趙永強(qiáng) 侯紅玲 李志峰 周 斌 田廣利

(①陜西理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中723003;②陜西漢江機(jī)床有限公司，陜西漢中723003)

雙螺桿壓縮機(jī)發(fā)明于20 世紀(jì)30 年代，經(jīng)過持續(xù)的基礎(chǔ)理論研究、產(chǎn)品開發(fā)試驗(yàn)、對(duì)轉(zhuǎn)子型線的不斷改進(jìn)和專用轉(zhuǎn)子加工設(shè)備的成功開發(fā)，雙螺桿壓縮機(jī)的優(yōu)越性得到了不斷的發(fā)揮，被廣泛應(yīng)用于礦山、化工、動(dòng)力、冶金、建筑、機(jī)械、制冷等工業(yè)部門［1］。在寬廣的容量和工況范圍內(nèi)，逐步取代了其他種類的壓縮機(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，雙螺桿壓縮機(jī)的銷售量已占所有容積式壓縮機(jī)銷售量的80%以上，在所有正在運(yùn)行的容積式壓縮機(jī)中，有50%是螺桿壓縮機(jī)。今后螺桿壓縮機(jī)的市場(chǎng)份額仍將不斷擴(kuò)大，特別是無油螺桿空氣壓縮機(jī)和各類螺桿工藝壓縮機(jī)，會(huì)獲得更快的發(fā)展［2-6］。

螺桿壓縮機(jī)生產(chǎn)中的關(guān)鍵是高精度螺桿轉(zhuǎn)子的加工，螺桿轉(zhuǎn)子的精密加工是保證螺桿壓縮機(jī)壓氣效率的關(guān)鍵。為了提高砂輪的修型效率和磨床的加工效率，降低磨削操作對(duì)操作工人經(jīng)驗(yàn)的要求，實(shí)現(xiàn)螺桿轉(zhuǎn)子的精密磨削，設(shè)計(jì)、開發(fā)新型的數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨削機(jī)床，采用CNC 砂輪修整技術(shù)是一條必由之路。2010年，陜西漢江機(jī)床有限公司成功開發(fā)了國內(nèi)首臺(tái)套螺桿轉(zhuǎn)子數(shù)控磨床SK7032，為全面提升螺桿轉(zhuǎn)子磨削加工技術(shù)水平和國產(chǎn)化機(jī)床加工能力提供可靠保障。

作為國內(nèi)首臺(tái)國產(chǎn)化螺桿轉(zhuǎn)子磨削加工機(jī)床的SK7032，對(duì)于螺桿轉(zhuǎn)子的磨削仍然采用目前比較成熟的螺紋磨削加工工藝，即根據(jù)螺桿轉(zhuǎn)子的型線設(shè)計(jì)計(jì)算出砂輪的理論廓形，利用CNC 砂輪修整器精確修型砂輪，用精確修型的砂輪磨削螺桿轉(zhuǎn)子，砂輪磨損后重新修型，砂輪修型之后再次磨削螺桿轉(zhuǎn)子，直至達(dá)到螺桿轉(zhuǎn)子的最終型面［8-9］。

但是，將砂輪修型和螺桿轉(zhuǎn)子磨削分開進(jìn)行的操作模式，無法建立砂輪廓形和螺桿轉(zhuǎn)子磨削之間的聯(lián)系，同時(shí)對(duì)于還不具備在線檢測(cè)功能的SK7032 很難判斷螺桿轉(zhuǎn)子磨削是否達(dá)到最終磨削表面。本文將以螺紋磨削理論為依據(jù)，以數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床為原型，以砂輪直徑的變化量作為關(guān)聯(lián)尺寸，建立了螺桿轉(zhuǎn)子磨削和砂輪修型的復(fù)合工藝尺寸鏈。為砂輪的自動(dòng)修型和螺桿轉(zhuǎn)子的自動(dòng)化磨削提供依據(jù)。

