单螺杆压缩机专用加工机床蜗杆副发展现状研究

章根国

（深圳振华亚普精密机械有限公司，广东深圳518109）

单螺杆压缩机专用加工机床蜗杆副发展现状研究

章根国

（深圳振华亚普精密机械有限公司，广东深圳518109）

通过对国内外蜗杆副研究，消化、吸收，改进现有技术，将滚齿机精化成高精度蜗轮母机，并采用测量仪器监测下剃削等技术，蜗杆副精度可实现突破，解决国产单螺杆专用加工机床精度不高的技术难题。

单螺杆压缩机；加工机床；蜗杆副

1　引言

单螺杆压缩机主要性能指标决定于螺杆星轮啮合副精度，而高精度单螺杆专用加工机床对CP型单螺杆压缩机技术进步的重要影响。啮合副型线由直线包络、二次包络发展到如今三线接触，单螺杆压缩机寿命和能效水平都得到了较大提高；研究对刀方法和高精度蜗杆副是解决加工方法和高精度专用加工机床的关键，由于受美、日少数工业发达国家单螺杆专用加工机床的技术垄断，加之国内现有机床厂蜗杆副设计及制造技术精度不高，影响了单螺杆加工机床精度的提高，致使我国喷水、中高压、工艺、膨胀发电机、商用空调高端单螺杆压缩机未取得实质性技术突破。

单螺杆专用加工机床核心技术在于直廓环面蜗杆副精度的提高，国家标准GB/T16848-1997《直廓环面蜗杆、蜗轮精度》只规定了8～6精度标准，而国内机床厂直廓环面蜗杆副精度均处于6级以下水平，该技术领域国内最高水平为国家标准三级（参照GB10089-88《圆柱蜗杆、蜗轮精度》判定），该成果曾于1985年获得国家科技进步一等奖，但因加工人才、蜗轮母机精度问题，2005年之后国内已制造不出国家标准三级精度的直廓环面蜗杆副，制约了我国单螺杆专用加工机床蜗杆副传动精度水平的提高。由于单螺杆压缩机技术先进性，近几年国内单螺杆压缩机企业数量在增加，从《财政部、国家发展改革委、工业和信息化部关于印发<节能产品惠民工程高效节能容积式空气压缩机推广实施细则>的通知》（财建［2012］851号）中可以看出，相同条件下给予节能单螺杆压缩机补贴标准是最高的，特别是国务院2013年8月1日发布的《关于加快发展节能环保产业的意见》（国发［2013］30号），文件中明确到2015年，终端用能产品能效水平提高15%以上，高效节能产品市场占有率提高到50%以上，国家将实施能效“领跑者”计划，这些节能政策导向，推动了我国节能单螺杆压缩机产业的发展，也促进单螺杆压缩机企业需要加快技术改造，提升单螺杆专用加工机床蜗杆副精度会促进单螺杆压缩机产业做强做大，下面重点介绍影响单螺杆专用加工机床技术进步的直廓环面蜗杆副发展情况。

2　直廓环面蜗杆副国内外技术发展现状

高精度环面蜗杆副主要有平面包络环面蜗杆副和直廓环面蜗杆副两种，由于啮合齿数多，与现有的高精度圆柱蜗杆副相比，具有传动效率高、精度保持性好、寿命长、承载能力高等显著优点。阿基米德最早提出蜗杆传动理论，之后美、日、德等国环面蜗杆传动技术得到快速发展，推动了机械传动领域的技术进步。我国自20世纪50年代中开始研制了直廓环面蜗杆传动。经过郑州机械研究所、首钢机械厂、重庆大学和重庆机床厂等科研院所、企业的努力，球面分度蜗轮副加工技术，20世纪80年代取得了重要进展，曾有厂家采用“刀对刀”的方法加工出原始型直廓环面蜗杆副，其传动精度等级达到国家标准GB10089-88《圆柱蜗杆、蜗轮精度》三级水平（因国家标准GB/T16848-1997《直廓环面蜗杆、蜗轮精度》只规定了最高精度等级6级），并成功地用于滚齿机的分度副。由于在实际应用中显示了承载能力强、精度高且精度保持性好等优越性，解决了国内很多因高精度圆柱蜗杆副无法解决的技术难题。与只有一条接触线的平面包络环面蜗杆副相比，直廓环面蜗杆副有2条接触线，而且接触线的方向更好，因此在长期重载高速下工作时有更好的精度保持性、更高的传动效率和较低的温升。其加工方式也相对先进，是高精度蜗杆的发展方向，因此该成果（Ф900 mm高精度圆柱蜗杆蜗轮副及球面分度蜗轮副）也曾于1985年获得了国家科技进步一等奖，为我国机床行业作出过突出贡献，后由于技术进展慢及技能人才原因，至今国内所生产的直廓环面蜗杆副精度已达不到该水平。

