相對(duì)于圓柱蝸桿傳動(dòng)，平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)具有承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)效率高和使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著精度控制難和制造成本高的問(wèn)題。下文綜述了平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，從設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)3個(gè)方面凝練了50多年來(lái)的研究成果和關(guān)鍵技術(shù)。提出了未來(lái)需要進(jìn)一步深入研究的方向和內(nèi)容：構(gòu)建集設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)于一體的閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其高效、高精、低成本制造，完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，開(kāi)發(fā)工業(yè)軟件。

　　和法洋簡(jiǎn)介：1984年生，2018年博士畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)，師從石照耀教授，高級(jí)工程師。中國(guó)通用機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)減變速機(jī)分會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)委員，《機(jī)械傳動(dòng)》編委會(huì)青年委員。主要從事蝸桿傳動(dòng)研究，涉及嚙合理論、數(shù)控裝備、精度檢測(cè)、軟件開(kāi)發(fā)等。已獲得發(fā)明專(zhuān)利10項(xiàng)，實(shí)用新型專(zhuān)利10項(xiàng)，軟件著作權(quán)7項(xiàng)，發(fā)表論文17篇。主持上海市科創(chuàng)基金2項(xiàng)。

平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)研究進(jìn)展

和法洋 石照耀

　　平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)具有多齒嚙合、雙線接觸和潤(rùn)滑角大的特點(diǎn). 與同型號(hào)的圓柱蝸桿傳動(dòng)相比，其承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)效率高、使用壽命長(zhǎng)。根據(jù)嚙合原理，由母面包絡(luò)出蝸桿的過(guò)程稱(chēng)為第一次包絡(luò)。若母面為平面、蝸桿外形為環(huán)面，則通過(guò)第一次包絡(luò)得到的蝸桿稱(chēng)為平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿。以平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿為母面包絡(luò)出蝸輪的過(guò)程稱(chēng)為第二次包絡(luò)，得到的蝸輪稱(chēng)為平面二次包絡(luò)蝸輪。由平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿和平面二次包絡(luò)蝸輪組成的傳動(dòng)形式就稱(chēng)為平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)。本文從設(shè)計(jì)技術(shù)、制造技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)三個(gè)方面綜述了平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)50多年來(lái)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，并給出需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

　　1. 設(shè)計(jì)技術(shù)方面

　　1.1. 三維造型技術(shù)

　　平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿和平面二次包絡(luò)蝸輪的齒面均為空間復(fù)雜曲面，其三維實(shí)體建模可用于數(shù)控加工和有限元仿真分析等。早在1977年平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿和平面二次包絡(luò)蝸輪的數(shù)學(xué)模型就已經(jīng)建立起來(lái)了,但是由于成型的特殊性至今沒(méi)有嚴(yán)格的三維精確建模方法。現(xiàn)行的建模方法主要分為兩種，一種是根據(jù)嚙合原理建立齒面方程，借助Matlab等軟件求出平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿和平面二次包絡(luò)蝸輪齒面上瞬時(shí)接觸線或其他交線上的點(diǎn)，然后再導(dǎo)入三維造型軟件，通過(guò)曲面擬合生成齒面。這種方法復(fù)雜而費(fèi)時(shí)，對(duì)參數(shù)的變化不能快速響應(yīng)。而且模型齒面與理論齒面不可避免存在偏差，需要判斷兩者之間的誤差能否滿足精度要求. 另一種是直接數(shù)字化建模。該方法基于展成原理，模擬實(shí)際加工過(guò)程，進(jìn)行布爾運(yùn)算生成實(shí)體. 避免了復(fù)雜的嚙合方程的計(jì)算。但是在考慮承載變形和修形時(shí)，三維建模過(guò)程更加復(fù)雜。直接數(shù)字化建模中蝸輪和蝸桿每轉(zhuǎn)動(dòng)1次進(jìn)行切削稱(chēng)為一步，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度稱(chēng)為步長(zhǎng)。步長(zhǎng)越小，所得模型精度越高，但是數(shù)據(jù)量就越大。需要根據(jù)計(jì)算機(jī)性能和精度需求來(lái)確定合適的步長(zhǎng)。

