螺桿轉(zhuǎn)子齒形臺階的橫軋精確成形

鄭振華

(1.北京科技大學(xué) 機械工程學(xué)院, 北京 100083; 2.零件近凈軋制成形教育部工程研究中心, 北京 100083)

0 引言

與傳統(tǒng)的往復(fù)式壓縮機比較,螺桿壓縮機以旋轉(zhuǎn)運動代替往復(fù)運動,具有結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速、工作效率高等優(yōu)點[1]。螺桿壓縮機的可適用工作介質(zhì)范圍比較廣,可以是氣體、干蒸汽或多相混合物等,已被用于空氣壓縮機、熱泵和制冷設(shè)備等多個行業(yè)[2]。螺桿轉(zhuǎn)子是螺桿壓縮機的關(guān)鍵零件,是一種典型的軸類件,其主要部分是一個具有復(fù)雜截面的螺旋形狀臺階。這種具有復(fù)雜截面的螺旋臺階的制造是一個工業(yè)難點也是一個研究熱點。它的傳統(tǒng)加工工藝為:毛坯是圓鋼,先進行銑削加工制坯,后進行磨削精加工成形[3-6]。在進行銑削加工時,需要銑掉很大比例的多余金屬(凹槽位置),材料利用率很低,同時還需要專用的銑刀和復(fù)雜的數(shù)控加工工藝[2],既耗時,又造成生產(chǎn)成本高。因此,許多研究人員也在進行著大量的試驗,尋求螺桿轉(zhuǎn)子的新制造方法。Lee等[2]提出了一種生產(chǎn)螺桿轉(zhuǎn)子的樹脂傳遞模塑(resin transfer molding,RTM)新方法,但是該工藝只能用于碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料轉(zhuǎn)子的制造。李文杰等[7]將快速成型技術(shù)(rapid prototyping,RP)引入螺桿轉(zhuǎn)子的制造中,該技術(shù)具有材料利用率高、生產(chǎn)靈活的優(yōu)點,但存在效率低、成本高等缺點。

楔橫軋是一種軸類零件的先進成形技術(shù),具有生產(chǎn)效率高、成形精度高、質(zhì)量好等優(yōu)點[8-9]。如能將楔橫軋技術(shù)應(yīng)用于螺桿轉(zhuǎn)子的制造中,則可有效提高螺桿的生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)的楔橫軋工藝研究與應(yīng)用主要集中在回轉(zhuǎn)體軸類件,如空心軸[10]、主動軸[11]、空心軸頭[12]、雙金屬層合軸[13]等。螺桿轉(zhuǎn)子是一種典型的軸類件,但是其齒形臺階是螺旋狀的,不是回轉(zhuǎn)體,且截面復(fù)雜。很多學(xué)者也在非圓截面的楔橫軋精確成形上進行了探索。鄭振華等研究了凸輪臺階楔橫軋成形過程的軋輥與軋件之間的運動關(guān)系,設(shè)計了相應(yīng)的輥型曲線,并進行了相關(guān)的實驗和數(shù)值模擬,結(jié)果表明采用楔橫軋成形凸輪臺階是可行的[14]。胡發(fā)國等研究了橢圓截面軸類件的楔橫軋精確成形[15]。對于帶齒臺階軸和螺旋狀臺階軸的楔橫軋成形,波蘭的Pater等對楔橫軋軋制帶有斜齒臺階的軸類件和梯形蝸桿軸進行了熱力學(xué)分析,結(jié)果表明:楔橫軋可用于成形2618鋁合金斜齒軸類件和蝸桿軸[16]。于杰等[17]研究了楔橫軋成形圓柱直齒輪軸,分析了影響齒成形的相關(guān)因素,提出了提高齒成形質(zhì)量的方法。閆華軍等[18]分析了螺旋升角對楔橫軋?zhí)菪温菁y軸成形的影響。這些研究表明,螺旋臺階軸和帶齒臺階軸是可以通過軋制進行精確成形的,但研究的對象局限于小模數(shù)齒輪或小螺距蝸桿。螺桿轉(zhuǎn)子的齒數(shù)少(一般小于10)、齒高大、橫截面的輪廓曲線復(fù)雜、螺距大,這些特點增加了其精密軋制成形的難度。近年來,北京科技大學(xué)的研究團隊提出了定軸精密橫軋螺桿轉(zhuǎn)子的新方法,并取得了一定的成果,楊光等計算了定軸橫軋陰轉(zhuǎn)子的輥型曲線,進行了相應(yīng)的實驗和有限元仿真,結(jié)果驗證了采用定軸橫軋精密成形螺桿陰轉(zhuǎn)子是可行的[19-20]。本文中將采用有限元分析和軋制實驗相結(jié)合的方法,針對一種新型具有對稱齒形截面的螺桿轉(zhuǎn)子臺階,研究其橫軋精確成形過程,分析其精確成形機理,并對成形結(jié)果進行精度分析,研究結(jié)果將進一步擴展非圓復(fù)雜截面臺階的精確軋制成形理論,為螺桿轉(zhuǎn)子制造提供一種新途徑,有效減少螺桿轉(zhuǎn)子的機加工量,降低螺桿轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)成本。

