涡旋干式真空泵及其制造方法、真空系统.pdf

本发明属于真空获得设备领域，具体涉及涡旋干式真空泵及其制造方法、真空系统。该涡旋干式真空泵包括相对设置的静涡旋盘(2)和动涡旋盘(10)，所述静涡旋盘(2)包括静涡旋体、所述动涡旋盘(10)包括动涡旋体，其中，所述静涡旋体的型线和所述动涡旋体的型线均采用阿基米德涡旋线，所述动涡旋体与所述静涡旋体之间具有180°的相位差，所述动涡旋体与所述静涡旋体在运动时能够啮合形成压缩腔。本发明中的涡旋干式真空泵，通过对核心零件动涡旋盘、静涡旋盘的涡旋型线以及密封条结构及其相应的加工方法进行了创新，同时还对电机的整体结构设计以及加工、装配做了改进，在满足真空泵自身性能及使用要求的前提下，降低了加工难度及生产成本。

权利要求书
1.  一种涡旋干式真空泵，包括相对设置的静涡旋盘(2)和 动涡旋盘(10)，所述静涡旋盘(2)包括静涡旋体、所述动涡旋 盘(10)包括动涡旋体，其特征在于，所述静涡旋体的型线和所 述动涡旋体的型线均采用阿基米德涡旋线，所述动涡旋体的型线 与所述静涡旋体的型线之间具有180°的相位差，所述动涡旋体与 所述静涡旋体能够啮合形成压缩腔；优选
(i)所述静涡旋体的型线和所述动涡旋体的型线采用一次阿 基米德涡旋线和二次阿基米德涡旋线的配合连接，头部采用二次 阿基米德涡旋线，尾部采用一次阿基米德涡旋线，一次阿基米德 涡旋线和二次阿基米德涡旋线在连接处具有连续的一次导数和二 次导数；
(ii)所述动涡旋体与所述静涡旋体平行设置，所述动涡旋 体与所述静涡旋体之间的平行度小于等于0.005mm；
(iii)所述静涡旋体和所述动涡旋体之间预留有间隙，所述 间隙由外圈向内圈逐渐递减，且内圈间隙保持定值；更优选
(a)所述静涡旋体和所述动涡旋体之间预留的单边间隙范围 为0.03mm～0.02mm；
(b)所述静涡旋体和所述动涡旋体之间的间隙通过密封条 (13)密封，所述静涡旋体和所述动涡旋体的顶部分别对应开设 有凹槽，所述密封条分别设置于所述静涡旋体和所述动涡旋体的 凹槽内；或所述密封条(13)采用冲压方式成型；
更优选所述密封条(13)包括第一子层(131)以及设置于所 述第一子层(131)下方的第二子层(132)，所述第一子层(131) 采用超高分子量聚乙烯，所述第二子层(132)采用微发泡橡胶弹 性体，所述第一子层(131)与所述第二子层(132)通过粘合剂 连接；最优选所述第一子层(131)中超高分子量聚乙烯的分子量 范围为450万～550万，所述第二子层(132)中微发泡橡胶弹性 体为丁橡胶和氯丁橡胶的混合体，所述微发泡橡胶的密度范围为 160kg/m3～230kg/m3；
(iv)进气口(5)设置在所述动涡旋盘(10)的外圈末端处， 出气口(1)设置在所述静涡旋盘(2)的中心处，所述进气口(5) 能通过机械接口与真空系统外的真空室相连，或者，所述进气口 (5)能通过管道方式与真空系统中下一级泵的出气口相连；或
(v)所述涡旋干式真空泵包括电机以及连接块(3)、防自转 组件(12)，所述电机具有偏心电机轴(9)，所述动涡旋体(10) 设置在所述偏心电机轴(9)上；所述连接块(3)设置在电机壳 体(6)上，所述静涡旋盘2设置在所述连接块(3)上；所述防 自转组件(12)与所述动涡旋盘(10)和所述连接块(3)同时连 接，所述防自转组件(12)使得所述动涡旋盘(10)在所述偏心 电机轴(9)的带动下能相对于所述静涡旋盘(2)以偏心电机轴 (9)的偏心距形成的圆轨迹做平动运动；更优选
(1)所述连接块(3)通过过渡配合固定在所述电机壳体(6) 上，所述静涡旋盘(2)通过定位销固定在连接块(3)上，所述 偏心电机轴(9)与所述静涡旋盘(2)和所述连接块(3)相配合 处的基准面的垂直度在0.005mm以内；所述防自转组件(12)包 括三个防自转件，三个所述防自转件的一端均匀分设在所述动涡 旋盘(10)上、另一端设置在所述连接块(3)上；
(2)所述动涡旋盘(10)的理论质心在旋转中心线上；涡旋 干式真空泵包括平衡组件(11)，所述平衡组件(11)包括两块 平衡块，两块所述平衡块分设在所述偏心电机轴(9)靠近连接块 (3)和靠近电机后端盖(7)的区域；
(3)所述电机向外接口处的插线采用密封插座；所述涡旋干 式真空泵还包括用于控制真空室与真空泵工作腔是否沟通的进出 气控制器件，所述进出气控制器件采用电磁铁组件(4)，所述电 磁铁组件(4)包括电磁铁、铁芯和弹簧，所述电磁铁和所述弹簧 用于控制所述铁芯的伸出或弹回，所述电机不工作时所述铁芯伸 出，隔离真空室和真空泵工作腔的沟通；所述电机通电时所述铁 芯延迟弹回，沟通真空室与真空泵工作腔；所述电机断电时所述 铁芯立刻伸出，切断真空室与真空泵工作腔的沟通；
(4)所述底座组件(8)下方设置有风扇，所述静涡旋盘设 置有风罩，所述风扇与所述电机同步启动，用于通过所述风罩将 风导流到所述静涡旋盘(2)的端面以进行散热；所述风扇为鼓风 机式风扇。

2.  一种真空系统，包括真空泵，其特征在于，所述真空泵采 用权利要求1所述涡旋干式真空泵。

