一种用于工业机器人的薄壁轴承的加工方法与流程

本发明涉及轴承加工领域，具体涉及一种用于工业机器人的薄壁轴承的加工方法。

背景技术：

现代工业机器人的方向发展趋于轻型化，这就要求与其配套的轴承具有更加轻便的结构。由于轴承要在有限的安装空间里满足工业机器人主机对轴承承载能力、精度、刚度和摩擦力矩的性能要求，选用标准的通用轴承很难满足这种要求，而薄壁轴承追求外形极限尺寸，具有重量轻、体积小、精度高、寿命长等优良性能，能够很好地解决这一问题。

工业机器人专用轴承主要有等截面薄壁轴承、薄壁交叉圆柱滚子轴承、RV减速器用轴承及谐波减速器用轴承等，它们大多采用非标准、多滚动体等设计原则。

1.等截面薄壁轴承与普通轴承不同，该种轴承每个系列中横截面大多为正方形，且尺寸被设计为固定值。在同一个系列中横截面尺寸是不变的，它不随内径尺寸增大而增大，故称之为等截面薄壁轴承。等截面薄壁球轴承包括薄壁四点接触球轴承系列，薄壁角接触球轴承系列和薄壁深沟球轴承系列三种系列，多被应用于工业机器人的腰部、肘部、腕部。

在内径尺寸相同的情况下，薄壁等截面球轴承比标准滚动轴承装的钢球数多，因此改善了轴承内部受力分布，减小了钢球与沟道接触处的弹性变形，提高轴承的承载能力。

2.薄壁交叉圆柱滚子轴承内部结构采用滚子呈90°相互垂直交叉排列，单个轴承能同时承受径向力、双向轴向力与倾覆力矩的共同作用，滚子之间装有间隔保持器或者隔离块，可以防止滚子的倾斜或滚子间的相互磨察，有效防止了摩擦力矩的增加。另外，滚子垂直交叉排列的结构可以避免滚子的锁死现象；同时又因为轴承内外圈是分割的结构，间隙可调，即使被施加压力，也能获得较高的旋转精度。

薄壁交叉滚子轴承以其轻型结构与良好的性能主要用于机械手臂、关键式机器人肩部、腰部、臀部等。

RV减速器又称精密轴承减速器，它以其体积小，抗冲击力强，扭矩大，定位精度高等诸多优点被广泛应用于工业机器人。对于RV减速器，轴承的外形结构、精密定位是其结构紧凑、刚性优良、传动精密关键因素，RV减速器轴承包括多种薄壁轴承系列及圆柱滚子保持架组件系列。

谐波减速器是一种靠波发生器使柔轮产生可控弹性变形，利用薄壁轴承可控的弹性变形来传递运动和动力的，其特点是结构紧凑、运动精度高、传动比大，多用于中小转矩的机器人关节。薄壁轴承是谐波减速器的核心部件，通过轴承的弹性变形达到高减速比的要求，而且，谐波减速器寿命主要取决于薄壁轴承寿命。薄壁轴承工作中随柔轮的弹性变形不断的发生变化，不仅承受循环应力载荷，而且承受交变应力载荷，是上述轴承中最难设计制造的专用轴承。

目前，洛阳轴研科技股份有限公司（轴研所）早在“七五”期间首次展开机器人技术攻关，承担了其中的子课题《机器人专用轴承的开发研究》，对焊接、喷涂、装配机器人用薄壁四点接触球轴承和薄壁交叉圆柱滚子轴承进行了设计、试制、性能检测及寿命试验，与德国YAO及日本THK同类轴承对比结果，达到了国际同类产品技术水平。近年来，轴研科技股份有限公司对薄壁轴承的结构特点、刚度、精度、摩擦力矩、预紧和应用等进行探讨，定性分析了薄壁轴承设计要考虑的问题和轴系支承刚度对轴承变形的影响，为国内工业机器人专用配套轴承的系列开发提供了有力的技术支撑和研究基础。

