擺線偏心軸加工工藝及專用工裝設(shè)計(jì)研究

張毅鋒 龍文武 曹義東 關(guān)曉瓊

(①西安航天信控科技有限公司，陜西 西安 710076；②空裝駐武漢地區(qū)第三軍事代表室，湖北 武漢430205 ；③西安星球通智能裝備技術(shù)有限公司，陜西 西安 710076；④西安科技大學(xué)高新學(xué)院，陜西 西安 710109)

擺線減速器作為一種新型減速器，可用于火炮炮塔傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、半導(dǎo)體設(shè)備、精密包裝設(shè)備、焊接變位機(jī)、等離子切割、煙草機(jī)械、印刷機(jī)械、紡織機(jī)械、醫(yī)療器械、跟蹤天線和雷達(dá)等方面[1]。具有承載力高、結(jié)構(gòu)緊湊、具自鎖功能、剛度高、可靠性高和壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和諧波減速器的不足。國(guó)外一些先進(jìn)的擺線減速器生產(chǎn)公司的技術(shù)水平雖能滿足項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需求，但由于國(guó)外技術(shù)封鎖和我國(guó)軍工系統(tǒng)的保密性，目前市場(chǎng)上尋求不到合適的貨架產(chǎn)品，國(guó)產(chǎn)擺線減速器在傳動(dòng)比、輸出功率方面與國(guó)內(nèi)軍工產(chǎn)品實(shí)際需求存在一定的差距。

擺線偏心軸作為擺線減速器的核心零件，被稱為“擺線軌跡發(fā)生器”，決定了擺線減速器的性能，所以擺線偏心軸的加工就成為了擺線減速器的關(guān)鍵技術(shù)之一。劉松良根據(jù)切點(diǎn)跟蹤磨削法來(lái)完成減速器的偏心軸加工，并對(duì)切點(diǎn)跟蹤磨削的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)在偏心圓加工理論分析的基礎(chǔ)上對(duì)減速器偏心軸開(kāi)展試驗(yàn)研究，在GSK986 磨床數(shù)控系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)減速器偏心軸的磨削加工[2]；范晉偉等通過(guò)歸納隨動(dòng)磨削機(jī)床的誤差來(lái)源，開(kāi)發(fā)出特定的偏心軸磨床誤差補(bǔ)償技方法，提高加工偏心軸的生產(chǎn)質(zhì)量和效率提供了必要的條件[3]；張鐵濤提出毛坯選擇的外形及尺寸越接近成品和粗基準(zhǔn)選擇表面要具有一定的光潔性，避開(kāi)鍛造飛邊、分型面以及毛刺等區(qū)域，進(jìn)而確保其精準(zhǔn)性展開(kāi)了典型偏心軸的車削研究[4]；張紅梅通過(guò)對(duì)雙向偏心軸(常見(jiàn)的如公交車內(nèi)擺門上的轉(zhuǎn)臂)在車床上大批量生產(chǎn)存在的裝夾問(wèn)題的研究 ，結(jié)合產(chǎn)品零件外形，設(shè)計(jì)一種專用夾具進(jìn)行加工，以提高其生產(chǎn)效率[5]；甘彪通過(guò)對(duì)三爪自動(dòng)定心卡盤的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使卡盤具有可調(diào)心的能力，同時(shí)在卡盤中增加游標(biāo)卡尺式的刻度，實(shí)現(xiàn)了卡盤的高精度調(diào)心，實(shí)現(xiàn)不同量的偏心距，有效控制零件的偏心精度。不但可以提高偏心軸類零件的精度還可以高效率地對(duì)偏心軸類零件進(jìn)行批量加工[6]；張山山等通過(guò)分析磨削過(guò)程中砂輪架的換向慣性力沖擊引起的振動(dòng)原理，提出了砂輪架系統(tǒng)質(zhì)量增大和水平進(jìn)給速度增大都會(huì)引起慣性力沖擊導(dǎo)致振動(dòng)加大，且貫穿整個(gè)磨削過(guò)程[7]；安繼業(yè)等針對(duì)具有較高精度的偏心軸及偏心套加工問(wèn)題，采用了工藝偏心軸—工藝偏心套組合工裝，完成工藝頂尖孔的加工，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)偏心柱面的加工[8]；朱達(dá)新對(duì)偏心零件裝夾與測(cè)量方法進(jìn)行了研究，從四爪單動(dòng)卡盤、三爪自定心卡盤、雙卡盤、花盤、偏心卡盤、兩頂尖及專用夾具等方面介紹了車削偏心零件的常用裝夾方法[9]。以上文獻(xiàn)均未提及通過(guò)加工工藝，特別是關(guān)鍵加工工序通過(guò)專用工裝夾具來(lái)實(shí)現(xiàn)。為此，本文提出了合理的加工工藝，并針對(duì)關(guān)鍵工具設(shè)計(jì)裝用工裝夾具，進(jìn)行了實(shí)物加工并通過(guò)三坐標(biāo)進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果表明，按照此種加工工藝，同時(shí)在使用自主設(shè)計(jì)擺線偏心軸偏心臺(tái)階工裝輔助加工，擺線偏心軸關(guān)鍵尺寸的合格率為100%，極大程度地提高了零件合格率，既為擺線減速器性能提供了有力支撐，又為企業(yè)節(jié)省了減速器的制造成本。

