趙永強 侯紅玲 李志峰 周 斌 田廣利

(①陜西理工學院機械工程學院，陜西 漢中723003;②陜西漢江機床有限公司，陜西漢中723003)

雙螺桿壓縮機發明于20 世紀30 年代，經過持續的基礎理論研究、產品開發試驗、對轉子型線的不斷改進和專用轉子加工設備的成功開發，雙螺桿壓縮機的優越性得到了不斷的發揮，被廣泛應用于礦山、化工、動力、冶金、建筑、機械、制冷等工業部門［1］。在寬廣的容量和工況范圍內，逐步取代了其他種類的壓縮機。據統計，雙螺桿壓縮機的銷售量已占所有容積式壓縮機銷售量的80%以上，在所有正在運行的容積式壓縮機中，有50%是螺桿壓縮機。今后螺桿壓縮機的市場份額仍將不斷擴大，特別是無油螺桿空氣壓縮機和各類螺桿工藝壓縮機，會獲得更快的發展［2-6］。

螺桿壓縮機生產中的關鍵是高精度螺桿轉子的加工，螺桿轉子的精密加工是保證螺桿壓縮機壓氣效率的關鍵。為了提高砂輪的修型效率和磨床的加工效率，降低磨削操作對操作工人經驗的要求，實現螺桿轉子的精密磨削，設計、開發新型的數控螺桿轉子磨削機床，采用CNC 砂輪修整技術是一條必由之路。2010年，陜西漢江機床有限公司成功開發了國內首臺套螺桿轉子數控磨床SK7032，為全面提升螺桿轉子磨削加工技術水平和國產化機床加工能力提供可靠保障。

作為國內首臺國產化螺桿轉子磨削加工機床的SK7032，對于螺桿轉子的磨削仍然采用目前比較成熟的螺紋磨削加工工藝，即根據螺桿轉子的型線設計計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子，砂輪磨損后重新修型，砂輪修型之后再次磨削螺桿轉子，直至達到螺桿轉子的最終型面［8-9］。

但是，將砂輪修型和螺桿轉子磨削分開進行的操作模式，無法建立砂輪廓形和螺桿轉子磨削之間的聯系，同時對于還不具備在線檢測功能的SK7032 很難判斷螺桿轉子磨削是否達到最終磨削表面。本文將以螺紋磨削理論為依據，以數控螺桿轉子磨床為原型，以砂輪直徑的變化量作為關聯尺寸，建立了螺桿轉子磨削和砂輪修型的復合工藝尺寸鏈。為砂輪的自動修型和螺桿轉子的自動化磨削提供依據。

1 螺桿轉子的磨削原理

雙螺桿壓縮機的螺桿轉子作為一種典型的等升距螺紋回轉件，與蝸桿、絲杠、螺桿等零件的磨削加工相似。螺紋件加工時，必須使回轉刀具的軸線和螺紋回轉零件的軸線之間滿足如圖1 的空間位置關系［11］。圖1 中砂輪的軸線和工件軸線空間交錯，偏移距離a，空間交錯角Σ。偏移距a和交錯角Σ 成為螺紋磨削中兩個重要參數，這兩個數值的變化直接影響到砂輪的廓形和所磨削的螺桿轉子的廓形［12］。

圖1 螺紋磨削的模型

2 砂輪的CNC 修型原理及結構

螺桿轉子磨床砂輪CNC 修型結構和傳動系統如圖2 所示［13-17］。在實際工作中，砂輪由專用的伺服電動機進行驅動，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機4 驅動實現修整輪的主運動，兩者裝在與砂輪軸線相垂直的導軌上，在電動機9 的驅動下，經絲杠5 傳動實現金剛輪沿砂輪徑向進給。修整金剛輪連同徑向進給驅動裝置(電動機9、絲杠5 和豎直運動導軌等)在電動機7 的驅動下，經絲杠6 傳動，沿著與砂輪軸線平行的導軌實現修整輪沿砂輪寬度方向的進給。通過以上兩個相互垂直的直線進給運動，可以完成砂輪的修型。

3 螺桿轉子修型工藝設計

3.1 修型空間坐標系定義

螺桿轉子數控精密磨削的空間坐標系如圖3 所示，其中VQW是金剛輪坐標系，OXYZ是螺桿轉子坐標系，O'X'Y'Z'是砂輪坐標系。在VQW坐標系中，兩個金剛輪大端面相向，以+V坐標軸對稱，兩金剛輪的軸線與+W軸同軸。在OXYZ坐標系中，螺桿轉子的軸線為+X軸，螺桿轉子的齒槽中心截面位于YOZ平面中。在O'X'Y'Z'砂輪坐標系中，砂輪的兩端平面相對X'O'Y'平面對稱，+X'軸為砂輪軸線。在VOW金剛輪坐標系與O'X'Y'Z'砂輪坐標系中，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'砂輪坐標系和OXYZ螺桿轉子坐標系中，螺桿轉子軸線+X和砂輪軸線+X'成空間交錯的異面直線，兩軸線之間的夾角為Σ，距離為a。