1 螺桿轉(zhuǎn)子的磨削原理

雙螺桿壓縮機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)子作為一種典型的等升距螺紋回轉(zhuǎn)件，與蝸桿、絲杠、螺桿等零件的磨削加工相似。螺紋件加工時(shí)，必須使回轉(zhuǎn)刀具的軸線和螺紋回轉(zhuǎn)零件的軸線之間滿足如圖1 的空間位置關(guān)系［11］。圖1 中砂輪的軸線和工件軸線空間交錯(cuò)，偏移距離a，空間交錯(cuò)角Σ。偏移距a和交錯(cuò)角Σ 成為螺紋磨削中兩個(gè)重要參數(shù)，這兩個(gè)數(shù)值的變化直接影響到砂輪的廓形和所磨削的螺桿轉(zhuǎn)子的廓形［12］。

圖1 螺紋磨削的模型

2 砂輪的CNC 修型原理及結(jié)構(gòu)

螺桿轉(zhuǎn)子磨床砂輪CNC 修型結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2 所示［13-17］。在實(shí)際工作中，砂輪由專用的伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，砂輪修整器的安裝底座8 與砂輪頭架為一體。砂輪修整器的金剛盤由電動(dòng)機(jī)4 驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)修整輪的主運(yùn)動(dòng)，兩者裝在與砂輪軸線相垂直的導(dǎo)軌上，在電動(dòng)機(jī)9 的驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)絲杠5 傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)金剛輪沿砂輪徑向進(jìn)給。修整金剛輪連同徑向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置(電動(dòng)機(jī)9、絲杠5 和豎直運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌等)在電動(dòng)機(jī)7 的驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)絲杠6 傳動(dòng)，沿著與砂輪軸線平行的導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)修整輪沿砂輪寬度方向的進(jìn)給。通過以上兩個(gè)相互垂直的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，可以完成砂輪的修型。

3 螺桿轉(zhuǎn)子修型工藝設(shè)計(jì)

3.1 修型空間坐標(biāo)系定義

螺桿轉(zhuǎn)子數(shù)控精密磨削的空間坐標(biāo)系如圖3 所示，其中VQW是金剛輪坐標(biāo)系，OXYZ是螺桿轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系，O'X'Y'Z'是砂輪坐標(biāo)系。在VQW坐標(biāo)系中，兩個(gè)金剛輪大端面相向，以+V坐標(biāo)軸對(duì)稱，兩金剛輪的軸線與+W軸同軸。在OXYZ坐標(biāo)系中，螺桿轉(zhuǎn)子的軸線為+X軸，螺桿轉(zhuǎn)子的齒槽中心截面位于YOZ平面中。在O'X'Y'Z'砂輪坐標(biāo)系中，砂輪的兩端平面相對(duì)X'O'Y'平面對(duì)稱，+X'軸為砂輪軸線。在VOW金剛輪坐標(biāo)系與O'X'Y'Z'砂輪坐標(biāo)系中，金剛輪軸線+W和砂輪軸線+X'平行，兩者之間保持一定的距離。在O'X'Y'Z'砂輪坐標(biāo)系和OXYZ螺桿轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中，螺桿轉(zhuǎn)子軸線+X和砂輪軸線+X'成空間交錯(cuò)的異面直線，兩軸線之間的夾角為Σ，距離為a。

圖2 CNC 砂輪修整器結(jié)構(gòu)原理

圖3 螺桿轉(zhuǎn)子磨削空間坐標(biāo)系

數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床的數(shù)控系統(tǒng)中的5 個(gè)運(yùn)動(dòng)控制通道依次為A、B、C、D和E;A通道控制磨床工作臺(tái)面沿X的進(jìn)給運(yùn)動(dòng);B通道控制砂輪頭架沿Y'方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng);C通道控制螺桿轉(zhuǎn)子繞X軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);D通道控制金剛輪沿W向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng);E通道控制金剛輪沿V向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。這樣只有W和V方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)砂輪的修型。當(dāng)有砂輪架沿Y'向的進(jìn)給、工作臺(tái)面帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)子沿X向進(jìn)給和螺桿轉(zhuǎn)子繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)螺桿轉(zhuǎn)子的磨削。在具體操作時(shí)，砂輪的修型和螺桿轉(zhuǎn)子的磨削分開進(jìn)行，即在磨削的間隙對(duì)砂輪修型，修型完成后進(jìn)行磨削。

