精密減速器，尤其是 RV 減速機(jī)，是工業(yè)機(jī)器人中最為關(guān)鍵的功能部件，其精密制造成形已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)機(jī)器人研發(fā)與應(yīng)用的一項(xiàng)重大技術(shù)挑戰(zhàn)。在此基礎(chǔ)上針對(duì)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對(duì)高精度、高可靠性 RV 減速機(jī)需求，開展精密擺線輪冷精整擠壓加工成形工藝研究，分析擠壓精整量和擠壓次數(shù)對(duì)擺線輪廓精度的影響。研究結(jié)果表明，采用冷精整加工工藝可以制造出高精度的擺線輪，精整量是擺線輪廓精度最主要的影響因素，最優(yōu)精整量參數(shù)為 0.05 mm。此外，結(jié)合正反兩次擠壓能夠進(jìn)一步提升擺線輪廓精度。該工藝能夠顯著提升生產(chǎn)效率，大幅度降低制造成本，為擺線齒輪低成本快速精密加工成形提供了具有重要價(jià)值的指導(dǎo)。

　　“機(jī)器代人”是工業(yè)制造進(jìn)入智能化、自動(dòng)化不可避免的發(fā)展趨勢(shì)，也是體現(xiàn)著國(guó)家高端制造和科技水平的重要標(biāo)志，“中國(guó)制造 2025”是國(guó)家全面實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)政策，力求國(guó)家創(chuàng)造、創(chuàng)新能力增強(qiáng)，工業(yè)制造水平全面提升的戰(zhàn)略綱領(lǐng)。在我國(guó)制造行業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人需求量極其迫切，逐年上漲。截至 2021 年 11 月份，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人絕對(duì)產(chǎn)量高達(dá) 33 萬臺(tái)，較去年同比增長(zhǎng) 49%。然而，工業(yè)機(jī)器人主要關(guān)鍵零部件，尤其是高精密減速器依舊依賴進(jìn)口。在六關(guān)節(jié)自由度工業(yè)機(jī)械臂上，RV 減速器約占據(jù)整個(gè)機(jī)械臂成本的 35%。其中，擺線齒輪作為 RV 減速器中的核心傳動(dòng)零部件，其精密加工方式和千萬級(jí)別的昂貴特種加工機(jī)床設(shè)備需求，導(dǎo)致擺線輪的制造總成本在整機(jī)減速器中的占比十分巨大。

　　近年來齒輪的低成本精密成形加工一直是研究熱點(diǎn)方向，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞著直齒輪和擺線齒輪加工展開了眾多的研究。在擺線齒輪的傳統(tǒng)磨削加工上，SU 等均對(duì)磨削加工工藝參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)探索研究，但依然存在著傳統(tǒng)磨削加工方式時(shí)間周期長(zhǎng)、效率低的問題。另外，高速銑削也是一種新型加工方式，許建民利用五軸數(shù)控機(jī)床對(duì)擺線齒輪進(jìn)行輪廓端銑加工，戚厚軍等通過建立擺線齒輪模型，對(duì)擺線齒輪高速周銑進(jìn)行了彈性力和銑削力的預(yù)測(cè)，為控制高速銑削下的加工精度提供了理論依據(jù)和方法。3D 打印技術(shù)也被應(yīng)用到 RV 減速器的制造中，李下蹊等通過建模 3D 打印制備出擺線齒輪實(shí)物，但這種成形方式成本極高，并且存在結(jié)合強(qiáng)度低的風(fēng)險(xiǎn)，不適合大批量加工。此外，BIERNACKI提出利用塑料制備擺線齒輪的新方式。

