單螺桿壓縮機專用加工機床蝸桿副發(fā)展現(xiàn)狀研究

章根國

（深圳振華亞普精密機械有限公司，廣東深圳518109）

單螺桿壓縮機專用加工機床蝸桿副發(fā)展現(xiàn)狀研究

章根國

（深圳振華亞普精密機械有限公司，廣東深圳518109）

通過對國內(nèi)外蝸桿副研究，消化、吸收，改進現(xiàn)有技術(shù)，將滾齒機精化成高精度蝸輪母機，并采用測量儀器監(jiān)測下剃削等技術(shù)，蝸桿副精度可實現(xiàn)突破，解決國產(chǎn)單螺桿專用加工機床精度不高的技術(shù)難題。

單螺桿壓縮機；加工機床；蝸桿副

1　引言

單螺桿壓縮機主要性能指標決定于螺桿星輪嚙合副精度，而高精度單螺桿專用加工機床對CP型單螺桿壓縮機技術(shù)進步的重要影響。嚙合副型線由直線包絡(luò)、二次包絡(luò)發(fā)展到如今三線接觸，單螺桿壓縮機壽命和能效水平都得到了較大提高；研究對刀方法和高精度蝸桿副是解決加工方法和高精度專用加工機床的關(guān)鍵，由于受美、日少數(shù)工業(yè)發(fā)達國家單螺桿專用加工機床的技術(shù)壟斷，加之國內(nèi)現(xiàn)有機床廠蝸桿副設(shè)計及制造技術(shù)精度不高，影響了單螺桿加工機床精度的提高，致使我國噴水、中高壓、工藝、膨脹發(fā)電機、商用空調(diào)高端單螺桿壓縮機未取得實質(zhì)性技術(shù)突破。

單螺桿專用加工機床核心技術(shù)在于直廓環(huán)面蝸桿副精度的提高，國家標準GB/T16848-1997《直廓環(huán)面蝸桿、蝸輪精度》只規(guī)定了8～6精度標準，而國內(nèi)機床廠直廓環(huán)面蝸桿副精度均處于6級以下水平，該技術(shù)領(lǐng)域國內(nèi)最高水平為國家標準三級（參照GB10089-88《圓柱蝸桿、蝸輪精度》判定），該成果曾于1985年獲得國家科技進步一等獎，但因加工人才、蝸輪母機精度問題，2005年之后國內(nèi)已制造不出國家標準三級精度的直廓環(huán)面蝸桿副，制約了我國單螺桿專用加工機床蝸桿副傳動精度水平的提高。由于單螺桿壓縮機技術(shù)先進性，近幾年國內(nèi)單螺桿壓縮機企業(yè)數(shù)量在增加，從《財政部、國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部關(guān)于印發(fā)<節(jié)能產(chǎn)品惠民工程高效節(jié)能容積式空氣壓縮機推廣實施細則>的通知》（財建［2012］851號）中可以看出，相同條件下給予節(jié)能單螺桿壓縮機補貼標準是最高的，特別是國務(wù)院2013年8月1日發(fā)布的《關(guān)于加快發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)的意見》（國發(fā)［2013］30號），文件中明確到2015年，終端用能產(chǎn)品能效水平提高15%以上，高效節(jié)能產(chǎn)品市場占有率提高到50%以上，國家將實施能效“領(lǐng)跑者”計劃，這些節(jié)能政策導(dǎo)向，推動了我國節(jié)能單螺桿壓縮機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也促進單螺桿壓縮機企業(yè)需要加快技術(shù)改造，提升單螺桿專用加工機床蝸桿副精度會促進單螺桿壓縮機產(chǎn)業(yè)做強做大，下面重點介紹影響單螺桿專用加工機床技術(shù)進步的直廓環(huán)面蝸桿副發(fā)展情況。

