单螺杆压缩机星轮加工用特种滚刀的设计

魔神

    

　　1引言

　　用螺杆式压缩机取代活塞式压缩机是动力用空气压缩机发展的必然趋势。螺杆式压缩机分为双螺杆和单螺杆两种。双螺杆压缩机的一对转子实质上是一对斜齿轮，属于平面啮合，其齿形目前主要依靠引进，用于转子精加工的数控磨床则完全依赖进口。由于目前国产双螺杆空压机的性能与国外有一定差距，因此进口双螺杆压缩机占据了国内市场的主导地位，不仅价格昂贵，维修与配件供应也不及时，这种状况将会对国民经济的安全产生不利影响。

　　螺杆式压缩机在国防军上、空凋制冷等领域应用广泛。如海军对空压机的技术性能有着严格要求：潜艇要用高压空气将水排出后才能浮出水面，而潜艇噪声大则易被敌方声纳捕捉，因此要求压缩机具有振动小、噪声低、可靠性好、节能等优点。美国海军在对现有的各类空压机进行了严格的论证后认为单螺杆压缩机由于具有上述优点，完全可满足潜艇对高性能压缩机的要求。但单螺杆压缩机转子为空间啮合副，其啮合理论的研究及加工技术的开发比双螺杆压缩机更困难，目前国外仅日、美等少数国家在引进法国专利后可以生产，主要用于空气压缩机、空调压缩机和工艺压缩机等。单螺杆压缩机是我国至今唯一未能引进的高档压缩机种。我国从上世纪70年代开始对单螺杆压缩机的研制进行攻关，研制工作得到了原国家科委、国防科工委及相关部、省的支持，取得了一定进展，但尚未解决高精度专用机床与星轮加工等关键技术，开发的单螺杆压缩机在寿命和能耗等方面尚须进一步改进。

　　2星轮的齿形

　　单螺杆压缩机中由有6个齿槽的螺杆(蜗杆)与有11个齿的星轮(蜗轮)所构成的啮合副实质上是一对特殊的高精度环面蜗杆副。它的特殊之处在于：螺杆的外形不是环面而是圆柱面(或者说螺杆的外形与普通圆柱蜗杆相同，而其齿形与环面蜗杆相同)。

　　传统齿形由于环面蜗杆副工作时，蜗轮的一个齿上有两条接触线(一条在母面或母线上，另一条在二次包络面上)，因此研究人员普遍认为单螺杆压缩机的啮合副也是双线接触。新齿形20年前(大约比国外早10年)，笔者发现星轮的一个齿上同时有三条接触线，星轮的齿面由母面(或母线)3、二次包络面4、特形面5三部分组成(见图1)。特形面亦称第三工作区。第三工作区的出现使星轮的有效下作齿面面积扩大了5倍，星轮的寿命也因此延长数倍。笔者将这种新发现的齿形称作星轮的“新齿形”。

 

　　w1——星轮角速度；w2——螺杆角速度；1.星轮2.螺杆3.母线4.二次包络面5.第二工作区图1

　　3星轮滚刀的设计

　　星轮的这种新齿形在提高啮合副的密封性能与工作寿命方面的优势是非常明显的，但是还必须解决它的加工技术。用常规设计的滚刀加工这种新齿形时会产生以下问题:①滚刀刀刃的合理前角从头到尾应有近30°的变化，然而在既深又窄的刀槽里，刃磨这样的前刀面是难以实现的;②滚刀重磨后所加工星轮的齿形与齿宽都将发生不允许的变化;③铲磨工序的精度难以保证。为了解决单螺杆压缩机星轮新齿形的加工问题，笔者研制了一种特殊滚刀。

　　短滚刀结构当用假想的滚刀滚切星轮并计算每一个刀刃的切削余量时，发现滚刀左端刀刃的切削余量仅数微米。如果将滚刀的左端去掉，由此所产生的齿形误差将很小。因此设计时将滚刀截短，这种短滚刀结构不仅降低了滚刀的制造难度，而且降低了切削力。滚刀片的设计将截短的滚刀分成四段，其主要好处是:①将原来在窄缝中难以刃磨的刀刃变成在敞开的端面上的刀刃，极大地方便了刀片的刃磨和检测;②可以方便地利用6头滚刀的特点，把刀刃缩短为原长的1/6,不仅大大降低了切削力、保证了切削过程的平稳，而且将原来前角近30°的变化减为5°～6°，因此可以在保证加工效果的前提下合理选用不变的前角，显著降低了滚刀的制造难度；③刀片重磨后，可用修磨端面或在端面间加垫片的方法保持刀片在刀体中的正确位置，因此实现滚刀的多次重磨。

　　4实用效果

　　用设计的短滚刀进行实切试验，结果证明:滚切过程平稳、顺利，加工的星轮安装后啮合间隙符合设计要求，齿面接触斑点分布均匀，接触面积大于90%。实测排量比国际先进水平高1%以上。在此基础上，将星轮的齿宽由原来的左、右半齿相等改为不等齿宽，发明了“节能长寿单螺杆压缩机”。节能长寿单螺杆压缩机通过应用这种特殊滚刀加工的非等宽齿星轮，其性能与国际先进水平相比，能耗降低0.5kw/m3·min-1，容积效率提高5%以上，星轮寿命提高10%以上，其产业化上作得到了科技部中小企业科技创新基金的支持，产品的性能与技术水平受到了科技部多位院士的高度评价与用户的欢迎。目前该产品已系列化并投人批量牛产，产品每年可节电数亿度。

　　5结语

　　与国外用仿形铣加工后再用螺杆砂轮磨齿的星轮加工工艺相比，星轮滚切工艺具有效率高、成本低的优势。目前正力精机作为国内唯一掌握这种特殊滚刀设计与制造技术的企业，正为进一步扩大我国在单螺杆压缩机的基础研究、工艺技术及其工艺装备等方面的优势做出新的努力。