螺桿泵轉(zhuǎn)子型面精密成形磨削技術(shù)分析

黃瑋

（大慶油田裝備制造集團(tuán)力神泵業(yè)公司，黑龍江 大慶 163000）

螺桿泵成型加工過(guò)程當(dāng)中，螺桿誤差和砂輪磨損、安裝角度誤差以及安裝距離息息相關(guān)，對(duì)于以上問(wèn)題深入研究，能夠?qū)ふ衣輻U轉(zhuǎn)子磨削誤差的補(bǔ)償措施，提高其精密成形的磨削效率，為精密磨削技術(shù)應(yīng)用提供支撐。

1 螺桿泵轉(zhuǎn)子測(cè)量原理和誤差測(cè)量方法

1.1 砂輪的磨損特性

螺桿轉(zhuǎn)子的成型磨削階段，轉(zhuǎn)子、砂輪二者之間存在穩(wěn)定接觸線，切削過(guò)程，接觸線會(huì)圍繞螺桿軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將多余的材料切除，形成螺桿型面。因此，如果接觸線發(fā)生變化，就會(huì)造成螺桿的型面產(chǎn)生誤差。在生產(chǎn)過(guò)程，無(wú)論是砂輪的安裝，還是砂輪磨損參數(shù)變化，都會(huì)造成接觸線變化。因此，螺桿轉(zhuǎn)子在磨削階段，要保證砂輪廓形準(zhǔn)確，必須要對(duì)其進(jìn)行修整，按照實(shí)際尺寸調(diào)整砂輪的安裝參數(shù)，重新獲得接觸線。所以螺桿轉(zhuǎn)子磨削加工過(guò)程，砂輪磨損問(wèn)題難以避免，所以對(duì)于其磨損情況和螺桿的廓形誤差之間影響關(guān)系對(duì)于誤差補(bǔ)償措施的尋找具有重要價(jià)值。

（1）氧化鋁砂輪的磨損分析。磨削加工階段，可能受到物理、化學(xué)、機(jī)械等方面相互作用，導(dǎo)致砂輪出現(xiàn)磨損，削弱其磨削能力，砂輪受損以后，應(yīng)用過(guò)程會(huì)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，還會(huì)對(duì)于工件表面造成影響，幾何精度也難以得到保證。具體而言，磨損形式有如下幾種。第一，磨耗磨損，磨削加工階段，由于工件表面和磨粒之間產(chǎn)生摩擦，磨粒、磨削區(qū)會(huì)出現(xiàn)塑性變形、化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致磨粒變鈍，產(chǎn)生磨損小平面。磨粒變鈍數(shù)量越多，磨削力增加越明顯，就會(huì)導(dǎo)致工件外表出現(xiàn)震顫、燒傷等情形。第二，破損磨損，還包括磨粒破碎、脫落兩種形式。磨削加工階段，如果磨粒應(yīng)力高于其本身強(qiáng)度，就會(huì)出現(xiàn)碎片脫落情形。磨粒之間結(jié)合劑如若斷裂，就會(huì)從砂輪的上方脫落。以上情形均可導(dǎo)致空間尺寸精度受影響，然而適度脫落、破碎可將鈍化磨粒更新，具有自銳的功效。第三，堵塞黏附，當(dāng)磨粒經(jīng)過(guò)磨削區(qū)，受到高溫、高壓等情況影響，被磨削材料也會(huì)在磨粒上黏附，磨削階段，工件、黏附物之間重新接，還會(huì)導(dǎo)致磨粒脫落、磨粒破損等情況，如果黏附物粘在砂輪外表，會(huì)導(dǎo)致砂輪的切削作用失去，磨屑堵塞磨粒間隙，導(dǎo)致砂輪磨削出現(xiàn)問(wèn)題。在磨削階段，磨損情況和工件、砂輪材料，磨削條件、磨削液等均相關(guān)。

（2）SG砂輪磨損。SG材料屬于低溫結(jié)合劑，和常規(guī)砂輪相互對(duì)比，其硬度更高，因?yàn)槟チ儆谖⒕ЫY(jié)構(gòu)，存在多個(gè)晶解面，受到外力作用之影響，導(dǎo)致微晶脫落，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)鋒利切削刃，因?yàn)槠淠ハ餍阅軆?yōu)良，所以可以普遍應(yīng)用于儀器、航空、軸承、模具等成型磨削加工。螺桿轉(zhuǎn)子在精密磨削加工過(guò)程，磨削深度在0.02mm以內(nèi)，實(shí)際上利用砂輪（60目）磨粒直徑均尺寸0.255mm，磨削深度、磨粒直徑比在0.078，因此，單獨(dú)磨粒承受剪切力較小。此類(lèi)磨料砂輪磨削性能良好，磨削期間磨粒脫落、斷裂可被忽略，砂輪磨損形式包括磨料磨損、晶體微斷裂，雖然砂輪磨削性能良好，但是廓形精度和螺桿廓形要求不符，成形砂輪需要頻繁修整，降低其磨削效率，因此需要探究誤差原因，尋找補(bǔ)償措施，才能提高精密磨削效率。