1 擺線偏心軸的結(jié)構(gòu)形式及技術(shù)要求

1.1 擺線偏心軸結(jié)構(gòu)介紹

擺線偏心軸的結(jié)構(gòu)形式目前分為2種，一種是2層偏心臺(tái)階，另外一種是3層偏心臺(tái)階。采用2層偏心臺(tái)階的偏心軸時(shí)，2層偏心臺(tái)階的夾角為180°，在擺線減速器運(yùn)行過(guò)程中同時(shí)在0°和180°這2個(gè)點(diǎn)嚙合，這也是目前最為常用的一種擺線偏心軸。3層偏心臺(tái)階的偏心軸可以使輸入軸達(dá)到靜平衡和提高承載能力，對(duì)于擺線針輪行星傳動(dòng)，可采用3個(gè)完全相同的擺線齒形行星輪均勻布置在偏心軸上[10]，它們之間相隔120°，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中形成擺線減速器擺線齒輪相位圖。也就是說(shuō)擺線偏心軸直接決定了擺線齒輪的運(yùn)動(dòng)軌跡，擺線減速器擺線齒輪相位圖見(jiàn)圖1。

典型擺線偏心軸三維結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2所示，主要分布有聯(lián)接花鍵、偏心軸支撐軸承安裝面及偏心臺(tái)階面等關(guān)鍵特征，本文主要以3層偏心臺(tái)階的擺線偏心軸作為研究對(duì)象。

1.2 擺線偏心軸的技術(shù)要求

根據(jù)擺線減速器實(shí)際技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行仿真分析計(jì)算，確定了擺線偏心軸的具體尺寸及形位公差要求，形成擺線偏心軸的工程圖紙，擺線減速器偏心軸的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)零件工程圖，如圖3所示。

2 擺線偏心軸工藝分析

2.1 擺線偏心軸尺寸工藝性分析

2.2 擺線偏心軸熱處理工藝性分析

GCr15軸承鋼，是一種合金含量較少、具有良好性能和廣泛應(yīng)用的高碳鉻軸承鋼[11]。經(jīng)過(guò)淬火加回火后具有高而均勻的硬度、良好的耐磨性、高的接觸疲勞性能和較便宜的價(jià)格[12]。軸承鋼調(diào)質(zhì)處理，是為了讓材料達(dá)到更高的韌性，GCr15軸承鋼的調(diào)質(zhì)處理工藝為有2種方式。第一，材料淬火出來(lái)后可以直接進(jìn)行回火調(diào)質(zhì)處理；第二，回火保溫2 h后再次回火調(diào)質(zhì)處理，需要根據(jù)材料淬火出來(lái)后的硬度值范圍適當(dāng)調(diào)整調(diào)質(zhì)工藝。此處調(diào)質(zhì)處理工藝采用：淬 火：860 ℃加熱，油淬60～64 HRC，高溫回火：650 ℃～700 ℃加熱，空冷35～40 HRC；淬火要求表面3 mm厚度的硬度為60～64 HRC，通過(guò)高頻淬火的工藝才實(shí)現(xiàn)，加工裝用銅圈，溫度至860 ℃，油淬60～64 HRC。這樣使得表面3 mm厚度的硬度達(dá)到了60～64 HRC，而擺線偏心軸芯部硬度仍然為35～40 HRC，使得擺線偏心軸既具有較好的耐磨性能，又具有較好的韌性。

2.3 擺線偏心軸工藝流程

經(jīng)過(guò)上述分析，根據(jù)其零件工程圖紙及技術(shù)要求，制定的加工工藝流程如圖4所示。

3 擺線偏心軸偏心臺(tái)階夾具設(shè)計(jì)及分析

由于常用內(nèi)外圓磨床難以滿足特種減速器偏心零件的偏心距尺寸和零件的形位精度要求，且在裝夾時(shí)本身存在精度損失，擺線減速器偏心零件的加工需要依靠高精度車削和高精度磨削組件工裝完成。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)和加工高精度偏心磨削工裝組件，完成了偏心零件的穩(wěn)定加工，保證了偏心距及零件兩端的同軸要求，滿足了設(shè)計(jì)文件要求。

