压缩机单螺杆专用加工机床介绍

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上个世纪70年代北京第一通用机械厂首次从国外引进设备和技术开始研制单螺杆压缩机。由于单螺杆压缩机具有寿命长、效率高、运转噪音低、体积小等一系列优点，并广泛应用于机械、船舶、石油、化工、轻纺等行业。因此从上个世纪90年代起国内许多企业都在制造生产单螺杆压缩机。
单螺杆压缩机由两个星轮和一个螺杆组成，其中每个星轮有11齿，螺杆有6个槽。工作时由螺杆带动星轮转动，螺杆和星轮的转速比为11∶6，由于螺杆和星轮的齿形轮廓复杂，目前只有使用专用机床或者使用五座标数控机床才能加工。
9 [' D  A1 e9 g+ i! S. L3 t0 o早期星轮是使用专用机床加工出来的，目前星轮零件国内已有直接压铸成型的零件出售，已不在需要机床加工星轮。
使用五座标数控机床虽可以加工螺杆，但数控机床价格昂贵、编程复杂，目前国内使用的厂家很少。但可以肯定使用多轴数控机床铣削、磨削的加工方式是今后的发展方向。
" ]# }4 F( S, j本文介绍的机床是指为加工单螺杆特殊设计的专用机床。由于单螺杆专用机床的定比传动机构，差动、旋转进给机构已被许多厂家广泛应用，所采用的技术和结构大致相同。本文仅从下面几个方面介绍国内现有单螺杆专用机床布局和结构的不同之处。
% Y4 O% R1 u8 e2 j+ i5 H9 q) L一、介绍机床的布局
压缩机排气量的大小决定了星轮、螺杆直径的大小和啮合中心距的大小，因此螺杆直径的不同，机床的主轴与刀具的回转中心也不同。为满足加工不同直径的螺杆，目前国内单螺杆加工机床的布局大致有以下几种方案。
第一种：机床的主轴与刀具回转中心的中心距为固定式
7 H  J( L8 C0 Q1 F6 a5 b机床的主轴与刀具回转中心的中心距为固定式，中心距不可调整。加工几种直径的螺杆就需要几种中心距规格不同的机床。
优点：机床的结构简单。
缺点：每种机床只能加工一种规格的螺杆，当市场上某种规格的压缩机螺杆需要量大时，造成一台机床加工，其他机床闲置。
  i8 u( a( {) d  m第二种：机床的主轴箱为可回转式
机床可根据加工螺杆直径的大小在加工前把主轴箱旋转一个角度。这种主轴箱能够回转的机床是对上述第一种机床在使用方法上的改进，与第一种机床的结构基本相同。
; z; g# I3 n+ r& J  Z" T) i* H优点：机床的结构简单，能适应多种规格螺杆的加工。
4 B( x/ F5 X( f3 P缺点1：主轴箱旋转后主轴回转中心线与刀具回转中心线间的距离不易精确测量。
缺点2：主轴箱旋转后主轴前端面与刀具的回转中心线间的距离减少，因此加工较大直径的螺杆受到限制。
6 y( X2 i( B: J! @& c4 r第三种：机床的主轴箱为横向移动式
6 ?. f5 \9 `* q主轴箱底部与底座之间布置有矩形滑动导轨，主轴箱移动的方向垂直于主轴回转中心线并垂直于刀具回转中心线。主轴箱的动力通过花键轴传给底座内的刀具进给机构。
根据加工螺杆直径的大小，在加工前用手轮丝杠进给机构把主轴箱移动到适当位置，然后用螺钉将主轴箱固定在底座上。主轴箱的移动距离可用光栅尺检测，位置误差±0.005mm。
# p' }  S* F0 p3 O, Z采用主轴箱可横向移动的一个机床就可以加工直径φ95～φ385mm之间任何一种规格的螺杆。
由于加工φ95～φ385mm直径的螺杆，造成主轴前端面与刀具回转中心线间的距离差值过大，因此在实际应用时设计成两种规格的机床，一个机床加工φ95～φ205mm直径的螺杆，另一个机床加工φ180～φ385mm直径的螺杆。
优点：机床能适应多种规格螺杆的加工，每种规格的螺杆不需要配备相应的加工机床。
缺点：机床的结构和机床的装配较前二种机床复杂，机床的造价也较前二种机床高。
二、介绍机床的主轴结构
机床主轴箱的水平主轴和底座上的立式的主轴精度的高低决定了被加工螺杆的精度，同时螺杆在压缩机中以几千转的速度高速旋转时，精度较差的螺杆会使压缩机产生发热、振动、效率低、磨损快等现象。
