渦旋體加工制造問(wèn)題研究

施陽(yáng)和，余榮杰

(華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌 330013）

渦旋體加工制造問(wèn)題研究

施陽(yáng)和，余榮杰

(華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌 330013）

針對(duì)動(dòng)、靜渦旋體的加工制造中所需滿足的幾種關(guān)鍵形位公差指標(biāo)進(jìn)行了研究，得出了公差指標(biāo)與機(jī)械摩擦及氣體泄漏之間的關(guān)系;通過(guò)對(duì)比分析數(shù)值逼近法和展成法兩種常見(jiàn)的加工方法，得出阿基米德螺線逼近法具有精度高、節(jié)點(diǎn)少、適用性高等優(yōu)點(diǎn)。

渦旋壓縮機(jī);渦旋體;形位公差指標(biāo);數(shù)控加工

渦旋壓縮機(jī)是繼往復(fù)式、轉(zhuǎn)子式、螺桿式壓縮機(jī)之后的一種新型高效容積式壓縮機(jī)。作為公認(rèn)的第三代壓縮機(jī)，其具有效率高、可靠性強(qiáng)、噪聲低、質(zhì)量輕和尺寸小等特點(diǎn)［1］。然而，渦旋壓縮機(jī)性能高低取決于渦旋體的加工精度［2］，因此分析影響其加工精度的因素和研究加工工藝，對(duì)提高渦旋壓縮機(jī)的能效性具有重要的意義。

1 渦旋體的關(guān)鍵形位公差指標(biāo)及其加工的影響因素分析

動(dòng)、靜渦旋盤(pán)作為渦旋壓縮機(jī)的關(guān)鍵零部件，具有較高的形位精度和尺寸精度，尤其是對(duì)渦旋盤(pán)的形位公差而言，要求更高。

圖1 渦旋體的形位公差

如圖1所示，形位公差包括端板平面的平面度、端板平面與渦旋體側(cè)壁面的垂直度、渦旋體相對(duì)于背后軸承孔及鍵槽的位置度，渦旋體表面粗糙度、線輪廓度以及渦旋體與端板中心軸的同軸度，這些公差精度指標(biāo)都需控制在微米級(jí)。與此同時(shí)，采用專門(mén)的制造工藝和加工設(shè)備對(duì)提高渦旋體的加工精度也是非常重要的。

1.1 平面度

分析一個(gè)渦旋體齒頂平面與另一個(gè)渦旋體齒底平面之間的平面度對(duì)提高渦旋壓縮機(jī)容積效率、降低頂面與底面的機(jī)械摩擦功耗是非常有現(xiàn)實(shí)意義的。機(jī)床主軸的軸向竄動(dòng)、工件的夾裝變形都是引起平面度精度失準(zhǔn)的原因，進(jìn)而影響兩個(gè)渦旋體平面之間密封性。

1.2 垂直度

渦旋體端板平面與渦旋體側(cè)壁面的垂直程度稱為垂直度。在加工渦旋體時(shí)，一般會(huì)出現(xiàn)兩種不垂直的情況:正錐和倒錐。渦旋體發(fā)生正錐或倒錐，都會(huì)導(dǎo)致機(jī)械摩擦和氣體泄漏增大。

圖2 垂直度的超差現(xiàn)象

正錐 (如圖2(a）所示）。發(fā)生正錐現(xiàn)象可能的原因有:(1）由于立銑刀本身的垂直度已存在一定的錐度;(2）立銑刀本身的剛度不足，在加工過(guò)程中發(fā)生刀具傾斜變形。正錐發(fā)生后，在齒根部會(huì)發(fā)生機(jī)械摩擦，在齒頂部會(huì)發(fā)生氣體泄漏。

倒錐 (如圖2(b）所示）。發(fā)生倒錐現(xiàn)象的原因很多，主要的原因有兩點(diǎn):(1）在安裝刀具時(shí)，由于銑刀軸線與主軸軸線存在夾角，可能會(huì)導(dǎo)致渦旋體垂直度發(fā)生倒錐現(xiàn)象;(2）渦旋體的側(cè)壁在加工過(guò)程中由于金屬材料受熱發(fā)生形變，也可能導(dǎo)致倒錐的發(fā)生。倒錐發(fā)生后，在齒頂部會(huì)發(fā)生機(jī)械摩擦，在齒根部會(huì)發(fā)生氣體泄漏。

1.3 位置度

在加工渦旋體的過(guò)程中，由于機(jī)床本身的誤差和夾具的定位誤差影響，可能導(dǎo)致加工出來(lái)的渦旋體基圓中心線與主軸中心線存在一定的偏離量，渦旋體位置度發(fā)生了偏離，動(dòng)、靜渦旋體安裝后在理論上就發(fā)生重疊現(xiàn)象，如圖3所示。但在實(shí)際中，這類(lèi)重疊現(xiàn)象是不可能發(fā)生的，只不過(guò)是在相應(yīng)的嚙合區(qū)域造成較大的機(jī)械摩擦損失。在與之相對(duì)的區(qū)域內(nèi)，則會(huì)出現(xiàn)動(dòng)、靜渦旋體不嚙合的現(xiàn)象，造成較大間隙，引起泄漏。

