RV减速器摆线轮精密制造工艺分析
　　摘要
　　考虑RV减速器摆线轮精密制造的整个工艺过程，分析摆线轮的结构特性和使用工况要求，从工程角度出发，结合零件尺寸和形位的高精度要求，规划摆线轮从加工毛坯到成品测量的整套工艺流程。针对制造过程中影响零件性能的关键工序，从摆线齿廓的精密加工、零件材料选择与热处理方案、尺寸精度测量方案3方面，重点分析摆线轮制造过程中应注意的工艺方法选择、装夹定位基准控制、摆线参数设计、砂轮修整、热处理后材料金相组织分析及摆线齿廓精度评价等问题。为RV减速器中摆线类零件的设计与制造提供了借鉴和指导。
　　摆线轮是R V减速器（见案例1）的核心零件，在整个传动系统中位于第二级，零件具有高精度、低转速、高负载和高可靠性等特征。减速器产品设计时常采用两片摆线轮对称180°的结构方式布置，以平衡摆线轮运动产生的偏心载荷。摆线轮的制造精度要求达到微米级，以满足R V减速器的综合使用性能，对设备、工艺和人员的要求较高。
　　案例1 RV减速器
　　目前，针对摆线轮的学术研究主要集中在摆线齿廓的修形、摆线针动静力学的啮合特性及摆线齿廓精度检测与评价。J.G.Blanche通过建立考虑制造误差的数学模型，重点研究制造误差对摆线减速器回差和转矩波动的内在关系。轩亮对新型FA传动减速器摆线针轮部分的尺寸链进行分析，研究各部分尺寸链的构成及封闭环的计算方法，并进行实例验证。文献分别采用“偏心距+等距+移距”“等距+移距”及多点分段修形等方式，多角度对摆线齿廓进行修形研究，并对其修形效果进行验证。杨玉虎建立了R V减速器中摆线行星等机构精度分析的误差模型，揭示了机构中误差传递过程以及反馈误差与各构件原始误差的耦合关系。郑红结合摆线轮零件工程设计案例纸，从工艺制造流程及生产关键要素控制等环节入手，深入探讨了摆线轮的加工工艺，对工程实际生产有较大指导意义。付毅通过摆线传动与有限元分析，确定了摆线轮的材料、加工工艺及磨削余量，并设计热处理工装减少变量。王淑妍为获得高精度锥形摆线轮齿廓面，采用“圆弧砂轮”磨削加工，并进行理论和实物验证。邓效忠利用成型法精密磨削摆线，建立相应数学运动模型，重点对摆线廓线方法及砂轮实际修形轨迹进行分析。文献针对摆线轮实际加工过程的加工流程、工艺方案，修形方法和制造过程进行详细说明。为了减小摆线齿廓的测量误差，文献分别从测杆受力误差，安装轴线偏差及以节点为单齿参考点的测量方案，寻求更为精度的摆线齿廓制造误差。
　　通过以上分析，针对摆线轮的研究更多侧重于摆线齿廓的研究，缺乏对摆线轮精密制造工艺的系统分析。本文从工程角度出发，分析摆线轮的结构特征和使用工况要求，依据实际工程制造案例纸的设计要求，从摆线齿廓加工方法、材料选择与热处理方案、尺寸精度测量与评价3方面对摆线轮的精密制造工艺进行详细分析和介绍，为摆线类零件的精密制造提供了借鉴和指导。
　　01
　　结构特征与制造工艺流程
　　摆线轮位于R V减速器第二级传动位置，依托于减速器高精度、高承载等特点，摆线轮性能具体要求如举例：1所示，零件结构示意如案例2所示。3处曲柄轴孔承接第一级行星齿轮高转速低转矩输入的同时，连接第二级运动输出；外部摆线齿廓通过与针齿啮合实现第二级低转速大负载的传动；零件设计输入轴过孔和行星架过孔，以满足R V减速器结构紧凑的设计要求。
　　举例：1摆线轮性能要求
　　案例2零件结构示意案例
　　摆线轮关键加工尺寸如案例3所示，摆线轮的关键制造要素集中在左右两端面A、曲柄轴孔B和外摆线C，3处，制造难度和重要性如举例：2所示。
　　案例3摆线轮关键加工尺寸
　　举例：2关键制造要素分析
　　由举例：2可知，为保证R V减速器高精密传动要求，摆线轮需先加工左右端面A，再以A为基准加工3处曲柄轴孔B和外摆线C，尺寸和形位精度均控制在微米级。同时规范零件材料的晶相组织及热处理方案，满足高转矩、大速比和高可靠性的应用工况要求。
　　基于上述分析，提出摆线轮加工工艺流程如举例：3所示。
