一種骨架油封壓裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析

周改梅，李 蕊，白 妮

（陜西渭河工模具有限公司，陜西 西安 710021）

1 引言

眾多資料［1-2］和實(shí)踐表明，諧波減速器中零件的裝配同軸性超差、標(biāo)準(zhǔn)件損壞是引起產(chǎn)品失效的重要原因。機(jī)器人用諧波減速器中的一個(gè)重要零件就是交叉滾子軸承，HD型號的機(jī)器人用諧波減速器，其交叉滾子軸承中的骨架油封需要將剛輪裝配好以后才能裝入，所以，在生產(chǎn)裝配過程中面臨著如何實(shí)現(xiàn)骨架油封快捷有效的安裝。骨架油封是一種橡膠制品，安裝不正確會導(dǎo)致骨架油封的唇口有傷痕、唇口向外翻轉(zhuǎn)、彈簧松脫等現(xiàn)象，發(fā)生這些現(xiàn)象時(shí)，骨架油封均需更換，致使骨架油封的利用率下降。專利ZL201520131044.8［3］公開了一種骨架油封安裝工具，利用左細(xì)右粗的圓柱狀結(jié)構(gòu)，借助尼龍棒擊打，達(dá)到安裝骨架油封的作用，雖然比手動安裝方便，但用尼龍棒擊打還是無法保證受力均勻。專利ZL201520210076.7［4］描述了一種骨架油封用安裝工具，其主要結(jié)構(gòu)是與骨架油封外形尺寸相同的胎具體，利用緊固件將胎具體和手柄相連，可以實(shí)現(xiàn)骨架油封的快捷安裝，節(jié)省了時(shí)間，但骨架油封的損壞率還是很高。目前，骨架油封的裝配多是靠裝配師傅的經(jīng)驗(yàn)保證的，據(jù)觀察和統(tǒng)計(jì)，骨架油封的平均利用率為83%，平均每1min可以裝配一個(gè)骨架油封。

為提高骨架油封的利用率，在此，設(shè)計(jì)一種骨架油封的壓裝機(jī)構(gòu)，避免發(fā)生骨架油封在下壓的過程中出現(xiàn)外翻的現(xiàn)象，同時(shí)保證骨架油封和交叉滾子軸承內(nèi)圈的同軸度，使骨架油封很好的實(shí)現(xiàn)密封作用。通過CAXA CAE有限元分析和樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證兩種方法進(jìn)行研究，為降低生產(chǎn)成本做出一定的貢獻(xiàn)。

2 骨架油封壓裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 骨架油封的介紹

油封是封油用的機(jī)械元件，主要由唇部、配合部、金屬骨架、彈簧組成。骨架油封材料是丁腈橡膠A727。油封中的彈簧一般用高碳鋼絲，可以提高密封唇在軸上的壓緊力，金屬骨架一般用冷軋鋼板及鋼帶，其作用是保持油封與腔體孔間的配合力，保持密封唇在確定的位置上。

2.2 壓裝原理分析

分析相關(guān)樣本資料和機(jī)械裝配過程［5-8］，骨架油封的外圈和交叉滾子軸承上的槽之間是過盈配合，單邊大概有（0.05～0.08）的過盈量，其安裝也必須保證其與安裝的軸的同軸度在0.01mm內(nèi)，且骨架油封上的每個(gè)位置需均勻平衡的受力壓入正確位置，否則會導(dǎo)致骨架油封的唇口有傷痕、唇口向外翻轉(zhuǎn)、彈簧松脫等現(xiàn)象，造成骨架油封的利用率低。根據(jù)這一情況，設(shè)計(jì)一種骨架油封的壓裝機(jī)構(gòu)，保證其需要的同軸度和均勻受力，并且對骨架油封無損傷。

2.3 總體方案設(shè)計(jì)

專利ZL201821914557.6［9］，一種骨架油封的壓裝機(jī)構(gòu)，包括手輪驅(qū)動裝置、平滑移動裝置、定位壓緊裝置，如圖1所示。轉(zhuǎn)動手輪1使絲杠3旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于絲杠螺母4通過螺栓固定在上面板5上，絲杠螺母固定不動，驅(qū)使絲杠3平滑下移，絲杠3下移的同時(shí)帶動中間板7平滑下移。平滑移動裝置中兩側(cè)的導(dǎo)柱10通過螺母9固定在上面板5和下面板8之間，中間板7通過直線軸承6與兩側(cè)的導(dǎo)柱10滑動連接。

