SK7032螺桿轉(zhuǎn)子磨床的設(shè)計研究*

周 斌 余建旬 楊 震 田廣利

（漢江機床有限公司螺磨所，陜西安江723000）

異型螺桿轉(zhuǎn)子廣泛應(yīng)用于礦山、化工、動力、冶金、建筑、機械、制冷、輕工等行業(yè)的機械設(shè)備中，這些零件齒面形狀各異，精度要求高，加工難度也較大，其中，以螺桿壓縮機、冷凍機、工業(yè)泵螺桿轉(zhuǎn)子精度要求最高，最具代表性。

以螺桿壓縮機為例:螺桿壓縮機最重要的零件就是一對相互嚙合的螺旋狀陰陽轉(zhuǎn)子，其幾何尺寸和端面齒形是壓縮機性能和效率最重要的決定因素，轉(zhuǎn)子間的嚙合間隙，轉(zhuǎn)子齒頂與機殼的內(nèi)孔間隙，都是依靠轉(zhuǎn)子零件加工精度來保證的。平均直徑大約200 mm，間隙只要擴大0.01 mm壓縮機容積效率就降低1%左右;排氣端面間隙由0.03 mm增大到0.08 mm，壓縮機的比功率消耗提高約1.5%。由于工藝水平的關(guān)系，國內(nèi)企業(yè)一般只要求轉(zhuǎn)子齒面的分度誤差、導(dǎo)程誤差及嚙合副的嚙合間隙，制造精度較低。

1 異型螺桿轉(zhuǎn)子零件工藝分析

轉(zhuǎn)子的齒面是復(fù)雜的三維曲面，目前多采用專用銑床銑削、滾刀切削、旋風銑削、銑削后再磨削等工藝方法。由于螺桿轉(zhuǎn)子齒數(shù)少，螺旋升角大，采用銑削加工計算復(fù)雜，刀具制造要求高，加工精度低。而銑削后精密磨削的加工方法，降低了粗加工對設(shè)備及刀具的要求，能有效地提高螺桿轉(zhuǎn)子的加工精度，減小轉(zhuǎn)子的嚙合間隙，同時可減少壓縮過程中氣體的泄漏。圖2為某型號壓縮機陰、陽轉(zhuǎn)子零件加工圖。

圖示陰、陽轉(zhuǎn)子為第三代非對稱型線，端面齒曲線采用圓、橢圓、拋物線等多段曲線組成，使轉(zhuǎn)子齒面由線密封改進為帶密封，可提高密封效果，還有利于形成潤滑油膜，減少齒面磨損，但其轉(zhuǎn)子齒面為復(fù)雜空間螺旋面的加工。按照用戶要求:轉(zhuǎn)子齒形精度按轉(zhuǎn)子端面形狀檢測，比較轉(zhuǎn)子端面曲面坐標與理論坐標在曲面法線方向上的誤差值＜0.015 mm。

2 轉(zhuǎn)子磨床的設(shè)計及難點

通過以上工藝要求不難看出，轉(zhuǎn)子磨削屬于精密復(fù)雜螺旋面加工，它有如下特點:

（1）磨削精度高，齒形要求0.015 mm以內(nèi)，滿足轉(zhuǎn)子零件精度要求，是機床設(shè)計首先要解決的問題。

（2）磨削時接觸面大，壓縮機轉(zhuǎn)子最大齒深要達到90 mm，砂輪最寬達120 mm，因此，磨削抗力大，主電動機功率達到數(shù)十千瓦;

（3）磨削時螺旋升角一般在45°以上，最大要達到60°，在主軸、主電動機、砂輪修整器的共同作用下，砂輪架工作時不穩(wěn)定，易顛覆，保證轉(zhuǎn)子零件加工時機床的剛性問題也是機床設(shè)計要解決的問題。

（4）螺桿轉(zhuǎn)子磨削是緩進深切、大流量高壓冷卻，強力磨削，對磨具乃至整個機床提出更高的要求。

因此，我們認為數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床的精度分析及補償方法、磨削時砂輪架、磨具的剛性及穩(wěn)定性、以及砂輪主軸及機床的防護是機床設(shè)計、制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。漢機公司傳統(tǒng)螺紋磨削設(shè)備無法滿足上述使用要求。

針對螺桿轉(zhuǎn)子加工特點及以上分析，設(shè)計組在設(shè)計中抓住關(guān)鍵環(huán)節(jié)，強化機床剛性設(shè)計、高精度設(shè)計。

