单螺杆压缩机专用加工机床

1、单 螺 杆 压 缩 机 专 用 加 工 机 床一、 前言单螺杆压缩机有CC、CP、PC和PP四种类型。其中CC型与PC型适用于微小型压缩机，CP型与PP型适用于较大排量。PC型的各种经济技术指标均优于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、节能效果较好的一种机型。目前在日本的小型螺杆式压缩机中占有50%以上的市场，而且尚有上升的势头。我国有十余家单位研制螺杆压缩机，几乎全部都在搞CP型。单螺杆压缩机中最困难的是由螺杆、星轮构成的啮合副的加工。这对啮合副实质上是参数相当特殊的高精度环面蜗杆副。螺杆材料的热膨胀必须与机壳材料的一致，由此螺杆材料在绝大多数情况下为

2、铸铁；而星轮材料为塑料和铝合金之类的轻质材料，目的在于尽量减小惯性力，达到延长啮合副寿命的目的。啮合副的寿命主要取决于啮合副的加工精度与装配技术，与材料的关系不大。我国从1975年开始研制单螺杆压缩机，啮合副的寿命已逐步提高到2000小时左右，与国外数万小时相比差距很大。有关专家认为原因在于加工啮合副的专用机床精度低；而高精度的专用机床国内无法解决。唯一的办法是进口。好几家单位通过各自不同的渠道与国外洽谈引进专机事宜。通过十年断断续续的洽谈，至今国外尚无卖专机的意向。自从西安交通大学用国产机床加工出合格的涡旋式压缩机后，在高档压缩机中单螺杆压缩机成了我国唯一未能突破的机种。我国每年被迫花费大量

3、外汇高价进口带有单螺杆压缩机的成套装置与单螺杆压缩机。实际上中国人早就有生产这种高精度专机的能力。虽然所需的研制费用还不到引进费用的十分之一，而研制工作却由于没有资金而浪费了好几年时间。二、 环面蜗杆副如前所叙：单螺杆压缩机的啮合副是一对高精度环面蜗杆副。或许是巧合，高精度专机也用高精度环面蜗杆（俗称球面蜗杆）制成。1、 环面蜗杆的分类1） 按用途环面蜗杆副分为动力型和分度型两种。前者用来传递动力，精度较低；后者用来传递运动，通常精度较高。分度型环面蜗杆副是不修型的，具有良好的平均效应。因而啮合副的精度有时高于单个元件的精度，尤其是有预加负荷的情况下更是如此。动力型环面蜗杆副是修型的。早期人们

4、用理论上正确的环面蜗杆副来传递动力效果并不理想。需要跑合较长时间后（此时啮合已磨损）才能达到最佳状态，才有较高的传动效率。为了缩短跑合时间，人们在制作新啮合副时即按磨损后的啮合副形状制作，称为“修型”，不修型的称为“原始型”。各种齿形的环面蜗副均需修型的原因是啮合副面互为包络面，相互间没有多余的自由空间，要达到理论上的完全共轭相当困难；在高速重载下工作时由变形、温升、振动所引起的偏置就导致了啮合副的磨损，直至“修型”完成后才稳定下来。对于高精度的环面蜗杆副来说，磨损不仅失去了原有精度，而且承载能力也仅为理论值的2050%。修型环面蜗杆副对安装误差、温升的敏感降低，但蜗轮必须用相应的修型滚刀加工

5、。目前世界各国均不能制作高精度的修型环面蜗杆副。修型工艺比较困难，往往无法稳定地收到预期效果。公认美、苏两国在这方面比较先进。而我国为武钢一米七轧机所生产的六头（修型）环面蜗杆副传动效率为91%，高于美、苏标准水平。2） 按螺旋面的形成原理，环面蜗杆分为轨迹型与包络型两类。（1）轨迹型环面蜗杆这种环面蜗杆的螺旋面是母线相对蜗杆运动的轨迹面。母线可以是直线也可以是曲线，以直线用得最多。这种环面蜗杆只能用车削的方式加工。车刀刃廓与母线一致。这种曲面属不可展螺旋面，通常认为不可能用磨削的方式加工，齿面粗糙度高；蜗杆滚刀热处理后无法精加工，所以不可能得到高精度的啮合副。少数国家突破了上述技术障碍生产出

6、了单螺杆压缩机，目前在国际市场上销售的各种类型的单螺杆压缩机均采用这种蜗杆副。与二次包络面相比不仅容易制造而且泄漏最小、比功率低。理论上该啮合付的一对啮合齿面上有两条接触线，现代的加工技术能保证实现这种双线接触，所以啮合副的实际寿命长达数万小时。近几年来我国对包络面几何特性与啮合动态特性进行了深入地研究，也终于掌握了该项技术并研制出了高精度的轨迹型环面蜗杆副，并创造性地用于传递动力（参阅下文）。（2）包络型环面蜗杆这种环面蜗杆的螺旋面是母面相对蜗杆运动所形成的包络面。母面有平面、圆台、渐开螺旋面等。以（一次）包络面作刀具的刃面加工（包络）蜗轮时所得的蜗轮齿面是二次包络面，以母面的形状命名。例如

