壓縮機單螺桿專用加工機床介紹

上個世紀70年代北京第一通用機械廠首次從國外引進設備和技術開始研制單螺桿壓縮機。由于單螺桿壓縮機具有壽命長、效率高、運轉噪音低、體積小等一系列優點，并廣泛應用于機械、船舶、石油、化工、輕紡等行業。因此從上個世紀90年代起國內許多企業都在制造生產單螺桿壓縮機。

單螺桿壓縮機由兩個星輪和一個螺桿組成，其中每個星輪有11齒，螺桿有6個槽。工作時由螺桿帶動星輪轉動，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。

早期星輪是使用專用機床加工出來的，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，但數控機床價格昂貴、編程復雜，目前國內使用的廠家很少。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展方向。

本文介紹的機床是指為加工單螺桿特殊設計的專用機床。由于單螺桿專用機床的定比傳動機構，差動、旋轉進給機構已被許多廠家廣泛應用，所采用的技術和結構大致相同。本文僅從下面幾個方面介紹國內現有單螺桿專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。

優點：機床的結構簡單。

缺點：每種機床只能加工一種規格的螺桿，當市場上某種規格的壓縮機螺桿需要量大時，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，與第一種機床的結構基本相同。

優點：機床的結構簡單，能適應多種規格螺桿的加工。

缺點1：主軸箱旋轉后主軸回轉中心線與刀具回轉中心線間的距離不易精確測量。

缺點2：主軸箱旋轉后主軸前端面與刀具的回轉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：機床的主軸箱為橫向移動式

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

根據加工螺桿直徑的大小，在加工前用手輪絲杠進給機構把主軸箱移動到適當位置，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的一個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間的距離差值過大，因此在實際應用時設計成兩種規格的機床，一個機床加工φ95～φ205mm直徑的螺桿，另一個機床加工φ180～φ385mm直徑的螺桿。

優點：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：機床的結構和機床的裝配較前二種機床復雜，機床的造價也較前二種機床高。

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，同時螺桿在壓縮機中以幾千轉的速度高速旋轉時，精度較差的螺桿會使壓縮機產生發熱、振動、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個雙列圓柱滾子軸承和兩個推力球軸承組合，該主軸使用雙列圓柱滾子軸承承受徑向切削力，使用兩個推力球軸承承受軸向切削力。

主軸后軸承一般采用1個雙列圓柱滾子軸承或采用1個向心球軸承。

這種主軸結構的優點：主軸的加工和裝配簡單，造價較低。

缺點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盈配合來消除軸承的徑向游隙，但每個軸承的內徑和徑向游隙不是一個固定值，因此設計和加工時很難給準軸徑與軸承內徑的配合公差。

缺點2：在市場上很難買到國產或進口的C、D級或P4、P5級的推力球軸承，機床生產廠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P4級圓錐孔的雙列圓柱滾子軸承和1個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生一個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。

這種主軸結構的優點：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值為0.010mm。在主軸前端φ230mm外圓上測量主軸的徑向跳動值為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：

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

三、刀具進給深度的控制

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，刀具進給機構大約需要旋轉進刀幾千圈才能完成一個螺桿零件的加工。

由于刀具進給機構在刀具旋轉的同時還要完成進刀動作，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給機構采用以下不同的方法都可以達到控制進刀深度的目的。

第一種：摩擦離合器和電氣開關控制刀具進給深度

它的控制原理是刀具切深增大時刀具進給機構的負載扭距增大，使刀具進給機構傳動鏈中的摩擦離合器打滑，一個機械連桿機構觸發電氣開關并發出聲、光信號提示操作者，此時操作者人工操作斷開刀具進給機構的動力。

這種控制方法的優點是：控制方法簡單及零件加工和操作不受突然斷電的影響。

缺點是：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。

由于每個螺桿材質的密度、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大。

第二種：用電磁離合器、編碼器組合控制刀具進給深度

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

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

該檢測裝置通過數顯表顯示進給圈數或進給量。電磁離合器脫開后，刀具只隨立軸旋轉并無進給運動。

這種控制方法的優點是：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，在操作上也很直觀和方便。

缺點是：機床的電氣控制較復雜同時這種控制方法在零件加工時如果廠區突然斷電，事先設定的數據會丟失。

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，上述問題就可以得到解決。

四、齒輪傳動間隙的控制

單螺桿加工機床在加工螺桿時，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。

由于存在著機床箱體孔加工、齒輪加工等各種誤差，刀具旋轉軸的傳動間隙過大，俗稱曠量大。

檢測傳動間隙過大的方法是將動力輸入軸固定并左右旋轉晃動輸出軸，如果是用常規的傳動結構設計制造機床，輸出軸的傳動間隙擺角在十幾度到幾十度。傳動間隙過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間隙過大，實際上是齒輪受各種誤差的影響，造成齒輪側隙的過大。

機床機械傳動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，機床傳動設計必須保證齒輪傳動留有一定的側隙，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生的摩擦力來增大輸出軸阻尼，降低軸的旋轉靈敏度。

優點是：抱閘結構簡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間隙的目的，在實際應用中有一定的效果。

缺點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，實際上增大了機床的負載扭距，造成電機功率增大，同時齒輪、軸承磨損加快。
缺點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

把主傳動中所有主動齒輪的齒寬增加1/3～1/2。把所有被動齒輪做成兩層結構，一層齒輪是原有齒輪，另一層是用來減少傳動間隙的齒輪，它的齒寬約是原有齒輪齒寬的1/3～1/2。用數個螺釘將兩個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軸上，松開齒輪固定螺釘，將約1/3～1/2齒寬的齒輪朝著該齒輪旋轉運動相反的方向轉動齒輪，轉動角度的大小以齒輪長期工作、最大溫升時齒輪側隙大于零。

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

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

結構缺點：由于齒輪齒寬增加，傳動軸的軸向尺寸加大，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，并把優缺點一一列舉出來，由于壓縮機生產廠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廠參考。