一种平面二次包络环面蜗轮蜗杆及其制造方法

本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种平面二次包络环面蜗轮蜗杆及其制造方法。

背景技术：

蜗轮蜗杆传动方式被广泛应用，蜗轮和蜗杆均通过转轴、轴承等安装在机体上，蜗杆外侧加工有螺旋齿，蜗轮周边加工有与螺旋齿相配的蜗轮齿，驱动装置带动蜗杆转动，通过螺旋齿带动蜗轮转动，达到传递动力的目的。由于蜗轮蜗杆传动摩擦力较大，磨损严重，运行一定时间后螺旋齿与蜗轮齿之间会产生较大间隙，目前使用的蜗轮蜗杆结构无法调整上述间隙，使传动精度下降，噪声增大，运行不平稳。

在蜗杆传动中相比于圆柱蜗杆传动，平面二次包络蜗杆传动：在传动时候接触齿数多，使每一接触点的载荷较小，传动时润滑条件好，齿面接触应力小。所以环面蜗杆传动的承载力大，传动效率高。目前国内对于环面蜗杆的磨削加工的原理靠调整机床回转工作台的距离来适应不同中心距离的蜗杆，使得机床运动层面多，对机床的精度有更高的要求，传统的包络法加工蜗杆在精度上存在无法解决的缺陷，主要表现为：蜗杆齿形加工不均匀，经常会出现各种缺陷且加工效率不高。

cn104139219a公开了一种平面包络环面蜗杆五轴联动砂轮磨削加工方法，采用的加工机床是五轴联动数控机床，按照平面包络环面蜗杆的成型原理，通过机床五轴联动，使得砂轮磨削平面与虚拟齿轮的齿面重合，并绕虚拟齿轮旋转轴线旋转，同时工件蜗杆绕自身轴线旋转，两者的旋转速度和方向通过蜗杆副的旋向和传动比确定，虚拟齿轮轴线与工件蜗杆轴线距离等于蜗杆副中心距，从而利用砂轮平面包络磨削出平面包络环面蜗杆齿面。该发明第一次将五轴联动加工技术应用于平面包络环面蜗杆的磨削加工中，利用五轴加工机床的柔性和精密性，可大幅度提高平面包络环面蜗杆的磨削范围和磨削精度。但是该技术方案对磨削精度提高的幅度不能回收其投入的成本，例如复杂的计算过程和冗长的加工时间。

cn104625663a公开了一种平面二次包络蜗杆加工方法，首先根据零件材料和结构选择合适的侧铣刀具，随后根据选择的侧铣刀具确定侧铣工艺参数，接着五轴联动粗加工蜗杆，然后对粗加工后的蜗杆进行淬火热处理，最后五轴联动精加工蜗杆，其创新点在于：所述五轴联动粗加工蜗杆之后增加五轴联动半精加工蜗杆步骤，形成三级加工方法。该发明公开的平面二次包络蜗杆加工方法，解决了现有技术中改装机床加工精度较差，加工时间太长的难题，产品精度大大的提高，减少了装配的工时，提高了蜗杆承载力，使之传动效率得到大大提高，同时也提高锁紧块的使用寿命。但是该技术方案也不能解决运行一定时间后螺旋齿与蜗轮齿之间产生的较大间隙而造成的传动精度下降，噪声增大，运行不平稳的问题。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种平面二次包络环面蜗轮蜗杆及其制造方法，在新型制造方法中通过特定公式更精确的计算出制造时的工艺参数，以使得精确加工而成的蜗轮蜗杆可以消除其正反转过程中的齿侧间隙并极大程度提高蜗轮蜗杆承载能力。通过本发明的制造方法所制成的蜗轮蜗杆可以应用于石油装备、钻机、压裂装备、高压钻井泵等石油装备中，解决大功率高压石油装备的传动问题。在大扭矩、高精度等领域也有巨大的应用前景。

