CN101961802B - 多圆柱非等长铣削包络的单螺杆压缩机齿面型线构成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多圆柱非等长铣削包络的单螺杆压缩机齿面型线构成方法，采用不同方位的多圆柱铣刀对螺杆转子的同一个齿面母线进行重复切削，实现多圆柱包络型线，其特征是：在星轮齿面与螺杆转子齿面的一个啮合周期内，星轮齿面型线上至少有三分之二的区域能与螺杆转子齿面型线接触，即螺杆转子齿面上的一条完整的母线是由星轮齿面型线上多点包络而成的组合型线。采用圆柱铣刀的铣削可以完成这种型线的螺杆转子齿面加工。这种非等长多圆柱包络的螺杆转子与星轮型线可以保证星轮齿面能均匀地与螺杆转子齿面滑动啮合，特别是能够实现星轮齿在啮合出口区形成很小的泄露三角形，使单螺杆压缩机在排气过程中的气体泄露大幅减小。

Description

多圆柱非等长铣削包络的单螺杆压缩机齿面型线构成方法

技术领域

本发明涉及一种用于单螺杆压缩机和泵的啮合副的型面构成，特别涉及一种多圆柱非等长铣削包络的单螺杆齿侧型面及其对应啮合的星轮齿型面构成。

背景技术

单螺杆式压缩机(图1、图2)和泵被公认为是一种总体结构性能优秀的回转机械，它是由一个单螺杆转子和两个星轮及机壳构成。自从上一个世纪60年代在美国、日本等国家开始发展以来，已经有多种产品进入工业市场。特别是美国、日本等国的某些公司制造的螺杆压缩机具有较良好的性能，但他们的星轮和螺杆核心技术一直没有公开。在国内，也有多家制造厂在近20多年中开发制造这种压缩机产品(郁永章.《容积式压缩机技术手册》机械工业出版.北京.2000年11月.ISBN 7-111-02260-2.P645)。但国内外单螺杆压缩机产品的普遍特征是：星轮啮合齿面上沿径向只有一条棱线与螺杆齿槽侧壁滑动啮合，十分易于磨损，机器的容积效率降低较快。寻求一种螺杆和星轮啮合副型线，使星轮齿面各个点能轮替与螺杆齿槽侧壁相啮合，即扩大星轮齿面上的摩擦面积，成了国内外单螺杆压缩机研究者多年来的努力目标。

文献“多圆柱铣削包络的单螺杆压缩机齿面型线构成方法”(专利号2006100426141)给出了一种多圆柱包络的单螺杆压缩机转子型线的构造方法，是唯一一个实现上述目标的专利技术。该专利文献实际是给出了：用一把铣刀轴线与星轮齿面旋转模式相同的铣刀，来加工成型一个螺杆齿槽侧壁时，每调整一次圆柱铣刀轴线的方位(不改变圆柱铣刀轴向伸出长度)，便对齿槽侧壁实施一次铣削，这样反复多次地切削一个齿槽侧壁的方法，就是多圆柱铣削包络。按照机械加工和传动理论，这种铣削长度相等的多圆柱包络的单螺杆转子齿槽侧面，只能与其对应的多个圆柱参与切削的组合面构成的星轮齿面型线构成啮合副，从而使星轮齿面上都能参与啮合，改变了传统单螺杆压缩机星轮直面上只有一条固定不变的棱线啮合的状况。使星轮的磨损度大大降低，寿命延长。

但是这种多圆柱等长度铣削包络的单螺杆压缩机转子齿面在与对应的星轮齿面啮合中，当星轮齿后侧脱离螺杆齿槽的过程中，会形成很大的泄露三角形，造成排气过程中的气体泄露大幅增加。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种多圆柱非等长铣削包络的单螺杆压缩机螺杆齿槽侧壁和星轮啮合齿面的构成，可比已公开的多圆柱包络型线的泄露三角形面积减少80％以上。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种多圆柱非等长铣削包络的单螺杆压缩机齿面型线构成方法，其特征在于，按下列步骤进行：