1.2 轉(zhuǎn)子精密磨削誤差

為了判斷中心距、安裝角以及砂輪磨損對(duì)于螺桿的廓形誤差產(chǎn)生影響，將砂輪磨損量難以測(cè)量考慮其中。需要對(duì)于砂輪磨損對(duì)于螺桿的廓形誤差影響進(jìn)行深度分析，通過(guò)安裝參數(shù)差異，對(duì)于砂輪磨損螺桿轉(zhuǎn)子展開(kāi)仿真研究。

為了獲取安裝距、螺桿轉(zhuǎn)子之間廓形誤差關(guān)系，可設(shè)定不同的中心距，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，獲得轉(zhuǎn)子的廓形誤差，明確其分布規(guī)律，如果中心距超過(guò)理論值，仿真廓形會(huì)比理論廓形的正誤差大；相反，如果中心距低于理論值，仿真廓形就會(huì)比負(fù)誤差小，同時(shí)，螺桿轉(zhuǎn)子的廓形誤差跟隨中心距誤差逐漸增加，不難看出，轉(zhuǎn)子齒面、齒根存在的誤差有顯著差別。轉(zhuǎn)子廓形底部的圓弧段誤差和中心距誤差相等。

同樣，對(duì)于安裝角度影響廓形誤差規(guī)律進(jìn)行分析，和中心距仿真類(lèi)似，設(shè)置差異化的預(yù)設(shè)角度，結(jié)果顯示，如果安裝角度超過(guò)理論值，側(cè)面的擺線段廓形低于理論負(fù)誤差；如果安裝角度超過(guò)理論值，則螺桿轉(zhuǎn)子廓形誤差就會(huì)隨著角度誤差的增加逐漸增大。安裝角度的誤差恒定，螺旋槽側(cè)面誤差處于穩(wěn)定狀態(tài)。

分析砂輪磨損對(duì)于螺桿轉(zhuǎn)子的廓形誤差產(chǎn)生影響，同樣是設(shè)定磨損值，利用評(píng)估方法進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果顯示，廓形處于根部圓弧段、側(cè)面擺線段的時(shí)候都會(huì)出現(xiàn)廓形誤差問(wèn)題，根部誤差、側(cè)面誤差有顯著差異。根部弧段廓形誤差和砂輪磨損值相等，側(cè)面擺線段廓形誤差超過(guò)砂輪法向的磨損值，隨著轉(zhuǎn)子的半徑增加逐漸減小，然而側(cè)面誤差還是要超過(guò)根部誤差。

實(shí)際磨削加工階段，為確保磨削精度，特別是精磨階段，需要尋找磨削誤差補(bǔ)償方式，調(diào)整安裝參數(shù)，重新展開(kāi)仿真實(shí)驗(yàn)，不斷提高砂輪使用壽命，實(shí)現(xiàn)磨削效率、精度提升之目的。

1.3 螺桿專(zhuān)責(zé)原理及誤差分析

螺桿轉(zhuǎn)子精密成形需要利用高精度檢測(cè)技術(shù)，因此，檢測(cè)精度能夠決定轉(zhuǎn)子的加工精度。因?yàn)槁輻U轉(zhuǎn)子的型線種類(lèi)復(fù)雜，檢測(cè)精度屬于螺桿轉(zhuǎn)子精密制造攔截難點(diǎn)部分。因此，需要對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子的測(cè)量技術(shù)深入研究，有助于螺桿轉(zhuǎn)子的檢測(cè)效率提高，控制檢測(cè)成本，將其加工精度有效提高。

對(duì)于測(cè)量中心的工作原理進(jìn)行分析，由于螺桿轉(zhuǎn)子精密成形加工需要利用高精度檢測(cè)工藝。但是，螺桿轉(zhuǎn)子的線型復(fù)雜，和蝸桿和齒輪這類(lèi)固定型線不同，精密檢測(cè)為螺桿精密制造過(guò)程面臨的難點(diǎn)。因?yàn)?，?dāng)前還沒(méi)有螺桿轉(zhuǎn)子專(zhuān)用測(cè)量?jī)x器，要對(duì)其采取精密測(cè)量，主要是利用齒輪測(cè)量中心完成，還可使用三坐標(biāo)法，對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)展開(kāi)處理，和理論模型對(duì)比，分析螺桿轉(zhuǎn)子的誤差。齒輪測(cè)量中心的組成部分包括測(cè)量軟件、控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)，測(cè)量軟件能夠?qū)ξ仐U、齒輪進(jìn)行測(cè)試，機(jī)械部分包括水平、縱向、豎直等移動(dòng)軸。齒輪測(cè)量中心無(wú)專(zhuān)門(mén)測(cè)量軟件對(duì)于螺桿轉(zhuǎn)子進(jìn)行測(cè)量，這樣螺桿轉(zhuǎn)子測(cè)量難度增加。

