高精度傳動軸件的製程技術

作者:

吳佩珊、吳宗翰

刊登日期:2022/06/28

摘要:在汽車、工程機械與船舶中,傳動軸件是模組主要零件之一,常用於精密旋轉零件之間的連接與承受衝擊負荷和傳遞動力,由於傳動軸件的精度要求高,因此加工製程與條件十分嚴格,若製程中其中一個環節沒有做仔細考量,都會影響到加工效率及工件的品質,也會影響傳動軸件的使用壽命與模組的可靠性。本文首先介紹製程計畫安排,並討論目前國內主要發展的傳動軸件及加工困難點,並對製程誤差分析與夾治具設計提出一些看法,希望有利於精密機械業發展。
Abstract:Transmission shaft is one of the main parts of the machine modules in automobiles, construction machinery and ships. It is commonly used for the connection between precision rotating parts, to withstand the impact and transmit power. Due to the high precision requirements of the drive shaft, the processing process and conditions are very strict. If the process quality cannot be guaranteed, it will affect the processing efficiency and the quality of the shaft, as well as the service life and module reliability. This article first introduces the process planning arrangement, and then discusses the domestic development of the transmission shaft and its processing difficulties. Some opinions on process error analysis are also being described. This article can be provided as a reference for the future precision machinery industry and the relevant industry development suggestions.

關鍵詞:高精度減速機、刀具主軸、異形曲面研磨
Keywords:High precision reducer, Tool spindle, Complex curved surface grinding

前言
高精度傳動軸件其精度要求極高,而影響精度的關鍵參數非常多,且製程需依序調整並控制,而製程規劃的目的就是希望將零件由原材料切削成所需的形狀與精度,並評估製程的可行性,以判斷每一個加工程序是否有替代製程,並選擇製程以製作加工程序單,最後指定製程步驟與零件公差給每一個加工站。零件的精加工有許多做法,例如要達到尺寸與幾何精度在0.005 mm內,可採取車銑切削後,送到磨床研磨到規格所需的精度,或運用線切割機直接切割到規格所需的精度,因此需從製程時間、人工、不良品與機器成本等多方考量。
精加工製程規劃程序中還需規劃適用之刀具、切削參數與切削液等,必要時設計夾治具,以降低製造成本,且要能使工件取放方便,切屑容易清除,還要考慮到操作上的安全性;且適時發出或修訂作業標準書,並分析現有製程予以改善,才能確保製程能力滿足工程品質。
整個製程流程中,如圖1,初期依照工程圖準備料件與加工程序單,且嘗試各種切削參數並分析其效率與加工品質,最後選擇一組最利於生產的參數。然而能夠應用的工法種類相當多,哪一種才是最合適的加工方法,以及必須搭配哪些尺寸的刀具、加工條件的設定與夾治具的使用,都會影響到加工效率及工件的品質。

圖1 製程開發流程

零件的精度與可靠度取決於切削參數的設定,影響目標品質的相關因素有(1)主軸轉速高低、切削深度及進給率等加工參數的設定是否適當;(2)加工時是否使用切削液將影響零件的表面粗度與精加工時的溫度;(3)工具機、刀桿及工件等變形量與刀具受力引起之變形量等;此外,加工路徑的不同也會影響效率及安全,須避免空跑路徑的發生,以縮短加工時間。
本文所要討論的傳動軸件為高精度減速機中的傳動軸與高速加工機床中的刀具系統,除了製程流程的每一站都需要仔細考量加工效率與加工品質外,軸件上非圓輪廓的曲面在精加工時,輪廓容易失真變形,需配合刀具路徑、速度、轉速、接觸面積等眾多參數調整,且尺寸與精度量測上若沒有作曲面偏置補償,將導致量測與加工上出現偏差,無法確定輪廓的正確性。
高精度減速機中之軸件
關節型機械手臂需使用高減速比高精度減速機,以增加扭矩並維持機器手臂的高精度運動,目前全世界供應高精度減速機的廠商主要為日本公司,前三大分別為Nabtesco的RV減速機(市占率60%),Harmonic drive的諧波減速機(市占率15%),與Sumitomo的擺線齒輪減速機,以上三類精密減速機的性能指標如背隙與傳動精度,皆必須小於1弧分,由上而下(Top-down)的設計概念推估,需個別零件精度要求高,才能達到目標精度。
圖2為RV 減速機、諧波減速機與擺線齒輪減速機的輸入傳動軸件,RV減速機與擺線針輪減速機的傳動軸件為偏心軸,諧波減速機的傳動軸件為橢圓軸,對於車削或研磨製程而言都屬於異形加工,且尺寸與輪廓度要求須在0.005 mm以內,尤其RV減速機的傳動軸件偏心方向還必須與軸端的外栓槽有相對關係,故加工偏心外圓時,須以栓槽齒空中心為基準做對齒方位校正;透過夾治具的設計,可使操作人員方便且迅速更換零件,且夾具上的校準面與栓槽齒形的相對關係要非常準確。

圖2 高精度減速機各類軸件

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