1 橫軋螺桿轉(zhuǎn)子齒形臺階成形原理

1.1 目標螺桿轉(zhuǎn)子

不同螺桿壓縮機中使用的螺桿轉(zhuǎn)子也是不一樣的,且其橫截面的齒形輪廓曲線也不同。本文中研究的對象是一種新型轉(zhuǎn)子,如圖1(a)所示。它由7個齒組成,單個齒形由兩側(cè)的漸開線齒廓、齒頂圓弧和齒根圓弧組成。截面形狀如圖1(b)所示。藍線為目標輪廓,紅線為成品輪廓。

1.2 齒形臺階的橫軋成形原理

如圖2所示,齒形臺階的橫軋精確成形是一個熱塑性變形過程,圓棒料被加熱到指定溫度后,送入軋機的進料位置。上下2個帶有特定輪廓曲線的軋輥同方向旋轉(zhuǎn),帶動圓棒料反方向旋轉(zhuǎn),在軋輥特定齒形輪廓的作用下,圓棒料實現(xiàn)部分徑向壓縮和部分徑向增高,最終成形為所需齒形截面的臺階。

圖2 齒形軋制原理

與傳統(tǒng)的圓柱回轉(zhuǎn)臺階軋制成形不同,軋制齒形臺階的輥型曲線不再是圓弧,它是根據(jù)齒形臺階的橫截面齒形輪廓形狀,并由軋輥與軋件之間進行共軛運動的關(guān)系進行求解而得到的[14,19-20]。

1.3 齒形臺階的橫軋成形過程設(shè)計

本文中目標齒形的齒高為6.4 mm,難以一次成形,因此,根據(jù)齒形輪廓,設(shè)計了3個成形階段完成整個齒形的成形,如圖3所示。在咬入階段,實現(xiàn)初步軋制和分齒。在第二階段,軋輥齒形輪廓升高,實現(xiàn)對已分齒的臺階進一步進行軋制,完成大部分齒形輪廓的成形。最后,在第三階段,軋輥輪廓進一步小量升高到最終尺寸,齒形完全軋制到位,并進行相應(yīng)的精整軋制,提高齒形成形精度。

圖3 齒形軋制輥型曲線

2 有限元仿真與分析

2.1 有限元模型

本文中選取Defrom-3D軟件進行橫軋精確成形螺桿齒形臺階的數(shù)值模擬。有限元三維模型由上下軋輥、軋件和導(dǎo)板組成,如圖4所示。由于橫軋齒形臺階是一個熱塑性變形過程,軋件的塑性變形量大,相比之下軋件的彈性變形可以忽略,因此將軋件設(shè)置為塑性體。同時,在實際軋制過程中,軋輥與導(dǎo)板的變形量很小,也可以忽略,因此在模擬中將軋輥和導(dǎo)板設(shè)置為剛體。此外,在模擬軋制過程中,上下軋輥設(shè)置為繞各自中心線同方向旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速為8 r/min,軋件不施加任何方向的約束,導(dǎo)板設(shè)置為固定,軋件與軋輥、導(dǎo)板之間為自動接觸模式。選擇軋件與軋輥之間的摩擦類型為剪切摩擦,系數(shù)為1.5,忽略軋件與導(dǎo)板之間的摩擦。

圖4 齒形臺階橫軋有限元模型

軋件的材料為45#鋼,材料參數(shù)取自軟件的材料庫。模擬時,軋件初始溫度為950 ℃,軋輥、導(dǎo)板和環(huán)境溫度均設(shè)置為20 ℃。軋輥與軋件之間的接觸傳熱系數(shù)為2.0×104W/(m2·℃),忽略導(dǎo)板與軋件之間的傳熱。軋件的初始網(wǎng)格數(shù)量為1.13×105。

2.2 有限元模擬結(jié)果

模擬軋制成形的螺桿轉(zhuǎn)子齒形臺階如圖5所示。從圖5(a)中可以看出,數(shù)值模擬成形的齒形臺階成形效果良好,橫截面輪廓圖5(b)顯示齒形分度正確,齒形飽滿,未出現(xiàn)亂齒等現(xiàn)象。

