蜗轮蜗杆传动技术在我国的新进展

董建峰，翁秀明，王 昆，毛广春

(1．江苏省金象传动设备股份有限公司，江苏淮安 223001)

(2．江苏省机械研究设计院有限责任公司，江苏南京 210012)

1 蜗杆传动的分类和技术现状

蜗杆传动可以实现大传动比空间交错轴传动，一级蜗杆传动往往可以代替多级齿轮传动，因而在现代工业中得到广泛应用。蜗杆传动形式很多，常用的主要有两大类型：以直廓环面和平面二次包络为代表的环面蜗杆传动;以德国慕尼黑大学Nieman教授发明的尼曼(Nieman)蜗杆(圆环面砂轮包络成形)和渐开线蜗杆为主导的圆柱蜗杆传动。

按成形原理细分，环面蜗杆传动的种类有直廓环面、平面二次包络、锥面二次包络、渐开面包络、球面二次包络等等;圆柱蜗杆传动的种类有阿基米德(ZA)、法向直廓(ZN)、渐开线(ZI)、锥面包络(ZK)、轴向圆弧齿(ZC3)、圆环面砂轮包络(ZC1)即尼曼(Nieman)蜗杆传动等等。

两大类型蜗杆传动各有优缺点。前者承载能力强，在中心距大于250mm以上的传动中尤为明显;后者工艺性好，传动精度高，易实现多头小速比是其独特优点，是优秀的精密蜗杆传动。特别是尼曼蜗杆，目前在欧洲广泛应用，是冶金、矿山、环保等行业重型或精密蜗杆传动的主要形式。我国进口的用于大型冶金、环保等设备的蜗杆传动大部分是尼曼蜗杆传动。图1为尼曼蜗杆齿形。

图1 尼曼蜗杆齿形

环面蜗杆传动中的平面二次包络蜗杆传动诞生在我国，是中国传动行业最具代表性的原创技术。自第一台平面二次包络蜗杆传动装置在首钢机械厂诞生以来，国内有志于发展原创技术的学者纷纷投入平面二次包络蜗杆传动技术的研究，新技术、新成果、新设备不断涌现，主要有：首钢机械厂的平面二次包络环面蜗杆磨削装置;湖南湘潭钢铁集团提出的环面蜗杆曲率修形原理;重庆大学的复杂曲面砂带磨削技术及装备、环面蜗杆误差检测装置等;北京科技大学的一种变β角的平面包络环面蜗杆等;郑州机械研究所大型环面蜗杆减速器等;宝鸡市广环机床有限责任公司GJK系列四轴三联动数控环面蜗杆机床;天津华盛昌齿轮公司与德国克林贝格公司合作生产的HNC35TP九轴四联动数控专用蜗杆磨床;等等。HNC35TP是目前国内最好的平面二次包络蜗杆加工设备。

天津大学齿轮传动课题组对环面蜗杆传动中渐开面包络环面蜗杆传动(即TI蜗杆传动)也有较深入的研究，啮合理论日趋完善，其正确性在实验中也得到了验证。但是TI蜗杆传动尚未投入应用，还有许多技术问题需要解决，其中最大的难题在于蜗杆的加工方法。一次包络TI蜗杆的加工方法尚在探讨中，TI蜗杆制造的关键技术——精确磨削还没能实现;而二次包络TI蜗杆的加工更为困难。尽管如此，由于它具有的很大潜力，国内外蜗杆传动研究者仍然将注意力集中在这种传动上［1］。TI蜗杆传动代表着一种方向。

另外，还出现了一类不常用的传动形式，即活齿蜗杆传动。如一种以蜗杆、钢珠和蜗轮为主的活齿传动技术［2］，又如以圆周分布的旋转销轴代替蜗轮轮齿的活齿传动，等等。由于极少投入实用，因此不再多述。

