擺線偏心軸加工工藝及專用工裝設計研究

張毅鋒 龍文武 曹義東 關曉瓊

(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有限公司，陜西 西安 710076；④西安科技大學高新學院，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機構、工業(yè)機器人、數(shù)控機床、半導體設備、精密包裝設備、焊接變位機、等離子切割、煙草機械、印刷機械、紡織機械、醫(yī)療器械、跟蹤天線和雷達等方面[1]。具有承載力高、結構緊湊、具自鎖功能、剛度高、可靠性高和壽命長的特點，彌補了漸開線齒輪傳動系統(tǒng)和諧波減速器的不足。國外一些先進的擺線減速器生產(chǎn)公司的技術水平雖能滿足項目的設計需求，但由于國外技術封鎖和我國軍工系統(tǒng)的保密性，目前市場上尋求不到合適的貨架產(chǎn)品，國產(chǎn)擺線減速器在傳動比、輸出功率方面與國內(nèi)軍工產(chǎn)品實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鍵技術之一。劉松良根據(jù)切點跟蹤磨削法來完成減速器的偏心軸加工，并對切點跟蹤磨削的運動方式進行驗證。同時在偏心圓加工理論分析的基礎上對減速器偏心軸開展試驗研究，在GSK986 磨床數(shù)控系統(tǒng)上實現(xiàn)減速器偏心軸的磨削加工[2]；范晉偉等通過歸納隨動磨削機床的誤差來源，開發(fā)出特定的偏心軸磨床誤差補償技方法，提高加工偏心軸的生產(chǎn)質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選擇表面要具有一定的光潔性，避開鍛造飛邊、分型面以及毛刺等區(qū)域，進而確保其精準性展開了典型偏心軸的車削研究[4]；張紅梅通過對雙向偏心軸(常見的如公交車內(nèi)擺門上的轉臂)在車床上大批量生產(chǎn)存在的裝夾問題的研究 ，結合產(chǎn)品零件外形，設計一種專用夾具進行加工，以提高其生產(chǎn)效率[5]；甘彪通過對三爪自動定心卡盤的結構進行優(yōu)化改進，使卡盤具有可調(diào)心的能力，同時在卡盤中增加游標卡尺式的刻度，實現(xiàn)了卡盤的高精度調(diào)心，實現(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偏心軸類零件進行批量加工[6]；張山山等通過分析磨削過程中砂輪架的換向慣性力沖擊引起的振動原理，提出了砂輪架系統(tǒng)質量增大和水平進給速度增大都會引起慣性力沖擊導致振動加大，且貫穿整個磨削過程[7]；安繼業(yè)等針對具有較高精度的偏心軸及偏心套加工問題，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，進而實現(xiàn)偏心柱面的加工[8]；朱達新對偏心零件裝夾與測量方法進行了研究，從四爪單動卡盤、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]。以上文獻均未提及通過加工工藝，特別是關鍵加工工序通過專用工裝夾具來實現(xiàn)。為此，本文提出了合理的加工工藝，并針對關鍵工具設計裝用工裝夾具，進行了實物加工并通過三坐標進行了測量。結果表明，按照此種加工工藝，同時在使用自主設計擺線偏心軸偏心臺階工裝輔助加工，擺線偏心軸關鍵尺寸的合格率為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 擺線偏心軸的結構形式及技術要求

1.1 擺線偏心軸結構介紹

擺線偏心軸的結構形式目前分為2種，一種是2層偏心臺階，另外一種是3層偏心臺階。采用2層偏心臺階的偏心軸時，2層偏心臺階的夾角為180°，在擺線減速器運行過程中同時在0°和180°這2個點嚙合，這也是目前最為常用的一種擺線偏心軸。3層偏心臺階的偏心軸可以使輸入軸達到靜平衡和提高承載能力，對于擺線針輪行星傳動，可采用3個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°，轉動過程中形成擺線減速器擺線齒輪相位圖。也就是說擺線偏心軸直接決定了擺線齒輪的運動軌跡，擺線減速器擺線齒輪相位圖見圖1。