　　1.2. 嚙合特性分析

　　在20世紀(jì)90年代以前，評(píng)價(jià)平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)宏觀接觸狀態(tài)的瞬時(shí)接觸線、齒面接觸區(qū)域、各類(lèi)界限曲線和評(píng)價(jià)微觀嚙合性能的誘導(dǎo)法曲率半徑系數(shù)、相對(duì)卷吸速度、潤(rùn)滑角的計(jì)算都已經(jīng)非常成熟。以中心距為125mm，傳動(dòng)比為40的未修形平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)為例，平面二次包絡(luò)蝸輪齒面上瞬時(shí)接觸線的分布如圖1所示。齒面存在接觸線交叉區(qū)，該區(qū)域接觸頻率較高，容易發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕，是蝸輪齒面最薄弱的地方。

圖1 未修形傳動(dòng)蝸輪

　　在載荷分布方面，未修形傳動(dòng)的接觸載荷從嚙入端到嚙出端是逐漸減小的。接觸線兩端的接觸載荷較大，其他部位分布比較均勻。最大載荷出現(xiàn)在二次接觸區(qū)靠近二界曲線附近。而隨著總載荷的加大和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增長(zhǎng)，載荷分布偏向嚙出端。接觸應(yīng)力沿接觸線呈“L”或“U”形分布。

　　1.3. 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　平面二次包絡(luò)環(huán)面?zhèn)鲃?dòng)性能分析方面的研究表明，選擇合理的參數(shù)可以提高傳動(dòng)性能。通過(guò)分析文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)在平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)中心距和傳動(dòng)比固定的情況下，先后出現(xiàn)了多種不同的參數(shù)優(yōu)化方法，在設(shè)計(jì)變量、約束條件、優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化算法等方面均有所不同。每種方式都可以取得比優(yōu)化前更好的效果，但是并不一定取得最佳的嚙合性能。考慮的因素不同得出的結(jié)論也不同，可比性較差。

　　1.4. 修形設(shè)計(jì)

　　除了對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化外，實(shí)踐表明合理的修形也可以提高平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的性能。對(duì)于平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)，修形分為兩種：一種是基于嚙合原理的修形，通過(guò)第一次包絡(luò)的部分相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)不等于第二次包絡(luò)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些參數(shù)可以是中心距、傳動(dòng)比、蝸桿與蝸輪的相對(duì)軸向位置等。這種修形方式需要對(duì)蝸桿和滾刀進(jìn)行同樣的修形，修形后的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)仍是線接觸. 另一種是失配修形，主要采取第一次包絡(luò)過(guò)程中包絡(luò)蝸桿和包絡(luò)滾刀的參數(shù)不一致或采用其他類(lèi)型的環(huán)面蝸桿來(lái)代替平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿等方式。修形后的齒面不再是線接觸。對(duì)于這兩種修形方式，很多文獻(xiàn)并沒(méi)有區(qū)分開(kāi)來(lái),并且對(duì)于修形和未修形的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)存在多種稱(chēng)謂，如表1所示。

表1 不同稱(chēng)謂

　　基于嚙合原理的修形的研究主要集中在修形類(lèi)型的選取和修形量的選擇兩個(gè)方面。根據(jù)修形后平面二次包絡(luò)蝸輪齒面是否存在二界曲線，修形傳動(dòng)可分為I型傳動(dòng)和II型傳動(dòng)。未修形、I型和II型平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的性能對(duì)比如表2所示。

表2 性能對(duì)比

　　仍以圖1所示蝸輪副參數(shù)為例，當(dāng)中心距修形量為-0.3mm時(shí)的I型傳動(dòng)和中心距修形量為0.3mm時(shí)的II型傳動(dòng)蝸輪齒面瞬時(shí)接觸線的分布，分別如圖2、3所示。

圖2 I型傳動(dòng)蝸輪

圖3 Ⅱ型傳動(dòng)蝸輪

　　對(duì)于采用中心距修形的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿修形傳動(dòng)，修形量越大，其蝸輪相對(duì)于未修形傳動(dòng)蝸輪齒面的變化越大。其中I型傳動(dòng)的蝸輪齒面切深比未修形傳動(dòng)蝸輪淺;II型傳動(dòng)蝸輪齒面的切深比未修形傳動(dòng)蝸輪深。對(duì)于II型傳動(dòng)，蝸輪齒面上微觀嚙合性能較差的一界曲線總能被滾刀切除。