(1)按照螺杆转子与其共轭啮合的星轮的运动几何原理，仿照星轮齿面工作时作圆周运动的形式来移动圆柱铣刀的轴线，对螺杆转子齿槽后侧面进行非等长三圆柱包络铣削：

对任意一个螺杆齿槽的后侧面加工，先确定第一个工位的铣刀方位，即中间方位铣刀轴线的坐标，取中间方位铣刀的铣削长度与星轮齿长度相同，对螺杆齿槽后侧面实施第一次走刀加工；

将第一次走刀完毕的铣刀停止，沿星轮旋转轴线方向抬高铣刀轴线，确定第二个工位的铣刀方位，同时把铣刀沿铣刀轴线方向缩回一段距离，使参与螺杆齿槽二次铣削的长度达到第一次铣削长度的2/3～1/3内，实施第二次铣削；

将第二次走刀完毕的铣刀停止，沿星轮旋转轴线方向降低铣刀轴到第一次走刀位置下方，确定第三个工位的铣刀方位，同时把铣刀沿铣刀轴线方向缩回一段距离，使参与螺杆齿槽切铣削的铣刀长度达到第一次铣削长度的3/4～2/3范围内，实施第三次铣削过程；结束后，一个螺杆齿槽后侧面加工完成；

(2)与螺杆齿槽后侧面相适配的星轮齿型面构成

按螺杆转子齿槽后侧面进行非等长三圆柱包络铣削的铣刀方位确定方法，通过计算机数值模拟记录步骤(1)中圆柱铣刀的三个空间位置，在四坐标或五坐标数控机床上进行星轮齿型面加工，获得与螺杆齿面相适配的星轮齿型面构成如下：

将星轮齿沿径向依次从外向内作三个截面，在第一截面处，星轮齿面型线由一个圆弧段和两个直线段连接构成；在第二截面处，星轮齿面型线由两个圆弧段和三个直线段连接构成，在第三截面处，星轮齿面型线由三个圆弧线段和四个直线段构成。

由多圆柱铣刀非等长地参与铣削区搭接构成的星轮齿面是齿后侧面。对于星轮齿前侧面，多圆柱可以是等长多圆柱包络，也可以是非等长多圆柱包络。

本发明圆柱铣刀非等长包络铣削的单螺杆齿槽对象是与星轮齿后侧相啮合的螺杆齿槽后侧壁面，螺杆齿槽前侧面可以是等长度多圆柱铣刀进行加工，得到螺杆齿槽前侧面的形状。对于螺杆齿后侧面的加工，只有在一个方位上用于包络铣削齿槽的圆柱铣刀，伸出的长度与星轮齿长相等；铣刀方位上用来加工该齿后侧面的圆柱铣刀，其参与铣削长度都小于星轮齿长度。本发明非等长多圆柱包络铣削型线啮合的星轮后侧齿面形成的泄露三角形比等长度多圆柱包络铣削型线啮合的星轮后侧齿面形成的泄露三角形要小80％以上，可使单螺杆压缩机在排气过程中的气体泄露大幅减小。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1、图2是单螺杆压缩机的结构示意图。其中图2是图1的俯视图。图中：101-机壳，102-星轮，103-排气口，104-螺杆，105-主轴，106-排气腔，107-吸气腔，108-气缸。

图3(a)是三圆柱铣刀沿螺杆转子齿面母线的铣削截面示意图；图3(b)是螺杆转子与星轮的几何关系与圆柱坐标系；图3(c)是星轮齿的截面图。图3(d)是图3(c)的左视投影；图中：1-展在平面上的母线型线，2-圆柱铣刀，3-螺杆转子，4-星轮，5-星轮齿，6-星轮齿中性面上的齿面啮合点对螺杆转子齿面形成的母线在螺杆转子轴端平面中的投影，7-星轮中性面以外的星轮齿面上的啮合点对螺杆转子齿面形成的母线在轴端面上的投影，a_j表示星轮厚度方向的中性面到齿面某点的尺寸，b_j表示一根星轮齿沿周向的中性面到某给定点的尺寸。

