机器人用谐波减速器关键部件柔轮的材料及制备研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：马云飞（1995），男，汉族，江苏南京人，硕士研究生，研究方向为智能制造方向。-102-机器人用谐波减速器关键部件柔轮的材料及制备研究 马云飞 朱彦铭 濮准印 郭 锐 姜晨曦 南京工程学院 材料科学与工程学院，江苏 南京 211189 摘要：摘要：柔轮作为谐波减速器的核心零件，在谐波减速器中易损性最高。本文对谐波减速器的原理特点、失效形式、柔轮材料、加工工艺、性能参数等方面进行了全面综述。此外，还对中日柔轮结构性能进行了比较分析。概述了柔轮的成形工艺和热处理工艺，并强调了这些关键工艺对谐波减速器性能的影响。为进一步提升谐波减速器性能和寿命提供了有益的参考。关键词：关键词：谐波减速器柔轮；材料；成形工艺；热处理 中图分类号：中图分类号：TP24 0 引言 减速器作为机器人核心部件之一，主要包括谐波减速器和 RV 减速器，结构精密、研发难度大。然而减速器市场一直被日本企业如哈默纳科、住友、新宝等所垄断。谐波减速器体积小、重量轻、精度高，单级减速比大，适用于机器人手臂等细小关节，因此需求量大，谐波传动可占机器人机械传动的 6070%。柔轮为谐波减速器关重件之一，是技术壁垒最高的零件，其寿命直接决定谐波减速器的寿命。在工作中，柔轮受波发生器和外部载荷双重作用，处于循环弹性变形状态，易发生疲劳失效。同日本相比，国产柔轮承载能力差、寿命低。尽管我国在架构、齿形设计、摩擦润滑等方面取得了突破，但在原材料、热处理和成形工艺等方面仍缺乏系统研究，限制了国产谐波减速器的发展。1 谐波减速器概述 1.1 谐波减速器的工作原理及特点 谐波齿轮减速器是基于在弹性薄壳弹性变形理论，应用金属挠性和弹性力学原理发展起来的一种全新传动装置，由波发生器、柔轮和刚轮三大部分构成。其工作原理为：波发生器内的椭圆形凸轮在柔轮内旋转导致柔轮发生椭圆形形变，使轮齿在长轴啮合、短轴脱开状态中切换。随着波发生器的转动，柔轮不断变形，实现轮齿的错齿运动，从而完成了波发生器与柔轮的运动传递1。谐波减速器有以下特点：（1）承载能力强，传动精度高。相比于普通减速器的单啮合，谐波减速器具有弹性柔轮结构，在传动过程中两个齿轮同时啮合，啮合齿数可达 30%以上，极大提高了承载能力和传动精度2。（2）减速比大，传动效率高。谐波减速器的传动比可根据需求进行调整，基本减速比为 30320，传动效率可以达到 90%以上。（3）结构简单，体积小，质量轻，寿命长。谐波齿轮传动装置只有 3 个基本部件，它的体积、重量约为普通齿轮传动装置的 1/3。此外，在传动过程中，柔轮齿只进行均匀的径向移动，啮合齿数多，单位面积载荷小，磨损量小，传动平稳。1.2 谐波减速器柔轮主要失效形式（1）柔轮筒体的疲劳断裂 柔轮筒体断裂主要分为两类，一种裂纹起源于柔轮齿圈与桶体连接处的齿根区域，然后沿轴向延伸，进而以 45角斜向扩展；另一种裂纹出现在柔轮筒体与桶体底部输出法兰的过渡处，裂纹扩展趋势同前者相似3。这两种情况的断裂源通常位于柔轮厚度不一致的区域，因在外力作用下承受扭转应力而导致应力集中，断口处多为贝壳状条纹4。（2）齿面磨损 虽然谐波减速器的多齿啮合结构减缓了磨损，但较大的载荷，仍会导致齿面磨损，影响传动精度。为防止齿面磨损，除选择耐磨材料和合适的热处理方式外，适当的啮合参数也至关重要，必要时还可通过变位齿轮来避免啮合过程中的轮齿互相干涉。（3）轮齿或波发生器产生滑移 当作用在传动装置上的扭矩过大或传动构件的制造偏差过大时，就可能导致传动构件的相对转动，破坏谐波减速器的正常工作。中国科技期刊数据库 工业 A-103-表 1 柔轮常用材料成分对比/wt%表 国标 牌号 C Si Mn Ni Cr Mo GB/T-3077 30CrMnSi 0.280.34 0.901.20 0.081.10 0.801.10 40CrNiMo 0.370.44 0.170.37 0.500.80 1.251.65 0.600.90 0.150.25 JIS-G4051 SNCM439 0.360.43 0.150.35 0.600.90 1.602.00 0.601.00 0.150.30 ASTM-A296 4140 0.380.43 0.751.00 0.751.00 0.801.10 0.150.25 4340 0.380.43 0.150.35 0.600.80 0.600.80 0.700.90 0.200.30 这种现象称为传动的滑移。不产生滑移是重载谐波减速器的性能准则之一。