螺桿加工介紹
上個(gè)世紀70年代北京第一通用機械廠(chǎng)首次從國外引進(jìn)設備和技術(shù)開(kāi)始研制單螺桿壓縮機。由于單螺桿壓縮機具有壽命長(cháng)、效率高、運轉噪音低、體積小等一系列優(yōu)點(diǎn)，并廣泛應用于機械、船舶、石油、化工、輕紡等行業(yè)。
因此從上個(gè)世紀90年代起國內許多企業(yè)都在制造生產(chǎn)單螺桿壓縮機。

單螺桿壓縮機由兩個(gè)星輪和一個(gè)螺桿組成，其中每個(gè)星輪有11齒，螺桿有6個(gè)槽。工作時(shí)由螺桿帶動(dòng)星輪轉動(dòng)，螺桿和星輪的轉速比為11∶6，由于螺桿和星輪的齒形輪廓復雜，目前只有使用專(zhuān)用機床或者使用五座標數控機床才能加工。

早期星輪是使用專(zhuān)用機床加工出來(lái)的，目前星輪零件國內已有直接壓鑄成型的零件出售，已不在需要機床加工星輪。

使用五座標數控機床雖可以加工螺桿，但數控機床價(jià)格昂貴、編程復雜，目前國內使用的廠(chǎng)家很少。但可以肯定使用多軸數控機床銑削、磨削的加工方式是今后的發(fā)展方向。

本文介紹的機床是指為加工單螺桿特殊設計的專(zhuān)用機床。由于單螺桿專(zhuān)用機床的定比傳動(dòng)機構，差動(dòng)、旋轉進(jìn)給機構已被許多廠(chǎng)家廣泛應用，所采用的技術(shù)和結構大致相同。本文僅從下面幾個(gè)方面介紹國內現有單螺桿專(zhuān)用機床布局和結構的不同之處。

一、介紹機床的布局

壓縮機排氣量的大小決定了星輪、螺桿直徑的大小和嚙合中心距的大小，因此螺桿直徑的不同，機床的主軸與刀具的回轉中心也不同。為滿(mǎn)足加工不同直徑的螺桿，目前國內單螺桿加工機床的布局大致有以下幾種方案。

第一種：機床的主軸與刀具回轉中心的中心距為固定式

機床的主軸與刀具回轉中心的中心距為固定式，中心距不可調整。加工幾種直徑的螺桿就需要幾種中心距規格不同的機床。

優(yōu)點(diǎn)：機床的結構簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)：每種機床只能加工一種規格的螺桿，當市場(chǎng)上某種規格的壓縮機螺桿需要量大時(shí)，造成一臺機床加工，其他機床閑置。

第二種：機床的主軸箱為可回轉式

機床可根據加工螺桿直徑的大小在加工前把主軸箱旋轉一個(gè)角度。這種主軸箱能夠回轉的機床是對上述第一種機床在使用方法上的改進(jìn)，與第一種機床的結構基本相同。

優(yōu)點(diǎn)：機床的結構簡(jiǎn)單，能適應多種規格螺桿的加工。

缺點(diǎn)1：主軸箱旋轉后主軸回轉中心線(xiàn)與刀具回轉中心線(xiàn)間的距離不易精確測量。

缺點(diǎn)2：主軸箱旋轉后主軸前端面與刀具的回轉中心線(xiàn)間的距離減少，因此加工較大直徑的螺桿受到限制。

第三種：機床的主軸箱為橫向移動(dòng)式

主軸箱底部與底座之間布置有矩形滑動(dòng)導軌，主軸箱移動(dòng)的方向垂直于主軸回轉中心線(xiàn)并垂直于刀具回轉中心線(xiàn)。主軸箱的動(dòng)力通過(guò)花鍵軸傳給底座內的刀具進(jìn)給機構。

根據加工螺桿直徑的大小，在加工前用手輪絲杠進(jìn)給機構把主軸箱移動(dòng)到適當位置，然后用螺釘將主軸箱固定在底座上。主軸箱的移動(dòng)距離可用光柵尺檢測，位置誤差±0.005mm。

