CN1046025A - 加工涡旋形部件的方法 - Google Patents

Abstract

一种精加工涡旋式压缩机的预先成型的多圈渐开线螺旋形卷绕体的方法，其中卷绕体绕渐开线螺旋的基圆的轴线旋转，用单刃切削刀具切削卷绕体的一个或两个表面，随卷绕体旋转，一把刀具或两把刀具在基圆的切线方向上横向进刀，卷绕体每转一圈刀具的横向进刀量等于基圆的周长，从而在卷绕体的全长上切除一片材料，这些步骤重复进行直到卷绕体的整个表面精加工成为一系列并排排列的平滑连续的螺旋表面。一种由该方法制造的涡旋式压缩机的部件。

Description

本发明涉及的是涡旋类型的气体压缩机，以及制造这种压缩机部件的方法，压缩机这一术语包括泵在内。

涡旋型压缩机在冷冻装置、空气压缩机及类似装置领域中是众所周知的。在某些情况下，这种涡旋式装置是用来膨胀气体，而不是压缩气体，下面本发明同样涉及这种装置的制造。

例如，4441870号美国专利揭示了一种典型的有两个涡旋道的装置，每个涡旋道都有一个圆形端板和从该端板上突出的渐开线螺旋形卷绕体，该卷绕体是相对于与相关的端板平面垂直的轴线纵向地突出的。

一般当用在冷冻装置中时，每个螺旋形卷绕体有约2    1/2到3圈。这两个卷绕体是左右面对面相互偏装的，其内、外表面相接触并相互滑动，限定出了一系列成对的沿径向对置的腔室，离圆形端板的中心线最远的腔室容积最大，邻近中心线的腔室容积最小。当一个卷绕体的纵轴相对于另一卷绕体的纵轴沿轨道运动时，最大的腔室逐渐变小，于是便压缩了截留在腔室间的气体。在一个圆形端板上的中心孔使压缩气体从最小的腔室中放出，而螺旋形卷绕体的外部将新进入的气体截留在最大的腔室中。

由于气体的压缩是在超过2    1/2圈轨道运动或阶段上逐渐进行的，腔室与腔室之间的压力降只是从入口到出口总压力降的一小部分，因而减少了腔室之间的泄漏。

尽管如此，在加工螺旋形卷绕体，加工螺旋形卷绕体内、外表面以及端板表面时，必须达到很高精度，虽然螺旋形卷绕体表面之间是线接触，也必须达到良好的表面光洁度，以便在腔室之间进行密封。

这样的卷绕体通常用一块金属制成，一般是铸铁或铝，通常先铸造粗制成形，然后用端铣型刀具铣削。例如，4441870号美国专利描述了用端铣型铣刀沿螺旋形路径运动，同时铣削卷绕体相对的两个表面和卷绕体底部的端板表面。在该专利中，论述了使用与螺旋形卷绕体之间的间隔同样宽的铣刀所受到的限制，尤其是考虑到最里圈的形状。

4463591号美国专利主张用一种精压技术来精确加工卷绕体内外表面和卷绕体底部的端板表面。该专利试图克服普遍采用的铣削技术所受到的限制。

4436465号及4615091号美国专利也描述了另一种制造涡旋泵部件的方法，并描述了端铣方法的局限性和效率低的缺陷，并特别论述了铣削的精度及光洁度差，所需加工时间长。这些专利建议，为了精加工卷绕体的内外表面，用连续螺旋拉刀进行轴向拉削，第一个专利采用直接拉削，后一个专利利用了刀具的超声往复运动。

尽管上面的专利都试图提供一种取代端铣方法的改进工艺，但到目前为至，似乎所有的涡旋泵部件都是由端铣法生产的。

因此，用端铣刀的柱状面切割铣削卷绕体表面的方法仍在普遍使用，该方法不可避免地造成精度差的粗糙外形。

典型的端铣刀有8个或10个切削刀，当切削曲线表面时，会在卷绕体表面上形成有一系列尖顶的外形。所有这些刀具都不可避免地有些偏心，因而每8个或10个尖顶会形成波浪形起伏一次。一般说来，这些尖顶和这些尖顶的波浪形起伏都是与涡旋部件的纵轴平行的，因而是与卷绕体表面相对滑动的方向成直角。