3.  一种涡旋干式真空泵的制造方法，包括加工形成相对设置 的静涡旋盘(2)和动涡旋盘(10)的步骤，所述静涡旋盘(2) 包括静涡旋体、所述动涡旋盘(10)包括动涡旋体，其特征在于， 所述静涡旋体的型线和所述动涡旋体的型线均采用阿基米德涡旋 线，所述动涡旋体的型线与所述静涡旋体的型线之间具有180°的 相位差；所述静涡旋体和所述动涡旋体的阿基米德涡旋线均采用 铣加工形成，且铣加工时铣刀以旋转为主运动，进给运动由旋转 工作台的工作轴旋转与铣床水平工作台的工作轴移动实现。

4.  根据权利要求3所述的涡旋干式真空泵的制造方法，其特 征在于，在加工所述静涡旋体或所述动涡旋体的阿基米德涡旋线 的过程中，旋转工作台的工作轴始终保持正转或反转，铣床水平 工作台的工作轴仅在一个方向移动实现进给运动；在精加工所述 静涡旋体或所述动涡旋体的阿基米德涡旋线的过程中，旋转工作 台的工作轴换向一次。

5.  根据权利要求4所述的涡旋干式真空泵的制造方法，其特 征在于，所述静涡旋体和所述动涡旋体的铣加工还包括，通过激 光干涉仪检测并补偿水平工作台的工作轴和旋转工作台的工作轴 的定位，其中定位精度为0.005mm，重复定位精度为0.003mm；旋 转工作台的工作轴的定位精度为7＂，重复定位精度为4＂。

6.  根据权利要求4所述的涡旋干式真空泵的制造方法，其特 征在于，所述涡旋干式真空泵包括电机，所述电机具有偏心电机 轴(9)；该制造方法还包括所述静涡旋盘(2)与所述动涡旋盘 (10)的装配，所述静涡旋盘(2)通过连接块(3)装配在电机 壳体(6)上，所述动涡旋盘(10)装配在所述偏心电机轴(9) 上。

7.  根据权利要求6所述的涡旋干式真空泵的制造方法，其特 征在于，所述连接块(3)与电机壳体(6)通过过渡配合组装在 一起，所述偏心电机轴(9)通过轴承与电机后端盖(7)组装在 一起，所述偏心电机轴(9)与所述连接块(3)的轴承连接为外 侧连接，所述偏心电机轴(9)与所述连接块(3)连接的轴承外 径大于所述偏心电机轴(9)与所述电机后端盖(7)的轴承外径， 所述偏心电机轴(9)与所述连接块(3)和电机后端盖(7)之间 轴承孔的同轴度在0.02mm以内。

8.  根据权利要求7所述的涡旋干式真空泵的制造方法，其特 征在于，所述电机后端盖(7)与所述偏心电机轴(9)之间的轴 承孔为第一轴承孔，所述第一轴承孔内嵌钢套；所述偏心电机轴 (9)与所述连接块(3)连接的轴承孔为第二轴承孔，所述第一 轴承孔和所述第二轴承孔均采用镗加工形成，所述镗刀的刀杆材 料为硬质合金。

9.  根据权利要求8所述的涡旋干式真空泵的制造方法，其特 征在于，所述第一轴承孔的外径小于所述第二轴承孔的外径；所 述第一轴承孔加工完后，采用手动换刀的方式继续加工所述第二 轴承孔，手动换刀时保持加工点位置的X、Y坐标不变，只改变Z 坐标值，所述第一轴承孔与所述第二轴承孔的同轴度在0.02mm以 内。

10.  根据权利要求6所述的涡旋干式真空泵的制造方法，其 特征在于，所述静涡旋盘(2)与连接块(3)装配时的定位孔为 对称设置的两个，两个所述定位孔中心的连线通过所述第二轴承 孔的中心线、且两个所述定位孔相对于所述第二轴承孔的中心线 对称；优选，两个所述定位孔预先做工装，使得两个所述定位孔 中心的连线相对于X轴平行，并进行X轴插补，然后进行两个所 述定位孔的加工，两个所述定位孔的对称度为0.01mm以内。

说明书涡旋干式真空泵及其制造方法、真空系统
技术领域
本发明属于真空获得设备领域，具体涉及一种涡旋干式真空 泵及其制造方法、真空系统。
背景技术
涡旋干式真空泵的工作原理来源于法国人Leno Creux于 1905年以可逆转的涡旋膨胀机为题申请的一项专利。该涡旋干式 真空泵为采用一个固定，另一个转动的具有连续分离、连续闭合 性能的“等螺距渐开线”研发的一种涡旋发动机，但由于当时的 加工制造水平有限，而在涡旋干式真空泵的研究和制造工作中， 由于其动、静涡旋盘形状特殊，对零件的材料、热处理、加工方 案以及组件的装配、密封、定位的要求都很高，导致生产该涡旋 真空泵有很大的技术难度，且加工的成本也较高，因此产品化时 间很晚，而且只有世界顶尖的真空获得设备生产厂家能够达到质 量要求，并进行生产。
因此，如何通过优化产品的结构设计及加工方案，在降低加 工难度及加工成本的前提下，满足涡旋干式真空泵的性能及使用 要求，成为目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不 足，提供一种涡旋干式真空泵及其制造方法、真空系统，该涡旋 干式真空泵在满足真空泵自身性能及使用要求的前提下，降低了 加工难度及生产成本。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是该涡旋干式真空 泵，包括相对设置的静涡旋盘(2)和动涡旋盘(10)，所述静涡 旋盘(2)包括静涡旋体、所述动涡旋盘(10)包括动涡旋体，其 中，所述静涡旋体的型线和所述动涡旋体的型线均采用阿基米德 涡旋线，所述动涡旋体的型线与所述静涡旋体的型线之间具有180 °的相位差，所述动涡旋体与所述静涡旋体能够啮合形成压缩腔。
