螺杆泵转子型面精密成形磨削技术分析

黄玮

（大庆油田装备制造集团力神泵业公司，黑龙江 大庆 163000）

螺杆泵成型加工过程当中，螺杆误差和砂轮磨损、安装角度误差以及安装距离息息相关，对于以上问题深入研究，能够寻找螺杆转子磨削误差的补偿措施，提高其精密成形的磨削效率，为精密磨削技术应用提供支撑。

1 螺杆泵转子测量原理和误差测量方法

1.1 砂轮的磨损特性

螺杆转子的成型磨削阶段，转子、砂轮二者之间存在稳定接触线，切削过程，接触线会围绕螺杆轴线做旋转运动，将多余的材料切除，形成螺杆型面。因此，如果接触线发生变化，就会造成螺杆的型面产生误差。在生产过程，无论是砂轮的安装，还是砂轮磨损参数变化，都会造成接触线变化。因此，螺杆转子在磨削阶段，要保证砂轮廓形准确，必须要对其进行修整，按照实际尺寸调整砂轮的安装参数，重新获得接触线。所以螺杆转子磨削加工过程，砂轮磨损问题难以避免，所以对于其磨损情况和螺杆的廓形误差之间影响关系对于误差补偿措施的寻找具有重要价值。

（1）氧化铝砂轮的磨损分析。磨削加工阶段，可能受到物理、化学、机械等方面相互作用，导致砂轮出现磨损，削弱其磨削能力，砂轮受损以后，应用过程会产生噪声和振动，还会对于工件表面造成影响，几何精度也难以得到保证。具体而言，磨损形式有如下几种。第一，磨耗磨损，磨削加工阶段，由于工件表面和磨粒之间产生摩擦，磨粒、磨削区会出现塑性变形、化学反应，导致磨粒变钝，产生磨损小平面。磨粒变钝数量越多，磨削力增加越明显，就会导致工件外表出现震颤、烧伤等情形。第二，破损磨损，还包括磨粒破碎、脱落两种形式。磨削加工阶段，如果磨粒应力高于其本身强度，就会出现碎片脱落情形。磨粒之间结合剂如若断裂，就会从砂轮的上方脱落。以上情形均可导致空间尺寸精度受影响，然而适度脱落、破碎可将钝化磨粒更新，具有自锐的功效。第三，堵塞黏附，当磨粒经过磨削区，受到高温、高压等情况影响，被磨削材料也会在磨粒上黏附，磨削阶段，工件、黏附物之间重新接，还会导致磨粒脱落、磨粒破损等情况，如果黏附物粘在砂轮外表，会导致砂轮的切削作用失去，磨屑堵塞磨粒间隙，导致砂轮磨削出现问题。在磨削阶段，磨损情况和工件、砂轮材料，磨削条件、磨削液等均相关。

（2）SG砂轮磨损。SG材料属于低温结合剂，和常规砂轮相互对比，其硬度更高，因为磨粒属于微晶结构，存在多个晶解面，受到外力作用之影响，导致微晶脱落，能实现连续锋利切削刃，因为其磨削性能优良，所以可以普遍应用于仪器、航空、轴承、模具等成型磨削加工。螺杆转子在精密磨削加工过程，磨削深度在0.02mm以内，实际上利用砂轮（60目）磨粒直径均尺寸0.255mm，磨削深度、磨粒直径比在0.078，因此，单独磨粒承受剪切力较小。此类磨料砂轮磨削性能良好，磨削期间磨粒脱落、断裂可被忽略，砂轮磨损形式包括磨料磨损、晶体微断裂，虽然砂轮磨削性能良好，但是廓形精度和螺杆廓形要求不符，成形砂轮需要频繁修整，降低其磨削效率，因此需要探究误差原因，寻找补偿措施，才能提高精密磨削效率。

1.2 转子精密磨削误差

为了判断中心距、安装角以及砂轮磨损对于螺杆的廓形误差产生影响，将砂轮磨损量难以测量考虑其中。需要对于砂轮磨损对于螺杆的廓形误差影响进行深度分析，通过安装参数差异，对于砂轮磨损螺杆转子展开仿真研究。