卷绕体表面之间的接触可以比作轴和其周围的轴颈之间的接触，当在轴和轴颈的情况下，表面不平度是必然在滑动方向上扩展的，而不是垂直于滑动方向扩展的，这些部件的表面光洁度是最佳的，表面不平度在滑动方向上扩展会促使两表面之间润滑剂的输送。

采用很慢的进刀速度可以减少端铣方法的有害作用，但加工每个涡旋部件的时间就会增加。又由于在加工时，刀具与卷绕体是全深度接触的，会产生相当大的侧向力，会导致卷绕体外端倾斜，而其根部的倾斜度较小。当从卷绕体的断面看去时，这种形式的倾斜导致了卷绕体沿其长度方向出现凹度，根据刀具的锐利程度，每件成品的凹度是连续变化的。可见，不可能有补偿这种缺陷的切实可行的方法。如像4441370号美国专利教导的那样，将端铣刀做成与卷绕体之间的间隔同样宽度，那么只需要一次走刀，就同时加工出卷绕体相对的两侧。但是这种端铣刀不可能不减小其加工的宽度而使其外切削表面保持锐利度，所以它的寿命很有限。

4436465号和4615091号美国专利所描述的轴向拉削方法也会产生与涡旋部件的纵轴平行的表面不平度这样的表面光洁度，因此也不能达到类似轴颈的平滑滑动。

现在在齿轮装置领域中众所周知，像具有高精度和极好的表面光洁度的齿轮齿侧面那样的渐开线表面，可将齿轮齿面与平的滚齿表面（如滚压轮）相接触来滚压齿面进行加工。但由于涡旋压缩机部件的渐开线表面的多圈性质，这种方法不能加工涡旋压缩机部件。

本发明是关于一种精加工涡旋式压缩机的预先成型的多圈渐开线螺旋形卷绕体表面的方法，该方法包括下列步骤：

（a）、将多圈渐开线螺旋形卷绕体安装在适于旋转的夹持装置上;

（b）、使卷绕体绕渐开线螺旋的基圆的轴线旋转;

（c）、使刀具与卷绕体表面上的某一点相接触;

（d）、同时使刀具沿该基圆的切线方向横向进刀，卷绕体每转一圈，刀具横向移动量等于基圆的周长，从而在卷绕体的整个全长上切除一片带状材料;

（e）、使刀具沿轴向退离卷绕体，并使刀具在邻近于第一次提到的那个点处的地方与卷绕体相接触并重复步骤（d）;

（f）、重复步骤（e），直到卷绕体的整个表面加工成为一系列并排排列的平滑连续的螺旋表面，每一表面在所述轴线方向上的扩展范围是有限的。

实际上在一系列切削过程中可设置两把独立的刀具来切削渐开线卷绕体的两个侧面，每次切削都沿相对于前次切削的纵轴方向移动，切削始于卷绕体的端部，并逐渐加深，直到切削到卷绕体的根部靠近端板的地方。为了在卷绕体侧面切削出准确的渐开线表面，切削次数可高达100次，并必须采用专门的滚切几何尺寸。这样对涡旋泵部件就进行了粗加工，使它的卷绕体表面加工到已有操作中精加工尺寸的。5m/m内。

本发明进一步是关于一种涡旋式气体压缩机部件，该部件包括有一个背板，该背板上有多圈渐开线螺旋形卷绕体，其特征在于该卷绕体表面为一系列并排排列的、平滑连续的渐开线表面，每一表面在渐开线螺旋的基圆轴线方向上的扩展是有限的。

与端铣情况下，卷绕体的整个表面（比如说30mm深）被加工的情况相比较，由于刀具与卷绕体的接触深度较小，大大减小了使卷绕体倾向于倾斜的力（减小到上述情况的1/150）。而且由于所形成的表面在卷绕体之间相对滑动的方向上是平滑连续的，避免了端铣法所产生那些尖顶。