3 數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床的總體設(shè)計及結(jié)構(gòu)

數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床的整體結(jié)構(gòu)由床身、頭架、尾架、砂輪架、修整器、砂輪主軸等部件組成，機床布局及傳動示意圖如圖3所示。

該機床采用整體式T字形床身，用于支撐墊板、砂輪架、工作臺（Z軸）和頭架（C軸）、尾架、修整器（A軸）等部件。床身后部加裝的墊板上安裝砂輪架（X軸、B軸）、數(shù)控砂輪修整器（V軸、W軸）。機床由SIEMENS 840D系統(tǒng)控制實現(xiàn)八軸四聯(lián)動。八軸的定義為:X軸，砂輪架進給運動;Z軸，工作臺縱向運動;C軸，頭架主軸回轉(zhuǎn)運動;V軸，修整器滑座垂直運動;W軸，修整器拖板水平運動;A軸，修整輪主軸回轉(zhuǎn)運動;B軸，砂輪架垂直平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)運動;SP軸，砂輪主軸伺服回轉(zhuǎn)運動。

通過配置的SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)擬控制頭架旋轉(zhuǎn)、工作臺運動、砂輪架進給、修整器兩個方向運動、砂輪架螺旋升角自動回轉(zhuǎn)。機床八軸四聯(lián)動可實現(xiàn)各種加工運動。采用系統(tǒng)的電子齒輪箱功能擴大導(dǎo)程范圍。X、Z、V、W直線軸傳動方式為交流伺服電動機驅(qū)動高精度絲杠副旋轉(zhuǎn)，絲杠螺母帶動相關(guān)執(zhí)行元件做直線運動。絕對值式直線光柵尺反饋執(zhí)行元件位置，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

機床的各主要部件均安裝在床身上，通過工作臺與頭架復(fù)合運動完成螺紋運動，工件通過夾具安裝在頭架上，工件回轉(zhuǎn)運動（C軸）由交流伺服電動機通過聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動高精度消隙蝸輪蝸桿副回轉(zhuǎn)帶動工件運動，角度編碼器反饋工件位置，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

4 數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床的主要部件結(jié)構(gòu)特點

4.1 床身

床身是機床的基礎(chǔ)件，主要用于砂輪架、工作臺、頭尾架的支撐，數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床采用傳統(tǒng)T形結(jié)構(gòu)設(shè)計，使機床具有高剛度、高熱穩(wěn)定性和良好的抗振性等優(yōu)點。在設(shè)計中對床身進行了動剛度分析和拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改進了床身結(jié)構(gòu)尺寸和筋板的布置形式，提高了機床的整體剛度，使機床在工作過程中產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)低階固有頻率得到提高，且振型合理如圖4。

4.2 頭架

數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床頭架安裝在工作臺左側(cè)，并且在工作臺面上可調(diào)整位置，工件主軸兩端采用高精度軸承支撐，伺服電動機通過高精度蝸輪蝸桿副帶動主軸回轉(zhuǎn)。為保持頭架精度，主軸選用淬硬材料。用于分度的蝸輪－蝸桿副，采用高精度雙節(jié)軸向式消隙蝸輪副結(jié)構(gòu)形式，通過調(diào)節(jié)雙節(jié)蝸桿之間間隙，消除蝸輪－蝸桿正、反轉(zhuǎn)間隙。蝸輪－蝸桿副采用油池潤滑，以提高使用壽命。工件主軸后端安裝角度編碼器，實現(xiàn)全閉環(huán)控制，提高頭架旋轉(zhuǎn)定位精度。圖5、6為頭架三維結(jié)構(gòu)圖。

4.3 砂輪架

砂輪架安裝在床身后部加裝的墊板上，在磨削加工過程中，砂輪架的動態(tài)特性直接影響整臺機床的加工性能和精度。課題研究人員以螺桿轉(zhuǎn)子磨床的砂輪架方案為研究對象，利用ANSYS Workbench有限元分析軟件對其進行動態(tài)特性分析，采用方案對比優(yōu)選的方法優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，并通過靜力分析驗證綜合方案的可行性。所建立的砂輪架三維參數(shù)化模型如圖7所示。有限元模型如圖8所示。

