國內(nèi)外螺桿轉(zhuǎn)子精密加工設(shè)備綜述

周 斌 魏偉鋒

（陜西漢江機床有限公司螺磨所，陜西漢江 723003）

CIMT2011中國數(shù)控機床展覽會于4月11—16日在北京召開，本屆展會是世界機床制造業(yè)最新、最高技術(shù)成果的展示。各參展企業(yè)廣泛交流企業(yè)自主研發(fā)的最新技術(shù)和產(chǎn)品、深入探討行業(yè)發(fā)展的趨勢和方向、細致了解并盡量滿足用戶行業(yè)的最新需求。在轉(zhuǎn)子精密加工設(shè)備方面，國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)如英國HOLROYD公司、德國KLINGELNBERG公司、德國KAPP公司、陜西漢江機床有限公司均展示了其在異型轉(zhuǎn)子精密加工設(shè)備領(lǐng)域的最新產(chǎn)品?，F(xiàn)結(jié)合其各自的技術(shù)特點，予以綜述。

1 英國HOLROYD公司的TG350E數(shù)控螺紋磨床

英國HOLROYD公司是一家歷史悠久的螺桿制造及機床公司，年產(chǎn)各種精密螺桿轉(zhuǎn)子十幾萬副，其高精度螺桿轉(zhuǎn)子均為磨制螺桿，在生產(chǎn)精密螺桿轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)上，近年開發(fā)了新一代數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床（圖1）。

該機床的推出很好地滿足了現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對絲杠、蝸桿、轉(zhuǎn)子等多種型面加工方面的需求。這些要求主要有:高精、高效;能快速滿足市場產(chǎn)量的需求，降低對操作者技能的要求;加工設(shè)備要有柔性以滿足市場對多品種的需求以及降低生產(chǎn)成本等。TG350E主要由機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、砂輪修整系統(tǒng)、在線檢測系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、集中潤滑系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等組成。該機床最大的特點是配備了在線測量系統(tǒng)。另外，床身采用原轉(zhuǎn)子銑床的斜床身，提高了機床的剛性，使機床可以實現(xiàn)從棒料上直接磨出螺紋，而無需先進行粗銑加工。

機床砂輪修整系統(tǒng)由配有一個兩軸數(shù)控的機構(gòu)組成。以金剛石滾輪為刀具，可實時修整砂輪。在加工過程中，當(dāng)檢測系統(tǒng)檢測到被加工表面超差時，機床自動計算出當(dāng)前砂輪的形狀，控制砂輪修整系統(tǒng)工作。當(dāng)砂輪局部破損時，為了把破損部位完全修整掉，機床上配備了檢測裝置。在修整工作過程中，超聲檢測裝置將進行監(jiān)測，直到修整系統(tǒng)工作發(fā)出的聲音是完全連續(xù)為止（圖2）。

砂輪主軸配備了全自動砂輪平衡系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以平衡1 200 g·cm的偏心質(zhì)量，根據(jù)HOLROYD公司的經(jīng)驗，此系統(tǒng)可處理幾乎所有的新砂輪，砂輪主軸具有過載保護功能。

CNC系統(tǒng)采用HOLROYD的TG8八軸CNC系統(tǒng)。觸摸屏界面，操作十分方便;CNC控制器與計算機化的型線管理系統(tǒng)集成于一體;型線掃描系統(tǒng)，采用在線工件測量，誤差反饋及砂輪修正計算。數(shù)據(jù)輸入，有工件軸向數(shù)據(jù)輸入、徑向數(shù)據(jù)輸入和全菜單驅(qū)動數(shù)據(jù)輸入，工件和砂輪型線可在屏幕上顯示。

TG350E配備了一套三坐標(biāo)自動檢測系統(tǒng)（圖3），能實現(xiàn)實時在線檢測，主要用于工件徑向跳動測量、齒槽定位、齒根直徑檢測、型線及導(dǎo)程測量和誤差反饋等。

通過編程可實現(xiàn)如下功能，工件向左或向右運動的過程均可進行磨削加工，可在工件左端、右端及兩端分度，CNC系統(tǒng)可進行線性導(dǎo)程誤差補償，對粗加工、精加工可選不同的進給量，砂輪可實現(xiàn)恒線速度，全自動可編程控制工作循環(huán)，包括:砂輪修正、修正補償，螺紋磨削，工件檢測，砂輪自動定位到要求的磨削角度，雙導(dǎo)程螺桿的磨削，磨削中凹蝸桿，工件錐度修正。