　　跑合試驗(yàn)表明I型傳動(dòng)的傳動(dòng)效率高于II型傳動(dòng)，溫升低于II型傳動(dòng)，但仍處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)。在保證了幾何尺寸精度和安裝精度的前提下，降低環(huán)面蝸桿副的齒面粗糙度比修形更能顯著提高膜厚比，從而實(shí)現(xiàn)完全彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑。

　　2. 制造技術(shù)方面

　　2.1. 數(shù)控加工技術(shù)

　　平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿和平面二次包絡(luò)蝸輪是實(shí)現(xiàn)平面二次包絡(luò)環(huán)面?zhèn)鲃?dòng)的基礎(chǔ)原件，它們的制造精度、質(zhì)量直接影響傳動(dòng)的效率、噪聲、運(yùn)動(dòng)精度和使用壽命。平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿齒面的加工方式可以分為三種：車(chē)削、磨削和銑削。傳統(tǒng)的加工方式是在具有回轉(zhuǎn)臺(tái)的專(zhuān)用機(jī)床上進(jìn)行的。在回轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝切刀盤(pán)即可進(jìn)行車(chē)削，安裝銑刀盤(pán)即可進(jìn)行銑削，安裝磨頭即可進(jìn)行磨削。這種機(jī)床在結(jié)構(gòu)樣式上通常為外圓磨床樣式、車(chē)床樣式或滾齒機(jī)樣式。加工時(shí)通過(guò)沿蝸桿徑向移動(dòng)回轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)調(diào)節(jié)中心距，通過(guò)配掛輪來(lái)調(diào)整傳動(dòng)比。三種樣式都存在著機(jī)床調(diào)整煩瑣、加工周期長(zhǎng)、成本高，而且加工范圍受回轉(zhuǎn)臺(tái)直徑限制的缺點(diǎn)。

　　平面二次包絡(luò)蝸輪通常采用滾刀滾切的方式加工。滾刀在齒面磨削成型后需要進(jìn)行后角鏟磨，并保留一定的刃帶寬度。由于每個(gè)刀齒兩側(cè)的刃口曲線及其上面每點(diǎn)在滾刀螺旋面上的螺旋角都不一樣，使得滾刀后角的鏟磨特別復(fù)雜和困難，目前主要還是靠手工鏟磨。滾切后的蝸輪齒面存在殘留的切削棱，如圖4所示。通過(guò)增加容屑槽數(shù)可以降低殘留切削棱的高度，如圖5所示，但是滾刀的制造難度會(huì)增加。由于采用徑向進(jìn)刀的加工方式，每顆齒所切下的銅屑也不一致，如圖6所示。刀齒的受力和磨損程度也不一致。

圖4 滾切蝸輪齒面

圖5 殘留切削棱高度

圖6 銅屑

       隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿數(shù)控車(chē)削技術(shù)、虛擬回轉(zhuǎn)中心技術(shù)、五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)、平面二次包絡(luò)蝸輪銑削技術(shù)和平面二次包絡(luò)蝸輪滾刀后角鏟磨技術(shù)五種新型的數(shù)控加工技術(shù)。2.1.1 數(shù)控車(chē)削技術(shù)

　　蝸桿毛坯裝夾在數(shù)控車(chē)床上，首先根據(jù)嚙合原理計(jì)算出蝸桿齒面上各點(diǎn)的坐標(biāo)，然后通過(guò)三軸聯(lián)動(dòng)，控制車(chē)刀頂刃的運(yùn)動(dòng)軌跡沿蝸桿齒面來(lái)進(jìn)行車(chē)削。這種加工方式下車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)必須具備三軸聯(lián)動(dòng)功能，車(chē)削效率低，精度低。近幾年又出現(xiàn)了基于普通數(shù)控車(chē)床的新型車(chē)削技術(shù)。該技術(shù)采用普通切斷刀，利用宏程序和螺紋切削功能實(shí)現(xiàn)了變導(dǎo)程環(huán)面蝸桿的快速開(kāi)齒。采用該技術(shù)可以顯著提高加工效率、降低制造成本，但是加工出來(lái)的是直廓環(huán)面蝸桿，需要進(jìn)一步磨削才能成型。在其磨削過(guò)程中仍存在著加工余量不均勻的現(xiàn)象。如圖7所示，蝸桿嚙入端磨削余量大于嚙出端磨削余量，齒頂磨削余量大于齒根磨削余量。