洛阳LYC轴承公司针对谐波传动用薄壁轴承的类型、结构特点、轴承材料及热处理工艺、尺寸公差和旋转精度、滚动体精度、游隙、检验方法等进行了深入研究。河南科技大学提出了轻量化绿色化长寿命薄壁四点接触球轴承的结构设计方法，研究了轴承有效壁厚与承载能力、启动摩擦力矩等关键性能指标之间的关系，找到了保证寿命与可靠性条件下的最小壁厚，从而提高轴承材料利用率、降低轴承重量，节约能源，性能指标超过了国外同类产品。

北京谐波技术研究所在考虑到薄壁轴承工作特点、滚动体离心力作用以及EHL油膜影响的前提下，提出了一种分析计算薄壁轴承载荷分布和接触应力的方法，对于按照动负荷能力来计算薄壁轴承的许用载荷具有一定意义。

洛阳维斯格轴承、洛阳鸿元轴承、上海烈力轴承等单位也都凭借自己研发生产的工业机器人专用配套轴承或应用工程项目活跃在当今国内外工业机器人专用轴承市场上。此外，一些科研院所和大学也均在进行高端工业机器人轴承制造技术及应用项目方面的研发工作。

现有洛阳轴研科技股份有限公司申请的专利《一种工业机器人专用薄壁主轴承》，浙江五洲新春集团股份有限公司申请的专利《一种机器人轴承及其生产工艺》，瓦房店轴承集团有限责任公司申请的专利《一种用于工业机器人的转盘轴承》等。

工业机器人因其重复精度高、可靠性好、抗恶劣环境能力强等优点，已经在汽车制造等多个领域广泛应用。工业机器人的普及应用是汽车企业实现自动化生产，提高产品质量和生产效率，节约劳动力和制造成本、增强行业竞争力的有效手段。国内工业机器人配套轴承大部分依靠进口，少数厂家虽然生产制造工业机器人配套轴承，但批量小、品种规格少，零部件通用化程度低，供货周期长，成本高，而且质量不稳定，这些因素严重制约了国内工业机器人产业的正常发展。所以本项目正是针对这种亟待解决的问题进行深入研究，为提高我国工业机器人轴承的生产制造贡献力量。

我公司现通过技术创新，对制约我国工业机器人发展的关键部件——专用配套薄壁轴承进行深入研究，包括薄壁轴承的动态质量高精度检测技术、套圈微变形热处理工艺、基于磨削变质层控制的轴承套圈精磨加工工艺、负游隙的精准控制技术、精准装配技术、套圈内外径非接触测量技术和轴承综合性能试验技术，使其满足薄壁轴承设计生产要求。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出一种用于工业机器人的薄壁轴承的加工方法。

本发明的技术方案：

一种用于工业机器人的薄壁轴承的加工方法包括薄壁内圈加工流程、薄壁外圈加工流程、拉顶装配流程、检验流程；具体在于：

1、薄壁内圈加工流程为：

1.1内圈车加工，对内圈坯料依次进行外径车加工、内径车加工、两端面车加工、倒角车加工，经过对坯料的车加工得到内圈件，所述内圈件的外侧车加工有外圈倒角和内圈倒角。

1.2热处理，将步骤1.1中的内圈件，按照工艺要求进行淬回火处理。

1.3磨加工，对经过热处理后的内圈件，依次进行粗磨内径、粗磨外径、精磨内径、精磨外径、终磨滚道、终磨内径；经过磨削加工后得到薄壁内圈，所述薄壁内圈的外圆周面上磨加工有滚道。

2、薄壁外圈加工流程为：

2.1外圈车加工，对外圈坯料依次进行外径车加工、内径车加工、两端面车加工、倒角车加工，经过对坯料的车加工得到外圈件，所述外圈件的外侧车加工有外圈倒角和内圈倒角。

2.2热处理，将步骤2.1中的外圈件，按照工艺要求进行淬回火处理。

2.3磨加工，对经过热处理后的外圈件，依次进行粗磨内径、粗磨外径、精磨内径、精磨外径、终磨外径及外圈R角、终磨倒角、终磨滚道；经过磨削加工后得到薄壁外圈，所述薄壁外圈的内圆周面上磨加工有滚道，所述薄壁外圈的外圆周面上磨加工有外圈R角。

