擺線輪是 R V 減速器(見圖 1)的核心零件，在整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)中位于第二級(jí)，零件具有高精度、低轉(zhuǎn)速、高負(fù)載和高可靠性等特征。減速器產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)常采用兩片擺線輪對(duì)稱 180°的結(jié)構(gòu)方式布置，以平衡擺線輪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的偏心載荷。擺線輪的制造精度要求達(dá)到微米級(jí)，以滿足 R V 減速器的綜合使用性能，對(duì)設(shè)備、工藝和人員的要求較高。
目前，針對(duì)擺線輪的學(xué)術(shù)研究主要集中在擺線齒廓的修形、擺線針動(dòng)靜力學(xué)的嚙合特性及擺線齒廓精度檢測與評(píng)價(jià)。J.G.Blanche通過建立考慮制造誤差的數(shù)學(xué)模型，重點(diǎn)研究制造誤差對(duì)擺線減速器回差和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的內(nèi)在關(guān)系。軒亮對(duì)新型 FA 傳動(dòng)減速器擺線針輪部分的尺寸鏈進(jìn)行分析，研究各部分尺寸鏈的構(gòu)成及封閉環(huán)的計(jì)算方法，并進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。文獻(xiàn)分別采用“偏心距 + 等距 + 移距”“等距 + 移距”及多點(diǎn)分段修形等方式，多角度對(duì)擺線齒廓進(jìn)行修形研究，并對(duì)其修形效果進(jìn)行驗(yàn)證。楊玉虎建立了 R V 減速器中擺線行星等機(jī)構(gòu)精度分析的誤差模型，揭示了機(jī)構(gòu)中誤差傳遞過程以及反饋誤差與各構(gòu)件原始誤差的耦合關(guān)系。鄭紅結(jié)合擺線輪零件工程設(shè)計(jì)圖紙，從工藝制造流程及生產(chǎn)關(guān)鍵要素控制等環(huán)節(jié)入手，深入探討了擺線輪的加工工藝，對(duì)工程實(shí)際生產(chǎn)有較大指導(dǎo)意義。付毅通過擺線傳動(dòng)與有限元分析，確定了擺線輪的材料、加工工藝及磨削余量，并設(shè)計(jì)熱處理工裝減少變量。王淑妍為獲得高精度錐形擺線輪齒廓面，采用“圓弧砂輪”磨削加工，并進(jìn)行理論和實(shí)物驗(yàn)證。鄧效忠利用成型法精密磨削擺線，建立相應(yīng)數(shù)學(xué)運(yùn)動(dòng)模型，重點(diǎn)對(duì)擺線廓線方法及砂輪實(shí)際修形軌跡進(jìn)行分析。文獻(xiàn)針對(duì)擺線輪實(shí)際加工過程的加工流程、工藝方案，修形方法和制造過程進(jìn)行詳細(xì)說明。為了減小擺線齒廓的測量誤差，文獻(xiàn)分別從測桿受力誤差，安裝軸線偏差及以節(jié)點(diǎn)為單齒參考點(diǎn)的測量方案，尋求更為精度的擺線齒廓制造誤差。
通過以上分析，針對(duì)擺線輪的研究更多側(cè)重于擺線齒廓的研究，缺乏對(duì)擺線輪精密制造工藝的系統(tǒng)分析。本文從工程角度出發(fā)，分析擺線輪的結(jié)構(gòu)特征和使用工況要求，依據(jù)實(shí)際工程制造圖紙的設(shè)計(jì)要求，從擺線齒廓加工方法、材料選擇與熱處理方案、尺寸精度測量與評(píng)價(jià) 3 方面對(duì)擺線輪的精密制造工藝進(jìn)行詳細(xì)分析和介紹，為擺線類零件的精密制造提供了借鑒和指導(dǎo)。
一、結(jié)構(gòu)特征與制造工藝流程
