國內外螺桿轉子精密加工設備綜述

周 斌 魏偉鋒

（陜西漢江機床有限公司螺磨所，陜西漢江 723003）

CIMT2011中國數控機床展覽會于4月11—16日在北京召開，本屆展會是世界機床制造業最新、最高技術成果的展示。各參展企業廣泛交流企業自主研發的最新技術和產品、深入探討行業發展的趨勢和方向、細致了解并盡量滿足用戶行業的最新需求。在轉子精密加工設備方面，國內外相關企業如英國HOLROYD公司、德國KLINGELNBERG公司、德國KAPP公司、陜西漢江機床有限公司均展示了其在異型轉子精密加工設備領域的最新產品。現結合其各自的技術特點，予以綜述。

1 英國HOLROYD公司的TG350E數控螺紋磨床

英國HOLROYD公司是一家歷史悠久的螺桿制造及機床公司，年產各種精密螺桿轉子十幾萬副，其高精度螺桿轉子均為磨制螺桿，在生產精密螺桿轉子的基礎上，近年開發了新一代數控螺桿轉子磨床（圖1）。

該機床的推出很好地滿足了現代工業發展對絲杠、蝸桿、轉子等多種型面加工方面的需求。這些要求主要有:高精、高效;能快速滿足市場產量的需求，降低對操作者技能的要求;加工設備要有柔性以滿足市場對多品種的需求以及降低生產成本等。TG350E主要由機械系統、控制系統、砂輪修整系統、在線檢測系統、液壓系統、集中潤滑系統、過濾系統和冷卻系統等組成。該機床最大的特點是配備了在線測量系統。另外，床身采用原轉子銑床的斜床身，提高了機床的剛性，使機床可以實現從棒料上直接磨出螺紋，而無需先進行粗銑加工。

機床砂輪修整系統由配有一個兩軸數控的機構組成。以金剛石滾輪為刀具，可實時修整砂輪。在加工過程中，當檢測系統檢測到被加工表面超差時，機床自動計算出當前砂輪的形狀，控制砂輪修整系統工作。當砂輪局部破損時，為了把破損部位完全修整掉，機床上配備了檢測裝置。在修整工作過程中，超聲檢測裝置將進行監測，直到修整系統工作發出的聲音是完全連續為止（圖2）。

砂輪主軸配備了全自動砂輪平衡系統，此系統可以平衡1 200 g·cm的偏心質量，根據HOLROYD公司的經驗，此系統可處理幾乎所有的新砂輪，砂輪主軸具有過載保護功能。

CNC系統采用HOLROYD的TG8八軸CNC系統。觸摸屏界面，操作十分方便;CNC控制器與計算機化的型線管理系統集成于一體;型線掃描系統，采用在線工件測量，誤差反饋及砂輪修正計算。數據輸入，有工件軸向數據輸入、徑向數據輸入和全菜單驅動數據輸入，工件和砂輪型線可在屏幕上顯示。

TG350E配備了一套三坐標自動檢測系統（圖3），能實現實時在線檢測，主要用于工件徑向跳動測量、齒槽定位、齒根直徑檢測、型線及導程測量和誤差反饋等。

通過編程可實現如下功能，工件向左或向右運動的過程均可進行磨削加工，可在工件左端、右端及兩端分度，CNC系統可進行線性導程誤差補償，對粗加工、精加工可選不同的進給量，砂輪可實現恒線速度，全自動可編程控制工作循環，包括:砂輪修正、修正補償，螺紋磨削，工件檢測，砂輪自動定位到要求的磨削角度，雙導程螺桿的磨削，磨削中凹蝸桿，工件錐度修正。

所有的CNC軸均為數字驅動，結合最新的光纖串行實時通訊系統，用于數字閉環反饋，并與各驅動軸集成為一體。所有直線軸安裝光學傳感器，分辨率為0.01 μm。光學旋轉傳感器直接安裝在工件軸和砂輪擺動軸上，其分辨率為0.04″。工件分度采用靜壓回轉CNC軸，加工絲杠頭數從1～99。進給軸為靜壓軸。

TG350E是一種先進的螺紋加工機床，能高效高精度地實現螺紋表面的加工。其型線加工的最大統計學誤差小于±4 μm，導程加工誤差小于±2 μm。加工用時短，具有較高柔性，對操作者的技能要求不高。

2 德國KLINGELNBERG公司HN35系列數控螺桿轉子磨床

德國KLINGELNBERG公司是一家專業的螺紋磨床生產廠家，近年也成功開發了HN35系列數控螺桿轉子磨床。HN35直接強力磨削各類異型轉子而無需粗加工，機床可與P系列齒輪測量中心相聯，評估已磨型線的測量結果，檢測經校正后的型線的可磨性，測量機與磨床的數據交換通過聯網或軟盤進行（圖4）。

該機床適用范圍寬廣，幾乎所有圓柱蝸桿和螺旋面的工件都能強力成形磨削加工，可直接從原材料磨削可磨螺旋面工件，型線深度可達100 mm，砂輪最大寬度達120 mm（圖5）。

機床外形充分考慮良好的人機關系，其中包括工作區域帶有很寬的滑動門的全防護裝置，電子空氣過濾器及頭、尾架調整氣動裝置。工件上下料可手動進行，也可配龍門式上料機構全自動上下料，使機床適用于大批量生產使用。