　　與此同時(shí)，直齒輪和錐齒輪已經(jīng)逐步開始采用擠壓加工的方式，梁強(qiáng)等分別對(duì)載重汽車用直齒輪、錐齒輪和小型齒輪進(jìn)行了冷擠壓加工研究。復(fù)合冷擠壓加工具有高效性和高精度等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為齒輪精密成形的主要加工工藝。擠壓加工方式已經(jīng)成功應(yīng)用到直齒輪、錐齒輪和小型齒輪等領(lǐng)域，并且能夠達(dá)到高精度水準(zhǔn)。如果采用精整擠壓加工方法制造擺線齒輪，其快速擠壓成形將極大的降低擺線齒輪的制造成本。因此，本文提出一種新型的冷精整成形加工擺線齒輪工藝，并研究了不同擠壓加工精整量ΔD、擠壓次數(shù) n 對(duì)擺線齒輪精度的影響，優(yōu)化了擺線齒輪冷精整工藝參數(shù)，為擺線齒輪的快速精密成形提供了一種全新的加工方向。

　　一、擠壓加工原理

　　冷精整一般是指在室溫條件下對(duì)金屬精胚進(jìn)行擠壓加工，將前處理好的工件胚料放入開式凹模內(nèi)，在凸模快速的高壓作用下，達(dá)到金屬的屈服極限，迫使多余金屬?gòu)陌?、凸模間隙流出，從而獲得設(shè)計(jì)所需尺寸、形狀以及一定力學(xué)性能的擠壓件。冷擠壓在加工過程中具有以下顯著特點(diǎn)：生產(chǎn)效率高、節(jié)約原材料、能夠提高零件的力學(xué)性能、具有較高的尺寸精度。

　　在整個(gè)精整擠壓過程中，金屬表面和內(nèi)部都存在著較復(fù)雜的金屬流動(dòng)，根據(jù)塑性形變?cè)恚蓪D壓過程分為開始、基本和終了擠壓三個(gè)階段。并且在擠壓過程中主要存在三大區(qū)域，分別為Ⅰ已經(jīng)形變區(qū)域;Ⅱ形變區(qū)域;Ⅲ待形變區(qū)域，擠壓過程示意圖如圖 1 所示。同時(shí)在精整擠壓過程中采用性能良好的潤(rùn)滑劑，能夠使得金屬發(fā)生層流擠壓過程，最終能夠降低加工工件的表面粗糙度。

　　二、冷精整加工工藝

　　工藝流程

　　本文采用的多道冷精整工藝主要包括首先對(duì)毛坯進(jìn)行球化退火處理，降低硬度，改善冷精整加工性能，后進(jìn)行慢走絲線切割獲得擺線輪精坯。再緊接著對(duì)擺線輪精坯進(jìn)行磷化皂化處理，使得擺線齒輪表面覆蓋一層潤(rùn)滑層，潤(rùn)滑層能有效減小擠壓過程中的摩擦阻力，促使擠壓更加順利流暢的進(jìn)行。之后對(duì)已經(jīng)做好預(yù)處理的精坯擺線輪進(jìn)行多道冷精整加工，并在后續(xù)加工中進(jìn)行熱處理和磨料流拋光表面處理。完整的擺線輪冷精整加工工藝流程如圖 2 所示。

　　本文工藝采用的擺線齒輪材料為 45 鋼，其材料化學(xué)成分如表 1 所示，材料相對(duì)應(yīng)的機(jī)械性能如表 2 所示，加工擺線齒輪幾何參數(shù)如表 3 所示。擺線齒輪原始胚料為圓餅狀 45 鋼，該材料強(qiáng)度較高、塑性和韌性較好，適合擠壓加工成形。原始圓餅狀胚料經(jīng)慢走絲線切割加工成形至標(biāo)準(zhǔn)齒廓不同正偏差量，如圖 3 所示。冷精整加工制造采用佛山市康思達(dá)液壓機(jī)械有限公司提供的 Y32 系列重型工作臺(tái)液壓機(jī)，壓機(jī)液體最大工作壓力為 25 MPa。精胚擺線 齒輪與凸模通過定位銷定位，擺線齒輪上表面緊密貼合凸模，擠壓全程為勻速擠壓，擠壓完成后，擺線齒輪與凸模脫離，完成一道冷精整加工流程，其中冷精整裝配示意與實(shí)際加工如圖 4 所示。