所有的CNC軸均為數(shù)字驅(qū)動，結(jié)合最新的光纖串行實時通訊系統(tǒng)，用于數(shù)字閉環(huán)反饋，并與各驅(qū)動軸集成為一體。所有直線軸安裝光學(xué)傳感器，分辨率為0.01 μm。光學(xué)旋轉(zhuǎn)傳感器直接安裝在工件軸和砂輪擺動軸上，其分辨率為0.04″。工件分度采用靜壓回轉(zhuǎn)CNC軸，加工絲杠頭數(shù)從1～99。進給軸為靜壓軸。

TG350E是一種先進的螺紋加工機床，能高效高精度地實現(xiàn)螺紋表面的加工。其型線加工的最大統(tǒng)計學(xué)誤差小于±4 μm，導(dǎo)程加工誤差小于±2 μm。加工用時短，具有較高柔性，對操作者的技能要求不高。

2 德國KLINGELNBERG公司HN35系列數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床

德國KLINGELNBERG公司是一家專業(yè)的螺紋磨床生產(chǎn)廠家，近年也成功開發(fā)了HN35系列數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床。HN35直接強力磨削各類異型轉(zhuǎn)子而無需粗加工，機床可與P系列齒輪測量中心相聯(lián)，評估已磨型線的測量結(jié)果，檢測經(jīng)校正后的型線的可磨性，測量機與磨床的數(shù)據(jù)交換通過聯(lián)網(wǎng)或軟盤進行（圖4）。

該機床適用范圍寬廣，幾乎所有圓柱蝸桿和螺旋面的工件都能強力成形磨削加工，可直接從原材料磨削可磨螺旋面工件，型線深度可達100 mm，砂輪最大寬度達120 mm（圖5）。

機床外形充分考慮良好的人機關(guān)系，其中包括工作區(qū)域帶有很寬的滑動門的全防護裝置，電子空氣過濾器及頭、尾架調(diào)整氣動裝置。工件上下料可手動進行，也可配龍門式上料機構(gòu)全自動上下料，使機床適用于大批量生產(chǎn)使用。

砂輪采用32 kW或60 kW大功率電動機驅(qū)動。采用大氣孔砂輪，大容量高效冷卻過濾系統(tǒng)，帶有3個獨立的冷卻泵循環(huán)（圖6），冷卻系統(tǒng)容量達8 m3或11 m3，38 kW制冷循環(huán)系統(tǒng)，上下冷卻噴嘴壓力為1.5 MPa，保證了機床具備高效強力磨削成型復(fù)雜螺旋面的功能。

機床為八軸數(shù)控，各軸上都應(yīng)用精密的增量傳感系統(tǒng)保證機床在精度和重復(fù)性方面達到很高的要求。

機床配有數(shù)控砂輪型線修整器，由兩個高精度的金剛石修整輪進行砂輪修整。修整輪的形狀已存入機床，型線的數(shù)據(jù)可以在機床上直接輸入或通過上位機輸入，轉(zhuǎn)子型線可按軸截面或端截面齒形輸入，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，并考慮到砂輪當(dāng)前的外徑，自動計算出砂輪型線。

機床還可以與KLINGELNBERG的P系列測量機連接，形成網(wǎng)絡(luò)，ROTCOR軟件可通過圖形校正轉(zhuǎn)子和螺桿泵的型線，自動進行金剛滾輪的幾何形狀校正，評估已磨型線的測量結(jié)果，檢測經(jīng)校正后的型線的可磨性及校正后的型線。測量機和機床的數(shù)據(jù)交換可通過互聯(lián)網(wǎng)和軟盤進行（圖7、圖8）。

KLINGELNBERG公司依據(jù)其專業(yè)生產(chǎn)螺紋磨床、齒輪磨床及其測量設(shè)備的優(yōu)勢，可成套提供轉(zhuǎn)子精密加工設(shè)備，HN35轉(zhuǎn)子磨床是一款高精度、高效率的螺旋面磨床。

3 德國KAPP公司KAPP－RJ59型數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床

德國KAPP公司生產(chǎn)的KAPP－RJ59型數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床采用成型CBN砂輪高速磨削。先進的設(shè)計理念，使機床加工轉(zhuǎn)子時有更高的效率和精度。高速、高效、高精度的先進制造技術(shù)已經(jīng)在螺桿轉(zhuǎn)子精密加工設(shè)備上應(yīng)用（圖9）。

