证螺杆的刚性及零件精度。如图2.1为挤出螺杆, 其总长为1478 mm, 直径为50 mm, 工作长度与直径之比为1400：50 = 1：28 属于细长轴, 全长直线度允差为0.06 mm。本科生毕业论文38图2.1 挤出螺杆样图该螺杆加工难度要比一般轴大得多, 原因是工件细长, 装夹刚性差, 受切削力作用极易弯曲, 同时工件因长度长, 热变形伸长大, 普通后顶尖会阻碍其伸长,而使工件弯曲， 此外刀具切削行程长, 会因中途磨损而影响加工质量。故在加工螺杆时, 应采用两顶尖装夹并辅以跟刀架来减小变形, 以承受工件因重力及切削力作用而产生
22、的下垂和振动。此外, 还应施以充足的切削液, 有用弹簧后顶尖, 使用耐磨和合理几何角度的车刀, 并选用合理切削量。2.2.2工艺过程1.备料: 采用38CrMoA1 圆棒料, 毛坯为60 mm x1518mm。要求毛坏全长弯曲度小于4mm, 如超过4mm, 则不能使用, 防止加工后变形严重而报废。2.调质处理: 目的在于提高材料的机械性能, 消除毛坯内应力, 改善切削加工性能, 调质后表面硬度为HB235-250。3.粗车: 车两端面,采用双顶尖、跟刀架, 粗车各段外圆并留2.5-3mm 加工余量。4.检验: 径向圆跳动小于0.8mm, 若大于0.8mm, 应在半精车工序中纠正。5.半精车:
23、仍采用双顶尖、跟刀架, 半精车各外圆, 并留1-1.4mm 的加工余量。6.自然时效: 悬吊一周左右, 消除内应力。7.粗磨: 粗磨各外圆并留精磨余量0.3-0.5mm。8.划螺纹线: 在车床上用刀尖划出两条相距为5mm、螺距均为50mm 的螺纹线, 以定出螺纹槽的起止点位置,并标出不同槽深的三段螺纹的起止点。9.车螺纹槽: 在车床上车螺纹槽, 需采用双顶尖装夹、跟刀架保持刚性。车削后, 半径上留0.08-0.12 mm的槽深余量, 以便抛光。10.回火处理: 在井式回火炉内回火处理, 消除上述机加工所产生的应力, 注意正确控制温度, 温度过高, 硬度下降; 温度过低, 起不到回火作用。11.
24、抛光螺纹槽: 检验修正中心孔后, 在大车床或改型后的车床上用砂布条抛光螺纹槽, 半径上留0.015-0.03mm 的余量, 用以硬氮化处理后再次抛光。本科生毕业论文3912.精磨: 精磨各外圆表面到图纸所要求的值。13.铣键槽: 在相应设备上按图纸要求加工。14.钳工整形: 以修整螺棱面、螺纹槽面上机加工未能到达的夹缝、过滤面及以上加工过程中所留下的毛刺、痕迹。15.检验: 检验螺杆的直线度、尺寸精度、粗糙度等, 必要时修整。16.硬氮化处理: 在井式氮化炉中进行气体氮化处理, 氮化层深度应不小于0.3mm, 硬度HV850-900, 氮化后表面应呈银灰色。17.抛光螺纹槽: 修研中心孔, 在
25、大车床或改型后的车床上用砂布条对螺纹槽进行抛光, 抛光后表面光亮。切掉工艺余量、修整锥形面: 把轴上用于打顶尖孔的工艺余量切掉, 并车出锥面。18.检验: 总体检验, 合格为止。该螺杆螺距相同,而螺纹槽深度不同。在生产实际中, 螺杆也常设计成由不同螺距或不同头数的螺纹的组合, 加工时同样必须在车床上先划线,找出螺纹的起止点位置及两种不相同螺纹(即螺距或不同螺纹槽深或头数)的交接点。钻出车削螺纹时的起止点位置, 然后在铣床上铣出足够大的进刀槽或退刀槽的空间位置, 逐步加工出各种不同的螺纹来。采用该生产工艺,还可加工长达3m 的螺杆,这些螺杆已在大型机械和塑料吹膜机上应用,按这工艺加工的螺杆, 刚
26、性好, 性能稳定, 耐磨耐热, 工作平稳, 能满足整机要求, 质量可靠, 寿命高。2.3 锥形螺杆加工工艺2.3.1 工件结构特点锥形螺杆的特殊结构设计决定了加工的难度。如图2.2所示，螺杆外圆及螺槽底面为锥形，螺杆的每段头数不一样，而且螺杆中间为一细长盲孔，加工难度大。螺杆材质为38CrMoAlA，需进行调质及氮化处理，调质硬度260-180HBW，氮化深度0.5mm，氮化硬度900HV，氮化脆性不大于二级，工艺上应尽可能减少热处理变形，螺杆表面粗糙度值Ra=0.4um。图 2.2 锥形螺杆2.3.4 加工工艺过程（1）车外圆及两端面 满足钻内孔工序的定位需要钻孔工序的精度保证主要取决于工件两端的定位。所以车外圆时必须保证：两端外圆定位基准面要同轴；加工钻孔端时，要求一次定位将外圆、端面加工完成，保证内孔与外圆同轴。选用CW6163车床加工。（2）钻内孔 螺杆一端用深孔钻床的三爪自定心卡盘固定，关键是深孔钻头前端的两切削刃要磨削对称，对该钻孔工序选用机床为深孔钻床（如T2120） 。
