PC型單螺桿壓縮機(jī)

1、PC 型 單 螺 桿 壓 縮 機(jī) 介紹了PC型的特點(diǎn)、齒廓、加工方法及其專用機(jī)床。主題詞：PC蝸桿壓縮機(jī) 齒廓 加工方法前 言單螺桿壓縮機(jī)有CC、CP、PC和PP四種類型（圖1）。CP型于六十年代研制成功，是四種單螺桿壓縮機(jī)中問(wèn)世最早的一種，其實(shí)用范圍為140m3/minkW。由于PC型的問(wèn)世以及其它類型壓縮機(jī)在節(jié)能技術(shù)方面的進(jìn)步，CP型的實(shí)用下限已大于6m3/min。然而目前國(guó)內(nèi)單螺桿壓縮機(jī)的研制工作不僅集中在CP這一種機(jī)型上而且絕大多數(shù)在小于6m3/min的范圍內(nèi)，最大僅m3/min。由于沿用國(guó)外陳舊、落后的設(shè)計(jì)等原因，國(guó)產(chǎn)CP型不僅能耗大（3m3/min的比功率6.6kW/(m3/min

2、-1)，比活塞式高10%），而且由于加工精度低，在運(yùn)轉(zhuǎn)中隨著嚙合副的迅速磨損，比功率越來(lái)越大，整機(jī)也因此很快報(bào)廢。為提高設(shè)計(jì)和加工水平，應(yīng)有關(guān)研制單位的要求我們已經(jīng)發(fā)表了單螺桿壓縮機(jī)專用加工機(jī)床（壓縮機(jī)技術(shù)1994年3期）和單螺桿壓縮機(jī)的現(xiàn)狀（壓縮機(jī)技術(shù)1994年4期）兩篇文章，今后還將繼續(xù)發(fā)表這方面的文章。本文則重點(diǎn)介紹有關(guān)PC型的特點(diǎn)、加工技術(shù)與專用機(jī)床。一、 PC型單螺桿壓縮機(jī)（一） 結(jié)構(gòu)圖2中1、2為進(jìn)氣控制閥與朝氣口；3為與動(dòng)力裝置聯(lián)接的聯(lián)軸器；4為螺桿；為保證機(jī)器長(zhǎng)期可靠地工作，5、6為大尺寸的軸承；7為星輪軸向位置調(diào)節(jié)裝置，保證嚙合副具有合理的間隙以及星輪磨損后的補(bǔ)償；8、9為排

3、氣單向閥與排氣口；10、11為星輪托架與星輪。由圖3可見(jiàn)PC型與CC型的主要區(qū)別。（二） PC型與CC型相比有如下優(yōu)點(diǎn)：1、 PC型星輪的支承處在星輪的內(nèi)側(cè)，而CC型的支承在外側(cè)，所以同一尺寸PC型的星輪及托架重量?jī)H為CC型的6070%，而慣性力只有CC型的1/2，故在停機(jī)、起動(dòng)瞬時(shí)傳給星輪的沖擊力小，特別適于間歇工作（圖4）。2 嚙合副的接觸面積增大了60%，故嚙合平穩(wěn)，壽命更長(zhǎng)（圖3）。3 在星輪尺寸相同情況下，由于螺桿的大直徑部分（這是基元容積的主要部分）參與工作，使基元容積增加了1.5倍，而嚙合副的機(jī)械損失并未相應(yīng)增加，因而比功率減小。4 相對(duì)泄漏量減少，容積效率提高達(dá)10%，使比功率

4、進(jìn)一步降低。5 由于基元容積的主要部分在大端，嚙合副在工作時(shí)，星輪只需轉(zhuǎn)過(guò)較小的角度即可將氣體壓縮至較高的壓力，所以排氣口有較大的尺寸和較小的壓力損失，這就允許PC型在保證較小比功率的條件下有大的壓縮比。目前批量生產(chǎn)的產(chǎn)品就有單級(jí)排氣壓力為1.2MPa的。相對(duì)CC型而言所具有的這些優(yōu)勢(shì)，使PC型具有強(qiáng)大的生命力。單螺桿壓縮機(jī)的發(fā)明人辛麥恩認(rèn)為：PC型在裝配時(shí)可以軸向移動(dòng)星輪而消除嚙合副間隙，所以PC型特別適合于無(wú)油制冷與熱泵，是四種類型單螺桿壓縮機(jī)中最好的一種。日本在引進(jìn)辛麥恩基本專利的基礎(chǔ)上，獨(dú)創(chuàng)了自己的精加工技術(shù)，于八十年代初成功地研制出PC型單螺桿壓縮機(jī)，成為世界上第一個(gè)批量生產(chǎn)PC型單

