螺桿加工介紹
上個(gè)世紀(jì)70年代北京第一通用機(jī)械廠首次從國(guó)外引進(jìn)設(shè)備和技術(shù)開(kāi)始研制單螺桿壓縮機(jī)。由于單螺桿壓縮機(jī)具有壽命長(zhǎng)、效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)噪音低、體積小等一系列優(yōu)點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于機(jī)械、船舶、石油、化工、輕紡等行業(yè)。
因此從上個(gè)世紀(jì)90年代起國(guó)內(nèi)許多企業(yè)都在制造生產(chǎn)單螺桿壓縮機(jī)。

單螺桿壓縮機(jī)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(zhuǎn)動(dòng)，螺桿和星輪的轉(zhuǎn)速比為11∶6，由于螺桿和星輪的齒形輪廓復(fù)雜，目前只有使用專(zhuān)用機(jī)床或者使用五座標(biāo)數(shù)控機(jī)床才能加工。

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

使用五座標(biāo)數(shù)控機(jī)床雖可以加工螺桿，但數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴、編程復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)使用的廠家很少。但可以肯定使用多軸數(shù)控機(jī)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(jī)床是指為加工單螺桿特殊設(shè)計(jì)的專(zhuān)用機(jī)床。由于單螺桿專(zhuān)用機(jī)床的定比傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，差動(dòng)、旋轉(zhuǎn)進(jìn)給機(jī)構(gòu)已被許多廠家廣泛應(yīng)用，所采用的技術(shù)和結(jié)構(gòu)大致相同。本文僅從下面幾個(gè)方面介紹國(guó)內(nèi)現(xiàn)有單螺桿專(zhuān)用機(jī)床布局和結(jié)構(gòu)的不同之處。

一、介紹機(jī)床的布局

壓縮機(jī)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(jī)床的主軸與刀具的回轉(zhuǎn)中心也不同。為滿(mǎn)足加工不同直徑的螺桿，目前國(guó)內(nèi)單螺桿加工機(jī)床的布局大致有以下幾種方案。

第一種：機(jī)床的主軸與刀具回轉(zhuǎn)中心的中心距為固定式

機(jī)床的主軸與刀具回轉(zhuǎn)中心的中心距為固定式，中心距不可調(diào)整。加工幾種直徑的螺桿就需要幾種中心距規(guī)格不同的機(jī)床。

優(yōu)點(diǎn)：機(jī)床的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)：每種機(jī)床只能加工一種規(guī)格的螺桿，當(dāng)市場(chǎng)上某種規(guī)格的壓縮機(jī)螺桿需要量大時(shí)，造成一臺(tái)機(jī)床加工，其他機(jī)床閑置。

第二種：機(jī)床的主軸箱為可回轉(zhuǎn)式

機(jī)床可根據(jù)加工螺桿直徑的大小在加工前把主軸箱旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。這種主軸箱能夠回轉(zhuǎn)的機(jī)床是對(duì)上述第一種機(jī)床在使用方法上的改進(jìn)，與第一種機(jī)床的結(jié)構(gòu)基本相同。

優(yōu)點(diǎn)：機(jī)床的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能適應(yīng)多種規(guī)格螺桿的加工。

缺點(diǎn)1：主軸箱旋轉(zhuǎn)后主軸回轉(zhuǎn)中心線與刀具回轉(zhuǎn)中心線間的距離不易精確測(cè)量。

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

第三種：機(jī)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(dǎo)軌，主軸箱移動(dòng)的方向垂直于主軸回轉(zhuǎn)中心線并垂直于刀具回轉(zhuǎn)中心線。主軸箱的動(dòng)力通過(guò)花鍵軸傳給底座內(nèi)的刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)。

根據(jù)加工螺桿直徑的大小，在加工前用手輪絲杠進(jìn)給機(jī)構(gòu)把主軸箱移動(dòng)到適當(dāng)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(cè)，位置誤差±0.005mm。

采用主軸箱可橫向移動(dòng)的一個(gè)機(jī)床就可以加工直徑φ95～φ385mm之間任何一種規(guī)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(zhuǎn)中心線間的距離差值過(guò)大，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)設(shè)計(jì)成兩種規(guī)格的機(jī)床，一個(gè)機(jī)床加工φ95～φ205mm直徑的螺桿，另一個(gè)機(jī)床加工φ180～φ385mm直徑的螺桿。

優(yōu)點(diǎn)：機(jī)床能適應(yīng)多種規(guī)格螺桿的加工，每種規(guī)格的螺桿不需要配備相應(yīng)的加工機(jī)床。

缺點(diǎn)：機(jī)床的結(jié)構(gòu)和機(jī)床的裝配較前二種機(jī)床復(fù)雜，機(jī)床的造價(jià)也較前二種機(jī)床高。

二、介紹機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)

機(jī)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(jī)中以幾千轉(zhuǎn)的速度高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，精度較差的螺桿會(huì)使壓縮機(jī)產(chǎn)生發(fā)熱、振動(dòng)、效率低、磨損快等現(xiàn)象。

國(guó)內(nèi)目前現(xiàn)有的單螺桿加工機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)大致有以下兩種方案。

第一種：軸承徑向游隙不可調(diào)的主軸結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)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(diào)整，所以主軸精度較差。雖然可以利用軸承的內(nèi)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(nèi)徑和徑向游隙不是一個(gè)固定值，因此設(shè)計(jì)和加工時(shí)很難給準(zhǔn)軸徑與軸承內(nèi)徑的配合公差。

缺點(diǎn)2：在市場(chǎng)上很難買(mǎi)到國(guó)產(chǎn)或進(jìn)口的C、D級(jí)或P4、P5級(jí)的推力球軸承，機(jī)床生產(chǎn)廠常用普通級(jí)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(diào)的主軸結(jié)構(gòu)適用于一般精度的普通機(jī)床，不適用于對(duì)主軸精度要求較高的機(jī)床。