圖2 CNC 砂輪修整器結構原理

圖3 螺桿轉子磨削空間坐標系

數控螺桿轉子磨床的數控系統中的5 個運動控制通道依次為A、B、C、D和E;A通道控制磨床工作臺面沿X的進給運動;B通道控制砂輪頭架沿Y'方向的進給運動;C通道控制螺桿轉子繞X軸的旋轉運動;D通道控制金剛輪沿W向的進給運動;E通道控制金剛輪沿V向的進給運動。這樣只有W和V方向的進給運動時，可以實現砂輪的修型。當有砂輪架沿Y'向的進給、工作臺面帶動螺桿轉子沿X向進給和螺桿轉子繞X軸的轉動時實現螺桿轉子的磨削。在具體操作時，砂輪的修型和螺桿轉子的磨削分開進行，即在磨削的間隙對砂輪修型，修型完成后進行磨削。

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

螺桿轉子磨床的CNC 砂輪修整器的坐標系和相關尺寸定義如圖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，砂輪修型時金剛輪沿V和W兩個方向進給，兩個方向的聯動實現砂輪復雜廓形的修整。每次對砂輪的修型會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行修型，在砂輪修整過程中，對于砂輪廓形的計算依據砂輪和工件之間的距離。

3.3 砂輪修型工藝尺寸鏈的建立

應用螺桿轉子磨床的CNC 砂輪修整器進行砂輪修型時，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'位置是砂輪坐標系的零位，y'o1z'位置是采用砂輪進行螺桿轉子的磨削位置。VQW位置是金剛輪坐標系的零位，VQ'W是金剛輪進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、金剛輪從零位進給到砂輪的修型位置的進給量R501、金剛輪的最大輪緣直徑R535 和砂輪當前最大輪緣直徑R511。工藝尺寸鏈表達為

3.4 螺桿轉子磨削工藝尺寸鏈的建立

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

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

圖6 螺桿轉子磨削工藝尺寸鏈

在螺桿轉子的磨削工藝尺寸鏈中，相關尺寸包括砂輪的當前最大輪緣直徑為R511、螺桿轉子的齒槽最小直徑R521、砂輪沿-y'方向進給量R530、砂輪坐標系零位和螺桿轉子坐標系零位時兩坐標系沿y向的偏移量R531。螺桿轉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，是以砂輪的當前最大輪緣直徑R511 作為封閉環，此尺寸是螺桿轉子磨削工藝鏈的一個組成環。因此，可以將砂輪修型工藝尺寸鏈和螺桿轉子磨削工藝尺寸鏈組合成一個新的尺寸鏈，即可以通過金剛輪的進給尺寸值推算砂輪當前最大輪緣直徑，通過砂輪的當前最大輪緣直徑和砂輪的進給量可以計算出螺桿轉子的齒槽最小直徑。

螺桿轉子的齒槽最小直徑、金剛輪的最大輪緣直徑、金剛輪坐標系零位、砂輪坐標系零位都是已知參數。螺桿轉子的齒槽最小直徑是在螺桿轉子設計成型之后確定的固定參數，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，金剛輪坐標系零位和砂輪坐標系的零位是在機床調整后確定的固定參數。在兩個工藝鏈中，金剛輪的進給量R501 和砂輪的進給量R530 是隨砂輪最大輪緣直徑R511 的變化而變化的兩個參量。將砂輪修型工藝尺寸鏈和螺桿轉子磨削工藝尺寸鏈組合成一個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為砂輪的進給量R530。整體尺寸鏈可表示為

4 新型螺桿轉子的磨削工藝

螺桿轉子磨削工藝中所涉及的螺桿轉子齒槽最小直徑R521 是螺桿轉子最終表面的尺寸值。由此推算出的砂輪進給量R530 是砂輪的最大進給量，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，磨削時砂輪是從R530 -n×ε 位置開始，進行n次進給，單次進給量為ε，最終達到R530 位置。如圖8 所示，當砂輪快速進給到R533，即砂輪當前最大輪緣直徑R511 和螺桿轉子的頂圓直徑R520 在點P1位置接觸時，螺桿轉子的起始磨削位置，R533 =R530 -n×ε，即n×ε=(R520 -R521)/2。

5 結語

圖8 初始對刀尺寸鏈

雙螺桿空壓機螺桿轉子的數控磨削是保證螺桿轉子加工精度的關鍵。開發專用數控磨床、設計相應的磨削工藝是保證螺桿轉子加工精度、提高加工效率和降低生產成本的必由之路。本文以螺紋磨削理論為依據，分析了砂輪修型和螺桿轉子磨削中砂輪、金剛輪和螺桿轉子空間關系和相關尺寸之間的聯系，建立了砂輪修型和螺桿轉子磨削的工藝尺寸鏈，以砂輪直徑的變化量作為關聯尺寸建立了數控螺桿轉子磨床中砂輪修型和螺桿轉子磨削過程相關聯的整體尺寸鏈。通過在整體尺寸鏈中的尺寸換算，可以精確計算砂輪和螺桿轉子的軸線間距，為砂輪的精確廓形計算提供依據。同時將該尺寸鏈引入數控磨削程序編程中，實現不依靠在線檢測設備儀器也能準確判斷螺桿轉子的磨削工藝參數，即螺桿轉子的徑向進給量。對降低操作工的操作難度，保持機床加工質量的穩定性具有重要意義。

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