在进一步的精加工中，这样的两把刀具分别在卷绕体的两个侧面同时横向切削卷绕体，使大大减小了的切削力趋于平衡，会使合成倾斜力基本减小到零。应注意，使用两把刀具同时切削也使切削时间减半。在铣削时，由于把铣刀轴靠得太近是不切实际的，因而不能达到切削力的平衡。

现在在机加工中众所周知，尤其是当使用耐磨的寿命长的刀具时，如使用碳化钨或金刚石合成物（晶体）时，必须采用很高的表面速度。加工一个典型的涡旋部件适用的最低速度为约300转/分，当然，在每次切削开始和结束时停止承载涡旋件的轴杆的转动也是不切实际的。对于典型涡旋部件连续转动的情况，刀具或刀具组必须在涡旋件转动不超过1/8圈，或在25毫秒的时间间隔内，沿轴向运动定位到加工涡旋部件表面的位置（对于所涉及的情况，距离可达30毫米）。另外，由于涡旋件表面起始部和尾部离开半圈，两把刀具轴必须相差半圈顺次定位。在加工内表面的刀具开始切削之前，加工外表面的刀具有涡旋件的最小半径处将开始切削半圈，而在涡旋件的外端则情况相反。而且这对刀具应在尽可能短的时间内，如100毫秒时间内从里面位置回到外面位置，或从外面位置回到里面位置。

实际上涡旋件有2    1/2到3圈，每次切削约需0.8秒，如要切削100次，整个卷绕体的加工周期约需80秒。

所述的这种加工的几个特点就是要达到可靠的、重复的并有极高精度的迅速运动。

在进一步的改进中，已使渐开线工作表面的几何形状稍许改变，以改善涡旋件内表面接触点的密封性，与涡旋件外表面接触点的密封性相比较，其压缩压力较高。这种改进涡旋件内接触点密封性的方式需要在加工卷绕体时涡旋件内圈要较厚，尽管两把刀具最好安装在一个滑槽上并由一个凸轮机构操纵横向运动，以达到所需的精度。根据本发明达到涡旋件内圈较厚是把加工卷绕体内外表面的单刃刀具相对于基圆的切线定位在稍微不同的高度处。

最后，本发明提供了在涡旋部件从机床上卸下之前加工卷绕体顶部和卷绕体之间的底面的方法，以使限定出压缩室的所有四个面之间有精确的关系。

当然，将涡旋部件稳定夹紧并使刀具相对于涡旋部件运动来完成相同的相对运动，也能完成涡旋部件的加工。

图1是一个固定的典型涡旋部件的正视图。

图2是沿图1的XX线的剖视图。

图3是一个运动的典型涡旋部件的正视图。

图4是沿图3的XX线的剖视图。

图5、6和7是在加工的不同阶段，不同射线上固定的涡旋部件的局部剖视图。

图8表示表面8和9（图2）的铣削操作。

图9、10和11表示按照现有技术加工涡旋表面。

图12、13和14表示按照本发明加工涡旋表面。

图15表示按照本发明的机床的透视图。

图16和17表示图15中的凸轮操纵机构的细节。

图1和图2表示按照本发明制造的涡旋泵固定的涡旋件的正视图和沿XX线的剖视图。该涡旋件包括具有轴线3的圆形端板2，以及与圆形端板成一体的连续螺旋的卷绕体4，卷绕体4的螺旋包括有从设于轴线3上的基圆产生的两条渐开线表面。

外螺旋表面6的渐开线起始于YY轴上标明Z的地方，内螺旋表面则起始于7表示的地方。

卷绕体轴向终止于表面8处的它的外端，以及表面6a和7a的它的内端，当朝着卷绕体的方向看去，表面6a和7a是几何相同的，但是它们分别在图1和图2中表明的固定涡旋件的左右边。

由于本发明只涉及固定和运动涡旋件工件表面的加工方法，因此许多其它专利中论述的所有关于轴颈、气体和润滑剂通道等问题均予以省略，只描述那些只受加工过程影响的表面。

现在参照图2、5、6和7，根据所述的精加工方法，卷绕体的表面6和7的渐开线表面分别由两把刀具11和12加工，同时涡旋件以顺时针方向旋转。刀具安装在一个滑道上，并设置得使其切削刃或刀刃13和14分别沿与基圆5相切的直线向内作径向运动，这些直线称为射线。