2　直廓環(huán)面蝸桿副國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

高精度環(huán)面蝸桿副主要有平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿副和直廓環(huán)面蝸桿副兩種，由于嚙合齒數(shù)多，與現(xiàn)有的高精度圓柱蝸桿副相比，具有傳動效率高、精度保持性好、壽命長、承載能力高等顯著優(yōu)點。阿基米德最早提出蝸桿傳動理論，之后美、日、德等國環(huán)面蝸桿傳動技術(shù)得到快速發(fā)展，推動了機械傳動領(lǐng)域的技術(shù)進步。我國自20世紀50年代中開始研制了直廓環(huán)面蝸桿傳動。經(jīng)過鄭州機械研究所、首鋼機械廠、重慶大學(xué)和重慶機床廠等科研院所、企業(yè)的努力，球面分度蝸輪副加工技術(shù)，20世紀80年代取得了重要進展，曾有廠家采用“刀對刀”的方法加工出原始型直廓環(huán)面蝸桿副，其傳動精度等級達到國家標準GB10089-88《圓柱蝸桿、蝸輪精度》三級水平（因國家標準GB/T16848-1997《直廓環(huán)面蝸桿、蝸輪精度》只規(guī)定了最高精度等級6級），并成功地用于滾齒機的分度副。由于在實際應(yīng)用中顯示了承載能力強、精度高且精度保持性好等優(yōu)越性，解決了國內(nèi)很多因高精度圓柱蝸桿副無法解決的技術(shù)難題。與只有一條接觸線的平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿副相比，直廓環(huán)面蝸桿副有2條接觸線，而且接觸線的方向更好，因此在長期重載高速下工作時有更好的精度保持性、更高的傳動效率和較低的溫升。其加工方式也相對先進，是高精度蝸桿的發(fā)展方向，因此該成果（Ф900 mm高精度圓柱蝸桿蝸輪副及球面分度蝸輪副）也曾于1985年獲得了國家科技進步一等獎，為我國機床行業(yè)作出過突出貢獻，后由于技術(shù)進展慢及技能人才原因，至今國內(nèi)所生產(chǎn)的直廓環(huán)面蝸桿副精度已達不到該水平。

國內(nèi)所采用的“刀對刀”的方法工藝雖獲得了國家發(fā)明專利（專利號：CN85107847），此對刀方式允許刀的位置與理論值有一定偏差，而且不對稱，我們通過研究認為存在如下幾個不足之處：

（1）該方法限定了蝸桿與蝸輪只能在同一機床上加工工裝并要經(jīng)常拆換，生產(chǎn)效率低；

（2）蝸桿只能在加工時的相對位置安裝，而不能調(diào)頭安裝；

（3）刀刃的間隙受操作者技能水平的影響非常大。

此外，蝸輪的精加工應(yīng)由密齒滾刀或剃齒刀來進行，滾刀的刀刃越多，蝸輪齒形精度也越高，滾刀中的每一個刀刃都有它特定的切削位置，其切削負荷也各不相同。

前蘇聯(lián)的一位工程師曾用涂色法做了一個著名的實驗，發(fā)現(xiàn)滾刀中越是靠近兩邊的刀刃其切削負荷越大，所以除的量也越大，因此導(dǎo)致了飛刀的應(yīng)用。飛刀只是滾刀眾多刀刃中的一種，它所加工出來的蝸輪齒面是刀刃的軌跡面，而非包絡(luò)面。應(yīng)該由其它刀刃切除的部分尚存在于蝸輪齒面上，成為需要進一步切除的余量，這些余量不僅影響傳動精度，也妨礙裝配時蝸桿進入正確的嚙合位置。

國內(nèi)有廠家曾在滾齒機刀架上使用了發(fā)明專利（專利號200710078249.4）“鋼柱蝸輪——環(huán)面蝸桿副”，這種嚙合副是受滾珠環(huán)面蝸桿副的啟發(fā)，用鋼柱替代鋼球蝸輪而成，是由一系列直徑較小的鋼柱用螺栓固定在一個較大的鋼制圓柱體上，每一個小直徑的鋼柱相當于一個蝸輪齒，每一個鋼柱間均有一定的過盈，裝配時要有相當?shù)募寄芩?。該嚙合副總共生產(chǎn)過二套，第二套是為了更換磨損件而生產(chǎn)，由于只有一條接觸線，精度保持性較差。

