董建峰，翁秀明，王 昆，毛廣春

(1．江蘇省金象傳動(dòng)設(shè)備股份有限公司，江蘇淮安 223001)

(2．江蘇省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇南京 210012)

1 蝸桿傳動(dòng)的分類和技術(shù)現(xiàn)狀

蝸桿傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比空間交錯(cuò)軸傳動(dòng)，一級(jí)蝸桿傳動(dòng)往往可以代替多級(jí)齒輪傳動(dòng)，因而在現(xiàn)代工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。蝸桿傳動(dòng)形式很多，常用的主要有兩大類型：以直廓環(huán)面和平面二次包絡(luò)為代表的環(huán)面蝸桿傳動(dòng);以德國(guó)慕尼黑大學(xué)Nieman教授發(fā)明的尼曼(Nieman)蝸桿(圓環(huán)面砂輪包絡(luò)成形)和漸開(kāi)線蝸桿為主導(dǎo)的圓柱蝸桿傳動(dòng)。

按成形原理細(xì)分，環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的種類有直廓環(huán)面、平面二次包絡(luò)、錐面二次包絡(luò)、漸開(kāi)面包絡(luò)、球面二次包絡(luò)等等;圓柱蝸桿傳動(dòng)的種類有阿基米德(ZA)、法向直廓(ZN)、漸開(kāi)線(ZI)、錐面包絡(luò)(ZK)、軸向圓弧齒(ZC3)、圓環(huán)面砂輪包絡(luò)(ZC1)即尼曼(Nieman)蝸桿傳動(dòng)等等。

兩大類型蝸桿傳動(dòng)各有優(yōu)缺點(diǎn)。前者承載能力強(qiáng)，在中心距大于250mm以上的傳動(dòng)中尤為明顯;后者工藝性好，傳動(dòng)精度高，易實(shí)現(xiàn)多頭小速比是其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，是優(yōu)秀的精密蝸桿傳動(dòng)。特別是尼曼蝸桿，目前在歐洲廣泛應(yīng)用，是冶金、礦山、環(huán)保等行業(yè)重型或精密蝸桿傳動(dòng)的主要形式。我國(guó)進(jìn)口的用于大型冶金、環(huán)保等設(shè)備的蝸桿傳動(dòng)大部分是尼曼蝸桿傳動(dòng)。圖1為尼曼蝸桿齒形。

圖1 尼曼蝸桿齒形

環(huán)面蝸桿傳動(dòng)中的平面二次包絡(luò)蝸桿傳動(dòng)誕生在我國(guó)，是中國(guó)傳動(dòng)行業(yè)最具代表性的原創(chuàng)技術(shù)。自第一臺(tái)平面二次包絡(luò)蝸桿傳動(dòng)裝置在首鋼機(jī)械廠誕生以來(lái)，國(guó)內(nèi)有志于發(fā)展原創(chuàng)技術(shù)的學(xué)者紛紛投入平面二次包絡(luò)蝸桿傳動(dòng)技術(shù)的研究，新技術(shù)、新成果、新設(shè)備不斷涌現(xiàn)，主要有：首鋼機(jī)械廠的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿磨削裝置;湖南湘潭鋼鐵集團(tuán)提出的環(huán)面蝸桿曲率修形原理;重慶大學(xué)的復(fù)雜曲面砂帶磨削技術(shù)及裝備、環(huán)面蝸桿誤差檢測(cè)裝置等;北京科技大學(xué)的一種變?chǔ)陆堑钠矫姘j(luò)環(huán)面蝸桿等;鄭州機(jī)械研究所大型環(huán)面蝸桿減速器等;寶雞市廣環(huán)機(jī)床有限責(zé)任公司GJK系列四軸三聯(lián)動(dòng)數(shù)控環(huán)面蝸桿機(jī)床;天津華盛昌齒輪公司與德國(guó)克林貝格公司合作生產(chǎn)的HNC35TP九軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控專用蝸桿磨床;等等。HNC35TP是目前國(guó)內(nèi)最好的平面二次包絡(luò)蝸桿加工設(shè)備。