采用主軸箱可橫向移動(dòng)的一個(gè)機床就可以加工直徑φ95～φ385mm之間任何一種規格的螺桿。

由于加工φ95～φ385mm直徑的螺桿，造成主軸前端面與刀具回轉中心線(xiàn)間的距離差值過(guò)大，因此在實(shí)際應用時(shí)設計成兩種規格的機床，一個(gè)機床加工φ95～φ205mm直徑的螺桿，另一個(gè)機床加工φ180～φ385mm直徑的螺桿。

優(yōu)點(diǎn)：機床能適應多種規格螺桿的加工，每種規格的螺桿不需要配備相應的加工機床。

缺點(diǎn)：機床的結構和機床的裝配較前二種機床復雜，機床的造價(jià)也較前二種機床高。

二、介紹機床的主軸結構

機床主軸箱的水平主軸和底座上的立式的主軸精度的高低決定了被加工螺桿的精度，同時(shí)螺桿在壓縮機中以幾千轉的速度高速旋轉時(shí)，精度較差的螺桿會(huì )使壓縮機產(chǎn)生發(fā)熱、振動(dòng)、效率低、磨損快等現象。

國內目前現有的單螺桿加工機床主軸結構大致有以下兩種方案。

第一種：軸承徑向游隙不可調的主軸結構

主軸前軸承采用1個(gè)雙列圓柱滾子軸承和兩個(gè)推力球軸承組合，該主軸使用雙列圓柱滾子軸承承受徑向切削力，使用兩個(gè)推力球軸承承受軸向切削力。

主軸后軸承一般采用1個(gè)雙列圓柱滾子軸承或采用1個(gè)向心球軸承。

這種主軸結構的優(yōu)點(diǎn)：主軸的加工和裝配簡(jiǎn)單，造價(jià)較低。

缺點(diǎn)1：由于主軸軸承的徑向游隙不可調整，所以主軸精度較差。雖然可以利用軸承的內徑和軸徑的過(guò)盈配合來(lái)消除軸承的徑向游隙，但每個(gè)軸承的內徑和徑向游隙不是一個(gè)固定值，因此設計和加工時(shí)很難給準軸徑與軸承內徑的配合公差。

缺點(diǎn)2：在市場(chǎng)上很難買(mǎi)到國產(chǎn)或進(jìn)口的C、D級或P4、P5級的推力球軸承，機床生產(chǎn)廠(chǎng)常用普通級軸承替代使用，此舉也影響了主軸精度的提高。
軸承徑向游隙不可調的主軸結構適用于一般精度的普通機床，不適用于對主軸精度要求較高的機床。

第二種：軸承徑向游隙可調的主軸結構

主軸前軸承采用一個(gè)P4級圓錐孔的雙列圓柱滾子軸承和1個(gè)P4級的雙列向心推力球軸承組合。該主軸使用圓錐孔的雙列圓柱滾子軸承承受徑向切削力，使用雙列向心推力球軸承承受軸向切削力和部分徑向切削力。

主軸后軸承一般采用1個(gè)P5級圓錐孔的雙列圓柱滾子軸承。

圓錐孔雙列圓柱滾子軸承的內圈和配合軸徑均為1：12圓錐，用圓螺母鎖緊軸承則使軸承在軸向產(chǎn)生一個(gè)位移并使軸承的內圈膨脹，從而達到減少或消除軸承徑向游隙的目的。

這種主軸結構的優(yōu)點(diǎn)：主軸精度較高。在主軸前端面φ230mm直徑上測量主軸的端面跳動(dòng)值為0.010mm。在主軸前端φ230mm外圓上測量主軸的徑向跳動(dòng)值為0.005mm。第二種結構的主軸精度比第一種主軸精度提高50%左右。