图4是本发明非等长三圆柱包络的星轮齿面图。其中图4(b)是图4(a)矩形区域的放大图。图4(b)中的8，9，10三条窄带圆弧面，就是参与切削螺杆齿槽表面的圆柱(铣刀)切削区。

图5是图4(b)中星轮齿的三个截面图。其中图5(a)是截面I；图5(b)是截面II；图5(c)是截面III；11、直线段；12、圆弧段。

图6是等长多圆柱与非等长多圆柱包络造成泄露三角形的比较。其中图6(a)是等长度多圆柱包络造成的泄露三角形；图6(b)是本发明非等长度多圆柱包络造成的泄露三角形；13、泄露三角形；14、螺杆齿槽后侧面。

具体实施方式

为了更清楚的表述本发明，首先给出以下定义：

螺杆齿面型线——星轮齿面给定的点在与单螺杆转子齿面啮合滑动过程中在转子齿面上所留下的轨迹成为单螺杆齿面型线，该型线实际就是螺杆柱体内齿面上如细腰状的螺旋形母线。

星轮齿面型线——星轮齿面的任一半径处的截面曲线称为星轮齿面型线。

齿前侧与齿后侧的定义为：对任意一只星轮齿，在星轮旋转方向上，处在前面位置的齿面称齿前侧，处在后面位置的称齿后侧。

槽前侧面与槽后侧面的定义为：对任意一只螺杆转子齿槽，与星轮齿前侧相啮合的齿槽侧面称为槽前侧面，与星轮齿后侧啮合的齿槽侧面称为槽后侧面。

按照本发明的技术方案，多圆柱非等长铣削包络的单螺杆压缩机啮合副齿面型线方法，按下列步骤进行：

1)单螺杆齿槽侧型面的构造

按照螺杆转子与其共轭啮合的星轮的运动几何原理，即螺杆转子与星轮齿面成形关系，仿照星轮齿面工作时作圆周运动的形式来移动圆柱铣刀的轴线，对螺杆转子齿槽侧面进行铣削。一般情况下，螺杆齿槽都是用一把铣刀实施铣削。如果要实施多圆柱(例如三圆柱)包络，则将该铣刀轴线改变3次，来重复走刀铣削即可完成。

对任意一个螺杆齿槽的后侧面加工，先确定中间方位铣刀轴线的坐标，取中间方位铣刀的铣削长度与星轮齿长度相同，对螺杆齿槽后侧面实施第一次走刀加工；将第一次走刀完毕的铣刀停止，沿星轮旋转轴线方向抬高铣刀轴线，确定第二个工位的铣刀方位，同时把铣刀沿铣刀轴线方向缩回一段距离，使参与螺杆齿槽二次铣削的长度达到第一次铣削长度(即星轮尺长)的2/3～1/3内，实施第二次铣削过程。

将第二次走刀完毕的铣刀停止，沿星轮旋转轴线方向降低铣刀轴到第一次走刀位置下方。确定第三个工位的铣刀位置，同时把铣刀沿铣刀轴线方向缩回一段距离，使参与螺杆齿槽切铣削的铣刀长度达到第一次铣削长度的3/4～2/3范围内，实施第三次铣削过程。于是，一个螺杆齿槽后侧面的加工完成。

对于上述圆柱铣刀三次变方位和变长度对螺杆齿槽实施加工所获得的齿槽侧面形状，可以用数值计算的方法进行描述，在通过五坐标数控铣床编程加工，也能得到同样的螺杆齿槽侧面形状。

2)圆柱铣刀的方位按以下数学关系式设定：

如图3(c)、图3(d)所示，对螺杆转子取圆柱坐标系(R，Z，θ)，坐标系的Z轴与螺杆转子轴线同轴，Z的正方向取星轮齿沿螺杆转子轴向移动的方向，Z轴的零点选取在螺杆转子轴线与星轮轴线垂直连线处；坐标系中的矢径R取螺杆转子的径向；