优选的是，所述静涡旋体的型线和所述动涡旋体的型线采用 一次阿基米德涡旋线和二次阿基米德涡旋线的配合连接，头部采 用二次阿基米德涡旋线，尾部采用一次阿基米德涡旋线，一次阿 基米德涡旋线和二次阿基米德涡旋线的连接处具有连续的一次导 数和二次导数。
优选的是，所述动涡旋体与所述静涡旋体平行设置，所述动 涡旋体与所述静涡旋体之间的平行度小于等于0.005mm。
优选的是，所述静涡旋体和所述动涡旋体之间预留有间隙， 所述间隙由外圈向内圈逐渐递减，且内圈间隙保持定值。
优选的是，所述静涡旋体和所述动涡旋体之间预留的单边间 隙范围为0.03mm～0.02mm。
优选的是，所述静涡旋盘和所述动涡旋盘之间的端面密封通 过密封条(13)密封，所述静涡旋体和所述动涡旋体的顶部分别 对应开设有凹槽，所述密封条分别设置于所述静涡旋体和所述动 涡旋体的凹槽内。
优选的是，所述密封条(13)包括第一子层(131)以及设置 于所述第一子层(131)下方的第二子层(132)，所述第一子层 (131)采用超高分子量聚乙烯，所述第二子层(132)采用微发 泡橡胶弹性体，所述第一子层(131)与所述第二子层(132)通 过粘合剂连接。
优选的是，所述第一子层(131)中超高分子量聚乙烯的分子 量范围为450万～550万，所述第二子层(132)中微发泡橡胶弹 性体为丁橡胶和氯丁橡胶的混合体，所述微发泡橡胶的密度范围 为160kg/m3～230kg/m3。
优选的是，所述密封条(13)采用冲压方式形成。
优选的是，进气口(5)设置在所述动涡旋盘(10)的外圈末 端处，出气口(1)设置在所述静涡旋盘(2)的中心处，所述进 气口(5)能通过机械接口与真空系统外的真空室相连，或者，所 述进气口(5)能通过管道方式与真空系统中下一级泵的出气口相 连。
优选的是，所述涡旋干式真空泵包括电机以及连接块(3)、 防自转组件(12)，所述电机具有偏心电机轴(9)，所述动涡旋 盘(10)设置在所述偏心电机轴(9)上；所述连接块(3)设置 在电机壳体(6)上，所述静涡旋盘2设置在所述连接块(3)上； 所述防自转组件(12)与所述动涡旋盘(10)和所述连接块(3) 同时连接，所述防自转组件(12)使得所述动涡旋盘(10)在所 述偏心电机轴(9)的带动下能相对于所述静涡旋盘(2)以偏心 电机轴(9)的偏心距形成的圆轨迹做平动运动。
优选的是，所述连接块(3)通过过渡配合固定在所述电机壳 体(6)上，所述静涡旋盘(2)通过定位销固定在连接块(3)上， 所述偏心电机轴(9)与所述静涡旋盘(2)和所述连接块(3)相 配合处的基准面的垂直度在0.005mm以内；所述防自转组件(12) 包括三个防自转件，三个所述防自转件的一端均匀分设在所述动 涡旋盘(10)上、另一端设置在所述连接块(3)上。
优选的是，所述动涡旋盘(10)的理论质心在旋转中心线上； 涡旋干式真空泵包括平衡组件(11)，所述平衡组件(11)包括 两块平衡块，两块所述平衡块分设在所述偏心电机轴(9)靠近连 接块(3)和靠近电机后端盖(7)的区域。
优选的是，所述电机向外接口处的插线采用密封插座；所述 涡旋干式真空泵还包括用于控制真空室与真空泵工作腔是否沟通 的进出气控制器件，所述进出气控制器件采用电磁铁组件(4)， 所述电磁铁组件(4)包括电磁铁、铁芯和弹簧，所述电磁铁和所 述弹簧用于控制所述铁芯的伸出或弹回，所述电机不工作时所述 铁芯伸出，隔离真空室和真空泵工作腔的沟通；所述电机通电时 所述铁芯延迟弹回，沟通真空室与真空泵工作腔；所述电机断电 时所述铁芯立刻伸出，切断真空室与真空泵工作腔的沟通。
优选的是，所述底座组件(8)下方设置有风扇，所述静涡旋 盘设置有风罩，所述风扇与所述电机同步启动，用于通过所述风 罩将风导流到所述静涡旋盘(2)的端面以进行散热；所述风扇为 轴流式风扇。
一种真空系统，包括真空泵，其中，所述真空泵采用上述涡 旋干式真空泵。
一种涡旋干式真空泵的制造方法，包括加工形成相对设置的 静涡旋盘和动涡旋盘的步骤，所述静涡旋盘包括静涡旋体、所述 动涡旋盘包括动涡旋体，其中，所述静涡旋体的型线和所述动涡 旋体的型线均采用阿基米德涡旋线，所述动涡旋体的型线与所述 静涡旋体的型线之间具有180°的相位差；所述静涡旋体和所述动 涡旋体的阿基米德涡旋线均采用铣加工形成，且铣加工时铣刀以 旋转为主运动，进给运动由旋转工作台的工作轴旋转与铣床水平 工作台的工作轴移动实现。
优选的是，在加工所述静涡旋体或所述动涡旋体的阿基米德 涡旋线的过程中，旋转工作台的工作轴始终保持正转或反转，铣 床水平工作台的工作轴仅在一个方向移动实现进给运动；在精加 工所述静涡旋体或所述动涡旋体的阿基米德涡旋线的过程中，旋 转工作台的工作轴换向一次。
优选的是，所述静涡旋体和所述动涡旋体的铣加工还包括， 通过激光干涉仪检测并补偿水平工作台的工作轴和旋转工作台的 工作轴的定位，其中定位精度为0.005mm，重复定位精度为 0.003mm；旋转工作台的工作轴的定位精度为7＂，重复定位精度 为4＂。