本发明公开了一种平面二次包络环面蜗轮蜗杆的制造方法，其至少包括如下步骤：蜗杆制造步骤、滚刀制造步骤及蜗轮制造步骤。

制造方法至少包括如下步骤：

s1、蜗杆制造步骤：将蜗杆至少分为左半段蜗杆和右半段蜗杆进行分段制造，分别基于相应的母面经过共轭运动包络形成各自的左蜗杆齿面和右蜗杆齿面；

s2、滚刀制造步骤：根据蜗杆切分的数量确定滚刀的制造数量，滚刀至少包括第一滚刀与第二滚刀，其中，第一滚刀的工艺参数根据左蜗杆齿面的设计结构而确定，第二滚刀的工艺参数根据右蜗杆齿面的设计结构而确定；

s3、蜗轮制造步骤：利用制得的第一滚刀和第二滚刀分别对蜗轮的蜗轮左齿面和蜗轮右齿面进行磨削。

平面二次包络环面蜗轮蜗杆由上述步骤制成的蜗轮与蜗杆相互啮合而成。左半段蜗杆的左蜗杆齿面啮合于蜗轮左齿面，右半段蜗杆的右蜗杆齿面啮合于蜗轮右齿面，从而可以完全消除平面二次包络环面蜗轮蜗杆正反转过程中的齿侧间隙。

该技术方案的优点在于：相比于普通圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动能够同时接触更多的蜗轮齿数，以实现多齿接触和双线接触；接触线和相对滑动速度方向之间的夹角接近90°，易于形成润滑油膜；相啮合齿面间综合曲率半径较大，承载能力更强。而相比于直线环面蜗杆传动，包络环面蜗杆传动可以用平面或简单曲面代替直母线作为蜗杆螺旋面的母面，按包络法展成蜗杆螺旋面，以克服直线环面蜗杆难于精确磨削的缺点。而通过包络蜗杆的基本参数作为制造蜗轮滚刀的参数，并按共轭运动重新包络出蜗轮与原包络蜗杆组成的平面二次包络环面蜗杆传动还可以解决平面一次包络环面蜗杆传动的蜗轮不能包围蜗杆，以使得承载能力较低的问题，其在工作时可实现双线接触，以使得承载能力和传动精度均较高。而该技术方案采用的双反侧包络方法是基于彼此不同的两个母面分别进行的两次包络运动而形成蜗轮与蜗杆的齿面，两者相互啮合的匹配度更高，齿侧间隙更小甚至可以趋近于零，以使得承载能力和传动精度进一步增强。蜗杆采用分段加工再组合的形式构成，以使得不同分段的蜗杆能够通过不同的磨具进行加工以获得不同齿形结构的蜗杆齿。分段加工的方法是基于蜗杆的顺时针转动和逆时针转动的独立考虑，顺时针转动所采用的驱动齿不同于逆时针转动所采用的驱动齿，在实际使用场合中，经常会出现某个方向的旋转驱动明显多于另一个方向的旋转驱动，以使得蜗杆的一侧蜗杆齿面会比另一侧齿面的磨损量更大，通过蜗杆的分段组合，使得其中任意一个半段的蜗杆出现过度磨损或损坏时能够便于修理或更换。采用本设计后，备件数量得到极大地降低。同时，在蜗杆的分段加工时，可以根据蜗杆的实际工作过程，对两个半段的蜗杆选用不同硬度的材料通过不同热处理方法加工而成，其中，对磨损量更高的其中一个半段蜗杆采用硬度更高的材料以对应的热处理方式制成。蜗杆的两个半段分别在可选材料中选择适宜的材料并通过对应的热处理方式加工而成，通过排列组合的方式可以形成若干种不同硬度的组合式蜗杆以适应于不同的实际情况。可选地，蜗杆的材料牌号可包括45、40cr、40crni、35simn、42simn、37simn2mov、38simnmo、20cr、20crv、18crmnti、20crmnti、12crni3a、20mnvb、20simnvb、38crmnti和35crmo等。可选地，蜗杆的热处理方式可包括表面淬火、渗碳淬火和调制等。

蜗杆在制造前根据左半段蜗杆和右半段蜗杆各自的设计结构经过特定公式提前计算以确定对应的工艺参数，并可以保证至少在啮合间隙处以两个蜗杆齿面的齿顶倒角相互配合的形式构成蜗杆的螺旋线。蜗杆制造步骤可包括如下分步骤：

s1.1、分别利用第一磨具和第二磨具以相同的切入角度和/或切入深度对绕着蜗杆旋转轴线转动的左半段蜗杆和右半段蜗杆的毛坯进行磨削加工以形成各自对应的一次加工件；

s1.2、将第一磨具沿磨具第一转动方向以小于虚拟平面齿齿轮的齿距角的角度偏移并对左半段蜗杆的一次加工件进行磨削，以使得左蜗杆齿面的右侧齿面比其左侧齿面的磨削量更大；将第二磨具沿磨具第二转动方向以小于虚拟平面齿齿轮的齿距角的角度偏移并对右半段蜗杆的一次加工件进行磨削，以使得右蜗杆齿面的左侧齿面比其右侧齿面的磨削量更大；

