諧波減速機剛輪加工工藝研究

周 丹

（空調設備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室 珠海 519070）

引言

諧波減速器是一種靠波發(fā)生器裝配上柔性軸承使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形，并與剛輪嚙合傳遞運動和動力的齒輪傳動機構，其減速比大、精度高、效率高、重量輕，廣泛應用于工業(yè)機器人、航空航天等行業(yè)。剛輪是諧波減速機的直接嚙合傳動部件，是帶有內齒圈的小模數(shù)、多齒數(shù)、高精度，剛性齒輪[1]。其常規(guī)量產(chǎn)加工方案為車削—插齒方案，該方案對于材料、齒輪加工刀具等要求較高，且不可變更齒形。針對剛輪試制，我司采用了精度更高調整性更好的慢直絲線切割工藝方案，進行了多款剛輪的試制，取得了很好的試制效果。

本實施例中慢走絲線割設備使用的是阿奇夏米爾慢走絲cut2000，設備精度可達到0.001 mm，齒部測量使用的設備是克林貝格齒輪測量中心P40，可測量漸開線齒輪、非標準齒輪等。這里以某款諧波減速機的剛輪為例，闡述剛輪慢絲線割方案，并對該工藝方案的控制要點進行分析。

1 諧波減速機剛輪的結構

我司某款諧波減速機剛輪結構如圖1所示。該剛輪是一種帶有內齒圈的剛性齒輪，材料為合金鋼，其包含固定孔、環(huán)形槽、臺階端面和齒廓等多個結構，其端面、內外圓是配合安裝位精度要求高，而齒廓是直接嚙合位精度要求達到μ級精度，屬于高精度齒形零件。

2 剛輪加工工藝方案

剛輪為內齒剛性齒輪結構，其試制難點在于內部齒廓小模數(shù)多齒數(shù)齒形加工，齒廓偏差要求達到μ級精度，常規(guī)的量產(chǎn)插齒工藝其齒加工精度等級僅能達到GB/T 5級齒輪精度[2]，而且受到插齒刀的精度和磨損等因素制約。我司對于諧波減速機剛輪的加工，采用了精度更高穩(wěn)定性更好的線切割加工工藝方案。其加工工藝流程：車削端面鉆固定孔——銑削柔性槽——磨削端面和內外圓——線切割剛輪齒形。

圖1 剛輪結構示意圖

上述工藝方案通過車鉆銑工序來去除余量完成基本結構，通過磨削端面來提供后續(xù)工序的平面基準，然后磨削內外圓保證內外圓的同軸度以及其與端面的垂直度，最后通過高精度慢走絲進行內側齒部加工。該工藝方案將各重難點加工項進行工序分離，降低了單工序的難度，保證了剛輪的試制質量。

3 加工過程異常分析與處理

我司使用上述工藝方案進行了多批次的加工，當然也遇到了各種難點和異常，這里就試制過程中的兩種典型異常情況進行分析，并給出相應的解決方案。

3.1 慢走絲線割齒廓程序過切異常的分析與處理

在進行剛輪慢走絲線切割齒廓加工過程中，運行程序遇到了設備報錯程序過切異常的情況，導致設備無法正常加工。

針對該異常情況進行分析，慢走絲線切割加工時采用的是慢走絲線徑補償貼近工件理論輪廓線的加工方式，過切異常出現(xiàn)在最大線徑補償半徑rmax大于了工件理論輪廓最小Rmin該種情況的存在導致慢走絲無法通過齒廓最小結構而出現(xiàn)過切報警的情況。據(jù)此分析，剛輪是小模數(shù)齒輪結構其模數(shù)小于0.4 mm，齒廓結構非常小，其最小圓弧的半徑Rmin僅比慢走絲的線徑r略大。由于慢走絲線切割加工特性，為保證質量采用了割一修多的方式，如圖2所示采用的是割一修二共計三刀的加工方式。第一刀L1是高電壓大電流放電模式用于粗割去除材料，第二刀L2第三刀L3是半精割和精修，用于提高尺寸精度和表面粗糙度，其相應的程序線徑半徑補償存在以下關系r1＞r2＞r3，r1即是該程序條件下的最大線徑補償半徑rmax，進一步地分析發(fā)現(xiàn)第一刀線徑補償r1以及后續(xù)刀路與理論輪廓最小Rmin的大小關系為發(fā)現(xiàn)r1＞Rmin，同時其它刀路正常，即該情況導致過切異常。