擺線輪位于 R V 減速器第二級(jí)傳動(dòng)位置，依托于減速器高精度、高承載等特點(diǎn)，擺線輪性能具體要求如表 1 所示，零件結(jié)構(gòu)示意如圖 2 所示。3 處曲柄軸孔承接第一級(jí)行星齒輪高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩輸入的同時(shí)，連接第二級(jí)運(yùn)動(dòng)輸出;外部擺線齒廓通過與針齒嚙合實(shí)現(xiàn)第二級(jí)低轉(zhuǎn)速大負(fù)載的傳動(dòng);零件設(shè)計(jì)輸入軸過孔和行星架過孔，以滿足 R V 減速器結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)計(jì)要求。
擺線輪關(guān)鍵加工尺寸如圖 3 所示，擺線輪的關(guān)鍵制造要素集中在左右兩端面 A、曲柄軸孔 B 和外擺線 C，3 處，制造難度和重要性如表 2 所示。
由表 2 可知，為保證 R V 減速器高精密傳動(dòng)要求，擺線輪需先加工左右端面 A，再以 A 為基準(zhǔn)加工 3 處曲柄軸孔 B 和外擺線 C，尺寸和形位精度均控制在微米級(jí)。同時(shí)規(guī)范零件材料的晶相組織及熱處理方案，滿足高轉(zhuǎn)矩、大速比和高可靠性的應(yīng)用工況要求。
基于上述分析，提出擺線輪加工工藝流程如表 3 所示。
表 3 中介紹了擺線輪加工的標(biāo)準(zhǔn)工藝流程，該流程涵蓋了該零件的整體制造脈絡(luò)。雖然制造企業(yè)對(duì)工藝認(rèn)知存在不同領(lǐng)域的側(cè)重性和具體精密制造方法的差異性，但擺線輪精密制造最終均要落實(shí)到加工余量控制、加工基準(zhǔn)選擇以及裝夾定位誤差控制等方面。
加工余量控制主要涉及鍛造毛坯放量、工序間加工余量分配、熱處理變形及去材變形等。加工基準(zhǔn)選擇主要涉及關(guān)鍵尺寸要素之間制造銜接關(guān)系，精加工之前工序應(yīng)多遵循互為基準(zhǔn)的原則，控制形位精度一致性;精加工工序應(yīng)多遵循基準(zhǔn)統(tǒng)一原則，最大限度減少找正誤差，保證零件最終圖紙要求。裝夾定位誤差控制主要為設(shè)計(jì)與零件精度要求相匹配的工裝夾具，盡量保證關(guān)鍵制造要素的一次加工完成，最大限度降低機(jī)床、刀具及環(huán)境對(duì)零件精度的影響。
二、擺線齒廓加工
擺線齒廓加工精度直接影響 R V 減速器的綜合性能，相關(guān)企業(yè)和高校已將研究重點(diǎn)集中于齒廓的精密加工。目前，擺線齒廓加工方法主要有銑削、電加工和磨削，根據(jù)零件不同階段硬度與精度的加工要求，齒廓粗加工對(duì)精度和表面粗糙度要求不高，一般采用銑削和電加工，是利用數(shù)控程序插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)零件滲碳淬火前齒廓開粗的加工方法;精加工一般采用磨削方法達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙所要求的尺寸、形位精度與表面粗糙度，其主要難點(diǎn)具體為磨削方法、零件裝夾定位、擺線齒廓參數(shù)設(shè)定及砂輪修整。
擺線磨削方法
擺線磨削方法類比齒輪加工，主要分為成型法和展成法，如圖 4 所示。
成型法和展成法加工時(shí)，砂輪主軸與零件回轉(zhuǎn)主軸均呈 90°布置，但成型法是在高精度編碼器控制下，通過零件安裝軸的高精度分度實(shí)現(xiàn)擺線齒廓的逐齒加工;展成法是在高精度伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，精確控制零件安裝軸轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)擺線齒廓的連續(xù)加工。根據(jù)其加工原理的差異，采用成型法加工擺線需注意多個(gè)擺線齒之間的角度誤差，而展成法加工擺線更多關(guān)注每個(gè)擺線齒自身的齒形公差。
