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1、1.绪论刨削加工是传统的加工方法之一，具有刀具制造简单，生产准备时间短的特点。在加工窄而长的表面时，若采用强力刨削及宽刃刨刀精刨平面，可以得到较高的生产效率和较好的表面质量。并且，对不通孔或有障碍台肩的孔内键槽，刨削加工几乎是唯一的加工方法。因此，在实际生产中，尤其是在单件生产中，刨削加工占有较高的比例。扭叶罗茨鼓风机与直叶转子罗茨鼓风机相比，由于扭叶罗茨鼓风机具有工作平稳、能耗低、高效及噪声低等优点，因此在建材、电力、冶炼、矿山、港口等领域有更加广泛的应用。转子是鼓风机的重要零件，它的加工精度直接影响鼓风机的性能。罗茨鼓风机转子按叶数可以分为二叶和三叶，按叶轮形状可以分为直叶和扭叶。而就声学
2、性能上来说，三叶优于二叶，扭叶优于直叶。现在直叶转子在鼓风机结构中已经普遍使用，而扭叶转子虽然声学性能比较好，但是由于目前国内在扭叶转子的数控加工方面的研究相对较少，并且缺少对转子曲面的几何特性的定量分析，以至于造成了加工精度不高、加工效率低下等缺点。国内所见的对于扭叶罗茨鼓风机的研究有用成型刀加工扭叶转子的，但是存在着刀具磨损较快，不易修复的缺点，也有用刨床加工扭叶转子的，但是也存在着加工精度低，振动较大等缺点。目前国外扭叶罗茨鼓风机转子的加工多用专用数控机床加工，具有成本低、效率高等优点。由于国内扭叶转子的加工方法存在着加工精度低、成本较高等缺点，以至于目前国内扭叶罗茨鼓风机还是以进口为主
3、，国内企业还没有形成批量生产扭叶转子。为了进一步提高扭叶转子数控加工的质量和效率，进一步促进扭叶罗茨鼓风机国产化。本文介绍了用球头铣刀数控加工罗茨鼓风机三叶扭叶转子的刀具参数及其走刀步长和切削行距的定量几何模型。数控技术作为现代制造业的基础，被应用在刨削加工中，给这一传统的生产模式带来了深刻的革命性的变化。数控刨削的加工方法，不仅可用于简单平面的加工，还可以加工象连铸机结晶槽、耐火砖模具、汽轮机叶片等这样复杂的异形零件以及象罗茨鼓风机扭叶转子这类具有回转轴螺旋形零件。这些都大大拓宽了刨削加工原有的适用范围，为这一传统加工工艺注入了新的活力。1.1罗茨鼓风机的国内外发展概况及发展趋势1.1.1罗
4、茨鼓风机的发展概况罗茨鼓风机是一种典型的气体增压与输送机械，具有工作稳定，机械效率高，结构简单，操作方便等优点，被广泛应用于很多领域。自从1854年，美国人弗朗西斯和菲兰德.罗茨（Francis&Philander Roots）兄弟发明罗茨鼓风机以来，它在实际生产中的应用已经有150多年的历史。从最初在冶炼工业上的应用，逐渐延伸到建材、电力、化工与石油化工、矿山、港口、轻纺、邮电、食品、造纸、水产养殖和污水处理等许多领域。我国于1951年开始制造罗茨鼓风机。从五十年代的仿制阶段，六十年代、七十年代的独立设计和行业联合设计阶段，到八十年代的引进吸收和创新阶段，我国风机工业发生了深刻变化，先进技术
5、得到了消化，形成了一定的生产能力。进入九十年代罗茨鼓风机技术开发活动更趋活跃。以长沙鼓风机厂为例，该厂先后开发出SR系列三叶鼓风机、WR系列水下鼓风机、JR系列两叶成组和JS系列三叶成组鼓风机，并承担国家“八五”科技攻关任务，研制出RCT系列单级高压鼓风机和RVT系列单级干式高负压真空泵，填补了国内空白。国外生产罗茨鼓风机的著名厂家有日本的日立、三井、三菱、川崎、石川岛、华中科技大学硕士学位论文荏原和神钢；美国的德莱赛、英格索兰、德拉瓦、爱利奥特、库佩尔和阿里斯；德国的德马格、GHH和波尔齐格；以及意大利的新比隆公司；瑞士苏尔寿公司和俄罗斯涅瓦工厂。其中罗茨鼓风机的年产量进入世界前3名的为：美