圖5 齒形臺階橫軋有限元模擬結(jié)果Fig.5 FEM result of cross rolling of teeth step

2.3 齒形臺階的成形過程

齒形臺階的成形過程如圖6所示。從齒形臺階的中間橫截面看,軋件的初始橫截面為圓形,在咬入階段完成后,如圖6(a)所示,圓形變形為7個均勻的淺齒部分。在成形階段,如圖6(b)所示,軋輥對軋件進一步軋制,由于齒根和齒側(cè)位置在軋輥的擠壓作用下,相應(yīng)位置的金屬進一步流動,齒根圓變小,齒頂圓增大,齒形進一步長高。最后,如圖6(c)所示,在精整段結(jié)束后,完成了整齒的成形,齒高達到了設(shè)計要求,這與輥型曲線設(shè)計相符。

圖6 齒形臺階橫軋成形過程

2.4 成形過程的等效應(yīng)力分布

成形過程3個典型階段橫截面上的等效應(yīng)力分布如圖7所示。從圖可以看出,最大的等效應(yīng)力均分布在軋輥和軋件的接觸區(qū)域,并且沿著接觸區(qū)的法線往軋件內(nèi)部方向逐漸減小。當軋件滾動到咬入階段結(jié)束時(如圖7(a)),軋輥和軋件的接觸區(qū)仍然比較大,軋輥上的模具齒形壓入軋件,在接觸區(qū)域產(chǎn)生擠壓作用,在軋件上形成類似齒根形狀的淺齒輪廓,最大應(yīng)力分布在齒根底部,約為350～430 MPa。

圖7 齒形臺階中間橫截面上的等效應(yīng)力分布

從圖7(b)可以看出,隨著軋制的進行,在第二階段成形結(jié)束時,軋輥的模具齒形更高,進一步壓入已成形的淺齒齒根凹槽中,形成更深的凹槽輪廓,整個齒形輪廓接近完成,整個接觸區(qū)域仍存在較大的應(yīng)力,最大應(yīng)力約為400 MPa,應(yīng)力分布范圍大于咬入階段。圖7(c)顯示了精整階段結(jié)束時的應(yīng)力分布情況。在精整時,軋輥與軋件的接觸面與前兩個階段有所不同,此時的接觸類似于齒輪嚙合,接觸面比前兩個階段小,最大應(yīng)力約為350 MPa。在精整段,主要完成齒形的局部修形。

成形過程3個典型階段縱截面上的等效應(yīng)力分布情況如圖8所示。與橫截面上的應(yīng)力分布一樣,高應(yīng)力主要分布在軋輥和軋件的接觸區(qū)域,在咬入和成形階段,軋輥不斷壓入軋件,較高的應(yīng)力分布在軋件的齒根部和齒側(cè)面。在軸向方向上,相鄰模具齒形形成了相對封閉的區(qū)域,齒側(cè)較高的應(yīng)力促進了相鄰模具齒形之間的金屬向模具齒形的根部進行流動,這個金屬流動促進了軋件上齒頂?shù)某尚巍?/p>

圖8 齒形臺階縱截面上的等效應(yīng)力分布

2.5 成形過程的等效應(yīng)變分析

在成形過程中,3個階段橫截面上的等效應(yīng)變分布如圖9所示。從圖9可以看出,等效應(yīng)變隨著軋制過程的進行而累積。在咬入階段(圖9(a)),應(yīng)變僅發(fā)生在咬合區(qū)域,變形還未深入到軋件中心,軋件中心的應(yīng)變?yōu)?。在第二階段成形后(圖9(b)),接觸區(qū)的最大等效應(yīng)變從咬入段結(jié)束時的2.25增大到4.22,變形區(qū)域也變得更大。

圖9 齒形臺階中間橫截面上的等效應(yīng)變分布

在精整結(jié)束時(圖9(c)),橫截面上的等效應(yīng)變達到最大,最大值為6.1,位于軋件的齒根區(qū)域,這是因為在整個成形過程中,齒根區(qū)域的徑向壓下量最大。成形結(jié)束時,應(yīng)變也進一步擴大到整個橫截面,并已深入到軋件的中心區(qū)域。

圖10顯示了3個典型位置縱截面上的等效應(yīng)變分布。如圖10(a)所示,在咬入階段時等效應(yīng)變出現(xiàn)在接觸表面及附近區(qū)域,軋件上的齒頂和中心位置還未發(fā)生變形。

