螺桿轉(zhuǎn)子齒形臺(tái)階的橫軋精確成形

鄭振華

(1.北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 北京 100083; 2.零件近凈軋制成形教育部工程研究中心, 北京 100083)

0 引言

與傳統(tǒng)的往復(fù)式壓縮機(jī)比較,螺桿壓縮機(jī)以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)代替往復(fù)運(yùn)動(dòng),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]。螺桿壓縮機(jī)的可適用工作介質(zhì)范圍比較廣,可以是氣體、干蒸汽或多相混合物等,已被用于空氣壓縮機(jī)、熱泵和制冷設(shè)備等多個(gè)行業(yè)[2]。螺桿轉(zhuǎn)子是螺桿壓縮機(jī)的關(guān)鍵零件,是一種典型的軸類件,其主要部分是一個(gè)具有復(fù)雜截面的螺旋形狀臺(tái)階。這種具有復(fù)雜截面的螺旋臺(tái)階的制造是一個(gè)工業(yè)難點(diǎn)也是一個(gè)研究熱點(diǎn)。它的傳統(tǒng)加工工藝為:毛坯是圓鋼,先進(jìn)行銑削加工制坯,后進(jìn)行磨削精加工成形[3-6]。在進(jìn)行銑削加工時(shí),需要銑掉很大比例的多余金屬(凹槽位置),材料利用率很低,同時(shí)還需要專用的銑刀和復(fù)雜的數(shù)控加工工藝[2],既耗時(shí),又造成生產(chǎn)成本高。因此,許多研究人員也在進(jìn)行著大量的試驗(yàn),尋求螺桿轉(zhuǎn)子的新制造方法。Lee等[2]提出了一種生產(chǎn)螺桿轉(zhuǎn)子的樹脂傳遞模塑(resin transfer molding,RTM)新方法,但是該工藝只能用于碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料轉(zhuǎn)子的制造。李文杰等[7]將快速成型技術(shù)(rapid prototyping,RP)引入螺桿轉(zhuǎn)子的制造中,該技術(shù)具有材料利用率高、生產(chǎn)靈活的優(yōu)點(diǎn),但存在效率低、成本高等缺點(diǎn)。

楔橫軋是一種軸類零件的先進(jìn)成形技術(shù),具有生產(chǎn)效率高、成形精度高、質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。如能將楔橫軋技術(shù)應(yīng)用于螺桿轉(zhuǎn)子的制造中,則可有效提高螺桿的生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)的楔橫軋工藝研究與應(yīng)用主要集中在回轉(zhuǎn)體軸類件,如空心軸[10]、主動(dòng)軸[11]、空心軸頭[12]、雙金屬層合軸[13]等。螺桿轉(zhuǎn)子是一種典型的軸類件,但是其齒形臺(tái)階是螺旋狀的,不是回轉(zhuǎn)體,且截面復(fù)雜。很多學(xué)者也在非圓截面的楔橫軋精確成形上進(jìn)行了探索。鄭振華等研究了凸輪臺(tái)階楔橫軋成形過(guò)程的軋輥與軋件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的輥型曲線,并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬,結(jié)果表明采用楔橫軋成形凸輪臺(tái)階是可行的[14]。胡發(fā)國(guó)等研究了橢圓截面軸類件的楔橫軋精確成形[15]。對(duì)于帶齒臺(tái)階軸和螺旋狀臺(tái)階軸的楔橫軋成形,波蘭的Pater等對(duì)楔橫軋軋制帶有斜齒臺(tái)階的軸類件和梯形蝸桿軸進(jìn)行了熱力學(xué)分析,結(jié)果表明:楔橫軋可用于成形2618鋁合金斜齒軸類件和蝸桿軸[16]。于杰等[17]研究了楔橫軋成形圓柱直齒輪軸,分析了影響齒成形的相關(guān)因素,提出了提高齒成形質(zhì)量的方法。閆華軍等[18]分析了螺旋升角對(duì)楔橫軋?zhí)菪温菁y軸成形的影響。這些研究表明,螺旋臺(tái)階軸和帶齒臺(tái)階軸是可以通過(guò)軋制進(jìn)行精確成形的,但研究的對(duì)象局限于小模數(shù)齒輪或小螺距蝸桿。螺桿轉(zhuǎn)子的齒數(shù)少(一般小于10)、齒高大、橫截面的輪廓曲線復(fù)雜、螺距大,這些特點(diǎn)增加了其精密軋制成形的難度。近年來(lái),北京科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了定軸精密橫軋螺桿轉(zhuǎn)子的新方法,并取得了一定的成果,楊光等計(jì)算了定軸橫軋陰轉(zhuǎn)子的輥型曲線,進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和有限元仿真,結(jié)果驗(yàn)證了采用定軸橫軋精密成形螺桿陰轉(zhuǎn)子是可行的[19-20]。本文中將采用有限元分析和軋制實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,針對(duì)一種新型具有對(duì)稱齒形截面的螺桿轉(zhuǎn)子臺(tái)階,研究其橫軋精確成形過(guò)程,分析其精確成形機(jī)理,并對(duì)成形結(jié)果進(jìn)行精度分析,研究結(jié)果將進(jìn)一步擴(kuò)展非圓復(fù)雜截面臺(tái)階的精確軋制成形理論,為螺桿轉(zhuǎn)子制造提供一種新途徑,有效減少螺桿轉(zhuǎn)子的機(jī)加工量,降低螺桿轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)成本。

