作者：王世龍
在橡膠、塑料、食品等工業(yè)領(lǐng)域所使用的生產(chǎn)設(shè)備中廣泛地應(yīng)用著各種類型的擠出螺桿。變距螺桿由于具有壓縮均勻、壓縮比大、出料連續(xù)性好等優(yōu)點(diǎn)得以優(yōu)先采用。但由于變距螺桿工藝性較差，利用通用設(shè)備加工困難，導(dǎo)致其應(yīng)用受到一定限制。本文通過(guò)工藝分析，以利用、挖掘現(xiàn)有通用設(shè)備潛力為前提，研究并解決了變螺距螺桿的的加工問(wèn)題。
1 變距螺桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝分析
1) 變距螺桿的數(shù)學(xué)方程
變距螺桿是相鄰螺距不等的螺桿。常用的變距螺桿螺距變化規(guī)律如圖1 所示。
圖1 變距螺桿示意圖
從圖中看出，螺桿的螺距是按等差級(jí)數(shù)規(guī)律漸變排列的。若設(shè)螺旋曲線上任意點(diǎn)至起始點(diǎn)的距離為l，則可得變距螺桿螺旋線的數(shù)學(xué)方程為
l=nP+n2DP
式中：P為基本螺距；DP為螺距變化量；n為螺旋線圈數(shù)，n=f/2p，fP為螺紋總轉(zhuǎn)角。
將n=f/2p代入方程，得
l=(P/2p)f+(DP/4p2)f2
令：A=P/2p，B=DP/4p2，再將f=wt代入，則得
l=Awt + Bw2t2
式中：w為螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；t為螺桿轉(zhuǎn)過(guò)f角所用的時(shí)間。
2) 變距螺桿曲線分析
a. 位移分析
等距螺桿的數(shù)學(xué)方程僅有變距螺桿方程中的第一項(xiàng)，即
l=Awt
曲線上任一動(dòng)點(diǎn)軸向位移l與時(shí)間t是一次關(guān)系；而變距螺桿l與時(shí)間t是二次關(guān)系。
b. 速度分析
當(dāng)螺桿勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，等距螺桿螺旋線上任意點(diǎn)的軸向速度
v=dl/dt=Aw
式中：A、w均為常數(shù)，故v為常數(shù)，即等距螺旋線上任意動(dòng)點(diǎn)的軸向位移速度是恒定的。而變距螺旋線上任意點(diǎn)的軸向速度
v=dl/dt=Aw+2Bw2t
則說(shuō)明變速螺旋線上任意動(dòng)點(diǎn)的軸向速度是時(shí)間的函數(shù)，是變化的。
c. 加速度分析
等距螺桿軸向加速度a=d2l/dt2=0，變距螺桿軸向加速度a=d2l/dt2=2Bw2，說(shuō)明等距螺桿螺旋線上任意點(diǎn)軸向加速度為零，而變距螺桿螺旋線上任意點(diǎn)軸向加速度為常數(shù)，其速度變化是均勻的。也就是說(shuō)，變距螺旋線上任意點(diǎn)的軸向位移為勻加(減)速運(yùn)動(dòng)。
3) 成形運(yùn)動(dòng)分析
加工等螺距螺桿，只須主軸帶動(dòng)工件勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具作軸向勻速移動(dòng)，即可形成等距螺旋線。加工變距螺桿，則一方面須主軸帶動(dòng)工件勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，一方面須刀具作軸向勻加(減)速移動(dòng)才能形成變距螺旋線。作為通用車床，刀具只能作軸向勻速移動(dòng)，要刀具作勻加(減)速運(yùn)動(dòng)，必須在進(jìn)給裝置中增設(shè)能實(shí)現(xiàn)勻變速運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。
2 變距加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)
要實(shí)現(xiàn)變距螺紋的加工，在成形運(yùn)動(dòng)中，要同時(shí)實(shí)現(xiàn)變距螺紋方程中的Awt和Bw2t2兩項(xiàng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。其中Awt項(xiàng)可由通用車床本身的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，而Bw2t2項(xiàng)，則須通過(guò)增設(shè)一輔助裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)分析、比較，同時(shí)考慮到工藝、結(jié)構(gòu)實(shí)施的可能性、經(jīng)濟(jì)性及方便性，我們?cè)O(shè)計(jì)了一凸輪機(jī)構(gòu)(輔助進(jìn)給箱)。利用凸輪的等加(減)速曲線推動(dòng)絲杠作軸向勻加(減)速運(yùn)動(dòng)，便得到了變螺距螺紋的成形軌跡― 變螺距螺旋線，如圖2。
圖2 變距加工系統(tǒng)原理圖
在通用車床絲杠的末端套上一齒輪，通過(guò)齒輪將絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給輔助進(jìn)給箱中的凸輪。凸輪在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)通過(guò)變速曲線推動(dòng)從動(dòng)滑板(絲杠軸向固聯(lián))，從而推動(dòng)絲杠相對(duì)床身作勻加(減)速運(yùn)動(dòng)(絲杠與床身可滑移)。這樣，該運(yùn)動(dòng)與主軸(帶動(dòng)工件)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)合成，即可加工出變距螺桿。對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)加工實(shí)例進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)如下：工件直徑D=f65 mm，工件長(zhǎng)度L=1,900mm，螺紋總長(zhǎng)l=1,210.95mm，螺紋數(shù)n=23，螺距增量DP=0.55mm，螺距由40～漸變至64.75mm，螺距最大誤差＜±0.17 mm。結(jié)果證明，所加工螺紋確為變距螺旋線，符合前面推導(dǎo)的數(shù)學(xué)方程，即滿足設(shè)計(jì)要求。
3 變距加工系統(tǒng)特點(diǎn)
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。據(jù)考察，國(guó)外大都采用數(shù)控機(jī)床和專用機(jī)床加工變距螺桿，該類加工方法的優(yōu)點(diǎn)是：
1) 效率高、精度易于保證；其缺點(diǎn)是：設(shè)備復(fù)雜、昂貴，工藝成本高等。而我們所設(shè)計(jì)的變距加工系統(tǒng)，是利用現(xiàn)有的通用機(jī)床，只增加一結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、易于調(diào)整的輔助進(jìn)給箱。在加工變距螺紋時(shí)，接通輔助進(jìn)給箱，在進(jìn)行常規(guī)加工時(shí)，斷開輔助進(jìn)給箱。這樣，不影響機(jī)床原有的工藝范圍�？梢�(jiàn)該方案經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。
2) 變距范圍廣，產(chǎn)品規(guī)格多。加工不同規(guī)格的變距螺桿，只需按要求調(diào)整輔助進(jìn)給箱中的掛輪，改變傳動(dòng)比，即可改變刀具勻變速度的大小，因而可加工多種規(guī)格的變距螺桿。
3) 產(chǎn)品質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高。用該系統(tǒng)加工變距螺桿，操作簡(jiǎn)單、質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高。