为了使表面6和7是渐开线，刀刃13和14的运动等于2II_rO，其中r是基圆5的半径，O是涡旋件的旋转角。对于外表面加工刀刃13，点Z（这里0等于0）是渐开线的起始点。内表面7的渐开线表面位于离切点距离较小的地方，其数量等于卷绕体4的理想厚度。

在开始精加工操作之前，先将表面6、7、8和9进行粗加工，精密铸造或用其它方式成形，并留有适当的精加工量，比如说0.3到0.8m/m。如下面将要描述的，也可能需要其它的初步加工。

为了能清楚地理解刀具的运动顺序，图1、5、6、和7表示好像是涡旋件是不动的，那对刀具是逆时针转动并同时沿各自的射线运动的，这样来表示出刀具11和12的顺次位置。这些射线在图1中表示为a、b、c、d、e、f、g、h、i，每条射线都与基圆相切。当加工卷绕体外表面6的刀具位于射线i并开始沿轴向并沿径向向外运动时，机加工循环就开始了。应注意到图1中当刀具退出并离开涡旋件时，这些刀具是用虚线表示的。在刀具旋转了约30度（射线b）时，刀具运动到图1中11b的位置，此时开始第一渐开线螺旋形的切削。

半圈后（射线c和d），卷绕体内表面刀具12便出现刚才描述的卷绕体外表面刀具11的运动情况，这就是刀具12（在射线c）开始沿轴向和径向向外运动，在射线d处将达到与刀具11相同的接触深度，这一情况是图6中表示。

正如前面叙述的，现在所描述的切削顺序要重复进行100次，每次逐渐加深切削深度。例如在图5中显示刀具11e和12e将卷绕体切削到一半深度的情况。在射线f处，刀具11将完成其沿卷绕体表面6的切削，并开始迅速退出运动，以便在射线g处离开涡旋件表面8。提供了凹槽15和余隙退刀槽16，以使刀具11升起离开涡旋件而不与它有加工接触。同样，刀具12继续运动到12g处。

在射线h处，刀具12将完成其沿卷绕体表面7的运动路径，开始其退出运动，而刀具11轴向不动并离开表面8也运动到11h处。在图1表明的射线i处，两把刀具都离开了涡旋件表面8，并开始迅速返回到涡旋件的中心，以便在射线a处重新进入涡旋件。

刀具进入涡旋件也需要提供凹槽，尤其是刀具位于12a和12e时，这时刀具必须迅速沿轴向运动，在约30度角的旋转期间内定位。

为达到此目标提供了余隙刀槽17。当刀具达到全深（如图7）时，以高速退出刀具是十分重要的。可理解到，刀具可以运动至超过卷绕体基部的粗加工表面9，留下一个凸起的环形表面18，并随后由铣削来加工。

如图8所示，该环形凸起表面18连同留下来进行精加工的表面8上的整个材料，用一个以双表面铣刀19来切除。这铣刀高速旋转，将这两个表面精铣到对于刀具13和14产生的旋转面有相同深度，如图8所示的那样，这一点将作进一步解释。

图9到图14中，将铣削卷绕体侧面的工艺和本发明的单刃切削、表面铣削工艺进行比较。图9和图10表示一个典型的槽式端铣刀，它铣削卷绕体的一个侧面和底面9。由这种刀具产生的完工表面表示在图11中，其特点是由于刀具的偏心度，刀具每次旋转都形成一系列尖顶，这些尖顶又叠加成波浪形起伏。

