蜗杆压缩机制造技术的重大突破

　　蜗杆（单螺杆）压缩机是蜗杆传动在非动力传动中的一个绝妙应用，其啮合副由一个顶圆为柱状的环面蜗杆（螺杆）和对称布置于蜗杆两侧的两个同尺寸蜗轮（星轮）组成。啮合副的型面通常采用直廓环面蜗杆副或锥面包络蜗杆副（以前一种形式居多）。通常蜗杆的头数为6，星轮的齿数为11，齿数比i=1.83333.为了获得*大的基元容积，齿形角α=0，左右齿的母线（面）为两个垂直于蜗杆轴线的平行线（面），其间的距离既是生成圆的直径也是中分面内蜗轮的齿宽；蜗杆螺槽既宽又深，螺槽深度约为星轮顶圆的0.4倍；蜗轮的生成圆较小，其直径db远小于蜗杆的工作长度Lw（Lw/db≈5），而传统蜗杆传动的对应值小于1；同时，为了减小螺距等加工误差的影响，星轮常采用工程塑料等轻质材料，通常其厚度只有几毫米或十几毫米。

　　工作时，两个星轮的轮齿一一嵌入蜗杆螺槽，与机壳一起将螺槽分成上下两个封闭的空间，每个齿从进入螺槽到退出螺槽，完成一个吸气，压缩和排气过程。由于结构的特点，该传动除摩擦力矩外，蜗杆的径向和轴向受力平衡，星轮运动方向不受力，因此，该传动对啮合副的要求不是承载能力而是气密性。除以上特点外，蜗杆压缩机还有运动部件少，无余隙容积，容积效率高，噪声低，排气温度低等无可比拟的优点而成为新一代压缩机的代表。由于速比和几何参数的特殊性，蜗杆压缩机啮合副的参数设计，几何参数计算，型面分析等等都与一般的动力传动蜗杆副有较大区别。我国目前尚未掌握该种压缩机的设计，制造技术，如何掌握和提高啮合副的设计，制造及装配技术成了制约其发展的瓶颈。

　　1960年法国B.Zimmern将蜗杆传动应用于压缩机领域，提出单螺杆压缩机的设想并获得专利，两年后制出**台空压机样机，70年代中期荷兰和英国的两公司将此机种扩展到制冷领域，80年代出现喷水空压机和喷液制冷机。目前国际上掌握蜗杆压缩机生产技术的仅有日，美，英，法及荷兰等国家的约10余家公司；其设计，制造技术已达到相当成熟的阶段，产品广泛应用于气体压缩，制冷，热泵及工艺流程等领域，且开发出了系列产品，实现了规模化生产，产品的免维护时间达到了数万甚至近十万小时。由于我国目前尚未完全掌握蜗杆压缩机的设计及制造技术，国外对我国进行严格的技术保密；尽管国内已有部分国外压缩机企业的独资或合资企业，但其核心产品仍是在境外生产，装配的，国内仅生产设备的辅机等。

　　国内1975年开始跟踪该项技术并开发单螺杆压缩机，陆续有多家企业试图研制蜗杆压缩机，但都因产品质量长期无法过关而又纷纷下马。产品质量不能满足用户要求的主要原因是难以制造出质量合格的蜗杆和星轮，星轮齿存在装配干涉，星轮齿磨损太快寿命太短等。尽管压缩机行业进行了种种努力，理论上也进行了一些研究，但长期未取得啮合副加工的实质性突破。

　　2关键技术

　　啮合副的制造，星轮材料及啮合副装配是蜗杆压缩机设计及制造的关键技术。单螺杆压缩机啮合副的型线有直线型，直线包络型和圆柱圆锥包络型3种。

　　原始直线型星轮的齿廓由上下成一定角度的两个平面组成，星轮可采用成形加工工艺；星轮的啮合线只有一条固定直线（两个平面的交线），由于该直线无法长时间保持，故很快被磨损并使啮合副间隙变大，能耗加大，国外在解决了直线包络型星轮的加工技术后即淘汰了这种齿型。直线包络型星轮的啮合线除上述直母线外，还有一条二次包络线；该包络线由啮入端逐渐向固定啮合线（中分面）移动，可对油膜产生挤压效应，有利于动压油膜的形成。由于国内一直无法掌握该种啮合副的生产工艺，为了克服直线包络型滚刀热处理后的磨削问题，文献提出了圆柱圆锥（圆台）包络型星轮；但仍然无法彻底解决星轮的加工问题，反而使滚刀的制作进一步复杂化。由于直线包络型刀具的切削力较其它滚刀加工方法要小得多，且容易制作，啮合副性能优异，故目前世界各国的单螺杆压缩机大都采用该种型线。

　　我国是包络蜗杆蜗轮传动技术掌握得*好的国家之一，然而几十年来一直未能彻底解决直线型包络星轮的加工问题，其原因是：1）国内专家一直认为星轮的齿面是蜗杆的包络面，因此星轮的加工只能采用展成法的滚刀加工。由于几何参数的特殊性，用滚刀加工星轮时，不论是径向还是切向进刀都存在无法避免的干涉问题；滚切加工时，滚刀同时切削3个星轮齿，即使是加工小规格的星轮，同时参与切削的刀刃长度也很长，容易造成机床剧烈振动，甚至闷车，难于保证理想的星轮质量。

