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
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。
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
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。
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。