RX系列轉(zhuǎn)子磨床用于粗磨和精磨鑄鐵或鋼材的轉(zhuǎn)子，既用于中小批量加工，更適合大批量生產(chǎn)。磨削的工件包括螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子，旋轉(zhuǎn)活塞，螺桿泵和軸等。可加工的工件外徑為320 mm，型線長度最大為850 mm，工件長度最大為1 650 mm。機床加工時用不需修整的KAPP CBN磨輪進行硬磨削加工。直接驅(qū)動的工具軸上同時裝上兩個CBN磨輪，兩個磨輪按程序進入工作位置，可以粗磨和精磨工件一次裝夾完成（圖10）。

RX系列轉(zhuǎn)子磨床采用SIEMENS 840D作為控制系統(tǒng)，操作界面是KAPP公司為用戶編寫。機床具有如下功能:

（1）采用無接觸的測量探頭找準(zhǔn)工件，可以測單齒槽或者所有齒槽;

（2）用換檔式RENISHAW測量頭精密找準(zhǔn)工件;

（3）用換檔式RENISHAW測量頭抵消溫度的影響;

（4）采用測量圓周跳動確定并檢測尾座的位置。

安裝在機床上的測量頭可以直接獲取所有的工件外形尺寸，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)這些信息計算出修整數(shù)據(jù)，經(jīng)控制系統(tǒng)處理后顯示在屏幕上，因而縮短了加工新工件的裝機時間和提高加工精度，也可以在生產(chǎn)過程中簡便地抽樣測量，保證機床批量生產(chǎn)的加工精度（圖11）。

RX系列轉(zhuǎn)子磨床采用最新的設(shè)計理念及最先進的技術(shù)，代表著大批量高速、高精度生產(chǎn)轉(zhuǎn)子零件的先進技術(shù)，機床主軸轉(zhuǎn)速2 000～8 000 r/min之間，最大傳動功率可達46 kW，粗磨時可以真正實現(xiàn)無銑削加工。機床特別適合批量生產(chǎn)。

4 陜西漢江機床有限公司SK7032系列數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床

螺桿轉(zhuǎn)子精密加工設(shè)備——系列數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床，我國以前還不能生產(chǎn)，更沒有成熟的產(chǎn)品供應(yīng)市場，相關(guān)企業(yè)的產(chǎn)品需求完全依賴進口。近年來漢機公司致力于精密、復(fù)雜型面螺紋加工領(lǐng)域的研究，突破以下技術(shù)難點:

（1）復(fù)雜空間曲面的數(shù)學(xué)建模、修整軟件及誤差自動補償技術(shù);

（2）高精度雙導(dǎo)程蝸桿軸向消隙技術(shù);

（3）適用于大螺旋角轉(zhuǎn)子磨削的砂輪架結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù);

（4）熱變形及其誤差補償技術(shù);

（5）精密傳動鏈設(shè)計技術(shù)。

SK7032系列數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床填補了國產(chǎn)空白，是國內(nèi)首臺套精密轉(zhuǎn)子加工設(shè)備，目前已有近十臺機床交付用戶使用，加工效率和精度達到或接近國外進口機床，部分指標(biāo)如加工零件表面質(zhì)量超過進口機床，獲得業(yè)內(nèi)人士的高度評價，用戶反映很好（圖12）。

機床由SIEMENS 840D系統(tǒng)控制實現(xiàn)八軸三聯(lián)動（包括砂輪主軸回轉(zhuǎn)、修整器主軸回轉(zhuǎn)兩個SP軸）。SIEMENS交流伺服電動機驅(qū)動頭架主軸回轉(zhuǎn)運動，工作臺縱向運動，砂輪架拖板橫向進給運動，CNC砂輪修整器V、W兩個方向的運動。砂輪主軸螺旋升角回轉(zhuǎn)運動。由頭架C軸（工件旋轉(zhuǎn)軸）與工作臺縱向（Z軸）聯(lián)動，實現(xiàn)精確的電子螺紋插補運動。輸入導(dǎo)程參數(shù)，確定C軸、Z軸定比運動速度參量，實現(xiàn)精確的電子掛輪功能，通過電子掛輪，給定比運動的Z軸附加一個速度增量，又可完成電子對線功能。對于磨削螺桿轉(zhuǎn)子，可實現(xiàn)砂輪架自動進給，修整器自動進給、自動修整、修整量自動補償?shù)裙δ堋Ｔ谝淮窝b夾中完成粗磨、半精磨、精磨。圖13為轉(zhuǎn)子加工的關(guān)鍵技術(shù)。

表1 主要參數(shù)對比

表2 主要功能對比

機床磨削螺桿轉(zhuǎn)子指標(biāo)為:

螺桿的導(dǎo)程精度（e300）:0．009

齒形偏差:±0．010

5 國內(nèi)外同類機床性能指標(biāo)對比

機床主要參數(shù)對比見表1，主要功能對比見表2。