RV減速機(jī)行星架剛性盤組件精加工研究

□ 郭 霜 □ 周 丹 □ 程中甫

1.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室 廣東珠海 5190702.廣東省制冷設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)企業(yè)重點實驗室 廣東珠海 519070

1 研究背景

RV減速機(jī)是由行星齒輪減速機(jī)構(gòu)和擺線針輪減速機(jī)構(gòu)組成的兩級精密減速機(jī),具有體積小、傳動比范圍大、使用壽命長、效率高等特點,廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、機(jī)床、航空航天等領(lǐng)域[1]。行星架剛性盤組件是RV減速機(jī)的核心支撐部件,結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高,其加工精度和質(zhì)量穩(wěn)定性一直是RV減速機(jī)實現(xiàn)國產(chǎn)化的難題[2]。筆者針對某款RV減速器的行星架剛性盤組件,結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有資源，采用高精度立式加工中心進(jìn)行鏜銑加工，采用數(shù)控外圓磨床進(jìn)行外圓和端面磨削,取得了較好的加工效果。

2 行星架剛性盤組件結(jié)構(gòu)

某款RV減速器行星架剛性盤組件的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。這一行星架剛性盤組件由行星架和剛性盤裝配而成,各結(jié)構(gòu)的尺寸、圓度、圓柱度、同軸度要求很高[3-4]，包含定位銷孔、偏心軸孔、主軸承位、螺栓孔等加工部位。

偏心軸孔用于裝配和支撐偏心軸系,主軸承位用于裝配主軸軸承,承載減速機(jī)各核心傳動軸承負(fù)載。偏心軸孔圓度、圓柱度均要求在0.005 mm以內(nèi),兩偏心軸孔孔距公差為±0.003 mm，主軸承位平面度要求為不大于0.005 mm。

▲圖1 行星架剛性盤組件結(jié)構(gòu)

3 精加工工藝方案

行星架剛性盤組件為中空回轉(zhuǎn)體框架結(jié)構(gòu),由行星架和剛性盤裝配而成，主要精加工位置為偏心軸孔、主軸承位、定位銷孔等。若采用常規(guī)的先銑削再磨削工藝方案，則加工質(zhì)量不穩(wěn)定,且存在反復(fù)組裝后精度大幅降低的情況。經(jīng)過批次試制，改進(jìn)后的工藝流程如下:分別磨削行星架、剛性盤端面，組裝行星架、剛性盤，磨削主軸承位，鉆鉸定位銷孔,加工卡簧槽、鏜銑偏心軸孔[5]。

具體的精加工工藝方案如下：① 保證兩零件端面的平面精度,確保行星架、剛性盤組裝時貼合面精度；② 進(jìn)行螺栓鎖緊裝配,裝配時注意螺栓鎖緊力進(jìn)行分階段加力,并做好鎖緊力的控制；③ 磨削組件的主軸承位[6-7],保證軸承位的平面度和外圓圓度、圓柱度；④ 在高精度坐標(biāo)鏜床上鉆鉸定位銷孔,以保證組件反復(fù)拆裝后具有較高精度和一致性；⑤ 加工卡簧槽,鏜銑偏心軸孔。這一精加工工藝方案通過高精度磨床加工保證基準(zhǔn)位高精度,減小工序銜接過程中的裝夾誤差。精密磨床、精密坐標(biāo)鏜床等設(shè)備自身的高精度確保了行星架剛性盤組件的加工精度和質(zhì)量穩(wěn)定性。

4 加工誤差分析

行星架剛性盤組件是組合部件,有主軸承位、偏心軸孔等軸承安裝位,結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度高。在試制過程中會出現(xiàn)各種加工誤差,筆者以其中典型的三種加工誤差為例進(jìn)行分析。