优选的是，所述涡旋干式真空泵包括电机，所述电机具有偏 心轴；该制造方法还包括所述静涡旋盘与所述动涡旋盘的装配， 所述静涡旋盘通过连接块装配在电机壳体上，所述动涡旋盘装配 在所述偏心轴上。
优选的是，所述连接块与电机壳体通过过渡配合组装在一起， 所述偏心电机轴通过轴承座与电机后端盖组装在一起，所述偏心 电机轴与所述连接块的轴承连接为外侧连接，所述偏心电机轴与 所述连接块连接的轴承外径大于所述偏心电机轴与所述电机后端 盖的轴承外径，所述偏心电机轴与所述连接块和轴承座之间的轴 承孔的同轴度在0.02mm以内。
优选的是，所述后端盖与偏心电机轴之间的轴承孔为第一轴 承孔，所述第一轴承孔内嵌钢套；所述偏心电机轴与所述连接块 连接的轴承孔为第二轴承孔，所述第一轴承孔和所述第二轴承孔 均采用镗加工形成，所述镗刀的刀杆材料为硬质合金。
优选的是，所述第一轴承孔的外径小于所述第二轴承孔的外 径；所述第一轴承孔加工后，采用手动换刀的方式继续加工所述 第二轴承孔，手动换刀，保持加工点位置的X、Y坐标不变，只改 变Z坐标值，所述第一轴承孔与所述第二轴承孔的同轴度在 0.02mm以内。
优选的是，所述静涡旋盘与连接块装配时的定位孔为对称设 置的两个，两个所述定位孔中心的连线通过所述第二轴承孔的中 心线、且两个所述定位孔相对于所述第二轴承孔的中心线对称。
优选的是，两个所述定位孔预先做工装，使得两个所述定位 孔中心的连线相对于X轴平行，并进行X轴插补，然后进行两个 所述定位孔的加工，两个所述定位孔的对称度为0.01mm以内。
本发明的有益效果是：本发明中的涡旋干式真空泵，通过对 其核心的动涡旋盘、静涡旋盘的涡旋型线以及密封条结构及其相 应的加工方法进行了创新，同时还对电机的整体结构设计、加工 方法以及装配方法做了改进，在满足真空泵自身性能及使用要求 的前提下，降低了加工难度及生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例中涡旋干式真空泵的结构示意图；
图2为图1中涡旋干式真空泵的正剖示图；
图3为图1中加工后的动涡旋盘外、内侧轮廓度误差示意图；
图4为图1中动涡旋盘、静涡旋盘切向泄漏示意图；
图5为图1中涡旋干式真空泵的整体装配示意图，其中：
图5中(a)为涡旋干式真空泵的装配正剖示图；
图5中(b)为图5中(a)的A向示意图；
图6为轴承孔加工轨迹示意图；
图7为动涡旋盘、静涡旋盘之间的密封示意图；
图8为密封条加工流程图；
附图标记中：
1－进气口；2－静涡旋盘；3－连接块；4－电磁铁组件；5 －出气口；6－电机壳体；7－电机后端盖；8－底座组件；9－偏 心电机轴；10－动涡旋盘；11－平衡组件；12－防自转组件；13 －密封条；131－第一子层；132－第二子层。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结 合附图和具体实施方式对本发明涡旋干式真空泵及其制造方法、 真空系统作进一步详细描述。
本实施例提供一种涡旋干式真空泵，如图1、图2所示，该 涡旋干式真空泵包括静涡旋盘2、连接块3、电磁铁组件4、电机 壳体6、电机后端盖7、底座组件8、偏心电机轴9、动涡旋盘10、 平衡组件11和防自转组件12、密封条13(图1、图2中未标识， 请参见图4)等部件。以下将针对上述各部件进行详细的说明。
该涡旋干式真空泵包括相对设置的静涡旋盘2和动涡旋盘 10，静涡旋盘2包括静涡旋体、动涡旋盘10包括动涡旋体，其中， 静涡旋体的型线和动涡旋体的型线均采用阿基米德涡旋线，动涡 旋体的型线与静涡旋体的型线之间具有180°的相位差，动涡旋体 与静涡旋体能够啮合形成压缩腔。该涡旋干式真空泵通过优化静 涡旋体和动涡旋体的型线的设计及加工方案，在降低加工难度及 加工成本的前提下，满足涡旋干式真空泵产品的性能及使用要求。
优选的是，本实施例中涡旋干式真空泵的静涡旋体的型线和 动涡旋体的型线采用一次阿基米德涡旋线和二次阿基米德涡旋线 的配合连接，头部采用二次阿基米德涡旋线，尾部采用一次阿基 米德涡旋线，一次阿基米德涡旋线和二次阿基米德涡旋线的连接 处具有连续的一次导数和二次导数。
在本实施例中，采用阿基米德涡旋线代替现有技术中的圆的 渐开线来设计动涡旋盘10、静涡旋盘2的型线基于下述原因：理 论上实现涡旋真空泵正常工作的必要条件是，动涡旋盘10与静涡 旋盘2的涡旋体在压缩腔内能够啮合，即静涡旋盘2的静涡旋体 在压缩腔内的某一点，必有动涡旋盘10的动涡旋体上的一点与之 对应，并实现瞬时接触，阿基米德涡旋线及其等距线能满足该要 求；同时，考虑到动涡旋盘10、静涡旋盘2的型线的加工，最终 确定采用阿基米德涡旋线建立动涡旋盘10、静涡旋盘2的涡旋型 线。
涡旋干式真空泵运行时，虽然动涡旋盘10、静涡旋盘2理论 上需实现瞬时接触，但由于加工误差、装配误差等存在，在实际 运行时动涡旋盘10、静涡旋盘2的瞬时接触不可能实现，因此间 隙预留的多少是达到其极限真空度这一指标最为关键的因素，间 隙过大，会致其极限真空度难以达到；而间隙过小，运行时动涡 旋盘10、静涡旋盘2之间会发生摩擦甚至咬合，导致温度急剧上 升，使涡旋干式真空泵的效率大大下降，或者破坏动涡旋盘10、 静涡旋盘2之间的壁面，导致涡旋干式真空泵的咬死失效。