3、拉顶装配流程为：将薄壁内圈套装入薄壁外圈内，所述拉顶装配是采用装配工装同时作用于薄壁外圈和薄壁内圈，沿径向产生外圈拉力和内圈顶力；所述薄壁外圈在装配工装的外圈拉力作用下，发生椭圆变形；所述薄壁内圈在装配工装的内圈顶力作用下，发生椭圆变形；所述薄壁外圈长轴方向与薄壁内圈短轴方向在装配工装的作用下，形成装配段；通过装配段将多个钢珠逐一装填到滚道内部。

4、检验流程为：用手感检测，薄壁轴承运转应轻快、自如、无杂音，其内外径尺寸精度及旋转精度用仪器检测符合P4级质量要求；其装配工装的外圈拉力椭圆长轴、内圈顶力椭圆短轴尺寸精度用仪器检测符合工艺标准要求。

所述外圈倒角、内圈倒角采用在热处理之前进行车加工完成。

所述薄壁外圈的外圆周面上的外圈R角通过磨削工艺加工成型。

所述装配工装通过外圈拉力和内圈顶力，使得薄壁内圈、薄壁外圈的变形处于最小状态时，就能装入全部钢球。

所述装配段在装填最后几颗钢球时，变形后薄壁外圈的椭圆形长轴和变形后薄壁内圈的椭圆形的短轴在同一方位，确保薄壁外圈和薄壁内圈的变形量最小。

用于工业机器人的薄壁轴承包括有同轴间隔布置的外圈和内圈，外圈与内圈之间装设有保持架，保持架镶嵌有滚珠，内圈的外周壁和外圈的内周壁分别成型有滚道，保持架开设有用于镶嵌滚珠的兜孔，保持架的其中一端面对应各兜孔分别开设有球槽，外圈外径为 d wj ，内圈内径为 d NN ，内圈与外圈的宽度相等且分别为 b j ，滚珠直径为 d g ，内圈和外圈的壁厚分别为δ wj ，内圈的滚道圆弧半径与外圈的滚道圆弧半径相等且分别r j ，内圈的滚道中心直径和外圈的滚道中心直径相等且分别为 d j ，外圈的滚道深度为 h wj ，内圈的滚道深度为 h Nj ，外圈内径为 d WN ，内圈外径为 d NW ，球槽宽度为 b c ，兜孔半径为 r b ，兜孔的中心距离保持架另一端面的高度为h b ，保持架的宽度为b b ，保持架的外圆直径为d wb ，保持架的内圆直径为d Nb ，r j =0.51d g ，d WN =d wj -2δ wj ，d j =（d wj +d NN ）/2，h wj =（d j +2r j ）-d WN ，h wj =h Nj ，d NW = d NN +2δ wj ，b c =（0.8~0.9）d g ，r b =（0.53~0.54）d g ，b b =（0.9~0.95）b j ，h b =0.5b b ，d wb =d WN -2θ max ，d Nb =d NW +2θ max ，其中，θ 为保持架与外圈之间以及保持架与内圈之间的间隙距离。

本发明的优点是薄壁轴承的倒角在热处理前完成，而不是在粗磨后车加工，可减少车加工的应力及毛刺，而外圈外径面的外圈R角经磨加工而成，而不是车加工成一般的倒角，一则薄壁外圈的外径面与端面过渡更圆滑，二则应力分布更好也更小；装配钢球时和一般的轴承装配不同，其钢球多达23颗，必须要使薄壁内圈、薄壁外圈同步变形后，才能将全部钢球装入，而本项目采用拉外圈顶内圈方式，使得薄壁外圈变形最小时就能将全部钢球装入，其原理是使得薄壁外圈的变形在椭圆形的长轴一端装入钢球，同时其椭圆形的另一长轴端也被钢球紧密贴合；进一步的，薄壁内圈在放入钢球之处正好是变形了的短轴处，此时的两圈变形最小；使用工装采用拉外圈顶内圈方式装配钢球，使得磨加工时的工装简单，几乎与非薄壁的轴承工装无差别，装配工装制造加工要求低，单位制造成本低；磨加工时的调试方法简单稳定，提升效率和品质；磨削薄壁外圈外径时形成外圈R角，使得外径面与端面圆滑过渡，对与之紧配合的柔轮之间无任何刮伤可能，并且应力残余较小，对薄壁轴承及整个谐波减速机的品质和可靠性有很大改善；装配时的拉顶工艺使得外圈变形残余应力降到最低，因为这种拉外圈顶内圈的工艺使得装配放入钢球时形成了所必须的外圈最小变形量，故大大降低了因装配带来的残余应力，也有效保证了产品的寿命。