圖7 磨削余量

        2.1.2 虛擬回轉(zhuǎn)中心技術(shù)

　　虛擬回轉(zhuǎn)中心技術(shù)主要用于平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿齒面的磨削。采用該技術(shù)的機(jī)床床身結(jié)構(gòu)為車(chē)床樣式或外圓磨床樣式。以車(chē)床樣式為例，開(kāi)齒后的環(huán)面蝸桿安裝在主軸上，雙層工作臺(tái)上安裝了回轉(zhuǎn)臺(tái)，回轉(zhuǎn)臺(tái)上又安裝有磨頭。雙層工作臺(tái)沿X向和Z向進(jìn)行圓插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)回轉(zhuǎn)臺(tái)做平移，與此同時(shí)回轉(zhuǎn)臺(tái)沿B軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，蝸桿繞C軸也轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度進(jìn)行四軸聯(lián)動(dòng)。四聯(lián)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)關(guān)系為圓插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度等于回轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與回轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的比值為傳動(dòng)比。此外磨削過(guò)程中通過(guò)控制插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的半徑，來(lái)保證砂輪磨削平面始終與虛擬的主基圓相切，砂輪回轉(zhuǎn)邊緣始終與蝸桿齒根相切。這樣就實(shí)現(xiàn)了平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿齒面的磨削。采用虛擬回轉(zhuǎn)中心技術(shù)的機(jī)床取消了中心距調(diào)整機(jī)構(gòu)和主基圓半徑調(diào)整機(jī)構(gòu)，而且與傳統(tǒng)的加工方式相比其回轉(zhuǎn)臺(tái)尺寸縮小了很多，增大了機(jī)床的加工范圍，機(jī)床操作也簡(jiǎn)單。但是聯(lián)動(dòng)軸數(shù)多，對(duì)機(jī)床的精度要求高。

圖8 虛擬回轉(zhuǎn)中心磨削示意圖

　　虛擬回轉(zhuǎn)中心技術(shù)的出現(xiàn)也推動(dòng)了平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿車(chē)削和銑削技術(shù)的發(fā)展。將磨頭更換為車(chē)刀就可以進(jìn)行平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿的粗車(chē)，更換為銑刀盤(pán)就可以進(jìn)行快速銑削。

　　2.1.3 五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)

       平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿齒面為可展直紋面，因此就可以在五軸聯(lián)動(dòng)加工中心上進(jìn)行側(cè)銑加工。首先通過(guò)計(jì)算得到蝸桿齒面上瞬時(shí)接觸線的方程，然后控制側(cè)銑刀刀具路徑就可以進(jìn)行銑削加工。粗加工的側(cè)銑刀具路徑通過(guò)瞬時(shí)接觸線沿齒面法向偏置粗加工余量的距離產(chǎn)生，精加工的路徑是由刀具側(cè)刃完全與瞬時(shí)接觸線重合而產(chǎn)生。該技術(shù)解決了精加工時(shí)加工余量不均勻的問(wèn)題，提高了精加工效率和精度。

       2.1.4 平面二次包絡(luò)蝸輪銑削技術(shù)

　　加工大型、單件或小批量的平面二次包絡(luò)蝸輪時(shí)滾刀的制造成本比較高，故適合對(duì)蝸輪進(jìn)行數(shù)控銑削加工。數(shù)控銑削技術(shù)的基本思路是建立平面二次包絡(luò)蝸輪的模型之后，依據(jù)模型對(duì)加工路徑進(jìn)行規(guī)劃，然后在數(shù)控機(jī)床上使用普通刀具對(duì)毛坯進(jìn)行數(shù)控切削。作者在配備第四軸的立式加工中心上對(duì)II型傳動(dòng)蝸輪進(jìn)行了銑削加工。滾切和銑削后的蝸輪對(duì)比如圖9所示，左側(cè)為滾切得到的蝸輪。通過(guò)比可以發(fā)現(xiàn)，銑削的蝸輪齒面不再存在切削棱，而且可以定量切除一界曲線及其附近區(qū)域。銑削的蝸輪跑合半小時(shí)內(nèi)傳動(dòng)性能即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖9 滾切與銑削蝸輪對(duì)比