综合考虑，本实施例中动涡旋盘10、静涡旋盘2最终采用的 涡旋型线并不是能够进行瞬间接触的阿基米德涡旋线及其等距 线，而是选用适合加工的一次阿基米德涡旋线和二次阿基米德涡 旋线代替其等距线。由于起始段的间隙变化通常比较大，会出现 间隙为零甚至为负的可能性；并且，由于头部处于涡旋型线的起 始段，易于产生应力变形和刀具的让刀现象，需加厚及修正，采 用二次阿基米德涡旋线配合使用；尾部半径比较大，因此曲率半 径变化较小，采用一次阿基米德涡旋线配合使用，一次阿基米德 涡旋线和二次阿基米德涡旋线的连接处需保证一次导和二次导都 连续。
其中，静涡旋体2和动涡旋体10之间预留有间隙，间隙由外 圈向内圈逐渐递减，且内圈间隙保持定值。进一步优选的是，静 涡旋体2和动涡旋体10之间预留的单边间隙范围为0.03mm～ 0.02mm，也即在最中心的内圈与次中心的内圈的单边间隙大约为 0.02mm。
由于运行时动涡旋盘10、静涡旋盘2的涡旋体不可能完全平 行，且是以动涡旋盘10的中心轴线作为基准，最外端的不平行度 会比中间的大，因此最外端预留的间隙最大，向内逐渐递减；而 由于运行时，中间部分温升比较快，热影响比较大，因此在最里 端即里面的两圈间隙不再减少，保持恒定的值，通过理论计算和 试验验证，单边间隙的预留量在0.02mm～0.03mm之间最为合适。 因此，静涡旋体和动涡旋体最终采用一次阿基米德涡旋线和二次 阿基米德涡旋线配合使用，且预留的间隙在最外圈时最大，向内 逐渐递减，单边间隙也由外向内逐渐递减，例如单边间隙范围在 0.03mm～0.02mm之间变化。
根据真空泵的工作原理，封闭腔(也即压缩腔)是由动涡旋 盘10、静涡旋盘2配合运动时所形成的，因此动涡旋盘10、静涡 旋盘2是涡旋真空泵的核心零件，具有较高的形位精度和尺寸精 度要求。在现有技术中，对动涡旋盘10、静涡旋盘2的加工基本 都是用昂贵的设备如几百万的专用加工机床来加工，以便保证其 精度。
如前所述，该涡旋干式真空泵包括电机以及连接块3、防自 转组件12，电机具有偏心电机轴9，动涡旋盘10设置在偏心电机 轴9上，相比现有技术中通过偏心机构(例如曲轴)来形成偏心 驱动轴的方式，本实施例的电机的驱动轴直接加工为偏心轴，使 得装配难度大大下降。连接块3设置在电机壳体6上，静涡旋盘2 设置在连接块3上；防自转组件12与动涡旋盘10和连接块3同 时连接，防自转组件12使得动涡旋盘10在偏心电机轴9的带动 下能相对于静涡旋盘2以偏心电机轴9的偏心距形成的圆轨迹做 平动运动。
该涡旋干式真空泵中，动涡旋盘10的理论质心在旋转中心线 上；且该涡旋干式真空泵包括平衡组件11，平衡组件11包括两块 独立的平衡块，两块平衡块分设在偏心电机轴9靠近连接块3和 靠近电机后端盖7的区域。在真空泵运行时，动涡旋盘10处于运 动状态，因此动涡旋盘10自身需保持平衡，而涡旋型线是不对称 的，因此在设计动涡旋盘10时可以通过去除非使用面材料的方法， 使得动涡旋盘10的理论质心在其中心线上。由于动涡旋盘10安 装在偏心电机轴9的偏心位置，静不平衡及动不平衡量很大，因 此还同时设计了两块平衡块，以实现静涡旋盘2和动涡旋盘10的 静不平衡及动不平衡，但由于加工误差的存在，在装配之前还需 用专用的工装模拟偏心电机轴9、动涡旋盘10及平衡块的真实运 动来做动平衡试验，标准需达到G6.3级。
本实施例在提供该涡旋干式真空泵的结构的同时，为了更为 清楚地介绍相关关键结构的形成过程，还相应的提供了一种涡旋 干式真空泵的制造方法。
该涡旋干式真空泵的制造方法包括加工形成相对设置的静涡 旋盘2和动涡旋盘10的步骤，静涡旋盘2包括静涡旋体、动涡旋 盘10包括动涡旋体，静涡旋体的型线和动涡旋体的型线均采用阿 基米德涡旋线，动涡旋体的型线与静涡旋体的型线之间具有180 °的相位差；其中，静涡旋体和动涡旋体的阿基米德涡旋线均采 用铣加工形成，且铣加工时铣刀以旋转为主运动，进给运动由旋 转工作台的工作轴旋转与铣床水平工作台的工作轴移动实现。
其中，在加工静涡旋体和动涡旋体的阿基米德涡旋线的过程 中，旋转工作台的工作轴始终保持正转或反转，铣床水平工作台 的工作轴仅在一个方向移动实现进给运动；在精加工静涡旋体或 动涡旋体的阿基米德涡旋线的过程中，旋转工作台的工作轴换向 一次。为进一步保证加工精度，静涡旋体和动涡旋体的铣加工还 包括，通过激光干涉仪检测并补偿水平工作台的工作轴和旋转工 作台的工作轴的定位，其中定位精度为0.005mm，重复定位精度为 0.003mm；旋转工作台的工作轴的定位精度为7＂，重复定位精度 为4＂。
