螺杆类零件是一类非常重要的机械零件,应用的范围广、涉及的行业多,在机械产品制造加工中占有相当大的比重。对于螺杆类零件的加工,传统的成型车削法由于生产效率低、加工精度低、成型刀具成本高、生产准备时间长等缺点;球头铣刀立铣法由于不适用于小螺槽螺杆的加工和盘铣刀外旋风包络铣削由于刚性差等原因使得其应用范围有限。用盘铣刀内旋风铣削加工螺杆类零件已成为业界的共识。啮合块是一类使用在挤出机和膨化机上的重要零件,由于其形状特殊,目前主要在立式数控铣床上或加工中心上加工,效率低下且成本较高。在此背景下,提出了螺杆和啮合块内旋风铣专机的关键技术研究课题。内旋风铣削技术是指在数控机床上,通过盘铣刀与工件内切加工工件的一种方法。与普通盘铣刀不同的是内旋风铣刀盘是一个中间空心的盘铣刀。铣刀盘上装有多把刀具,刀具方向朝向刀盘回转中心。加工工件时,工件从刀盘内部穿过,与内铣刀盘通过内切式实现对工件的加工。本课题研究全新设计的螺杆和啮合块内旋风铣专机具有4根轴:工件的旋转C轴、刀盘在水平面内的移动(X、Z轴方向的移动)和刀盘绕X转动A轴。在功能上,不仅能够实现对螺杆的加工,还能加工啮合块,将原来在不同机床上加工的两种零件,现在通过一台机床就可以实现加工,实现了“一机多能”。在性能方面,大大提高了螺杆和啮合块的加工效率和加工质量,加工螺杆时的材料去除率可达到591m3/s,单个螺杆加工时间仅需传统加工方法的1/5-1/4,表面粗糙度可控制到Ra1.6以下。加工啮合块单片时间为9.375秒,较加工中心上铣削啮合块效率提高2倍,最主要的是对设备的要求降低,节约设备成本。本论文设计了螺杆和啮合块的内旋风铣专机的总体方案,对内旋风铣动力头着重进行设计,再辅以计算机对其进行建模、分析、优化。为了降低内旋风铣机床的数控编程难度,本课题基于MATLAB/GUI开发了一个螺杆和啮合块辅助加工的CAM系统。通过系统输入螺杆或啮合块的几何参数,系统将自动生成螺杆或啮合块的模型,包括:螺杆或啮合块的端截面廓形、轴截面廓形和三维立体图形。再输入铣刀盘的参数,系统将根据零件模型自动生成机床的刀位点。CAM系统生成的刀位点信息只需稍作修改即可导入到数控系统,降低了工人的编程难度,提高编程效率。本论文主要由六章节组成:第1章,课题背景及研究内容。对螺杆和啮合块零件的种类及其各自的加工方法在国内外的研究现状进行了介绍。首次提出螺杆和啮合块的内旋风铣“一机体”概念,并对本课题研究的意义和主要内容做了介绍。第2章,螺杆和啮合块内旋风铣专机理论基础。介绍内旋风铣铣削的数学理论基础,包括工件数学模型的建立、刀具数学模型的建立以及刀具坐标系向机床坐标系的转化、三次样条曲线拟合,为螺杆和啮合块内旋风铣专机设计做铺垫。第3章,内旋风铣专机总体方案设计及动力头的设计。本章节从整体上对螺杆和啮合块内旋风铣专机总体方案进行设计,通过理论计算详细设计了内旋风铣动力头,辅以ANSYS软件对动力头的安装座进行应力应变分析、模态分析和结构优化设计。第4章,基于MATLAB/GUI的CAM系统开发。本章结合第二章的数学理论基础,提出螺杆和啮合块刀位点的求解算法,基于MATTLAB/GUI开发了一个辅助加工螺杆和啮合块的CAM系统。并分别对螺杆和啮合块加工后的理论残留高度进行分析。通过对啮合块加工后的理论残留高度分析发现:采用等步距角进给加工啮合块的理论残留高度不稳定,将严重影响到啮合块的加工质量。对啮合块的刀位点求解进行优化,提出了等弧长进给加工啮合块的刀位点求解算法。第5章,螺杆和啮合块的内旋风铣专机切削试验研究。本章以塑料挤出机上的同向全啮合螺杆和啮合块为例,将其参数输入到CAM系统,然后再将生成的刀位点导入机床数控系统加工螺杆和啮合块,以此检验内旋风铣包络理论、CAM系统和内旋风铣机床的可行性。采用单因素试验的方法研究切削线速度、切削深度、刀具数目对螺杆加工质量、电机功耗的影响,以求得内旋风铣削螺杆的最佳工艺参数。试验得到:当刀具数目为4把,切削深度0.08mm,切削速度200m/min时,工件的加工表面粗糙度最低、加工效率比较高。第6章对本文的研究工作做了总结,并对本课题的未来研究方向提出了见解性的思路。