s1.3、通过蜗杆轴将左半段蜗杆和右半段蜗杆同轴套接以形成蜗杆。蜗杆轴可设置于左半段蜗杆和右半段蜗杆中的其中一个，而未设置蜗杆轴的另一半段蜗杆在蜗杆轴的相应位置预留有用于安装蜗杆轴的蜗杆轴孔，以使得蜗杆轴在穿过蜗杆轴孔时，左半段蜗杆与右半段蜗杆能够实现拼接。

在对蜗杆毛坯进行加工时，可进行热处理工序以提高材料的机械性能、消除残余应力和改善金属的切削加工性。针对不同的蜗杆材料及需求的蜗杆硬度等因素选择对应的热处理方法进行加工。进一步地，蜗杆的两个半段采用不同材料并需求不同硬度等参数时，可分别进行彼此不同的热处理方法以满足不同需求。

磨具在加工蜗杆时能够看作是虚拟平面齿齿轮与蜗杆的啮合，磨具在转动时的不同时刻能够对应于虚拟平面齿齿轮的不同虚拟蜗轮齿，相邻虚拟蜗轮齿之间相应位置转过的角度即为虚拟平面齿齿轮的齿距角。当磨具在绕着虚拟平面齿齿轮枢转轴线转过一个完整的齿距角时，加工出来的蜗杆的齿廓形状相同。当磨具在绕着虚拟平面齿齿轮枢转轴线转过小于一个齿距角的角度时，则能够对蜗杆进行二次加工，以使得对应的左侧齿面或右侧齿面以更大的磨削量被磨具磨削。可选地，当磨具的转动角度超出一个齿距角时，可根据转动规律通过类比确定相应结构。第一磨具和第二磨具的结构与常规砂轮有所区别，可根据相关参数进行计算设计。优选地，用于加工左半段蜗杆的第一磨具和用于加工右半段蜗杆的第二磨具结构彼此不同。

该技术方案的优点在于：普通环面蜗杆齿面形成的包络运动是以一个平面齿蜗轮的齿面为母面与蜗杆进行一定的相对运动。而该技术方案中，由于蜗杆采用分段式加工，以使得左半段蜗杆与右半段蜗杆分别以彼此不同的两个平面齿蜗轮的齿面为母面与蜗杆进行一定的相对运动，以分别包络出齿面结构不同的左蜗杆齿面和右蜗杆齿面。左蜗杆齿面的右侧齿面比其左侧齿面的磨削量更大，右蜗杆齿面的左侧齿面比其右侧齿面的磨削量更大，以使得在最后的蜗杆与蜗轮的啮合过程中，左半段蜗杆只与蜗轮左齿面啮合，右半段蜗杆只与蜗轮右齿面啮合，并可借助弹簧张紧装置使得齿侧间隙进一步减小直至为零，从而完全消除平面二次包络环面蜗轮蜗杆正反转过程中的齿侧间隙。分段加工的方法是基于正转/反转的独立考虑，正转所采用的驱动齿不同于反转所采用的的驱动齿，在实际使用场合中，经常会出现某个方向的旋转驱动明显多于另一个方向的旋转驱动，对于磨损后的修复或更换而言，当前蜗杆左右两个半段的设计能够带来更大的修复/更换成本优势。采用本设计后，备件数量得到极大地降低。

左半段蜗杆和右半段蜗杆在加工过程中，左半段蜗杆绕蜗杆旋转轴线转动的蜗杆第一转动方向与右半段蜗杆绕蜗杆旋转轴线转动的蜗杆第二转动方向相反。第一磨具绕虚拟平面齿齿轮枢转轴线转动的磨具第一转动方向与第二磨具绕虚拟平面齿齿轮枢转轴线转动的磨具第二转动方向相反。磨具的转动在一定程度上可以看作是虚拟平面齿齿轮绕着虚拟平面齿齿轮枢转轴线相对于蜗杆的运动，这是由于磨具和虚拟平面齿齿轮都能够与相同转速的蜗杆啮合，以使得磨具在转动中的其中一个方向为绕着虚拟平面齿齿轮枢转轴线的转动。同时，磨具不同于虚拟平面齿齿轮之处在于，磨具还能够绕着自身的磨具旋转轴线高速转动，以实现对蜗杆的磨削。因此，磨具在对蜗杆进行磨削过程中，既能够绕着虚拟平面齿齿轮枢转轴线转动，也能够绕着磨具旋转轴线转动。

