双螺杆压缩机转子的精密磨削工艺研究

赵永强 侯红玲 李志峰 周 斌 田广利

(①陕西理工学院机械工程学院，陕西 汉中723003;②陕西汉江机床有限公司，陕西汉中723003)

双螺杆压缩机发明于20 世纪30 年代，经过持续的基础理论研究、产品开发试验、对转子型线的不断改进和专用转子加工设备的成功开发，双螺杆压缩机的优越性得到了不断的发挥，被广泛应用于矿山、化工、动力、冶金、建筑、机械、制冷等工业部门［1］。在宽广的容量和工况范围内，逐步取代了其他种类的压缩机。据统计，双螺杆压缩机的销售量已占所有容积式压缩机销售量的80%以上，在所有正在运行的容积式压缩机中，有50%是螺杆压缩机。今后螺杆压缩机的市场份额仍将不断扩大，特别是无油螺杆空气压缩机和各类螺杆工艺压缩机，会获得更快的发展［2-6］。

螺杆压缩机生产中的关键是高精度螺杆转子的加工，螺杆转子的精密加工是保证螺杆压缩机压气效率的关键。为了提高砂轮的修型效率和磨床的加工效率，降低磨削操作对操作工人经验的要求，实现螺杆转子的精密磨削，设计、开发新型的数控螺杆转子磨削机床，采用CNC 砂轮修整技术是一条必由之路。2010年，陕西汉江机床有限公司成功开发了国内首台套螺杆转子数控磨床SK7032，为全面提升螺杆转子磨削加工技术水平和国产化机床加工能力提供可靠保障。

作为国内首台国产化螺杆转子磨削加工机床的SK7032，对于螺杆转子的磨削仍然采用目前比较成熟的螺纹磨削加工工艺，即根据螺杆转子的型线设计计算出砂轮的理论廓形，利用CNC 砂轮修整器精确修型砂轮，用精确修型的砂轮磨削螺杆转子，砂轮磨损后重新修型，砂轮修型之后再次磨削螺杆转子，直至达到螺杆转子的最终型面［8-9］。

但是，将砂轮修型和螺杆转子磨削分开进行的操作模式，无法建立砂轮廓形和螺杆转子磨削之间的联系，同时对于还不具备在线检测功能的SK7032 很难判断螺杆转子磨削是否达到最终磨削表面。本文将以螺纹磨削理论为依据，以数控螺杆转子磨床为原型，以砂轮直径的变化量作为关联尺寸，建立了螺杆转子磨削和砂轮修型的复合工艺尺寸链。为砂轮的自动修型和螺杆转子的自动化磨削提供依据。

1 螺杆转子的磨削原理

双螺杆压缩机的螺杆转子作为一种典型的等升距螺纹回转件，与蜗杆、丝杠、螺杆等零件的磨削加工相似。螺纹件加工时，必须使回转刀具的轴线和螺纹回转零件的轴线之间满足如图1 的空间位置关系［11］。图1 中砂轮的轴线和工件轴线空间交错，偏移距离a，空间交错角Σ。偏移距a和交错角Σ 成为螺纹磨削中两个重要参数，这两个数值的变化直接影响到砂轮的廓形和所磨削的螺杆转子的廓形［12］。

图1 螺纹磨削的模型

2 砂轮的CNC 修型原理及结构

螺杆转子磨床砂轮CNC 修型结构和传动系统如图2 所示［13-17］。在实际工作中，砂轮由专用的伺服电动机进行驱动，砂轮修整器的安装底座8 与砂轮头架为一体。砂轮修整器的金刚盘由电动机4 驱动实现修整轮的主运动，两者装在与砂轮轴线相垂直的导轨上，在电动机9 的驱动下，经丝杠5 传动实现金刚轮沿砂轮径向进给。修整金刚轮连同径向进给驱动装置(电动机9、丝杠5 和竖直运动导轨等)在电动机7 的驱动下，经丝杠6 传动，沿着与砂轮轴线平行的导轨实现修整轮沿砂轮宽度方向的进给。通过以上两个相互垂直的直线进给运动，可以完成砂轮的修型。