        2.1.5 平面二次包絡(luò)蝸輪滾刀后角數(shù)控鏟磨技術(shù)

       平面二次包絡(luò)蝸輪滾刀后角的鏟磨一直是制約平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)推廣應(yīng)用的難點(diǎn)之一。 采用虛擬回轉(zhuǎn)中心技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)平面二次包絡(luò)蝸輪滾刀后角數(shù)控磨削。在采用虛擬回轉(zhuǎn)中心技術(shù)的環(huán)面蝸桿磨床上，通過(guò)控制4個(gè)軸的相對(duì)位置，使砂輪磨削平面的法矢量始終與刀齒后刀面在刃帶線處的法矢量平行以保證后角角度，砂輪磨削平面始終與刃帶線上的點(diǎn)相接觸以保證磨削滿足刃帶寬度的要求，且使砂輪回轉(zhuǎn)邊緣始終與滾刀齒根相切，以限定砂輪的位置，防止漏切或干涉。數(shù)控鏟磨試驗(yàn)得到的滾刀如圖10所示。由于平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿齒面磨削設(shè)備的砂輪半徑比較大，當(dāng)滾刀容屑槽數(shù)大于4或螺旋角比較大時(shí)，后角鏟磨就會(huì)存在干涉現(xiàn)象。此時(shí)就需要對(duì)加工設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑旎虿捎眯碌募夹g(shù)手段。

圖10 平面二次包絡(luò)蝸輪滾刀

　　螺旋槽前刀面可以改善刀齒分度環(huán)面上各點(diǎn)處的前角，但是齒頂和齒根處的前角依然無(wú)法均衡。采用變速比的加工方法則可以使得每排刀齒左右兩側(cè)的前角都近似為0°，從而改善切削條件。對(duì)于裝配式平面二次包絡(luò)蝸輪滾刀還可以通過(guò)對(duì)刀片進(jìn)行前期的加工成型來(lái)避免后期的后角鏟磨。

　　2.2. 制造技術(shù)對(duì)比分析

　　對(duì)平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿的五種制造技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。 通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，先采用數(shù)控車(chē)削技術(shù)進(jìn)行粗車(chē)粗車(chē)，然后采用虛擬回轉(zhuǎn)中心技術(shù)進(jìn)行精磨是較經(jīng)濟(jì)的一種加工方式。

表3 蝸桿加工方式對(duì)比

      平面二次包絡(luò)蝸輪的加工可以分為如表4所示的飛刀、滾刀、剃齒刀、銑刀和研輪共五種方式，不同方式的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合如表4所示。

表4 蝸輪加工方式對(duì)比

      通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)滾刀滾切仍然是批量制造下平面二次包絡(luò)蝸輪最經(jīng)濟(jì)的加工方式，這也是目前制造企業(yè)普遍使用的一種方式。當(dāng)小批量時(shí)更適合采用數(shù)控銑削加工。

　　2.3. 蝸輪副裝配技術(shù)

　　受制造誤差和安裝誤差的影響，平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿和平面二次包絡(luò)蝸輪裝配后需要根據(jù)齒面接觸情況來(lái)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。研究發(fā)現(xiàn)中心距、蝸輪喉平面、蝸桿喉平面和軸交角誤差共4項(xiàng)安裝誤差導(dǎo)致的接觸區(qū)和傳動(dòng)誤差曲線的變化規(guī)律是不一致的。結(jié)合接觸分布規(guī)律，當(dāng)蝸桿副安裝階段接觸斑點(diǎn)不符合設(shè)計(jì)要求時(shí)調(diào)整蝸桿副的相對(duì)位置可以改善接觸斑點(diǎn)分布。在蝸桿的制造階段，應(yīng)控制誤差曲線的走向，在滿足精度要求的情況下使蝸桿入口齒頂偏低。在設(shè)計(jì)階段則需要控制蝸桿加工中心距的公差使其為正值，主基圓直徑的公差也為正值，從而降低安裝誤差造成的潛在影響。