蜗轮在进行蜗轮左齿面加工时绕蜗轮旋转轴线转动的蜗轮第一转动方向与蜗轮在进行蜗轮右齿面加工时绕蜗轮旋转轴线转动的蜗轮第二转动方向相反。第一滚刀在加工蜗轮左齿面时绕虚拟蜗杆旋转轴线转动的滚刀第一转动方向与第二滚刀在加工蜗轮右齿面时绕虚拟蜗杆旋转轴线转动的滚刀第二转动方向。蜗轮在制造过程中利用第一滚刀与第二滚刀的更换实现蜗轮左齿面与蜗轮右齿面的依次磨削。第一滚刀和第二滚刀的安装次序能够被调换。

蜗杆加工过程中，控制蜗杆绕蜗杆旋转轴线的转速与磨具绕虚拟平面齿齿轮枢转轴线的转速之比等于预设的传动比。蜗轮加工过程中，控制蜗轮绕蜗轮旋转轴线的转速与滚刀绕虚拟蜗杆旋转轴线的转速之比等于预设的传动比。传动比是机构中两转动构件角速度的比值。

该技术方案的优点在于：在对蜗杆与蜗轮的齿面进行磨削加工时，不同的齿面需要加工件与被加工件以相应的旋转方向和适当的旋转速度转动，从而在相互配合的情况下完成磨削加工工艺。在进行蜗轮蜗杆加工前，可对期望获得的传动比进行预设，使得加工件与被加工件以相互匹配的速度值进行旋转磨削后，制得的蜗轮蜗杆能够满足预设的传动比。

蜗杆的轴向模数和/或轴向压力角与蜗轮的端面模数和/或端面压力角相匹配，以使得蜗杆与蜗轮正确啮合。轴向模数是轴向齿距除以圆周率所得到的商。端面模数是端面齿距除以圆周率所得到的商。轴向齿距是在蜗杆的轴平面内，两个相邻同侧齿廓之间的轴向距离。端面齿距是在蜗轮的端平面内，两个相邻同侧齿廓之间的分度圆弧长。齿廓是指齿面被一个与齿线相交的既定平面或曲面所截的截线。压力角是指不计算摩擦力的情况下，受力方向和运动方向所夹的锐角。

该技术方案的优点在于：通过轴数与压力角的匹配来判断制造的蜗轮与蜗杆匹配程度，蜗杆是对轴线方向参数的判断，蜗轮时对端面方向参数的判断。

本发明还提供了一种由上述制造方法制成的平面二次包络环面蜗轮蜗杆。平面二次包络环面蜗轮蜗杆至少包括彼此轴线异面的蜗杆和蜗轮。蜗杆至少包括同轴的左半段蜗杆和右半段蜗杆。左半段蜗杆和右半段蜗杆具有结构互不相同的齿面。当平面二次包络环面蜗轮蜗杆处于运行过程中时，左蜗杆齿面一直与蜗轮左齿面保持啮合，右蜗杆齿面一直与蜗轮右齿面保持啮合，从而完全消除平面二次包络环面蜗轮蜗杆在正反转过程中的齿侧间隙。左半段蜗杆与右半段蜗杆相向端面之间沿周向间隔设置有用于调整齿侧间隙的弹簧张紧装置，并通过蜗杆的环面结构以使得同时有若干个蜗轮的蜗齿与蜗杆的蜗道啮合，从而极大程度地提高了蜗轮蜗杆的承载能力。

该技术方案的优点在于：借助上述制造方法而制成的平面二次包络环面蜗轮蜗杆能够在运行过程中，左蜗杆齿面一直与蜗轮左齿面保持啮合，右蜗杆齿面一直与蜗轮右齿面保持啮合，以进一步地减小齿侧间隙，并可以在弹簧张紧装置的辅助作用下，完全消除平面二次包络环面蜗轮蜗杆在正反转过程中的齿侧间隙，从而可以极大程度地提高了蜗轮蜗杆的承载能力。

