董建峰，翁秀明，王 昆，毛廣春

(1．江蘇省金象傳動設(shè)備股份有限公司，江蘇淮安 223001)

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

1 蝸桿傳動的分類和技術(shù)現(xiàn)狀

蝸桿傳動可以實現(xiàn)大傳動比空間交錯軸傳動，一級蝸桿傳動往往可以代替多級齒輪傳動，因而在現(xiàn)代工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。蝸桿傳動形式很多，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;以德國慕尼黑大學(xué)Nieman教授發(fā)明的尼曼(Nieman)蝸桿(圓環(huán)面砂輪包絡(luò)成形)和漸開線蝸桿為主導(dǎo)的圓柱蝸桿傳動。

按成形原理細分，環(huán)面蝸桿傳動的種類有直廓環(huán)面、平面二次包絡(luò)、錐面二次包絡(luò)、漸開面包絡(luò)、球面二次包絡(luò)等等;圓柱蝸桿傳動的種類有阿基米德(ZA)、法向直廓(ZN)、漸開線(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)蝸桿傳動等等。

兩大類型蝸桿傳動各有優(yōu)缺點。前者承載能力強，在中心距大于250mm以上的傳動中尤為明顯;后者工藝性好，傳動精度高，易實現(xiàn)多頭小速比是其獨特優(yōu)點，是優(yōu)秀的精密蝸桿傳動。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的主要形式。我國進口的用于大型冶金、環(huán)保等設(shè)備的蝸桿傳動大部分是尼曼蝸桿傳動。圖1為尼曼蝸桿齒形。

圖1 尼曼蝸桿齒形

環(huán)面蝸桿傳動中的平面二次包絡(luò)蝸桿傳動誕生在我國，是中國傳動行業(yè)最具代表性的原創(chuàng)技術(shù)。自第一臺平面二次包絡(luò)蝸桿傳動裝置在首鋼機械廠誕生以來，國內(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)面蝸桿誤差檢測裝置等;北京科技大學(xué)的一種變β角的平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿等;鄭州機械研究所大型環(huán)面蝸桿減速器等;寶雞市廣環(huán)機床有限責(zé)任公司GJK系列四軸三聯(lián)動數(shù)控環(huán)面蝸桿機床;天津華盛昌齒輪公司與德國克林貝格公司合作生產(chǎn)的HNC35TP九軸四聯(lián)動數(shù)控專用蝸桿磨床;等等。HNC35TP是目前國內(nèi)最好的平面二次包絡(luò)蝸桿加工設(shè)備。

天津大學(xué)齒輪傳動課題組對環(huán)面蝸桿傳動中漸開面包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(即TI蝸桿傳動)也有較深入的研究，嚙合理論日趨完善，其正確性在實驗中也得到了驗證。但是TI蝸桿傳動尚未投入應(yīng)用，還有許多技術(shù)問題需要解決，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)——精確磨削還沒能實現(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，國內(nèi)外蝸桿傳動研究者仍然將注意力集中在這種傳動上［1］。TI蝸桿傳動代表著一種方向。

另外，還出現(xiàn)了一類不常用的傳動形式，即活齒蝸桿傳動。如一種以蝸桿、鋼珠和蝸輪為主的活齒傳動技術(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，等等。由于極少投入實用，因此不再多述。

2 蝸桿傳動技術(shù)在我國的新進展

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

2.1 理論研究的新進展

在圓柱蝸桿傳動中，我國重點發(fā)展的是世界范圍內(nèi)推廣使用的尼曼蝸桿傳動。天津大學(xué)王樹人教授等專家對蝸桿特別是圓弧圓柱蝸桿傳動的嚙合理論進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的兩類界限函數(shù)表達式等理論公式，為蝸桿傳動的設(shè)計與數(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，我國的蝸桿傳動技術(shù)及產(chǎn)品水平總體上呈現(xiàn)向西方發(fā)達國家逼近的態(tài)勢。

蝸桿傳動可控點接觸嚙合理論是傳統(tǒng)嚙合理論研究的升華，其目的是實現(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的接觸線與兩齒面相對滑動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、蝸桿螺旋升角等對相對滑動速度影響不大，但對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)的新進展

機床工業(yè)的發(fā)展，帶動了蝸桿制造技術(shù)的進步。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床→機械式修形器蝸桿磨床→數(shù)控蝸桿磨床。在此發(fā)展過程中，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用，降低多頭滾刀制作難度。

非對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)，實現(xiàn)可控接觸。這是在理論運算和分析的基礎(chǔ)上，考慮蝸輪、蝸桿、箱體等零部件的精度誤差，潤滑條件而形成的工藝技術(shù)。一方面實現(xiàn)蝸輪蝸桿接觸線與相對滑動速度矢量趨于垂直，一方面彌補上述精度誤差對嚙合質(zhì)量造成的影響。此項技術(shù)往往是制造廠的獨門絕技。

