單螺桿壓縮機專用加工機床

1、單 螺 桿 壓 縮 機 專 用 加 工 機 床一、 前言單螺桿壓縮機有CC、CP、PC和PP四種類型。其中CC型與PC型適用于微小型壓縮機，CP型與PP型適用于較大排量。PC型的各種經(jīng)濟技術指標均優(yōu)于CC型。故1980年左右PC型研制成功后CC型就被冷落了。PC型是用量最大、節(jié)能效果較好的一種機型。目前在日本的小型螺桿式壓縮機中占有50%以上的市場，而且尚有上升的勢頭。我國有十余家單位研制螺桿壓縮機，幾乎全部都在搞CP型。單螺桿壓縮機中最困難的是由螺桿、星輪構成的嚙合副的加工。這對嚙合副實質上是參數(shù)相當特殊的高精度環(huán)面蝸桿副。螺桿材料的熱膨脹必須與機殼材料的一致，由此螺桿材料在絕大多數(shù)情況下為

2、鑄鐵；而星輪材料為塑料和鋁合金之類的輕質材料，目的在于盡量減小慣性力，達到延長嚙合副壽命的目的。嚙合副的壽命主要取決于嚙合副的加工精度與裝配技術，與材料的關系不大。我國從1975年開始研制單螺桿壓縮機，嚙合副的壽命已逐步提高到2000小時左右，與國外數(shù)萬小時相比差距很大。有關專家認為原因在于加工嚙合副的專用機床精度低；而高精度的專用機床國內(nèi)無法解決。唯一的辦法是進口。好幾家單位通過各自不同的渠道與國外洽談引進專機事宜。通過十年斷斷續(xù)續(xù)的洽談，至今國外尚無賣專機的意向。自從西安交通大學用國產(chǎn)機床加工出合格的渦旋式壓縮機后，在高檔壓縮機中單螺桿壓縮機成了我國唯一未能突破的機種。我國每年被迫花費大量

3、外匯高價進口帶有單螺桿壓縮機的成套裝置與單螺桿壓縮機。實際上中國人早就有生產(chǎn)這種高精度專機的能力。雖然所需的研制費用還不到引進費用的十分之一，而研制工作卻由于沒有資金而浪費了好幾年時間。二、 環(huán)面蝸桿副如前所敘：單螺桿壓縮機的嚙合副是一對高精度環(huán)面蝸桿副?；蛟S是巧合，高精度專機也用高精度環(huán)面蝸桿（俗稱球面蝸桿）制成。1、 環(huán)面蝸桿的分類1） 按用途環(huán)面蝸桿副分為動力型和分度型兩種。前者用來傳遞動力，精度較低；后者用來傳遞運動，通常精度較高。分度型環(huán)面蝸桿副是不修型的，具有良好的平均效應。因而嚙合副的精度有時高于單個元件的精度，尤其是有預加負荷的情況下更是如此。動力型環(huán)面蝸桿副是修型的。早期人們

4、用理論上正確的環(huán)面蝸桿副來傳遞動力效果并不理想。需要跑合較長時間后（此時嚙合已磨損）才能達到最佳狀態(tài)，才有較高的傳動效率。為了縮短跑合時間，人們在制作新嚙合副時即按磨損后的嚙合副形狀制作，稱為“修型”，不修型的稱為“原始型”。各種齒形的環(huán)面蝸副均需修型的原因是嚙合副面互為包絡面，相互間沒有多余的自由空間，要達到理論上的完全共軛相當困難；在高速重載下工作時由變形、溫升、振動所引起的偏置就導致了嚙合副的磨損，直至“修型”完成后才穩(wěn)定下來。對于高精度的環(huán)面蝸桿副來說，磨損不僅失去了原有精度，而且承載能力也僅為理論值的2050%。修型環(huán)面蝸桿副對安裝誤差、溫升的敏感降低，但蝸輪必須用相應的修型滾刀加工