附图说明

图1为左蜗杆齿面磨削的加工示意图；

图2为右蜗杆齿面磨削的加工示意图；

图3为蜗轮左齿面磨削的加工示意图；

图4为蜗轮右齿面磨削的加工示意图；

图5为平面二次包络环面蜗轮蜗杆的三视图。

附图标记列表

1：平面二次包络环面蜗轮蜗杆100：蜗杆

110：左半段蜗杆111：左蜗杆齿面

120：右半段蜗杆121：右蜗杆齿面

130：蜗杆轴140：蜗杆旋转轴线

150：虚拟平面齿齿轮枢转轴线160：蜗道

170：磨具旋转轴线200：蜗轮

210：蜗轮左齿面220：蜗轮右齿面

230：蜗齿240：蜗轮旋转轴线

250：虚拟蜗杆旋转轴线300：磨具

310：第一磨具320：第二磨具

400：滚刀410：第一滚刀

420：第二滚刀500：蜗杆第一转动方向

510：蜗杆第二转动方向520：磨具第一转动方向

530：磨具第二转动方向540：蜗轮第一转动方向

550：蜗轮第二转动方向560：滚刀第一转动方向

570：滚刀第二转动方向x：第一方向的正方向

y：第二方向的正方向

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

实施例1

本发明提供了一种平面二次包络环面蜗轮蜗杆1的制造方法，其包括蜗杆100制造步骤、滚刀400制造步骤及蜗轮200制造步骤，其中，当蜗轮200是一个齿廓为直线的具有简单齿面的齿轮时，与蜗轮200对应的蜗杆100即为平面一次包络环面蜗杆传动。由平面包络形成的蜗杆齿面可以进行精确磨削,以使得不仅提高了加工精度，还可以采用硬齿面以提高承载能力。同时，可用蜗杆100的设计结构作为制造滚刀400的工艺参数，并按共轭运动重新包络出对应的蜗轮200，从而使得蜗轮200与蜗杆100组成在工作时可实现双线接触以提高承载能力和传动精度的平面二次包络环面蜗轮蜗杆1。平面二次包络环面蜗轮蜗杆1的制造方法的原理是以平面为母面通过相对圆周运动包络出环面蜗杆100的齿面，再以蜗杆100的齿面为母面通过相对运动包络出蜗轮200的齿面，以使得制得的平面二次包络环面蜗轮蜗杆1的在轴向上具有一定弧度的蜗杆100具有承载能力大、传动精度高、使用寿命长等优点。优选地，本发明所公开的平面二次包络环面蜗轮蜗杆1是由两个平面作为母面经过两次包络而形成的。

在本实施例中，平面二次包络环面蜗轮蜗杆1的制造可先根据虚拟平面齿齿轮确定蜗杆100的设计结构并进行制造，再根据蜗杆100的设计结构来加工对应的滚刀400，最后利用加工而成的滚刀400对蜗轮200进行制造以获得匹配于蜗杆100齿面的蜗轮200齿面，从而使得制造的蜗轮200与蜗杆100之间能够相互啮合而构成完整的平面二次包络环面蜗轮蜗杆1。

图1和图2为蜗杆100的分段加工示意图，其中，蜗杆100的轴向定义为第一方向，第一方向的正方向x为左半段蜗杆110指向右半段蜗杆120的方向，图1为左蜗杆齿面111磨削的加工示意图，图2为右蜗杆齿面121磨削的加工示意图。

在一优选实施方式中，进行蜗杆100制造时可将蜗杆100分为左半段蜗杆110和右半段蜗杆120以利用磨具300绕模具旋转轴线170的高速旋转进行分段加工，其中，用于加工左半段蜗杆110的称为第一磨具310和用于加工右半段蜗杆120的称为第二磨具320。优选地，磨具300采用砂轮对蜗杆100进行磨削。第一磨具310与第二磨具320可以是不同形状的砂轮。左蜗杆齿面111与右蜗杆齿面121可以分别看作是由对应的不同齿形的虚拟平面齿齿轮的齿面作为母面经过共轭运动包络形成，虚拟平面齿齿轮可包括第一虚拟平面齿齿轮和第二虚拟平面齿齿轮。在蜗杆100制造时，通过机床的联动使得砂轮的磨削平面与虚拟平面齿齿轮的齿面重合，并绕虚拟平面齿齿轮枢转轴线150转动，同时蜗杆100绕自身的蜗杆旋转轴线140转动，两者的旋转速度和方向通过平面二次包络环面蜗轮蜗杆1的旋向和传动比确定，虚拟平面齿齿轮枢转轴线150与蜗杆旋转轴线140距离等于平面二次包络环面蜗轮蜗杆1的中心距，从而利用砂轮平面包络磨削出蜗杆齿面。在使用第一磨具310加工左半段蜗杆110和使用第二磨具320加工右半段蜗杆120的两种情况下，磨具300绕虚拟平面齿齿轮枢转轴线150转动的方向和蜗杆100绕蜗杆旋转轴线140旋转的方向均相反。

