包络环面蜗杆传动的发展及现状

包络环面蜗杆传动的发展及现状

1．包络环面蜗杆传动种类及特征

包络环面蜗杆传动主要种类有：平面一次包络环面蜗杆传动；平面二次包络环面蜗杆传动；锥面二次包络环面蜗杆传动。

以直齿或斜齿平面蜗轮为产形轮而展成包络环面蜗杆称为平面包络环面蜗杆,这些特定齿面的蜗轮可以和它们各自的包络环面蜗杆组成蜗杆传动，称为平面一次包络环面蜗杆传动。直齿平面蜗杆传动是由美国格里森公司wildharber于1922年发明的，用于大传动比场合（i≥40）；斜齿平面蜗杆传动是由日本左藤于1952年发明的，适用于中、小传动比（i=10--40）。该平面包络蜗杆的形成过程称为第一次包络，如果以此包络环面蜗杆为产形轮再展成一个蜗轮，其过程称为第二次包络，平面包络环面蜗杆与由它展成的蜗轮构成的传动，称为平面二次包络环面蜗杆传动（即SG-71型蜗杆传动）。平面二次包络环面蜗杆传动主要特征是：同时接触齿数多；蜗杆齿面可淬硬磨削；齿面接触面积较大，并有瞬时双线接触，接触线总长度长；综合曲率半径大，接触应力小；啮合润滑角大，啮合中容易形成动压油膜。

由于平面二次包络蜗杆传动具有上述特点，因此，该传动型式自上世纪70年代在我国首钢诞生以来，很快在全国各行各业中被推广，现已大量应用于冶金、船舶、采矿、建筑、能源、军工、化工等各行业中。

在多头小速比的场合，平面包络环面蜗杆会产生蜗杆齿面根切和边齿齿顶变尖，蜗杆头数越多越严重。因此，一般速比不能小于10，按正常情况只能做到4个头。

锥面二次包络环面蜗杆传动（即SG-85型蜗杆传动）既具有平面包络环面蜗杆可以淬硬磨削、制造工艺较易实现的特点，又可避免蜗杆边齿齿顶变尖和根切。一般蜗杆头数Z1=1-4时，制成平面包络环面蜗杆传动，而当蜗杆头数Z1>4时则制成锥面包络环面蜗杆传动。

2、包络环面蜗杆传动的发展及现状

上世纪50年代末开始，首钢在新建项目上，装备有各种规格的法向直廓环面蜗杆传动。由于普通圆柱蜗杆寿命短、承载能力低；法向直廓环面蜗杆国内生产困难，直接影响了钢铁生产的连续性。为解决这一难题，从1963年开始，首钢机械厂与原一机部机械科学院合作，于当年研制出中心距250mm的第一套直齿平面蜗杆副，用于首钢焦化厂配煤机上；第二年又合作制造出中心距540mm，传动比45的大型直齿平面蜗杆减速器，用于首钢炼钢厂30吨转炉倾动机构，取代了性能难以过关的法向直廓环面蜗杆传动。这台减速器从1965年开始使用，钢水容量从30吨扩大到48吨，后因箱体等各部件老化拆下，共用24年。

1970年--1971年首钢机械厂张德华同志等在总结研制直齿平面蜗杆传动经验基础上先后解决了两项关键问题，一是利用旧皮带车床改装出一台能加工最大中心距250mm的环面蜗杆专用机床，二是设计制造出蜗杆专用磨头。这两项关键设备与工装是运用平面包络技术研

制新型传动的基本条件，缺一不可。1971年，在制造斜齿平面蜗轮传动的基础上，创造了我国第一套平面二次包络环面蜗杆传动。重庆大学张光辉教授1974年底到首钢调研，了解到首钢平面包络蜗杆制造状况后，向冶金部做了专题汇报。

冶金部组织对该项目进行理论研究、鉴定和推广工作；1975年命名该传动为“平面二次包络环面蜗杆传动”。1979年国家科委颁发“二等发明奖”。1985年首钢研制成功锥面包络环面蜗杆传动磨削装置，成功解决多头小速比环面蜗杆传动的制造难题，锥面二次包络环面蜗杆传动获北京市科技进步奖。

平面二次包络蜗杆传动发明人张德华高级工程师在总结平面二次包络环面蜗杆和单锥面包络环面蜗杆加工的基础上，于2002年成功研制出双锥蜗杆磨头，该装置磨削锥面包络环面蜗杆无需翻转磨头，即可完成蜗杆两侧齿面磨削，加工效率高，精度高。双锥面包络环面蜗杆可替代平面包络环面蜗杆和单锥面包络环面蜗杆，适用于蜗杆头数1-12的环面蜗杆磨削加工。