（4）波发生器中柔性轴承失效 柔性轴承的典型破坏是其内、外座圈沟道表面的疲劳点蚀，特别是在椭圆凸轮的长轴处，因变形力和啮合力影响最大，可能导致座圈发生疲劳断裂。此外，高载荷和过载或高温也会造成沟道表面的点蚀。部分企业将柔性轴承的破坏作为谐波减速器的失效寿命指标。（5）柔轮输出端扭转刚度不足 由于谐波减速器是利用柔性构件传递运动和动力的，而柔性构件的缺点就是刚性差，这就很容易导致减速器输出轴扭转刚度不足，限制其在高精密传动中的应用。2 谐波减速器柔轮用材料 2.1 柔轮对材料的性能要求 在谐波减速器的所有失效形式中，柔轮失效占总失效形式的 60%以上，是影响谐波减速器使用寿命最主要的原因。柔轮是一个薄壁壳体，其在工作状态下受波发生器和外部载荷的双重作用，处于循环弹性变形的状态，既承受弯曲应力，又承受扭转应力，很容易发生疲劳失效，因此柔轮材料需要较高的屈服强度。2.2 柔轮常用材料 目前，国内外的谐波减速器柔轮材料基本为中碳合金钢 Si-Cr、Cr-Mn、Cr-V 系列，主要为 40CrMoNiA、30CrMnSiA、40CrA、42CrMo 等合金钢5。40CrNiMoA对应于日本 SNCM439，美国 4340，德国的 817M406，经调质处理后，具有良好的强韧性，较高的疲劳强度和低的缺口敏感性，是柔轮最常用的材料。表为各国谐波减速器柔轮主要材料牌号。可以看出，对应牌号中我国的合金元素 Ni、Cr 和 Mo 整体偏低，影响了材料的淬透性。同时由于国产原材料在夹杂物控制上仍有很多不足，因此部分国内企业选择进口日本原材料，配以自己的制造工艺。谐波减速器柔轮壁薄，在服役过程中承载反复交互应力，对钢质的纯净度敏感，一些细小的夹杂物极有可能形成裂纹源。如图 1 所示，在过早失效的柔轮断口形貌中存在贯穿壁厚长条状的 MnS，以及大尺寸的 AI2O3夹杂物4；这种夹杂物破坏了基体组织的连续性，在正常服役或超载过程中容易导致应力集中，使柔轮过早失效。因此，柔轮在选材上多采用电渣钢，相比普通钢，钢质更纯净、夹杂物含量低、成分偏析小、各向异性和缺口敏感性明显改善7，适用于承受交变载荷的薄壳体零件。（a）Al2O3 夹杂 （b）MnS 夹杂物 图 1 疲劳失效柔轮断口上的夹杂物 微合金化的发展为柔轮组织性能控制及性能提升提供了助力。微合金化指添加的合金元素含量0.1%，常使用的微合金元素有 V、Ti、Nb、Al、N、B 等，这些微合金元素通常形成细小的碳氮化合物，通过析出强化以及细晶强化等方式改善钢的综合力学性能8。表2 为柔轮材料的微合金元素和气体元素对比，可见日本使用的是 V-Ti-Nb 复合微合金化，而国产柔轮采用的V-Ti 微合金化，且 V 含量较高。在 N 含量上，国产也是低于日本5,9。中国科技期刊数据库 工业 A-104-表 2 柔轮材料微合金元素和气体元素含量对比表 样品 微合金元素/wt%原材料 气体元素/ppm V Ti Nb O N H 日本 CSF 型 0.013 0.026 0.01 日本钢厂 1 11.2 91.5 1.51 国产 CSF 型 0.040.07 0.020 日本钢厂 2 9.2 90.3 2.16 RL40 0.05 0.016 国产某钢厂 10.3 62.7 1.82 微合金化 V 元素在 1000以上会粗化晶粒，但 Ti、Nb 等元素在在 1150以上会阻碍晶粒长大。微合金元素与钢中的 C、N 元素结合形成难溶的第二相粒子钉扎晶界，阻碍奥氏体晶粒长大。随着温度进一步升高，析出物逐渐减少或消失，晶粒尺寸逐渐增加10。3 柔轮加工工艺 在谐波减速器的核心零件中，柔轮的加工工艺最为复杂，主要涉及成形工艺、热处理工艺和制齿工艺。目前国内对于制齿工艺较为重视，主要的加工方法有再现展成法、慢走丝线切割技术、冷辊压净成形等。由于柔轮的筒体较长，柔轮毛坯变形量大，在成形时筒体易开裂，因此成形工艺难度大。同时，柔轮的热处理工艺细致，国内具体工艺主要靠经验积累，缺乏系统的研究。3.1 柔轮成形工艺 柔轮的成形工艺主要有自由锻、模锻和旋压成形三种。自由锻是将原始棒材加热到锻造温度，人为操控锻锤上下冲击，从而改变锻坯形状的成形工艺。“墩粗+十字墩拔+冲窝”的自由锻是柔轮毛坯最早使用的成形工艺。但该工艺依赖人工经验，质量不稳定，材料利用率小，仅适合小批量生产。模锻是一种高效的铸造方法，通过专用模具和锻模使坯料变形，获得高品质锻件。相比自由锻，模锻需投资大量设备，但高生产效率、机加工量小、材料利用率高、对刀具的磨损小。柔轮的模锻通常采用热模锻，始锻温度在 1050以上，充分利用了材料的塑性，减小变形抗力，降低对模具的损伤。旋压成形通过主轴固定坯料，经多次辊轮逐渐施加压力，将坯料与芯模紧密贴合，是制造薄壁筒形件的高效工艺方法之一，广泛用于航空、化工等领域。