螺杆转子坐标系中的矢径R位置角θ的零点值取在螺杆转子齿槽最深的位置，即星轮齿正对着螺杆转子轴线的位置时，螺杆转子圆柱体被星轮中性面所切割的纵向截面上，对于同一个齿槽两侧的齿面型线，其起始角θ相同；

于是，由一个圆柱铣刀顶端的切削点P_j，对螺杆转子齿槽铣削加工所形成的母线方程组可表达为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_j=\sqrt{{(A-r_t\·\cos ({\mathrm{\ϵ\θ}}_0-{\mathrm{\β}}_j))}^2+{a_j}^2}\\ {\mathrm{\θ}}_j={\mathrm{\θ}}_0-\arctan \frac{a_j}{A-r_t\·\cos ({\mathrm{\ϵ\θ}}_0-{\mathrm{\β}}_j)}\\ Z_j=-r_t\·\sin ({\mathrm{\ϵ\θ}}_0-{\mathrm{\β}}_j)\end{array}\right.---\left(1\right)$

由圆柱铣刀根端处的铣削点P_j，对单螺杆转子铣削包络所形成的母线型线的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_j=\sqrt{{(A-r_0\·\cos ({\mathrm{\ϵ\θ}}_0-{\mathrm{\β}}_j))}^2+{a_j}^2}\\ {\mathrm{\θ}}_j={\mathrm{\θ}}_0-\arctan \frac{a_j}{A-r_0\·\cos ({\mathrm{\ϵ\θ}}_0-{\mathrm{\β}}_j)}\\ Z_j=-r_0\·\sin ({\mathrm{\ϵ\θ}}_0-{\mathrm{\β}}_j)\end{array}\right.---\left(2\right)$

上述(1)式和(2)式中：

a_j，b_j表示圆柱铣刀切削点的位置参数，a_j它们是设计螺杆转子和星轮时选取的，如果对于n个方位的圆柱铣刀加工形成的组合单螺杆转子母线，方程中的位置参数就分别为a₁，b₁；a₂，b₂；a₃，b₃；…；a_j，b_j；…；a_n，b_n；

r表示星轮齿面上任意一点P_jx的回转半径，对于螺杆转子齿面型线的确定，只要分别选取星轮齿根的半径r₀和齿顶的半径r_t处星轮齿面型线上一组点对单螺杆转子齿面包络的母线即可；

β表示在星轮旋转平面中，星轮齿面上的点与该齿面中线的夹角，单位为deg，对于一组母线方程，β是常量；

ε表示星轮齿数与单螺杆转子齿数之比；

按照式(1)，对于不同的a_j，b_j，可以构造n个方程组，即得到齿顶处n个啮合点所对应的n条母线型线，齿顶处的n条母线中各自其中的一段或两段顺次连接，就构成了螺杆转子组合齿顶母线；

按式(2)，对于不同的a_j，b_j，同样可以构造n个方程组，得到齿根处n个啮合点所对应的n条母线型线。齿根处的n条母线中各自其中的一段或两段顺次连接，就构成了螺杆转子组合齿根母线；

由于螺杆转子的加工采用圆柱铣刀，控制了铣刀两端母线的型线，那么，单螺杆转子齿面中间部分的任意一条型线也必然是n条母线型线的各自中的一段或两段的顺次连接所形成的。

以上圆柱铣刀的方位的确定方法及螺杆转子齿面型线的具体加工工艺可参见专利文献“多圆柱铣削包络的单螺杆压缩机齿面型线构成方法”(专利号2006100426141)。

3)与多圆柱非等长铣削包络的螺杆齿面相适配的星轮齿型面构成

与多圆柱非等长铣削包络的螺杆齿面相适配的星轮齿型面需要在四坐标或五坐标数控机床上进行。星轮齿面型线取决于加工螺杆转子型线时的圆柱铣刀方位，它是由多个圆柱按加工位置排列时表面重叠部分拟合的星轮齿面型线，