平面包络环面蜗杆传动在我国问世以后，受到各方面的重视，许多高等院校科研单位、工矿企业开展了对这种传动的研究、实验及推广工作，取得了很多成果。目前，包络环面蜗杆传动生产单位，除首钢发明和较早就生产外，已具备生产能力的厂家有近30家。其中，山东省德州市金宇机械有限公司在包络环面蜗杆生产方面，经过10余年发展，目前有GJK75和GJK50数控环面蜗杆专机各两台，WC450普通环面蜗杆专机12台。2014年金宇公司与德州一家机床公司合作，

成功研制出4台WK450专用数控蜗杆磨床。该公司目前正在研制中心距1200的大型蜗杆专用机床，投入生产后，该公司可加工中心距a=80－1200mm，传动比i=4－100的各种包络环面蜗杆传动装置。是国内包络环面蜗杆传动制造能力最强的专业厂家。金宇公司在圆弧齿圆柱蜗杆传动方面，也具备较强的生产能力。2014年金宇公司添置了台湾陆联数控蜗杆磨床，可用于高精度ZA、ZN、ZI、ZK、ZC型齿形的圆柱蜗杆磨削加工，还可磨削双导程蜗杆，蜗杆加工精度可达4级。金宇公司2016年研制成功大型数控蜗杆磨床，可磨削大型ZC、ZK圆柱蜗杆。最大磨削直径500mm，最大模数36mm，工件最大长度3000。天津华盛昌齿轮公司90年代与德国克林贝格公司合作研制的HNC35TP九轴数控包络蜗杆磨床，可磨削精度5级平面包络环面蜗杆，该机床可磨削中心距最大为500mm。

我国包络蜗杆传动年产量已达30000台套以上。近年来，中心距710、800、900mm等大型环面蜗杆传动在轧机上得到广泛采用，全部实现由国内生产制造这些关键零部件。从1978年开始，国内主要生产的轮胎定型硫化机全部使用了平面二次包络蜗杆减速器，现行标准为《轮胎定型硫化机用平面二次包络环面蜗杆减速机系列与基本参数》（HG/T2738-95），目前年产量2500台以上。建筑电梯减速机采用平面二次包络蜗杆后，效率、承载能力大幅提高，目前年生产10000台以上。

包络环面蜗杆专用机床，已从包络产品发明之初由首钢自行研制，到由专业生产蜗杆机床的机床厂制造；从普通环面蜗杆专用机床，

发展为数控环面蜗杆专用机床；从粗、精加工于一体的机床，向粗、精加工分开的专用机床发展。宝鸡广环机床有限公司是包络环面蜗杆专用机床主要制造商，该公司机床主要有500、750、1000三个系列。每个系列包括数控环面蜗杆机床和数控环面蜗杆磨床两种产品，前者可用于蜗杆螺旋粗车和7级精度蜗杆螺旋磨齿；后者用于5级精度蜗杆磨齿。该公司十年来已生产近30台各种规格的数控环面蜗杆专用机床。由于数控机床的推广普及，加快了我国包络环面蜗杆传动的普及。

在产品标准方面，现行标准主要有《平面包络环面蜗杆减速机》（JB/T9051-2010）国家行业标准。《平面二次包络环面蜗杆传动术语》（GB/T16442-1996）、《平面二次包络环面蜗杆几何要素代号》(GB/T16443-1996)、《平面二次包络环面蜗杆减速器》（GB/T16444-2008）、《平面二次包络环面蜗杆传动精度》国家标准。

3、包络蜗杆传动理论研究进展

在冶金部组织力量对平面二次包络环面蜗杆传动进行理论研究的时候，我国学术界为这次研究奠定了坚实的理论基础，特别是我国著名数学家南开大学吴大任教授领导的齿轮啮合理论研究组的一系列论文，在国内产生了具大影响，我国关于平面包络环面蜗杆传动理论研究是很深入、丰富的。冶金工业出版社1983年出版《空间啮合原理及SG-71型蜗轮副》（沈蕴方容尔谦李寅年冯德坤编著）；机械工业出版社1987年出版《蜗杆传动设计》下册（齐麟张亚雄黎上威董学朱胡松春编著）；机械工业出版社2004年出版