2 蜗杆传动技术在我国的新进展

下面以尼曼蜗杆为代表，阐述圆柱蜗杆传动的理论研究、制造技术、材料技术在我国的新进展，以及圆柱蜗杆传动产品在我国的历史发展。

2.1 理论研究的新进展

在圆柱蜗杆传动中，我国重点发展的是世界范围内推广使用的尼曼蜗杆传动。天津大学王树人教授等专家对蜗杆特别是圆弧圆柱蜗杆传动的啮合理论进行了卓有成效的研究，推导出了蜗杆齿面方程式、磨削砂轮表面与蜗杆齿面共轭时的两类界限函数表达式等理论公式，为蜗杆传动的设计与数控加工提供了理论基础。随着新材料技术的发展和工艺水平的提高，特别是蜗杆磨齿质量水平的提高，我国的蜗杆传动技术及产品水平总体上呈现向西方发达国家逼近的态势。

蜗杆传动可控点接触啮合理论是传统啮合理论研究的升华，其目的是实现高质量的啮合，其内容是研究齿面不同位置的啮合特性，如蜗轮蜗杆齿面不同啮合点的接触线与两齿面相对滑动速度矢量之间的夹角，使啮合位置偏向该夹角接近90°的区域，从而改善了啮合面间的润滑条件，提高啮合质量。蜗轮蜗杆的参数，如齿形角、齿形曲率半径、蜗杆螺旋升角等对相对滑动速度影响不大，但对接触线的分布与走向影响较大。如何优化这些参数，获取接近90°的上述夹角，也是目前理论研究的主要方向。

2.2 制造技术的新进展

机床工业的发展，带动了蜗杆制造技术的进步。蜗杆齿形加工的发展历程如下：车加工(挑扣)或铣齿+手工抛光→由车床或铲齿车床改制的蜗杆磨齿机床→机械式修形器蜗杆磨床→数控蜗杆磨床。在此发展过程中，逐步提高了蜗杆齿面的硬度，提高了蜗杆加工的分头精度、螺旋线精度，解决了齿形的准确性和可控修形问题。

当前，蜗轮的加工还是以滚刀、飞刀的范成法工艺为主。飞刀是针对单件、大模数、多头等蜗轮而选用的，目的是免除滚刀昂贵的制作费用，降低多头滚刀制作难度。

非对偶范成蜗轮加工技术是蜗轮修形工艺的发展与延伸，目的是获得预期的接触区，实现可控接触。这是在理论运算和分析的基础上，考虑蜗轮、蜗杆、箱体等零部件的精度误差，润滑条件而形成的工艺技术。一方面实现蜗轮蜗杆接触线与相对滑动速度矢量趋于垂直，一方面弥补上述精度误差对啮合质量造成的影响。此项技术往往是制造厂的独门绝技。

随着数字化制造技术的发展，依托庞大的工程运算，一种全新的蜗轮齿形加工方法正在形成。

基本思路为先建立蜗轮毛坯的三维实体模型，再由通用数控机床、通用刀具进行数控切削加工。具体步骤如下：

a．根据刀具运动轨迹生成刀具扫描体，然后使工件毛坯与刀具扫描体根据给定的相对运动规律不断运动，在运动中每一个相对位置用实体布尔运算中的差运算，用工件毛坯减去刀具扫描体，相当于包络运算，将这一过程不断循环直至包络出整个蜗轮实体［3］。现在许多 CAD软件如 AutoCAD、SolidWorks、Pro/E、CATIA都提供加工仿真功能。图2所示为尼曼齿形蜗轮数控加工的三维实体模型。

从表2看出，对照周麦18小区平均产量113.12公斤，居第4位，比对照周麦18增产的品种有农大2011、郑麦1860、泉麦29，产量分别是119.55公斤、115.21公斤、115.09公斤，分别比周麦18增产5.68%、1.85%、1.75%，轮选166、珍麦3号、泰禾麦2号在本地区产量表现均不如周麦18。