7、：平面二次包络面、圆台二次包络面等。这种蜗轮与相应的（一次），包络蜗杆啮合即得到各种二次包络环面蜗杆副。如平面二次包络环面蜗杆副、圆台二次包络环面蜗杆副等。其中平面二次包络环面蜗杆副是中国首都钢铁公司的发明。迄今为止中国在平面二次包络环面蜗杆副的研究上居世界领先地位。包络型环面蜗杆与齿面形状为母面的蜗轮啮合即构成（一次）包络环面蜗杆副。如平面（一次）包络环面蜗杆副等。2、高精度的环面蜗杆副由于二次包络面必须用滚（剃）的方法加工，环面蜗杆副的最大优点：有较多的齿同时啮合在滚切时变成了最大的缺点：同时切削较多的轮齿。过大的切削力使工艺系统产生强烈的振动，尤其是传动键轴系的扭振使切削精度降低。许多国

8、家的专家经过数十年的努力后认为：要想得到高精度的二次包络副是相当困难的，甚至是不可能的。所以许多专家对高精度二次包络环面蜗杆副的研究转移到一次包络环买内蜗杆副上来了。世界著名的环面蜗杆专家，日本的丰山晃等人认为平面（一次）包络环面蜗杆副中的蜗轮齿面是平面，蜗轮容易达到高精度；而蜗杆作为这些齿面的包络面可以用平面刀具展成。从制作和检测这两个方面来讲，是达到高旋转精度的一种最佳形式的啮合副。为解决这个问题，在1983年秋制成了一种不利用滚齿机母蜗轮副作精度基准，在没有机械联系的情况下，让砂轮作圆周进给动作并与被磨蜗杆同步旋转的特殊磨削装置，并用它磨削加工。试验是成功的：（1）该磨削装置精度为1；（

9、2）磨削蜗杆精度为1.2；（3）该蜗杆与蜗轮啮合时的迥转传动精度为1左右；用该啮合副制成的分度装置比当时市场上的同类型装置的最高水平（美国M公司制造）4精度高而且结构简单。（4）该装置设有检测系统。而我国在七十年代就研究成功了精度为1左右的分度用环面蜗杆副，且有圆弧柱面包络（原西德生产的um180运动精度测量仪等动态测量）、渐开柱面包络（精度为0.5的度盘对径静态测量）等多种类型。不仅如此，国外高精度环面蜗杆副只用于分度，文献中未见用于传递动力方面的报导。我国北方一家单位早在七十年代就成功地将高精度平面包络环面蜗杆副成功地用于传递动力，虽然转速不高，却是一个良好的开端。从传递动力的角度来讲，平

10、面看包络环面蜗杆副不是最佳选择：它的啮合只有一条线，而且在小传动比时这条线还比较短，这是因为受到齿顶变尖的限制而不得不降低齿高。所以承载能力与传动效率均不理想，温升高。而轨迹型正好相反：有2条长的接触线，适于在高速重载下工作。所以我国研制成高精度的轨迹型环面蜗杆副后，即着手解决它用于传递动力方面的研究工作，关键是解决温升与变形下的补偿办法。该项研究取得了极大的成功，例如普通圆柱蜗杆副寿命仅34个月，在精度不合格的情况下用规格较小的这种环面蜗杆副取代后，不仅精度超出了要求，而且正常运转了多年后迄今未发现任何精度降低与磨损的迹象。实践证明这是一种传动平稳、寿命长、承载能力高、而且精度的稳定性与保持

11、性极好的啮合副，也是制作中国单螺杆压缩机专机的首选传动元件。此外它的加工比平面包络环面蜗杆副方便，成本低，只要掌握了正确的加工技术就可以得到比母机传动键精度高的环面蜗杆副。三、 中国的专用机床国内现在使用的专机其几何精度均能满足要求，问题在于传动链误差大，多数专机均大于60。在小传比的条件下要想得到高精度的传动链是相当困难的，我国机床行业对类似的专机也一直未能解决。我国的科技工作者，在研究了国内外各种高精度齿轮机床的基础上，提出了CP型专机的各种设计方案。但综合考虑精度、生产率等各项经济技术指标后，确定了如图1所示的方案，整个传动链由三个啮合副组成。其中圆柱齿轮精度为1级（我国在60年代即可生

