高精度曲柄軸加工工藝分析

曾茂燕

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西 柳州 545006）

1 零件概述

1.1 零件的功用

在當(dāng)前的減速機(jī)產(chǎn)品中，行星傳動(dòng)式減速機(jī)是發(fā)展的方向。這種減速機(jī)有體積小、承載能力大、高精度、高性能、低消耗、低振動(dòng)等很多優(yōu)點(diǎn)。日本帝人公司于1986年開(kāi)始生產(chǎn)該RV減速機(jī)系列，廣泛用于機(jī)器人、雷達(dá)及機(jī)床分度裝置等領(lǐng)域。

偏心曲柄軸，是行星傳動(dòng)式減速機(jī)關(guān)鍵零件之一。該軸加工難度較大，其精度對(duì)減速機(jī)的品質(zhì)影響很大，必須保證其加工精度。

曲柄軸的典型結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求，見(jiàn)圖1所示。

圖1 曲柄軸

從圖中可以看出，其技術(shù)難點(diǎn)主要是曲柄偏心較小，但偏心精度卻要求很高。這項(xiàng)技術(shù)問(wèn)題如果得到解決，就可為該軸的加工乃至高精度曲柄擺線減速機(jī)的大量生產(chǎn)，帶來(lái)很大影響。因此對(duì)于該軸的加工技術(shù)，必須認(rèn)真加以研究。

1.2 加工工藝路線

曲柄軸的加工工藝路線如下：

（1）調(diào)質(zhì)熱處理；

（2）車(chē)端面取合總長(zhǎng)43 mm，分別在兩端面打中心孔，選用CA6140機(jī)床；

（3）采用一頂一夾的裝夾方式粗、半精加工Φ10 mm、Φ12 mm的外圓，在軸兩端倒角，留0.2 mm的磨削余量，車(chē)削1.1 mm寬的越程槽，選用CA6140機(jī)床；

（4）研磨中心孔；

（5）磨削兩頭Φ10 mm的軸頸至尺寸，選用M1432A機(jī)床；

（6）銑削鍵槽至尺寸，選用X52K機(jī)床；

（7）采用專(zhuān)用夾具的裝夾方式車(chē)削偏心圓，留0.2 mm的磨削余量，選用CA6140機(jī)床；

（8）磨削偏心圓至尺寸，保證1.47±0.012 mm的偏心量，采用專(zhuān)用夾具，選用M1432A機(jī)床；

（9）終檢。

1.3 具體工藝流程

（1）調(diào)質(zhì)熱處理。

（2）車(chē)右端面，打中心孔，取l=43.5 mm切斷。

車(chē)左端面，打中心孔，取合總長(zhǎng)43 mm。

（3）粗車(chē)Φ12 mm的外圓，一頂一夾的裝夾方式（兩處）。

（4）粗車(chē)Φ10 mm的外圓，一頂一夾的裝夾方式（兩處）。

（5）半精車(chē)Φ10 mm的外圓，兩端倒角，采有一頂一夾的裝夾方式（兩處）。

（6）車(chē)越程槽，直徑Φ 9.2 mm寬1.1 mm

（7）研磨中心孔。

（8）粗磨削右端Φ10 mm的軸頸（兩處）。

精磨削Φ10 mm的軸頸（兩處）。

（9）銑削鍵槽至尺寸，保證40-0.03mm。

（10）粗、半精車(chē)Φ15 mm（專(zhuān)用夾具）。

（11）粗、精磨Φ15mm，保證尺寸1.47±0.012mm。

2 加工余量、工序及毛坯尺寸的確定

偏心曲柄軸材料為45#鋼，硬度207 HBS，生產(chǎn)類(lèi)型為大量生產(chǎn)，采用圓棒料毛坯。根據(jù)以上資料及加工工藝，分別確定各加工表面的加工余量及確定毛坯尺寸。

