平面二次包络环面蜗杆传动具有承载能力强、传动效率高、使用寿命长等优点,是一种高性能蜗杆传动形式。经过四十多年的发展,该传动的应用范围已经从冶金、矿山等领域扩展到工业机器人、轨道交通、装备等战略性新兴产业,但是其市场规模并没有显著扩大,推广应用主要局限在国内。这主要是由制造工艺复杂、精度控制难和安装位置调整繁琐等因素导致的。随着应用范围的迅速扩大,平面二次包络环面蜗杆减速器的制造水平和检测手段等已经无法满足生产需求,跟不上制造业的发展步伐,因此亟需加强基础理论、关键技术和关键工艺研究,通过科技创新提高竞争力。本文主要研究内容如下:(1)平面二次包络环面蜗杆传动啮合分析根据啮合原理和齐次坐标变换矩阵建立了平面包络环面蜗杆和平面二次包络蜗轮的理论齿面模型。对蜗杆和蜗轮分别进行网格划分,建立了特征线模型。对比分析了不同类型中心距修形导致的蜗轮宏观齿面结构和微观啮合性能的变化。通过分析滚刀切削刃的运动轨迹与理论齿面的关系,构建了修形传动蜗轮过渡区方程。发现II型传动蜗轮齿面一界曲线总能被切除,与修形量大小无关。以分度环面螺旋线为研究对象,系统分析了从啮入到啮出过程中润滑角、相对卷吸速度、诱导法曲率半径系数、最小油膜厚度系数和瞬时接触线总长的变化,并进一步分析了不同修形量导致的各项参数的变化,研究发现I型传动的最小油膜厚度系数大于II型传动。跑合试验表明I型传动的传动效率高于II型传动,但两种修形传动仍处于混合润滑状态。相对于修形设计,降低齿面粗糙度更能显著提高膜厚比,从而实现完全弹性流体动力润滑。(2)平面包络环面蜗杆齿面误差反调基于虚拟回转中心技术,提出了一种环面蜗杆四轴联动磨削定位方法,解决了磨削前的对刀问题。其次明晰了齿面磨削工艺系统的调整要求,以及工艺系统调整误差导致的被加工蜗杆参数的变化。进一步定性分析了按照假设参数加工得到的蜗杆齿面拓扑误差和特征线误差。研究发现分度螺旋线和轴对称截面喉部齿廓误差能够表征整个齿面的误差,通过定义特征线误差影响系数,定量分析了不同规格蜗杆的不同参数变化导致的特征线误差,探明了特征线误差和蜗杆规格参数之间的关系,并研制了一种工艺系统参数调整卡用于计算反调量。最后提出了一种齿面误差反调修正方法,根据特征线误差求解修正量后反调磨削程序参数即可降低齿面误差。(3)平面包络环面蜗杆齿厚精确控制针对平面包络环面蜗杆为变齿厚蜗杆,磨削过程中存在齿厚难以精确控制的问题,研究了两侧齿面按照理论包络关系加工后得到的蜗杆齿厚变化曲线并求解了最大齿厚,分析了最大齿厚附近的齿厚变化率以及蜗杆圆周进给角度与最大齿厚的关系,提出了一种通过控制两侧母平面夹角的位置关系来精确控制环面蜗杆齿厚的方法。(4)环面蜗杆副接触斑点调整突破齿面相切法求解接触点计算复杂的瓶颈,通过建立安装坐标系,以齿面弧长方向最短距离为零代替啮合方程作为啮合点的判断依据。通过研究中心距、蜗轮喉平面、蜗杆喉平面和轴交角误差共4项安装误差导致的接触区和传动误差曲线的变化规律,提出了一种环面蜗杆副安装位置调整方法,用于指导安装位置的调整。通过在理论、方法和技术等方面的创新,解决了修形对蜗杆副啮合性能的影响分析、蜗杆齿面精度提高、蜗杆齿厚精确控制和蜗杆副接触斑点调整等设计和制造过程中的关键问题。开发了平面二次包络环面蜗杆传动的参数分析、滚刀设计、制造误差仿真与反调修正、蜗杆副安装误差影响分析等软件,并投入生产应用。先后对30余种规格蜗杆副的啮合性能进行了分析。结合数控加工程序和误差测量软件,降低了自主改制磨床加工的环面蜗杆螺旋线误差和齿廓误差。精度等级由8级提高到6级,且误差一致性得到了保证,已实现了千余根蜗杆的批量生产。以试验用平面二次包络环面蜗杆减速器为例,通过修形设计、控制齿面精度、调整安装位置等措施使其传动效率比国家标准提高了近7个百分点。通过上述措施,为采用经济高效的技术手段制造出高性能的平面二次包络环面蜗杆减速器提供了有力支撑。