为了获取安装距、螺杆转子之间廓形误差关系，可设定不同的中心距，通过仿真实验，获得转子的廓形误差，明确其分布规律，如果中心距超过理论值，仿真廓形会比理论廓形的正误差大；相反，如果中心距低于理论值，仿真廓形就会比负误差小，同时，螺杆转子的廓形误差跟随中心距误差逐渐增加，不难看出，转子齿面、齿根存在的误差有显著差别。转子廓形底部的圆弧段误差和中心距误差相等。

同样，对于安装角度影响廓形误差规律进行分析，和中心距仿真类似，设置差异化的预设角度，结果显示，如果安装角度超过理论值，侧面的摆线段廓形低于理论负误差；如果安装角度超过理论值，则螺杆转子廓形误差就会随着角度误差的增加逐渐增大。安装角度的误差恒定，螺旋槽侧面误差处于稳定状态。

分析砂轮磨损对于螺杆转子的廓形误差产生影响，同样是设定磨损值，利用评估方法进行测试。结果显示，廓形处于根部圆弧段、侧面摆线段的时候都会出现廓形误差问题，根部误差、侧面误差有显著差异。根部弧段廓形误差和砂轮磨损值相等，侧面摆线段廓形误差超过砂轮法向的磨损值，随着转子的半径增加逐渐减小，然而侧面误差还是要超过根部误差。

实际磨削加工阶段，为确保磨削精度，特别是精磨阶段，需要寻找磨削误差补偿方式，调整安装参数，重新展开仿真实验，不断提高砂轮使用寿命，实现磨削效率、精度提升之目的。

1.3 螺杆专责原理及误差分析

螺杆转子精密成形需要利用高精度检测技术，因此，检测精度能够决定转子的加工精度。因为螺杆转子的型线种类复杂，检测精度属于螺杆转子精密制造拦截难点部分。因此，需要对螺杆转子的测量技术深入研究，有助于螺杆转子的检测效率提高，控制检测成本，将其加工精度有效提高。

对于测量中心的工作原理进行分析，由于螺杆转子精密成形加工需要利用高精度检测工艺。但是，螺杆转子的线型复杂，和蜗杆和齿轮这类固定型线不同，精密检测为螺杆精密制造过程面临的难点。因为，当前还没有螺杆转子专用测量仪器，要对其采取精密测量，主要是利用齿轮测量中心完成，还可使用三坐标法，对于测量数据展开处理，和理论模型对比，分析螺杆转子的误差。齿轮测量中心的组成部分包括测量软件、控制系统和机械系统，测量软件能够对蜗杆、齿轮进行测试，机械部分包括水平、纵向、竖直等移动轴。齿轮测量中心无专门测量软件对于螺杆转子进行测量，这样螺杆转子测量难度增加。

实际上，精密制造环节该情况普遍存在，属于技术难题。对此，测量阶段可以将螺旋曲面看作成普通曲面，平扫特定平面。测量过程，以测头作为中心点的坐标，难以获取螺杆的廓形数据，扫描过程没有测量基准，因此，对于获取数据还需进行处理。

为确认转子误差项，需要对其进行检测，虽然国家对于螺杆转子的误差项检测标准还未明确，但是，螺杆泵属于容积式转子泵，主要是利用阴阳转子、多螺杆泵啮合空间的容积变化输送液体增压。如果齿形误差高于允许值，可能使螺杆泵运行出现卡死问题，难以正常安装。同时，螺杆转子产生的齿形误差也会影响螺杆泵啮合间隙，对于其容积效率造成影响。因为螺杆转子属于螺旋曲面，阴阳转子的齿面属于整个导程上方为全啮合状态，所以螺杆转子处于径向截面产生的齿形误差务必要严格控制。螺杆转子的螺旋面是端面齿螺旋运动而产生，阴阳螺杆的转子具有全啮合特点，无论是齿距误差，还是导程误差，都会导致螺杆转子啮合不准，需要对其误差严格控制。因此，螺杆转子齿距、导程是节圆导程角而决定，所以，以上误差可以借助轴向截面的节圆处真实齿距、导程等确认，之后对比理论数值，从而找到齿距和导程的误差。

因为齿形误差数据可以扫描镜径向截面而获得，所以，导程误差和齿距误差同样可以利用以上方式获得。然而，廓形扫描不可以直接获取螺杆三维数据，而是要按照螺杆转子的成形原理，处理扫描数据，根据理论模型，对比加工误差。