4.1 偏心軸孔同軸度誤差

行星架剛性盤組件的兩偏心軸孔出現(xiàn)波紋狀振紋,如圖2所示。偏心軸孔的行星架段和剛性盤段的同軸度超差。

▲圖2 偏心軸孔波紋狀振紋

針對誤差情況進(jìn)行分析,出現(xiàn)波紋狀振紋是由于加工過程中刀具和工件之間發(fā)生了相對振動。偏心軸孔的加工刀具為鏜刀,精鏜進(jìn)刀量較小,鏜刀直徑大于25 mm，剛性好。工件為中空型腔結(jié)構(gòu),由行星架、剛性盤裝配而成，當(dāng)壓板僅壓住行星架下端時,鏜削加工受力形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。主切削力FZ為：

(1)

式中：C為與工件材料、刀具有關(guān)的因數(shù)；ap為進(jìn)刀量；f為進(jìn)給量。

ap的指數(shù)x近似等于1，f的指數(shù)y為0.75～0.9,表明ap對主切削力FZ的影響比f大,因此可以適當(dāng)減小精鏜進(jìn)刀量ap，增大進(jìn)給量f。為了保證工件的固定穩(wěn)定性,當(dāng)上下端面均用壓板壓緊時,需避免壓力過大造成工件夾持變形。

以下分析偏心軸孔上端剛性盤部分圓柱孔與下端行星架圓柱孔同軸度超差。根據(jù)同軸度的定義,同軸度指被測軸線相對于基準(zhǔn)軸線位置的變化量,兩軸的偏離通常是三種情況的綜合:被測軸線彎曲、被測軸線傾斜、被測軸線偏移。偏心軸孔同軸度簡化模型如圖3所示。對簡化模型進(jìn)行分析，上端剛性盤圓柱孔發(fā)生傾斜,下端行星架圓柱孔無異常。當(dāng)以下端行星架圓柱孔軸線為基準(zhǔn)時,同軸度偏差為Δ1。當(dāng)以上端圓柱孔軸線為基準(zhǔn)時,兩圓柱孔同軸度偏差Δ2為Δ1H/L1,同軸度偏差顯著變大,且變大倍數(shù)為H/L1。結(jié)合結(jié)構(gòu)特殊性,行星架、剛性盤的圓柱孔段高度均較小,但組裝后H值較大,測量時采樣點的局限性導(dǎo)致了偶然誤差的增大,結(jié)構(gòu)特性則進(jìn)一步放大了誤差。

▲圖3 偏心軸孔同軸度簡化模型

據(jù)此進(jìn)行工藝改進(jìn)。采用上下夾持的方案,通過壓板對行星架、剛性盤壓緊,用扭力扳手控制壓緊力,避免造成工件變形。適當(dāng)減小精鏜進(jìn)刀量，增大進(jìn)給量,在盡量減小切削力的同時仍能保持較高的加工效率。在做好上述措施的同時,對同軸度的計量方案進(jìn)行改進(jìn),擴(kuò)大采點范圍,增加采點數(shù)量。采取上述措施后，偏心軸孔的加工效果如圖4所示。偏心軸孔同軸度質(zhì)量明顯改善，并達(dá)標(biāo)[8]。

4.2 偏心軸系高度誤差

行星架剛性盤組件實際加工中出現(xiàn)了偏心軸系高度超差情況,且多次測量數(shù)據(jù)不一致，多件加工質(zhì)量不穩(wěn)定。

行星架剛性盤組件的偏心軸系高度指剛性盤卡簧槽上端面和行星架止推面之間的距離,實際使用過程中，這兩處位置分別限制偏心軸系的兩端?？ɑ刹蹫榄h(huán)形窄深槽結(jié)構(gòu),難以觀察其端面實際加工質(zhì)量,且測量難度大。止推面一側(cè)為凸出臺階位,觀察及測量均較為方便。常規(guī)的工藝方案為卡簧槽采用勾槽刀加工,止推面采用端面平銑刀加工。為了保證偏心軸系高度的精度和加工質(zhì)量的一致性,工藝方案變更為采用具有端面切削能力的勾槽刀,同一把勾槽刀既加工止推面又加工卡簧槽,但實際測量時仍出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)不一致、加工質(zhì)量不穩(wěn)定的情況。用線切割設(shè)備將工件切開，觀察卡簧槽上下端面,發(fā)現(xiàn)上下端面均有較大的翻邊毛刺,且較難去除。出現(xiàn)翻邊毛刺的原因是先加工卡簧槽,鏜孔余量大且鏜孔過程中切屑向卡簧槽內(nèi)翻轉(zhuǎn)?？ɑ刹蹫檎畈?工件清洗過程中無法去除毛刺,導(dǎo)致偏心軸系高度值不穩(wěn)定。