圖10 齒形臺階縱截面上的等效應(yīng)變分布

在圖10(b)所示的第二階段結(jié)束時,變形區(qū)域擴展,但齒的頂部區(qū)域的應(yīng)變小于齒底和齒側(cè),這是因為軋制成形過程中齒頂?shù)慕饘僦饕鞘艿烬X側(cè)和齒底金屬的變形而流動,并非自身金屬承受大的應(yīng)變而成形。在圖10(c)中,齒形完全形成,應(yīng)變分布表明齒根區(qū)域金屬的變形比齒頂區(qū)域金屬的變形更劇烈。

2.6 成形過程的軋制力變化

上軋輥在軋制過程中承受的軋制力情況如圖11所示。3個方向的軋制力都存在小幅振蕩,這是由于軋件齒在成形過程中與模具齒的嚙合時接觸面變化導(dǎo)致的。對于徑向和橫向軋制力,在咬入階段的前半部分,軋制力迅速增大到一個峰值,而后在咬入階段的后半部分出現(xiàn)軋制力下降,這是由于軋輥的咬入階段模具齒數(shù)為8,這樣在前半部分,變形是從無齒形到初步形成淺齒形,變形量較大,而后半部分是對已成形的淺齒凹槽進行修正,變形量小,軋制力下降。在成形和精整階段,軋制力保持在一個穩(wěn)定值附近小幅振蕩,最后隨著軋制的結(jié)束,軋制力減小到0。

圖11 上軋輥的軋制力

對比3個方向上的軋制力,徑向軋制力最大,可見主要變形發(fā)生在徑向方向,最大徑向力達到150 kN左右,軸向力最小,基本在0～10 kN振蕩,由此可見,軋件金屬的軸向變形非常小,未造成軸向竄動,這也符合成形設(shè)計,主要實現(xiàn)軋件徑向方向上的壓縮與長高,控制金屬的軸向流動。

3 齒形精度分析

3.1 齒形臺階軋制成形實驗

為了驗證螺桿轉(zhuǎn)子齒形臺階橫軋精確成形的可行性,進行了相應(yīng)的軋制實驗。實驗是在北京科技大學(xué)的UH400臥式楔橫軋機上進行的,如圖12所示。兩個軋輥水平布置,每個軋輥都由伺服電機直接單獨驅(qū)動。軋件的加熱采用的是電阻加熱爐。具體軋制工藝參數(shù)與有限元模擬的參數(shù)相同。實驗結(jié)果如圖13所示。經(jīng)檢查,外觀齒形完整,且未發(fā)現(xiàn)亂齒。

圖12 UH400臥式楔橫軋機

圖13 軋制的齒形臺階軋件

3.2 齒形輪廓精度分析

為了準確分析軋制成形的螺桿轉(zhuǎn)子齒形臺階的精度,截取該臺階的中間截面,其橫截面輪廓如圖14所示。從圖可以看出,軋件的橫截面輪廓與設(shè)計輪廓(藍線)吻合得較好,外形輪廓覆蓋了軋件的最終成品輪廓(紅線)。

圖14 實驗軋件橫截面(臺階中間位置)

本文中選取了在給定半徑上齒兩側(cè)的實驗輪廓與設(shè)計輪廓之間的距離作為誤差值,進行成形精度的定量評估,如圖15所示。選取14～19 mm的6個不同半徑位置,共84個位置,測量了實驗輪廓的誤差值,具體誤差值如圖16所示。從圖中可以看出,所有測量點的誤差值均在-0.71～1.2 mm,誤差較小,齒形臺階的成形精度高,這也證明了采用橫軋對螺桿轉(zhuǎn)子齒形臺階進行精確成形是可行的。

圖15 誤差測量位置

圖16 齒形臺階中間橫截面齒形誤差

4 結(jié)論

1) 分析了螺桿轉(zhuǎn)子的齒形臺階輪廓,設(shè)計了3個成形階段來實現(xiàn)齒形的精確軋制成形,數(shù)值仿真和實驗結(jié)果表明,采用橫軋方法實現(xiàn)齒形臺階的精確成形是可行的。

2) 成形過程中,最大的應(yīng)力應(yīng)變均分布在軋件的齒根接觸區(qū)。軋件齒頂?shù)某尚沃饕怯捎邶X根和齒側(cè)金屬的受壓流動而成的,齒根的變形比齒頂變形更加劇烈。

3) 成形過程中,徑向軋制力最大,橫向軋制力次之,軸向軋制力最小,軋件的主要變形發(fā)生在徑向。

4) 測量了實驗軋件中間截面的齒形輪廓誤差,所有測量點的誤差值在-0.71～1.2 mm,齒形臺階的成形精度高。