12、产这种世界上仅少数国家能生产的高精度齿轮），其运动误差经蜗杆副衰减后，在传动链中所占比例极小，可不计。该齿轮副具有适当的微小偏心，以补偿蜗杆副的周期误差。两个环面蜗杆副的精度均为1左右（这是我国70年代就能达到的精度）。该传动链的最大误差为：1+611×1=1.55式中6，11分别为螺杆头数与星轮齿数。该精度远远超过了专机的实际需要。所以中国在制造专机的能力上并非不足而是绰绰有余。据说国外专机使用数控技术，目前已达纳米（=10微米）级水平。但仅仅只是传递运动时的水平；传递动力时并不如此。例如，目前世界最高水平为数控滚齿机加工4级精度齿轮（德国），数控磨齿机加工3级精度磨轮（瑞士），均

13、远远低于中国专机水平。这种专机如同单螺杆压缩机一样，看似简单，实际上它的设计与研制工作是相当复杂的。该机床带有阻尼装置、数控系统及量仪等（图中末示）。阻尼装置以蜗轮为动力带动油泵工作。调节油泵输出的压力，可控制阻尼的强弱。设置阻尼装置的主要目的是消除传动链间隙，否则该间隙会反映到工件上。其次阻尼装置能增强环面蜗杆副的平均效应；作为传动链的预加负荷提高传动链的刚度。需要特别指出的是：普通圆柱蜗杆副即使施加较小的阻尼（尚未达到需要的程度），传动链也会产生振动而无法正常工作，而环面蜗杆副则能承受超出需要的阻尼作用而正常工作。除了精度高、刚性好等一系列优点外，能够设置阻尼装置是采用环面蜗杆副的一个重要

14、原因。采用尼曼蜗杆副或双蜗杆来消除间隙的方法无论在精度、刚性、寿命等方面均不可能与方案相比，在专机的传动方案中，从来都没有被提到过。传动方案及技术细节确定后，机床的设计工作由包括高级技师在内的专家小组完成。目前该专机的有关夹具、高精度零部件、量仪等，正在全国各地加工。CP型专机可加工PP型啮合副。PC型啮合副的母线如图2所示。母线的形状是由二个因素决定的：一是便于加工检测；二是移位补偿时能消除全部间隙。辛麦恩花了数十万美金研制的加工PC型啮合副的专机原理（略去了进给部分）如图3所示。因该专机采用了低精度的传动元件锥齿轮，即使采用研齿及配相装配技术，该专机精度也不高，所加工的啮合副从来没有取得令

15、人满意的效果。图4为中国PC型啮合副专机传动原理示意图。传动元件除传动比有所变化外与CP型专机完全相同。该专机传动链最大误差为：1+6/17×1=1.35式中6、17分别为螺杆头数和栅轮齿数。该专机传动链的精度至少比辛氏专机高一个数量级。其它各种性能也优于辛氏专机。中国的单螺杆压缩机长期未能取得突破的原因似乎是专机精度低，而实质上是未能掌握啮合副的加工技术。只要掌握了啮合副的加工技术就能生产出合格的专机，如果未能掌握啮合副加工技术，即使有了合格的专机也仍然加工不出合格的啮合副。例如：在YM3150滚齿机上，能加工5级精度的普通圆柱蜗杆副的蜗轮。用各研制单位现行的加工方法仅能加工7级精

16、度的环面蜗轮，工件的精度比机床精度低2级。而采用特殊的加工技术，却能加工出3级精度的环面蜗轮，工件精度高于机床精度。不过该技术仅限于加工轨迹型环面蜗杆副的蜗轮。单螺杆压缩机啮合副的加工方法不正确，不单是影响精度，有时根本无法完成切削的全过程。例如：佛山市某厂切削一个PC型螺杆，因“机床刚性不足”而无法切至全深。在PC型的星轮加工中也有类似现象。都是因为加工工艺不正确引起的。 -3四、 结束语单螺杆压缩机是一个双密型（技术密集型与劳力密集型）产品，适于中国生产。应该把世界单螺杆压缩机的生产中心转移到中国来。为实现这个目标，还有大量的工作要做：1、加强节能技术的研究单螺杆压缩机的种种优点不是其它机种所能竞争的。然而由于其它机种压缩机在节能技术方面的进步，CP型单螺杆压缩机在节能方面已无优势可言，而且处于危机状态之中。我国有一批优秀的单螺杆压缩机专家，应该在这方面作出中国的贡献。单螺杆压缩机啮合副的寿命为数万小时，而换一对星轮仅需数十分钟，在这种情况下提高啮合副寿命的要求并不十分迫切。2、冷冻机单螺杆压缩机有节能优势。国外在氟利昂单螺杆冷冻机的生产方面领先中国十年以上。在氟利昂即将被淘汰的今天，这方面的优势将化为乌有。如果我国在新工质单螺杆冷冻机方面尽快起步，我国将与国外在同一个起点上。世界能生