1 橫軋螺桿轉(zhuǎn)子齒形臺(tái)階成形原理

1.1 目標(biāo)螺桿轉(zhuǎn)子

不同螺桿壓縮機(jī)中使用的螺桿轉(zhuǎn)子也是不一樣的,且其橫截面的齒形輪廓曲線也不同。本文中研究的對(duì)象是一種新型轉(zhuǎn)子,如圖1(a)所示。它由7個(gè)齒組成,單個(gè)齒形由兩側(cè)的漸開線齒廓、齒頂圓弧和齒根圓弧組成。截面形狀如圖1(b)所示。藍(lán)線為目標(biāo)輪廓,紅線為成品輪廓。

1.2 齒形臺(tái)階的橫軋成形原理

如圖2所示,齒形臺(tái)階的橫軋精確成形是一個(gè)熱塑性變形過(guò)程,圓棒料被加熱到指定溫度后,送入軋機(jī)的進(jìn)料位置。上下2個(gè)帶有特定輪廓曲線的軋輥同方向旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)圓棒料反方向旋轉(zhuǎn),在軋輥特定齒形輪廓的作用下,圓棒料實(shí)現(xiàn)部分徑向壓縮和部分徑向增高,最終成形為所需齒形截面的臺(tái)階。

圖2 齒形軋制原理

與傳統(tǒng)的圓柱回轉(zhuǎn)臺(tái)階軋制成形不同,軋制齒形臺(tái)階的輥型曲線不再是圓弧,它是根據(jù)齒形臺(tái)階的橫截面齒形輪廓形狀,并由軋輥與軋件之間進(jìn)行共軛運(yùn)動(dòng)的關(guān)系進(jìn)行求解而得到的[14,19-20]。

1.3 齒形臺(tái)階的橫軋成形過(guò)程設(shè)計(jì)

本文中目標(biāo)齒形的齒高為6.4 mm,難以一次成形,因此,根據(jù)齒形輪廓,設(shè)計(jì)了3個(gè)成形階段完成整個(gè)齒形的成形,如圖3所示。在咬入階段,實(shí)現(xiàn)初步軋制和分齒。在第二階段,軋輥齒形輪廓升高,實(shí)現(xiàn)對(duì)已分齒的臺(tái)階進(jìn)一步進(jìn)行軋制,完成大部分齒形輪廓的成形。最后,在第三階段,軋輥輪廓進(jìn)一步小量升高到最終尺寸,齒形完全軋制到位,并進(jìn)行相應(yīng)的精整軋制,提高齒形成形精度。