具体的，本实施例涡旋干式真空泵中，动涡旋盘10、静涡旋 盘2由于采用了阿基米德涡旋线，而阿基米德涡旋线自身的性能 决定了涡旋盘在精加工时铣刀可以以旋转为主运动，进给运动由 圆工作台即C轴旋转与铣床X或Y工作台的移动实现，这两个运 动的合成就形成了阿基米德涡旋线。在现有技术中，圆的渐开线 决定了涡旋盘在采用四轴加工时，只能使用阿基米德涡旋线拟合 出来。而本实施例涡旋真空泵采用的加工方法是，加工涡旋体时 采用四轴联动的机床即C轴旋转与X工作台(Y工作台在X工作台 的下面，需承载X工作台的重量，惯量比X工作台大，定位精度 等也比X低)的移动实现，且能与涡旋线设计相吻合，避免采用X、 Y插补产生的换向误差(高精度机床此误差比较小)，使用的机床为 国内机床(例如纽威VM903H机床)，提高此机床在制造过程中关 键部位的精度等级，由于采用的加工方法仅用到X轴和C轴，通 过激光干涉仪检测并补偿后X轴定位精度0.005mm，重复定位精度 0.003mm，附加台湾高精度转台作为C轴，定位精度为7＂，重复 定位精度为4＂，并采用合适的加工工艺方法，加工出符合精度要 求的零件。
可见，该加工方法最为关键之处在于要求C轴可以无限角度 旋转，即C轴在加工一侧涡旋线的过程中始终保持正转或反转， 在精加工整个涡旋体的过程中，X轴或C轴不可避免的需换向一 次，经换算C轴换向产生的误差比X轴的小，因此选择C轴换向。 为了避免模型在软件之间转化时产生误差，均采用UG对涡旋盘建 模并且生成数控加工程序，由于此加工程序中不能含有Y轴，因 此程序的编制及后处理有相当大的难度。需对编制的程序轨迹进 行修改及优化，此时生成的是X、Y插补且未经过后处理的cls文 件，用VC++6.0软件编写生成X、C插补加工的后置处理程序，将 cls文件中的位置坐标转换成半径和角度，由于此四轴机床用的是 带A轴旋转的控制程序改造的，因此NC程序中必须用A代替C才 能识别。在只加工涡旋体，不考虑零件结构导致变形的前提下， 如图3所示，为机床四轴联动加工后的动涡旋盘10的外、内侧轮 廓度误差示意图，可见，采用该加工方法加工出来的动涡旋盘外 侧和内侧的轮廓度的测量中，外侧的轮廓度误差为0.01mm，内侧 的轮廓度误差为0.009mm。
采用该加工方法，不仅涡旋盘加工精度高，而且生产成本大 大降低(所用的机床总价格不到60万元)。
该涡旋干式真空泵中，动涡旋体与静涡旋体平行设置，动涡 旋体与静涡旋体之间的平行度小于等于0.005mm。如前所述，该涡 旋干式真空泵包括电机，电机具有偏心电机轴9；连接块3与电机 壳体6通过过渡配合组装在一起，偏心电机轴9通过轴承与电机 后端盖7、连接块3组装在一起，偏心电机轴9与连接块3的轴承 连接为外侧连接，偏心电机轴9与连接块3连接的轴承外径大于 偏心电机轴9与电机后端盖7的轴承外径，偏心电机轴9与连接 块3和电机后端盖7之间轴承孔的同轴度在0.02mm以内(改进前 采用自动换刀方式，同轴度基本很难达到0.03mm)。
该制造方法还包括静涡旋盘2与动涡旋盘10的装配，静涡旋 盘2通过连接块3装配在电机壳体6上，动涡旋盘10装配在偏心 电机轴9上。为便于机械连接，连接块3与电机壳体6之间的轴 承孔为第一轴承孔，第一轴承孔内嵌钢套；偏心电机轴9与连接 块3连接的轴承孔为第二轴承孔，第一轴承孔和第二轴承孔均采 用镗刀形成，镗刀的刀杆材料为硬质合金。
为了便于镗刀加工，第一轴承孔的外径小于第二轴承孔的外 径；在具体的加工过程中，第一轴承孔形成后，采用手动换刀的 方式继续形成第二轴承孔，手动换刀时保持加工点位置的X、Y坐 标不变，只改变Z坐标值，第一轴承孔与第二轴承孔的同轴度在 0.02mm以内。
另外，静涡旋盘2与连接块3装配时的定位孔(静涡旋盘2 与连接块3上均对应设置)为对称设置的两个，两个定位孔中心 的连线通过第二轴承孔的中心线、且两个定位孔相对于第二轴承 孔的中心线对称。在具体的加工过程中，两个定位孔预先做工装， 使得两个定位孔中心的连线相对于X轴平行，并进行X轴插补， 然后进行两个定位孔的加工，两个定位孔的对称度为0.01mm以内。
具体的，如图4所示，动涡旋盘10、静涡旋盘2的涡旋体在 装配后需平行，如静涡旋盘2与动涡旋盘10的涡旋体不平行，则 会导致动涡旋盘10、静涡旋盘2的啮合处型线之间的径向间隙一 半变大一半变小，变大则会导致切向泄漏、变小则有可能会导致 动涡旋盘10、静涡旋盘2相互摩擦生热导致变形甚至咬合，导致 产品无法正常运行。为了使得动涡旋盘10、静涡旋盘2的涡旋体 在装配后平行度需在0.005mm以内，则需要保证电机装配完后偏 心电机轴9与静涡旋盘2和连接块3相配合处的基准面垂直，垂 直度必须在0.005mm以内，也即要求电机装配完后，两个轴承座 装轴承的两个孔之间的同轴度需达到0.02mm以内。按照现有技术 的常规装配方法，装配完后同轴度能有0.05mm就很不错了。这样 图1中电机后端盖7、电机壳体6和连接块3的加工精度特别是同 轴度精度要求非常高，这给加工带来了很大的困难。一般的电机 结构为了防尘等，轴承都是安装在电机的内侧，并且都是一样的 尺寸，由于两个轴承孔并不是一起加工出来的，因此两者之间的 同轴度精度并不是很高，达不到真空泵所使用的要求。