附图说明

图1为本发明实施例所公开一种薄壁轴承剖视图示意图。

图2为本发明实施例所公开一种薄壁轴承薄壁内圈剖面示意图。

图3为本发明实施例所公开一种薄壁轴承薄壁外圈剖面示意图。

图4为本发明实施例所公开一种薄壁轴承加工工艺示意图。

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

1．薄壁外圈 2．薄壁内圈 3．钢珠 4．装配段

5．滚道 6．外圈倒角 7．内圈倒角 8．外圈R角

9．外圈拉力 10．内圈顶力。

具体实施方式

参照图1、图2、图3和图4，本发明提供了一种用于工业机器人的薄壁轴承的加工方法，包括薄壁内圈加工流程、薄壁外圈加工流程、拉顶装配流程、检验流程；

1、薄壁内圈2加工流程为：

1.1内圈车加工，对内圈坯料依次进行外径车加工、内径车加工、两端面车加工、倒角车加工，经过对坯料的车加工得到内圈件，所述内圈件的外侧车加工有外圈倒角6和内圈倒角7。

1.2热处理，将步骤1.1中的内圈件，按照工艺要求进行淬回火处理。

1.3磨加工，对经过热处理后的内圈件，依次进行粗磨内径、粗磨外径、精磨内径、精磨外径、终磨滚道、终磨内径；经过磨削加工后得到薄壁内圈2，所述薄壁内圈2的外圆周面上磨加工有滚道5。

2、薄壁外圈1加工流程为：

2.1外圈车加工，对外圈坯料依次进行外径车加工、内径车加工、两端面车加工、倒角车加工，经过对坯料的车加工得到外圈件，所述外圈件的外侧车加工有外圈倒角6和内圈倒角7。

2.2热处理，将步骤2.1中的外圈件，按照工艺要求进行淬回火处理。

2.3磨加工，对经过热处理后的外圈件，依次进行粗磨内径、粗磨外径、精磨内径、精磨外径、终磨外径及外圈R角8、终磨外圈倒角6、终磨滚道5；经过磨削加工后得到薄壁外圈1，所述薄壁外圈1的内圆周面上磨加工有滚道5，所述薄壁外圈1的外圆周面上磨加工有外圈R角8。

3、拉顶装配流程为：将薄壁内圈2套装入薄壁外圈1内，所述拉顶装配是采用装配工装同时作用于薄壁外圈1和薄壁内圈2，沿径向产生外圈拉力9和内圈顶力10；所述薄壁外圈1在装配工装的外圈拉力9作用下，发生椭圆变形；所述薄壁内圈2在装配工装的内圈顶力10作用下，发生椭圆变形；所述薄壁外圈1长轴方向与薄壁内圈2短轴方向在装配工装的作用下，形成装配段4；通过装配段4将多个钢珠3逐一装填到滚道5内部。

4、检验流程为：用手感检测，薄壁轴承运转应轻快、自如、无杂音，其内外径尺寸精度及旋转精度用仪器检测符合P4级质量要求；其装配工装的外圈拉力9椭圆长轴、内圈顶力10椭圆短轴尺寸精度用仪器检测符合工艺标准要求。