實(shí)際上，精密制造環(huán)節(jié)該情況普遍存在，屬于技術(shù)難題。對(duì)此，測(cè)量階段可以將螺旋曲面看作成普通曲面，平掃特定平面。測(cè)量過(guò)程，以測(cè)頭作為中心點(diǎn)的坐標(biāo)，難以獲取螺桿的廓形數(shù)據(jù)，掃描過(guò)程沒(méi)有測(cè)量基準(zhǔn)，因此，對(duì)于獲取數(shù)據(jù)還需進(jìn)行處理。

為確認(rèn)轉(zhuǎn)子誤差項(xiàng)，需要對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，雖然國(guó)家對(duì)于螺桿轉(zhuǎn)子的誤差項(xiàng)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)還未明確，但是，螺桿泵屬于容積式轉(zhuǎn)子泵，主要是利用陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子、多螺桿泵嚙合空間的容積變化輸送液體增壓。如果齒形誤差高于允許值，可能使螺桿泵運(yùn)行出現(xiàn)卡死問(wèn)題，難以正常安裝。同時(shí)，螺桿轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的齒形誤差也會(huì)影響螺桿泵嚙合間隙，對(duì)于其容積效率造成影響。因?yàn)槁輻U轉(zhuǎn)子屬于螺旋曲面，陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒面屬于整個(gè)導(dǎo)程上方為全嚙合狀態(tài)，所以螺桿轉(zhuǎn)子處于徑向截面產(chǎn)生的齒形誤差務(wù)必要嚴(yán)格控制。螺桿轉(zhuǎn)子的螺旋面是端面齒螺旋運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生，陰陽(yáng)螺桿的轉(zhuǎn)子具有全嚙合特點(diǎn)，無(wú)論是齒距誤差，還是導(dǎo)程誤差，都會(huì)導(dǎo)致螺桿轉(zhuǎn)子嚙合不準(zhǔn)，需要對(duì)其誤差嚴(yán)格控制。因此，螺桿轉(zhuǎn)子齒距、導(dǎo)程是節(jié)圓導(dǎo)程角而決定，所以，以上誤差可以借助軸向截面的節(jié)圓處真實(shí)齒距、導(dǎo)程等確認(rèn)，之后對(duì)比理論數(shù)值，從而找到齒距和導(dǎo)程的誤差。

因?yàn)辇X形誤差數(shù)據(jù)可以掃描鏡徑向截面而獲得，所以，導(dǎo)程誤差和齒距誤差同樣可以利用以上方式獲得。然而，廓形掃描不可以直接獲取螺桿三維數(shù)據(jù)，而是要按照螺桿轉(zhuǎn)子的成形原理，處理掃描數(shù)據(jù)，根據(jù)理論模型，對(duì)比加工誤差。

2 螺桿泵轉(zhuǎn)子型面精密成形磨削技術(shù)應(yīng)用

本研究選擇SUG500H型號(hào)的成形磨床展開(kāi)磨削加工，成形參數(shù)如下：安裝直徑最大值500mm，頂間距最大值1250mm，螺旋角最大值±90°，工作臺(tái)的行程最大值900mm，砂輪主軸最高轉(zhuǎn)速32500rpm，砂輪直徑350mm，工件最大重量350kg。利用P26齒輪測(cè)量對(duì)于齒形誤差進(jìn)行測(cè)量，最高測(cè)量的外徑260mm，寬度400mm，測(cè)量精度1μm，頂尖距介于15～600mm之間。在粗糙度測(cè)量方面，選擇對(duì)應(yīng)測(cè)量?jī)x器，儀器為電感傳感器，分辨率16nm，量程1mm，測(cè)量力0.7～1mN。