　　举例：3工艺流程制定
　　举例：3中介绍了摆线轮加工的标准工艺流程，该流程涵盖了该零件的整体制造脉络。虽然制造企业对工艺认知存在不同领域的侧重性和具体精密制造方法的差异性，但摆线轮精密制造最终均要落实到加工余量控制、加工基准选择以及装夹定位误差控制等方面。
　　加工余量控制主要涉及锻造毛坯放量、工序间加工余量分配、热处理变形及去材变形等。加工基准选择主要涉及关键尺寸要素之间制造衔接关系，精加工之前工序应多遵循互为基准的原则，控制形位精度一致性；精加工工序应多遵循基准统一原则，最大限度减少找正误差，保证零件最终案例纸要求。装夹定位误差控制主要为设计与零件精度要求相匹配的工装夹具，尽量保证关键制造要素的一次加工完成，最大限度降低机床、刀具及环境对零件精度的影响。
　　02
　　摆线齿廓加工
　　摆线齿廓加工精度直接影响R V减速器的综合性能，相关企业和高校已将研究重点集中于齿廓的精密加工。目前，摆线齿廓加工方法主要有铣削、电加工和磨削，根据零件不同阶段硬度与精度的加工要求，齿廓粗加工对精度和举例：面粗糙度要求不高，一般采用铣削和电加工，是利用数控程序插补实现零件渗碳淬火前齿廓开粗的加工方法；精加工一般采用磨削方法达到设计案例纸所要求的尺寸、形位精度与举例：面粗糙度，其主要难点具体为磨削方法、零件装夹定位、摆线齿廓参数设定及砂轮修整。
　　摆线磨削方法
　　摆线磨削方法类比齿轮加工，主要分为成型法和展成法，如案例4所示。
　　案例4摆线磨削方法
　　成型法和展成法加工时，砂轮主轴与零件回转主轴均呈90°布置，但成型法是在高精度编码器控制下，通过零件安装轴的高精度分度实现摆线齿廓的逐齿加工；展成法是在高精度伺服电机驱动下，精确控制零件安装轴转速实现摆线齿廓的连续加工。根据其加工原理的差异，采用成型法加工摆线需注意多个摆线齿之间的角度误差，而展成法加工摆线更多关注每个摆线齿自身的齿形公差。
　　零件装夹定位
　　零件装夹定位主要是根据既定的工艺路线与制造设备选择不同的装夹方案，摆线轮常用基准如案例5所示，主要涉及到装夹基准B和定位基准A和C。
　　案例5常用装夹定位基准
　　目前，适用于摆线的加工方案主要有2种。方案一是以基准B和C装夹零件，找正曲柄轴孔后压紧工件，实现摆线加工。该方案操作简单，但对曲柄轴孔与基准C的位置度要求高，目前部分精密磨削设备具备双主轴，可实现外齿廓和内孔的同时加工，保证摆线与曲柄轴孔的一次装夹加工完成，在这种情况下该工艺方法不仅简化工艺过程，提高加工效率，而且能够保证形位精度。方案二是以基准B和A装夹零件，直接压紧摆线轮后加工摆线，该方法最大好处是不再需要定位基准C作为中间基准，保证加工后摆线齿廓与曲柄轴的形位精度直接满足零件的实际使用要求，但主要难点在于工装的加工精度要与摆线轮精度相匹配；零件装夹时要保证工装与零件之间不存在定位间隙；且工装初始找正时，要保证定位基准A和机床回转主轴之间有较好的同轴度。
　　摆线齿廓参数设定
　　摆线齿廓参数设定主要涉及摆线齿廓的修形曲线和加工设备功能匹配。目前，摆线的标准齿廓曲线方程为：
　　式中：xc及yc为摆线齿廓坐标点；rp为针齿分度圆半径；rrp为针齿半径；θ为转臂相对于某一针齿中心矢量的转角；k1为短幅系数；iH为摆线轮与针轮的相对传动比；e为偏心距；ZI为针齿数；ZC为摆线齿数。
　　目前，专用磨削设备均配备摆线加工模块，基于传统修形方式，通过输入相应的摆线设计参数实现零件修形加工。针对类摆线或特殊曲线，还可通过特定曲线识别或者给定点坐标的方式进行加工，为保证最小曲率的加工要求，给定曲线时一般采用差值拟合的方式。应注意不同磨削设备齿廓曲线的识别要求，避免出现过切或干涉等问题。
　　砂轮修整
　　砂轮修整主要是通过砂轮修整器上的CBN滚轮将砂轮修整为所需摆线齿廓形状，目前主要有成型滚轮和CNC碟片2种修整方式，如案例6所示。
　　案例6砂轮修整滚轮