6、国德莱赛-兰德公司、德国德马格公司和意大利新比隆公司。这些公司生产的罗茨鼓风机技术水平先进、性能可靠、产品质量好；结构紧凑、占地面积小，运输、安装极为方便。但是，这些厂家的罗茨鼓风机产品价格也比较昂贵。随着我国经济的迅速发展，罗茨鼓风机的需求呈扩大趋势。有关调查资料显示,“十五”期间，为满足石油、化工、化肥、轻工、煤气、造纸及污水处理等行业配套的需要，预计共需要罗茨鼓风机2万台左右。这对我国罗茨鼓风机行业的发展即是机遇又是挑战。我国鼓风机行业的设计制造水平，虽然经过多年的不断更新和发展，但是同国外著名的厂家相比，许多方面仍然有差距。如现有的罗茨鼓风机高效基本级系列不全，效率较低；加工水平落后，
7、噪声较高等。尤其是在罗茨鼓风机三元叶轮的加工方面，与国外的先进加工工艺还存在很大的差距。如意大利新比隆公司采用开槽焊接技术，德国德马格公司采用钎焊接技术，而国内还未将这些技术应用于生产；在五座标铣制叶轮方面，国外先进厂家的加工效率比国内高23倍；在叶轮焊接方面，国外采用数控自动焊，而国内还在沿用手工电弧焊的落后工艺方法。因此，提高设计和制造水平，是推动我国罗茨鼓风机行业腾飞的基础和关键。1.1.2罗茨鼓风机的发展趋势罗茨鼓风机的发展趋势，主要是进一步提高效率、降低噪声、增强可靠性及扩大应用范围。(1)提高效率。主要是优化叶轮型线。改善叶轮“啮合”间隙的内密封效果；提高鼓风机的制造精度，改善转子
8、间隙的均匀程度，并使之尽可能缩小，从而减少气体泄漏，提高容积效率。此外，要合理匹配电机，避免出现“大马拉小车”的情况。(2)降低噪声。重点是进行低噪声技术开发，如：预进气结构设计、三叶扭叶转子加工等，以减小气流脉动，降低气体动力性噪声。同时应不断改善叶轮平衡品质，提高同步齿轮制造精度，以减小振动，降低机械性噪声。大多数情况下，还需要采取消声和隔声等辅助措施，控制噪声在传播途径中的辐射，以满足用户对低噪声的要求。(3)增强可靠性。一是改进产品实物质量，二是加强安全保护措施。为此，应注重低压安全阀和逆止阀的研制与配置，并利用微机控制技术，对鼓风机的压力、油温、电流等运行参数进行自动监测，通过联锁或
9、报警等方式，对鼓风机起动、运行及停车过程进行控制，使其处于安全、稳定、可靠的受控状态。(4)扩大应用范围。应注重密封技术与材料技术的应用研究，改进产品的密封性、耐磨性、耐腐蚀性、阻燃防爆性等，以满足各种易燃、易爆、有毒、含尘及腐蚀性气体的输送要求。也可针对高温、高压或高负压等特殊要求，开发适销对路的产品，以此扩大罗茨鼓风机的应用范围，向其他类型鼓风机和真空泵的使用领域渗透。1.2罗茨鼓风机的工作原理及分类1.2.1罗茨风机的工作示意图（如图1）1.2.2罗茨鼓风机的工作原理罗茨鼓风机是一种双转子压缩机械 ，两个转子的轴线互相平行。其工作原理如图1.1所示。通过主、从动轴上的齿轮，使两转子作等速
