PC 型 单 螺 杆 压 缩 机

Craoline1224

PC 型 单 螺 杆 压 缩 机
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2 C7 x: |6 j4 Z查 谦 肇庆市端州压缩机研究所
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方宜荣 查世樑
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介绍了PC型的特点、齿廓、加工方法及其专用机床。
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1 W$ M% L$ m& s' k主题词：PC蜗杆压缩机 齿廓 加工方法
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前 言

单螺杆压缩机有CC、CP、PC和PP四种类型(图1)。CP型于六十年代研制成功，是四种单螺杆压缩机中问世最早的一种，其实用范围为1—40m3/min。PC型于八十年代研制成功，是四种机型中问世最晚的一种，也是节能效果最好的一种。由于螺杆压缩机的排量越小，比功率越大，其综合性能很难与其它机种竞争，所以螺杆压缩机微型产品甚小。CC型尤其是节能效果优良的PC型压缩机的问世改变了这一格局，目前批量生产的PC型其最小电机功率仅为2.2kW。由于PC型的问世以及其它类型压缩机在节能技术方面的进步，CP型的实用下限已大于6m3/min。然而目前国内单螺杆压缩机的研制工作不仅集中在CP这一种机型上而且绝大多数在小于6m3/min的范围内，最大仅m3/min。由于沿用国外陈旧、落后的设计等原因，国产CP型不仅能耗大(3m3/min的比功率≥6.6kW/(m3/min-1)，比活塞式高10%)，而且由于加工精度低，在运转中随着啮合副的迅速磨损，比功率越来越大，整机也因此很快报废。为提高设计和加工水平，应有关研制单位的要求我们已经发表了《单螺杆压缩机专用加工机床》(《压缩机技术》1994年3期)和《单螺杆压缩机的现状》(《压缩机技术》1994年4期)两篇文章，今后还将继续发表这方面的文章。本文则重点介绍有关PC型的特点、加工技术与专用机床。
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(一) 结构
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$ N- p2 f) t! `" |& i! ~9 x. t5 G图2中1、2为进气控制阀与朝气口;3为与动力装置联接的联轴器;4为螺杆;为保证机器长期可靠地工作，5、6为大尺寸的轴承;7为星轮轴向位置调节装置，保证啮合副具有合理的间隙以及星轮磨损后的补偿;8、9为排气单向阀与排气口;10、11为星轮托架与星轮。由图3可见PC型与CC型的主要区别。
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(二) PC型与CC型相比有如下优点：
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1、 PC型星轮的支承处在星轮的内侧，而CC型的支承在外侧，所以同一尺寸PC型的星轮及托架重量仅为CC型的60—70%，而惯性力只有CC型的1/2，故在停机、起动瞬时传给星轮的冲击力小，特别适于间歇工作(图4)。
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9 j/ _  {& h) L  c+ m4 p2. 啮合副的接触面积增大了60%，故啮合平稳，寿命更长(图3)。
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- J) v3 G# D- f0 W' w7 ^3. 在星轮尺寸相同情况下，由于螺杆的大直径部分(这是基元容积的主要部分)参与工作，使基元容积增加了1.5倍，而啮合副的机械损失并未相应增加，因而比功率减小。
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5 Y2 I, j) }' g: A* n) W5 |- \4. 相对泄漏量减少，容积效率提高达10%，使比功率进一步降低。

9 z! L& V! r: z8 T- B8 g5. 由于基元容积的主要部分在大端，啮合副在工作时，星轮只需转过较小的角度即可将气体压缩至较高的压力，所以排气口有较大的尺寸和较小的压力损失，这就允许PC型在保证较小比功率的条件下有大的压缩比。目前批量生产的产品就有单级排气压力为1.2MPa的。

7 N3 e' I. y+ J$ L$ G) N相对CC型而言所具有的这些优势，使PC型具有强大的生命力。单螺杆压缩机的发明人辛麦恩认为：PC型在装配时可以轴向移动星轮而消除啮合副间隙，所以PC型特别适合于无油制冷与热泵，是四种类型单螺杆压缩机中最好的一种。