圖3 齒形軋制輥型曲線

2 有限元仿真與分析

2.1 有限元模型

本文中選取Defrom-3D軟件進(jìn)行橫軋精確成形螺桿齒形臺(tái)階的數(shù)值模擬。有限元三維模型由上下軋輥、軋件和導(dǎo)板組成,如圖4所示。由于橫軋齒形臺(tái)階是一個(gè)熱塑性變形過(guò)程,軋件的塑性變形量大,相比之下軋件的彈性變形可以忽略,因此將軋件設(shè)置為塑性體。同時(shí),在實(shí)際軋制過(guò)程中,軋輥與導(dǎo)板的變形量很小,也可以忽略,因此在模擬中將軋輥和導(dǎo)板設(shè)置為剛體。此外,在模擬軋制過(guò)程中,上下軋輥設(shè)置為繞各自中心線同方向旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速為8 r/min,軋件不施加任何方向的約束,導(dǎo)板設(shè)置為固定,軋件與軋輥、導(dǎo)板之間為自動(dòng)接觸模式。選擇軋件與軋輥之間的摩擦類型為剪切摩擦,系數(shù)為1.5,忽略軋件與導(dǎo)板之間的摩擦。

圖4 齒形臺(tái)階橫軋有限元模型

軋件的材料為45#鋼,材料參數(shù)取自軟件的材料庫(kù)。模擬時(shí),軋件初始溫度為950 ℃,軋輥、導(dǎo)板和環(huán)境溫度均設(shè)置為20 ℃。軋輥與軋件之間的接觸傳熱系數(shù)為2.0×104W/(m2·℃),忽略導(dǎo)板與軋件之間的傳熱。軋件的初始網(wǎng)格數(shù)量為1.13×105。

2.2 有限元模擬結(jié)果

模擬軋制成形的螺桿轉(zhuǎn)子齒形臺(tái)階如圖5所示。從圖5(a)中可以看出,數(shù)值模擬成形的齒形臺(tái)階成形效果良好,橫截面輪廓圖5(b)顯示齒形分度正確,齒形飽滿,未出現(xiàn)亂齒等現(xiàn)象。

圖5 齒形臺(tái)階橫軋有限元模擬結(jié)果Fig.5 FEM result of cross rolling of teeth step

2.3 齒形臺(tái)階的成形過(guò)程

齒形臺(tái)階的成形過(guò)程如圖6所示。從齒形臺(tái)階的中間橫截面看,軋件的初始橫截面為圓形,在咬入階段完成后,如圖6(a)所示,圓形變形為7個(gè)均勻的淺齒部分。在成形階段,如圖6(b)所示,軋輥對(duì)軋件進(jìn)一步軋制,由于齒根和齒側(cè)位置在軋輥的擠壓作用下,相應(yīng)位置的金屬進(jìn)一步流動(dòng),齒根圓變小,齒頂圓增大,齒形進(jìn)一步長(zhǎng)高。最后,如圖6(c)所示,在精整段結(jié)束后,完成了整齒的成形,齒高達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,這與輥型曲線設(shè)計(jì)相符。

圖6 齒形臺(tái)階橫軋成形過(guò)程

2.4 成形過(guò)程的等效應(yīng)力分布

成形過(guò)程3個(gè)典型階段橫截面上的等效應(yīng)力分布如圖7所示。從圖可以看出,最大的等效應(yīng)力均分布在軋輥和軋件的接觸區(qū)域,并且沿著接觸區(qū)的法線往軋件內(nèi)部方向逐漸減小。當(dāng)軋件滾動(dòng)到咬入階段結(jié)束時(shí)(如圖7(a)),軋輥和軋件的接觸區(qū)仍然比較大,軋輥上的模具齒形壓入軋件,在接觸區(qū)域產(chǎn)生擠壓作用,在軋件上形成類似齒根形狀的淺齒輪廓,最大應(yīng)力分布在齒根底部,約為350～430 MPa。