天津大學(xué)齒輪傳動(dòng)課題組對(duì)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)中漸開(kāi)面包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)(即TI蝸桿傳動(dòng))也有較深入的研究，嚙合理論日趨完善，其正確性在實(shí)驗(yàn)中也得到了驗(yàn)證。但是TI蝸桿傳動(dòng)尚未投入應(yīng)用，還有許多技術(shù)問(wèn)題需要解決，其中最大的難題在于蝸桿的加工方法。一次包絡(luò)TI蝸桿的加工方法尚在探討中，TI蝸桿制造的關(guān)鍵技術(shù)——精確磨削還沒(méi)能實(shí)現(xiàn);而二次包絡(luò)TI蝸桿的加工更為困難。盡管如此，由于它具有的很大潛力，國(guó)內(nèi)外蝸桿傳動(dòng)研究者仍然將注意力集中在這種傳動(dòng)上［1］。TI蝸桿傳動(dòng)代表著一種方向。

另外，還出現(xiàn)了一類不常用的傳動(dòng)形式，即活齒蝸桿傳動(dòng)。如一種以蝸桿、鋼珠和蝸輪為主的活齒傳動(dòng)技術(shù)［2］，又如以圓周分布的旋轉(zhuǎn)銷軸代替蝸輪輪齒的活齒傳動(dòng)，等等。由于極少投入實(shí)用，因此不再多述。

2 蝸桿傳動(dòng)技術(shù)在我國(guó)的新進(jìn)展

下面以尼曼蝸桿為代表，闡述圓柱蝸桿傳動(dòng)的理論研究、制造技術(shù)、材料技術(shù)在我國(guó)的新進(jìn)展，以及圓柱蝸桿傳動(dòng)產(chǎn)品在我國(guó)的歷史發(fā)展。

2.1 理論研究的新進(jìn)展

在圓柱蝸桿傳動(dòng)中，我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的是世界范圍內(nèi)推廣使用的尼曼蝸桿傳動(dòng)。天津大學(xué)王樹(shù)人教授等專家對(duì)蝸桿特別是圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)的嚙合理論進(jìn)行了卓有成效的研究，推導(dǎo)出了蝸桿齒面方程式、磨削砂輪表面與蝸桿齒面共軛時(shí)的兩類界限函數(shù)表達(dá)式等理論公式，為蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與數(shù)控加工提供了理論基礎(chǔ)。隨著新材料技術(shù)的發(fā)展和工藝水平的提高，特別是蝸桿磨齒質(zhì)量水平的提高，我國(guó)的蝸桿傳動(dòng)技術(shù)及產(chǎn)品水平總體上呈現(xiàn)向西方發(fā)達(dá)國(guó)家逼近的態(tài)勢(shì)。

蝸桿傳動(dòng)可控點(diǎn)接觸嚙合理論是傳統(tǒng)嚙合理論研究的升華，其目的是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的嚙合，其內(nèi)容是研究齒面不同位置的嚙合特性，如蝸輪蝸桿齒面不同嚙合點(diǎn)的接觸線與兩齒面相對(duì)滑動(dòng)速度矢量之間的夾角，使嚙合位置偏向該夾角接近90°的區(qū)域，從而改善了嚙合面間的潤(rùn)滑條件，提高嚙合質(zhì)量。蝸輪蝸桿的參數(shù)，如齒形角、齒形曲率半徑、蝸桿螺旋升角等對(duì)相對(duì)滑動(dòng)速度影響不大，但對(duì)接觸線的分布與走向影響較大。如何優(yōu)化這些參數(shù)，獲取接近90°的上述夾角，也是目前理論研究的主要方向。

2.2 制造技術(shù)的新進(jìn)展

機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，帶動(dòng)了蝸桿制造技術(shù)的進(jìn)步。蝸桿齒形加工的發(fā)展歷程如下：車加工(挑扣)或銑齒+手工拋光→由車床或鏟齒車床改制的蝸桿磨齒機(jī)床→機(jī)械式修形器蝸桿磨床→數(shù)控蝸桿磨床。在此發(fā)展過(guò)程中，逐步提高了蝸桿齒面的硬度，提高了蝸桿加工的分頭精度、螺旋線精度，解決了齒形的準(zhǔn)確性和可控修形問(wèn)題。

當(dāng)前，蝸輪的加工還是以滾刀、飛刀的范成法工藝為主。飛刀是針對(duì)單件、大模數(shù)、多頭等蝸輪而選用的，目的是免除滾刀昂貴的制作費(fèi)用，降低多頭滾刀制作難度。