3　國內(nèi)單螺桿壓縮機領(lǐng)域研究蝸桿副的情況

國內(nèi)單螺桿壓縮機企業(yè)所采用的螺桿專用加工機床，基本是委托重慶機床廠、南京機床廠等企業(yè)生產(chǎn)，由于國產(chǎn)滾齒機精度不高，現(xiàn)有單螺桿加工機床精度基本上處于5級以下水平，制約了國產(chǎn)單螺桿壓縮機主機性能的提升。原肇慶端州壓縮機研究所查世樑所長曾于1983年3月在《機床》雜志上看到關(guān)于高精度直廓環(huán)面蝸桿副的加工方法后，憑借多年從事齒輪刀具研發(fā)經(jīng)驗，經(jīng)研究認為該直廓環(huán)面蝸桿副的加工方法有較大的改進空間，如采用剃齒工藝輔助可進一步提高其精度。由于單螺桿壓縮機的螺桿和星輪嚙合其實就是特殊的直廓環(huán)面蝸桿副，因此將兩者結(jié)合起來進行深入研究。1984年發(fā)現(xiàn)單螺桿壓縮機的齒形比通常的直廓環(huán)面蝸桿副復(fù)雜，由母線、包絡(luò)面和特形面構(gòu)成。嚙合時齒面上有3條接觸線，加工這種星輪（相當于蝸輪）比正常的直廓環(huán)面蝸輪困難得多，如果能成功制造出這種嚙合副，星輪的壽命可提高數(shù)倍，其密封效果也更好，壓縮機也更節(jié)能。經(jīng)過多年的努力終于研究出一種高精度加工工藝，其刀具的安裝消除了“刀對刀”加工技術(shù)的缺點；1993年三線接觸嚙合副首次加工成功，經(jīng)在單螺桿壓縮機上試運行，結(jié)果證實了三線接觸理論及其加工方法是正確的；1994年在國內(nèi)公開報道了這種從未公開的齒廓方程式，也是世界上首次公開報道這種齒形的存在，至今還遭到一些學(xué)者質(zhì)疑。該成果于1998年2月26日在廣東省科學(xué)技術(shù)委員會主持的科技成果鑒定會上，用涂色法檢查顯示整個齒面接觸，這種齒形才得到與會專家一致肯定。國外部分企業(yè)2000年左右也開始采用這個齒形。

4　直廓環(huán)面蝸桿副技術(shù)進展

高精度蝸輪母機（滾齒機）是制造高精度直廓環(huán)面蝸桿必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，它的精度主要取決于分度副的精度，用機加工的方法研制傳動誤差為3"左右的分度副極為困難，而且費時。中國計量出版社1987年3月出版《機床傳動精度測量與提高》著作中，詳細介紹了利用凸輪補償運動，通過差動機構(gòu)送至分度副，令其多轉(zhuǎn)或少轉(zhuǎn)一點，該增加量正好與分度副誤差大小相等，方向相反，因此該凸輪是根據(jù)分度副的誤差曲線特制的。最近國內(nèi)用這種方法成功試制了2臺滾齒機，其傳動鏈誤差在3"以內(nèi)，如果在儀器的對凸輪進行修磨，其精度將可進一步提高。我們曾使用過磁柵、國產(chǎn)光柵、時柵到進口光柵的機床傳動誤差測量儀，用于維修單螺桿專機。通過長期使用，從測量出的機床傳動誤差曲線及分析數(shù)據(jù)中，找到了誤差的環(huán)節(jié)并減小和消除誤差。

通過研究現(xiàn)有技術(shù)不足之處，提出了新的加工方法，能將滾齒機精化成高精度蝸輪母機。目前市場上滾齒機中的10個弧齒輪淬火后均不磨齒，這些都必須更換或委托磨齒，裝配時注意他們的相位，讓他們的誤差盡可能相互抵消，關(guān)鍵部位的軸承或更換或修研。由于單螺桿壓縮機的傳動鏈與高精度蝸桿母機相同，維修這些單螺桿專機就相當于維修高精度蝸桿母機，從而可為研制高精度單螺桿專用加工機床提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

國內(nèi)的高精度蝸桿母機的分度副沒有消除間隙的措施，加工蝸桿蝸輪時，刀具在分度副的間隙范圍內(nèi)擺動，我們研制的母機將設(shè)置阻尼裝置機構(gòu)來消除間隙。加工蝸桿時，由于采用了沿母線進給的切削方式，機床有阻尼裝置，加上我們先進的裝刀技術(shù)，從技術(shù)上保障了研制蝸桿精度優(yōu)于國內(nèi)機床廠同類技術(shù)產(chǎn)品；加工蝸輪時，如前所述，飛刀只是近似的粗加工，要加工出優(yōu)質(zhì)的蝸輪需要采用剃齒刀或珩底等工藝。

5　高精度直廓環(huán)面蝸桿副加工方法創(chuàng)新點

（1）平行對刀、分段多刀切削。通過研究目前采用的“傾斜刀對刀”加工方法的缺點，提出了“平行對刀”技術(shù)，由于目前技術(shù)對蝸輪的加工僅只用了飛刀這種近似的粗加工工藝，齒形誤差較大。該誤差不僅影響傳動精度，也妨礙裝配時蝸桿進入正確位置。加工蝸桿時，采取分段多刀切削，而非采用通常的全齒高一刀切方法，優(yōu)點在于減小了切削力，模數(shù)越大切削力減小的越多，同時轉(zhuǎn)臺消除了分度副間隙，切削精度高。