　　工藝參數(shù)

　　本文對(duì)精胚擺線齒輪進(jìn)行冷精整加工，為研究冷精整參數(shù)對(duì)擺線齒輪輪廓精度影響，設(shè)計(jì)不同精整擠壓過盈加工量和精整次數(shù)，其中，擠壓加工精整量ΔD 范圍為 0.05～0.25 mm;擠壓次數(shù) n 分別為一次正精整擠壓和兩次正反復(fù)合精整擠壓，整體參數(shù)設(shè)計(jì)如表 4 所示。

　　三、結(jié)果與分析

　　采用三坐標(biāo)檢測(cè)儀(德國(guó)蔡司三坐標(biāo)檢測(cè)儀 ZEISS CALYPSO)測(cè)量完成精整加工的擺線齒輪整體輪廓精度，并以擺線輪理論輪廓為標(biāo)準(zhǔn)值。其中，單個(gè)擺線齒輪分別檢測(cè)距離最左端 1 mm、4.5 mm、 8 mm 三處位置的輪廓曲線，標(biāo)號(hào)分布為 1、2、3，如圖 5 所示。

　　擠壓精整量對(duì)輪廓精度的影響

　　在精整加工過程中，擠壓精整量是冷精整工藝中最重要的參數(shù)之一，直接影響整形后擺線齒輪的整體精度。通過三坐標(biāo)檢測(cè)的結(jié)果，在三處位置輪廓的整個(gè)擺線齒輪圓周分布范圍均勻隨機(jī)選取 6～ 8 個(gè)測(cè)量點(diǎn)偏差值，繪制偏差值與精整量之間的整體趨勢(shì)曲線。

　　圖 6 所示為擺線齒輪輪廓精度隨著不同擠壓精整量的變化?？傮w而言，擺線齒輪的整體輪廓總偏差隨著擠壓精整量的增大而增大的。擠壓精整量為 0.05 mm 的時(shí)候三個(gè)標(biāo)號(hào)處的平均偏差值僅為 0.06 mm，相比于未擠壓高達(dá) 0.14 mm 的偏差值，整體提升了 50%。而精整量為 0.1 mm 和 0.15 mm 的，輪廓總偏差較小，整體平均偏差值為 0.1 mm。當(dāng)精整量不低于 0.2 mm，輪廓精度偏差值均大于 0.12 mm，具有最低的輪廓精度。這主要是因?yàn)楫?dāng)擠壓精整量較小時(shí)，在擠壓精整過程中，整個(gè)擺線輪與凹模直接是發(fā)生微小塑性形變，切除多余微量金屬層，對(duì)整體不會(huì)造成過大損傷，在一定程度上能夠提高整體精度和表面粗糙度。當(dāng)擠壓精整量過大時(shí)，擠壓區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重的塑性形變，即影響到粗糙度又影響到整體精度。通過超景深光學(xué)顯微鏡觀測(cè)微小精整量 0.05 mm 和大精整量 0.25 mm 下的擺線齒輪表面 3D 形貌，如圖 7 所示。由圖可知，在微小精整量齒輪整體形貌較為平整，而在大精整量存在嚴(yán)重形變區(qū)域。這也說明在大精整量下齒輪表面形變程度大、形變區(qū)域多，進(jìn)而導(dǎo)致其整體精度偏低。因此，本文冷精整加工工藝的最優(yōu)精整量為 0.05 mm。

　　擠壓次數(shù)對(duì)輪廓精度的影響

　　此外，在精整加工過程中，擠壓次數(shù)對(duì)成形質(zhì)量也有著重要影響。本文針對(duì)擺線齒輪擠壓精整工藝，設(shè)計(jì)單次正精整擠壓(S-simple)和正反復(fù)合擠壓 (D-double)不同工藝研究，取不同精整量的平均偏差值，繪制偏差曲線。