图2 蜗轮数控加工的三维实体模型

b．加工操作方法是依据上述实体数据模型，经过工艺化处理后，利用数字化加工中心，采用通用刀具如圆头铣刀，加工蜗轮齿形。图3为江苏省金象传动设备股份有限公司(下文简称金象传动)数控加工的蜗轮照片。

众所周知，蜗杆副的理论啮合型面应通过共轭包络运动获得，这也是对偶范成法的加工原理。数字化制造方法则无需考虑刀顶干涉、后角干涉、润滑、排屑等范成法常见工艺问题，切削密度也比范成法高，因而其齿形精度比实际对偶范成法更高。

2.3 材料技术

图3 金象传动数控加工的蜗轮照片

蜗轮副啮合表面相对滑动速度大，要求蜗轮蜗杆在材料组合上既要有耐磨性，又要有良好的跑合性能，故蜗杆材料一般采用低碳合金钢，如20CrMnTi、20CrMnMo、20CrNi2Mo、17CrNiMo6 等等，经渗碳淬火磨制，硬度和韧性同时得到保证;蜗轮啮合部位一般采用耐磨性较好的软质材料，但随着动力传动功率的大幅增加，对蜗轮材料的表面接触强度及轮齿弯曲强度也提出了更高的要求。

以前，蜗轮材料一般采用铝青铜ZCuAl9Fe4或ZCuAl10Fe3-1．5，这两种材料抗胶合能力相对较差，适用于相对滑动速度vs小于8m/s的情况。而锡青铜在滑动速度大于8m/s时，仍能保持较高的接触强度(如 ZQSn10-1、ZQSn12-2)，所以当滑动速度大于8m/s时，宜采用锡青铜。

随着铜价上涨，国内许多研究机构投入大量资源研究其替代材料，如新型锌基合金、锌基复合材料、高强耐磨铝青铜合金等等。

传统铸锌合金(Zn-Al系)的铸造性能、机械性能及湿耐磨性能都比较好，但是延伸率、冲击韧性较差，抗腐蚀性也较差，熔点较低，存在高温敏感缺陷，最高允许温度仅为120～150℃。当蜗轮转速较高，加载功率增大时，啮合齿面微小区域温度升高，产生局部高温。在高温下，该类材料性能下降，并且随着温度升高，材料裂纹扩展速度也增大，这就使蜗轮抗裂纹扩展能力降低，寿命缩短，从而导致蜗轮提前失效。因此，该类材料代替锡青铜存在一定问题。

最近，新型高铝锌基合金配方及铸造工艺的研究取得了重大突破，有效避免了铸造密度偏析，硬度也比锡青铜有较大提高。随着传动机械业的发展，市场竞争越来越激烈，要求蜗杆传动体积更小，传动效率更高，价格更低。新型铸造锌基合金在性能上优于传统锡青铜，而价格仅为锡青铜的50%，采用该合金可以将成本降低为原来的60%左右，因而具有较大的竞争优势。该合金完全可以作为低速重载蜗轮材料来替代锡青铜。

近年来逐步扩大生产的新型高强耐磨铝青铜合金即KK铝青铜，获2010年度国家科技进步二等奖，KK合金取代了日本进口的用于制造高速、大负载高档电梯曳引机蜗轮的同类材料，还广泛用于制造各种重要耐磨零件，其抗拉强度为633MPa，屈服强度为203MPa，延伸率为18%，布氏硬度为169，摩擦系数为0．053 1，各项力学性能指标比ZQSn10-1均有较大提高，而且价格较为便宜，对降低成本有较大意义。

另一种获得专利的非金属复合材料性价比也较高，它是一种以聚酰胺为基，添加10% ～40%的玻璃纤维、2．0% ～6．0% 的石墨及 2．0% ～6．0%的二硫化钼等成份的复合材料，有一定的抗胶合抗磨损能力，轻质、非金属是其独特性能。