零件裝夾定位
零件裝夾定位主要是根據(jù)既定的工藝路線與制造設(shè)備選擇不同的裝夾方案，擺線輪常用基準(zhǔn)如圖 5 所示，主要涉及到裝夾基準(zhǔn) B 和定位基準(zhǔn) A 和 C。
目前，適用于擺線的加工方案主要有 2 種。方案一是以基準(zhǔn) B 和 C 裝夾零件，找正曲柄軸孔后壓緊工件，實(shí)現(xiàn)擺線加工。該方案操作簡單，但對(duì)曲柄軸孔與基準(zhǔn) C 的位置度要求高，目前部分精密磨削設(shè)備具備雙主軸，可實(shí)現(xiàn)外齒廓和內(nèi)孔的同時(shí)加工，保證擺線與曲柄軸孔的一次裝夾加工完成，在這種情況下該工藝方法不僅簡化工藝過程，提高加工效率，而且能夠保證形位精度。方案二是以基準(zhǔn) B 和 A 裝夾零件，直接壓緊擺線輪后加工擺線，該方法最大好處是不再需要定位基準(zhǔn) C 作為中間基準(zhǔn)，保證加工后擺線齒廓與曲柄軸的形位精度直接滿足零件的實(shí)際使用要求，但主要難點(diǎn)在于工裝的加工精度要與擺線輪精度相匹配;零件裝夾時(shí)要保證工裝與零件之間不存在定位間隙;且工裝初始找正時(shí)，要保證定位基準(zhǔn) A 和機(jī)床回轉(zhuǎn)主軸之間有較好的同軸度。
擺線齒廓參數(shù)設(shè)定
擺線齒廓參數(shù)設(shè)定主要涉及擺線齒廓的修形曲線和加工設(shè)備功能匹配。目前，擺線的標(biāo)準(zhǔn)齒廓曲線方程為：
式中：xc 及 yc 為擺線齒廓坐標(biāo)點(diǎn);rp 為針齒分度圓半徑;rrp 為針齒半徑;θ 為轉(zhuǎn)臂相對(duì)于某一針齒中心矢量的轉(zhuǎn)角;k1 為短幅系數(shù);iH 為擺線輪與針輪的相對(duì)傳動(dòng)比;e 為偏心距;ZI 為針齒數(shù);ZC 為擺線齒數(shù)。
目前，專用磨削設(shè)備均配備擺線加工模塊，基于傳統(tǒng)修形方式，通過輸入相應(yīng)的擺線設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)零件修形加工。針對(duì)類擺線或特殊曲線，還可通過特定曲線識(shí)別或者給定點(diǎn)坐標(biāo)的方式進(jìn)行加工，為保證最小曲率的加工要求，給定曲線時(shí)一般采用差值擬合的方式。應(yīng)注意不同磨削設(shè)備齒廓曲線的識(shí)別要求，避免出現(xiàn)過切或干涉等問題。
砂輪修整
砂輪修整主要是通過砂輪修整器上的 CBN 滾輪將砂輪修整為所需擺線齒廓形狀，目前主要有成型滾輪和 CNC 碟片 2 種修整方式，如圖 6 所示。
成型滾輪是將擺線齒廓復(fù)刻到滾輪表面，再用加工完成的成型滾輪對(duì)砂輪表面進(jìn)行修整，最終將砂輪修整成擺線廓線。該方法齒形固定，適合大批量生產(chǎn)，但滾輪磨損后維修成本高。
CNC 碟片外表面采用圓弧尖點(diǎn)形式，通過機(jī)床內(nèi)部程序控制，直接用尖點(diǎn)將砂輪修整成擺線廓線。該方法形式靈活，可以實(shí)時(shí)調(diào)整擺線曲線，但修整效率低，受機(jī)床與環(huán)境狀態(tài)影響較大。
三、材料選擇與熱處理方案
擺線輪材料選擇時(shí)主要側(cè)重于材料自身的淬透性及重載情況下的抗沖擊特性。目前，常見材料為軸承鋼(GCr15)及低碳合金鋼(CrMn、CrMo 合金)。
軸承鋼(GCr15)廣泛應(yīng)用于軸承基體及 R V 減速器針齒銷制造，滿足強(qiáng)度承載要求，同時(shí)由于軸承、擺線輪和針齒整體的膨脹系數(shù)相同，選用該材料可提高擺線嚙合精度的穩(wěn)定性，但回火脆性大。低碳合金鋼(CrMn、 CrMo 合金)廣泛應(yīng)用于行星齒輪減速器中，其熱處理工藝方法成熟，適用于機(jī)器人減速器重載、變載荷的工況要求，而且材料牌號(hào)種類多，可選范圍大，無回火脆性。