定位壓緊的過程是骨架油封12 先套入定位導(dǎo)向塊13 的上部，定位導(dǎo)向塊13上開有導(dǎo)向孔16，下壓塊11上有與導(dǎo)向孔16配合的導(dǎo)向部分，再將定位導(dǎo)向塊13通過其上的尺寸c與交叉滾子軸承14實(shí)現(xiàn)同軸，將下壓塊11和定位導(dǎo)向塊13通過導(dǎo)向孔配合安裝，此時(shí)的位置，如圖1（a）所示。中間板7平滑下移的過程中，當(dāng)中間板7和下壓塊11的上表面接觸后，下壓塊11也將平滑下移，帶動骨架油封12沿著定位導(dǎo)向塊13的外表面下移，使骨架油封12裝入交叉滾子軸承14上的正確位置，此時(shí)的位置，如圖1（b）所示。

2.4 關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)分析

2.4.1 滾珠絲杠螺母副設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，滾珠絲杠螺母副機(jī)構(gòu)的主要作用是實(shí)現(xiàn)一個(gè)直線運(yùn)動過程，其最大軸向負(fù)載按100N設(shè)計(jì)，選擇滾珠絲杠的型號為SFI01606-4，最大行程為100mm，計(jì)算最大計(jì)算靜載荷Foc(N)［10］。

式中：fd—動載荷系數(shù)；

—硬度影響系數(shù)，取1.4；

Fmax—最大軸向負(fù)載；

Coa—滾珠絲杠螺母副的額定靜負(fù)荷（N）。

根據(jù)式（1）對滾珠絲杠螺母進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，滾珠絲杠承受的動靜載荷滿足要求。

2.4.2 定位壓緊裝置設(shè)計(jì)

如圖1所示，定位導(dǎo)向塊13上的尺寸c和交叉滾子軸承上的對應(yīng)尺寸之間采用小間隙配合，定位導(dǎo)向塊13上的尺寸c采用h6公差，保證骨架油封安裝時(shí)，油封和軸的配合需要同軸，如果偏心過大，其密封作用會變差，尤其是交叉滾子軸承內(nèi)圈高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，滲漏現(xiàn)象會更嚴(yán)重。

下壓塊11上的尺寸d比骨架油封的寬度e小0.3mm，尺寸a要大于定位導(dǎo)向塊13上的尺寸b。下壓塊11的上表面和中間板7的下表面要進(jìn)行平磨，達(dá)到Ra0.8μm，其和零件軸線的垂直度要小于0.005mm。

下壓塊11 上的導(dǎo)向部分尺寸n和定位導(dǎo)向塊13 上的導(dǎo)向孔16 的尺寸m之間采用間隙配合H7/h6。下壓塊11上的泄壓孔17是直徑為2mm的通孔，泄壓孔17的作用是避免下壓塊11在移動的過程中由于內(nèi)部氣流不流暢，形成氣腔，使下壓塊11與定位導(dǎo)向塊13 上的導(dǎo)向孔16 的同軸度變差，影響骨架油封的壓裝正確性。

3 有限元分析骨架油封壓入過程

3.1 CAXA CAE介紹

有限元是把復(fù)雜的系統(tǒng)，離散化成有限個(gè)容易分析的單元，單元之間通過有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件（連續(xù)固體變形后仍為連續(xù)體）綜合求解，求解完成后，將各點(diǎn)結(jié)果組合，使用CAE技術(shù)可以觀察零件表面、內(nèi)部各處的情況。

CAE分析中一個(gè)重要的步驟是劃分網(wǎng)格，一階元素求解快但誤差大，二階元素誤差小但求解慢，且有時(shí)無法自動生成，不適宜在CAD/CAE工具中使用。CAXA CAE獨(dú)有的Sefea（富應(yīng)變有限元分析）元素結(jié)合一階元素、二階元素特點(diǎn)，使用全新Sefea四面體/三角形元素，Sefea 技術(shù)，是最適合CAD 中使用的CAE 技術(shù)。所以，在此選擇CAXA CAE軟件對該機(jī)構(gòu)中骨架油封壓入過程的受力情況進(jìn)行分析。

3.2 有限元分析骨架油封壓裝過程

為了分析骨架油封壓入過程中壓力大小對骨架油封的影響，選擇合適的壓力，故采用CAXA CAE分析骨架油封壓入過程，查看壓力作用下，骨架油封各受力點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)壓裝機(jī)構(gòu)實(shí)際使用條件確定仿真工況條件，交叉滾子軸承的下表面固定，在下壓塊的上表面施加壓力。