對優(yōu)化前后的砂輪架分別進行靜力分析，分析結(jié)果表明，優(yōu)化前后砂輪架的位移變形云圖和等效應(yīng)力云圖沒有顯著差異，最大位移變形和最大等效應(yīng)力都發(fā)生在砂輪修整器安裝處。優(yōu)化后砂輪架的最大等效應(yīng)力相對原砂輪架減小了5.44 kPa，最大位移變形只增大了0.076 7 μm，砂輪架靜剛度幾乎不受影響。通過對砂輪架的模態(tài)分析和優(yōu)化，有效提高了砂輪架以及機床的剛性。

4.4 砂輪數(shù)控修整技術(shù)

柔性砂輪數(shù)控修整技術(shù)提供了全面完成廓形的修整方法，包括常規(guī)單拐點、多拐點、漸開線及其他復(fù)雜曲線修整，也能將多種曲線柔合到一起修整。

機械部分由兩個伺服軸組成。由伺服電動機驅(qū)動高精度絲杠螺母系統(tǒng)，帶動金剛碟輪做插補運動，利用包絡(luò)成形修整原理實現(xiàn)復(fù)雜曲面的生成。圖9為數(shù)控砂輪修整器。

利用機床數(shù)控系統(tǒng)，完成變參數(shù)條件下砂輪截型的適時計算和數(shù)控修整程序的自動生成任務(wù)。為保證工件齒形精度，軟件設(shè)置齒形修整校正功能，可通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)達到合格齒形，同時在精度分析及誤差補償?shù)幕A(chǔ)上，逐步完善修整補償軟件。圖10為轉(zhuǎn)子加工刀具廓形圖，圖11為轉(zhuǎn)子加工仿真圖。

4.5 機床砂輪主軸

采用了高精度滾動軸承結(jié)構(gòu)形式。滾動軸承結(jié)構(gòu)形式在漢機公司已廣泛用于螺紋磨床，其幾何精度符合要求，并有一定的儲備量，在適當?shù)哪ハ鞴に囍笇?dǎo)下，磨出的工件表面質(zhì)量可穩(wěn)定達到Ra0.2 μm。砂輪主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)采用交流變頻的方法，可實現(xiàn)砂輪恒線速控制。

表1 機床主要設(shè)計參數(shù)分析

表2 機床主要功能設(shè)計分析

4.6 機床的母絲杠

采用高精度的滾珠絲杠。母絲杠的支承采用進口的高精度滾動軸承，保證了工作精度和穩(wěn)定性。在工作臺前面裝有直線光柵尺，為全閉環(huán)位置反饋元件，可校正加工工件螺距的累積誤差和相鄰誤差。

5 國外同類機床設(shè)計指標分析

數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床是國內(nèi)首臺套精密轉(zhuǎn)子加工設(shè)備，課題設(shè)計人員設(shè)計時認真分析零件加工工藝，充分調(diào)研用戶市場，仔細分析、研究了國外標桿企業(yè)相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計理念、設(shè)計參數(shù)，結(jié)合企業(yè)自身特點開發(fā)的螺桿轉(zhuǎn)子精密加工設(shè)備，見表1、2。

6 結(jié)語

SK7032數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床的設(shè)計基于對工件要求及工藝的仔細分析，得出轉(zhuǎn)子加工對機床功能的要求，找出機床設(shè)計的難點及要點，要突破的關(guān)鍵核心技術(shù)，采用虛擬仿真、誤差分析建模、精度補償技術(shù)和現(xiàn)場測試相結(jié)合的分析方法，從整機集成設(shè)計入手，利用現(xiàn)代先進制造技術(shù)、精度補償技術(shù)，熱補償技術(shù)實現(xiàn)機床的功能，設(shè)計開發(fā)數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床。

螺桿轉(zhuǎn)子精密加工設(shè)備——SK7032系列數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床，我國以前還不能生產(chǎn)，更沒有成熟的產(chǎn)品供應(yīng)市場，相關(guān)企業(yè)的產(chǎn)品需求完全依賴進口。SK7032系列數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床填補了國家空白，是國內(nèi)首臺套精密轉(zhuǎn)子加工設(shè)備，目前已有十余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(zhì)量超過進口機床，獲得業(yè)內(nèi)人士的高度評價。

［1］周斌，魏偉鋒.國內(nèi)外螺桿轉(zhuǎn)子精密加工設(shè)備綜述［J］.制造技術(shù)與機床，2011（12）.

［2］趙永強，李志鋒、魏偉鋒，等.轉(zhuǎn)子磨床CNC砂輪修整器的砂輪初始修型方法研究［J］.制造技術(shù)與機床，2012（6）.

［3］國內(nèi)首臺套數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床亮相CCMT［J］.機械研究與應(yīng)用，2010（3）.