根據(jù)上述異常我們針對性地解決，受限于當前設備硬件條件首先從程序方面進行了優(yōu)化，調整線徑補償rmax使其小于工件理論輪廓Rmin，同等火花放電條件下線徑補償縮小侵蝕了后序刀路的余量，為了保證齒廓質量必須同步增大后續(xù)半徑補償r2即火花放電條件不變時增大放電距離并適當降低放電電壓和電流以及調整脈寬。特別地對于最后一刀或者兩刀精修程序盡量保證放電加工余量和放電工況的穩(wěn)定性，以保證齒廓的尺寸和表面粗糙度。經(jīng)過多次參數(shù)調整，齒廓輪廓度可達到0.005 mm以內，表面粗糙度Ra0.4以內。

另一種理論上更方便可行的解決方案是換用更小半徑的電極絲。當電極絲半徑r遠小于輪廓最小Rmin，相應的程序半徑rmax也將小于Rmin，該異常會自動消失。當然該解決方案需配置更小線徑的電極絲和設備相應的眼模，同時對于更小線徑慢走絲設備精度也提出了一定的挑戰(zhàn)。

3.2 齒廓周向計量不一致異常的分析與處理

采用克林貝格齒輪測量中心測量剛輪齒廓如圖3所示，從周向眾多齒廓中均布挑選出N個齒進行測量，對于單個齒廓進行研究如圖4所示出現(xiàn)部分單個齒廓全部正向偏，部分單個齒廓全部負向偏，且正偏和負偏的齒數(shù)在齒圈上分布在大致180 °對向位置上，而部分齒廓又出現(xiàn)正負向輪廓波動，如圖5所示。

針對該異常情況進行分析，首先用測試加工法排除設備加工工況不穩(wěn)定導致在一個齒圈內實際加工出不同齒廓的情況，接下來可以假設齒圈內所有的齒廓實際加工質量是高度一致的。然后將剛輪上的齒在周向上均勻分布挑選出數(shù)個齒進行分析，這里以5個齒為例，如上圖5所示將剛輪理論齒廓置于笛卡爾坐標系中其齒圈圓心即為坐標圓心，1號齒與80號齒在X軸附近且大致相差180 °，而40號齒與120號齒在Y 軸附件也大致相差 180 °。

圖2 慢走絲線割齒廓示意圖

圖3 克林貝格齒輪測量中心計量剛輪齒廓

圖4 單個齒廓偏差

對于單個齒廓進行研究，其最大齒廓和最小齒廓代表單個齒與理論齒相比的最內側偏差和最外側齒廓，近似地將兩齒廓偏差代數(shù)相加，得出單個齒的偏差正負值，以1號齒為例ΔX1的正負值即代表1號齒齒廓的偏移方向，同理ΔY40即代表40號齒齒廓的偏移方向，綜合處理齒圈上的齒用（ΔX1+ΔX80），（ΔY40+ΔY120）分別表示整個齒圈在X向和Y向的偏移，近似地坐標（ΔX1+ΔX80，ΔY40+ΔY120）即為偏移后的齒圈圓心坐標。將偏移后的齒圈與理論齒圈進行對比會有兩處相交位置，可以預判在兩處相交位置的齒廓偏差最小。然后計量兩處相交位的齒廓，并用逼近法多檢幾個齒廓，證實了在兩處相交齒廓質量最好。根據(jù)全有或者全無原則有一個齒廓較好則假設所有齒廓都是好的。據(jù)此暫時給出結論該異常原因是齒圈齒廓發(fā)生了偏移，導致該異常的原因可能是線割齒廓前內外圓不同軸，或者線割時未對內圓準確分中等原因。

圖5 齒圈齒廓偏移分析

根據(jù)上述異常及原因分析針對性地進行質量控制，首先在一次裝夾時完成內外圓磨削工序，并進行計量記錄和跟蹤，保證內外圓同軸度及其與端面垂直度，線割加工時以圓為基準進行分中必要時多次分中校核圓心，最后加工出的剛輪進行齒廓計量，發(fā)現(xiàn)在整個齒圈內齒廓質量均較好且一致性也較好，均可以控制在0.005 mm以內，該異常得到了很好的解決。

4 結語

我司按照上述工藝方案已加工出多批次合格的諧波減速機剛輪，而且慢走絲線切割方案可以方便地切換不同齒形的剛輪，相較于插齒方案該方案精度更高且能保持很好的穩(wěn)定性，具有明顯的優(yōu)勢。

隨著慢走絲線切割設備、插齒等加工設備以及配套刀具的高速發(fā)展，諧波減速機核心零部件也涌現(xiàn)出多種多樣的加工方案，但更高精度、更穩(wěn)定的工藝方案仍需設備開發(fā)人員、工藝研究人員等工程技術人員持續(xù)不懈的共同努力。