查相關(guān)資料［11］可知，丁腈橡膠的密度為0.98g.m-3，彈性模量為6.1N/mm2，泊松比為0.49，拉伸強(qiáng)度為（15～30）MPa，抗剪模量GXY為2.9MPa［11］，合金鋼和橡膠的摩擦因數(shù)為0.8，下壓塊11上表面的面積大約為4700mm2，按滾珠絲杠的最大軸向負(fù)載為100N計(jì)算，向下壓塊11上表面施加壓力約為0.0212MPa，壓裝過程中骨架油封發(fā)生的變形屬于大變形，所以在分析過程中使用大變形命令，利用多步功能將骨架油封壓裝過程簡化為靜力學(xué)分析，以骨架油封橫截面為YZ平面，定位壓緊裝置各應(yīng)力云圖，如圖2所示。提取骨架油封壓入部分的節(jié)點(diǎn)12513，此節(jié)點(diǎn)處的等效應(yīng)力顯示為紅色，繪制其各應(yīng)力時(shí)變圖，如圖3所示。

圖3 應(yīng)力時(shí)變圖Fig.3 Time-Varying Diagram of Stress

由圖2可得骨架油封的最大切應(yīng)力為0.308496MPa，小于其抗剪模量GXY 2.9MPa，最大等效應(yīng)力為0.867274MPa，最大接觸壓強(qiáng)為0.411490MPa，小于其拉伸強(qiáng)度（15～30）MPa。由圖3得節(jié)點(diǎn)處的各應(yīng)力時(shí)變圖均為非線性圖，時(shí)間步為0.264時(shí)，骨架油封此節(jié)點(diǎn)處被迅速擠壓變形，和交叉滾子軸承之間的接觸從sliding變?yōu)閟ticking，其等效應(yīng)力、接觸壓強(qiáng)和切應(yīng)力迅速增大，但均未超過材料極限值。

分析可知此定位壓緊裝置并未對骨架油封造成損傷，又可以通過增加接觸面積使骨架油封受力均勻，能更好的實(shí)現(xiàn)骨架油封的裝配。

4 樣機(jī)的制作和試驗(yàn)

為了驗(yàn)證方案是否能保證骨架油封方便快捷的安裝，提高骨架油封利用率，制作樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。樣機(jī)示意圖，如圖4 所示。骨架油封的壓裝步驟，如圖5所示。試驗(yàn)方案為找四位裝配工編號后，每人壓裝30個(gè)骨架油封，記錄安裝所需的時(shí)間以及安裝完成后無損傷的骨架油封數(shù)量。

圖4 樣機(jī)Fig.4 Model Machine

圖5 骨架油封壓裝步驟Fig.5 Step of Fressure-Fitting for Framework Oil Seal

試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。四號裝配工有一個(gè)骨架油封出現(xiàn)損傷，經(jīng)分析是由于裝配工在壓裝的第一步時(shí)將一個(gè)螺釘意外墊在骨架油封的下面，造成壓裝的過程中骨架油封被損傷，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，該壓裝機(jī)構(gòu)可以保證骨架油封的平均利用率達(dá)到99.17%，平均安裝時(shí)間為0.655min/個(gè)。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental Date

5 總結(jié)

（1）通過CAE分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，該骨架油封壓裝機(jī)構(gòu)可以有效的實(shí)現(xiàn)短筒禮貌型機(jī)器人諧波減速器中交叉滾子軸承的骨架油封的壓裝，提高骨架油封利用率，該壓裝機(jī)構(gòu)可以保證骨架油封的平均利用率達(dá)到99.17%，平均安裝時(shí)間為0.655min/個(gè)，比前期純憑經(jīng)驗(yàn)裝配時(shí)利用率提高了19.48%，裝配時(shí)間縮短了0.345min/個(gè)。（2）骨架油封的裝配過程中必須重視同軸度和均勻受力這兩個(gè)因素，只要骨架油封每個(gè)位置受力均勻，安裝同軸度控制在0.01mm以內(nèi)，就可以保證骨架油封有效地安裝使用，避免出現(xiàn)骨架油封的唇口有傷痕、唇口向外翻轉(zhuǎn)、彈簧松脫等現(xiàn)象。（3）該壓裝機(jī)構(gòu)在機(jī)械裝配過程中可以當(dāng)小型壓力機(jī)實(shí)用，為裝配工提供便利，提高裝配精度。