典型擺線偏心軸三維結構圖見圖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階面等關鍵特征，本文主要以3層偏心臺階的擺線偏心軸作為研究對象。

1.2 擺線偏心軸的技術要求

根據(jù)擺線減速器實際技術指標進行仿真分析計算，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指標見零件工程圖，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用的高碳鉻軸承鋼[11]。經(jīng)過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格[12]。軸承鋼調(diào)質處理，是為了讓材料達到更高的韌性，GCr15軸承鋼的調(diào)質處理工藝為有2種方式。第一，材料淬火出來后可以直接進行回火調(diào)質處理；第二，回火保溫2 h后再次回火調(diào)質處理，需要根據(jù)材料淬火出來后的硬度值范圍適當調(diào)整調(diào)質工藝。此處調(diào)質處理工藝采用：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，通過高頻淬火的工藝才實現(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)過上述分析，根據(jù)其零件工程圖紙及技術要求，制定的加工工藝流程如圖4所示。

3 擺線偏心軸偏心臺階夾具設計及分析

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，通過設計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，滿足了設計文件要求。

3.1 夾具設計原理

3.2 夾具設計中的關鍵點

擺線偏心軸精加工工裝在設計上有4點需要特別注意。第一，拉管內(nèi)孔和擺線偏心軸支撐軸承安裝面的左側外圓，2個面在配合過程中不能造成擺線偏心軸支撐軸承安裝面的左側外圓面劃傷，既要保證公差配合，也要對拉管的硬度進行控制。同時拉管與擺線偏心軸支撐軸承安裝面的左側外圓配合部分必須保證有足夠的彈性，所以在配合測開十字滑槽來增加彈性。第二，過度鎖緊盤的內(nèi)錐面與拉管的外錐面配合,當擰緊鎖緊螺母時，軸向力通過擋圈傳遞至過度鎖緊盤左側端面，過度鎖緊盤沿軸向向左側運動，過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外圓夾緊。第三，磨床主軸安裝盤和過渡鎖緊盤之間的配合需采用過度配合，配合間隙須保證在0.004 mm范圍之內(nèi)，裝配時從擺線偏心軸右側端面用紫銅幫慢慢敲擊進入。第四，磨床主軸安裝盤和過渡鎖緊盤上的定位銷孔，須同時保證孔位的位置度和孔徑尺寸。定位銷前端須設計成略帶錐度，便于定位銷在穿過過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階工裝輔助完成。擺線偏心軸加工工藝卡片見表1。加工過程嚴格按照工藝卡片執(zhí)行。

4.2 擺線偏心軸測量

擺線偏心軸實物見圖7所示，在測量前，提前將三坐標測量間溫度恒定至20 ℃±2 ℃，將擺線偏心軸用磁性表座固定在三坐標測試臺面上，靜置時間大于1 h后，開始測量，擺線偏心軸固定效果圖見圖8。表面光潔度用時代TR200表面粗糙度儀測量。本次測量僅對圖紙中的尺寸進行測量，測量樣本量為5件，編號分別為20-07-001,002,003,004,005。測量結果見表2。

表1 擺線偏心軸加工工藝卡片

表2 擺線偏心軸尺寸測量結果

5 結語

本文在傳統(tǒng)偏心加工的基礎上，開展了3層偏心臺階擺線偏心軸加工工藝及專用工裝設計研究，通過工藝分析制定了擺線偏心軸的加工工藝，特別是針對擺線偏心軸偏心臺階精車和磨的工序設計了專用工裝，按照工藝要求編寫的工藝卡片進行擺線偏心軸的加工，得出如下結論：

(1)擺線偏心軸的加工工藝及專用工裝設計必須嚴格按照擺線偏心軸的工程技術要求進行，確定各道工序的先后順序及實現(xiàn)方法。

(2)針對3層偏心臺階擺線偏心軸設計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計上的4點設計要素，通過裝配圖的方式展現(xiàn)了工裝與擺線偏心軸的裝配關系，為實際加工中工裝使用提供了可靠保證。

(3) 按照此種加工工藝，同時在使用自主設計擺線偏心軸偏心臺階工裝進行輔助加工，擺線偏心軸關鍵尺寸的合格率為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。