▲圖4 偏心軸孔加工效果

如果采用先鏜削偏心軸孔再加工槽的工藝,那么加工卡簧槽時加工量大，且切削力大，會造成偏心軸孔質(zhì)量不合格。嘗試進(jìn)一步優(yōu)化工藝,先粗鏜偏心軸孔，再加工卡簧槽，最后精鏜偏心軸孔,這一工藝方案在很大程度上減少了翻邊毛刺，但仍有精鏜留下的翻邊微小毛刺,且難以清理。最終采用首先粗鏜偏心軸孔,然后加工卡簧槽，再精鏜偏心軸孔，最后空余量加工卡簧槽去除毛刺的工藝方案,既保證偏心軸孔的精度，又避免卡簧槽內(nèi)產(chǎn)生毛刺,偏心軸系高度誤差得到了有效控制。行星架剛性盤組件加工現(xiàn)場如圖5所示。

▲圖5 行星架剛性盤組件加工現(xiàn)場

4.3 組件拆裝后精度誤差

行星架剛性盤組件加工完成時質(zhì)量較好，但RV減速器裝機(jī)過程中多次組裝后,精度明顯下降[9-10]。

對行星架剛性盤組件的定位、連接情況進(jìn)行具體分析,組件由兩個定位銷孔進(jìn)行準(zhǔn)確定位，再由四個螺栓鎖緊,拆裝過程中組件的重復(fù)精度由定位銷孔定位精度決定。當(dāng)圓柱銷定位采用間隙配合時，由于存在銷孔間隙，精度較低。如采用過盈配合，則拆裝難度大，且重復(fù)性差,因此通常采用錐銷定位。然而采用錐銷定位后精度仍然常有波動,因此對錐銷定位進(jìn)行分析,如圖6所示。銷孔的實際錐度比為1∶n1，n1為錐孔錐度。錐銷的錐度比為1∶n2，n2為錐銷錐度。兩者之間存在一定的差異。錐孔為錐鉸刀成型加工，其錐度由錐鉸刀決定。錐銷為磨削加工，一般采用標(biāo)準(zhǔn)件。評估銷孔的錐度采用計算式(d2-d1)/(Z2-Z1)，d1為銷孔下端直徑，d2為銷孔上端直徑，Z1為銷孔下端對應(yīng)高度值，Z2為銷孔上端對應(yīng)高度值。當(dāng)n1大于n2時,銷孔和錐銷為上端線接觸，下端存在間隙,間隙值為(1/n2-1/n1)(Z2-Z1)。當(dāng)n1小于n2時,銷孔和錐銷為下端線接觸，上端存在間隙,間隙值為(1/n1-1/n2)(Z2-Z1)。由此可見，可以用計算式|1/n2-1/n1|(Z2-Z1)/2來評估錐銷定位的重復(fù)精度。

▲圖6 錐銷定位分析

采取針對性控制措施,由于錐銷采用外圓磨床加工,錐度相對容易控制,因此可以先加工錐孔再配磨錐銷。采取上述控制措施后,行星架剛性盤組件的拆裝定位重復(fù)性得到了有效改善,各項精度均滿足要求。

5 結(jié)束語

RV減速機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、航空航天等領(lǐng)域,行業(yè)的發(fā)展和產(chǎn)品的更新迭代對RV減速機(jī)及其零部件提出了更高效率、更高精度的要求,促使工程技術(shù)人員在設(shè)計加工方案時精益求精。筆者對RV減速機(jī)行星架剛性盤組件精加工進(jìn)行研究，有效保障了行星架剛性盤組件的加工精度和質(zhì)量穩(wěn)定性。