圖3 工作中的齒碰和分離現(xiàn)象

1.4 表面粗糙度

表面粗糙度愈大，機(jī)械摩擦功耗愈大，發(fā)熱量也大。造成渦旋體表面粗糙度增大的因素很多，一般是由制造誤差引起的，譬如立銑刀磨損、刀具刃磨時(shí)后角太小、渦旋盤(pán)毛坯出現(xiàn)“倒毛”現(xiàn)象、排屑不通暢。

1.5 線輪廓度

渦旋型線輪廓度的定義是實(shí)際加工的渦旋型線偏離理想漸開(kāi)線的波動(dòng)范圍。如圖4所示，曲線1是實(shí)際加工出來(lái)的渦旋體輪廓形狀，曲線2是理想漸開(kāi)線，曲線3、4是與理論漸開(kāi)線2相同而又包容著曲線1，稱之為包容線，包容線之間的法線距離即為實(shí)際輪廓度的渦旋型線輪廓度

式中:R為基圓半徑;αmax為漸開(kāi)線4的起始角;αmin為漸開(kāi)線3的起始角，在圖中為負(fù)值。

線輪廓度精度決定兩渦旋體的嚙合精度［3］。造成線輪廓度誤差的因素一般有兩個(gè):(1）由機(jī)床本身誤差引起的;(2）編制NC程序時(shí)離散點(diǎn)計(jì)算不準(zhǔn)確。由于實(shí)際加工出來(lái)的輪廓線是一條折線，與理想型線存在一定的偏差，在同一條嚙合線上各嚙合區(qū)域都會(huì)不同程度地出現(xiàn)機(jī)械摩擦和氣體泄漏現(xiàn)象，如圖5所示。因此，線輪廓度是決定渦旋壓縮機(jī)性能的一個(gè)重要的精度指標(biāo)。

圖4 線輪廓度原理圖

圖5 線輪廓度超差引起的不良現(xiàn)象

1.6 同軸度

基圓的中心軸與刀具的中心軸之間存在同軸度公差要求，造成同軸度公差超差的原因是由于安裝毛坯不當(dāng)引起的。安裝時(shí)，毛坯兩端受力不均等，導(dǎo)致毛坯本體發(fā)生了形變，引起基圓的中心軸偏離刀具的中心軸，從而增大同軸度誤差，影響效率。

由于動(dòng)、靜渦旋體型線一致，如果動(dòng)、靜渦旋體加工時(shí)其中某一個(gè)或者兩個(gè)同時(shí)發(fā)生了同軸度公差超差，安裝后，必然會(huì)在某個(gè)嚙合區(qū)域發(fā)生過(guò)渡摩擦，也會(huì)在其相對(duì)的區(qū)域發(fā)生分離，造成氣體泄漏，如圖3所示，從而降低壓縮機(jī)的效率。

2 加工方法研究

渦旋線是一種曲率在時(shí)刻變化的復(fù)雜曲線［4］，常見(jiàn)的動(dòng)、靜渦旋體型線是以圓的漸開(kāi)線及其修正曲線構(gòu)成的，如圖4所示。設(shè)M(x，y）為漸開(kāi)線上任意一點(diǎn)，φ表示與點(diǎn)M相對(duì)應(yīng)的漸開(kāi)角，R為基圓半徑，則漸開(kāi)線方程為

實(shí)際加工渦旋體的方法主要有數(shù)值逼近法和展成法兩種。

2.1 數(shù)值逼近法

數(shù)值逼近法多應(yīng)用于加工中心，其原理是通過(guò)把渦旋型線離散化成一系列坐標(biāo)點(diǎn)，根據(jù)型線走向，使得這一系列點(diǎn)通過(guò)擬合成為新的加工曲線。由于加工中心的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)方式為直線和圓弧運(yùn)動(dòng)方式，因此現(xiàn)有的插補(bǔ)曲線方式也分為直線插補(bǔ)方式和圓弧插補(bǔ)方式。