在一优选实施方式中，蜗杆100制造步骤可包括如下分步骤：

s1.1、分别利用第一磨具310和第二磨具320以相同的切入角度和/或切入深度对绕着蜗杆旋转轴线140转动的左半段蜗杆110和右半段蜗杆120的毛坯进行磨削加工以形成各自对应的一次加工件；

s1.2、将第一磨具310沿磨具第一转动方向520以小于虚拟平面齿齿轮的齿距角的角度偏移并对左半段蜗杆110的一次加工件进行磨削，以使得左蜗杆齿面111的右侧齿面比其左侧齿面的磨削量更大；将第二磨具320沿磨具第二转动方向530以小于虚拟平面齿齿轮的齿距角的角度偏移并对右半段蜗杆120的一次加工件进行磨削，以使得右蜗杆齿面121的左侧齿面比其右侧齿面的磨削量更大；

s1.3、通过蜗杆轴130将左半段蜗杆110和右半段蜗杆120组合以形成蜗杆。

在一种优选实施方式中，左半段蜗杆110和右半段蜗杆120在分别加工各自的齿廓时，需要根据蜗杆头数、蜗轮齿数、蜗轮蜗杆中心距、蜗杆齿顶高、蜗杆齿根高、蜗轮齿顶高、蜗轮齿根高、截面齿型角、牙型角、调整间隙等参数通过公式计算来分别求得彼此具有不同设计结构的左半段蜗杆110和右半段蜗杆120所对应的工艺参数。进一步地，左半段蜗杆110和右半段蜗杆120的工艺参数可由如下公式推导计算得出：

根据齿轮啮合理论，齿面在啮合过程中的产生的啮合点处的公共法矢量与其相对运动速度矢量相正交，即在啮合点处，两啮合齿面沿公共法矢量方向的相对位置保持静止，则可得两齿面在啮合点处的啮合方程：

ν¹²·n＝0

其中，ν¹²是啮合位置的相对运动速度，n为啮合位置的公共法矢量。

将啮合点处的相对速度矢量投影到n轴上，即可得到该传动的啮合函数：

其中，φ为啮合函数，m1、m2、m3均为方程系数，为蜗杆起始角，δf为安装倾角，β为母平面倾角，a为中心距，i为传动比。u、v为啮合点在动坐标系中的数值。

在一优选实施方式中，在进行蜗杆100分段加工前，左半段蜗杆110和右半段蜗杆120根据设计结构基于计算公式获得的工艺参数，可以保证至少位于啮合间隙处的左半段蜗杆110和右半段蜗杆120在各自相向端面上的蜗杆齿面的齿顶倒角相互配合，从而形成蜗杆100侧面流畅的螺旋线，由此可避免设计结构不同的左半段蜗杆110和右半段蜗杆120在啮合间隙处无法匹配的情况发生。

由于左半段蜗杆110和右半段蜗杆120的工艺参数互不相同以使得左蜗杆齿面111与右蜗杆齿面121具有不同的结构，因此在进行平面二次包络环面加工时，可根据左半段蜗杆110和右半段蜗杆120不同的齿面结构制造出对应的不同结构的滚刀400。滚刀400可至少包括对应于左半段蜗杆110的第一滚刀410和对应于右半段蜗杆120的第二滚刀420，其中，第一滚刀410可用于加工蜗轮左齿面210，第二滚刀420可用于加工蜗轮右齿面220。优选地，滚刀400的类型和主要参数与蜗杆100相同，其中，滚刀400的主要参数可包括模数﹑齿形角﹑分度圆直径﹑螺旋升角和螺纹头数等。可选地，根据滚刀400的外径大小，可将滚刀400制成套装式或带柄式。