非對(duì)偶范成蝸輪加工技術(shù)是蝸輪修形工藝的發(fā)展與延伸，目的是獲得預(yù)期的接觸區(qū)，實(shí)現(xiàn)可控接觸。這是在理論運(yùn)算和分析的基礎(chǔ)上，考慮蝸輪、蝸桿、箱體等零部件的精度誤差，潤(rùn)滑條件而形成的工藝技術(shù)。一方面實(shí)現(xiàn)蝸輪蝸桿接觸線與相對(duì)滑動(dòng)速度矢量趨于垂直，一方面彌補(bǔ)上述精度誤差對(duì)嚙合質(zhì)量造成的影響。此項(xiàng)技術(shù)往往是制造廠的獨(dú)門(mén)絕技。

隨著數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展，依托龐大的工程運(yùn)算，一種全新的蝸輪齒形加工方法正在形成。

基本思路為先建立蝸輪毛坯的三維實(shí)體模型，再由通用數(shù)控機(jī)床、通用刀具進(jìn)行數(shù)控切削加工。具體步驟如下：

a．根據(jù)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成刀具掃描體，然后使工件毛坯與刀具掃描體根據(jù)給定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律不斷運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中每一個(gè)相對(duì)位置用實(shí)體布爾運(yùn)算中的差運(yùn)算，用工件毛坯減去刀具掃描體，相當(dāng)于包絡(luò)運(yùn)算，將這一過(guò)程不斷循環(huán)直至包絡(luò)出整個(gè)蝸輪實(shí)體［3］?，F(xiàn)在許多 CAD軟件如 AutoCAD、SolidWorks、Pro/E、CATIA都提供加工仿真功能。圖2所示為尼曼齒形蝸輪數(shù)控加工的三維實(shí)體模型。

從表2看出，對(duì)照周麥18小區(qū)平均產(chǎn)量113.12公斤，居第4位，比對(duì)照周麥18增產(chǎn)的品種有農(nóng)大2011、鄭麥1860、泉麥29，產(chǎn)量分別是119.55公斤、115.21公斤、115.09公斤，分別比周麥18增產(chǎn)5.68%、1.85%、1.75%，輪選166、珍麥3號(hào)、泰禾麥2號(hào)在本地區(qū)產(chǎn)量表現(xiàn)均不如周麥18。

圖2 蝸輪數(shù)控加工的三維實(shí)體模型

b．加工操作方法是依據(jù)上述實(shí)體數(shù)據(jù)模型，經(jīng)過(guò)工藝化處理后，利用數(shù)字化加工中心，采用通用刀具如圓頭銑刀，加工蝸輪齒形。圖3為江蘇省金象傳動(dòng)設(shè)備股份有限公司(下文簡(jiǎn)稱金象傳動(dòng))數(shù)控加工的蝸輪照片。

眾所周知，蝸桿副的理論嚙合型面應(yīng)通過(guò)共軛包絡(luò)運(yùn)動(dòng)獲得，這也是對(duì)偶范成法的加工原理。數(shù)字化制造方法則無(wú)需考慮刀頂干涉、后角干涉、潤(rùn)滑、排屑等范成法常見(jiàn)工藝問(wèn)題，切削密度也比范成法高，因而其齒形精度比實(shí)際對(duì)偶范成法更高。

2.3 材料技術(shù)

圖3 金象傳動(dòng)數(shù)控加工的蝸輪照片

蝸輪副嚙合表面相對(duì)滑動(dòng)速度大，要求蝸輪蝸桿在材料組合上既要有耐磨性，又要有良好的跑合性能，故蝸桿材料一般采用低碳合金鋼，如20CrMnTi、20CrMnMo、20CrNi2Mo、17CrNiMo6 等等，經(jīng)滲碳淬火磨制，硬度和韌性同時(shí)得到保證;蝸輪嚙合部位一般采用耐磨性較好的軟質(zhì)材料，但隨著動(dòng)力傳動(dòng)功率的大幅增加，對(duì)蝸輪材料的表面接觸強(qiáng)度及輪齒彎曲強(qiáng)度也提出了更高的要求。