5、螺桿壓縮機(jī)的國(guó)家，并使其迅速地占領(lǐng)了日本50%以上的微小型螺桿壓縮機(jī)市場(chǎng)。近年來(lái)美國(guó)POWEREX公司也開(kāi)始生產(chǎn)PC型單螺桿壓縮機(jī)，而且技術(shù)水準(zhǔn)較高，銷售情況甚好，有與日本競(jìng)爭(zhēng)的趨勢(shì)。（三） PC型嚙合副的齒廓螺桿齒面是任意曲線（母線）相對(duì)螺桿運(yùn)動(dòng)所得到的軌跡面；而星輪則是這軌跡面的包絡(luò)面。為便于加工和嚙合副磨損后的移位補(bǔ)嘗，母線只能是某一圓柱面上的直線或螺旋線，該圓柱面與星輪回轉(zhuǎn)軸同心。將該圓柱面展開(kāi)后，母線的形狀如圖5所示。用該圓柱面剖切螺桿并將圓柱面展開(kāi)后所得到的圖形應(yīng)與圖5完全一致。母線的形狀一旦確定，螺桿與星輪的齒形就完全確定了。目前市售的產(chǎn)品僅采用直線和螺旋線作母線。（四） 加工方

6、法1、傳統(tǒng)的加工方法為了在螺桿上切出如圖4所示的梯形螺旋槽，通常采用成形刀具車削。與普通車削不同的是：在車削過(guò)程中刀具是回轉(zhuǎn)的，稱為回轉(zhuǎn)車削。刀具的刀刃形狀與母線一致，如圖5所示。國(guó)內(nèi)僅有一個(gè)單位曾經(jīng)試制過(guò)PC型，所采用的就是成形刀具回轉(zhuǎn)車削法。這種車削方法有三個(gè)缺點(diǎn)：（1）直線刀刃1、端刃2、斜線刃3同時(shí)參加切削。三個(gè)切削刃的總長(zhǎng)度較大，切削時(shí)所產(chǎn)生的切削力引起機(jī)床劇烈地振動(dòng)。（2）直線刃1和斜線刃3在切削過(guò)程中前角和后角均在大幅度地變化，在這種條件下，刀具只可能具有小的楔角，而刀具小的楔角必然導(dǎo)致刀具的截面小、強(qiáng)度差。（3）刀具在整個(gè)切削過(guò)程中，兩側(cè)刀刃前角的變化方向是相反的，一側(cè)是由正前

7、角變?yōu)樨?fù)前角，而另一側(cè)是由負(fù)前角變?yōu)檎敖?，兩?cè)的刀刃中至少有一個(gè)在較大的負(fù)前角條件下切削。由于以上三點(diǎn)是同時(shí)存在的，即刀具在截面較小的情況下承受很大的切削力，所以刀具容易折斷。為避免切削過(guò)程中機(jī)床的劇烈振動(dòng)和刀具的折斷不得不采用較小的切削用量，這不僅降低了生產(chǎn)率，有時(shí)甚至根本就切不到予定的齒深，國(guó)內(nèi)的一次試切工作就因“機(jī)床剛性不足”而中止。顯然，用這種方法加工的螺桿無(wú)論是精度還是表面粗糙度都不可能令人滿意。2、合理的加工方法（1）工作刀具的相對(duì)位置與運(yùn)動(dòng) 設(shè)想有一對(duì)正確嚙合的PC型嚙合副，將星輪沿其回轉(zhuǎn)中心線移動(dòng)直至完全退出嚙合。此時(shí)螺桿的位置即為工件（螺桿毛坯）的位置；星輪的位置即為刀盤的

8、位置（參閱圖9）。刀盤上裝有若干把刀具，每把刀具都相當(dāng)于一個(gè)星輪齒。所以PC型的生產(chǎn)率比CP型（單刀切削）高得多。 工件與刀盤繞其各自的回轉(zhuǎn)中心回轉(zhuǎn)，角速度分別為1與2，1與2必須滿足下式：1/2=Z1/Z2式中 Z1螺桿的頭數(shù)（6）Z2星輪的齒數(shù)（17）1與2稱為展成運(yùn)動(dòng)，它們的大小決定了切削速度的高低。在加工過(guò)程中，除了展成運(yùn)動(dòng)外，刀具還有切入工件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。刀具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)有兩種：直線進(jìn)給與沿螺旋線進(jìn)給。（2）加工過(guò)程荒加工荒加工由兩個(gè)步驟組成：a、 切帶垂直側(cè)面的槽：工件、刀具在作展成運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，刀具直線進(jìn)給（參閱圖6），在螺桿上逐步切出帶垂直側(cè)面的槽，該槽深度符合要求后刀具返回到起始位