　　圖 8 所示為在不同擠壓次數(shù)下對(duì)輪廓偏差隨精整量變化曲線圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在不同精整量不同厚度位置上，單次精整擠壓輪廓精度偏差值在各精整量梯度上的整體趨勢(shì)均大于正反兩次擠壓，這說明多次擠壓能夠進(jìn)一步提升整體輪廓精度。多次擠壓能夠在一定程度上提升輪廓精度，是由于單次擠壓時(shí)，存在有微小區(qū)域發(fā)生彈性形變，并不是塑性形變。當(dāng)齒輪完成單次擠壓后，發(fā)生彈性形變的部分會(huì)恢復(fù)，影響輪廓精度。而進(jìn)行正反兩次再次擠壓時(shí)，之前恢復(fù)未能擠壓的殘余區(qū)域?qū)⒈辉俅螖D壓掉，從而提升整體輪廓精度。從整體趨勢(shì)上看，呈現(xiàn)上升分布，當(dāng)微小精整量為 0.05～0.10 mm 時(shí)，正反兩次擠壓精度均優(yōu)于單次擠壓精度。當(dāng)精整量 為 0.10～0.15 mm 時(shí)，整體輪廓精度趨勢(shì)上升較為緩和，當(dāng)精整量大于 0.15～0.25 mm 處，整體偏差值上升加劇，輪廓精度最差。

　　此外，由圖 9 齒面粗糙度曲線可以看出，在相同的精整條件下，擺線齒輪的表面粗糙度隨著精整量的增大而增大，同時(shí)多次精整能夠提升齒面的表面質(zhì)量。例如，在精整量為 0.05 mm 下，正反兩次精整加工的齒面粗糙度為 2.84 μm，相比于僅單次精整的齒面粗糙度(3.35 μm)降低了 15%，說明多道精整能夠有效降低表面粗糙度從而提升整體輪廓精度。因此整體工藝應(yīng)采用微小精整量 0.05 mm 配合正反兩次多道精整，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)精度的擺線齒輪加工。

　　冷精整工藝結(jié)果

　　圖 10a 所示為采用精整量 0.05 mm 和經(jīng)過正反兩次精整加工工藝的實(shí)物結(jié)果，擺線齒輪整體平均輪廓精度能夠達(dá)到高精度級(jí)別，精度為 8 級(jí)以上。圖 10b 所示為傳統(tǒng)磨削加工成形的擺線齒輪。對(duì)比可知，雖然冷精整加工成形的擺線齒輪在整體精度、齒面粗糙度上輕微低于磨削加工，但是擠壓加工工序時(shí)間僅為 10 s，相比于目前效率最高特種機(jī)床耗時(shí)長(zhǎng)達(dá) 30 min 的擺線齒輪輪廓磨削工序，配合后續(xù)加工能顯著提升生產(chǎn)效率，大幅度降低加工平均成本。

　　四、結(jié)論與展望

　　本文采用冷精整加工工藝制造了 RV 減速器關(guān)鍵傳動(dòng)部件擺線齒輪，分析了精整量和擠壓次數(shù)對(duì)擺線齒輪輪廓精度的影響，并通過超景深光學(xué)顯微鏡對(duì)其表面 3D 形貌進(jìn)行了表征，得到如下結(jié)論。

　　(1) 冷精整量是擺線齒輪精整過程中的主要影響因素，采用大精整量的進(jìn)行精整擠壓時(shí)容易發(fā)生不可逆的損傷性塑性變形。本文采用精整量為 0.05 mm 冷精整加工制造出的擺線齒輪輪廓精度最高。

　　(2) 相比于單次精整，正反兩次精整通過再次擠壓殘余區(qū)域，能夠進(jìn)一步提升擺線齒輪整體輪廓精度。

　　(3) 本文提出的冷精整加工工藝加工擺線齒輪，能夠制造出高精度的擺線齒輪，同時(shí)整體制造成本低、加工周期短，為擺線齒輪低成本快速成形加工提供了一種新的加工手段。