10、反向旋转。而完成吸气、压缩和排气过程。当左侧转子作顺时针转动时，右侧转子作逆时针转动，气体从下面进口吸入。随着旋转时所形成的工作室容积的减小，气体受到压缩，最后从上面出口排出。两叶轮转子之间、叶轮转子与机壳及墙板之间，既要保证相互不摩擦碰撞，又要保证不因间隙过大而使输送气体过多泄漏。同时，由于两只转子的外形，具有特殊的曲线，在运动时，始终可以保持微小间隙，把进气与排气空间相互隔绝，使排出的气体尽量不返回进气室空间。五个转子位置，表示转子在旋转三分之一圆周中的工作过程，接下去的三分之一圆周又以同样的顺序重复。假定叶轮与叶轮、叶轮与机壳之间的间隙为零，并将上叶轮与机壳的接触点用a1和a2表示，下叶
11、轮与机壳的接触点用b1和b2表示。机壳分为三部分。左面为吸气腔，腔内的压力与进气压力相等。右面为排气腔，腔内的压力处于排气压力的作用之下。上叶轮与机壳围成封闭的基元容积V1，其内部压力等于进气压力。随着上叶轮右面接触点a2的消失，基元容积V1开始与排气腔连通。排气腔内的高压气体，突然由回流缝隙1迅速向基元容积V1回流，使其压力陡然由吸气压力上升至排气压力，这就是等容压缩过程。只不过上、下两个叶轮互换位置而已。原来在基元容积V1内的气体被推到排气口，下叶轮与机壳在b1和b2两处接触，构成新的基元容积V2。当叶轮旋转到位置时，随着接触点b1的消失和回流缝隙2的开启，基元容积V2与排气腔相通，此时的
12、情况的相似。，基元容积V2的气体也被推到排气口去了，新的基元容积V3出现在先前V1所在的位置上。至此，上下两个叶轮各自旋转三分之一圆周，分别输送了一个基元容积的气体，达到了输送气体的目的。1.2.3罗茨鼓风机的分类罗茨鼓风机叶轮转子有很多种分类方式。按照转子的头数可分为两叶转子与三叶转子；按其形状可分为直叶转子与扭叶转子。两叶转子均为直叶，三叶转子有直叶和扭叶两种形状。就工作性能而言，三叶优于两叶，扭叶优于直叶。此外，还有下列各种分类方法：按照工作方式不同，罗茨鼓风机有单级与双级、干式与湿式之分。按冷却方式分，有空冷鼓风机、水冷鼓风机和逆流冷却鼓风机等。按结构型式分，有立式鼓风机、卧式鼓风机、
13、竖轴式鼓风机、密集成组型风机等。本文中，主要是针对罗茨鼓风机转子的第一种分类方式（两叶与三叶之分，直叶与扭叶之分）进行讨论。1.3罗茨鼓风机叶轮转子加工技术的重要意义从上面所讲的罗茨鼓风机发展趋势可以看出：作为风机核心部件的叶轮转子，其发展趋势在很大程度上决定了风机的发展。因此，罗茨鼓风机叶轮转子的加工具有很大的意义7-8。主要体现在以下几个方面：风机转子的加工精度直接影响风机的使用性能。由于两叶轮相啮合来实现鼓风机的正常工作，其转子的加工质量直接影响啮合过程中叶轮之间的间隙。当间隙过大时，无法完成气体的压缩，从而影响风机的鼓风量，甚至不能进行鼓风。如果间隙过小，在鼓风的过程中转子会因工作发热
14、而升温，导致转子膨胀，产生干涉现象，使风机不能正常工作或者使风机破坏。风机转子加工过程中中心不对称直接影响风机的使用寿命。在转子加工中，由于加工的问题，即使加工的转子通过配对能很好的啮合，然而由于加工对称度存在问题而使其动平衡不理想。这样会因为叶轮的质量偏心而造成两传动齿轮在啮合时产生冲击，使啮合齿轮的使用寿命显著降低，同时引起整个鼓风机的振动，对其他装配件的使用寿命也会产生较大的不良影响，从而降低整个风机的使用寿命。风机转子加工表面质量和转子轮廓曲面质量直接影响风机工作噪声。这两者直接影响啮合时转子间的间隙的均匀性，而啮合时的间隙是否均匀对转子之间的气体流动的波动情况存在较大的影响。如果在转