這種主軸結構的缺點(diǎn)：

主軸的加工工藝較復雜，主軸的裝配也需要有經(jīng)驗的工人操作才能使主軸精度達到理想數值。

三、刀具進(jìn)給深度的控制

不同直徑的螺桿需要加工螺旋槽的深度也不同，螺旋槽的深度從幾十毫米到一百多毫米不等，刀具進(jìn)給機構大約需要旋轉進(jìn)刀幾千圈才能完成一個(gè)螺桿零件的加工。

由于刀具進(jìn)給機構在刀具旋轉的同時(shí)還要完成進(jìn)刀動(dòng)作，所以一些在普通機床上常用的機械、電氣控制切深的方法都不適用于單螺桿加工機床。

單螺桿加工機床的刀具進(jìn)給機構采用以下不同的方法都可以達到控制進(jìn)刀深度的目的。

第一種：摩擦離合器和電氣開(kāi)關(guān)控制刀具進(jìn)給深度

它的控制原理是刀具切深增大時(shí)刀具進(jìn)給機構的負載扭距增大，使刀具進(jìn)給機構傳動(dòng)鏈中的摩擦離合器打滑，一個(gè)機械連桿機構觸發(fā)電氣開(kāi)關(guān)并發(fā)出聲、光信號提示操作者，此時(shí)操作者人工操作斷開(kāi)刀具進(jìn)給機構的動(dòng)力。

這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是：控制方法簡(jiǎn)單及零件加工和操作不受突然斷電的影響。

缺點(diǎn)是：加工不同直徑的螺桿需要調整摩擦離合器壓緊碟簧的預緊力。

由于每個(gè)螺桿材質(zhì)的密度、硬度存在細微差異及刀具鋒利程度也存在差異，因此使這種控制方法的精度不太準確，可能導致螺桿螺旋槽的深度公差過(guò)大。

第二種：用電磁離合器、編碼器組合控制刀具進(jìn)給深度

刀具進(jìn)給系統中，裝有電磁離合器及一對用于檢測刀具轉動(dòng)圈數的測速齒輪和一個(gè)編碼器。

它的控制原理是刀具剛接觸螺桿表面時(shí)手工啟動(dòng)編碼器記數開(kāi)關(guān)，記數裝置則開(kāi)始記數，當刀具旋轉到事先設定的圈數時(shí)也就是達到切削深度時(shí)，電磁離合器自動(dòng)斷開(kāi)刀具進(jìn)給的動(dòng)力并發(fā)出聲、光信號提示操作者零件已加工完畢。

該檢測裝置通過(guò)數顯表顯示進(jìn)給圈數或進(jìn)給量。電磁離合器脫開(kāi)后，刀具只隨立軸旋轉并無(wú)進(jìn)給運動(dòng)。

這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是：螺桿螺旋槽的深度公差控制較準確，由于有數顯表顯示要加工的深度或圈數和已加工的深度或圈數，在操作上也很直觀(guān)和方便。

缺點(diǎn)是：機床的電氣控制較復雜同時(shí)這種控制方法在零件加工時(shí)如果廠(chǎng)區突然斷電，事先設定的數據會(huì )丟失。

如果在電氣控制中加入蓄電池，使之在斷電維初期維持檢測裝置的工作，上述問(wèn)題就可以得到解決。

四、齒輪傳動(dòng)間隙的控制

單螺桿加工機床在加工螺桿時(shí)，由于螺旋槽是在刀具旋轉和工件旋轉的合成作用下完成加工的。在剛切入工件時(shí)刀具在旋轉的切向方向上受到的走刀抗力較大，刀具在將要切出工件時(shí)在螺旋槽的作用下，刀具在旋轉的切向方向上受到的走刀抗較小，甚至是受到工件螺旋槽的推力。

由于存在著(zhù)機床箱體孔加工、齒輪加工等各種誤差，刀具旋轉軸的傳動(dòng)間隙過(guò)大，俗稱(chēng)曠量大。

檢測傳動(dòng)間隙過(guò)大的方法是將動(dòng)力輸入軸固定并左右旋轉晃動(dòng)輸出軸，如果是用常規的傳動(dòng)結構設計制造機床，輸出軸的傳動(dòng)間隙擺角在十幾度到幾十度。傳動(dòng)間隙過(guò)大造成螺桿的螺旋槽加工表面有明顯的接刀痕，從而影響了螺桿的加工精度。