砂輪采用32 kW或60 kW大功率電動機驅動。采用大氣孔砂輪，大容量高效冷卻過濾系統，帶有3個獨立的冷卻泵循環（圖6），冷卻系統容量達8 m3或11 m3，38 kW制冷循環系統，上下冷卻噴嘴壓力為1.5 MPa，保證了機床具備高效強力磨削成型復雜螺旋面的功能。

機床為八軸數控，各軸上都應用精密的增量傳感系統保證機床在精度和重復性方面達到很高的要求。

機床配有數控砂輪型線修整器，由兩個高精度的金剛石修整輪進行砂輪修整。修整輪的形狀已存入機床，型線的數據可以在機床上直接輸入或通過上位機輸入，轉子型線可按軸截面或端截面齒形輸入，根據這些數據，并考慮到砂輪當前的外徑，自動計算出砂輪型線。

機床還可以與KLINGELNBERG的P系列測量機連接，形成網絡，ROTCOR軟件可通過圖形校正轉子和螺桿泵的型線，自動進行金剛滾輪的幾何形狀校正，評估已磨型線的測量結果，檢測經校正后的型線的可磨性及校正后的型線。測量機和機床的數據交換可通過互聯網和軟盤進行（圖7、圖8）。

KLINGELNBERG公司依據其專業生產螺紋磨床、齒輪磨床及其測量設備的優勢，可成套提供轉子精密加工設備，HN35轉子磨床是一款高精度、高效率的螺旋面磨床。

3 德國KAPP公司KAPP－RJ59型數控螺桿轉子磨床

德國KAPP公司生產的KAPP－RJ59型數控螺桿轉子磨床采用成型CBN砂輪高速磨削。先進的設計理念，使機床加工轉子時有更高的效率和精度。高速、高效、高精度的先進制造技術已經在螺桿轉子精密加工設備上應用（圖9）。

RX系列轉子磨床用于粗磨和精磨鑄鐵或鋼材的轉子，既用于中小批量加工，更適合大批量生產。磨削的工件包括螺桿壓縮機轉子，旋轉活塞，螺桿泵和軸等。可加工的工件外徑為320 mm，型線長度最大為850 mm，工件長度最大為1 650 mm。機床加工時用不需修整的KAPP CBN磨輪進行硬磨削加工。直接驅動的工具軸上同時裝上兩個CBN磨輪，兩個磨輪按程序進入工作位置，可以粗磨和精磨工件一次裝夾完成（圖10）。

RX系列轉子磨床采用SIEMENS 840D作為控制系統，操作界面是KAPP公司為用戶編寫。機床具有如下功能:

（1）采用無接觸的測量探頭找準工件，可以測單齒槽或者所有齒槽;

（2）用換檔式RENISHAW測量頭精密找準工件;

（3）用換檔式RENISHAW測量頭抵消溫度的影響;

（4）采用測量圓周跳動確定并檢測尾座的位置。

安裝在機床上的測量頭可以直接獲取所有的工件外形尺寸，數控系統根據這些信息計算出修整數據，經控制系統處理后顯示在屏幕上，因而縮短了加工新工件的裝機時間和提高加工精度，也可以在生產過程中簡便地抽樣測量，保證機床批量生產的加工精度（圖11）。

RX系列轉子磨床采用最新的設計理念及最先進的技術，代表著大批量高速、高精度生產轉子零件的先進技術，機床主軸轉速2 000～8 000 r/min之間，最大傳動功率可達46 kW，粗磨時可以真正實現無銑削加工。機床特別適合批量生產。

4 陜西漢江機床有限公司SK7032系列數控螺桿轉子磨床

螺桿轉子精密加工設備——系列數控螺桿轉子磨床，我國以前還不能生產，更沒有成熟的產品供應市場，相關企業的產品需求完全依賴進口。近年來漢機公司致力于精密、復雜型面螺紋加工領域的研究，突破以下技術難點:

（1）復雜空間曲面的數學建模、修整軟件及誤差自動補償技術;

（2）高精度雙導程蝸桿軸向消隙技術;

（3）適用于大螺旋角轉子磨削的砂輪架結構設計技術;

（4）熱變形及其誤差補償技術;

（5）精密傳動鏈設計技術。

SK7032系列數控螺桿轉子磨床填補了國產空白，是國內首臺套精密轉子加工設備，目前已有近十臺機床交付用戶使用，加工效率和精度達到或接近國外進口機床，部分指標如加工零件表面質量超過進口機床，獲得業內人士的高度評價，用戶反映很好（圖12）。

機床由SIEMENS 840D系統控制實現八軸三聯動（包括砂輪主軸回轉、修整器主軸回轉兩個SP軸）。SIEMENS交流伺服電動機驅動頭架主軸回轉運動，工作臺縱向運動，砂輪架拖板橫向進給運動，CNC砂輪修整器V、W兩個方向的運動。砂輪主軸螺旋升角回轉運動。由頭架C軸（工件旋轉軸）與工作臺縱向（Z軸）聯動，實現精確的電子螺紋插補運動。輸入導程參數，確定C軸、Z軸定比運動速度參量，實現精確的電子掛輪功能，通過電子掛輪，給定比運動的Z軸附加一個速度增量，又可完成電子對線功能。對于磨削螺桿轉子，可實現砂輪架自動進給，修整器自動進給、自動修整、修整量自動補償等功能。在一次裝夾中完成粗磨、半精磨、精磨。圖13為轉子加工的關鍵技術。

表1 主要參數對比

表2 主要功能對比

機床磨削螺桿轉子指標為:

螺桿的導程精度（e300）:0．009

齒形偏差:±0．010

5 國內外同類機床性能指標對比

機床主要參數對比見表1，主要功能對比見表2。