$ `4 ]/ X0 P  l. V: K( t2 t日本在引进辛麦恩基本专利的基础上，独创了自己的精加工技术，于八十年代初成功地研制出PC型单螺杆压缩机，成为世界上第一个批量生产PC型单螺杆压缩机的国家，并使其迅速地占领了日本50%以上的微小型螺杆压缩机市场。
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$ Q, `4 l  Q, i5 k近年来美国POWEREX公司也开始生产PC型单螺杆压缩机，而且技术水准较高，销售情况甚好，有与日本竞争的趋势。
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(三) PC型啮合副的齿廓

螺杆齿面是任意曲线(母线)相对螺杆运动所得到的轨迹面;而星轮则是这轨迹面的包络面。为便于加工和啮合副磨损后的移位补尝，母线只能是某一圆柱面上的直线或螺旋线，该圆柱面与星轮回转轴同心。将该圆柱面展开后，母线的形状如图5所示。用该圆柱面剖切螺杆并将圆柱面展开后所得到的图形应与图5完全一致。母线的形状一旦确定，螺杆与星轮的齿形就完全确定了。目前市售的产品仅采用直线和螺旋线作母线。

/ T6 c, Z& q$ j3 X0 y(四) 加工方法

4 o: U: \/ I0 c% m$ v1、传统的加工方法

4 d: e" E' c- |3 J: B9 B1 K/ e为了在螺杆上切出如图4所示的梯形螺旋槽，通常采用成形刀具车削。与普通车削不同的是：在车削过程中刀具是回转的，称为回转车削。刀具的刀刃形状与母线一致，如图5所示。国内仅有一个单位曾经试制过PC型，所采用的就是成形刀具回转车削法。这种车削方法有三个缺点：
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(1)直线刀刃1、端刃2、斜线刃3同时参加切削。三个切削刃的总长度较大，切削时所产生的切削力引起机床剧烈地振动。
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) H8 X3 W8 y6 P) j+ o(2)直线刃1和斜线刃3在切削过程中前角和后角均在大幅度地变化，在这种条件下，刀具只可能具有小的楔角，而刀具小的楔角必然导致刀具的截面小、强度差。

9 _, w+ b& D$ l6 c' s* h8 l. U2 V, Y(3)刀具在整个切削过程中，两侧刀刃前角的变化方向是相反的，一侧是由正前角变为负前角，而另一侧是由负前角变为正前角，两侧的刀刃中至少有一个在较大的负前角条件下切削。

6 i1 u4 M0 t/ ^由于以上三点是同时存在的，即刀具在截面较小的情况下承受很大的切削力，所以刀具容易折断。为避免切削过程中机床的剧烈振动和刀具的折断不得不采用较小的切削用量，这不仅降低了生产率，有时甚至根本就切不到予定的齿深，国内的一次试切工作就因“机床刚性不足”而中止。显然，用这种方法加工的螺杆无论是精度还是表面粗糙度都不可能令人满意。
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2、合理的加工方法

) h5 q) c1 I& ]4 G! F(1)工作——刀具的相对位置与运动
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8 _$ y* Q* Z& o设想有一对正确啮合的PC型啮合副，将星轮沿其回转中心线移动直至完全退出啮合。此时螺杆的位置即为工件(螺杆毛坯)的位置;星轮的位置即为刀盘的位置(参阅图9)。刀盘上装有若干把刀具，每把刀具都相当于一个星轮齿。所以PC型的生产率比CP型(单刀切削)高得多。
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工件与刀盘绕其各自的回转中心回转，角速度分别为ω1与ω2，ω1与ω2必须满足下式： ω1/ω2=Z1/Z2 式中 Z1——螺杆的头数(6) Z2——星轮的齿数(17)