5、。目前世界各國均不能制作高精度的修型環(huán)面蝸桿副。修型工藝比較困難，往往無法穩(wěn)定地收到預期效果。公認美、蘇兩國在這方面比較先進。而我國為武鋼一米七軋機所生產(chǎn)的六頭（修型）環(huán)面蝸桿副傳動效率為91%，高于美、蘇標準水平。2） 按螺旋面的形成原理，環(huán)面蝸桿分為軌跡型與包絡型兩類。（1）軌跡型環(huán)面蝸桿這種環(huán)面蝸桿的螺旋面是母線相對蝸桿運動的軌跡面。母線可以是直線也可以是曲線，以直線用得最多。這種環(huán)面蝸桿只能用車削的方式加工。車刀刃廓與母線一致。這種曲面屬不可展螺旋面，通常認為不可能用磨削的方式加工，齒面粗糙度高；蝸桿滾刀熱處理后無法精加工，所以不可能得到高精度的嚙合副。少數(shù)國家突破了上述技術障礙生產(chǎn)出

6、了單螺桿壓縮機，目前在國際市場上銷售的各種類型的單螺桿壓縮機均采用這種蝸桿副。與二次包絡面相比不僅容易制造而且泄漏最小、比功率低。理論上該嚙合付的一對嚙合齒面上有兩條接觸線，現(xiàn)代的加工技術能保證實現(xiàn)這種雙線接觸，所以嚙合副的實際壽命長達數(shù)萬小時。近幾年來我國對包絡面幾何特性與嚙合動態(tài)特性進行了深入地研究，也終于掌握了該項技術并研制出了高精度的軌跡型環(huán)面蝸桿副，并創(chuàng)造性地用于傳遞動力（參閱下文）。（2）包絡型環(huán)面蝸桿這種環(huán)面蝸桿的螺旋面是母面相對蝸桿運動所形成的包絡面。母面有平面、圓臺、漸開螺旋面等。以（一次）包絡面作刀具的刃面加工（包絡）蝸輪時所得的蝸輪齒面是二次包絡面，以母面的形狀命名。例如

7、：平面二次包絡面、圓臺二次包絡面等。這種蝸輪與相應的（一次），包絡蝸桿嚙合即得到各種二次包絡環(huán)面蝸桿副。如平面二次包絡環(huán)面蝸桿副、圓臺二次包絡環(huán)面蝸桿副等。其中平面二次包絡環(huán)面蝸桿副是中國首都鋼鐵公司的發(fā)明。迄今為止中國在平面二次包絡環(huán)面蝸桿副的研究上居世界領先地位。包絡型環(huán)面蝸桿與齒面形狀為母面的蝸輪嚙合即構成（一次）包絡環(huán)面蝸桿副。如平面（一次）包絡環(huán)面蝸桿副等。2、高精度的環(huán)面蝸桿副由于二次包絡面必須用滾（剃）的方法加工，環(huán)面蝸桿副的最大優(yōu)點：有較多的齒同時嚙合在滾切時變成了最大的缺點：同時切削較多的輪齒。過大的切削力使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生強烈的振動，尤其是傳動鍵軸系的扭振使切削精度降低。許多國

8、家的專家經(jīng)過數(shù)十年的努力后認為：要想得到高精度的二次包絡副是相當困難的，甚至是不可能的。所以許多專家對高精度二次包絡環(huán)面蝸桿副的研究轉移到一次包絡環(huán)買內(nèi)蝸桿副上來了。世界著名的環(huán)面蝸桿專家，日本的豐山晃等人認為平面（一次）包絡環(huán)面蝸桿副中的蝸輪齒面是平面，蝸輪容易達到高精度；而蝸桿作為這些齒面的包絡面可以用平面刀具展成。從制作和檢測這兩個方面來講，是達到高旋轉精度的一種最佳形式的嚙合副。為解決這個問題，在1983年秋制成了一種不利用滾齒機母蝸輪副作精度基準，在沒有機械聯(lián)系的情況下，讓砂輪作圓周進給動作并與被磨蝸桿同步旋轉的特殊磨削裝置，并用它磨削加工。試驗是成功的：（1）該磨削裝置精度為1；（