国内所采用的“刀对刀”的方法工艺虽获得了国家发明专利（专利号：CN85107847），此对刀方式允许刀的位置与理论值有一定偏差，而且不对称，我们通过研究认为存在如下几个不足之处：

（1）该方法限定了蜗杆与蜗轮只能在同一机床上加工工装并要经常拆换，生产效率低；

（2）蜗杆只能在加工时的相对位置安装，而不能调头安装；

（3）刀刃的间隙受操作者技能水平的影响非常大。

此外，蜗轮的精加工应由密齿滚刀或剃齿刀来进行，滚刀的刀刃越多，蜗轮齿形精度也越高，滚刀中的每一个刀刃都有它特定的切削位置，其切削负荷也各不相同。

前苏联的一位工程师曾用涂色法做了一个著名的实验，发现滚刀中越是靠近两边的刀刃其切削负荷越大，所以除的量也越大，因此导致了飞刀的应用。飞刀只是滚刀众多刀刃中的一种，它所加工出来的蜗轮齿面是刀刃的轨迹面，而非包络面。应该由其它刀刃切除的部分尚存在于蜗轮齿面上，成为需要进一步切除的余量，这些余量不仅影响传动精度，也妨碍装配时蜗杆进入正确的啮合位置。

国内有厂家曾在滚齿机刀架上使用了发明专利（专利号200710078249.4）“钢柱蜗轮——环面蜗杆副”，这种啮合副是受滚珠环面蜗杆副的启发，用钢柱替代钢球蜗轮而成，是由一系列直径较小的钢柱用螺栓固定在一个较大的钢制圆柱体上，每一个小直径的钢柱相当于一个蜗轮齿，每一个钢柱间均有一定的过盈，装配时要有相当的技能水平。该啮合副总共生产过二套，第二套是为了更换磨损件而生产，由于只有一条接触线，精度保持性较差。

3　国内单螺杆压缩机领域研究蜗杆副的情况

国内单螺杆压缩机企业所采用的螺杆专用加工机床，基本是委托重庆机床厂、南京机床厂等企业生产，由于国产滚齿机精度不高，现有单螺杆加工机床精度基本上处于5级以下水平，制约了国产单螺杆压缩机主机性能的提升。原肇庆端州压缩机研究所查世樑所长曾于1983年3月在《机床》杂志上看到关于高精度直廓环面蜗杆副的加工方法后，凭借多年从事齿轮刀具研发经验，经研究认为该直廓环面蜗杆副的加工方法有较大的改进空间，如采用剃齿工艺辅助可进一步提高其精度。由于单螺杆压缩机的螺杆和星轮啮合其实就是特殊的直廓环面蜗杆副，因此将两者结合起来进行深入研究。1984年发现单螺杆压缩机的齿形比通常的直廓环面蜗杆副复杂，由母线、包络面和特形面构成。啮合时齿面上有3条接触线，加工这种星轮（相当于蜗轮）比正常的直廓环面蜗轮困难得多，如果能成功制造出这种啮合副，星轮的寿命可提高数倍，其密封效果也更好，压缩机也更节能。经过多年的努力终于研究出一种高精度加工工艺，其刀具的安装消除了“刀对刀”加工技术的缺点；1993年三线接触啮合副首次加工成功，经在单螺杆压缩机上试运行，结果证实了三线接触理论及其加工方法是正确的；1994年在国内公开报道了这种从未公开的齿廓方程式，也是世界上首次公开报道这种齿形的存在，至今还遭到一些学者质疑。该成果于1998年2月26日在广东省科学技术委员会主持的科技成果鉴定会上，用涂色法检查显示整个齿面接触，这种齿形才得到与会专家一致肯定。国外部分企业2000年左右也开始采用这个齿形。

4　直廓环面蜗杆副技术进展

高精度蜗轮母机（滚齿机）是制造高精度直廓环面蜗杆必不可少的关键设备，它的精度主要取决于分度副的精度，用机加工的方法研制传动误差为3"左右的分度副极为困难，而且费时。中国计量出版社1987年3月出版《机床传动精度测量与提高》著作中，详细介绍了利用凸轮补偿运动，通过差动机构送至分度副，令其多转或少转一点，该增加量正好与分度副误差大小相等，方向相反，因此该凸轮是根据分度副的误差曲线特制的。最近国内用这种方法成功试制了2台滚齿机，其传动链误差在3"以内，如果在仪器的对凸轮进行修磨，其精度将可进一步提高。我们曾使用过磁栅、国产光栅、时栅到进口光栅的机床传动误差测量仪，用于维修单螺杆专机。通过长期使用，从测量出的机床传动误差曲线及分析数据中，找到了误差的环节并减小和消除误差。

