差速双螺杆捏合机型线设计理论及螺旋面高效高精度加工研究

论文摘要

由于双螺杆啮合几何学以及物料输送行为的复杂性,造成双螺杆捏合挤出过程研究的困难。因此研究具有集输送、捏合、建压及自清洁功能于一体,且能对被加工物料产生高剪切力的新型捏合机具有重要意义。差速双螺杆捏合机是一种新型的可对高粘度物料进行输送、混合、捏合及塑化等操作的双螺杆挤出混炼机构。差速双螺杆捏合机核心部件是一对相互啮合的阴、阳转子,如何有效地设计和加工阴、阳转子螺旋副是提高差速双螺杆捏合机性能的关键。论文从捏合机关键技术出发,系统地研究差速双螺杆捏合机阴、阳螺杆转子螺旋副型线设计、优化,模拟及高效高精度加工等原理与技术。利用齿轮啮合理论和双螺杆泵设计原理建立差速双螺杆捏合机螺杆转子型线设计数学模型;研究了差速双螺杆捏合机阴、阳螺杆转子啮合几何学。对阴、阳螺杆转子型线参数进行分析及优化,利用优化设计方法建立阴、阳螺杆转子型线参数优化模型,给出输送效率最高、剪切捏合能力最强的阴、阳螺杆转子螺旋副组成齿曲线及其设计参数,并利用型线设计理论对设计实例进行分析和评价。对剪切捏合性能进行研究,推导出剪切性能最优的安装中心距的计算式。给出组合性能最优的阴、阳转子螺旋副组成齿曲线参数方程及设计结果。以差速双螺杆捏合机中输送的非牛顿流体为研究对象,利用有限元分析软件,对输送物料的速度场、压力场等流场特性进行模拟和分析。从螺旋曲面的参数方程出发,利用空间解析几何理论将差速双螺杆捏合机阴、阳转子三维螺旋面坐标转化为对应不同压力腔的二维积分区域,利用数值积分求解作用在转子上的轴向、径向受力以及力矩,为螺杆转子强度计算及捏合机轴承选取提供理论依据。阴、阳转子高效精度加工是差速双螺杆捏合机关键技术。论文在分析螺杆转子加工技术现状及加工特点基础上,提出利用基于CBN等超硬刀具材料的螺杆转子高效高精度成形磨削加工方法。根据齿轮空间啮合原理及微分几何理论建立成形加工刀具求解计算理论;利用等距齿面法对成形刀具的实际廓形进行设计以及利用双圆弧样条理论对成形刀具廓形进行光顺处理。建立螺杆转子螺旋面成形磨削加工误差分析数学模型,研究分析安装角误差、安装中心距误差、轴向位置上砂轮半径误差等因素对螺杆转子齿形误差的影响。对螺杆转子成形磨削CBN砂轮修整进行研究,分析利用金刚石修整轮进行CBN砂轮修整设计及修整特性。结合当前CBN、PCD等硬质合金刀具材料发展起来的干切削、硬切削等加工方式对螺杆转子螺旋面进行切削加工研究。建立利用指状成形刀具加工螺杆转子数学模型。建立基于多自由度法和空间齿面法线法的精确滚刀轴向截形,揭示出利用滚削法加工螺杆转子螺旋面滚刀基本蜗杆与螺杆转子螺旋面的啮合规律。为实现基于CBN、PCD等硬质合金刀具的螺杆转子高效高精度切削加工奠定基础。提出差速双螺杆捏合机CAD/CAM系统需求分析及体系结构、设计流程和加工控制流程;分析CAD/CAM系统设计关键技术;基于以上设计及加工理论,利用C#语言和.NET平台开发出一套可用于差速双螺杆捏合机设计、分析与阴、阳螺杆转子高效高精度加工的CAD/CAM系统。根据差速双螺杆捏合机CAD/CAM系统,利用指状成形铣刀以及基于CBN刀具材料的成形砂轮对差速双螺杆捏合机阴、阳螺杆转子进行加工实验。利用三坐标测量仪对螺杆转子精度进行测量,检测结果表明本文方法可以满足螺杆转子高效高精度加工要求。论文中螺杆转子加工方法可以推广应用于其它类型螺杆转子、圆柱蜗杆、斜齿轮等螺旋曲面高效高精度加工。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 捏合设备研究现状及存在问题
• 1.2.1 捏合设备分类
• 1.2.2 单螺杆挤出机
• 1.2.3 双螺杆挤出机
• 1.2.4 多螺杆挤出机
• 1.2.5 其它新型捏合设备
• 1.2.6 捏合设备研究存在问题
• 1.3 本论文研究目的和意义
• 1.3.1 本论文的研究目的
• 1.3.2 本文的研究意义
• 1.4 本论文研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 差速双螺杆捏合机型线设计理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 差速双螺杆捏合机型线设计理论
• 2.2.1 基于相对运动法的螺杆转子型线设计
• 2.2.2 基于齿轮啮合原理的螺杆转子型线设计
• 2.3 差速双螺杆捏合机原始型线
• 2.3.1 差速双螺杆捏合机原始型线性质
• 2.3.2 差速双螺杆捏合机原始型线方程
• 2.4 阴、阳转子螺旋副几何特性
• 2.4.1 泄漏三角形求解
• 2.4.2 阴、阳转子轴向截形
• 2.4.3 阴、阳转子啮合线
• 2.4.4 阴、阳转子接触线长度
• 2.5 本章小结
• 3 差速双螺杆捏合机型线优化设计研究
