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1引言
用螺桿式壓縮機取代活塞式壓縮機是動力用空氣壓縮機發(fā)展的必然趨勢。螺桿式壓縮機分為雙螺桿和單螺桿兩種。雙螺桿壓縮機的一對轉(zhuǎn)子實質(zhì)上是一對斜齒輪，屬于平面嚙合，其齒形目前主要依靠引進，用于轉(zhuǎn)子精加工的數(shù)控磨床則完全依賴進口。由于目前國產(chǎn)雙螺桿空壓機的性能與國外有一定差距，因此進口雙螺桿壓縮機占據(jù)了國內(nèi)市場的主導地位，不僅價格昂貴，維修與配件供應也不及時，這種狀況將會對國民經(jīng)濟的安全產(chǎn)生不利影響。
螺桿式壓縮機在國防軍上、空凋制冷等領(lǐng)域應用廣泛。如海軍對空壓機的技術(shù)性能有著嚴格要求：潛艇要用高壓空氣將水排出后才能浮出水面，而潛艇噪聲大則易被敵方聲納捕捉，因此要求壓縮機具有振動小、噪聲低、可靠性好、節(jié)能等優(yōu)點。美國海軍在對現(xiàn)有的各類空壓機進行了嚴格的論證后認為單螺桿壓縮機由于具有上述優(yōu)點，完全可滿足潛艇對高性能壓縮機的要求。但單螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子為空間嚙合副，其嚙合理論的研究及加工技術(shù)的開發(fā)比雙螺桿壓縮機更困難，目前國外僅日、美等少數(shù)國家在引進法國專利后可以生產(chǎn)，主要用于空氣壓縮機、空調(diào)壓縮機和工藝壓縮機等。單螺桿壓縮機是我國至今唯一未能引進的高檔壓縮機種。我國從上世紀70年代開始對單螺桿壓縮機的研制進行攻關(guān)，研制工作得到了原國家科委、國防科工委及相關(guān)部、省的支持，取得了一定進展，但尚未解決高精度專用機床與星輪加工等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)的單螺桿壓縮機在壽命和能耗等方面尚須進一步改進。
2星輪的齒形
單螺桿壓縮機中由有6個齒槽的螺桿(蝸桿)與有11個齒的星輪(蝸輪)所構(gòu)成的嚙合副實質(zhì)上是一對特殊的高精度環(huán)面蝸桿副。它的特殊之處在于：螺桿的外形不是環(huán)面而是圓柱面(或者說螺桿的外形與普通圓柱蝸桿相同，而其齒形與環(huán)面蝸桿相同)。
傳統(tǒng)齒形由于環(huán)面蝸桿副工作時，蝸輪的一個齒上有兩條接觸線(一條在母面或母線上，另一條在二次包絡面上)，因此研究人員普遍認為單螺桿壓縮機的嚙合副也是雙線接觸。新齒形20年前(大約比國外早10年)，筆者發(fā)現(xiàn)星輪的一個齒上同時有三條接觸線，星輪的齒面由母面(或母線)3、二次包絡面4、特形面5三部分組成(見圖1)。特形面亦稱第三工作區(qū)。第三工作區(qū)的出現(xiàn)使星輪的有效下作齒面面積擴大了5倍，星輪的壽命也因此延長數(shù)倍。筆者將這種新發(fā)現(xiàn)的齒形稱作星輪的“新齒形”。
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w1——星輪角速度；w2——螺桿角速度；1.星輪2.螺桿3.母線4.二次包絡面5.第二工作區(qū)圖1
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3星輪滾刀的設計
星輪的這種新齒形在提高嚙合副的密封性能與工作壽命方面的優(yōu)勢是非常明顯的，但是還必須解決它的加工技術(shù)。用常規(guī)設計的滾刀加工這種新齒形時會產(chǎn)生以下問題:①滾刀刀刃的合理前角從頭到尾應有近30°的變化，然而在既深又窄的刀槽里，刃磨這樣的前刀面是難以實現(xiàn)的;②滾刀重磨后所加工星輪的齒形與齒寬都將發(fā)生不允許的變化;③鏟磨工序的精度難以保證。為了解決單螺桿壓縮機星輪新齒形的加工問題，筆者研制了一種特殊滾刀。
短滾刀結(jié)構(gòu)當用假想的滾刀滾切星輪并計算每一個刀刃的切削余量時，發(fā)現(xiàn)滾刀左端刀刃的切削余量僅數(shù)微米。如果將滾刀的左端去掉，由此所產(chǎn)生的齒形誤差將很小。因此設計時將滾刀截短，這種短滾刀結(jié)構(gòu)不僅降低了滾刀的制造難度，而且降低了切削力。滾刀片的設計將截短的滾刀分成四段，其主要好處是:①將原來在窄縫中難以刃磨的刀刃變成在敞開的端面上的刀刃，極大地方便了刀片的刃磨和檢測;②可以方便地利用6頭滾刀的特點，把刀刃縮短為原長的1/6,不僅大大降低了切削力、保證了切削過程的平穩(wěn)，而且將原來前角近30°的變化減為5°～6°，因此可以在保證加工效果的前提下合理選用不變的前角，顯著降低了滾刀的制造難度；③刀片重磨后，可用修磨端面或在端面間加墊片的方法保持刀片在刀體中的正確位置，因此實現(xiàn)滾刀的多次重磨。
4實用效果
用設計的短滾刀進行實切試驗，結(jié)果證明:滾切過程平穩(wěn)、順利，加工的星輪安裝后嚙合間隙符合設計要求，齒面接觸斑點分布均勻，接觸面積大于90%。實測排量比國際先進水平高1%以上。在此基礎上，將星輪的齒寬由原來的左、右半齒相等改為不等齒寬，發(fā)明了“節(jié)能長壽單螺桿壓縮機”。節(jié)能長壽單螺桿壓縮機通過應用這種特殊滾刀加工的非等寬齒星輪，其性能與國際先進水平相比，能耗降低0.5kw/m3·min-1，容積效率提高5%以上，星輪壽命提高10%以上，其產(chǎn)業(yè)化上作得到了科技部中小企業(yè)科技創(chuàng)新基金的支持，產(chǎn)品的性能與技術(shù)水平受到了科技部多位院士的高度評價與用戶的歡迎。目前該產(chǎn)品已系列化并投人批量牛產(chǎn)，產(chǎn)品每年可節(jié)電數(shù)億度。
5結(jié)語
與國外用仿形銑加工后再用螺桿砂輪磨齒的星輪加工工藝相比，星輪滾切工藝具有效率高、成本低的優(yōu)勢。目前正力精機作為國內(nèi)唯一掌握這種特殊滾刀設計與制造技術(shù)的企業(yè)，正為進一步擴大我國在單螺桿壓縮機的基礎研究、工藝技術(shù)及其工藝裝備等方面的優(yōu)勢做出新的努力。