3.2 CNC 砂輪的修型過程

砂輪修整是用金剛筆或者金剛石將磨削過的、有脫落不平的和夾雜有金屬磨粒的砂輪表面去掉一層，露出砂輪內(nèi)部的新表面。砂輪修型是砂輪修整的一種特殊方式，修型不但要使砂輪露出新表面，而且使砂輪的輪廓保持一種精確的特殊的幾何型線，即讓砂輪成為一種成形砂輪，成形砂輪的精度決定了最終所磨削的工件的尺寸精度和形狀精度。

圖4 CNC 砂輪修型模型

螺桿轉(zhuǎn)子磨床的CNC 砂輪修整器的坐標(biāo)系和相關(guān)尺寸定義如圖4 所示。砂輪修整器的金剛輪軸線始終和砂輪軸線相互平行，砂輪修型時(shí)金剛輪沿V和W兩個(gè)方向進(jìn)給，兩個(gè)方向的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)砂輪復(fù)雜廓形的修整。每次對(duì)砂輪的修型會(huì)使砂輪的外廓直徑變小，即金剛輪軸線和砂輪軸線之間的距離變小。直徑變小后的砂輪廓形必須使用新的砂輪修型程序重新進(jìn)行修型，在砂輪修整過程中，對(duì)于砂輪廓形的計(jì)算依據(jù)砂輪和工件之間的距離。

3.3 砂輪修型工藝尺寸鏈的建立

應(yīng)用螺桿轉(zhuǎn)子磨床的CNC 砂輪修整器進(jìn)行砂輪修型時(shí)，砂輪的修型工藝尺寸鏈組成如圖5 所示。在圖5 中，1 是采用金剛輪的最大輪緣直徑代表金剛輪，5 是采用砂輪的最大輪緣直徑代表砂輪。y'oz'位置是砂輪坐標(biāo)系的零位，y'o1z'位置是采用砂輪進(jìn)行螺桿轉(zhuǎn)子的磨削位置。VQW位置是金剛輪坐標(biāo)系的零位，VQ'W是金剛輪進(jìn)給至砂輪的修型位置。

圖5 砂輪修型工藝尺寸鏈組成

在砂輪修型工藝中，必須考慮金剛輪的零位位置R500、金剛輪從零位進(jìn)給到砂輪的修型位置的進(jìn)給量R501、金剛輪的最大輪緣直徑R535 和砂輪當(dāng)前最大輪緣直徑R511。工藝尺寸鏈表達(dá)為

3.4 螺桿轉(zhuǎn)子磨削工藝尺寸鏈的建立

在螺桿轉(zhuǎn)子磨削時(shí)，砂輪沿螺桿轉(zhuǎn)子的徑向進(jìn)給，砂輪的最大外緣直徑與螺桿轉(zhuǎn)子齒槽中的最小直徑相接觸，兩直徑尺寸之和的1/2 就是螺桿轉(zhuǎn)子軸線和砂輪軸線之間的距離，這是精確計(jì)算砂輪輪廓曲線和判斷螺桿轉(zhuǎn)子磨削精度的理論參數(shù)。

螺桿轉(zhuǎn)子的磨削工藝尺寸鏈組成如圖6 所示。在圖6 中，5 是以砂輪當(dāng)前最大輪緣直徑R511 代表砂輪，8 是以螺桿轉(zhuǎn)子的齒頂圓直徑R520 和齒槽最小直徑R521 代表螺桿轉(zhuǎn)子，y'oz'是砂輪坐標(biāo)系的零位，y'o1z'是砂輪磨削螺桿轉(zhuǎn)子位置。

圖6 螺桿轉(zhuǎn)子磨削工藝尺寸鏈

在螺桿轉(zhuǎn)子的磨削工藝尺寸鏈中，相關(guān)尺寸包括砂輪的當(dāng)前最大輪緣直徑為R511、螺桿轉(zhuǎn)子的齒槽最小直徑R521、砂輪沿-y'方向進(jìn)給量R530、砂輪坐標(biāo)系零位和螺桿轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系零位時(shí)兩坐標(biāo)系沿y向的偏移量R531。螺桿轉(zhuǎn)子磨削工藝尺寸鏈可表示為