對(duì)于螺桿轉(zhuǎn)子的廓形誤差展開(kāi)實(shí)際測(cè)量，選擇中陽(yáng)轉(zhuǎn)子作為測(cè)量對(duì)象，并利用成型磨床展開(kāi)磨削加工，結(jié)果顯示齒根圓弧段的最低曲率半徑即為齒根的圓弧半徑。因?yàn)辇X根、齒面的側(cè)面過(guò)渡位置長(zhǎng)度0.26421mm，所以選用測(cè)頭半徑0.5mm。具體測(cè)量環(huán)節(jié)，還需對(duì)于螺桿的特定截面展開(kāi)掃描，通過(guò)P26齒輪的測(cè)量中心，掃描螺桿轉(zhuǎn)子的截面。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)展開(kāi)分析，發(fā)現(xiàn)齒根圓弧的誤差值在0.5mm區(qū)域處于穩(wěn)定狀態(tài)，螺桿齒面的誤差呈不均勻狀態(tài)分布，通過(guò)誤差補(bǔ)償方法的應(yīng)用，對(duì)于測(cè)頭半徑進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償以后平均誤差0.0051mm，誤差最大值0.013mm，齒根圓弧誤差能夠達(dá)到公差要求，齒面誤差區(qū)域超過(guò)0.01mm，根據(jù)誤差結(jié)果，分析可能為砂輪的安裝角度存在問(wèn)題。

為了驗(yàn)證誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟ\(yùn)用是否合理，選擇對(duì)比實(shí)驗(yàn)，先標(biāo)定砂輪的磨損，獲取磨損量數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)尿?yàn)證。試驗(yàn)過(guò)程，先利用砂輪對(duì)于2根螺桿和4個(gè)螺旋槽進(jìn)行連續(xù)磨削，按照廓形誤差對(duì)于砂輪磨損量反推。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程，隨著時(shí)間推移，轉(zhuǎn)子的廓形誤差逐漸增加，因?yàn)檗D(zhuǎn)子在精密磨削階段背吃刀量相對(duì)較小，從而產(chǎn)生磨削力也相對(duì)較小，所以研究過(guò)程可忽略砂輪、機(jī)床受力變形情況，認(rèn)定螺桿廓形的誤差是砂輪磨損導(dǎo)致。且砂輪磨損、磨削時(shí)間二者并非所屬完全線性關(guān)系，當(dāng)磨削時(shí)間增加的時(shí)候，砂輪的磨損速度也會(huì)加快，螺桿的廓形誤差產(chǎn)生的波動(dòng)范圍也逐漸擴(kuò)大。

螺桿轉(zhuǎn)子誤差最大處是齒面、齒根的過(guò)渡處，原因是砂輪尖銳處磨損更為嚴(yán)重。根據(jù)螺桿的廓形誤差，選擇補(bǔ)償方法，設(shè)定補(bǔ)償參數(shù)。如若砂輪的磨損量達(dá)0.013mm的時(shí)候，由于磨損產(chǎn)生的廓形誤差，可經(jīng)過(guò)參數(shù)調(diào)整使其降低，在±0.01mm以內(nèi)，調(diào)整安裝參數(shù)以后，還可將砂輪每次休整磨削時(shí)間提高約1倍左右，利于螺桿轉(zhuǎn)子磨削成本控制。

驗(yàn)證螺桿轉(zhuǎn)子的磨削加工粗糙程度，螺桿轉(zhuǎn)子磨削成型階段，轉(zhuǎn)子、砂輪處于不同接觸點(diǎn)，磨削深度、速度各有不同，實(shí)驗(yàn)過(guò)程選擇不同點(diǎn)對(duì)其粗糙度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示，如果磨削深度在5μm，處于此磨削深度以下，工件、磨粒主要以摩擦、滑移等為主，測(cè)量點(diǎn)部分誤差不超過(guò)10%，個(gè)別位置誤差介于10%～15%之間，精度較高。磨削深度在2μm時(shí)，相對(duì)誤差可達(dá)到40%，主要原因是磨削深度減小，滑移被摩擦取代。磨削參數(shù)不同時(shí)，磨削厚度、工件速度以及砂輪速度處于穩(wěn)定數(shù)值情，證明磨削深度減小，使得磨削逐漸從滑移轉(zhuǎn)向摩擦。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上分析，針對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子的精密磨削技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行分析，根據(jù)切削加工原理，分析影響切削精度的主要原因，并提出誤差補(bǔ)償方法的運(yùn)用，重點(diǎn)論述砂輪安裝過(guò)程中心距、磨損以及安裝角等因素對(duì)于螺桿廓形的誤差產(chǎn)生的影響，明確以上影響之間的關(guān)系，通過(guò)參數(shù)調(diào)整方法對(duì)于砂輪磨損導(dǎo)致廓形誤差進(jìn)行控制，從而將成形過(guò)程的磨削效率有效提高創(chuàng)造滑移磨削環(huán)境，預(yù)測(cè)粗糙度，獲得磨削用量、切削厚度存在關(guān)系，獎(jiǎng)勵(lì)預(yù)測(cè)模型，將螺桿轉(zhuǎn)子精密磨削過(guò)程粗糙度預(yù)測(cè)困難問(wèn)題解決，有助于成形磨削技術(shù)的優(yōu)化。