专利名称：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—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。
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， 表示星轮厚度方向的中性面到齿面某点的尺寸，bj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。
具体实施例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。
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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，Ζ，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Pp对螺杆转子齿槽铣削加工所形成的母线 方程组可表达为
权利要求
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。
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。
全文摘要
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。
文档编号B23F5/20GK101961802SQ201010293319
公开日2011年2月2日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者余小玲, 冯全科, 吴伟烽, 徐健, 赵忖, 郭蓓 申请人:西安交通大学