在一优选实施方式中，滚刀400制造s2可包括如下分步骤：

s2.1、根据左半段蜗杆110和右半段蜗杆120各自的设计结构，确定滚刀400中第一滚刀410和第二滚刀420的基本结构，并进行依次加工；

s2.2、根据滚刀400的基本结构，在普通磨床上用磨轮对滚刀400的毛坯加工出所需滚刀400的内孔、外圆、两个端面及所有的前刀面，并使各前刀面的前角为零度，以得到半成品滚刀；

s2.3、将滚刀400齿形按放大比例放大n倍，用线切割加工出与放大n倍后的滚刀400齿形相匹配的样板，并用加工好的标准样板去检验该样板，得到符合技术要求的合格样板；

s2.4、将上述加工好的样板安装在样板磨床上并缩小n倍，由样板磨床加工出轧辊铣刀，然后用标准样板检验该轧辊铣刀，得到符合技术要求的合格的轧辊铣刀；

s2.5、在铣床上，用上述合格的轧辊铣刀加工出退火后的轧辊，并用标准样板检验该轧辊，得到符合技术要求的合格轧辊；

s2.6、在轧辊机床上，用上述合格的轧辊挤压出金刚石磨轮的轮齿，并用标准样板检验该金刚石磨轮的轮齿，得到符合技术要求的合格金刚石磨轮的轮齿；

s2.7、在铲磨机床上，用上述加工好的金刚石磨轮的轮齿对的半成品滚刀进行铲磨，加工获得滚刀400的齿形，并用滚刀样板检验该滚刀400的齿形，获得符合加工要求的合格的滚刀400。

图3和图4均为蜗轮200的加工示意图，其中，蜗轮200的周向定义为第二方向，第二方向的正方向y为同一蜗齿230的蜗轮左齿面210指向蜗轮右齿面220的方向。图3为蜗轮左齿面210磨削的加工示意图，图4为蜗轮右齿面220磨削的加工示意图。

利用制得的第一滚刀410和第二滚刀420分别对蜗轮左齿面210和蜗轮右齿面220进行磨削，蜗轮左齿面210与蜗轮右齿面220可以分别看作是由对应的不同齿形的虚拟蜗杆100的齿面作为母面经过共轭运动包络形成，虚拟蜗杆可包括第一虚拟蜗杆和第二虚拟蜗杆。在蜗轮200制造时，通过机床的联动使得滚刀400的轴线与虚拟蜗杆旋转轴线250重合，并绕虚拟蜗杆旋转轴线250转动，同时蜗轮200绕自身的蜗轮旋转轴线240转动，两者的旋转速度和方向通过平面二次包络环面蜗轮蜗杆1的旋向和传动比确定，从而利用滚刀400包络磨削出蜗轮齿面。在使用第一滚刀410加工蜗轮左齿面210和使用第二滚刀420加工蜗轮右齿面220的两种情况下，滚刀400绕虚拟蜗杆旋转轴线250旋转的方向与蜗轮200绕蜗轮旋转轴线240旋转的方向均相反。

使用根据左半段蜗杆110的设计结构而加工成的第一滚刀410来制造蜗轮左齿面210，就是以第一虚拟平面齿齿轮的齿面为母面通过相圆周运动包络出环面的左蜗杆齿面111，再以左蜗杆齿面111为母面通过相对运动而包络出蜗轮左齿面210；使用根据右半段蜗杆120的设计结构而加工成的第二滚刀420来制造蜗轮右齿面220，就是以第二虚拟平面齿齿轮的齿面为母面通过相圆周运动包络出环面的右蜗杆齿面121，再以右蜗杆齿面121为母面通过相对运动就可包络出蜗轮右齿面220。

在一优选实施方式中，蜗轮200制造s3可包括如下分步骤：

s3.1、将第一滚刀410安装于蜗轮加工装置上，对齿坯进行滚齿一次粗加工，在完成一次粗加工后将第一滚刀410更换为第二滚刀420，以对齿坯进行滚齿二次粗加工，从而制得粗加工的蜗轮200，其中，第一滚刀410与第二滚刀420的安装顺序可以调换；