在镗孔的过程中，用于加工的镗刀的刀头的直径需与要加工 的孔的尺寸一致。经过综合考虑，本实施例的涡旋干式真空泵采 用如图5所示的装配方式，由于右端面还需安装其他零件，因此 轴承位置方向可以设计成向外，并且通过选用大小不一的轴承， 保证在后续的生产中能够采用整体加工的方法，以此来保证能够 一次加工成型，右端的轴承挡直径(例如Ф46)大于左端使用的 轴承(例如外径为Ф40)。因此，可以在装配完如图5所示的结 构后，再一起加工左端的轴承孔(Ф40)、以及用于装配动涡旋 盘的孔例如(Ф52)和平右端的端面，由于这种加工方式不存在 干涉的问题，因此可以较好地保证同轴度、垂直度等，并且还可 以一起加工对装配动涡旋盘的孔有同轴度要求的其他孔，例如： 用于静涡旋盘2与连接块3的装配轴承孔(例如2-Ф6)和用于防 自转组件12与连接块3的装配轴承孔(例如3-Ф19)，满足真空 泵所使用的要求。另外，由于还需装配偏心电机轴9等，因此在 装配后整体加工前还需配打定位销孔，以达到重复定位的目的。
采用如图5所示的装配方式时，在进行整体加工的过程中， 由于Ф40孔内嵌了钢套，且距右端面有200mm深，镗此孔时镗刀 的刚性需特别好，故选用BIG的镗刀，刀杆材料为硬质合金，以 避免在加工的过程中由于刚性不足导致刀杆颤动，影响加工精度。 由于Ф40和Ф52尺寸不一样，因此镗这两孔时需要换刀，若采用 自动换刀的方式，即指先把镗Ф40和Ф52孔的刀都先装到机床的 刀库中，镗完Ф40孔后通过机床程序控制自动换刀，后镗Ф52孔。 如图6所示，由于机床自动换刀时必须到指定的位置才能换刀， 因此在镗完Ф40孔后，通过走X、Y插补到达换刀点，换完刀后回 到加工点位置镗Ф52孔，此种方法涉及到机床的重复定位精度， 加工后测量两孔的同轴度为0.03mm左右。优选采用手动换刀的方 式，即镗完Ф40孔后，保持加工点位置X、Y坐标不变，只变Z 坐标值，当镗刀到达安全位置时，手动换刀，镗Ф52孔，加工后 测量两孔的同轴度为0.016mm，即采用手动换刀时，可以避免由于 重复定位引起的误差。
此方法同样用于加工2-Ф6孔，由于2-Ф6是静涡旋盘2与 连接块3装配时的定位孔，因此精度要求特别高，理论上两个定 位孔中心的连线需通过Ф52孔的中心线，并且相对于Ф52孔的中 心线对称。如果随便找个位置放置整体加工件时，镗2-Ф6孔时 需走X、Y轴同时插补，若预先做工装，使得需加工的这两定位孔 中心的连线相对于X轴平行，则可以只走X轴插补，避免了对Y 轴定位精度的要求，经试验验证，采用X、Y轴同时插补时对称度 为0.02mm左右，而采用X轴插补，对称度可以降到0.01mm以下。
在本实施例的涡旋干式真空泵中，由连接块3、电机壳体6、 电机后端盖7、偏心电机轴9、两种配重块11及密封条13、定子、 转子等组成电机部分，该电机与其他电机最大的区别在于密封性， 因此电机部分向外接口处的插线部分也需密封，即电机向外接口 处的插线采用密封插座。
另外，该涡旋干式真空泵中，静涡旋体和动涡旋体之间的轴 向间隙(也称端面间隙，为装配后动涡旋体顶端与静涡旋体底端 的端面配合处的间隙)通过密封条13密封，静涡旋体和动涡旋体 的顶部分别对应开设有凹槽，密封条13分别设置于静涡旋体和动 涡旋体的凹槽内。无油涡旋干式真空泵轴向间隙的大小对真空泵 极限真空度起着至关重要的作用，若间隙过大则导致泄漏过大， 效率降低；间隙过小虽可以降低泄漏，但是动涡旋盘10、静涡旋 盘2的接触面摩擦功率损失会增加，温升比较高。
在现有技术中，密封条一般都采用聚四氟乙烯材料形成，以 便起到耐磨的作用；同时，密封条还需具有一定的压缩量，才能 保证一定的密封性能。在本实施例的涡旋干式真空泵中，由于静 涡旋体和动涡旋体之间为动密封，压缩量又不能太大，这样对轴 向尺寸的定位精度要求就会特别高，且一旦密封条出现磨损，真 空泵运行时，其真空度会达不到所要求的值，此时则需重新更换 密封条13。基于上述原因，在本实施例中，如图7所示，密封条 13包括第一子层131以及设置于第一子层131下方的第二子层 132，第一子层131采用超高分子量聚乙烯，第二子层132采用微 发泡橡胶弹性体，第一子层131与第二子层132通过粘合剂连接。 为保证较好的密封效果，且兼顾密封寿命，本实施例的密封条13 中，第一子层131中超高分子量聚乙烯的分子量范围为450万～ 550万，优选分子量为500万左右，增加耐磨；第二子层132中微 发泡橡胶弹性体为丁橡胶和氯丁橡胶(NBR/CR)的混合体，微发泡 橡胶的密度范围为160kg/m3～230kg/m3，增加寿命。发泡橡胶中 微孔的内部和外部压力在真空泵未运行时为一个大气压，一旦真 空泵运行时，发泡橡胶的外部压力会逐渐降低，而内部压力不变， 因此发泡橡胶里面的微孔就会胀大，产生向上的顶力，压力差越 大，则向上顶起的力也越大，使得密封条13与配合的端面紧密贴 合，实现密封，因此向上顶起的力需要控制，既不能太大，也不 能太小，经计算发现，当发泡橡胶的密度范围为160～230kg/m3时能较好地满足使用要求，当处于上层的采用超高分子量聚乙烯 形成的耐磨材料出现部分磨损时，由于下层的采用微发泡橡胶弹 性体的顶起力的存在，具有一定的补偿作用，因此密封条13的寿 命会比较长。