機床在裝配完成后刀具旋轉軸的傳動(dòng)間隙過(guò)大，實(shí)際上是齒輪受各種誤差的影響，造成齒輪側隙的過(guò)大。

機床機械傳動(dòng)中的齒輪加工不管是采用幾級精度的，設計者考慮到齒輪的制造誤差、箱體中心距加工誤差、溫度變化、潤滑油膜厚度、裝配誤差等因素，機床傳動(dòng)設計必須保證齒輪傳動(dòng)留有一定的側隙，側隙的大小決定了齒輪齒厚公差的大小。

單螺桿加工機床的主傳動(dòng)結構有區別于其他機床的特殊性。為減小或得到合理的傳動(dòng)間隙目前單螺桿加工機床常采用以下兩種辦法。

第一種：在輸出軸上安裝抱閘

在刀具旋轉輸出軸外圓徑向對稱(chēng)位置裝有抱閘，抱閘前端頂住刀具旋轉輸出軸的外圓，抱閘為彈簧預緊。

抱閘的工作原理是靠抱閘產(chǎn)生的摩擦力來(lái)增大輸出軸阻尼，降低軸的旋轉靈敏度。

優(yōu)點(diǎn)是：抱閘結構簡(jiǎn)單并且不改變原有機床結構，這種方法間接地達到了減少傳動(dòng)間隙的目的，在實(shí)際應用中有一定的效果。

缺點(diǎn)1：彈簧預緊的抱閘由于對刀具輸出軸外圓施加了較大徑向力，實(shí)際上增大了機床的負載扭距，造成電機功率增大，同時(shí)齒輪、軸承磨損加快。
缺點(diǎn)2：彈簧預緊的抱閘由于對刀具輸出軸外圓施加了較大徑向力可能對刀具輸出軸的幾何精度造成負面影響。

第二種：雙齒輪傳動(dòng)

把主傳動(dòng)中所有主動(dòng)齒輪的齒寬增加1/3～1/2。把所有被動(dòng)齒輪做成兩層結構，一層齒輪是原有齒輪，另一層是用來(lái)減少傳動(dòng)間隙的齒輪，它的齒寬約是原有齒輪齒寬的1/3～1/2。用數個(gè)螺釘將兩個(gè)齒輪毛坯安裝在一起并擰死在再制齒。

制齒后將齒輪裝在機床傳動(dòng)軸上，松開(kāi)齒輪固定螺釘，將約1/3～1/2齒寬的齒輪朝著(zhù)該齒輪旋轉運動(dòng)相反的方向轉動(dòng)齒輪，轉動(dòng)角度的大小以齒輪長(cháng)期工作、最大溫升時(shí)齒輪側隙大于零。

雙齒輪傳動(dòng)的工作原理是用雙齒輪中較寬的齒輪傳遞動(dòng)力，較窄的齒輪起到減少傳動(dòng)間隙的作用。沿著(zhù)軸心線(xiàn)看調整后的兩層齒輪的齒形有微量錯位。

結構優(yōu)點(diǎn)：根據齒輪的實(shí)際制造誤差、箱體中心距實(shí)際加工誤差、等因素，調整齒輪的傳動(dòng)間隙使之在一個(gè)合理的范圍之內，與抱閘結構相比更合理、適用。

結構缺點(diǎn)：由于齒輪齒寬增加，傳動(dòng)軸的軸向尺寸加大，并且箱體上還要留有齒輪調整用的窗口，這種方法只適用于新設計的機床并且增加了機床的制造成本。

結論：本文從四個(gè)方面介紹了國內現有單螺桿加工機床的布局和結構，并把優(yōu)缺點(diǎn)一一列舉出來(lái)，由于壓縮機生產(chǎn)廠(chǎng)的單螺桿加工機床和機床資料對外保密，以上介紹難免有片面、不妥之處，因此僅供單螺桿壓縮機生產(chǎn)廠(chǎng)參考。