15、子加工时，加工的表面质量不好或者轮廓曲面不是十分理想，这样会造成转子之间的气体波动较大，很容易造成较大的气体动力学噪声，直接影响风机周围的环境。由此可见，风机转子加工对罗茨鼓风机的发展有重要的意义，它直接影响风机的性能和使用寿命，也影响风机将来的发展。尤其在当今社会环保成为社会日常生活中的重要课题时，风机转子的加工工艺的好坏对罗茨鼓风机的发展具有举足轻重的作用。1.4国内外罗茨鼓风机叶轮转子加工工艺1)仿形法(靠模法)采用仿形法加工罗茨鼓风机叶轮转子，其加工原理与其他仿形加工方法一样，首先要根据罗茨鼓风机叶轮的型线方程来计算、设计和制造靠模板。然后以靠模板为基准运用仿形原理，加工出符合要求的转
16、子型线。在加工过程中，靠模板会发生磨损，而且靠模加工方法本身的精度不是很高，这样导致加工后的转子型面误差较大，两转子在装配时往往无法正确啮合。所以加工后一般都需要对转子成对进行人工刮研。这样不仅不利于提高生产率，而且无法实现转子在装配时的互换性。这种方法是一种比较传统的加工方法。现在这种加工方法的使用已经比较少，主要是在一些小型生产企业。2)范成法范成法加工罗茨鼓风机叶轮转子是利用啮合原理进行的。罗茨鼓风机工作时两转子相互“啮合”，因此叶轮转子可以看作是齿数为2或者3的齿轮。机床强制工具齿轮（刀具）与转子毛坯之间作啮合运动，从而在转子毛坯上切出轮廓来12。其中工具齿轮的节圆等于叶轮的分度圆或基
17、圆直径。以上介绍的仿形法与范成法一般只能用于加工相对固定的叶轮型线，这对于目前多品种小批量的产品很不适合，特别是三叶叶轮的加工，尤为不方便。相比之下，数控加工成为叶轮加工改革的主要方向。3)数控加工方法数控技术是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用。它所具有的高精度、高柔性、高效率等优点现在已被人们广泛认可。随着数控技术在生产中的广泛应用，传统机械工业的产业结构和生产模式发生了深刻的革命性的变化9。近年来，国内外已经有不少厂家用数控刨床、数控铣床、数控车床等数控机床加工出多种型号的罗茨鼓风机叶轮转子。数控加工的产品种类多、精度高，互换性好；同时加工效率高，操作简便。这些优点使得数控加工方法成
18、为罗茨鼓风机叶轮加工的必然趋势。更为重要的是：数控技术的应用，为工作性能较好的三叶扭叶转子的加工提供了新的途径，使这种转子的批量生产成为可能目前市场上，罗茨鼓风机两叶转子已经实现了数控加工。但是，三叶转子，尤其是扭叶转子的加工，数控技术的应用非常有限，这类转子的产量也非常小。数控刨削加工扭叶转子，具有工艺简单，加工效率高的优点。因此，开发针对罗茨鼓风机扭叶转子数控刨削加工的专用系统，将会具有良好的经济效益和广阔的市场前景。1.5本文的立题和主要研究工作本文以罗茨鼓风机扭叶转子的数控加工项目为背景，对加工具有回转轴螺旋形零件的数控刨削技术进行研究，实现基于开放式数控系统平台的罗茨鼓风机扭叶转子的
19、刨削数控加工。本文具体进行了以下几个方面的工作：1）建立罗茨鼓风机转子的数学模型，然后从转子的端面型线及转子的形状两方面进行比较，选择最优的转子类型。2）对罗茨鼓风机扭叶转子进行工艺分析，进而比较了几种数控加工方法，从而选定数控刨削加工工艺。3）根据现有罗茨鼓风机生产厂家的技术条件和设备情况，确定数控刨削的总体方案。包括机床结构的改进，运动控制方案及位置控制方式的选择等。4）在华中“世纪星”数控平台上，完成刨削数控系统的应用开发 2 罗茨风机扭叶转子的加工工艺分析2.1 算例已知某型号的扭叶转子的基本参数如下：转子的节圆半径r=42mm，转子螺旋转角， 螺距T858.865mm，螺旋参数=13