3 螺杆转子修型工艺设计

3.1 修型空间坐标系定义

螺杆转子数控精密磨削的空间坐标系如图3 所示，其中VQW是金刚轮坐标系，OXYZ是螺杆转子坐标系，O'X'Y'Z'是砂轮坐标系。在VQW坐标系中，两个金刚轮大端面相向，以+V坐标轴对称，两金刚轮的轴线与+W轴同轴。在OXYZ坐标系中，螺杆转子的轴线为+X轴，螺杆转子的齿槽中心截面位于YOZ平面中。在O'X'Y'Z'砂轮坐标系中，砂轮的两端平面相对X'O'Y'平面对称，+X'轴为砂轮轴线。在VOW金刚轮坐标系与O'X'Y'Z'砂轮坐标系中，金刚轮轴线+W和砂轮轴线+X'平行，两者之间保持一定的距离。在O'X'Y'Z'砂轮坐标系和OXYZ螺杆转子坐标系中，螺杆转子轴线+X和砂轮轴线+X'成空间交错的异面直线，两轴线之间的夹角为Σ，距离为a。

图2 CNC 砂轮修整器结构原理

图3 螺杆转子磨削空间坐标系

数控螺杆转子磨床的数控系统中的5 个运动控制通道依次为A、B、C、D和E;A通道控制磨床工作台面沿X的进给运动;B通道控制砂轮头架沿Y'方向的进给运动;C通道控制螺杆转子绕X轴的旋转运动;D通道控制金刚轮沿W向的进给运动;E通道控制金刚轮沿V向的进给运动。这样只有W和V方向的进给运动时，可以实现砂轮的修型。当有砂轮架沿Y'向的进给、工作台面带动螺杆转子沿X向进给和螺杆转子绕X轴的转动时实现螺杆转子的磨削。在具体操作时，砂轮的修型和螺杆转子的磨削分开进行，即在磨削的间隙对砂轮修型，修型完成后进行磨削。

3.2 CNC 砂轮的修型过程

砂轮修整是用金刚笔或者金刚石将磨削过的、有脱落不平的和夹杂有金属磨粒的砂轮表面去掉一层，露出砂轮内部的新表面。砂轮修型是砂轮修整的一种特殊方式，修型不但要使砂轮露出新表面，而且使砂轮的轮廓保持一种精确的特殊的几何型线，即让砂轮成为一种成形砂轮，成形砂轮的精度决定了最终所磨削的工件的尺寸精度和形状精度。

图4 CNC 砂轮修型模型

螺杆转子磨床的CNC 砂轮修整器的坐标系和相关尺寸定义如图4 所示。砂轮修整器的金刚轮轴线始终和砂轮轴线相互平行，砂轮修型时金刚轮沿V和W两个方向进给，两个方向的联动实现砂轮复杂廓形的修整。每次对砂轮的修型会使砂轮的外廓直径变小，即金刚轮轴线和砂轮轴线之间的距离变小。直径变小后的砂轮廓形必须使用新的砂轮修型程序重新进行修型，在砂轮修整过程中，对于砂轮廓形的计算依据砂轮和工件之间的距离。

3.3 砂轮修型工艺尺寸链的建立

应用螺杆转子磨床的CNC 砂轮修整器进行砂轮修型时，砂轮的修型工艺尺寸链组成如图5 所示。在图5 中，1 是采用金刚轮的最大轮缘直径代表金刚轮，5 是采用砂轮的最大轮缘直径代表砂轮。y'oz'位置是砂轮坐标系的零位，y'o1z'位置是采用砂轮进行螺杆转子的磨削位置。VQW位置是金刚轮坐标系的零位，VQ'W是金刚轮进给至砂轮的修型位置。