　　2）由于没有对这种特殊几何参数的直廓环面蜗杆传动的啮合特性进行详细的理论分析，曾经进行过蜗杆压缩机试生产的我国厂家陷入了追求理论上的"极端精确"或没有正确理论指导的"近似仿制"两个极端；前者追求的是不切实际的高精度机床，高精度滚刀，精确的展成法加工，而后者又无法解决"装配干涉"问题。

　　尽管国内不少企业，科研单位进行过不懈地努力，但仍无法摆脱国外产品一统国内市场的窘况。

　　机械工业部郑州机械研究所为国内从事传动理论与传动工程研究的专业研究所，自60年代开始从事蜗杆传动的理论与工艺研究工作，取得了多项科研成果，造就了一批专业技术人才。为了实现技术成果的转化，郑州机械研究所从1996年涉足压缩机行业，组建了由4位教授级高工，3位博士生及数位硕士等组成的蜗杆压缩机开发小组，借助啮合理论，现代计算技术及计算机技术对啮合副进行三维动态啮合分析，在理论分析及数值计算等方面突破了原有的研究思路，实现了蜗杆和星轮加工中保证理论型线的加工工艺，研制了CNC专机，设计开发了专用精加工量仪，对蜗杆压缩机整机的设计，制造及装配等关键技术取得了重大突破，生产出了30kW制冷压缩机。经过台架试验表明产品达到了设计水平。我们还开发出了蜗杆压缩机CAD设计计算软件，蜗杆和星轮分析软件等，初步具有蜗杆压缩机的系列化，规模化设计及生产能力。

　　3星轮的制造技术

　　为了减小三角泄漏区，实际的星轮片中分面以上只有很少的一部分，大部分在中分面以下。在动力传动中，根切面是一种不参与啮合的"无用"区域，而对蜗杆压缩机而言则起着至关重要的作用；其作用在一定程度上甚至超过了包络面，这是由于星轮工作齿廓的绝大部分甚至全部均为根切面。国内学者研究的重点无一例外的全部集中在对包络面的研究，而忽视了根切面的成因和作用，在一定程度上来说这也是国内对该传动啮合副的加工未取得突破的一个重要原因。

　　根据以上分析，星轮的制造要么采用精确的展成法，要么采用近似加工法。采用近似方法时必须考虑以下两点：①近似法所得到的星轮齿廓应与展成法加工所得的理想齿廓的误差尽量小，否则可能产生装配干涉或啮合副侧隙过大；②星轮应有良好的加工工艺性，即星轮齿应能方便地加工出来，其原理及加工误差应能控制等。尽管理论上可以实现啮合副的无侧隙运转，实际上由于热膨胀和加工精度，安装精度的需要，星轮齿与蜗杆螺槽间实际上是有侧隙存在的，侧隙值一般为几十微米；而且，啮合副正常运动时是螺槽的后齿面推动星轮的后齿面而使星轮旋转的；由此，作为密封面的二次包络面理论上并不要求十分精确。由此，可以采用近似的加工方法逼近二次包络面，只要加工的理论误差可以控制，并保证理论加工误差小于应有的间隙，星轮齿能顺利装配而不产生干涉即可。根据我们开发的蜗杆和星轮齿廓的分析软件，我们采用专用刀具在经改造的机床上可实现星轮的加工和测量，所加工的星轮齿的根切面没有原理误差，包络面的原理误差可控制在微米级，完全可以满足啮合副的气密性和装配等要求；且采用这种加工方法可容易地对啮合副的侧隙进行控制，实现额定工作状态下的无侧隙啮合。由于星轮加工的刀具误差，刀具安装误差可进行良好的控制及浮动星轮技术的采用，该加工工艺对加工机床的精度没有十分苛刻的要求。

　　4结论

　　经理论分析及数值计算并通过30kW制冷压缩机啮合副的研制得出以下结论：1）由于参数的特殊性，星轮齿包络面的洼斗区的深度较浅，在齿廓上并不十分明显。

　　2）在一定的范围内，星轮齿廓上存在中分面内的固定接触线（中间粗直线），包络区内的瞬时接触线（与运动方向近乎垂直的曲线，上部细线）及根切区内的瞬时接触线（下部虚直线）。

　　3）由于根切区内瞬时接触线的存在，为减小泄漏三角区，星轮齿的工作齿廓可仅取中分面的以下部分，此时星轮齿廓的工作面（后齿面）仅为根切面，而密封面（前齿面）恰为包络面，完全可以满足对啮合副的密封要求。

　　4）在对星轮齿廓进行详细的计算分析基础上，可以很准确地加工星轮，星轮齿廓包络面的原理误差可控制在微米级。

　　5）在理论分析的基础上，通过专用机床，专用刀具和专用量仪可以生产出合格的蜗杆和星轮。

　　6）通过开发的CAD软件可以实现蜗杆压缩机的参数设计及计算；通过蜗杆和星轮型面分析软件，可计算出各型面的位置坐标。通过三维平台可实现蜗杆和星轮的三维实体造型，进而实现啮合副的运动仿真和干涉分析等。

　　7）蜗杆压缩机设计及制造关键技术的重大突破，对突破国外对我国的技术封锁，产品垄断及我国进入WTO后民族工业的振兴都具有重要意义。