　　成型滚轮是将摆线齿廓复刻到滚轮举例：面，再用加工完成的成型滚轮对砂轮举例：面进行修整，最终将砂轮修整成摆线廓线。该方法齿形固定，适合大批量生产，但滚轮磨损后维修成本高。
　　CNC碟片外举例：面采用圆弧尖点形式，通过机床内部程序控制，直接用尖点将砂轮修整成摆线廓线。该方法形式灵活，可以实时调整摆线曲线，但修整效率低，受机床与环境状态影响较大。
　　03
　　材料选择与热处理方案
　　摆线轮材料选择时主要侧重于材料自身的淬透性及重载情况下的抗冲击特性。目前，常见材料为轴承钢（GCr15）及低碳合金钢（CrMn、CrMo合金）。
　　轴承钢（GCr15）广泛应用于轴承基体及R V减速器针齿销制造，满足强度承载要求，同时由于轴承、摆线轮和针齿整体的膨胀系数相同，选用该材料可提高摆线啮合精度的稳定性，但回火脆性大。低碳合金钢（CrMn、CrMo合金）广泛应用于行星齿轮减速器中，其热处理工艺方法成熟，适用于机器人减速器重载、变载荷的工况要求，而且材料牌号种类多，可选范围大，无回火脆性。
　　选取某减速器摆线轮样本，对其进行化学成分分析，结果如举例：4所示。通过C、Cr和Mo等核心成分与20CrMo和GCr15进行对比发现，其材料更接近于20Cr-Mo。同时，针对样本金相组织进行分析，如案例7所示。
　　举例：4摆线轮成分对比（Wt%）
　　案例7摆线轮金相组织
　　案例7（a）和（b）分别展示了零件在低倍条件下的形貌特征，可明显看出淬硬层深度，案例7（c）和（d）可看出零件在举例：面和心部金相组织的差异，心部回火托氏体+铁素体居多。
　　通过上述分析，摆线轮材料多偏向于低碳合金钢（CrMn、CrMo合金）材料，热处理工艺更多偏向于外部齿廓的渗碳和整体的淬火—回火。
　　04
　　尺寸精度测量与评价
　　摆线轮尺寸精度测试难点主要是测量外摆线齿形精度和曲柄轴孔与外摆线的位置精度。
　　外摆线齿形精度测量方法主要有三坐标逐点扫描法和光学投影法，将得到的曲线与修形目标摆线对比，得出齿廓精度范围。但这2种方法均有各自缺点，三坐标逐点扫描法属于多点接触测量，效率低，测头磨损快，受零件加工举例：面粗糙度影响大。光学投影法采用光源照射直接投影的方法获得零件的轮廓，受零件边缘加工质量（如倒角、毛刺等）影响大，易出现边缘对焦偏差，测量精度低于三坐标逐点扫描法。本文在严格把控举例：面粗糙度的情况下选用精度更高的三坐标逐点扫描法。
　　通过软件计算，可以得到实际测出的摆线曲线与理论曲线对比案例，如案例8所示。得到两条极限偏差曲线，两曲线间距离δ就是摆线齿廓的加工误差。
　　案例8摆线测量曲线
　　曲柄轴孔与外摆线的位置精度主要是在摆线测量模块的基础上，加入常规位置孔的测量，形成更为复杂的评价方法，不仅需要考虑摆线齿形，还要考虑曲柄轴孔的尺寸公差、圆度、多孔间分布精度及曲柄轴孔与外摆线的同轴度。由于涉及测量因素较多，该方面的高精度测量方案和评价方法有待于进一步研究和完善。
　　05
　　结论
　　本文针对R V减速器核心零件摆线轮展开研究，从结构特征与制造工艺流程、齿廓精密加工方案及工艺控制方法、加工常用材料及热处理方法、测量技术与评价4个方面详细阐述了摆线轮精密制造所涉及的关键技术，得出以下结论：
　　（1）摆线轮齿廓加工时，若采用成型法需注意多个摆线齿之间的角度误差，若采用展成法需注意每个摆线齿自身的齿形公差。
　　（2）成型滚轮适合大批量生产，但滚轮磨损后维修成本高；CNC碟片方法形式灵活，但修整效率低，受机床与环境状态影响较大。
　　（3）摆线轮材料多偏向于低碳合金钢（CrMn、CrMo合金）材料，热处理工艺更多偏向于外部齿廓的渗碳和整体的淬火—回火。
　　（4）三坐标逐点扫描法效率低，测头磨损快，受零件加工举例：面粗糙度影响大；光学投影法受零件边缘加工质量影响大，测量精度低于三坐标逐点扫描法。曲柄轴孔与外摆线的位置精度测量评价方法有待进一步完善。
　　经实际应用证明，依据本文介绍技术进行加工满足实际工况需求，为R V减速器摆线轮精密制造提供参考与借鉴。