机器人关节与减速器壳体的轴承孔配合

在机器人关节中，图纸上的公差等级最终要落实为轴承位的实际配合。配合合适，轴承能顺利压装到位、运转平稳、位置可靠；偏差哪怕只有几微米，轴承也可能装不到位，或在关节温度升高后在孔内发生蠕动。

本文介绍机器人轴承位常用的 ISO 286 公差等级、这些等级在常用孔径下对应的微米数值，以及从图纸到装配之间影响实际配合的三个因素：铝壳体与钢制轴承的热膨胀差异、成对轴承孔之间的几何关系，以及阳极氧化。薄壁、法兰平面度和导电接触面等问题，请参见机器人关节壳体加工一文。

机器人轴承位常用的配合

我们为机器人执行器加工的关节壳体、减速器壳体和电机壳体以 6061-T6 为主，外圈安装孔所用的公差等级比较集中：最常见的是 H7；外圈不允许移动的位置采用 J7、M7 或 N7；小直径压装孔采用 P6；需要永久压入套圈或衬套的位置采用 U6。配套的轴类零件常用 4140 调质钢，内圈轴颈多为 k5、k6 或 p6。

基本偏差代号（字母）决定公差带相对公称尺寸的位置，数字决定公差带宽度。H7 从公称尺寸起只向上偏；N7 则整体位于公称尺寸以下。公差带宽度还随尺寸增大，因此同一等级在不同孔径下对应的微米数并不相同：

轴颈的公差带位于公称尺寸以上：Ø20（大于 18 至 30 mm）时，k5 为 +11 / +2 µm，k6 为 +15 / +2 µm，p6 为 +35 / +22 µm；Ø40（大于 30 至 50 mm）时，k5 为 +13 / +2 µm，k6 为 +18 / +2 µm，p6 为 +42 / +26 µm。

装入轴承后的实际配合

轴承本身也有公差。普通级（0 级）向心轴承的外径平均偏差，在 Ø30–50 mm 范围内为 0 / −11 µm，在 Ø50–80 mm 范围内为 0 / −13 µm。两者叠加，才是装配时的实际配合：

H7 为间隙配合，外圈可推入也可拆出，适用于游动端轴承，或外圈相对载荷静止的工况。N7 基本为过盈配合，外圈需压装，不易蠕动；但过盈会减小轴承的内部游隙，选型时需要考虑这一点。J7 和 M7 介于两者之间。轴承厂商的配合推荐表都围绕同一个问题展开：载荷相对套圈是否旋转。旋转载荷宜用过盈配合，静止载荷可用过渡配合或间隙配合。配合等级由设计方确定，我们的职责是按图纸标注的等级加工到位。

铝壳体与钢制轴承

机器人壳体多为铝合金，轴承则是钢制，两者的热膨胀并不同步。6061-T6 的线膨胀系数约为 23.6 µm/(m·K)（20–100 °C），52100 轴承钢约为 11.9 µm/(m·K)，两者相差约 11.7 µm/(m·K)。

以 Ø47 轴承位为例，整体温度比装配时升高 40 °C，孔相对外圈约胀大 22 µm，接近该尺寸下 H7 公差带的全部宽度。常温下的轻微过渡配合，在关节发热后可能变为间隙配合；外圈在旋转载荷下若存在间隙，就可能发生蠕动。因此轴承厂商建议，轻合金壳体应采用比钢或铸铁壳体推荐表更紧的配合。低温时情况相反：常温下合适的过盈量会进一步增大。建议在关节工作温度范围的两端都核算配合，而不仅是 20 °C 时的状态。

五轴摇篮转台上的机器人关节零件。需要共轴线的特征，最好在不重新装夹的条件下加工完成。

两个孔，一条轴线

每个轴承位都合格，成对使用时仍可能出问题。壳体中两个轴承位若不在同一轴线上，轴一装入就会迫使轴承偏斜，而单独测量任何一个孔都发现不了这一点。在我们加工的执行器壳体和轴类零件上，图纸常见的要求为：成对轴承位之间同轴度 0.01–0.02 mm，轴承孔本身圆柱度 0.0055–0.015 mm，相对基准的位置度 0.013–0.05 mm。与这些壳体配套的 4140 轴，图纸对轴承位全跳动的要求可严至 0.004 mm。

圆柱度之所以重要，是因为孔口尺寸合格，孔内仍可能存在锥度、鼓形或多棱圆。轴承套圈刚性高，会首先卡在孔的最小截面处。尺寸、形状和轴线位置是三项独立的要求，轴承位在图纸上三者都需要标注。一般公差与功能公差如何配合使用，请参见 CNC 公差与 ISO 2768。

轴承孔如何检测

• 两点式内径量具可在机床旁快速测得局部直径，适合加工过程中的尺寸检查，但本身不能反映圆柱度和孔轴线的位置。
• 三坐标测量可建立每个孔的轴线，从而相对图纸基准评价尺寸、圆柱度、同轴度和位置度。成对轴承孔的几何要求在这一环节确认。
• 温度。铝件尺寸随温度变化较快：6061 上的 Ø47 孔，温度每变化 1 °C，孔径约变化 1.1 µm。尺寸以 ISO 1 规定的 20 °C 标准参考温度为准，因此我们在恒温计量室内进行检测。

每个订单都经过首件、过程和最终检验，使用三坐标和 2.5D 影像仪；尺寸报告、三坐标报告和首件报告可按需提供。

阳极氧化对孔径的影响

阳极氧化是将表层金属转化为氧化膜：一部分膜层向基体内渗入，另一部分在原表面以上向外生长。铝阳极氧化协会（Aluminum Anodizers Council）给出的 III 型硬质氧化比例约为单面渗入 50%、外长 50%；普通 II 型的外长比例通常认为更低，约为三分之一，并随合金和工艺条件变化。孔的两侧都会外长，因此孔径减小量约为单面外长量的两倍。

按本厂常用膜厚，3–5 µm 的 II 型膜层约使孔径减小 2–3.5 µm；8–25 µm 的 III 型硬质氧化约使孔径减小 8–25 µm，对 Ø47 H7 轴承位（公差带 25 µm）而言，可能占用全部公差。还需注意，MIL-A-8625 允许 II 型膜厚约在 1.8–25 µm 之间，仅标注"II 型"并不能确定孔径会减小多少，建议同时注明膜厚或遮蔽要求。

在我们加工的机器人壳体上，轴承孔在黑色阳极氧化时通常予以遮蔽；必须保持裸金属且尺寸要求严格的特征，则在氧化后精加工。建议在图纸上注明孔径尺寸按氧化前还是氧化后计，以及哪些孔需要遮蔽。两种氧化工艺的对比见阳极氧化 II 型与 III 型。

我们如何加工机器人壳体

我们加工机器人关节壳体、减速器壳体、电机壳体及配套轴类零件，数量从 1–15 套样件到 100 件以上的批量生产，打样与量产在同一车间完成。功能需要时，铣削特征公差可控制到 ±0.005 mm，车削可控制到 ±0.01 mm。资质为 ISO 9001:2015、IATF 16949:2016 与 AS9100D / EN 9100:2018，材料可追溯。48 小时报价，无起订量，可提供保密协议。

延伸阅读：机器人关节壳体加工、阳极氧化 II 型与 III 型，以及行业页机器人零件加工。如需评估您的壳体图纸，欢迎提交图纸获取报价。

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