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體模型，再由通用數(shù)控機床、通用刀具進行數(shù)控切削加工。具體步驟如下：

a．根據(jù)刀具運動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)給定的相對運動規(guī)律不斷運動，在運動中每一個相對位置用實體布爾運算中的差運算，用工件毛坯減去刀具掃描體，相當(dāng)于包絡(luò)運算，將這一過程不斷循環(huán)直至包絡(luò)出整個蝸輪實體［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)控加工的三維實體模型。

從表2看出，對照周麥18小區(qū)平均產(chǎn)量113.12公斤，居第4位，比對照周麥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、泰禾麥2號在本地區(qū)產(chǎn)量表現(xiàn)均不如周麥18。

圖2 蝸輪數(shù)控加工的三維實體模型

b．加工操作方法是依據(jù)上述實體數(shù)據(jù)模型，經(jīng)過工藝化處理后，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為江蘇省金象傳動設(shè)備股份有限公司(下文簡稱金象傳動)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)通過共軛包絡(luò)運動獲得，這也是對偶范成法的加工原理。數(shù)字化制造方法則無需考慮刀頂干涉、后角干涉、潤滑、排屑等范成法常見工藝問題，切削密度也比范成法高，因而其齒形精度比實際對偶范成法更高。

2.3 材料技術(shù)

圖3 金象傳動數(shù)控加工的蝸輪照片

蝸輪副嚙合表面相對滑動速度大，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，但隨著動力傳動功率的大幅增加，對蝸輪材料的表面接觸強度及輪齒彎曲強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較差，適用于相對滑動速度vs小于8m/s的情況。而錫青銅在滑動速度大于8m/s時，仍能保持較高的接觸強度(如 ZQSn10-1、ZQSn12-2)，所以當(dāng)滑動速度大于8m/s時，宜采用錫青銅。

隨著銅價上漲，國內(nèi)許多研究機構(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，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，材料裂紋擴展速度也增大，這就使蝸輪抗裂紋擴展能力降低，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。隨著傳動機械業(yè)的發(fā)展，市場競爭越來越激烈，要求蝸桿傳動體積更小，傳動效率更高，價格更低。新型鑄造鋅基合金在性能上優(yōu)于傳統(tǒng)錫青銅，而價格僅為錫青銅的50%，采用該合金可以將成本降低為原來的60%左右，因而具有較大的競爭優(yōu)勢。該合金完全可以作為低速重載蝸輪材料來替代錫青銅。

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

另一種獲得專利的非金屬復(fù)合材料性價比也較高，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)、非金屬是其獨特性能。

2.4 蝸桿傳動產(chǎn)品的發(fā)展

尼曼蝸桿經(jīng)過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，蝸桿螺旋角達到40°。

蝸輪蝸桿減速機市場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。高端市場主要由德國SIEMENS(FLENDER)公司、SEW公司，意大利ROSSI公司，以及國內(nèi)金象傳動、杭州恒星集團、上海浦江減速機械有限公司等少數(shù)生產(chǎn)尼曼蝸輪蝸桿減速器的廠家支撐。

蝸輪蝸桿減速機主要應(yīng)用在以下領(lǐng)域：(1)冶金行業(yè)的軋機壓下、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)起重運輸行業(yè)的行車起吊、行走驅(qū)動設(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70年代末，國內(nèi)開始研制生產(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。漢江機床廠進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相比，其承載能力可提高50% ～150%，傳動效率提高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。

我國還缺少蝸桿減速器設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)相比也有差距，但是國際標(biāo)準(zhǔn)也都是10年前的，相對于制造技術(shù)的發(fā)展畢竟落后，加之10年來我國機械制造業(yè)的崛起，我國有創(chuàng)新的條件和超越的機會。

3 發(fā)展蝸桿傳動技術(shù)的新理念

蝸桿傳動類別眾多，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，主要是出于對其制造工藝的考量。其產(chǎn)生與發(fā)展皆受當(dāng)時的機床工業(yè)水平的制約。在歷史進程中，發(fā)展如此眾多類型的蝸桿傳動，其目的卻只有精密分度或大速比傳遞動力，后者的主要考核指標(biāo)也就是承載能力、傳動效率與壽命。如今，數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展使蝸桿傳動理論研究和齒形設(shè)計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)品高效重載長壽，從而將得到空前的發(fā)展機遇。

在制造技術(shù)方面，蝸輪采用常規(guī)銑刀，運用數(shù)控加工技術(shù)進行加工，將是未來的方向。

蝸桿傳動方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，將隨蝸桿傳動理論、制造技術(shù)的發(fā)展和國外先進技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的引進，而得到規(guī)范和更新。

［1］ 段路茜，孫月海，王樹人，等．TI蝸桿傳動及研究現(xiàn)狀［J］．機械設(shè)計，2005，22(增刊 1)：23-24．

［2］ 陳厚軍，蔡雄，劉健．新型球面包絡(luò)環(huán)面蝸桿副的嚙合效率分析［J］．機械傳動，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)代機械，2005(3)：12-14．