以前，蝸輪材料一般采用鋁青銅ZCuAl9Fe4或ZCuAl10Fe3-1．5，這兩種材料抗膠合能力相對(duì)較差，適用于相對(duì)滑動(dòng)速度vs小于8m/s的情況。而錫青銅在滑動(dòng)速度大于8m/s時(shí)，仍能保持較高的接觸強(qiáng)度(如 ZQSn10-1、ZQSn12-2)，所以當(dāng)滑動(dòng)速度大于8m/s時(shí)，宜采用錫青銅。

隨著銅價(jià)上漲，國(guó)內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)投入大量資源研究其替代材料，如新型鋅基合金、鋅基復(fù)合材料、高強(qiáng)耐磨鋁青銅合金等等。

傳統(tǒng)鑄鋅合金(Zn-Al系)的鑄造性能、機(jī)械性能及濕耐磨性能都比較好，但是延伸率、沖擊韌性較差，抗腐蝕性也較差，熔點(diǎn)較低，存在高溫敏感缺陷，最高允許溫度僅為120～150℃。當(dāng)蝸輪轉(zhuǎn)速較高，加載功率增大時(shí)，嚙合齒面微小區(qū)域溫度升高，產(chǎn)生局部高溫。在高溫下，該類材料性能下降，并且隨著溫度升高，材料裂紋擴(kuò)展速度也增大，這就使蝸輪抗裂紋擴(kuò)展能力降低，壽命縮短，從而導(dǎo)致蝸輪提前失效。因此，該類材料代替錫青銅存在一定問(wèn)題。

最近，新型高鋁鋅基合金配方及鑄造工藝的研究取得了重大突破，有效避免了鑄造密度偏析，硬度也比錫青銅有較大提高。隨著傳動(dòng)機(jī)械業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，要求蝸桿傳動(dòng)體積更小，傳動(dòng)效率更高，價(jià)格更低。新型鑄造鋅基合金在性能上優(yōu)于傳統(tǒng)錫青銅，而價(jià)格僅為錫青銅的50%，采用該合金可以將成本降低為原來(lái)的60%左右，因而具有較大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。該合金完全可以作為低速重載蝸輪材料來(lái)替代錫青銅。

近年來(lái)逐步擴(kuò)大生產(chǎn)的新型高強(qiáng)耐磨鋁青銅合金即KK鋁青銅，獲2010年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，KK合金取代了日本進(jìn)口的用于制造高速、大負(fù)載高檔電梯曳引機(jī)蝸輪的同類材料，還廣泛用于制造各種重要耐磨零件，其抗拉強(qiáng)度為633MPa，屈服強(qiáng)度為203MPa，延伸率為18%，布氏硬度為169，摩擦系數(shù)為0．053 1，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)比ZQSn10-1均有較大提高，而且價(jià)格較為便宜，對(duì)降低成本有較大意義。

另一種獲得專利的非金屬?gòu)?fù)合材料性價(jià)比也較高，它是一種以聚酰胺為基，添加10% ～40%的玻璃纖維、2．0% ～6．0% 的石墨及 2．0% ～6．0%的二硫化鉬等成份的復(fù)合材料，有一定的抗膠合抗磨損能力，輕質(zhì)、非金屬是其獨(dú)特性能。

2.4 蝸桿傳動(dòng)產(chǎn)品的發(fā)展

尼曼蝸桿經(jīng)過(guò)60年的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)化技術(shù)已很成熟，蝸桿頭數(shù)已發(fā)展到12頭，蝸桿螺旋角達(dá)到40°。

蝸輪蝸桿減速機(jī)市場(chǎng)高端部分為圓弧圓柱蝸桿減速器，即尼曼蝸桿減速器，低端部分為阿基米德齒形的減速器。高端市場(chǎng)主要由德國(guó)SIEMENS(FLENDER)公司、SEW公司，意大利ROSSI公司，以及國(guó)內(nèi)金象傳動(dòng)、杭州恒星集團(tuán)、上海浦江減速機(jī)械有限公司等少數(shù)生產(chǎn)尼曼蝸輪蝸桿減速器的廠家支撐。