s3.2、将剃刀或珩轮用蜗杆磨床进行磨削，并将蜗轮加工装置上的第一滚刀410或第二滚刀420拆下，以更换为磨削后的剃刀或珩轮；

s3.3、对制得的粗加工的蜗轮200进行强力剃齿或强力珩齿，制得精加工的蜗轮200。

制造而成的蜗杆100的轴向模数和/或轴向压力角应当与制造而成的蜗轮200的端面模数和/或端面压力角相匹配，以使得蜗杆100与蜗轮200可以正确地通过齿面的啮合以形成完整的平面二次包络环面蜗轮蜗杆1，其中，左蜗杆齿面111啮合于蜗轮左齿面210，右蜗杆齿面121啮合于蜗轮右齿面220，用以消除平面二次包络环面蜗轮蜗杆1在正反转过程中的齿侧间隙。蜗杆100与蜗轮200在交错角吻合的情况下，蜗杆100的螺旋线旋向匹配于蜗轮200的螺旋线旋向。

实施例2

本发明还公开了一种采用实施例1中所述制造方法而制成的平面二次包络环面蜗轮蜗杆1，如图5所示为平面二次包络环面蜗轮蜗杆1的三视图。

平面二次包络环面蜗轮蜗杆1由旋转轴线彼此异面的蜗杆100与蜗轮200在模数和/或压力角匹配的情况下啮合而成。优选地，轴线异面是指蜗轮旋转轴线240与蜗杆旋转轴线140彼此为异面直线，蜗杆旋转轴线140以及蜗轮旋转轴线240不在同一面上，两者既不相交又不平行。优选地，蜗杆旋转轴线140以及蜗轮旋转轴线240彼此正交。通过该设置方式，能够减少蜗齿230与蜗道160之间的摩擦，并具有较大的传动比。蜗杆100与蜗轮200在交错角吻合的情况下，蜗杆100的螺旋线旋向匹配于蜗轮200的螺旋线旋向。蜗杆齿面是以齿廓为直线的齿轮的简单齿面作为母面通过相对圆周运动而包络形成，蜗轮齿面是以蜗杆100的齿面为母面通过相对运动而包络形成，从而形成的平面二次包络环面蜗轮蜗杆1具有承载能力大、传动精度高、使用寿命长等优点。

蜗杆100包括齿面结构不同的同轴安装的左半段蜗杆110和右半段蜗杆120，以使得左半段蜗杆110与右半段蜗杆120在各自的齿面间的蜗道160结构也不相同。蜗杆100还可包括蜗杆轴130，其中，蜗杆轴130可与左半段蜗杆110和右半段蜗杆120的其中一个一体式同轴安装，并与左半段蜗杆110和右半段蜗杆120中的另一个可拆卸地同轴安装。左半段蜗杆110与右半段蜗杆120相向端面之间沿周向间隔设置有用于调整齿侧间隙的弹簧张紧装置，齿侧间隙还可通过设置于蜗杆轴130与左半段蜗杆110或右半段蜗杆120之间的胀紧套部件进行调节。优选地，蜗杆100一般采用合金材料制作，例如40cr合金钢。

蜗轮200沿其周向间隔排列设置有若干能够与蜗杆100的蜗道160相互接合的蜗齿230，其中，所有蜗齿230的蜗轮左齿面210结构匹配于左蜗杆齿面111，所有蜗齿230的蜗轮右齿面220结构匹配于右蜗杆齿面121，且蜗轮左齿面210与蜗轮右齿面220的结构不相同。优选地，蜗轮200可以采用gcr15的合金钢，其弹性模量e＝206000mpa，泊松比μ＝0.3。

至少在弹簧张紧装置的作用下，平面二次包络环面蜗轮蜗杆1在运行过程中，左半段蜗杆110一直与蜗轮左齿面210保持啮合，以使得蜗轮200的蜗齿230进入左半段蜗杆110的蜗道160内时，贴合于蜗轮左齿面210的左蜗杆齿面111的右侧可以对蜗齿230提供向右的支撑力，同时右半段蜗杆120一直与蜗轮右齿面220保持啮合，以使得蜗轮200的蜗齿230进入右半段蜗杆120的蜗道160内时，贴合于蜗轮右齿面220的右蜗杆齿面121的左侧可以对蜗齿230提供向左的支撑力。因此，处于啮合处不同位置的蜗齿230都会受到指向于蜗杆200的两个半段彼此对接中心部位的方向上的支撑力，以使得蜗轮200的蜗齿230能够在蜗杆100的蜗道160间滑动，并完全消除平面二次包络环面蜗轮蜗杆1正反转过程中的齿侧间隙。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。