圖7 齒形臺(tái)階中間橫截面上的等效應(yīng)力分布

從圖7(b)可以看出,隨著軋制的進(jìn)行,在第二階段成形結(jié)束時(shí),軋輥的模具齒形更高,進(jìn)一步壓入已成形的淺齒齒根凹槽中,形成更深的凹槽輪廓,整個(gè)齒形輪廓接近完成,整個(gè)接觸區(qū)域仍存在較大的應(yīng)力,最大應(yīng)力約為400 MPa,應(yīng)力分布范圍大于咬入階段。圖7(c)顯示了精整階段結(jié)束時(shí)的應(yīng)力分布情況。在精整時(shí),軋輥與軋件的接觸面與前兩個(gè)階段有所不同,此時(shí)的接觸類似于齒輪嚙合,接觸面比前兩個(gè)階段小,最大應(yīng)力約為350 MPa。在精整段,主要完成齒形的局部修形。

成形過(guò)程3個(gè)典型階段縱截面上的等效應(yīng)力分布情況如圖8所示。與橫截面上的應(yīng)力分布一樣,高應(yīng)力主要分布在軋輥和軋件的接觸區(qū)域,在咬入和成形階段,軋輥不斷壓入軋件,較高的應(yīng)力分布在軋件的齒根部和齒側(cè)面。在軸向方向上,相鄰模具齒形形成了相對(duì)封閉的區(qū)域,齒側(cè)較高的應(yīng)力促進(jìn)了相鄰模具齒形之間的金屬向模具齒形的根部進(jìn)行流動(dòng),這個(gè)金屬流動(dòng)促進(jìn)了軋件上齒頂?shù)某尚巍?/p>

圖8 齒形臺(tái)階縱截面上的等效應(yīng)力分布

2.5 成形過(guò)程的等效應(yīng)變分析

在成形過(guò)程中,3個(gè)階段橫截面上的等效應(yīng)變分布如圖9所示。從圖9可以看出,等效應(yīng)變隨著軋制過(guò)程的進(jìn)行而累積。在咬入階段(圖9(a)),應(yīng)變僅發(fā)生在咬合區(qū)域,變形還未深入到軋件中心,軋件中心的應(yīng)變?yōu)?。在第二階段成形后(圖9(b)),接觸區(qū)的最大等效應(yīng)變從咬入段結(jié)束時(shí)的2.25增大到4.22,變形區(qū)域也變得更大。

圖9 齒形臺(tái)階中間橫截面上的等效應(yīng)變分布

在精整結(jié)束時(shí)(圖9(c)),橫截面上的等效應(yīng)變達(dá)到最大,最大值為6.1,位于軋件的齒根區(qū)域,這是因?yàn)樵谡麄€(gè)成形過(guò)程中,齒根區(qū)域的徑向壓下量最大。成形結(jié)束時(shí),應(yīng)變也進(jìn)一步擴(kuò)大到整個(gè)橫截面,并已深入到軋件的中心區(qū)域。

圖10顯示了3個(gè)典型位置縱截面上的等效應(yīng)變分布。如圖10(a)所示,在咬入階段時(shí)等效應(yīng)變出現(xiàn)在接觸表面及附近區(qū)域,軋件上的齒頂和中心位置還未發(fā)生變形。

圖10 齒形臺(tái)階縱截面上的等效應(yīng)變分布

在圖10(b)所示的第二階段結(jié)束時(shí),變形區(qū)域擴(kuò)展,但齒的頂部區(qū)域的應(yīng)變小于齒底和齒側(cè),這是因?yàn)檐堉瞥尚芜^(guò)程中齒頂?shù)慕饘僦饕鞘艿烬X側(cè)和齒底金屬的變形而流動(dòng),并非自身金屬承受大的應(yīng)變而成形。在圖10(c)中,齒形完全形成,應(yīng)變分布表明齒根區(qū)域金屬的變形比齒頂區(qū)域金屬的變形更劇烈。

2.6 成形過(guò)程的軋制力變化

上軋輥在軋制過(guò)程中承受的軋制力情況如圖11所示。3個(gè)方向的軋制力都存在小幅振蕩,這是由于軋件齒在成形過(guò)程中與模具齒的嚙合時(shí)接觸面變化導(dǎo)致的。對(duì)于徑向和橫向軋制力,在咬入階段的前半部分,軋制力迅速增大到一個(gè)峰值,而后在咬入階段的后半部分出現(xiàn)軋制力下降,這是由于軋輥的咬入階段模具齒數(shù)為8,這樣在前半部分,變形是從無(wú)齒形到初步形成淺齒形,變形量較大,而后半部分是對(duì)已成形的淺齒凹槽進(jìn)行修正,變形量小,軋制力下降。在成形和精整階段,軋制力保持在一個(gè)穩(wěn)定值附近小幅振蕩,最后隨著軋制的結(jié)束,軋制力減小到0。