2.1 直徑加工余量

由工藝手冊(cè)查得：磨削余量為0.2 mm，精磨余量為1/10的磨削余量，所以精磨余量為0.02 mm。粗磨余量為0.18 mm，半精車(chē)余量為1.3 mm，粗車(chē)余量為3 mm，則加工總余量

Z=0.02+0.18+1.3+3=4.5 mm。

2.2 計(jì)算各加工工序基本尺寸

精磨后工序的最大基本尺寸為Φ15 mm，其他各工序基本尺寸依次為：

粗磨15+0.02=15.02 mm；

半精車(chē)15.02+0.18=15.2 mm；

粗車(chē)15.2+1.3=16.5 mm；

毛坯16.5+3=19.5 mm。

查工藝手冊(cè)可得，鍛造毛坯公差為±2 mm，所以最終確定毛坯直徑尺寸為22 mm，調(diào)質(zhì)后的棒料先車(chē)一刀（ap=0.5 mm）去除黑皮等。

3 確定切削用量

3.1 車(chē)削用量

（1）粗加工。采用硬質(zhì)合金車(chē)刀粗車(chē)外圓和端面的進(jìn)給量：

刀尖圓弧半徑rε=0.5 mm；

切削深度ap≤3 mm；

進(jìn)給量 f=0.2～0.25 mm/r；

粗車(chē)后粗糙度達(dá)到Ra3.2 μm；

選用20 mm×30 mm（B×H）的刀桿。

（2）半精加工。采用硬質(zhì)合金外圓車(chē)刀半精車(chē)的進(jìn)給量：

刀尖圓弧半徑rε=1.0 mm；

切削深度ap≤1 mm；

進(jìn)給量f=0.11～0.15 mm/r；

半精車(chē)后表面粗糙度達(dá)到Ra1.6 μm。

（3）切削速度。

粗加工：查手冊(cè)得ν＜42 m/min，根據(jù)ν=πdn/1 000，車(chē)削 Φ10 mm 時(shí)，n＜1 337 r/min，查 CA6140車(chē)床資料，選定轉(zhuǎn)速為n=900 r/min。

車(chē)削Φ15 mm時(shí)，n＜891 r/min，選定轉(zhuǎn)速n=710 r/min。

半精加工：查手冊(cè)得ν＜50 m/min，車(chē)削Φ10 mm時(shí)，n＜1 592 r/min，選定轉(zhuǎn)速為n=900 r/min；車(chē)削Φ15 mm時(shí)，n＜891 r/min，選定轉(zhuǎn)速為 n=710 r/min。

3.2 磨削用量

（1）砂輪圓周速度的選擇：采用一般的速度ν砂=35 m/s。

（2）工件圓周速度的選擇：

在實(shí)際加工時(shí)，依工件直徑的大小改變工件的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到ν工/ν砂的一定比值。

（3）磨削深度的選擇。對(duì)于外圓磨削，粗磨時(shí)t=0.02～0.05 mm；精磨時(shí) t=0.005～0.015mm。

（4）縱向進(jìn)給量的選擇。粗磨時(shí)S縱=（0.5～0.8）B；精磨時(shí) S縱=（0.2～0.3）B。

式中，B為砂輪寬度（mm）。

M1432A磨床的砂輪寬度為50 mm，所以，

粗磨時(shí)，S縱=（0.5～0.8）B=（0.5～0.8）× 50=25～40 mm；

精磨時(shí)，S縱=（0.2～0.3）× 50=10～15 mm。

根據(jù)粗磨的余量為0.18 mm，磨削深度t=0.02～0.05 mm，所以粗磨分3次進(jìn)給完成：

第一次t=0.04 mm，f=25 mm；

第二次t=0.03 mm，f=25 mm；

第三次 t=0.02 mm，f=25 mm。

精磨的余量為0.02 mm，根據(jù)磨削深度t=0.005～0.001 5 mm，分2次精磨完成：

第一次 t=0.008 mm，f=12 mm；

第二次t=0.002 mm，f=12 mm。

4 切削力的計(jì)算

由于磨削過(guò)程復(fù)雜，影響磨削力的因素多，因此在生產(chǎn)中也常用測(cè)力儀或測(cè)力裝置測(cè)定，也可根據(jù)電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸入功率計(jì)算切向力Ft。