選取某減速器擺線輪樣本，對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表 4 所示。通過 C、Cr 和 Mo 等核心成分與 20CrMo 和 GCr15 進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其材料更接近于 20Cr-Mo。同時(shí)，針對(duì)樣本金相組織進(jìn)行分析，如圖 7 所示。
圖 7(a)和(b)分別展示了零件在低倍條件下的形貌特征，可明顯看出淬硬層深度，圖 7(c)和(d)可看出零件在表面和心部金相組織的差異，心部回火托氏體 + 鐵素體居多。
通過上述分析，擺線輪材料多偏向于低碳合金鋼(CrMn、CrMo 合金)材料，熱處理工藝更多偏向于外部齒廓的滲碳和整體的淬火—回火。
四、尺寸精度測量與評(píng)價(jià)
擺線輪尺寸精度測試難點(diǎn)主要是測量外擺線齒形精度和曲柄軸孔與外擺線的位置精度。
外擺線齒形精度測量方法主要有三坐標(biāo)逐點(diǎn)掃描法和光學(xué)投影法，將得到的曲線與修形目標(biāo)擺線對(duì)比，得出齒廓精度范圍。但這 2 種方法均有各自缺點(diǎn)，三坐標(biāo)逐點(diǎn)掃描法屬于多點(diǎn)接觸測量，效率低，測頭磨損快，受零件加工表面粗糙度影響大。光學(xué)投影法采用光源照射直接投影的方法獲得零件的輪廓，受零件邊緣加工質(zhì)量(如倒角、毛刺等)影響大，易出現(xiàn)邊緣對(duì)焦偏差，測量精度低于三坐標(biāo)逐點(diǎn)掃描法。本文在嚴(yán)格把控表面粗糙度的情況下選用精度更高的三坐標(biāo)逐點(diǎn)掃描法。
通過軟件計(jì)算，可以得到實(shí)際測出的擺線曲線與理論曲線對(duì)比圖，如圖 8 所示。得到兩條極限偏差曲線，兩曲線間距離 δ 就是擺線齒廓的加工誤差。
曲柄軸孔與外擺線的位置精度主要是在擺線測量模塊的基礎(chǔ)上，加入常規(guī)位置孔的測量，形成更為復(fù)雜的評(píng)價(jià)方法，不僅需要考慮擺線齒形，還要考慮曲柄軸孔的尺寸公差、圓度、多孔間分布精度及曲柄軸孔與外擺線的同軸度。由于涉及測量因素較多，該方面的高精度測量方案和評(píng)價(jià)方法有待于進(jìn)一步研究和完善。
五、結(jié)論
本文針對(duì) R V 減速器核心零件擺線輪展開研究，從結(jié)構(gòu)特征與制造工藝流程、齒廓精密加工方案及工藝控制方法、加工常用材料及熱處理方法、測量技術(shù)與評(píng)價(jià) 4 個(gè)方面詳細(xì)闡述了擺線輪精密制造所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，得出以下結(jié)論：
(1)擺線輪齒廓加工時(shí)，若采用成型法需注意多個(gè)擺線齒之間的角度誤差，若采用展成法需注意每個(gè)擺線齒自身的齒形公差。
(2)成型滾輪適合大批量生產(chǎn)，但滾輪磨損后維修成本高;CNC 碟片方法形式靈活，但修整效率低，受機(jī)床與環(huán)境狀態(tài)影響較大。
(3)擺線輪材料多偏向于低碳合金鋼(CrMn、CrMo 合金)材料，熱處理工藝更多偏向于外部齒廓的滲碳和整體的淬火—回火。
(4)三坐標(biāo)逐點(diǎn)掃描法效率低，測頭磨損快，受零件加工表面粗糙度影響大;光學(xué)投影法受零件邊緣加工質(zhì)量影響大，測量精度低于三坐標(biāo)逐點(diǎn)掃描法。曲柄軸孔與外擺線的位置精度測量評(píng)價(jià)方法有待進(jìn)一步完善。
經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明，依據(jù)本文介紹技術(shù)進(jìn)行加工滿足實(shí)際工況需求，為 R V 減速器擺線輪精密制造提供參考與借鑒。
參考文獻(xiàn)略.