20、6.69mm，行间残留高度h=0.08,步长误差e1=0.06。 2.2 扭叶转子的端面曲线三叶扭叶转子罗茨鼓风机的端面型线是由3个周期相同的轮廓线首尾相连而成，因此，可以只对一个周期进行分析。三叶扭叶转子罗茨鼓风机端面型线有：外圆弧及其包络线型、内圆弧及其包络线型、内外圆弧加摆线型3种。由文献4可知：内外圆弧加摆线型才是最佳型线。所以本例转子端面型线即采用内外圆弧加摆线型。如图1所示，C1为外圆弧曲线，C2为摆线，C3为内圆弧曲线，C4为内圆弧曲线，C5为摆线，C6为外圆弧曲线。转子节圆半径为r，内外圆弧半径为。内圆弧C4的曲线方程为 (1)摆线C5的曲线方程为(2)外圆弧C6的曲线方程为
21、(3) 由于外圆弧C1，摆线C2，内圆弧C3分别与曲线C6，C5，C4关于X轴对称，所以可以很容易得到它们的曲线方程，在此不再一一写出。 2.3 螺旋曲面上的主曲率分析在加工螺旋曲面之前，首先应该确定所用刀具及其参数，为此需要根据微分几何原理计算曲面上各点主曲率的大小。由于篇幅有限，因此以曲线C4形成的螺旋曲面为例求出其主曲率。根据式（1）内圆弧C4的曲线方程可以得到其螺旋曲面方程5： (4)图1 转子端面曲线 式中为圆弧半径；为转子的螺旋转角；为螺旋参数，=，T为螺旋面的导程。根据微分几何中关于主曲率的原理，通过求出曲面上任意点的主曲率，找出最大主曲率，以便于确定数控加工所用的最大允许球刀半
22、径，为此先求相关基本量6。 (5) (6) (7)曲面的第一类基本量为 (8)曲面的单位法矢量为 (9)曲面的第二类基本量为 (10)将上述各基本量代入主曲率方程： (11)所以当确定一个曲线参数就可以求出该部分螺旋曲面的主曲率和, 曲面的主曲率。根据计算可以确定该曲面上的最大的曲率K0, 因为罗茨风机的转子是相互啮合运转的，所以两个转子一个为左旋，另一个为右旋。在本次设计中，扭叶转子端截面的尺寸如下表，来源见式(2-13一15 ):扭叶转子工艺参数的确定:外圆螺旋角的确定参考国外的产品，初定扭叶转子的外圆柱螺旋角为250，在此计算一下转子外圆柱的螺足巨T:T=D/tg25=2x63.74x/
23、0.466=858.85mm根据铣床挂轮架的结构，参见本章第四节，可得到挂轮之间的关系式:2.中心距及安装角的确定本次加工的扭叶转子的端截面是由几条曲线组成的，其中内圆弧与摆线之间的相接处形成不圆滑的转折点(见图5-4)0若刀具的安装参数a及艺选得不合适，则加工出来的转折点处会留有一段过渡曲线，将使得工件出现过切或少切的情况如图5-5，其中ABCD为理论形状， kzl iJ zD为加工后的形状。因此，有必要调整刀具的安装参数a及艺，使得两曲线间的连接为完整的连接，即如图5-6所示，使得AB, BC两部分的接触线ab和be的端点能重合在一点b上，那么相应的刀具截形12和2 3的端点2和2也就能重
24、合在一起(图5-6 c )。在这种情况下，刀具上就能作出完整的理论刃形，因而避免了过渡表面。而安装参数Q及艺的计算公式也可得到如下【32】 图3-6 完整刃形条件示意图 当刀具尖角的外圆与B点的螺旋线相切在然也就是刀具外圆的切线。又因刀具的轴线与投影必然和刀具轴线垂直，则可得到:b点时，从byoz平面平行，点作的螺旋线的切线t当因此，t在yoz平面上的投影必然和刀具轴线垂直，则可得到:式中ra一转折点B的半径oB ;-oB与x轴的夹角;8一根据试算所选定的切点b的B值。 将本次设计中的实际尺寸代入，即p=T12=152.788(mm)，根据扭叶转子的端截面的尺寸，可得到=/6(rad )，见图