ω1与ω2称为展成运动，它们的大小决定了切削速度的高低。

在加工过程中，除了展成运动外，刀具还有切入工件的进给运动。刀具的进给运动有两种：直线进给与沿螺旋线进给。

/ R  W: X! ?$ `0 g(2)加工过程

① 荒加工

, ~/ O5 U* u( L- |, g% u0 J' [. T荒加工由两个步骤组成：
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' V2 G  v, @7 xa、 切带垂直侧面的槽：工件、刀具在作展成运动的同时，刀具直线进给(参阅图6)，在螺杆上逐步切出带垂直侧面的槽，该槽深度符合要求后刀具返回到起始位置。
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: E( ^4 u; Q+ G( Yb、 切带斜侧面的槽：刀具相对工件回转一角度(参阅图7)，然后除了展成运动外，刀具沿螺旋线进给，逐步切出带斜侧面的槽，直至预定的齿深后退刀。
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在整个荒加工过程中，直刃1和斜刃3不参与切削，仅仅只有端刃2参与切削，端刃长度较小且有较合理的、变化小的前角，所以切削力比成形刀具小得多，切削过程得以顺利进行。这种切削方式辛麦恩称为“端刃切削技术”，并申请了专利。

②精加工
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; u" u) f: f' [6 e! f刀具相对工件转一个角度(参阅图8)，然后重复荒加工时切带斜侧面的槽的过程精切斜侧面。用同样的方法精切垂直侧面。
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" a6 D2 p7 Q) X+ i; l一、 专用机床

' W/ m. u$ Q  b+ t辛麦恩花费了数十万美元研制的专用机床传动原理如图9所示，整个传动系统可分成展成运动与进给机构两个部分。展成链由锥齿轮1、2，斜齿轮3、4和直齿轮5、6组成。而进给机构的设计独具匠心，比较巧妙，是本机床的精华所在，也是辛麦恩的专利保护内容。
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(一) 直线进给
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齿轮4、5固结在一起并空套在轴Ⅲ上，以轴Ⅲ的轴肩轴向定位。轴Ⅲ有两个工作位置，直线进给时轴Ⅲ处在左位，此时螺纹套空套在轴Ⅲ上，螺纹套的移动不带动轴Ⅲ轴向移动。
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" P1 _) f6 c$ g: Z动力从轴Ⅰ输入后展成链开始工作，转动手柄，刀盘可以被螺纹套驱动作直线进给。

- j( ^: ?, u6 {/ s6 \2 x$ l7 ](二) 螺旋进给

6 U. J6 u7 J2 C: G; }# v5 o0 G将轴Ⅲ置于右虚线位置，此时可将轴Ⅲ与其螺纹套轴向固定，螺纹套转动时能带动轴Ⅲ一起轴向移动，即可实现刀具的螺旋进给。其动作原理是：刀具作直线进给的同时，交换齿轮8、9转动螺纹套，并使轴Ⅲ及齿轮4轴向移动。齿轮4、5是一对斜齿轮，其齿面是渐开螺旋面。齿轮4相对于齿轮5的轴向移动使齿轮4在作正常的展成运动的同时附加了一个回转运动，该附加运动使刀具在作直线进给的同时也附加了一个回转运动，直线运动与回转运动的合成使刀具相对工件作螺旋进给。改变交换齿轮可以改变螺旋线的螺旋角。
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1 u$ B# j* r9 |. x7 a(三) 对刀装置

0 z0 w8 w! f# E8 v+ E- e通过旋转螺母带动拨叉可以轴向移动斜齿轮3，使刀盘相对工件转动达到对刀的目的。
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整个机床由于使展成运动的传动元件兼作进给机构，所以机床结构简单、操作方便，适于荒加工和粗加工。但由于采用了锥齿轮这样的低精度传动元件等原因，机床传动链的精度较低，所以未能加工出理想的啮合副。与此正好相反，中国专用机床的精度及其它各种性能均优于这种专机(参阅《压缩机技术》1994.3)，而且在切齿技术等方面有所改进与提高，具备了良好的技术基础。
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结 束 语
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四种单螺杆压缩机的螺杆加工都采用相同的加工方法：沿母线进给的端刃切削法。由于CC型与PC型具有相同的齿廓，所以尽管本文所介绍的专用机床当初是为加工CC型螺杆设计的，后来也能方便地用于研制PC型压缩机。同样CP型与PP型的齿廓及专用机床也是相同的。所以我们在《单螺杆压缩机专用加工机床》一文中虽然只介绍了两种专机，但加工四种单螺杆压缩机所需的专用机床已全部介绍过了，剩下来的问题主要是压缩机的设计与精加工技术。如前所述我们将继续介绍这方面的内容以饷读者。

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