2.4 蜗杆传动产品的发展

尼曼蜗杆经过60年的发展，产业化技术已很成熟，蜗杆头数已发展到12头，蜗杆螺旋角达到40°。

蜗轮蜗杆减速机市场高端部分为圆弧圆柱蜗杆减速器，即尼曼蜗杆减速器，低端部分为阿基米德齿形的减速器。高端市场主要由德国SIEMENS(FLENDER)公司、SEW公司，意大利ROSSI公司，以及国内金象传动、杭州恒星集团、上海浦江减速机械有限公司等少数生产尼曼蜗轮蜗杆减速器的厂家支撑。

蜗轮蜗杆减速机主要应用在以下领域：(1)冶金行业的轧机压下、轧辊调整装置，铜管拉伸及卷曲设备;(2)舰船上的拉起锚机和收放缆绳设备;(3)化工行业的搅拌设备等;(4)包装、制造行业的冰箱、微波炉内外壳压塑成型生产线、包装箱生产线;(5)起重运输行业的行车起吊、行走驱动设备;(6)建筑行业的高层建筑外墙装修、清洁用载人吊篮;等等。

20世纪70年代末，国内开始研制生产圆弧齿(ZC3)圆柱蜗杆减速器，并发布了标准JB2318-79;80年代中后期开始研制生产ZC1尼曼型蜗杆减速器，并发布了蜗杆减速器标准GB9147-88。汉江机床厂进行了专用蜗杆磨床的研制生产，工艺及装备日益成熟。尼曼型蜗杆减速器在90年代得到迅速发展。该减速器与普通阿基米德圆柱蜗杆传动相比，其承载能力可提高50% ～150%，传动效率提高8% ～15%，而减速器额定输出扭矩方面，后者是前者的近2倍。

现有的几项产品技术标准为：

a．JB/T7935-1999圆弧圆柱蜗杆减速器(替代标准修订稿已报批，英文名称为ZC1 worm gear units)。

b．JB/T 6387-1992轴装式圆弧圆柱蜗杆减速器。

c．JB/T 7008-1993 ZC1型双级蜗杆及齿轮-蜗杆减速器。

d．JB/T 7848-1995立式圆弧圆柱蜗杆减速器。

我国还缺少蜗杆减速器设计规范标准，技术标准与国际标准相比也有差距，但是国际标准也都是10年前的，相对于制造技术的发展毕竟落后，加之10年来我国机械制造业的崛起，我国有创新的条件和超越的机会。

3 发展蜗杆传动技术的新理念

蜗杆传动类别众多，诸如 ZA、ZN1、ZN2、ZN3、ZI、ZK1、ZK2、ZK3、ZC1、ZC3、TA、TP、TSL、TI等等，之所以这样分类，主要是出于对其制造工艺的考量。其产生与发展皆受当时的机床工业水平的制约。在历史进程中，发展如此众多类型的蜗杆传动，其目的却只有精密分度或大速比传递动力，后者的主要考核指标也就是承载能力、传动效率与寿命。如今，数字化制造技术的发展使蜗杆传动理论研究和齿形设计只需专心追求啮合接触线、接触区的合理形状和位置，使产品高效重载长寿，从而将得到空前的发展机遇。

在制造技术方面，蜗轮采用常规铣刀，运用数控加工技术进行加工，将是未来的方向。

蜗杆传动方面的技术标准、设计规范标准，将随蜗杆传动理论、制造技术的发展和国外先进技术与标准的引进，而得到规范和更新。

［1］ 段路茜，孙月海，王树人，等．TI蜗杆传动及研究现状［J］．机械设计，2005，22(增刊 1)：23-24．

［2］ 陈厚军，蔡雄，刘健．新型球面包络环面蜗杆副的啮合效率分析［J］．机械传动，2012，36(12)：75-79．

［3］ 谭昕，周红．数字制造模式下的平面二次包络环面蜗杆副［J］．现代机械，2005(3)：12-14．