25、3-4，即图中的cob，根据试算初定=一0.09075(rad )，则铣刀与工件的对应中心距a为:因为中心距出现了小数值，故需调整e的数值，使得中心距为整数值，便于加工调整，经过优化整理可知，当8=-0.090595(rad)时，中心距a为相应的刀具安装角艺为因此本次加工的工艺参数列于下表: 在前几章中，己经确定了转子的端截面采用的型线是内外圆弧加摆线型，并将其参数方程也求出了，同时还给出了由该型线所生成的螺旋曲面的参数方程)及螺旋曲面上任意一点的法向量的参数方程 o 因为扭叶转子的对称性，所以根据工件的截形尺寸，只需取端面型线的六分之一来作为螺旋面的母线(。然后，将各个参数方程中的参变量的取
26、值区间进行离散，再代入到接触线的条件式(5.11)中，进而解出所对应的8值。因为该接触线条件式是一超越方程，其数字计算量比较大，因此用计算机求解相对比较容易些。在此，将本次设计中所用的遍历搜索计算程序列出(只给出圆弧段的):#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;/定义基本的参数A=120r-42.0;r1=84
27、*sin(pi/12);p=152.788;/给基本参数赋值for(a=O;a=75;a=a+5)/使变量a在取值范围内离散 x0=r-rl *cos(a*pi/180); y0=r 1 * sin(a* pi/ 180);/端截面上的参数方程x01=rl *sin(a*pi/180);y01=rl *cos(a*pi/180);/参数方程的一次导数x2=rl *cos(a*pi/180);y2=-rl *sin(a*pi/180)刀参数方程的二次导数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;/螺旋面的参数方程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刃过任一点的法向量参数方程m=(A-x)*(ny+nz*tan(1.3262554)/nx+y+z*tan(1.32625 54);/接触条件式if(fabs(m)=0.00001)/循环中止条件 X=A-x; Y=-y*cos(1.3262554)-z* sin(1.3262554);
29、 Z=-y*sin(1.3262554)+z*cos(1.3262554);/坐标变换式 R=sqrt(X*X+Y*Y);Z=Z; /检验条件式 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数据(序号表示曲线上的离散点，Q为参变e表示母线从起始位置绕z轴转过的角度，顺着z轴看去以顺时针方向转动为正，为铣刀圆的位置坐标，Rp为铣刀圆的半径。)在坐标系上将各点描出，并用光滑的曲线加以连接，可以得到如图3-7所示的刀具刃形，此刃形即为盘形铣刀在平面x一o一z上的刃形。 图3-7盘形刀具刃形图3.4加工设备及调整 本次加工所采用的机床是日本HITACHI SEIKI公司的ML型升降台式铣床，实际上就是万能升降台式铣床，通过更换不同的刀杆，可以在卧铣床和立铣床之间进行切涣。它的主要技术规格如下:工作台最大行程(机动): 纵向 710mm横向(有支柱)