9、2）磨削蝸桿精度為1.2；（3）該蝸桿與蝸輪嚙合時的迥轉傳動精度為1左右；用該嚙合副制成的分度裝置比當時市場上的同類型裝置的最高水平（美國M公司制造）4精度高而且結構簡單。（4）該裝置設有檢測系統(tǒng)。而我國在七十年代就研究成功了精度為1左右的分度用環(huán)面蝸桿副，且有圓弧柱面包絡（原西德生產(chǎn)的um180運動精度測量儀等動態(tài)測量）、漸開柱面包絡（精度為0.5的度盤對徑靜態(tài)測量）等多種類型。不僅如此，國外高精度環(huán)面蝸桿副只用于分度，文獻中未見用于傳遞動力方面的報導。我國北方一家單位早在七十年代就成功地將高精度平面包絡環(huán)面蝸桿副成功地用于傳遞動力，雖然轉速不高，卻是一個良好的開端。從傳遞動力的角度來講，平

10、面看包絡環(huán)面蝸桿副不是最佳選擇：它的嚙合只有一條線，而且在小傳動比時這條線還比較短，這是因為受到齒頂變尖的限制而不得不降低齒高。所以承載能力與傳動效率均不理想，溫升高。而軌跡型正好相反：有2條長的接觸線，適于在高速重載下工作。所以我國研制成高精度的軌跡型環(huán)面蝸桿副后，即著手解決它用于傳遞動力方面的研究工作，關鍵是解決溫升與變形下的補償辦法。該項研究取得了極大的成功，例如普通圓柱蝸桿副壽命僅34個月，在精度不合格的情況下用規(guī)格較小的這種環(huán)面蝸桿副取代后，不僅精度超出了要求，而且正常運轉了多年后迄今未發(fā)現(xiàn)任何精度降低與磨損的跡象。實踐證明這是一種傳動平穩(wěn)、壽命長、承載能力高、而且精度的穩(wěn)定性與保持

11、性極好的嚙合副，也是制作中國單螺桿壓縮機專機的首選傳動元件。此外它的加工比平面包絡環(huán)面蝸桿副方便，成本低，只要掌握了正確的加工技術就可以得到比母機傳動鍵精度高的環(huán)面蝸桿副。三、 中國的專用機床國內(nèi)現(xiàn)在使用的專機其幾何精度均能滿足要求，問題在于傳動鏈誤差大，多數(shù)專機均大于60。在小傳比的條件下要想得到高精度的傳動鏈是相當困難的，我國機床行業(yè)對類似的專機也一直未能解決。我國的科技工作者，在研究了國內(nèi)外各種高精度齒輪機床的基礎上，提出了CP型專機的各種設計方案。但綜合考慮精度、生產(chǎn)率等各項經(jīng)濟技術指標后，確定了如圖1所示的方案，整個傳動鏈由三個嚙合副組成。其中圓柱齒輪精度為1級（我國在60年代即可生

12、產(chǎn)這種世界上僅少數(shù)國家能生產(chǎn)的高精度齒輪），其運動誤差經(jīng)蝸桿副衰減后，在傳動鏈中所占比例極小，可不計。該齒輪副具有適當?shù)奈⑿∑?，以補償蝸桿副的周期誤差。兩個環(huán)面蝸桿副的精度均為1左右（這是我國70年代就能達到的精度）。該傳動鏈的最大誤差為：1+611×1=1.55式中6，11分別為螺桿頭數(shù)與星輪齒數(shù)。該精度遠遠超過了專機的實際需要。所以中國在制造專機的能力上并非不足而是綽綽有余。據(jù)說國外專機使用數(shù)控技術，目前已達納米（=10微米）級水平。但僅僅只是傳遞運動時的水平；傳遞動力時并不如此。例如，目前世界最高水平為數(shù)控滾齒機加工4級精度齒輪（德國），數(shù)控磨齒機加工3級精度磨輪（瑞士），均

13、遠遠低于中國專機水平。這種專機如同單螺桿壓縮機一樣，看似簡單，實際上它的設計與研制工作是相當復雜的。該機床帶有阻尼裝置、數(shù)控系統(tǒng)及量儀等（圖中末示）。阻尼裝置以蝸輪為動力帶動油泵工作。調(diào)節(jié)油泵輸出的壓力，可控制阻尼的強弱。設置阻尼裝置的主要目的是消除傳動鏈間隙，否則該間隙會反映到工件上。其次阻尼裝置能增強環(huán)面蝸桿副的平均效應；作為傳動鏈的預加負荷提高傳動鏈的剛度。需要特別指出的是：普通圓柱蝸桿副即使施加較小的阻尼（尚未達到需要的程度），傳動鏈也會產(chǎn)生振動而無法正常工作，而環(huán)面蝸桿副則能承受超出需要的阻尼作用而正常工作。除了精度高、剛性好等一系列優(yōu)點外，能夠設置阻尼裝置是采用環(huán)面蝸桿副的一個重要