第二種：軸承徑向游隙可調(diào)的主軸結(jié)構(gòu)

主軸前軸承采用一個(gè)P4級(jí)圓錐孔的雙列圓柱滾子軸承和1個(gè)P4級(jí)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(jí)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(nèi)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(nèi)圈膨脹，從而達(dá)到減少或消除軸承徑向游隙的目的。

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

這種主軸結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)：

主軸的加工工藝較復(fù)雜，主軸的裝配也需要有經(jīng)驗(yàn)的工人操作才能使主軸精度達(dá)到理想數(shù)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(jī)構(gòu)大約需要旋轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)在刀具旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還要完成進(jìn)刀動(dòng)作，所以一些在普通機(jī)床上常用的機(jī)械、電氣控制切深的方法都不適用于單螺桿加工機(jī)床。

單螺桿加工機(jī)床的刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用以下不同的方法都可以達(dá)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(jī)構(gòu)的負(fù)載扭距增大，使刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈中的摩擦離合器打滑，一個(gè)機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)觸發(fā)電氣開(kāi)關(guān)并發(fā)出聲、光信號(hào)提示操作者，此時(shí)操作者人工操作斷開(kāi)刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)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(diào)整摩擦離合器壓緊碟簧的預(yù)緊力。

由于每個(gè)螺桿材質(zhì)的密度、硬度存在細(xì)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(zhǔn)確，可能導(dǎo)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(tǒng)中，裝有電磁離合器及一對(duì)用于檢測(cè)刀具轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的測(cè)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(shù)開(kāi)關(guān)，記數(shù)裝置則開(kāi)始記數(shù)，當(dāng)?shù)毒咝D(zhuǎn)到事先設(shè)定的圈數(shù)時(shí)也就是達(dá)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(hào)提示操作者零件已加工完畢。

該檢測(cè)裝置通過(guò)數(shù)顯表顯示進(jìn)給圈數(shù)或進(jìn)給量。電磁離合器脫開(kāi)后，刀具只隨立軸旋轉(zhuǎn)并無(wú)進(jìn)給運(yùn)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(zhǔn)確，由于有數(shù)顯表顯示要加工的深度或圈數(shù)和已加工的深度或圈數(shù)，在操作上也很直觀和方便。

缺點(diǎn)是：機(jī)床的電氣控制較復(fù)雜同時(shí)這種控制方法在零件加工時(shí)如果廠區(qū)突然斷電，事先設(shè)定的數(shù)據(jù)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(cè)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(jī)床在加工螺桿時(shí)，由于螺旋槽是在刀具旋轉(zhuǎn)和工件旋轉(zhuǎn)的合成作用下完成加工的。在剛切入工件時(shí)刀具在旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。

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

檢測(cè)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(zhuǎn)晃動(dòng)輸出軸，如果是用常規(guī)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造機(jī)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(jī)床在裝配完成后刀具旋轉(zhuǎn)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(cè)隙的過(guò)大。

機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)中的齒輪加工不管是采用幾級(jí)精度的，設(shè)計(jì)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(rùn)滑油膜厚度、裝配誤差等因素，機(jī)床傳動(dòng)設(shè)計(jì)必須保證齒輪傳動(dòng)留有一定的側(cè)隙，側(cè)隙的大小決定了齒輪齒厚公差的大小。

單螺桿加工機(jī)床的主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)有區(qū)別于其他機(jī)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(jī)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(zhuǎn)輸出軸外圓徑向?qū)ΨQ(chēng)位置裝有抱閘，抱閘前端頂住刀具旋轉(zhuǎn)輸出軸的外圓，抱閘為彈簧預(yù)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(zhuǎn)靈敏度。

優(yōu)點(diǎn)是：抱閘結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且不改變?cè)袡C(jī)床結(jié)構(gòu)，這種方法間接地達(dá)到了減少傳動(dòng)間隙的目的，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的效果。

缺點(diǎn)1：彈簧預(yù)緊的抱閘由于對(duì)刀具輸出軸外圓施加了較大徑向力，實(shí)際上增大了機(jī)床的負(fù)載扭距，造成電機(jī)功率增大，同時(shí)齒輪、軸承磨損加快。
缺點(diǎn)2：彈簧預(yù)緊的抱閘由于對(duì)刀具輸出軸外圓施加了較大徑向力可能對(duì)刀具輸出軸的幾何精度造成負(fù)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(jié)構(gòu)，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(shù)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(jī)床傳動(dòng)軸上，松開(kāi)齒輪固定螺釘，將約1/3～1/2齒寬的齒輪朝著該齒輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪，轉(zhuǎn)動(dòng)角度的大小以齒輪長(zhǎng)期工作、最大溫升時(shí)齒輪側(cè)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。沿著軸心線看調(diào)整后的兩層齒輪的齒形有微量錯(cuò)位。

結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：根據(jù)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(diào)整齒輪的傳動(dòng)間隙使之在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)，與抱閘結(jié)構(gòu)相比更合理、適用。

結(jié)構(gòu)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(diào)整用的窗口，這種方法只適用于新設(shè)計(jì)的機(jī)床并且增加了機(jī)床的制造成本。

結(jié)論：本文從四個(gè)方面介紹了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有單螺桿加工機(jī)床的布局和結(jié)構(gòu)，并把優(yōu)缺點(diǎn)一一列舉出來(lái)，由于壓縮機(jī)生產(chǎn)廠的單螺桿加工機(jī)床和機(jī)床資料對(duì)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(jī)生產(chǎn)廠參考。