諧波減速器柔輪加工工裝設計

陳緒勇， 孫克， 李翠翠， 計常偉， 胡可狄

(1.北京新立機械有限責任公司，北京100039；2.磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室，成都611756；3.西南交通大學超導與新能源研究開發(fā)中心，成都610031)

關鍵字：諧波減速器；柔輪；薄壁件；芯軸；脹套

0 引言

20世紀50年代開始，諧波減速器由于傳動比大、體積小、質量輕、傳動精度高、回差小等特點被廣泛應用在航天飛行器控制系統(tǒng)的機構等精密定位領域[1-5]。

在2015年印發(fā)的《中國制造2025》和2016年末，國務院印發(fā)《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》都分別指出：“將全面突破機器人產(chǎn)業(yè)關鍵技術及核心零部件，如：減速器”。諧波減速器是機器人用減速器的一種，而柔輪又是諧波傳動的關鍵元件，其動態(tài)性能的優(yōu)劣在很大程度上決定了其系統(tǒng)的性能[6-9]，在傳動過程中，柔輪時刻受到往復應力作用[10-11]，所以對其加工工藝要求非常嚴格，我們公司加工過程中根據(jù)文獻[12]的方案給每個柔輪配做一個芯軸,但該種方法不僅不利于拆卸柔輪,而且外部作用力極易引起柔輪底部彎曲,從而導致柔輪在運行過程中底部開裂,文獻[13]指出了柔輪滾齒加工過程中采用彈性芯軸或錐度芯軸方案，但是并未提出芯軸具體的設計。

在文獻[14]中提到6種在車床上加工薄壁零件的方法，由于沒有限制脹套膨脹的作用，可能導致柔輪在被脹開后，柔輪整體徑向尺寸增大，容易造成柔輪尺寸不合格的現(xiàn)象，文獻[15]提到的一種彈性夾具工裝彈性套復雜，而且彈性套與工件內(nèi)表面要留有0.3～0.5 mm的間隙，該種方案不適合加工內(nèi)徑尺寸小于40 mm以下的柔輪,文獻[16]雖然提出了一種用于外齒輪加工的靜壓膨脹芯軸，但是該種芯軸外圓筒薄壁部分加工不方便，無形中增加了產(chǎn)品生產(chǎn)成本。為此從一線操作者使用和保證柔輪性能角度,設計一種便于實際加工的柔輪加工工裝非常有必要。

1 結構設計

為了確保柔輪加工（機加柔輪外圓和滾齒）過程中，柔輪內(nèi)孔能夠快速裝進芯軸組件上，實現(xiàn)快速找正，同時加工完成后柔輪能夠很方便地拆卸下來，并且芯軸加工工藝簡單，我們設計了一種便于實際使用如圖1所示的柔輪加工工裝。

圖1 柔輪工裝

1.1 芯軸設計

設計的柔輪工裝芯軸要滿足我公司樣本系列中內(nèi)徑40 mm以下的柔輪加工，芯軸的設計主要與加工的柔輪相關尺寸和插齒機主軸接口有關，芯軸示意圖如圖2所示。

圖2 柔輪芯軸工裝

圖2中尺寸A與插齒機夾緊接口相配合，該段長度L1要滿足夾緊整個工裝所需長度以及加工完成后拆卸圖1所示螺釘所需操作空間，由于螺釘作用在于保證脹套能夠與芯軸一起完成軸向轉動，所以螺釘長度不宜過長，一般可保證螺釘擰入脹套有4個螺距即可；

尺寸B要大于柔輪內(nèi)孔并小于圖3脹套尺寸D，該處確保柔輪推動脹套與芯軸貼合后，限制柔輪水平移動，這是因為脹套內(nèi)錐面在芯軸外錐面作用下脹套徑向尺寸增大，如果柔輪也水平移動就會引起其內(nèi)孔被撐開過大，最終造成插齒后加工的柔輪齒形參數(shù)不合格的現(xiàn)象，因此該處長度L3不宜過短，但是又不宜過長，過長雖然起到了限位的作用，但可能使脹套與柔輪內(nèi)部杯底空隙過大，加工作用力引起柔輪杯底有變形的趨勢。

長度L2部分為芯軸錐面有效長度，為了確保脹套能夠在芯軸上有效移動從而發(fā)揮脹緊柔輪作用，其值要大于圖3中對應脹套內(nèi)錐面長度L5，即L2-L5＞＞0.5 mm。以上各部分值盡量取整數(shù)，這樣便于實際加工和測量。

由于芯軸沒有特殊要求，一般選擇45鋼即可，硬度值40～45 HRC。

1.2 脹套設計

設計的柔輪工裝脹套尺寸要滿足我公司樣本系列中的內(nèi)徑40 mm以下的柔輪加工，圖3為脹套示意圖。

圖3 柔輪脹套工裝

圖3中脹套外徑E一般小于對應柔輪內(nèi)徑0.1 mm以下；L4尺寸一般大于對應柔輪內(nèi)筒長度0.2 mm左右，保證其可以完全與柔輪內(nèi)孔接觸；L5尺寸與圖2中限位軸肩的長度L3尺寸之和等于L4，即L4=L3+L5。

我們初步選擇錐角β為50°～60°，這樣可以確保脹套與芯軸錐面有效接觸面大，脹緊柔輪區(qū)域大。長度L5、錐角β以及脹套最小壁厚后（口端壁厚為0.2 mm）確定后，那么內(nèi)孔D值為

由于脹套要求具有彈性，脹套材料可選40Cr，為了防止脹套劃傷柔輪內(nèi)壁，熱處理后其硬度要高于柔輪硬度值，硬度值為32～36 HRC。

2 使用方法

以我公司樣本中柔輪內(nèi)徑40 mm為例，運用以上工裝安裝柔輪，如圖4所示柔輪安裝示意圖，先將脹套裝入芯軸有錐面一側，注意安裝時二者錐面能夠配合即可，不需要用力擠壓，然后將柔輪按照圖4所示方向安裝，依次裝入墊片和螺母，然后緩慢旋轉螺母直至無法向左推動柔輪為止，推進過程中由于柔輪底面與脹套右端貼合一起向左移動，隨著脹套內(nèi)錐面在芯軸外錐面上逐漸向左移動，脹套外圓逐漸增大從而充滿脹套與柔輪之間徑向的間隙，達到了脹緊柔輪的目地；另外由于在芯軸上設置了限位軸肩，防止了脹套過于脹大從而導致柔輪內(nèi)孔擴張的現(xiàn)象，保證了柔輪的加工尺寸，又避免了脹緊力對柔輪的影響；注意旋入螺釘時擰緊即可，不可用力過大。

柔輪滾齒完成后，先卸掉螺釘和螺母，然后利用芯軸上的兩個凹槽，就可很方便地將脹套從芯軸中卸掉。

圖4 柔輪安裝示意圖

3 結語

本方案可為諧波減速器柔輪的生產(chǎn)提供一種方法指導，希望通過大家的共同交流打破國外在該方面的技術壟斷，推動我國諧波減速器產(chǎn)業(yè)向更高領域發(fā)展，其主要優(yōu)點在于：1）可以實現(xiàn)一次裝夾芯軸重復加工一批柔輪，極大便利了一線操作者每次裝夾找正柔輪的時間；2）不用逐個配做芯軸，大大節(jié)約了產(chǎn)品生產(chǎn)成本；3）避免了拆裝過程中外力使用不當對柔輪造成的損壞，降低了試驗過程中柔輪底部開裂的風險因素，大大提高了柔輪的成品率；4）工裝加工工藝簡單，拆裝方便，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率60%以上。