14、原因。采用尼曼蝸桿副或雙蝸桿來消除間隙的方法無論在精度、剛性、壽命等方面均不可能與方案相比，在專機的傳動方案中，從來都沒有被提到過。傳動方案及技術細節(jié)確定后，機床的設計工作由包括高級技師在內(nèi)的專家小組完成。目前該專機的有關夾具、高精度零部件、量儀等，正在全國各地加工。CP型專機可加工PP型嚙合副。PC型嚙合副的母線如圖2所示。母線的形狀是由二個因素決定的：一是便于加工檢測；二是移位補償時能消除全部間隙。辛麥恩花了數(shù)十萬美金研制的加工PC型嚙合副的專機原理（略去了進給部分）如圖3所示。因該專機采用了低精度的傳動元件錐齒輪，即使采用研齒及配相裝配技術，該專機精度也不高，所加工的嚙合副從來沒有取得令

15、人滿意的效果。圖4為中國PC型嚙合副專機傳動原理示意圖。傳動元件除傳動比有所變化外與CP型專機完全相同。該專機傳動鏈最大誤差為：1+6/17×1=1.35式中6、17分別為螺桿頭數(shù)和柵輪齒數(shù)。該專機傳動鏈的精度至少比辛氏專機高一個數(shù)量級。其它各種性能也優(yōu)于辛氏專機。中國的單螺桿壓縮機長期未能取得突破的原因似乎是專機精度低，而實質上是未能掌握嚙合副的加工技術。只要掌握了嚙合副的加工技術就能生產(chǎn)出合格的專機，如果未能掌握嚙合副加工技術，即使有了合格的專機也仍然加工不出合格的嚙合副。例如：在YM3150滾齒機上，能加工5級精度的普通圓柱蝸桿副的蝸輪。用各研制單位現(xiàn)行的加工方法僅能加工7級精

16、度的環(huán)面蝸輪，工件的精度比機床精度低2級。而采用特殊的加工技術，卻能加工出3級精度的環(huán)面蝸輪，工件精度高于機床精度。不過該技術僅限于加工軌跡型環(huán)面蝸桿副的蝸輪。單螺桿壓縮機嚙合副的加工方法不正確，不單是影響精度，有時根本無法完成切削的全過程。例如：佛山市某廠切削一個PC型螺桿，因“機床剛性不足”而無法切至全深。在PC型的星輪加工中也有類似現(xiàn)象。都是因為加工工藝不正確引起的。 -3四、 結束語單螺桿壓縮機是一個雙密型（技術密集型與勞力密集型）產(chǎn)品，適于中國生產(chǎn)。應該把世界單螺桿壓縮機的生產(chǎn)中心轉移到中國來。為實現(xiàn)這個目標，還有大量的工作要做：1、加強節(jié)能技術的研究單螺桿壓縮機的種種優(yōu)點不是其它機種所能競爭的。然而由于其它機種壓縮機在節(jié)能技術方面的進步，CP型單螺桿壓縮機在節(jié)能方面已無優(yōu)勢可言，而且處于危機狀態(tài)之中。我國有一批優(yōu)秀的單螺桿壓縮機專家，應該在這方面作出中國的貢獻。單螺桿壓縮機嚙合副的壽命為數(shù)萬小時，而換一對星輪僅需數(shù)十分鐘，在這種情況下提高嚙合副壽命的要求并不十分迫切。2、冷凍機單螺桿壓縮機有節(jié)能優(yōu)勢。國外在氟利昂單螺桿冷凍機的生產(chǎn)方面領先中國十年以上。在氟利昂即將被淘汰的今天，這方面的優(yōu)勢將化為烏有。如果我國在新工質單螺桿冷凍機方面盡快起步，我國將與國外在同一個起點上。世界能生