三种常见的干式螺杆真空泵螺杆转子型线分析与螺杆加工方法探讨

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)台州职业技术学院机电工程学院 作者:巫修海

  分析了三种实际应用较为广泛的,分别带有阿基米德线、渐开线、余摆线的螺杆真空泵螺杆转子型线,具体比较了三种型线组成曲线啮合特性和型线的优劣。详细阐述了螺杆的车削加工方法,分别建立了带有刀位点的三种螺杆车削加工模型,并且给出了车削刀具的选取依据。最后,简单地介绍了一种高效的螺杆铣削螺杆加工方法,并提供了一种实用的螺杆加工精度测量方法。

  干式螺杆真空泵属于非接触型干式泵,核心元件是一对相互啮合的螺杆转子,泵腔内没有金属与金属间的接触,抽气腔元件无摩擦,结构简单紧凑,易损件少,真空度高,使用寿命长,能耗低,无油污染,使用场地小等优点而广泛使用,而且螺杆真空泵的各级泵之间无内部通道,而是直接将气体从吸气侧推送至排气侧,因此在抽除可凝性气体、带有粉尘及颗粒物的气体时不易堵塞且清洗方便。由于其优越的性能,在欧美和日本已经成为微电子、半导体、制药、精密加工、太阳能光伏、LED 等行业首选真空获得设备,可广泛替代旋片式真空泵,滑阀式真空泵,水环式真空泵,水喷射真空泵,往复式真空泵,罗茨水环真空机组等。

  目前,单头、爪形的螺杆转子型线是国内外厂商最为常用的一种型线,其综合性能优秀,密封性能良好,面积利用系数大,且解决了转子的齿面干涉问题,故为广泛采用,这种螺杆采用基圆半径相等、旋向相反、端面曲线相同的型线。型线的设计中,齿根圆弧与齿顶圆弧过渡一般采用阿基米德线及其共轭曲线、渐开线及其共轭曲线、圆弧及其共轭曲线或摆线及其共轭曲线,不同的过渡形式,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为对成对螺杆的间隙设计、螺杆的加工方法选取及与之对应的加工效率各不相同。本文主要分析带有阿基米德曲线、渐开线和摆线过渡线的三种常见的型线啮合特性,并且以其为基础探讨螺杆的加工方法,以便根据不同的型线和加工设备,为选取最合适、高效的螺杆加工方法提供参考。

1、三种常见型线分析

1.1、带有阿基米德端面型线分析

  目前螺杆真空泵市场上常用的型线是由阿基米德曲线及其包络曲线、大小两段圆弧、外余摆线五段线组成,国外Rietschle、KINNY、TAIKO、VPS等公司采用类似结构的型线。如图1 所示,该端面型线由阿基米德曲线e1a1、其包络线d1e1、小圆弧c1d1 和大圆弧a1b1、外余摆线b1c1 组成,由于阿基米德曲线的啮合特性,阿基米德曲线a2 点的包络点是f 点,无法达到d1 点,大圆弧a1 点的包络点也无法达到d1 点,这个小区域无法完全啮合,需要修齿形,形成三角区域a2d1f,该区域形成气体的滞留区,影响抽气效率。这类型线在一个导程内存在不完全啮合区,形成的螺杆在1 个导程内无法排除介质,文献采用该型线的螺杆至少设计成1.5个以上导程,实际应用中,螺杆一般设计成4.5 个导程,才能达到比较好的抽气性能要求。

带阿基米德曲线的螺杆转子端面型线

图1 带阿基米德曲线的螺杆转子端面型线

  这种型线设计,在确定了中心距、齿根半径和齿顶半径后,面积利用率不固定,可以根据阿基米德线生成圆半径、初始相角和展开角而变化,具体的变化需要结合加工方式。表1 是螺杆转子端面型线组成曲线及特性。

表1 带阿基米德曲线的螺杆转子端面型线的组成曲线

带阿基米德曲线的螺杆转子端面型线的组成曲线

1.2、带有渐开线端面型线

  渐开线也是螺杆端面型线常选用的基本型线,渐开线有自共轭的特性,不需推导共轭曲线,渐开线及其共轭曲线用可以一段渐开线表示[5],是理想的共轭啮合曲线。如图2 所示,但若渐开线与根部圆弧直接相连,会形成一定的泄露区e2d2f,故渐开线和根部圆弧采用摆线e2d2 过渡[6]。德国Busch 公司采用类似的型线。

带有渐开线的螺杆转子端面型线

图2 带有渐开线的螺杆转子端面型线

  该端面型线有五段曲线,分别由齿顶圆弧a1b1、外余摆线b1c1、齿根圆弧c1d1、过渡摆线d1e1 和渐开线e1a1 组成,螺杆转子端面型线组成曲线及特性如表2 所示。过渡摆线d1e1 的存在,即能保证成对螺杆啮合的密封性,又使得螺杆转子在齿根和齿廓之家形成平滑过渡,构成一个具有共同加工可能性的平滑曲面,可以明显提高加工效率。

3、结论

  螺杆转子端面型线是螺杆真空泵的关键技术核心,本文列举了实际使用最广泛的三种端面型线,通过分析端面型线曲线组成,给出了每种型线组成曲线啮合特性,根据啮合特性,指出了螺杆设计过程中的需要注意的实际问题。

  螺杆车削加工中,需要在带有C 轴功能的车削中心完成,这样才能保证加工精度,螺杆加工关键的是刀位点的计算,本文分别给出了三种螺杆车削加工模型。螺杆铣削加工是另一种高效加工的加工手段,铣削加工方法灵活多样,需要结合型线和加工设备灵活选取。螺杆的加工精度快速检测一直是个难题,本文提出的“光电对刀仪点对点测量方法”可以有效地解决这个难题。

  当然,型线及成对螺杆的配合间隙如何设计是一体工程,限于篇幅如何合理设计成对螺杆间隙没有涉及,这个问题及具体的加工方法在后续的文章中详细阐述。

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