为了比较，图12、13和14表明了本发明的渐开线产生工艺。该工艺产生的精加工表面由图14表明，该表明由一系列平行于端面9的渐开线组成。

根据本发明，固定的涡旋件2和运动的涡旋件2a的加工是在图15表明的机床上完成的。这里，涡旋部件由卡盘20夹持，卡盘20安装在主轴21上，主轴装在由机床底座24支承的轴颈22和23上。主轴21由蜗轮25带动旋转，蜗轮25由装在轴27上的蜗杆26驱动，轴27在由机床底座24支承的轴颈（未画出）中旋转。轴27是由电机28驱动转动，电机28固定在安装在机床底座24上的支座29上。轴27延长以安装蜗杆28，蜗杆28驱动固定在中间轴30上的蜗轮29，中间轴30装在从机床底座24上凸出来的支座31上。中间轴30上开有花键32，花键32沿轴向在轴33的内花键端中滑动，轴33架设在支座34上，并装有伞齿轮35，伞齿轮35驱动安装在短轴37上的伞齿轮36。

主轴21向后延长并装有主靠模38，主靠模38的一个侧面上开有涡旋槽39，在相反的面（未示出）上也开有反向涡旋槽。

在涡旋槽39中啮合有靠模从动件40，该从动件40安装在固定于摇摆滑动轴42上的杆41上，轴42装在机床底座24上的轴颈43和44中。摇摆滑动轴42上于机床的前端有杆45，杆45用来控制刀具滑板46的运动。

刀具11和12向前伸出伸向涡旋件，并安装在进给刀架47和48上，进给刀架47和48安装在刀具箱49中的精密滑槽内，刀具箱49固定安装在刀具滑板46上。

进给刀架47和48的全部功能是在加工操作期间按所要求的那样，使刀具11和12迅速向前或退出与涡旋件的接触。在每种情况下，刀具相对于刀具滑板46或刀具箱49来说其向前的位置都是相同的，而其停止位置是由精确限位器（未画出）来控制。

刀具11和12所完成的切削深度是由主滑板50的轴向位置来控制的，该主滑板50由引导丝杠52使其沿机床底座24的滑座51运动，引导丝杠52是由数控电机53驱动的。

主滑板50上附着有支座34，支座34为轴33提供了轴颈，也为短轴37提供了安装部位。随着主滑板50的纵向运动，短轴37、伞齿轮36、伞齿轮35和轴33都作轴向运动，即沿主轴21的轴线方向运动。

刀具11和12的向前和退出运动由轴54和55控制，轴54和55的每个轴由与伞齿轮36的面上的凸轮导向槽56所确定来旋转一个有限的角度。轴54延长并装在支座57的轴颈上，支座57构成了与主滑板50相连的支座34的一部分。轴55也装在支座57的轴颈上。轴54和55的外延部分上分别装有直角形杆58和59，杆58和59与销子成一整体并与凸轮导向槽56相啮合。

现在已布置了主轴21和伞齿轮36之间的总的传动关系是：当主轴21转4圈时，伞齿轮36转一圈。可以看出，凸轮导向槽56包括有一个小半径扇形体60和一个大半径扇形体61，两个扇形体由两个大倾角凸轮滑边连接起来。当伞齿轮36的按顺时针方向转动时，由凸轮导向槽56所确定的作用首先发生在轴54上，并顺次发生在轴55上。由于杆58和59的枢轴所对的绕短轴37的轴线的夹角63设置为45度，相对于主轴21的转动就产生180度的转动，从而刀具11和12的向前及退出运动相对于被加工的涡旋件的转动每180度发生一次。

我们再回忆一下参照图1和图2解释的刀具运动所需的次序。

刀具滑板46的纵向运动需要轴54和55装有轴向滑动的花键，这是由于直角形杆58和59是轴向固定的，而图15中所表明的轴54和55的那部分要随滑板46的运动而运动。

现在参照杆45的作用可看出，杆45的圆柱形端部64与刀具滑板46上的一个槽相啮合，以使摇摆滑动轴42按主靠模38和杆41所确定的方式运动。

可以看到，在刀具滑板46的下侧面上开有第二个槽口66，其作用将在后面描述。

在主轴21连续旋转期间，为了平衡地进行前面所述的约发生100次序的操作顺序，需要有现在要描述的专门措施来控制这个操作顺序。因此在摇摆滑动轴42的远端装有杆41、移位杆67和回动杆68，所有这些杆都相对于摇摆滑动轴42是轴向固定的并可转动地固定。