3.5 整體工藝尺寸鏈的建立

在砂輪修型工藝鏈中，是以砂輪的當(dāng)前最大輪緣直徑R511 作為封閉環(huán)，此尺寸是螺桿轉(zhuǎn)子磨削工藝鏈的一個(gè)組成環(huán)。因此，可以將砂輪修型工藝尺寸鏈和螺桿轉(zhuǎn)子磨削工藝尺寸鏈組合成一個(gè)新的尺寸鏈，即可以通過金剛輪的進(jìn)給尺寸值推算砂輪當(dāng)前最大輪緣直徑，通過砂輪的當(dāng)前最大輪緣直徑和砂輪的進(jìn)給量可以計(jì)算出螺桿轉(zhuǎn)子的齒槽最小直徑。

螺桿轉(zhuǎn)子的齒槽最小直徑、金剛輪的最大輪緣直徑、金剛輪坐標(biāo)系零位、砂輪坐標(biāo)系零位都是已知參數(shù)。螺桿轉(zhuǎn)子的齒槽最小直徑是在螺桿轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成型之后確定的固定參數(shù)，金剛輪的最大輪緣直徑是在金剛輪加工成型之后確定的固定參數(shù)，金剛輪坐標(biāo)系零位和砂輪坐標(biāo)系的零位是在機(jī)床調(diào)整后確定的固定參數(shù)。在兩個(gè)工藝鏈中，金剛輪的進(jìn)給量R501 和砂輪的進(jìn)給量R530 是隨砂輪最大輪緣直徑R511 的變化而變化的兩個(gè)參量。將砂輪修型工藝尺寸鏈和螺桿轉(zhuǎn)子磨削工藝尺寸鏈組合成一個(gè)新的整體工藝尺寸鏈如圖7 所示。

圖7 整體尺寸鏈的組成

整體尺寸鏈的封閉環(huán)為砂輪的進(jìn)給量R530。整體尺寸鏈可表示為

4 新型螺桿轉(zhuǎn)子的磨削工藝

螺桿轉(zhuǎn)子磨削工藝中所涉及的螺桿轉(zhuǎn)子齒槽最小直徑R521 是螺桿轉(zhuǎn)子最終表面的尺寸值。由此推算出的砂輪進(jìn)給量R530 是砂輪的最大進(jìn)給量，而磨削本身就是一種采用較小切削深度的加工方式。為了提高磨削加工的效率，磨削時(shí)砂輪是從R530 -n×ε 位置開始，進(jìn)行n次進(jìn)給，單次進(jìn)給量為ε，最終達(dá)到R530 位置。如圖8 所示，當(dāng)砂輪快速進(jìn)給到R533，即砂輪當(dāng)前最大輪緣直徑R511 和螺桿轉(zhuǎn)子的頂圓直徑R520 在點(diǎn)P1位置接觸時(shí)，螺桿轉(zhuǎn)子的起始磨削位置，R533 =R530 -n×ε，即n×ε=(R520 -R521)/2。

5 結(jié)語

圖8 初始對(duì)刀尺寸鏈

雙螺桿空壓機(jī)螺桿轉(zhuǎn)子的數(shù)控磨削是保證螺桿轉(zhuǎn)子加工精度的關(guān)鍵。開發(fā)專用數(shù)控磨床、設(shè)計(jì)相應(yīng)的磨削工藝是保證螺桿轉(zhuǎn)子加工精度、提高加工效率和降低生產(chǎn)成本的必由之路。本文以螺紋磨削理論為依據(jù)，分析了砂輪修型和螺桿轉(zhuǎn)子磨削中砂輪、金剛輪和螺桿轉(zhuǎn)子空間關(guān)系和相關(guān)尺寸之間的聯(lián)系，建立了砂輪修型和螺桿轉(zhuǎn)子磨削的工藝尺寸鏈，以砂輪直徑的變化量作為關(guān)聯(lián)尺寸建立了數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床中砂輪修型和螺桿轉(zhuǎn)子磨削過程相關(guān)聯(lián)的整體尺寸鏈。通過在整體尺寸鏈中的尺寸換算，可以精確計(jì)算砂輪和螺桿轉(zhuǎn)子的軸線間距，為砂輪的精確廓形計(jì)算提供依據(jù)。同時(shí)將該尺寸鏈引入數(shù)控磨削程序編程中，實(shí)現(xiàn)不依靠在線檢測(cè)設(shè)備儀器也能準(zhǔn)確判斷螺桿轉(zhuǎn)子的磨削工藝參數(shù)，即螺桿轉(zhuǎn)子的徑向進(jìn)給量。對(duì)降低操作工的操作難度，保持機(jī)床加工質(zhì)量的穩(wěn)定性具有重要意義。