" I4 Z' ~8 P! S1 {9 l, ]/ C; Z' F国内目前现有的单螺杆加工机床主轴结构大致有以下两种方案。
第一种：轴承径向游隙不可调的主轴结构
主轴前轴承采用1个双列圆柱滚子轴承和两个推力球轴承组合，该主轴使用双列圆柱滚子轴承承受径向切削力，使用两个推力球轴承承受轴向切削力。
+ F& O: J+ F: _* U. u主轴后轴承一般采用1个双列圆柱滚子轴承或采用1个向心球轴承。
3 {" ^; e; D; _; O3 D; l/ {" p这种主轴结构的优点：主轴的加工和装配简单，造价较低。
, o/ i2 p5 Z) ^缺点1：由于主轴轴承的径向游隙不可调整，所以主轴精度较差。虽然可以利用轴承的内径和轴径的过盈配合来消除轴承的径向游隙，但每个轴承的内径和径向游隙不是一个固定值，因此设计和加工时很难给准轴径与轴承内径的配合公差。
缺点2：在市场上很难买到国产或进口的C、D级或P4、P5级的推力球轴承，机床生产厂常用普通级轴承替代使用，此举也影响了主轴精度的提高。
轴承径向游隙不可调的主轴结构适用于一般精度的普通机床，不适用于对主轴精度要求较高的机床。
第二种：轴承径向游隙可调的主轴结构
# B" ~8 B0 x- g% L- Z$ Y主轴前轴承采用一个P4级圆锥孔的双列圆柱滚子轴承和1个P4级的双列向心推力球轴承组合。该主轴使用圆锥孔的双列圆柱滚子轴承承受径向切削力，使用双列向心推力球轴承承受轴向切削力和部分径向切削力。
主轴后轴承一般采用1个P5级圆锥孔的双列圆柱滚子轴承。
* A1 A) t, F* B! d% o圆锥孔双列圆柱滚子轴承的内圈和配合轴径均为1：12圆锥，用圆螺母锁紧轴承则使轴承在轴向产生一个位移并使轴承的内圈膨胀，从而达到减少或消除轴承径向游隙的目的。
9 T4 W8 r! k0 I* R这种主轴结构的优点：主轴精度较高。在主轴前端面φ230mm直径上测量主轴的端面跳动值为0.010mm。在主轴前端φ230mm外圆上测量主轴的径向跳动值为0.005mm。第二种结构的主轴精度比第一种主轴精度提高50%左右。
这种主轴结构的缺点：
主轴的加工工艺较复杂，主轴的装配也需要有经验的工人操作才能使主轴精度达到理想数值。
. }' H. v) ]5 `9 _# v三、刀具进给深度的控制
不同直径的螺杆需要加工螺旋槽的深度也不同，螺旋槽的深度从几十毫米到一百多毫米不等，刀具进给机构大约需要旋转进刀几千圈才能完成一个螺杆零件的加工。
% f9 x3 X9 H( w! @, I' h8 m由于刀具进给机构在刀具旋转的同时还要完成进刀动作，所以一些在普通机床上常用的机械、电气控制切深的方法都不适用于单螺杆加工机床。
单螺杆加工机床的刀具进给机构采用以下不同的方法都可以达到控制进刀深度的目的。
第一种：摩擦离合器和电气开关控制刀具进给深度
它的控制原理是刀具切深增大时刀具进给机构的负载扭距增大，使刀具进给机构传动链中的摩擦离合器打滑，一个机械连杆机构触发电气开关并发出声、光信号提示操作者，此时操作者人工操作断开刀具进给机构的动力。
& \8 R9 t: H) A1 t; f" c这种控制方法的优点是：控制方法简单及零件加工和操作不受突然断电的影响。
缺点是：加工不同直径的螺杆需要调整摩擦离合器压紧碟簧的预紧力。
由于每个螺杆材质的密度、硬度存在细微差异及刀具锋利程度也存在差异，因此使这种控制方法的精度不太准确，可能导致螺杆螺旋槽的深度公差过大。
  ~& o- e0 a+ c1 M, g第二种：用电磁离合器、编码器组合控制刀具进给深度
9 \+ S5 L! S' Y刀具进给系统中，装有电磁离合器及一对用于检测刀具转动圈数的测速齿轮和一个编码器。
它的控制原理是刀具刚接触螺杆表面时手工启动编码器记数开关，记数装置则开始记数，当刀具旋转到事先设定的圈数时也就是达到切削深度时，电磁离合器自动断开刀具进给的动力并发出声、光信号提示操作者零件已加工完毕。
: N0 F, F0 Y$ ~) l该检测装置通过数显表显示进给圈数或进给量。电磁离合器脱开后，刀具只随立轴旋转并无进给运动。