这样的机构的详细作用图16和17中进行说明。图中可看出，在靠模38的前面上有涡旋形滑槽39，如前所述的那样，在靠模的反面上有反向的涡旋形滑槽69。两条涡旋形滑槽分别终止在等半径的涡旋的内端和外端，分别用标号70和71表示。图16中的回动杆68位于杆41的后面，靠模从动件74也位于杆41的后面。

从图17中可看出，靠模从动件74位于离开主靠模38的后面的地方，从而不与涡旋形滑槽69啮合而不沿靠模的表面运动。这就是图15中所示的状态，摇摆滑动轴42和它的各杆件45、41、67和68一起向后运动，如标号70表明的那样，靠模从动件40带入涡旋形滑槽39的内圆部分，涡旋件的加工将开始了。

当主轴约转2圈后，从动件40将到达靠模滑槽39的弧形段71，而滑板46需要迅速返回到其起始位置。为达此目地，摇摆滑动轴42要朝向机床的前方轴向运动，带动安装在回动杆68上的靠模从动件74进入主靠模背面上回动槽69。当主靠模和主轴又转一圈后，杆返回到图16所说明的最里边的位置后，摇摆滑动轴42朝后运动，使靠模从动件40重新与涡旋形滑槽39啮合。这种轴沿轴向的快速运动是由凸轮72和73作用的，凸轮72和73固定在主靠模38的周边，与从移位杆67上伸出的销子75和75a相接触。这两个凸轮的斜面用来迅速沿轴向推动摇摆滑动轴42，形成刚才所述的顺序。

如前面提到的，该机床还要在完成刚才所述的切削操作基础上来加工面8和9。为达此目的，如图8和图15所示也装有铣刀19，铣刀19安装在铣头77上，铣头77在刀具箱49后面并由刀具滑板46支承。铣刀由电机或未画出的类似装置驱动。

刀具滑板46上装有一个未示出的螺帽，它与由数控电机76驱动的滚珠丝杠78相啮合，数控电机76固定在主滑板50的后端。

在刀具滑板46正常运动期间，如切削操作工序期间，电机76不通电而处于自由转动状态。

但是，在涡旋表面加工结束时，数控电机53使主滑板50退回到使杆64从槽65中完全退出的程度，在此基础上，电机76通电以使刀具滑板向前运动，使铣刀19进入适当位置来加工涡旋件的表面8和9。在这个位置上，电机76处于适当位置时，电机53通电使杆64的圆柱状部分65进入滑板的槽66中，为铣削操作做好准备。现在电机53通电，使主滑板50运动到全深位置，主电机28通电，主轴起动，刀具滑板在主靠模38的控制下向前运动。为达此目地，电机28是以适合于铣削工序的慢速下旋转。铣削完毕后，主滑板50在电机53的控制下退回，以便能卸下涡旋件2并将下一个部件装入卡盘20上。

Claims (3)

1、一种精加工涡旋式压缩机的预先成型的多圈渐开线螺旋形卷绕体表面的方法，该方法包括下列步骤：

(a)将多圈渐开线螺旋形卷绕体安装在适于旋转的夹持装置上；

(b)使卷绕体绕渐开线螺旋的基圆的轴线旋转；

(c)使刀具与卷绕体表面上的某一点相接触；

(d)同时使刀具沿基圆的切线方向横向进刀，卷绕体每转一圈，刀具横向进刀量等于基圆的周长，从而从卷绕体的整个全长上切除一片带状材料；

(e)使刀具退离卷绕体，并使它在第一次提到的点的邻近点处与卷绕体相接触，并重复步骤(d)；

(f)重复步骤(e)，直到卷绕体的整个表面加工成为一系列并排排列的平滑连续的螺旋表面，每一表面在所述轴线方向的扩展是有限的。

2、如权利要求1所述的方法，其中应用了两把切削刀具切削卷绕体的两个侧面，因而两个侧面是同时精加工的。

3、一种涡旋式气体压缩机部件，它包括一个背板，在该背板上有多圈渐开线螺旋形卷绕体，其特征是卷绕体表面具有一表面，是一系列并排排列的平滑连续螺旋表面，每一表面在渐开线螺旋的基圆的轴线方向上的扩展是有限的。

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