通过研究现有技术不足之处，提出了新的加工方法，能将滚齿机精化成高精度蜗轮母机。目前市场上滚齿机中的10个弧齿轮淬火后均不磨齿，这些都必须更换或委托磨齿，装配时注意他们的相位，让他们的误差尽可能相互抵消，关键部位的轴承或更换或修研。由于单螺杆压缩机的传动链与高精度蜗杆母机相同，维修这些单螺杆专机就相当于维修高精度蜗杆母机，从而可为研制高精度单螺杆专用加工机床提供了技术基础。

国内的高精度蜗杆母机的分度副没有消除间隙的措施，加工蜗杆蜗轮时，刀具在分度副的间隙范围内摆动，我们研制的母机将设置阻尼装置机构来消除间隙。加工蜗杆时，由于采用了沿母线进给的切削方式，机床有阻尼装置，加上我们先进的装刀技术，从技术上保障了研制蜗杆精度优于国内机床厂同类技术产品；加工蜗轮时，如前所述，飞刀只是近似的粗加工，要加工出优质的蜗轮需要采用剃齿刀或珩底等工艺。

5　高精度直廓环面蜗杆副加工方法创新点

（1）平行对刀、分段多刀切削。通过研究目前采用的“倾斜刀对刀”加工方法的缺点，提出了“平行对刀”技术，由于目前技术对蜗轮的加工仅只用了飞刀这种近似的粗加工工艺，齿形误差较大。该误差不仅影响传动精度，也妨碍装配时蜗杆进入正确位置。加工蜗杆时，采取分段多刀切削，而非采用通常的全齿高一刀切方法，优点在于减小了切削力，模数越大切削力减小的越多，同时转台消除了分度副间隙，切削精度高。

（2）在测量仪器监测下剃削。把加工和啮合检测结合在一起。通常工艺中蜗轮蜗杆误差是机床误差的数倍，本项目由于采用在仪器监测下进行剃齿工艺，齿距误差取决于特制检测仪的精度，而不依赖于机床传动链的精度，他们相互啮合时，传动误差与机床误差非常接近。这种在测量仪器监测下的剃削过程以及把加工和啮合检测结合在一起的设计方案，是现有机床厂未采用的技术，这也是本技术提升传动精度的主要创新点。

6　高精度直廓环面蜗杆副的加工方法优点

（1）解决了蜗杆与蜗轮只能在同一机床上加工工装并要经常拆换的限定，本技术可在不同机床上同时加工蜗杆与蜗轮，提高了生产效率；

（2）解决了蜗杆只能在加工时的相对位置安装的缺点，本技术可调头安装；

（3）由于采用切削刀具的刀刃方向与啮合中心线平行的方法加工，解决了因刀具的刀刃方向与啮合中心线有倾斜，加工误差受操作者技能水平影响的弊端；

（4）依据本技术加工出的直廓环面蜗杆副精度等级可达到GB10089-88二级水平；

（5）由于加工效率高，工艺简单，仅需配备精密滚齿机即可生产出高精度直廓环面蜗杆副，利于产业化推广；

（6）可为研制航空、汽车、船舶、矿山等国家重点领域急需的高精度、高效率、高承载力的齿轮机床、螺纹机床、高档加工中心、单螺杆专用加工机床等机械装备提供高精度直廓环面蜗杆副，打破国外对我国实施的核心技术封锁和高档机床产品禁运，战略意义重大。

综上所述，为打破国外对我国实施的高精度单螺杆压缩机加工机床的禁运，通过研究国内领先技术水平的蜗杆副设计及制造技术，采用检测仪器监测下加工的“平行对刀”技术，解决所存在“刀对刀”工艺技术不足的技术难题。采用新技术研制的高精度直廓环面蜗杆副（分度圆直径≥576 mm），其传动精度等级将达到国家标准二级水平（因国家标准GB/T16848-1997《直廓环面蜗杆、蜗轮精度》只规定了最高精度等级6级，本研究成果精度等级参照国家标准GB10089-88《圆柱蜗杆、蜗轮精度》判定），该技术直廓环面蜗杆副可应用于单螺杆压缩机专用加工机床，为研制高精度单螺杆压缩机专用加工机床（分度圆直径为385 mm）提供了核心技术支持，同时本技术的推广应用，可提升我国螺纹机床、齿轮机床及其它高精度机床装备制造业技术水平，为航空、航天、船舶、兵器、汽车等国家战略性领域基础核心部件质量的提升做出积极贡献。

［1］查世樑，等.单螺杆压缩机专用机床［J］.压缩机技术，2006，（1）.

［2］章根国.单螺杆压缩机发展现状及优越性分析［J］.压缩机技术，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

章根国（1975-），男，安徽人，工程师，任职深圳振华亚普精密机械有限公司副总工程师，研究方向为单螺杆压缩机工程技术研究。

2014-09-20