［1］邢子文. 螺桿壓縮機(jī)研究進(jìn)展及應(yīng)用趨勢(shì)［J］. 通用機(jī)械，2006(1):30 -33.

［2］邢子文. 螺桿壓縮機(jī)—理論、設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［3］姜爾寧，譯. 世界制冷壓縮機(jī)發(fā)展趨勢(shì)(一)［J］. 制冷技術(shù)，2009(2):45 -53.

［4］http://www. machine. hc360. comv. 壓縮機(jī)產(chǎn)品分類及市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)分析［OL］. 慧聰機(jī)械工業(yè)網(wǎng)，2011 -10 -13.

［5］http://www.lenglian.org.cn/llsb/lksb/1/6994.shtml. 中國螺桿空氣壓縮機(jī)市場(chǎng)現(xiàn)狀與品牌格局［OL］. 慧聰鄧白氏研究院，2010-08-01.

［6］http://www. ttb2b. com/ShowGridDetails. aspx?id =15170. 2010 壓縮機(jī)行業(yè)發(fā)展之路［OL］. 中國制冷網(wǎng)，2010 -01 -07.

［7］陳立明. 螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的磨削加工［J］. 機(jī)械工程師，2005(2):89 -90.

［8］伍賢君. 螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子磨削成形法［J］. 流體機(jī)械，2000，28(7):33 -35.

［9］于力巖，高智翔. 鑄鐵螺桿轉(zhuǎn)子齒形的成形磨削［J］，通用機(jī)械，2005(6):97 -98.

［10］國內(nèi)首臺(tái)套數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床亮相CCMT［OL］. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2010 -05 -12.

［11］吳序堂. 齒輪嚙合原理［M］.2 版. 西安:西安交通大學(xué)出版社，2009.

［12］王可，韓琦，趙巍. 螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子成形磨削中砂輪廓型計(jì)算方法［J］. 壓縮機(jī)技術(shù)，2002(1):7 -9.

［13］趙永強(qiáng)，侯紅玲，李志峰，等. 恒速磨削的實(shí)現(xiàn)方法與機(jī)床設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(6):7 -9.

［14］趙甲寶. 蝸桿磨削用砂輪修型方法研究［J］. 機(jī)械工程師，2011(7):6 -7.

［15］李志峰，趙永強(qiáng)，魏偉鋒，等. 螺紋磨床CNC 砂輪修整器設(shè)計(jì)與修型方法研究［J］. 制造技術(shù)與機(jī)床，2012(2):111 -113.

［16］趙永強(qiáng)，李志峰，魏偉鋒，等. 轉(zhuǎn)子磨床CNC 砂輪修整器的砂輪初始修形方法研究［J］. 制造技術(shù)與機(jī)床，2012(6):185 -187.

［17］趙永強(qiáng)，李志峰，魏偉鋒，等. 螺紋磨床CNC 砂輪修整器的參數(shù)設(shè)計(jì)［J］. 制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34(12):91 -93.

［18］付玉升，陳欣，孫鳳. 螺旋曲面數(shù)控成型磨削與砂輪修整控制研究［J］. 制造業(yè)自動(dòng)化，2004，26(7):36 -39.

［19］侯紅玲，趙永強(qiáng). 五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［J］. 機(jī)械，2008，35(8):44 -46.

［20］侯紅玲，趙永強(qiáng)，白海清. 復(fù)雜曲面的數(shù)控加工試驗(yàn)研究［J］. 機(jī)床與液壓，2009，37(8):27 -29.