（2）在測量儀器監(jiān)測下剃削。把加工和嚙合檢測結(jié)合在一起。通常工藝中蝸輪蝸桿誤差是機床誤差的數(shù)倍，本項目由于采用在儀器監(jiān)測下進行剃齒工藝，齒距誤差取決于特制檢測儀的精度，而不依賴于機床傳動鏈的精度，他們相互嚙合時，傳動誤差與機床誤差非常接近。這種在測量儀器監(jiān)測下的剃削過程以及把加工和嚙合檢測結(jié)合在一起的設(shè)計方案，是現(xiàn)有機床廠未采用的技術(shù)，這也是本技術(shù)提升傳動精度的主要創(chuàng)新點。

6　高精度直廓環(huán)面蝸桿副的加工方法優(yōu)點

（1）解決了蝸桿與蝸輪只能在同一機床上加工工裝并要經(jīng)常拆換的限定，本技術(shù)可在不同機床上同時加工蝸桿與蝸輪，提高了生產(chǎn)效率；

（2）解決了蝸桿只能在加工時的相對位置安裝的缺點，本技術(shù)可調(diào)頭安裝；

（3）由于采用切削刀具的刀刃方向與嚙合中心線平行的方法加工，解決了因刀具的刀刃方向與嚙合中心線有傾斜，加工誤差受操作者技能水平影響的弊端；

（4）依據(jù)本技術(shù)加工出的直廓環(huán)面蝸桿副精度等級可達到GB10089-88二級水平；

（5）由于加工效率高，工藝簡單，僅需配備精密滾齒機即可生產(chǎn)出高精度直廓環(huán)面蝸桿副，利于產(chǎn)業(yè)化推廣；

（6）可為研制航空、汽車、船舶、礦山等國家重點領(lǐng)域急需的高精度、高效率、高承載力的齒輪機床、螺紋機床、高檔加工中心、單螺桿專用加工機床等機械裝備提供高精度直廓環(huán)面蝸桿副，打破國外對我國實施的核心技術(shù)封鎖和高檔機床產(chǎn)品禁運，戰(zhàn)略意義重大。

綜上所述，為打破國外對我國實施的高精度單螺桿壓縮機加工機床的禁運，通過研究國內(nèi)領(lǐng)先技術(shù)水平的蝸桿副設(shè)計及制造技術(shù)，采用檢測儀器監(jiān)測下加工的“平行對刀”技術(shù)，解決所存在“刀對刀”工藝技術(shù)不足的技術(shù)難題。采用新技術(shù)研制的高精度直廓環(huán)面蝸桿副（分度圓直徑≥576 mm），其傳動精度等級將達到國家標準二級水平（因國家標準GB/T16848-1997《直廓環(huán)面蝸桿、蝸輪精度》只規(guī)定了最高精度等級6級，本研究成果精度等級參照國家標準GB10089-88《圓柱蝸桿、蝸輪精度》判定），該技術(shù)直廓環(huán)面蝸桿副可應(yīng)用于單螺桿壓縮機專用加工機床，為研制高精度單螺桿壓縮機專用加工機床（分度圓直徑為385 mm）提供了核心技術(shù)支持，同時本技術(shù)的推廣應(yīng)用，可提升我國螺紋機床、齒輪機床及其它高精度機床裝備制造業(yè)技術(shù)水平，為航空、航天、船舶、兵器、汽車等國家戰(zhàn)略性領(lǐng)域基礎(chǔ)核心部件質(zhì)量的提升做出積極貢獻。

［1］查世樑，等.單螺桿壓縮機專用機床［J］.壓縮機技術(shù)，2006，（1）.

［2］章根國.單螺桿壓縮機發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)越性分析［J］.壓縮機技術(shù)，2012，（2）.

Research on the Developing Current Situation for the Processing Machine Tool Worm Pair Special for Single Screw Compressor

ZHANG Gen-guo
（Shenzhen Zhenhua UPPM Ltd.，Shenzhen 518109，China）

Through the research on the domestic and foreign worm pair，the existing technique is understood，absorbed and improved. Hobbing machine is refined into the worm machine with high accuracy，with the technique of shaving monitored by measuring instrument，and then the accuracy of worm pair can achieve a breakthrough.It has solved the technical difficulty of lower accuracy of processing machine tool special for domestic single screw compressor.

single screw compressor；processing machine tool；worm pair

TH455

B

1006-2971（2015）01-0061-04

章根國（1975-），男，安徽人，工程師，任職深圳振華亞普精密機械有限公司副總工程師，研究方向為單螺桿壓縮機工程技術(shù)研究。

2014-09-20