“机器代人”是工业制造进入智能化、自动化不可避免的发展趋势，也是体现着国家高端制造和科技水平的重要标志，“中国制造 2025”是国家全面实施制造强国政策，力求国家创造、创新能力增强，工业制造水平全面提升的战略纲领。在我国制造行业中，工业机器人需求量极其迫切，逐年上涨。截至 2021 年 11 月份，我国工业机器人绝对产量高达 33 万台，较去年同比增长 49%。然而，工业机器人主要关键零部件，尤其是高精密减速器依旧依赖进口。在六关节自由度工业机械臂上，RV 减速器约占据整个机械臂成本的 35%。其中，摆线齿轮作为 RV 减速器中的核心传动零部件，其精密加工方式和千万级别的昂贵特种加工机床设备需求，导致摆线轮的制造总成本在整机减速器中的占比十分巨大。
近年来齿轮的低成本精密成形加工一直是研究热点方向，国内外学者围绕着直齿轮和摆线齿轮加工展开了众多的研究。在摆线齿轮的传统磨削加工上，SU 等均对磨削加工工艺参数进行了数值模拟和实验探索研究，但依然存在着传统磨削加工方式时间周期长、效率低的问题。另外，高速铣削也是一种新型加工方式，许建民利用五轴数控机床对摆线齿轮进行轮廓端铣加工，戚厚军等通过建立摆线齿轮模型，对摆线齿轮高速周铣进行了弹性力和铣削力的预测，为控制高速铣削下的加工精度提供了理论依据和方法。3D 打印技术也被应用到 RV 减速器的制造中，李下蹊等通过建模 3D 打印制备出摆线齿轮实物，但这种成形方式成本极高，并且存在结合强度低的风险，不适合大批量加工。此外，BIERNACKI提出利用塑料制备摆线齿轮的新方式。
与此同时，直齿轮和锥齿轮已经逐步开始采用挤压加工的方式，梁强等分别对载重汽车用直齿轮、锥齿轮和小型齿轮进行了冷挤压加工研究。复合冷挤压加工具有高效性和高精度等优点，已经逐渐成为齿轮精密成形的主要加工工艺。挤压加工方式已经成功应用到直齿轮、锥齿轮和小型齿轮等领域，并且能够达到高精度水准。如果采用精整挤压加工方法制造摆线齿轮，其快速挤压成形将极大的降低摆线齿轮的制造成本。因此，本文提出一种新型的冷精整成形加工摆线齿轮工艺，并研究了不同挤压加工精整量ΔD、挤压次数 n 对摆线齿轮精度的影响，优化了摆线齿轮冷精整工艺参数，为摆线齿轮的快速精密成形提供了一种全新的加工方向。
一、挤压加工原理
冷精整一般是指在室温条件下对金属精胚进行挤压加工，将前处理好的工件胚料放入开式凹模内，在凸模快速的高压作用下，达到金属的屈服极限，迫使多余金属从凹、凸模间隙流出，从而获得设计所需尺寸、形状以及一定力学性能的挤压件。冷挤压在加工过程中具有以下显著特点：生产效率高、节约原材料、能够提高零件的力学性能、具有较高的尺寸精度。
在整个精整挤压过程中，金属表面和内部都存在着较复杂的金属流动，根据塑性形变原理，可将挤压过程分为开始、基本和终了挤压三个阶段。并且在挤压过程中主要存在三大区域，分别为Ⅰ已经形变区域;Ⅱ形变区域;Ⅲ待形变区域，挤压过程示意图如图 1 所示。同时在精整挤压过程中采用性能良好的润滑剂，能够使得金属发生层流挤压过程，最终能够降低加工工件的表面粗糙度。
二、冷精整加工工艺
工艺流程
本文采用的多道冷精整工艺主要包括首先对毛坯进行球化退火处理，降低硬度，改善冷精整加工性能，后进行慢走丝线切割获得摆线轮精坯。再紧接着对摆线轮精坯进行磷化皂化处理，使得摆线齿轮表面覆盖一层润滑层，润滑层能有效减小挤压过程中的摩擦阻力，促使挤压更加顺利流畅的进行。之后对已经做好预处理的精坯摆线轮进行多道冷精整加工，并在后续加工中进行热处理和磨料流抛光表面处理。完整的摆线轮冷精整加工工艺流程如图 2 所示。
本文工艺采用的摆线齿轮材料为 45 钢，其材料化学成分如表 1 所示，材料相对应的机械性能如表 2 所示，加工摆线齿轮几何参数如表 3 所示。摆线齿轮原始胚料为圆饼状 45 钢，该材料强度较高、塑性和韧性较好，适合挤压加工成形。原始圆饼状胚料经慢走丝线切割加工成形至标准齿廓不同正偏差量，如图 3 所示。冷精整加工制造采用佛山市康思达液压机械有限公司提供的 Y32 系列重型工作台液压机，压机液体最大工作压力为 25 MPa。精胚摆线 齿轮与凸模通过定位销定位，摆线齿轮上表面紧密贴合凸模，挤压全程为匀速挤压，挤压完成后，摆线齿轮与凸模脱离，完成一道冷精整加工流程，其中冷精整装配示意与实际加工如图 4 所示。
工艺参数
本文对精胚摆线齿轮进行冷精整加工，为研究冷精整参数对摆线齿轮轮廓精度影响，设计不同精整挤压过盈加工量和精整次数，其中，挤压加工精整量ΔD 范围为 0.05～0.25 mm;挤压次数 n 分别为一次正精整挤压和两次正反复合精整挤压，整体参数设计如表 4 所示。
三、结果与分析