　　2.4. 潤(rùn)滑油

　　平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)比同型號(hào)的圓柱蝸桿傳動(dòng)對(duì)潤(rùn)滑油的性能要求高. 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相對(duì)于聚α-烯烴合成油，采用聚乙二醇合成油時(shí)其傳動(dòng)效率會(huì)提高4.5%左右，溫升降低150C。采用礦物油時(shí)其傳動(dòng)效率則會(huì)降低10%左右，溫升提高580C以上。長(zhǎng)期連續(xù)工作的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿減速器采用聚乙二醇合成油性能更佳，礦物油僅適用于非連續(xù)工作且負(fù)載較低的場(chǎng)合，當(dāng)采取散熱措施后可以使用聚α-烯烴合成油。

　　3. 測(cè)量技術(shù)方面

　　平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿沿蝸桿軸向不同位置的齒形、齒距、齒厚各不相等，制造誤差的檢測(cè)比較復(fù)雜，這一問(wèn)題始終限制著行業(yè)的發(fā)展。近年來(lái)在平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿及平面二次包絡(luò)蝸輪滾刀的誤差測(cè)量以及平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸輪副的誤差測(cè)量方面也取得了一系列的進(jìn)展。

　　3.1. 蝸桿及滾刀誤差測(cè)量

　　坐標(biāo)測(cè)量法具有通用性強(qiáng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高的特點(diǎn)，適合于平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿齒面精度的測(cè)量。這種測(cè)量方式可以在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、齒輪測(cè)量中心或?qū)Ｓ玫臏y(cè)量?jī)x上進(jìn)行。相對(duì)于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，齒輪測(cè)量中心和專(zhuān)用測(cè)量?jī)x的測(cè)量效率高，更適合于平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿的測(cè)量。北京工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿和平面二次包絡(luò)蝸輪滾刀誤差的測(cè)量問(wèn)題，研制了如圖11所示的環(huán)面蝸桿和滾刀檢測(cè)儀。該檢測(cè)儀為臥式結(jié)構(gòu)，機(jī)械系統(tǒng)主要包括徑向(X軸)、軸向(Z軸)、豎直方向(Y軸)3個(gè)方向的移動(dòng)軸和一個(gè)回轉(zhuǎn)軸軸。該儀器以電子展成法為基礎(chǔ)。測(cè)量時(shí)首先沿豎直方向(Y軸)移動(dòng)測(cè)頭，使其在過(guò)蝸桿軸線的水平面內(nèi)。然后控制測(cè)頭沿X、Z軸移動(dòng)，同時(shí)蝸桿沿軸轉(zhuǎn)動(dòng)。利用測(cè)量軟件再對(duì)光柵尺和測(cè)頭采集的數(shù)據(jù)分析處理就實(shí)現(xiàn)了對(duì)齒面誤差的測(cè)量。該儀器可以檢測(cè)平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿的螺旋線誤差、對(duì)稱(chēng)軸截面喉部齒形誤差、分度誤差和拓?fù)湔`差，平面二次包絡(luò)蝸輪滾刀的螺旋線誤差、刃口齒形誤差和容屑槽周節(jié)誤差。通過(guò)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)平面二次包絡(luò)蝸輪齒面誤差的測(cè)量。該儀器投入生產(chǎn)應(yīng)用8年多來(lái)有效解決了齒面精度的測(cè)量問(wèn)題。

圖11 環(huán)面蝸桿和滾刀測(cè)量?jī)x

        進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)中心距、傳動(dòng)比、母平面傾角、主基圓直徑和喉平面位置五項(xiàng)工藝系統(tǒng)參數(shù)誤差導(dǎo)致的環(huán)面蝸桿齒面拓?fù)湔`差的變化規(guī)律是不一致的，而且五項(xiàng)工藝系統(tǒng)參數(shù)誤差導(dǎo)致的蝸桿分度螺旋線和軸對(duì)稱(chēng)截面喉部齒廓誤差的變化規(guī)律可以來(lái)表征整個(gè)齒面的變化?；诃h(huán)面蝸桿和滾刀檢測(cè)儀的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)誤差溯源，得出了需要調(diào)整的工藝系統(tǒng)參數(shù)的數(shù)值。將其輸入到采用虛擬回轉(zhuǎn)中心技術(shù)的數(shù)控磨床中進(jìn)行誤差反調(diào)，使平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿的螺旋形誤差和軸向齒形誤差達(dá)到了6級(jí)精度，并實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)。最終試驗(yàn)用平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿減速器的傳動(dòng)效率比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)高了近7個(gè)百分點(diǎn)。