按加工螺杆转子时多方位圆柱铣刀的设定位置，取各铣刀圆柱面上能接触到螺杆转子齿面(这时假想铣刀没有自身旋转)的表面，把这些窄条状的表面按原方位放置，并将每两个相邻表面用外切直线光滑连接，在同一个圆柱轴向长度上得到圆弧段与直线段的相间连接，再用计算机按曲线拟合的近似方法进行处理，就得到了星轮的齿面型线的数据。按上述2)介绍的多圆柱铣刀方位确定方法，通过计算机数值模拟记录上述1)中所描述的圆柱铣刀的三个空间位置，这三个轴心距很小的圆柱铣刀表面大多数互相重叠，每个铣刀圆柱面上铣削螺杆齿槽侧面的接触点随齿槽侧面倾斜度大小而变化，但接触点变化区域很小，如图3(a)中中间圆柱在靠近齿槽右侧面很短的圆弧线段。

与多圆柱非等长铣削包络的螺杆齿面相适配的星轮齿型面三维结构见图4。需要特别说明的是，本发明中的多圆柱铣刀的参与切削长度是长度不等的，即在星轮齿面径向，靠近齿顶的齿侧面部位，仅被一根圆柱铣刀包络加工；在接近星轮齿根的齿侧面部位，被三个或二个圆柱包络。包络成型的星轮齿面构造如图4(b)中所示，图中标注为8、9、10的窄带状部分，指的是显现在星轮齿面上的圆柱包络发生区，三条带状以外的区域是连接三条带状圆弧区的直线面。

如图5(a)所示，用两个直线段11把一个圆柱上圆弧线段12连接起来，就形成了图4(b)中星轮齿面截面I处的型线；如图5(b)所示，在图4(b)中截面II处，星轮齿面型线是由两个短圆弧线段12和三个直线段11连接线构成；如图5(c)所示，对于图4(b)中截面III处，星轮齿面型线是由三个圆弧线段12和两边的直线段11(共四个直线段)组合而成。

如图6所示，根据单螺杆压缩机内部气体压缩过程分析，以及星轮与螺杆啮合副运动过程描述，多圆柱型线啮合的星轮任意一个齿的后侧面啮合脱离螺杆齿槽时，其星轮齿侧曲面、螺杆齿槽侧壁面14和机壳上星轮齿孔口边缘之间形成一个径向的泄露三角形13，这个三角形面积在星轮齿根附近很小，在星轮齿顶附近最大。

特别对于等长度多圆柱包络铣削的单螺杆啮合型线，其星轮齿顶附近的泄露三角形如图6(a)所示。本发明非等长多圆柱包络铣削型线啮合的星轮后侧齿面，由于只有一个圆弧啮合段，且靠近星轮齿上表面附近，形成的泄露三角形如图6(b)所示。显然比等长度多圆柱的泄露三角形要小80％以上。

Claims (2)

1.一种多圆柱非等长铣削包络的单螺杆压缩机齿面型线构成方法，其特征在于，按下列步骤进行：

(1)按照螺杆转子与其共轭啮合的星轮的运动几何原理，仿照星轮齿面工作时作圆周运动的形式来移动圆柱铣刀的轴线，对螺杆转子齿槽后侧面进行非等长三圆柱包络铣削：

对任意一个螺杆齿槽的后侧面加工，先确定第一个工位的铣刀方位，即中间方位铣刀轴线的坐标，取中间方位铣刀的铣削长度与星轮齿长度相同，对螺杆齿槽后侧面实施第一次走刀加工；

将第一次走刀完毕的铣刀停止，沿星轮旋转轴线方向抬高铣刀轴线，确定第二个工位的铣刀方位，同时把铣刀沿铣刀轴线方向缩回一段距离，使参与螺杆齿槽二次铣削的长度达到第一次铣削长度的2/3～1/3内，实施第二次铣削；

