高精度曲柄轴加工工艺分析

曾茂燕

（柳州职业技术学院机电工程系，广西 柳州 545006）

1 零件概述

1.1 零件的功用

在当前的减速机产品中，行星传动式减速机是发展的方向。这种减速机有体积小、承载能力大、高精度、高性能、低消耗、低振动等很多优点。日本帝人公司于1986年开始生产该RV减速机系列，广泛用于机器人、雷达及机床分度装置等领域。

偏心曲柄轴，是行星传动式减速机关键零件之一。该轴加工难度较大，其精度对减速机的品质影响很大，必须保证其加工精度。

曲柄轴的典型结构及技术要求，见图1所示。

图1 曲柄轴

从图中可以看出，其技术难点主要是曲柄偏心较小，但偏心精度却要求很高。这项技术问题如果得到解决，就可为该轴的加工乃至高精度曲柄摆线减速机的大量生产，带来很大影响。因此对于该轴的加工技术，必须认真加以研究。

1.2 加工工艺路线

曲柄轴的加工工艺路线如下：

（1）调质热处理；

（2）车端面取合总长43 mm，分别在两端面打中心孔，选用CA6140机床；

（3）采用一顶一夹的装夹方式粗、半精加工Φ10 mm、Φ12 mm的外圆，在轴两端倒角，留0.2 mm的磨削余量，车削1.1 mm宽的越程槽，选用CA6140机床；

（4）研磨中心孔；

（5）磨削两头Φ10 mm的轴颈至尺寸，选用M1432A机床；

（6）铣削键槽至尺寸，选用X52K机床；

（7）采用专用夹具的装夹方式车削偏心圆，留0.2 mm的磨削余量，选用CA6140机床；

（8）磨削偏心圆至尺寸，保证1.47±0.012 mm的偏心量，采用专用夹具，选用M1432A机床；

（9）终检。

1.3 具体工艺流程

（1）调质热处理。

（2）车右端面，打中心孔，取l=43.5 mm切断。

车左端面，打中心孔，取合总长43 mm。

（3）粗车Φ12 mm的外圆，一顶一夹的装夹方式（两处）。

（4）粗车Φ10 mm的外圆，一顶一夹的装夹方式（两处）。

（5）半精车Φ10 mm的外圆，两端倒角，采有一顶一夹的装夹方式（两处）。

（6）车越程槽，直径Φ 9.2 mm宽1.1 mm

（7）研磨中心孔。

（8）粗磨削右端Φ10 mm的轴颈（两处）。

精磨削Φ10 mm的轴颈（两处）。

（9）铣削键槽至尺寸，保证40-0.03mm。

（10）粗、半精车Φ15 mm（专用夹具）。

（11）粗、精磨Φ15mm，保证尺寸1.47±0.012mm。

2 加工余量、工序及毛坯尺寸的确定

偏心曲柄轴材料为45#钢，硬度207 HBS，生产类型为大量生产，采用圆棒料毛坯。根据以上资料及加工工艺，分别确定各加工表面的加工余量及确定毛坯尺寸。

2.1 直径加工余量

由工艺手册查得：磨削余量为0.2 mm，精磨余量为1/10的磨削余量，所以精磨余量为0.02 mm。粗磨余量为0.18 mm，半精车余量为1.3 mm，粗车余量为3 mm，则加工总余量

Z=0.02+0.18+1.3+3=4.5 mm。

2.2 计算各加工工序基本尺寸

精磨后工序的最大基本尺寸为Φ15 mm，其他各工序基本尺寸依次为：

粗磨15+0.02=15.02 mm；

半精车15.02+0.18=15.2 mm；

粗车15.2+1.3=16.5 mm；

毛坯16.5+3=19.5 mm。

查工艺手册可得，锻造毛坯公差为±2 mm，所以最终确定毛坯直径尺寸为22 mm，调质后的棒料先车一刀（ap=0.5 mm）去除黑皮等。

3 确定切削用量

3.1 车削用量

（1）粗加工。采用硬质合金车刀粗车外圆和端面的进给量：

刀尖圆弧半径rε=0.5 mm；

切削深度ap≤3 mm；

进给量 f=0.2～0.25 mm/r；

粗车后粗糙度达到Ra3.2 μm；

选用20 mm×30 mm（B×H）的刀杆。

（2）半精加工。采用硬质合金外圆车刀半精车的进给量：

刀尖圆弧半径rε=1.0 mm；

切削深度ap≤1 mm；

进给量f=0.11～0.15 mm/r；

半精车后表面粗糙度达到Ra1.6 μm。

（3）切削速度。

粗加工：查手册得ν＜42 m/min，根据ν=πdn/1 000，车削 Φ10 mm 时，n＜1 337 r/min，查 CA6140车床资料，选定转速为n=900 r/min。