所述外圈倒角6、内圈倒角7采用在热处理之前进行车加工完成。

所述薄壁外圈1的外圆周面上的外圈R角8通过磨削工艺加工成型。

所述装配工装通过外圈拉力9和内圈顶力10，使得薄壁内圈2、薄壁外圈1的变形处于最小状态时，就能装入全部钢球。

所述装配段4在装填最后几颗钢球时，变形后薄壁外圈1的椭圆形长轴和变形后薄壁内圈2的椭圆形的短轴在同一方位，确保薄壁外圈1和薄壁内圈2的变形量最小。

本发明的具体实施操作步骤是：薄壁轴承的倒角在热处理前完成，而不是在粗磨后车加工，可减少车加工的应力及毛刺，而外圈外径面的外圈R角经磨加工而成，而不是车加工成一般的倒角，一则薄壁外圈1的外径面与端面过渡更圆滑，二则应力分布更好也更小；装配钢球3时和一般的轴承装配不同，其钢球3多达23颗，必须要使薄壁内圈2、薄壁外圈1同步变形后，才能将全部钢球装入，而本发明采用拉外圈顶内圈方式，使得薄壁外圈1变形最小时就能将全部钢球装入，其原理是使得薄壁外圈1的变形在椭圆形的长轴一端装入钢球3，同时其椭圆形的另一长轴端也被钢球3紧密贴合；进一步的，薄壁内圈2在放入钢球之处正好是变形了的短轴处，此时的两圈变形最小；使用装配工装采用拉外圈顶内圈方式装配钢球3，使得磨加工时的工装简单，几乎与非薄壁的轴承工装无差别，装配工装制造加工要求低，单位制造成本低；磨加工时的调试方法简单稳定，提升效率和品质；磨削薄壁外圈1外径时形成外圈R角8，使得外径面与端面圆滑过渡，对与之紧配合的柔轮之间无任何刮伤可能，并且应力残余较小，对薄壁轴承及整个谐波减速机的品质和可靠性有很大改善；装配时的拉顶工艺使得外圈变形残余应力降到最低，因为这种拉外圈顶内圈的工艺使得装配放入钢球时形成了所必须的外圈最小变形量，故大大降低了因装配带来的残余应力，也有效保证了产品的寿命。

通过上述具体实施例，本发明的有益效果是：在粗加工过程中，对薄壁外圈、薄壁内圈上的倒角进行预加工处理；在磨加工过程中，对薄壁外圈的外圆周面精磨加工成为外圈R角；采用装配工装拉外圈顶内圈方式装配钢球，对薄壁轴承及整个谐波减速机的品质和可靠性有很大改善，装配时的拉顶工艺使得外圈变形残余应力降到最低，因为这种拉外圈顶内圈的工艺使得装配放入钢球时形成了所必须的外圈最小变形量，故大大降低了因装配带来的残余应力，也有效保证了产品的寿命。

要解决的关键技术问题：

（1） 薄壁轴承负游隙的精准控制技术。工业机器人轴承要求运转平稳，要有合适的启动摩擦力矩，因此轴承生产、装配时要有合适量的负游隙。轴承的负游隙过大或过小会直接影响轴承的噪声、振动与寿命，由于机器人用薄壁轴承内外套圈的壁厚较薄，采用加载方式测量游隙时，易导致套圈变形，负游隙的量很难控制，需要采用特殊的加工装配方法和工艺，并使用特殊的装配工具。

（2）薄壁角接触球轴承装配高度的精确控制。机器人结构紧凑，安装空间精确，要求轴承的装配高的偏差严格，而且国外同类轴承的装配高也控制极为严格。由于薄壁角接触球轴承套圈壁厚很小，极易产生变形，各尺寸精度难以精确控制，内外圈及滚动体选配尺寸难以严格控制，造成轴承装配后装配高偏差过大。因此，要想实现薄壁角接触球轴承装配高的精确控制，甚至达到万能配对的目的，必须对轴承进行特殊的沟位置设计、磨加工工艺制订、精确的选配等，同时增加轴承凸出量的修磨工艺。

（3）薄壁轴承的精准装配技术。由于机器人专用系列精密轴承壁厚超薄，刚度差，采用普通的装配方法及模具，在加热装配合套时极易变形。因此，要实现薄壁轴承的精密装配，达到成品的各项指标，必须采用针对薄壁轴承的装配尺寸选配、装配工艺制订和特殊的装配模具及附件，对选配好的轴承套圈进行严格的修磨，制定详细、严格的装配工艺，并研制专用的装配合套工具及附件，以保证轴承装配后的精度。

（4）薄壁轴承套圈内外径非接触测量技术。薄壁轴承套圈壁厚非常薄, 需要精密车和磨来达到所要求的公差，同时薄壁轴承套圈轮廓参数的测量精度要求也极高，采用传统的检测手段，如标准轴承外径测量使用的D913仪器，用0.001的扭簧表测量，要求有一定的测力，但是表的测力人为很难精确控制，直接影响薄壁套圈的外径测量精度，无法满足检测的需求。因此，需要对薄壁轴承套圈内外径测量方法进行研究，以非接触光学精密测量技术为基础，综合运动计算机主动视觉、图像处理、精密运动控制及计算机控制等相关技术，研制开发一套薄壁轴承套圈外轮廓专用测量仪器。