2 螺杆泵转子型面精密成形磨削技术应用

本研究选择SUG500H型号的成形磨床展开磨削加工，成形参数如下：安装直径最大值500mm，顶间距最大值1250mm，螺旋角最大值±90°，工作台的行程最大值900mm，砂轮主轴最高转速32500rpm，砂轮直径350mm，工件最大重量350kg。利用P26齿轮测量对于齿形误差进行测量，最高测量的外径260mm，宽度400mm，测量精度1μm，顶尖距介于15～600mm之间。在粗糙度测量方面，选择对应测量仪器，仪器为电感传感器，分辨率16nm，量程1mm，测量力0.7～1mN。

对于螺杆转子的廓形误差展开实际测量，选择中阳转子作为测量对象，并利用成型磨床展开磨削加工，结果显示齿根圆弧段的最低曲率半径即为齿根的圆弧半径。因为齿根、齿面的侧面过渡位置长度0.26421mm，所以选用测头半径0.5mm。具体测量环节，还需对于螺杆的特定截面展开扫描，通过P26齿轮的测量中心，扫描螺杆转子的截面。对测量数据展开分析，发现齿根圆弧的误差值在0.5mm区域处于稳定状态，螺杆齿面的误差呈不均匀状态分布，通过误差补偿方法的应用，对于测头半径进行补偿，补偿以后平均误差0.0051mm，误差最大值0.013mm，齿根圆弧误差能够达到公差要求，齿面误差区域超过0.01mm，根据误差结果，分析可能为砂轮的安装角度存在问题。

为了验证误差补偿的方法运用是否合理，选择对比实验，先标定砂轮的磨损，获取磨损量数据，之后进行误差补偿的验证。试验过程，先利用砂轮对于2根螺杆和4个螺旋槽进行连续磨削，按照廓形误差对于砂轮磨损量反推。

实验过程，随着时间推移，转子的廓形误差逐渐增加，因为转子在精密磨削阶段背吃刀量相对较小，从而产生磨削力也相对较小，所以研究过程可忽略砂轮、机床受力变形情况，认定螺杆廓形的误差是砂轮磨损导致。且砂轮磨损、磨削时间二者并非所属完全线性关系，当磨削时间增加的时候，砂轮的磨损速度也会加快，螺杆的廓形误差产生的波动范围也逐渐扩大。

螺杆转子误差最大处是齿面、齿根的过渡处，原因是砂轮尖锐处磨损更为严重。根据螺杆的廓形误差，选择补偿方法，设定补偿参数。如若砂轮的磨损量达0.013mm的时候，由于磨损产生的廓形误差，可经过参数调整使其降低，在±0.01mm以内，调整安装参数以后，还可将砂轮每次休整磨削时间提高约1倍左右，利于螺杆转子磨削成本控制。

验证螺杆转子的磨削加工粗糙程度，螺杆转子磨削成型阶段，转子、砂轮处于不同接触点，磨削深度、速度各有不同，实验过程选择不同点对其粗糙度进行测量，结果显示，如果磨削深度在5μm，处于此磨削深度以下，工件、磨粒主要以摩擦、滑移等为主，测量点部分误差不超过10%，个别位置误差介于10%～15%之间，精度较高。磨削深度在2μm时，相对误差可达到40%，主要原因是磨削深度减小，滑移被摩擦取代。磨削参数不同时，磨削厚度、工件速度以及砂轮速度处于稳定数值情，证明磨削深度减小，使得磨削逐渐从滑移转向摩擦。

3 结语

综上分析，针对螺杆转子的精密磨削技术应用进行分析，根据切削加工原理，分析影响切削精度的主要原因，并提出误差补偿方法的运用，重点论述砂轮安装过程中心距、磨损以及安装角等因素对于螺杆廓形的误差产生的影响，明确以上影响之间的关系，通过参数调整方法对于砂轮磨损导致廓形误差进行控制，从而将成形过程的磨削效率有效提高创造滑移磨削环境，预测粗糙度，获得磨削用量、切削厚度存在关系，奖励预测模型，将螺杆转子精密磨削过程粗糙度预测困难问题解决，有助于成形磨削技术的优化。