图5 砂轮修型工艺尺寸链组成

在砂轮修型工艺中，必须考虑金刚轮的零位位置R500、金刚轮从零位进给到砂轮的修型位置的进给量R501、金刚轮的最大轮缘直径R535 和砂轮当前最大轮缘直径R511。工艺尺寸链表达为

3.4 螺杆转子磨削工艺尺寸链的建立

在螺杆转子磨削时，砂轮沿螺杆转子的径向进给，砂轮的最大外缘直径与螺杆转子齿槽中的最小直径相接触，两直径尺寸之和的1/2 就是螺杆转子轴线和砂轮轴线之间的距离，这是精确计算砂轮轮廓曲线和判断螺杆转子磨削精度的理论参数。

螺杆转子的磨削工艺尺寸链组成如图6 所示。在图6 中，5 是以砂轮当前最大轮缘直径R511 代表砂轮，8 是以螺杆转子的齿顶圆直径R520 和齿槽最小直径R521 代表螺杆转子，y'oz'是砂轮坐标系的零位，y'o1z'是砂轮磨削螺杆转子位置。

图6 螺杆转子磨削工艺尺寸链

在螺杆转子的磨削工艺尺寸链中，相关尺寸包括砂轮的当前最大轮缘直径为R511、螺杆转子的齿槽最小直径R521、砂轮沿-y'方向进给量R530、砂轮坐标系零位和螺杆转子坐标系零位时两坐标系沿y向的偏移量R531。螺杆转子磨削工艺尺寸链可表示为

3.5 整体工艺尺寸链的建立

在砂轮修型工艺链中，是以砂轮的当前最大轮缘直径R511 作为封闭环，此尺寸是螺杆转子磨削工艺链的一个组成环。因此，可以将砂轮修型工艺尺寸链和螺杆转子磨削工艺尺寸链组合成一个新的尺寸链，即可以通过金刚轮的进给尺寸值推算砂轮当前最大轮缘直径，通过砂轮的当前最大轮缘直径和砂轮的进给量可以计算出螺杆转子的齿槽最小直径。

螺杆转子的齿槽最小直径、金刚轮的最大轮缘直径、金刚轮坐标系零位、砂轮坐标系零位都是已知参数。螺杆转子的齿槽最小直径是在螺杆转子设计成型之后确定的固定参数，金刚轮的最大轮缘直径是在金刚轮加工成型之后确定的固定参数，金刚轮坐标系零位和砂轮坐标系的零位是在机床调整后确定的固定参数。在两个工艺链中，金刚轮的进给量R501 和砂轮的进给量R530 是随砂轮最大轮缘直径R511 的变化而变化的两个参量。将砂轮修型工艺尺寸链和螺杆转子磨削工艺尺寸链组合成一个新的整体工艺尺寸链如图7 所示。

图7 整体尺寸链的组成

整体尺寸链的封闭环为砂轮的进给量R530。整体尺寸链可表示为

4 新型螺杆转子的磨削工艺

螺杆转子磨削工艺中所涉及的螺杆转子齿槽最小直径R521 是螺杆转子最终表面的尺寸值。由此推算出的砂轮进给量R530 是砂轮的最大进给量，而磨削本身就是一种采用较小切削深度的加工方式。为了提高磨削加工的效率，磨削时砂轮是从R530 -n×ε 位置开始，进行n次进给，单次进给量为ε，最终达到R530 位置。如图8 所示，当砂轮快速进给到R533，即砂轮当前最大轮缘直径R511 和螺杆转子的顶圆直径R520 在点P1位置接触时，螺杆转子的起始磨削位置，R533 =R530 -n×ε，即n×ε=(R520 -R521)/2。