3.1 夾具設(shè)計(jì)原理

3.2 夾具設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)

擺線偏心軸精加工工裝在設(shè)計(jì)上有4點(diǎn)需要特別注意。第一，拉管內(nèi)孔和擺線偏心軸支撐軸承安裝面的左側(cè)外圓，2個(gè)面在配合過(guò)程中不能造成擺線偏心軸支撐軸承安裝面的左側(cè)外圓面劃傷，既要保證公差配合，也要對(duì)拉管的硬度進(jìn)行控制。同時(shí)拉管與擺線偏心軸支撐軸承安裝面的左側(cè)外圓配合部分必須保證有足夠的彈性，所以在配合測(cè)開(kāi)十字滑槽來(lái)增加彈性。第二，過(guò)度鎖緊盤的內(nèi)錐面與拉管的外錐面配合,當(dāng)擰緊鎖緊螺母時(shí)，軸向力通過(guò)擋圈傳遞至過(guò)度鎖緊盤左側(cè)端面，過(guò)度鎖緊盤沿軸向向左側(cè)運(yùn)動(dòng)，過(guò)度鎖緊盤將力傳遞至拉管，使得拉管將擺線偏心軸安裝面左側(cè)外圓夾緊。第三，磨床主軸安裝盤和過(guò)渡鎖緊盤之間的配合需采用過(guò)度配合，配合間隙須保證在0.004 mm范圍之內(nèi)，裝配時(shí)從擺線偏心軸右側(cè)端面用紫銅幫慢慢敲擊進(jìn)入。第四，磨床主軸安裝盤和過(guò)渡鎖緊盤上的定位銷孔，須同時(shí)保證孔位的位置度和孔徑尺寸。定位銷前端須設(shè)計(jì)成略帶錐度，便于定位銷在穿過(guò)過(guò)渡鎖緊盤上的定位銷孔后，易于磨床主軸安裝盤找正。

4 擺線偏心軸加工及測(cè)量

4.1 擺線偏心軸的加工卡片

按照上述工藝編制工藝卡片，確定每一道工序的加工余量及技術(shù)要求，其中精車和外圓磨：磨三處偏心圓需要使用擺線偏心軸偏心臺(tái)階工裝輔助完成。擺線偏心軸加工工藝卡片見(jiàn)表1。加工過(guò)程嚴(yán)格按照工藝卡片執(zhí)行。

4.2 擺線偏心軸測(cè)量

擺線偏心軸實(shí)物見(jiàn)圖7所示，在測(cè)量前，提前將三坐標(biāo)測(cè)量間溫度恒定至20 ℃±2 ℃，將擺線偏心軸用磁性表座固定在三坐標(biāo)測(cè)試臺(tái)面上，靜置時(shí)間大于1 h后，開(kāi)始測(cè)量，擺線偏心軸固定效果圖見(jiàn)圖8。表面光潔度用時(shí)代TR200表面粗糙度儀測(cè)量。本次測(cè)量?jī)H對(duì)圖紙中的尺寸進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量樣本量為5件，編號(hào)分別為20-07-001,002,003,004,005。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 擺線偏心軸加工工藝卡片

表2 擺線偏心軸尺寸測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)偏心加工的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了3層偏心臺(tái)階擺線偏心軸加工工藝及專用工裝設(shè)計(jì)研究，通過(guò)工藝分析制定了擺線偏心軸的加工工藝，特別是針對(duì)擺線偏心軸偏心臺(tái)階精車和磨的工序設(shè)計(jì)了專用工裝，按照工藝要求編寫的工藝卡片進(jìn)行擺線偏心軸的加工，得出如下結(jié)論：

(1)擺線偏心軸的加工工藝及專用工裝設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格按照擺線偏心軸的工程技術(shù)要求進(jìn)行，確定各道工序的先后順序及實(shí)現(xiàn)方法。

(2)針對(duì)3層偏心臺(tái)階擺線偏心軸設(shè)計(jì)了擺線偏心軸精加工工裝，提出了擺線偏心軸精加工工裝在設(shè)計(jì)上的4點(diǎn)設(shè)計(jì)要素，通過(guò)裝配圖的方式展現(xiàn)了工裝與擺線偏心軸的裝配關(guān)系，為實(shí)際加工中工裝使用提供了可靠保證。

(3) 按照此種加工工藝，同時(shí)在使用自主設(shè)計(jì)擺線偏心軸偏心臺(tái)階工裝進(jìn)行輔助加工，擺線偏心軸關(guān)鍵尺寸的合格率為100%，極大程度地提高了零件合格率，既為擺線減速器性能提供了有力支撐，又為企業(yè)節(jié)省了減速器的制造成本。