9、置。b、 切帶斜側(cè)面的槽：刀具相對(duì)工件回轉(zhuǎn)一角度（參閱圖7），然后除了展成運(yùn)動(dòng)外，刀具沿螺旋線進(jìn)給，逐步切出帶斜側(cè)面的槽，直至預(yù)定的齒深后退刀。在整個(gè)荒加工過(guò)程中，直刃1和斜刃3不參與切削，僅僅只有端刃2參與切削，端刃長(zhǎng)度較小且有較合理的、變化小的前角，所以切削力比成形刀具小得多，切削過(guò)程得以順利進(jìn)行。這種切削方式辛麥恩稱為“端刃切削技術(shù)”，并申請(qǐng)了專利。精加工刀具相對(duì)工件轉(zhuǎn)一個(gè)角度（參閱圖8），然后重復(fù)荒加工時(shí)切帶斜側(cè)面的槽的過(guò)程精切斜側(cè)面。用同樣的方法精切垂直側(cè)面。二、 專用機(jī)床辛麥恩花費(fèi)了數(shù)十萬(wàn)美元研制的專用機(jī)床傳動(dòng)原理如圖9所示，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)可分成展成運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分。展成鏈由錐

10、齒輪1、2，斜齒輪3、4和直齒輪5、6組成。而進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)獨(dú)具匠心，比較巧妙，是本機(jī)床的精華所在，也是辛麥恩的專利保護(hù)內(nèi)容。（一） 直線進(jìn)給齒輪4、5固結(jié)在一起并空套在軸上，以軸的軸肩軸向定位。軸有兩個(gè)工作位置，直線進(jìn)給時(shí)軸處在左位，此時(shí)螺紋套空套在軸上，螺紋套的移動(dòng)不帶動(dòng)軸軸向移動(dòng)。動(dòng)力從軸輸入后展成鏈開(kāi)始工作，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，刀盤可以被螺紋套驅(qū)動(dòng)作直線進(jìn)給。（二） 螺旋進(jìn)給將軸置于右虛線位置，此時(shí)可將軸與其螺紋套軸向固定，螺紋套轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能帶動(dòng)軸一起軸向移動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)刀具的螺旋進(jìn)給。其動(dòng)作原理是：刀具作直線進(jìn)給的同時(shí)，交換齒輪8、9轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋套，并使軸及齒輪4軸向移動(dòng)。齒輪4、5是一對(duì)斜齒輪，其齒面

11、是漸開(kāi)螺旋面。齒輪4相對(duì)于齒輪5的軸向移動(dòng)使齒輪4在作正常的展成運(yùn)動(dòng)的同時(shí)附加了一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，該附加運(yùn)動(dòng)使刀具在作直線進(jìn)給的同時(shí)也附加了一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，直線運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成使刀具相對(duì)工件作螺旋進(jìn)給。改變交換齒輪可以改變螺旋線的螺旋角。（三） 對(duì)刀裝置通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺母帶動(dòng)撥叉可以軸向移動(dòng)斜齒輪3，使刀盤相對(duì)工件轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到對(duì)刀的目的。整個(gè)機(jī)床由于使展成運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)元件兼作進(jìn)給機(jī)構(gòu)，所以機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，適于荒加工和粗加工。但由于采用了錐齒輪這樣的低精度傳動(dòng)元件等原因，機(jī)床傳動(dòng)鏈的精度較低，所以未能加工出理想的嚙合副。與此正好相反，中國(guó)專用機(jī)床的精度及其它各種性能均優(yōu)于這種專機(jī)（參閱壓縮機(jī)技術(shù)1994.3），而且在切齒技術(shù)等方面有所改進(jìn)與提高，具備了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。結(jié) 束 語(yǔ)四種單螺桿壓縮機(jī)的螺桿加工都采用相同的加工方法：沿母線進(jìn)給的端刃切削法。由于CC型與PC型具有相同的齒廓，所以盡管本文所介紹的專用機(jī)床當(dāng)初是為加工CC型螺桿設(shè)計(jì)的，后來(lái)也能方便