将第二次走刀完毕的铣刀停止，沿星轮旋转轴线方向降低铣刀轴到第一次走刀位置下方，确定第三个工位的铣刀方位，同时把铣刀沿铣刀轴线方向缩回一段距离，使参与螺杆齿槽切铣削的铣刀长度达到第一次铣削长度的3/4～2/3范围内，实施第三次铣削过程；结束后，一个螺杆齿槽后侧面加工完成；

圆柱铣刀的方位按以下数学关系式设定：

对螺杆转子取圆柱坐标系(R，Z，θ)，圆柱坐标系的Z轴与螺杆转子轴线同轴，Z轴的正方向取星轮齿沿螺杆转子轴向移动的方向，Z轴的零点选取在螺杆转子轴线与星轮轴线垂直连线处；圆柱坐标系中的矢径R取螺杆转子的径向；圆柱坐标系中的矢径R位置角θ的零点值取在螺杆转子齿槽最深的位置，即星轮齿正对着螺杆转子轴线的位置时，螺杆转子圆柱体被星轮中性面所切割的纵向截面上，对于同一个齿槽两侧的齿面型线，其起始角θ₀相同；于是，由一个圆柱铣刀顶端的切削点，对螺杆转子齿槽铣削加工所形成的母线方程组可表达为：

由圆柱铣刀根端处的铣削点，对单螺杆转子铣削包络所形成的母线型 线的方程为：

上述(1)式和(2)式中：A表示星轮轴心到螺杆转子轴心的距离；θ₀为起始角；a_j表示圆柱铣刀切削点的位置参数，是设计螺杆转子和星轮时选取的，如果对于n个方位的圆柱铣刀加工形成的组合单螺杆转子母线，方程中的位置参数就分别为a₁，a₂，a₃，…a_j，…a_n；r表示星轮齿面上任意一点的回转半径，对于螺杆转子齿面型线的确定，只要分别选取星轮齿根的半径r₀和齿顶的半径r_t处星轮齿面型线上一组点对单螺杆转子齿面包络的母线即可；β_j表示在星轮旋转平面中，星轮齿面上的点与该齿面中线的夹角，单位为deg，对于一组母线方程，β_j是常量；ε表示星轮齿数与单螺杆转子齿数之比；按照式(1)，对于不同的a_j，可以构造n个方程组，即得到齿顶处n个啮合点所对应的n条母线型线，齿顶处的n条母线中各自其中的一段或两段顺次连接，就构成了螺杆转子组合齿顶母线；按式(2)，对于不同的a_j，同样可以构造n个方程组，得到齿根处n个啮合点所对应的n条母线型线；齿根处的n条母线中各自其中的一段或两段顺次连接，就构成了螺杆转子组合齿根母线；由于螺杆转子的加工采用圆柱铣刀，控制了铣刀两端母线的型线，那么，单螺杆转子齿面中间部分的任意一条型线也必然是n条母线型线的各自中的一段或两段的顺次连接所形成的；

(2)与螺杆齿槽后侧面相适配的星轮齿型面构成

按螺杆转子齿槽后侧面进行非等长三圆柱包络铣削的铣刀方位确定方法，通过计算机数值模拟记录步骤(1)中圆柱铣刀的三个空间位置，在四坐标或五坐标数控机床上进行星轮齿型面加工，获得与螺杆齿面相适配的星轮齿型面构成如下：

将星轮齿沿径向依次从外向内作三个截面，在第一截面处，星轮齿面 型线由一个圆弧段和两个直线段连接构成；在第二截面处，星轮齿面型线由两个圆弧段和三个直线段连接构成，在第三截面处，星轮齿面型线由三个圆弧线段和四个直线段构成。

2.如权利要求1所述的多圆柱非等长铣削包络的单螺杆压缩机齿面型线构成方法，其特征在于，由圆柱铣刀非等长地参与铣削区搭接构成的星轮齿面是齿后侧面，对于星轮齿前侧面，多圆柱包络铣削是等长多圆柱包络铣削，或非等长多圆柱包络铣削。 

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