（5）基于机器人工况条件的轴承综合性能试验技术。为了考核和评价机器人轴承的性能、寿命及可靠性，装机前必须进行模拟试验或批量生产时抽样试验，以确保装机的轴承性能稳定可靠。由于机器人轴承结构的特殊性，需要研制专用的轴承的试验装置，并进行模拟工况试验，检测轴承的振动、温度、载荷、转速、摩擦力矩及旋转精度等性能，根据所配套的机器人的用途及使用要求，制定相应的试验规范，完成规定数量和时限的寿命试验，并对试验后各项检测与实验前数据进行对比分析，从而评估轴承的使用性能、寿命及可靠性是否满足要求。

激光微纳处理技术在轴承滚动体上的应用。激光微纳制造技术属于纳米制造领域的核心技术，具有众多独特的优势和吸引力，是目前国际研究的热点之一。日在能量、时间、空间方面可选择范围宽，并可精确、协调控制。使其在制造过程中能够实现微米乃至纳米级别的制造要求。本创新点在于将该技术应用于轴承滚动体的后处理中，即对加工生产出的轴承滚动体在特定点进行激光微纳处理，使其产生几微米甚至几十纳米深的小斑点，这样在工作运转中就能通过这些小斑点把润滑油脂刮到轴承内的每个部位，使轴承润滑更加有效。同时由于激光微纳处理产生的斑点深度只有几微米甚至几十纳米，因此由此引起的振动量也是可以忽略的，对轴承的正常使用不会造成影响。

工业机器人专用回转轴承负游隙的控制。合适的安装游隙有助于滚动轴承的正常工作。游隙过小，滚动轴承温度升高，无法正常工作，以至滚动体卡死；游隙过大，设备振动大，滚动轴承噪声大，直接影响轴承的使用精度和工业机器人的工作精度。轴承的实际工作游隙受装配之后的原始游隙、安装在轴或轴承座上时的过盈配合量、工作时温度变化引起的热胀冷缩、施加的工作载荷引起的弹性变形等，诸多以上影响因素造成轴承游隙的难以控制。针对以上问题，若靠计算的方法算出每部分引起的变化量再叠加，一方面不能准确地算出每方面的变化，另一方面由于这些因素之间的相互影响，造成算出的结果偏差较大。所以我公司采取实验的方法来对轴承游隙进行控制。首先根据所要装配的轴或者轴承座，确定合适的过盈配合量，因为过盈配合量太大造成轴承变形量大，使其形状精度降低，太小会使其在高速运转的离心力作用下不够稳定。根据经验装配出具有一定游隙量的专用回转轴承，再把它安装到轴或者轴承座上，并且模拟工作环境条件，包括温度、受力等。在对安转后的轴承进行游隙测量时，因需要对其一侧施加一定的负载，这时薄壁轴承就会产生一定的弹性变形而影响使用性能，因此在加载负荷时通过一个与轴承相贴合的弧形专用工具加载，这样加载就由点接触变为面接触，使由此引起的变形可以忽略不计。对测量出的轴承游隙进行分析，判断其是否合适，然后再反复调整轴承的内外圈尺寸以控制原始游隙，直至安转运转时的轴承游隙到达最佳状态。

工业机器人专用回转轴承工作性能参数测试。工作性能测试最主要的问题是如何保证能够准确地模拟工作条件。由于工业机器人专用回转轴承工作中会受到轴向负载、径向负载和弯矩的综合作用，所以就需要在模拟工作条件时能够同时对其施加这些负载。而目前的疲劳试验机只能对待测轴承施加轴向负载和径向负载，因此有必要设计出一个可以同时对待实验轴承施加轴向载荷、径向载荷和弯矩的疲劳试验机。目前，我公司与华中科技大学合作设计的对待测轴承同时施加轴向力和弯矩的疲劳试验机已经投入使用，并通过合理布置传感器来获取轴承工作性能参数。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。