利用通用车床加工变螺距螺杆

在橡胶、塑料、食品等工业领域所使用的生产设备中广泛地应用着各种类型的挤出螺杆。变距螺杆由于具有压缩均匀、压缩比大、出料连续性好等优点得以优先采用。但由于变距螺杆工艺性较差，利用通用设备加工困难，导致其应用受到一定限制。本文通过工艺分析，以利用、挖掘现有通用设备潜力为前提，研究并解决了变螺距螺杆的的加工问题。

1 变距螺杆的结构特点和工艺分析

1) 变距螺杆的数学方程

变距螺杆是相邻螺距不等的螺杆。常用的变距螺杆螺距变化规律如图1 所示。

图1 变距螺杆示意图

从图中看出，螺杆的螺距是按等差级数规律渐变排列的。若设螺旋曲线上任意点至起始点的距离为l，则可得变距螺杆螺旋线的数学方程为

l=nP+n2DP

式中：P为基本螺距；DP为螺距变化量；n为螺旋线圈数，n=f/2p，fP为螺纹总转角。

将n=f/2p代入方程，得

l=(P/2p)f+(DP/4p2)f2

令：A=P/2p，B=DP/4p2，再将f=wt代入，则得

l=Awt + Bw2t2

式中：w为螺杆转动的角速度；t为螺杆转过f角所用的时间。

2) 变距螺杆曲线分析

a. 位移分析

等距螺杆的数学方程仅有变距螺杆方程中的第一项，即

l=Awt

曲线上任一动点轴向位移l与时间t是一次关系；而变距螺杆l与时间t是二次关系。

b. 速度分析

当螺杆匀速转动时，等距螺杆螺旋线上任意点的轴向速度

v=dl/dt=Aw

式中：A、w均为常数，故v为常数，即等距螺旋线上任意动点的轴向位移速度是恒定的。而变距螺旋线上任意点的轴向速度

v=dl/dt=Aw+2Bw2t

则说明变速螺旋线上任意动点的轴向速度是时间的函数，是变化的。

c. 加速度分析

等距螺杆轴向加速度a=d2l/dt2=0，变距螺杆轴向加速度a=d2l/dt2=2Bw2，说明等距螺杆螺旋线上任意点轴向加速度为零，而变距螺杆螺旋线上任意点轴向加速度为常数，其速度变化是均匀的。也就是说，变距螺旋线上任意点的轴向位移为匀加(减)速运动。

3) 成形运动分析

加工等螺距螺杆，只须主轴带动工件匀速转动，刀具作轴向匀速移动，即可形成等距螺旋线。加工变距螺杆，则一方面须主轴带动工件匀速转动，一方面须刀具作轴向匀加(减)速移动才能形成变距螺旋线。作为通用车床，刀具只能作轴向匀速移动，要刀具作匀加(减)速运动，必须在进给装置中增设能实现匀变速运动的机构。

2 变距加工系统设计

要实现变距螺纹的加工，在成形运动中，要同时实现变距螺纹方程中的Awt和Bw2t2两项运动规律。其中Awt项可由通用车床本身的功能来实现，而Bw2t2项，则须通过增设一辅助装置来实现。经分析、比较，同时考虑到工艺、结构实施的可能性、经济性及方便性，我们设计了一凸轮机构(辅助进给箱)。利用凸轮的等加(减)速曲线推动丝杠作轴向匀加(减)速运动，便得到了变螺距螺纹的成形轨迹― 变螺距螺旋线，如图2。

图2 变距加工系统原理图

在通用车床丝杠的末端套上一齿轮，通过齿轮将丝杠的旋转运动传递给辅助进给箱中的凸轮。凸轮在转动的同时通过变速曲线推动从动滑板(丝杠轴向固联)，从而推动丝杠相对床身作匀加(减)速运动(丝杠与床身可滑移)。这样，该运动与主轴(带动工件)匀速转动运动合成，即可加工出变距螺杆。对设计系统的现场加工实例进行检测，数据如下：工件直径D=f65 mm，工件长度L=1,900mm，螺纹总长l=1,210.95mm，螺纹数n=23，螺距增量DP=0.55mm，螺距由40～渐变至64.75mm，螺距最大误差＜±0.17 mm。结果证明，所加工螺纹确为变距螺旋线，符合前面推导的数学方程，即满足设计要求。

3 变距加工系统特点

结构简单、调整方便、经济实用。据考察，国外大都采用数控机床和专用机床加工变距螺杆，该类加工方法的优点是：

1) 效率高、精度易于保证；其缺点是：设备复杂、昂贵，工艺成本高等。而我们所设计的变距加工系统，是利用现有的通用机床，只增加一结构简单、易于调整的辅助进给箱。在加工变距螺纹时，接通辅助进给箱，在进行常规加工时，断开辅助进给箱。这样，不影响机床原有的工艺范围。可见该方案经济、实用。
2) 变距范围广，产品规格多。加工不同规格的变距螺杆，只需按要求调整辅助进给箱中的挂轮，改变传动比，即可改变刀具匀变速度的大小，因而可加工多种规格的变距螺杆。
3) 产品质量好，生产效率高。用该系统加工变距螺杆，操作简单、质量稳定、生产效率高。