蝸輪蝸桿減速機(jī)主要應(yīng)用在以下領(lǐng)域：(1)冶金行業(yè)的軋機(jī)壓下、軋輥調(diào)整裝置，銅管拉伸及卷曲設(shè)備;(2)艦船上的拉起錨機(jī)和收放纜繩設(shè)備;(3)化工行業(yè)的攪拌設(shè)備等;(4)包裝、制造行業(yè)的冰箱、微波爐內(nèi)外殼壓塑成型生產(chǎn)線、包裝箱生產(chǎn)線;(5)起重運(yùn)輸行業(yè)的行車起吊、行走驅(qū)動(dòng)設(shè)備;(6)建筑行業(yè)的高層建筑外墻裝修、清潔用載人吊籃;等等。

20世紀(jì)70年代末，國(guó)內(nèi)開(kāi)始研制生產(chǎn)圓弧齒(ZC3)圓柱蝸桿減速器，并發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)JB2318-79;80年代中后期開(kāi)始研制生產(chǎn)ZC1尼曼型蝸桿減速器，并發(fā)布了蝸桿減速器標(biāo)準(zhǔn)GB9147-88。漢江機(jī)床廠進(jìn)行了專用蝸桿磨床的研制生產(chǎn)，工藝及裝備日益成熟。尼曼型蝸桿減速器在90年代得到迅速發(fā)展。該減速器與普通阿基米德圓柱蝸桿傳動(dòng)相比，其承載能力可提高50% ～150%，傳動(dòng)效率提高8% ～15%，而減速器額定輸出扭矩方面，后者是前者的近2倍。

現(xiàn)有的幾項(xiàng)產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：

a．JB/T7935-1999圓弧圓柱蝸桿減速器(替代標(biāo)準(zhǔn)修訂稿已報(bào)批，英文名稱為ZC1 worm gear units)。

b．JB/T 6387-1992軸裝式圓弧圓柱蝸桿減速器。

c．JB/T 7008-1993 ZC1型雙級(jí)蝸桿及齒輪-蝸桿減速器。

d．JB/T 7848-1995立式圓弧圓柱蝸桿減速器。

我國(guó)還缺少蝸桿減速器設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)相比也有差距，但是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也都是10年前的，相對(duì)于制造技術(shù)的發(fā)展畢竟落后，加之10年來(lái)我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的崛起，我國(guó)有創(chuàng)新的條件和超越的機(jī)會(huì)。

3 發(fā)展蝸桿傳動(dòng)技術(shù)的新理念

蝸桿傳動(dòng)類別眾多，諸如 ZA、ZN1、ZN2、ZN3、ZI、ZK1、ZK2、ZK3、ZC1、ZC3、TA、TP、TSL、TI等等，之所以這樣分類，主要是出于對(duì)其制造工藝的考量。其產(chǎn)生與發(fā)展皆受當(dāng)時(shí)的機(jī)床工業(yè)水平的制約。在歷史進(jìn)程中，發(fā)展如此眾多類型的蝸桿傳動(dòng)，其目的卻只有精密分度或大速比傳遞動(dòng)力，后者的主要考核指標(biāo)也就是承載能力、傳動(dòng)效率與壽命。如今，數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展使蝸桿傳動(dòng)理論研究和齒形設(shè)計(jì)只需專心追求嚙合接觸線、接觸區(qū)的合理形狀和位置，使產(chǎn)品高效重載長(zhǎng)壽，從而將得到空前的發(fā)展機(jī)遇。

在制造技術(shù)方面，蝸輪采用常規(guī)銑刀，運(yùn)用數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行加工，將是未來(lái)的方向。

蝸桿傳動(dòng)方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，將隨蝸桿傳動(dòng)理論、制造技術(shù)的發(fā)展和國(guó)外先進(jìn)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的引進(jìn)，而得到規(guī)范和更新。

［1］ 段路茜，孫月海，王樹(shù)人，等．TI蝸桿傳動(dòng)及研究現(xiàn)狀［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)，2005，22(增刊 1)：23-24．

［2］ 陳厚軍，蔡雄，劉?。滦颓蛎姘j(luò)環(huán)面蝸桿副的嚙合效率分析［J］．機(jī)械傳動(dòng)，2012，36(12)：75-79．

［3］ 譚昕，周紅．?dāng)?shù)字制造模式下的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副［J］．現(xiàn)代機(jī)械，2005(3)：12-14．