与现有技术中密封条采用车加工方式形成不同，本实施例中 的密封条13采用冲压方式成型。例如：首先采用超高分子量聚乙 烯的棒材(例如德国品牌)，通过二次加工成为片材，作为第一 子层待用；采用发泡橡胶弹性体(例如常州艾得尔塑胶材料公司 的ADIA201)，通过二次加工成为片材，作为第二子层待用；然后， 当这两种材料都加工到片体的状态后，将粘合剂复合在第二子层 上，再将第一子层与第二子层的粘合剂面粘合在一起，形成毛坯； 最后，采用预先形成的模具，将毛坯进一步冲压形成所需的密封 条的形状，得到成品密封条13。具体的密封条的加工工艺流程如 图8所示。
在电机壳体6的内部，涡旋干式真空泵还包括用于控制真空 室与真空泵工作腔是否沟通的进出气控制器件，进出气控制器件 采用电磁铁组件4，电磁铁组件4包括电磁铁、铁芯和弹簧，电磁 铁和弹簧用于控制铁芯的伸出或弹回，电磁铁组件4的主要功能 为：电机不工作时铁芯伸出，隔离真空室和真空泵工作腔的沟通； 电机通电时铁芯延迟(例如10s)弹回，沟通真空室与真空泵工作 腔使得真空室与真空泵工作腔相通；电机断电时铁芯立刻伸出， 切断真空室与真空泵工作腔的沟通(电机断电时，真空泵工作腔 是与外界相通的)。
该涡旋干式真空泵中，如图1所示，电机壳体6、电机后端 盖7和底座组件8形成该涡旋干式真空泵的外形，电机的定子、 转子以及和静涡旋盘2、动涡旋盘10设置于电机壳体6内，电机 壳体6、电机后端盖7设置于底座组件8上方。其中，连接块3 在电机壳体6上，静涡旋盘2通过定位销固定在连接块3上，偏 心电机轴9与静涡旋盘2和连接块3相配合处的基准面的垂直度 在0.005mm以内；防自转组件12包括三个防自转件，三个防自转 件的一端均匀分设在动涡旋盘10上、另一端设置在连接块3上。 当电机运行时，偏心电机轴9转动，带动动涡旋盘10转动，这时 防自转组件12会使得动涡旋盘10不会绕着自身转动，即会出现 动涡旋盘10相对于静涡旋盘2以偏心电机轴9的偏心距形成的圆 的轨迹在做平动，以达到容积变化的目的，实现抽吸功能。
该涡旋干式真空泵的工作过程为：当真空泵静止不运行时， 此时电磁铁组件4中的电磁铁未得电，铁芯伸出，隔离真空室和 外界的沟通，以防真空室已有一定的真空度且不能与大气相通； 当电机通电时，偏心电机轴9转动，在防自转组件12的限制下带 动动涡旋盘10做平动，此时动涡旋盘10与静涡旋盘2就能在最 外端形成一对较大的封闭腔，且随着动涡旋盘10的平动，此对封 闭腔(即压缩腔)向内移动，且越来越小，直到中心部分将气体 挤压出去，此时电磁铁延迟10s得电，铁芯延迟收回，真空泵已 经对电机内部先进行了抽气，再使得真空室与工作腔相通，此时 才能对真空室进行抽真空；电机断电时，电磁铁立刻断电，铁芯 立刻伸出，切断真空室与工作腔的连接。
优选的是，该涡旋干式真空泵的底座组件8下方设置有风 扇，静涡旋盘设置有风罩，风扇与电机同步启动，用于通过风罩 将风导流到静涡旋盘2的端面以进行散热；风扇为具有较大风量 的鼓风机式风扇(当然，根据实际应用需要，也可以采用风量较 小的其他风扇，例如轴流式风扇)。当电机启动时，风扇可以对 静涡旋盘2的端面进行有效散热，以保证该涡旋干式真空泵的高 效运行。
本实施例的涡旋干式真空泵中，如图1所示，进气口5设置 在动涡旋盘10的外圈末端处，出气口1设置在静涡旋盘2的中心 处，进气口5能通过机械接口与真空系统外的真空室相连，或者， 进气口5能通过管道方式与真空系统中下一级泵的出气口相连。
作为本发明的另一方面，本实施例还提供一种真空系统，该 真空系统包括真空泵，该真空泵采用上述的涡旋干式真空泵。
在作为单机使用时，只需通过机械接口将进气口1与所需真 空室相连，即可成为完整可运行的产品；如果需要用于真空系统 中，则进气口1与下一级泵如涡轮分子泵的出气口通过管道等方 式相连接。前级泵是每个真空系统中必不可少的，该涡旋干式真 空泵作为前级泵时，该涡旋干式真空泵先工作，当所需密闭真空 空间的真空度达到10Pa以下时，真空机组中的第二级分子泵才能 开始工作。
本实施例中涡旋干式真空泵是真空系统的核心元件之一，具 有无油污染、结构简单、制造简单、运行平稳、噪音低的优点， 可以迅速的营造清洁、无油、环保的真空环境，并可以作为真空 机组的前级泵，也可以作为单机独立使用，广泛应用于需要清洁 无油、长寿命的真空系统中。
本发明中的涡旋干式真空泵，通过对其核心的动涡旋盘、静 涡旋盘的涡旋型线以及密封条结构及其相应的加工方法进行了创 新，同时还对电机的整体结构设计以及加工方法、装配方法做了 改进，在满足真空泵自身性能及使用要求的前提下，降低了加工 难度及生产成本。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理 而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领 域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况 下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的 保护范围。