5 结语

图8 初始对刀尺寸链

双螺杆空压机螺杆转子的数控磨削是保证螺杆转子加工精度的关键。开发专用数控磨床、设计相应的磨削工艺是保证螺杆转子加工精度、提高加工效率和降低生产成本的必由之路。本文以螺纹磨削理论为依据，分析了砂轮修型和螺杆转子磨削中砂轮、金刚轮和螺杆转子空间关系和相关尺寸之间的联系，建立了砂轮修型和螺杆转子磨削的工艺尺寸链，以砂轮直径的变化量作为关联尺寸建立了数控螺杆转子磨床中砂轮修型和螺杆转子磨削过程相关联的整体尺寸链。通过在整体尺寸链中的尺寸换算，可以精确计算砂轮和螺杆转子的轴线间距，为砂轮的精确廓形计算提供依据。同时将该尺寸链引入数控磨削程序编程中，实现不依靠在线检测设备仪器也能准确判断螺杆转子的磨削工艺参数，即螺杆转子的径向进给量。对降低操作工的操作难度，保持机床加工质量的稳定性具有重要意义。

［1］邢子文. 螺杆压缩机研究进展及应用趋势［J］. 通用机械，2006(1):30 -33.

［2］邢子文. 螺杆压缩机—理论、设计及应用［M］. 北京:机械工业出版社，2000.

［3］姜尔宁，译. 世界制冷压缩机发展趋势(一)［J］. 制冷技术，2009(2):45 -53.

［4］http://www. machine. hc360. comv. 压缩机产品分类及市场发展趋势分析［OL］. 慧聪机械工业网，2011 -10 -13.

［5］http://www.lenglian.org.cn/llsb/lksb/1/6994.shtml. 中国螺杆空气压缩机市场现状与品牌格局［OL］. 慧聪邓白氏研究院，2010-08-01.

［6］http://www. ttb2b. com/ShowGridDetails. aspx?id =15170. 2010 压缩机行业发展之路［OL］. 中国制冷网，2010 -01 -07.

［7］陈立明. 螺杆压缩机转子的磨削加工［J］. 机械工程师，2005(2):89 -90.

［8］伍贤君. 螺杆压缩机转子磨削成形法［J］. 流体机械，2000，28(7):33 -35.

［9］于力岩，高智翔. 铸铁螺杆转子齿形的成形磨削［J］，通用机械，2005(6):97 -98.

［10］国内首台套数控螺杆转子磨床亮相CCMT［OL］. 机械研究与应用，2010 -05 -12.

［11］吴序堂. 齿轮啮合原理［M］.2 版. 西安:西安交通大学出版社，2009.

［12］王可，韩琦，赵巍. 螺杆压缩机转子成形磨削中砂轮廓型计算方法［J］. 压缩机技术，2002(1):7 -9.

［13］赵永强，侯红玲，李志峰，等. 恒速磨削的实现方法与机床设计［J］.机床与液压，2010，38(6):7 -9.

［14］赵甲宝. 蜗杆磨削用砂轮修型方法研究［J］. 机械工程师，2011(7):6 -7.

［15］李志峰，赵永强，魏伟锋，等. 螺纹磨床CNC 砂轮修整器设计与修型方法研究［J］. 制造技术与机床，2012(2):111 -113.

［16］赵永强，李志峰，魏伟锋，等. 转子磨床CNC 砂轮修整器的砂轮初始修形方法研究［J］. 制造技术与机床，2012(6):185 -187.

［17］赵永强，李志峰，魏伟锋，等. 螺纹磨床CNC 砂轮修整器的参数设计［J］. 制造业自动化，2012，34(12):91 -93.

［18］付玉升，陈欣，孙凤. 螺旋曲面数控成型磨削与砂轮修整控制研究［J］. 制造业自动化，2004，26(7):36 -39.

［19］侯红玲，赵永强. 五坐标数控机床传动系统设计与研究［J］. 机械，2008，35(8):44 -46.

［20］侯红玲，赵永强，白海清. 复杂曲面的数控加工试验研究［J］. 机床与液压，2009，37(8):27 -29.