相较于模锻，旋压成形无需落料，保持了金属流线的完整性，更适用于薄壁结构柔轮。柔轮在切削加工中易发生变形，而旋压成形材料利用率高，切削量少，柔轮质量容易控制。目前对于有色金属，建立了旋压工艺参数对组织转变影响模型、本构模型、损伤模型等，但缺乏对黑色金属，尤其对于高负载、高强塑性的谐波减速器柔轮，旋压成形工艺和后续热处理研究仍未深入展开，留下了许多待解的问题。3.2 柔轮的热处理工艺 柔轮在成形过程中由于各位置的不均匀变形，导致组织差异和硬度差异。为消除内应力、带状组织，并细化晶粒，通常在成形后进行正火处理。正火温度约在 850900，保温 23h。正火后的热处理方式主要包括淬火+回火和等温淬火+回火。40CrNiMo 经等温淬火后显微组织为马氏体、贝氏体和残余奥氏体；经 400回火时铁素体基体中碳化物析出，但仍然保持板条状形貌，这与贝氏体的回火稳定性有关；当回火温度升高至 600时，析出的碳化物逐渐长大，组织逐渐形成回火索氏体。经淬火后，显微组织为马氏体；经 500回火后转变为回火索氏体和回火屈氏体，但仍保留马氏体的形貌，随回火温度进一步升高，其碳化物进一步增大且均匀分布，形成回火索氏体。但国内企业在柔轮热处理中仅关注硬度，而忽视了回火过程中可能出现的脆性问题。因此，需要建立冲击韧性与硬度随回火温度变化的关系，以更全面地评估柔轮的热处理效果。国产柔轮的晶粒尺寸与日本柔轮相比仍存在较大差距，为进一步解决奥氏体晶粒尺寸粗大以及晶粒尺寸不均的问题，可以采用两次淬火和回火的热处理工艺。研究表明，两次淬火不仅能降低晶粒尺寸，还能提高晶粒尺寸的均匀性，一次淬火后晶粒尺寸为 11.4m两次淬火晶粒尺寸达到了5.8m晶粒尺寸减少了近 50%，而且两次淬火过程降低了 P、S 含量在晶界上的分布，提高了钢的韧性。4 总结 尽管国内外学者在谐波减速器的架构优化、齿形设计、摩擦润滑等领域开展了大量研究。但在原材料、热处理和成形工艺三个方面仍存在许多问题，亟需进一步研究。原材料方面，国内主要采用中碳合金钢Si-Cr、Cr-Mn、Cr-V 系列，与国外相比，存在合金元素不足的问题，尤其是 Ni、Cr 和 Mo 含量较低。热处中国科技期刊数据库 工业 A-105-理方面，采用淬火+回火和等温淬火+回火两种方式，其中对于晶粒尺寸控制，两次淬火回火工艺显示出优势。在成形工艺方面，自由锻、模锻和旋压成形是主要方法，其中旋压成形对于保持金属流线完整性具有优势。然而，目前柔轮热处理研究仍以硬度为主，对于回火过程中可能出现的脆性问题需要更深入的探讨。参考文献 1M.H.伊万诺夫.谐波齿轮传动M.北京:国防工业出版社,1987.2 Li F,Li X,Guo Y,et al.Analysis of contact mechanical characteristics of flexible parts in harmonic hear reducer J.Shock and Vibration,2021,2(3):1-17.3 Jian L Z,Wei Y.Failure analysis of a flexspline of harmonic gear drive in STC industrial robot:microstructure and stress distributionJ.Materials Science and Engineering,2018,452(4):1-7.4 赵 海 东,胡 佳 丽,张 朝 磊,等.谐 波 减 速 器 柔 轮 的 疲 劳 开 裂 失 效 原 因 分 析 J.热 加 工 工艺,2021,50(22):162-164.5 张 朝 磊,魏 旸,方 文,等.谐 波 减 速 器 特 殊 钢 材 质 柔 轮 的 组 织 和 力 学 性 能 分 析 J.材 料 导报,2018,32(16):2842-2846.6王敬忠,李科元,刘阿娇,等.40CrNiMo 钢国内外研究现状J.钢铁,2018,53(5):1-10.7彭龙生,刘春泉,周浩,等.电渣重熔新技术的研究现状及发展趋势J.材料导报,2022,1(9):1-28.8 Esterl R,Sonnleitner M,Gsch pf B,et al.Influence of V and Nb micro-alloying on direct quenched and tempered ultra-high strength steelsJ.Steel Research 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