车削Φ15 mm时，n＜891 r/min，选定转速n=710 r/min。

半精加工：查手册得ν＜50 m/min，车削Φ10 mm时，n＜1 592 r/min，选定转速为n=900 r/min；车削Φ15 mm时，n＜891 r/min，选定转速为 n=710 r/min。

3.2 磨削用量

（1）砂轮圆周速度的选择：采用一般的速度ν砂=35 m/s。

（2）工件圆周速度的选择：

在实际加工时，依工件直径的大小改变工件的转速，从而达到ν工/ν砂的一定比值。

（3）磨削深度的选择。对于外圆磨削，粗磨时t=0.02～0.05 mm；精磨时 t=0.005～0.015mm。

（4）纵向进给量的选择。粗磨时S纵=（0.5～0.8）B；精磨时 S纵=（0.2～0.3）B。

式中，B为砂轮宽度（mm）。

M1432A磨床的砂轮宽度为50 mm，所以，

粗磨时，S纵=（0.5～0.8）B=（0.5～0.8）× 50=25～40 mm；

精磨时，S纵=（0.2～0.3）× 50=10～15 mm。

根据粗磨的余量为0.18 mm，磨削深度t=0.02～0.05 mm，所以粗磨分3次进给完成：

第一次t=0.04 mm，f=25 mm；

第二次t=0.03 mm，f=25 mm；

第三次 t=0.02 mm，f=25 mm。

精磨的余量为0.02 mm，根据磨削深度t=0.005～0.001 5 mm，分2次精磨完成：

第一次 t=0.008 mm，f=12 mm；

第二次t=0.002 mm，f=12 mm。

4 切削力的计算

由于磨削过程复杂，影响磨削力的因素多，因此在生产中也常用测力仪或测力装置测定，也可根据电动机实际输入功率计算切向力Ft。

式中，

PE为磨头电动机实测输入功率，kW；

ηE为电动机传动效率；

ns为砂轮转速，r/s；

ds为砂轮直径，mm。

M1432A外圆磨床的参数：

外圆砂轮尺寸：外径×宽度×内径为Φ 400 mm×50 mm×Φ 203 mm；

电动机功率：主电动机4 kW，总容量7.5 kW；

电动机传动效率：ηE为85%；

砂轮转速：1 670 r/min，即 27.83 r/s，所以

Ft=（4×85%）/（π×27.83×400）×106=97.22 N

所测得的结果为平均值，不能测得瞬时值。

当磨削方式为外圆磨削，被磨材料为45#钢时，根据手册查得M1432A磨床的

Fn/Ft≈2.04，所以 Fn=2.04 Ft=198.33 N。

5 强度的计算

5.1 键联接的强度计算

静联接。

键、轴材料为钢，载荷性质为轻微冲击，所以

σp=(2T/d)/(h/2× l)=4T/hld≤[σ]p，

[σ]p=100～120 MPa。

取 100 MPa，则 4T/hld ≤ [σ]p，

式中，l=L-b/2=5-2=3 mm；h=2 mm。

所以 T ≤（[σ]p× h× l× d）/4=（100×2×3×10）/4=1 250 N·mm，即

[T]≤1 250 N·mm。

键联接工作时的扭矩

T=Ft× d/2=486.1 N·mm，

可以看到T＜[T]，所以满足要求。

5.2 螺栓联接的强度计算

（1）用于联接调节偏心与燕尾座的螺栓的强度计算。其主要的失效形式为受剪，主要受横向力作用。

剪切应力τ=（4 Fs）/（mπd02）≤[τ]。

在磨削过程中，磨削的法向力即为螺栓所受的剪力。[τ]为螺栓联接的许用应力。

螺栓挤压应力σs=Fs/hd≤[σ]jy。

Fs为螺栓受到的剪力，m为螺栓抗剪面数目。所受的是静载荷 [τ]= σs/[S]s。

选择螺栓材料为Q235钢，取螺栓性能级别4.6，根据手册，查得屈服极限

σs=240 MPa，[S]s=2.5，所以

[τ]=96 MPa。

螺栓工作时

τ=（4×99.17）/（1×π×82）=1.97 MPa，

可见τ＜[τ]，所以能满足要求。

（2）挤压应力的计算。钢 [σ]jy=σs/[S]P=218.18 MPa，[S]P=1～1.25，取 [S]P=1.1，工作时的挤压应力

σjy=Fs/hd=99.17/（6×8）=2.07 MPa，

h为螺栓的挤压高度。

可见 σjy＜[σ]jy，所以能满足要求。

6 结束语

通过对高精度曲柄轴的加工工艺进行了认真的分析研究，解决了该轴的加工技术难点，同时保证了加工精度。这项技术问题的解决，为该轴的大量生产提供了技术支持。

[1]赵如福.金属机械加工工艺人员手册[M].上海：上海科学技术出版社，2006.

[2]王先逵.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3]崔正昀.机械设计基础[M].天津：天津大学出版社，2000.

[4]周泽华.金属切削原理[M].上海：上海科学技术出版社，1993.