圖11 上軋輥的軋制力

對(duì)比3個(gè)方向上的軋制力,徑向軋制力最大,可見(jiàn)主要變形發(fā)生在徑向方向,最大徑向力達(dá)到150 kN左右,軸向力最小,基本在0～10 kN振蕩,由此可見(jiàn),軋件金屬的軸向變形非常小,未造成軸向竄動(dòng),這也符合成形設(shè)計(jì),主要實(shí)現(xiàn)軋件徑向方向上的壓縮與長(zhǎng)高,控制金屬的軸向流動(dòng)。

3 齒形精度分析

3.1 齒形臺(tái)階軋制成形實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證螺桿轉(zhuǎn)子齒形臺(tái)階橫軋精確成形的可行性,進(jìn)行了相應(yīng)的軋制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)是在北京科技大學(xué)的UH400臥式楔橫軋機(jī)上進(jìn)行的,如圖12所示。兩個(gè)軋輥水平布置,每個(gè)軋輥都由伺服電機(jī)直接單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。軋件的加熱采用的是電阻加熱爐。具體軋制工藝參數(shù)與有限元模擬的參數(shù)相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。經(jīng)檢查,外觀齒形完整,且未發(fā)現(xiàn)亂齒。

圖12 UH400臥式楔橫軋機(jī)

圖13 軋制的齒形臺(tái)階軋件

3.2 齒形輪廓精度分析

為了準(zhǔn)確分析軋制成形的螺桿轉(zhuǎn)子齒形臺(tái)階的精度,截取該臺(tái)階的中間截面,其橫截面輪廓如圖14所示。從圖可以看出,軋件的橫截面輪廓與設(shè)計(jì)輪廓(藍(lán)線)吻合得較好,外形輪廓覆蓋了軋件的最終成品輪廓(紅線)。

圖14 實(shí)驗(yàn)軋件橫截面(臺(tái)階中間位置)

本文中選取了在給定半徑上齒兩側(cè)的實(shí)驗(yàn)輪廓與設(shè)計(jì)輪廓之間的距離作為誤差值,進(jìn)行成形精度的定量評(píng)估,如圖15所示。選取14～19 mm的6個(gè)不同半徑位置,共84個(gè)位置,測(cè)量了實(shí)驗(yàn)輪廓的誤差值,具體誤差值如圖16所示。從圖中可以看出,所有測(cè)量點(diǎn)的誤差值均在-0.71～1.2 mm,誤差較小,齒形臺(tái)階的成形精度高,這也證明了采用橫軋對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子齒形臺(tái)階進(jìn)行精確成形是可行的。

圖15 誤差測(cè)量位置

圖16 齒形臺(tái)階中間橫截面齒形誤差

4 結(jié)論

1) 分析了螺桿轉(zhuǎn)子的齒形臺(tái)階輪廓,設(shè)計(jì)了3個(gè)成形階段來(lái)實(shí)現(xiàn)齒形的精確軋制成形,數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用橫軋方法實(shí)現(xiàn)齒形臺(tái)階的精確成形是可行的。

2) 成形過(guò)程中,最大的應(yīng)力應(yīng)變均分布在軋件的齒根接觸區(qū)。軋件齒頂?shù)某尚沃饕怯捎邶X根和齒側(cè)金屬的受壓流動(dòng)而成的,齒根的變形比齒頂變形更加劇烈。

3) 成形過(guò)程中,徑向軋制力最大,橫向軋制力次之,軸向軋制力最小,軋件的主要變形發(fā)生在徑向。

4) 測(cè)量了實(shí)驗(yàn)軋件中間截面的齒形輪廓誤差,所有測(cè)量點(diǎn)的誤差值在-0.71～1.2 mm,齒形臺(tái)階的成形精度高。