* B+ b& j" F% p! e5 g这种控制方法的优点是：螺杆螺旋槽的深度公差控制较准确，由于有数显表显示要加工的深度或圈数和已加工的深度或圈数，在操作上也很直观和方便。
" |4 K. Q1 |. G, K' l& I缺点是：机床的电气控制较复杂同时这种控制方法在零件加工时如果厂区突然断电，事先设定的数据会丢失。
9 D& p8 @9 u& r( C如果在电气控制中加入蓄电池，使之在断电维初期维持检测装置的工作，上述问题就可以得到解决。
: p; G# @: e$ l$ L四、齿轮传动间隙的控制
单螺杆加工机床在加工螺杆时，由于螺旋槽是在刀具旋转和工件旋转的合成作用下完成加工的。在刚切入工件时刀具在旋转的切向方向上受到的走刀抗力较大，刀具在将要切出工件时在螺旋槽的作用下，刀具在旋转的切向方向上受到的走刀抗较小，甚至是受到工件螺旋槽的推力。
2 {, a; r  ]9 }2 B1 ^由于存在着机床箱体孔加工、齿轮加工等各种误差，刀具旋转轴的传动间隙过大，俗称旷量大。
检测传动间隙过大的方法是将动力输入轴固定并左右旋转晃动输出轴，如果是用常规的传动结构设计制造机床，输出轴的传动间隙摆角在十几度到几十度。传动间隙过大造成螺杆的螺旋槽加工表面有明显的接刀痕，从而影响了螺杆的加工精度。
8 z' U0 s5 c2 G6 o, m机床在装配完成后刀具旋转轴的传动间隙过大，实际上是齿轮受各种误差的影响，造成齿轮侧隙的过大。
机床机械传动中的齿轮加工不管是采用几级精度的，设计者考虑到齿轮的制造误差、箱体中心距加工误差、温度变化、润滑油膜厚度、装配误差等因素，机床传动设计必须保证齿轮传动留有一定的侧隙，侧隙的大小决定了齿轮齿厚公差的大小。
8 }+ h  N/ j( |1 \单螺杆加工机床的主传动结构有区别于其他机床的特殊性。为减小或得到合理的传动间隙目前单螺杆加工机床常采用以下两种办法。
  b# ~) X8 [6 u2 ^, @第一种：在输出轴上安装抱闸
% g2 d( |; K5 k" I. [( |在刀具旋转输出轴外圆径向对称位置装有抱闸，抱闸前端顶住刀具旋转输出轴的外圆，抱闸为弹簧预紧。
. y3 x8 K4 {' [抱闸的工作原理是靠抱闸产生的摩擦力来增大输出轴阻尼，降低轴的旋转灵敏度。
优点是：抱闸结构简单并且不改变原有机床结构，这种方法间接地达到了减少传动间隙的目的，在实际应用中有一定的效果。
- I4 W5 K( z% _5 [缺点1：弹簧预紧的抱闸由于对刀具输出轴外圆施加了较大径向力，实际上增大了机床的负载扭距，造成电机功率增大，同时齿轮、轴承磨损加快。
7 ^9 Q: S. K7 r; z# y/ l# x# \/ ^缺点2：弹簧预紧的抱闸由于对刀具输出轴外圆施加了较大径向力可能对刀具输出轴的几何精度造成负面影响。
第二种：双齿轮传动
把主传动中所有主动齿轮的齿宽增加1/3～1/2。把所有被动齿轮做成两层结构，一层齿轮是原有齿轮，另一层是用来减少传动间隙的齿轮，它的齿宽约是原有齿轮齿宽的1/3～1/2。用数个螺钉将两个齿轮毛坯安装在一起并拧死在再制齿。
制齿后将齿轮装在机床传动轴上，松开齿轮固定螺钉，将约1/3～1/2齿宽的齿轮朝着该齿轮旋转运动相反的方向转动齿轮，转动角度的大小以齿轮长期工作、最大温升时齿轮侧隙大于零。
双齿轮传动的工作原理是用双齿轮中较宽的齿轮传递动力，较窄的齿轮起到减少传动间隙的作用。沿着轴心线看调整后的两层齿轮的齿形有微量错位。
结构优点：根据齿轮的实际制造误差、箱体中心距实际加工误差、等因素，调整齿轮的传动间隙使之在一个合理的范围之内，与抱闸结构相比更合理、适用。
结构缺点：由于齿轮齿宽增加，传动轴的轴向尺寸加大，并且箱体上还要留有齿轮调整用的窗口，这种方法只适用于新设计的机床并且增加了机床的制造成本。
3 @& w; W5 \9 x6 a+ P5 ]" x9 A; I8 M/ Z1 P结论：本文从四个方面介绍了国内现有单螺杆加工机床的布局和结构，并把优缺点一一列举出来，由于压缩机生产厂的单螺杆加工机床和机床资料对外保密，以上介绍难免有片面、不妥之处，因此仅供单螺杆压缩机生产厂参考。
5 u9 y9 Q0 @; j# p  Y) r文章关键词：