　　3.2. 蝸輪副誤差測(cè)量

　　20世紀(jì)90年代研制的二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副測(cè)量?jī)x采用平面測(cè)頭測(cè)量平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿的切向綜合誤差。近年國(guó)內(nèi)個(gè)別廠家也研制了一種環(huán)面蝸輪副檢測(cè)設(shè)備。通過(guò)分析蝸輪和蝸桿的轉(zhuǎn)角的位置關(guān)系來(lái)測(cè)量環(huán)面蝸輪副的切向綜合誤差和一齒切向綜合誤差。此外利用沿蝸桿徑向移動(dòng)的滑臺(tái)上的光柵尺來(lái)測(cè)量蝸輪副的中心距誤差，給蝸輪副涂色后查看其接觸斑點(diǎn)的分布。

　　4. 需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題

　　20世紀(jì)90年代研制的二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副測(cè)量?jī)x采用平面測(cè)頭測(cè)量平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿的切向綜合誤差。近年國(guó)內(nèi)個(gè)別廠家也研制了一種環(huán)面蝸輪副檢測(cè)設(shè)備。通過(guò)分析蝸輪和蝸桿的轉(zhuǎn)角的位置關(guān)系來(lái)測(cè)量環(huán)面蝸輪副的切向綜合誤差和一齒切向綜合誤差。此外利用沿蝸桿徑向移動(dòng)的滑臺(tái)上的光柵尺來(lái)測(cè)量蝸輪副的中心距誤差，給蝸輪副涂色后查看其接觸斑點(diǎn)的分布。

　　4.1. 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系完善

　　技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)業(yè)健康、規(guī)范發(fā)展的有力保障。平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)精度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)于1996年頒布，至今已有20多年。隨著技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)年制定的精度標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)偏低，需要結(jié)合新型檢測(cè)設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行完善。目前平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)參數(shù)仍不統(tǒng)一，不同廠家生產(chǎn)的的平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿和平面二次包絡(luò)蝸輪不具備互換性，而且尚未形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。通過(guò)制定參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)可以提高全行業(yè)產(chǎn)品的互換性。此外也需制定平面二次包絡(luò)蝸輪以及滾刀和新型加工設(shè)備的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

　　4.2. 工業(yè)軟件開(kāi)發(fā)

　　經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，作者先后開(kāi)發(fā)了數(shù)控開(kāi)齒宏程序、虛擬回轉(zhuǎn)中心磨削程序，以及設(shè)計(jì)參數(shù)分析、蝸桿誤差仿真與反調(diào)修正、蝸桿副安裝誤差影響分析、蝸輪數(shù)控銑削、滾刀刀片設(shè)計(jì)等軟件，并投入生產(chǎn)應(yīng)用。雖然解決了制造過(guò)程中的難點(diǎn)問(wèn)題，但是尚未實(shí)現(xiàn)整個(gè)領(lǐng)域相關(guān)軟件的整合，也尚未真正完全實(shí)現(xiàn)閉環(huán)制造。開(kāi)發(fā)成熟的設(shè)計(jì)和制造工藝軟件，進(jìn)行知識(shí)固化，有利于技術(shù)的推廣應(yīng)用。

　　5. 結(jié)束語(yǔ)

　　1)近年來(lái)針對(duì)平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿、平面二次包絡(luò)蝸輪以及滾刀的加工制造出現(xiàn)了多種新型數(shù)控加工方式和裝備，檢測(cè)技術(shù)和儀器也有了突破, 但是技術(shù)仍不夠成熟和完善。

　　2)隨著技術(shù)的發(fā)展，平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)在完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系、開(kāi)發(fā)工業(yè)軟件后，其傳動(dòng)性能將進(jìn)一步提高，制造成本將進(jìn)一步降低。

　　3)輕量化、高效和使用壽命長(zhǎng)是國(guó)內(nèi)外齒輪行業(yè)的發(fā)展方向。平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)作為一種高性能傳動(dòng)方式，其自身的特點(diǎn)正符合這種發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，構(gòu)建集設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)于一體的閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其高效、高精制造，將極大推動(dòng)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)事業(yè)的發(fā)展。