式中，

PE為磨頭電動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)輸入功率，kW；

ηE為電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)效率；

ns為砂輪轉(zhuǎn)速，r/s；

ds為砂輪直徑，mm。

M1432A外圓磨床的參數(shù)：

外圓砂輪尺寸：外徑×寬度×內(nèi)徑為Φ 400 mm×50 mm×Φ 203 mm；

電動(dòng)機(jī)功率：主電動(dòng)機(jī)4 kW，總?cè)萘?.5 kW；

電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)效率：ηE為85%；

砂輪轉(zhuǎn)速：1 670 r/min，即 27.83 r/s，所以

Ft=（4×85%）/（π×27.83×400）×106=97.22 N

所測(cè)得的結(jié)果為平均值，不能測(cè)得瞬時(shí)值。

當(dāng)磨削方式為外圓磨削，被磨材料為45#鋼時(shí)，根據(jù)手冊(cè)查得M1432A磨床的

Fn/Ft≈2.04，所以 Fn=2.04 Ft=198.33 N。

5 強(qiáng)度的計(jì)算

5.1 鍵聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算

靜聯(lián)接。

鍵、軸材料為鋼，載荷性質(zhì)為輕微沖擊，所以

σp=(2T/d)/(h/2× l)=4T/hld≤[σ]p，

[σ]p=100～120 MPa。

取 100 MPa，則 4T/hld ≤ [σ]p，

式中，l=L-b/2=5-2=3 mm；h=2 mm。

所以 T ≤（[σ]p× h× l× d）/4=（100×2×3×10）/4=1 250 N·mm，即

[T]≤1 250 N·mm。

鍵聯(lián)接工作時(shí)的扭矩

T=Ft× d/2=486.1 N·mm，

可以看到T＜[T]，所以滿足要求。

5.2 螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算

（1）用于聯(lián)接調(diào)節(jié)偏心與燕尾座的螺栓的強(qiáng)度計(jì)算。其主要的失效形式為受剪，主要受橫向力作用。

剪切應(yīng)力τ=（4 Fs）/（mπd02）≤[τ]。

在磨削過(guò)程中，磨削的法向力即為螺栓所受的剪力。[τ]為螺栓聯(lián)接的許用應(yīng)力。

螺栓擠壓應(yīng)力σs=Fs/hd≤[σ]jy。

Fs為螺栓受到的剪力，m為螺栓抗剪面數(shù)目。所受的是靜載荷 [τ]= σs/[S]s。

選擇螺栓材料為Q235鋼，取螺栓性能級(jí)別4.6，根據(jù)手冊(cè)，查得屈服極限

σs=240 MPa，[S]s=2.5，所以

[τ]=96 MPa。

螺栓工作時(shí)

τ=（4×99.17）/（1×π×82）=1.97 MPa，

可見(jiàn)τ＜[τ]，所以能滿足要求。

（2）擠壓應(yīng)力的計(jì)算。鋼 [σ]jy=σs/[S]P=218.18 MPa，[S]P=1～1.25，取 [S]P=1.1，工作時(shí)的擠壓應(yīng)力

σjy=Fs/hd=99.17/（6×8）=2.07 MPa，

h為螺栓的擠壓高度。

可見(jiàn) σjy＜[σ]jy，所以能滿足要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)高精度曲柄軸的加工工藝進(jìn)行了認(rèn)真的分析研究，解決了該軸的加工技術(shù)難點(diǎn)，同時(shí)保證了加工精度。這項(xiàng)技術(shù)問(wèn)題的解決，為該軸的大量生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

[1]趙如福.金屬機(jī)械加工工藝人員手冊(cè)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2006.

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[3]崔正昀.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].天津：天津大學(xué)出版社，2000.

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