隨著對(duì)渦旋型線擬合逼近精度的進(jìn)一步深入，就會(huì)發(fā)現(xiàn)不論是選擇直線逼近還是圓弧逼近，都會(huì)出現(xiàn)逼近單元太多或者逼近精度下降等情況，這是由于現(xiàn)有的兩種逼近曲線其自身的幾何規(guī)律不同于渦旋型線的規(guī)律。根據(jù)文獻(xiàn)［5］提出采用阿基米德螺線逼近曲線能解決逼近單元過(guò)多的問(wèn)題。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，由于阿基米德螺線的幾何規(guī)律與渦旋型線的幾何規(guī)律相似，趨勢(shì)相同。在相同一段圓漸開(kāi)線上，使用阿基米德螺線逼近法產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)數(shù)最少，只有直線逼近法產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)數(shù)的1/4倍，圓弧逼近法產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)數(shù)的1/2倍，如圖6所示。在專用數(shù)控機(jī)床上，采用阿基米德螺線逼近方式，機(jī)床運(yùn)動(dòng)關(guān)系更簡(jiǎn)單，節(jié)點(diǎn)數(shù)更少，加工出來(lái)的渦旋體幾何精度更高，同時(shí)阿基米德螺旋逼近法能適用各種型線渦旋體的數(shù)控加工。

圖6 數(shù)值逼近法示意圖

近年來(lái)，人們研究了許多軟件插補(bǔ)方法和硬件插補(bǔ)方法，用于解決插補(bǔ)逼近過(guò)程中的高精度、高速度以及使用范圍等問(wèn)題。相比硬件插補(bǔ)方法，軟件插補(bǔ)方法具有3個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn):(1）不必改動(dòng)機(jī)床硬件，只要根據(jù)插補(bǔ)公式采用不同的插補(bǔ)程序就能獲得功能不同的插補(bǔ)方式;(2）不必受到進(jìn)給速度的限制;(3）可以對(duì)比較復(fù)雜的函數(shù)曲線進(jìn)行插補(bǔ)。

2.2 展成法

展成法一般用于C軸聯(lián)動(dòng)的加工中心。其原理是依據(jù)漸開(kāi)線的展成原理，如圖7所示。工件隨工作臺(tái)勻速旋轉(zhuǎn)，工作臺(tái)沿y軸方向偏置R的距離，工作臺(tái)沿x軸正方向作勻速直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，同時(shí)C軸順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。根據(jù)圓漸開(kāi)線的幾何特性，C軸旋轉(zhuǎn)360°，x軸應(yīng)移動(dòng)2πR。

基于此法加工的渦旋體型線單一，難以滿足近年來(lái)為提高渦旋壓縮機(jī)性能而設(shè)計(jì)的具有修正曲線段的渦旋盤(pán)加工。另外運(yùn)用該法加工，要求數(shù)控機(jī)床控制軸的數(shù)量較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有機(jī)床制造水平下，難以得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

圖7 展成法加工示意圖

3 結(jié)論

(1）在渦旋體的設(shè)計(jì)中，充分分析影響其性能的幾個(gè)關(guān)鍵形位公差指標(biāo)，通過(guò)相關(guān)運(yùn)算和試驗(yàn)，可以進(jìn)一步得出最優(yōu)設(shè)計(jì)解集，以提高加工的經(jīng)濟(jì)性。

(2）在加工中選用阿基米德螺線作為逼近曲線，不但逼近精度高、節(jié)點(diǎn)數(shù)少，而且還能適用各種型線的渦旋體的數(shù)控加工。對(duì)提高渦旋體的高加工精度有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

【1】曲宗長(zhǎng)，王笛生．渦旋壓縮機(jī)研究的現(xiàn)狀與展望［J］．壓縮機(jī)技術(shù)，1998(2）:3－6．

【2】劉四虎，萬(wàn)迪暉，熊則男，等．渦旋壓縮機(jī)渦旋盤(pán)的關(guān)鍵幾何精度指標(biāo)［J］．壓縮機(jī)技術(shù)，1996(2）:3－5．

【3】劉四虎，熊則男，朱均．渦旋盤(pán)加工精度誤差原因分析［J］．壓縮機(jī)技術(shù)，1996(3）:13 －14．

【4】王峰，張偉．渦旋曲面銑削加工工藝改［J］．大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27(4）:366 －370．

【5】王可，王建軍，王維，等．渦旋盤(pán)數(shù)控加工方法研究［J］．壓縮機(jī)技術(shù)，2000(6）:22－23．

Study on Processing and Manufacturing Problems of Scrolls

SHIYanghe，YU Rongjie
(School of Mechanical＆ Electronic Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangxi330013，China）

Several key indicators of shape and position tolerance were studied by aiming at requirements in processing andmanufacturing of dynamic and static scroll body．Then the relationship of tolerance indicators，mechanical friction and gas leakage were pointed out．By comparatively analyzing the two common processingmethods of numerical approximation and unfolding generation，it is concluded that Archimedes spiral approximationmethod has strongpointof high precision，less node and high applicability，and etc．

Scroll compressor;Scrolls;Shape and position tolerance indicators;NCmachining

TB65

A

1001－3881(2013）4－014－3

10．3969/j.issn.1001 －3881.2013.04.004

2012－01－14

施陽(yáng)和 (1965—），男，博士，副教授，主要從事渦旋機(jī)械的開(kāi)發(fā)與研究。E－mail:shi600148@163.com。通信作者:余榮杰，E－mail:rongjie9575@qq.com。