采用三坐标检测仪(德国蔡司三坐标检测仪 ZEISS CALYPSO)测量完成精整加工的摆线齿轮整体轮廓精度，并以摆线轮理论轮廓为标准值。其中，单个摆线齿轮分别检测距离最左端 1 mm、4.5 mm、 8 mm 三处位置的轮廓曲线，标号分布为 1、2、3，如图 5 所示。
挤压精整量对轮廓精度的影响
在精整加工过程中，挤压精整量是冷精整工艺中最重要的参数之一，直接影响整形后摆线齿轮的整体精度。通过三坐标检测的结果，在三处位置轮廓的整个摆线齿轮圆周分布范围均匀随机选取 6～ 8 个测量点偏差值，绘制偏差值与精整量之间的整体趋势曲线。
图 6 所示为摆线齿轮轮廓精度随着不同挤压精整量的变化。总体而言，摆线齿轮的整体轮廓总偏差随着挤压精整量的增大而增大的。挤压精整量为 0.05 mm 的时候三个标号处的平均偏差值仅为 0.06 mm，相比于未挤压高达 0.14 mm 的偏差值，整体提升了 50%。而精整量为 0.1 mm 和 0.15 mm 的，轮廓总偏差较小，整体平均偏差值为 0.1 mm。当精整量不低于 0.2 mm，轮廓精度偏差值均大于 0.12 mm，具有最低的轮廓精度。这主要是因为当挤压精整量较小时，在挤压精整过程中，整个摆线轮与凹模直接是发生微小塑性形变，切除多余微量金属层，对整体不会造成过大损伤，在一定程度上能够提高整体精度和表面粗糙度。当挤压精整量过大时，挤压区域发生严重的塑性形变，即影响到粗糙度又影响到整体精度。通过超景深光学显微镜观测微小精整量 0.05 mm 和大精整量 0.25 mm 下的摆线齿轮表面 3D 形貌，如图 7 所示。由图可知，在微小精整量齿轮整体形貌较为平整，而在大精整量存在严重形变区域。这也说明在大精整量下齿轮表面形变程度大、形变区域多，进而导致其整体精度偏低。因此，本文冷精整加工工艺的最优精整量为 0.05 mm。
挤压次数对轮廓精度的影响
此外，在精整加工过程中，挤压次数对成形质量也有着重要影响。本文针对摆线齿轮挤压精整工艺，设计单次正精整挤压(S-simple)和正反复合挤压 (D-double)不同工艺研究，取不同精整量的平均偏差值，绘制偏差曲线。
图 8 所示为在不同挤压次数下对轮廓偏差随精整量变化曲线图。从图中可以发现，在不同精整量不同厚度位置上，单次精整挤压轮廓精度偏差值在各精整量梯度上的整体趋势均大于正反两次挤压，这说明多次挤压能够进一步提升整体轮廓精度。多次挤压能够在一定程度上提升轮廓精度，是由于单次挤压时，存在有微小区域发生弹性形变，并不是塑性形变。当齿轮完成单次挤压后，发生弹性形变的部分会恢复，影响轮廓精度。而进行正反两次再次挤压时，之前恢复未能挤压的残余区域将被再次挤压掉，从而提升整体轮廓精度。从整体趋势上看，呈现上升分布，当微小精整量为 0.05～0.10 mm 时，正反两次挤压精度均优于单次挤压精度。当精整量 为 0.10～0.15 mm 时，整体轮廓精度趋势上升较为缓和，当精整量大于 0.15～0.25 mm 处，整体偏差值上升加剧，轮廓精度最差。
此外，由图 9 齿面粗糙度曲线可以看出，在相同的精整条件下，摆线齿轮的表面粗糙度随着精整量的增大而增大，同时多次精整能够提升齿面的表面质量。例如，在精整量为 0.05 mm 下，正反两次精整加工的齿面粗糙度为 2.84 μm，相比于仅单次精整的齿面粗糙度(3.35 μm)降低了 15%，说明多道精整能够有效降低表面粗糙度从而提升整体轮廓精度。因此整体工艺应采用微小精整量 0.05 mm 配合正反两次多道精整，以实现最优精度的摆线齿轮加工。
冷精整工艺结果
图 10a 所示为采用精整量 0.05 mm 和经过正反两次精整加工工艺的实物结果，摆线齿轮整体平均轮廓精度能够达到高精度级别，精度为 8 级以上。图 10b 所示为传统磨削加工成形的摆线齿轮。对比可知，虽然冷精整加工成形的摆线齿轮在整体精度、齿面粗糙度上轻微低于磨削加工，但是挤压加工工序时间仅为 10 s，相比于目前效率最高特种机床耗时长达 30 min 的摆线齿轮轮廓磨削工序，配合后续加工能显著提升生产效率，大幅度降低加工平均成本。
四、结论与展望
本文采用冷精整加工工艺制造了 RV 减速器关键传动部件摆线齿轮，分析了精整量和挤压次数对摆线齿轮轮廓精度的影响，并通过超景深光学显微镜对其表面 3D 形貌进行了表征，得到如下结论。
(1) 冷精整量是摆线齿轮精整过程中的主要影响因素，采用大精整量的进行精整挤压时容易发生不可逆的损伤性塑性变形。本文采用精整量为 0.05 mm 冷精整加工制造出的摆线齿轮轮廓精度最高。
(2) 相比于单次精整，正反两次精整通过再次挤压残余区域，能够进一步提升摆线齿轮整体轮廓精度。
(3) 本文提出的冷精整加工工艺加工摆线齿轮，能够制造出高精度的摆线齿轮，同时整体制造成本低、加工周期短，为摆线齿轮低成本快速成形加工提供了一种新的加工手段。