• 3.1 引言
• 3.2 设计变量、目标函数及约束条件
• 3.3 差速双螺杆捏合机型线优化设计
• 3.3.1 中心距A 及头数比Imf 对面积利用系数Cn 的影响
• 3.3.2 考虑输送性能的设计参数分析
• 3.3.3 考虑剪切性能的设计参数分析
• 3.4 差速双螺杆捏合机最优螺旋副组成齿曲线
• 3.4.1 阴转子端面组成齿曲线
• 3.4.2 阳转子端面组成齿曲线
• 3.5 阴、阳转子螺旋副优化设计结果
• mf =4:1 阴、阳转子螺旋副'>3.5.1 I_mf =4:1 阴、阳转子螺旋副
• mf =5:1 阴、阳转子螺旋副'>3.5.2 I_mf =5:1 阴、阳转子螺旋副
• 3.6 螺杆转子优化型线几何特性
• 3.7 本章小结
• 4 差速双螺杆捏合机有限元模拟及静载分析研究
• 4.1 引言
• 4.2 差速双螺杆捏合机有限元模拟研究
• 4.2.1 流场模拟及分析理论模型
• 4.2.2 模拟结果及分析
• 4.3 差速双螺杆捏合机转子静载分析研究
• 4.3.1 转子静力载荷分析
• 4.3.2 曲面受力分析理论基础
• 4.3.3 螺杆转子受力分析数学模型
• 4.3.4 结果及分析
• 4.4 本章小结
• 5 螺杆转子高效高精度磨削加工研究
• 5.1 引言
• 5.2 螺杆转子高效高精度加工技术现状
• 5.2.1 螺杆转子加工研究现状
• 5.2.2 高效高精度磨削加工现状
• 5.3 螺杆转子CBN 砂轮成形磨削
• 5.3.1 CBN 砂轮的磨削性能
• 5.3.2 螺杆转子CBN 砂轮成形磨削关键技术
• 5.4 螺杆转子成形磨削理论砂轮廓形设计
• 5.4.1 坐标系的建立
• 5.4.2 底矢变换以及坐标变换
• 5.4.3 啮合方程式的建立
• 5.4.4 CBN 成形砂轮理论轴向截形
• 5.4.5 已知砂轮回转面求解待加工的螺旋面
• 5.5 CBN 砂轮设计中一些理论问题
• 5.5.1 加工干涉及其校验
• 5.5.2 过渡曲线产生及控制
• 5.5.3 轴交角∑的正确选择
• 5.6 螺杆转子成形磨削CBN 砂轮实际廓形设计
• 5.5.1 螺杆转子齿间间隙处理方法
• 5.6.2 基于等距齿面法的CBN 砂轮基体设计
• 5.7 螺杆转子成形磨削CBN 砂轮光顺处理研究
• 5.7.1 最小二乘法拟合
• 5.7.2 优化双圆弧拟合及其数学模型
• 5.7.3 优化双圆弧拟合弦切角计算
• 5.7.4 光顺处理误差控制
• 5.8 CBN 砂轮成形磨削加工误差分析研究
• 5.8.1 螺杆转子成形磨削加工误差分析数学模型
• 5.8.2 安装角误差对螺杆转子加工精度影响
• 5.8.3 安装中心距误差对螺杆转子加工精度影响
• 5.8.4 砂轮轴向位置上半径误差对螺杆转子加工精度影响
• 5.9 螺杆转子成形磨削CBN 砂轮修整研究
• 5.9.1 成形磨削CBN 砂轮修整的两个过程
• 5.9.2 金刚石滚轮设计及修整
• 5.10 本章小结
• 6 螺杆转子高效高精度切削加工研究
• 6.1 引言
• 6.2 螺杆转子高效高精度铣削加工研究
• 6.2.1 螺杆转子高效高精度铣削加工刀具
• 6.2.2 利用指状刀具加工螺杆转子螺旋面
• 6.3 螺杆转子高效高精度滚削加工研究
• 6.3.1 螺杆转子高效高精度滚削加工研究现状
• 6.3.2 螺杆转子滚削加工特点
• 6.3.3 螺杆转子滚削加工近似刀具刃形设计
• 6.3.4 基于空间多自由度的螺旋面滚刀基本蜗杆刃形精确求解
• 6.3.5 基于空间齿面法线法的螺旋面滚刀基本蜗杆刃形精确求解
• 6.3.6 螺杆转子滚削加工其它问题
• 6.4 本章小结
• 7 差速双螺杆捏合机CAD/CAM 系统及试验研究
• 7.1 引言
• 7.2 差速双螺杆捏合机CAD/CAM 系统体系结构
• 7.2.1 CAD/CAM 系统需求分析
• 7.2.2 CAD/CAM 系统体系结构
• 7.3 CAD/CAM 系统设计关键技术
• 7.3.1 CAD/CAM 技术现状
• 7.3.2 差速双螺杆捏合机CAD/CAM 系统设计关键技术
• 7.4 CAD/CAM 系统设计及运行实例
• 7.4.1 CAD/CAM 系统设计流程
• 7.4.2 螺杆转子成形磨削加工系统控制
• 7.4.3 CAD/CAM 系统运行实例
• 7.5 差速双螺杆捏合机螺杆转子设计与加工实验
• 7.5.1 螺杆转子螺旋副设计
• 7.5.2 螺杆转子铣削加工
• 7.5.3 螺杆转子磨削加工
• 7.6 本章小结
• 8 结论及展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读博士学位期间发表及录用论文目录
• B. 作者在攻读博士学位期间申请的专利证书