基于螺杆转子型线磨削加工的关键技术研究

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双螺杆压缩机具有工作可靠、适应性强、易于操作维护和多相混输等优点,被广泛应用于汽车、压缩机、制冷机、矿山机械、动力机械等工业领域。双螺杆压缩机的核心部件是一对相互啮合的螺杆转子,螺杆转子加工质量是保证双螺杆压缩机性能及能效的关键,提高转子加工精度有利于降低其能耗,对节能减排具有非常重要的意义。随着现代机械设计制造技术的发展,出现了一批专用的数控螺杆转子加工设备及其配套软件,但其核心技术仍由国外掌握。我国在这一研究领域还处在刚起步阶段,与世界领先技术相比还有很大差距,且由于欧美等发达国家的技术封锁,目前我国螺杆压缩机设计制造过程中在型线设计、加工设备、加工与装配工艺等关键技术领域仍然落后于国外。在此背景下,本论文围绕“基于螺杆转子型线磨削加工的关键技术研究”这一课题,开展精密、复杂转子型线的高效、高精度加工技术研究。  1.论文首先分析了双螺杆压缩机的基本结构、工作原理以及转子型线发展现状,对阴、阳转子运动关系、接触线、泄露三角形、齿间面积、齿间容积、排量等几何特性参数进行了研究,并概述了三种常用的转子型线的设计方法,为下文研究复杂、精密转子磨削加工奠定了一定的理论基础。  2.为提高转子磨削加工精度,论文针对精密转子的成形磨削方法,推导了转子磨削用成形砂轮的数学模型。对于计算所得砂轮廓形存在的坏点和不均匀现象,论文将数值分析领域的小波光顺法和参数三次样条插值法应用到了螺杆压缩机领域,实现了砂轮廓形自动光顺和插值处理。最后重点研究了砂轮截形计算过程中中心距和安装角两个关键变量变化对砂轮廓形计算的影响规律。  3.为全面分析转子磨削过程中包括机床几何误差、热变形误差、力变形误差等多方面误差形成的综合误差对转子齿廓加工精度的影响,论文提出了一种转子齿廓磨削误差分析方法,首次建立了包含五个独立(中心距误差、偏心距误差、轴向位置误差、安装角误差、仰角误差)和一个合成的误差分析数学模型。通过该误差分析数学模型能够模拟计算砂轮磨削转子后的实际齿廓,进而揭示五项误差因子对转子齿廓精度的影响规律。  4.为提高转子磨削过程中综合误差影响下转子齿廓的加工精度,论文提出了一种基于成形砂轮再设计的转子齿廓误差补偿方法。相比于两种传统提高机床加工精度的方法(误差防止法、误差补偿法),新方法突破了误差防止法在机床自身精度提高方面困难的局限性,也避免了误差补偿法中误差补偿运动控制难以实现、数控机床误差的综合建模不够准确、机床误差检测和辨识时间过长、误差补偿的鲁棒性不高等不足和难点。  5.基于机床轻量化设计理念,为避免通过加大机床尺寸、砂轮尺寸等方法来实现大型螺杆转子的磨削加工,论文提出了一种大型转子分段磨削方法,该方法可以实现利用普通圆弧砂轮在普通数控螺杆转子磨床上对大型转子进行磨削,解决了现有大型转子加工困难的问题。  6.为高效、高精度地解决螺杆转子与成形砂轮之间相互求解的问题,论文提出了一种基于数字图形扫描法(DGS)的包络成形求解方法,该方法能够避免传统平面啮合理论中复杂解析计算过程。DGS方法主要是通过捕捉屏幕像素点阵中用指定颜色点亮的扫掠面的临界像素点所在坐标值,从而得到扫掠面轮廓数据,该方法亦可用于齿轮、蜗杆、铣刀等类似共轭产品的设计。
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