工業(yè)機(jī)器人諧波減速機(jī)柔輪用鋼的研發(fā)

劉 燁

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰 214400）

0 引言

近年來(lái)，勞動(dòng)力成本的上漲、人口老齡化趨勢(shì)的加速以及新冠疫情的蔓延給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)了巨大壓力，一些制造類企業(yè)開(kāi)始逐步開(kāi)始采用工業(yè)機(jī)器人取代部分人工，以提高生產(chǎn)效率和降低成本。相較于常規(guī)由人工生產(chǎn)出的產(chǎn)品，工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品具有一致性好、裝配精度高等優(yōu)點(diǎn)，且工業(yè)機(jī)器人足夠的勞動(dòng)力能確保生產(chǎn)過(guò)程的高度穩(wěn)定性，這些優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越得到制造類企業(yè)的重視。

為了確保工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)過(guò)程中能穩(wěn)定地完成各類工序，精密減速機(jī)是工業(yè)機(jī)器人中最關(guān)鍵的部件，其制造成本的占比超過(guò)35%。RV 減速機(jī)和諧波減速機(jī)是最常見(jiàn)的兩種工業(yè)機(jī)器人用精密減速機(jī)。其中，相較于RV 減速機(jī)，諧波減速機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、體積小而減速比大、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)精度高等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、醫(yī)療機(jī)械等領(lǐng)域[1-2]。

長(zhǎng)期以來(lái)，工業(yè)機(jī)器人用精密減速機(jī)技術(shù)一直由日本、德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家牢牢掌握。隨著國(guó)內(nèi)減速機(jī)關(guān)鍵材料的開(kāi)發(fā)、熱處理技術(shù)和高精度裝配技術(shù)的發(fā)展，雖然在工業(yè)機(jī)器人用精密減速機(jī)的設(shè)計(jì)和制造上取得一定突破，但是在整體核心技術(shù)方面仍然與國(guó)際先進(jìn)水平有較大差距，嚴(yán)重制約了我國(guó)工業(yè)機(jī)器人制造業(yè)的發(fā)展。

柔輪作為工業(yè)機(jī)器人用諧波減速機(jī)的關(guān)鍵部件，其原材料長(zhǎng)期被國(guó)外進(jìn)口材料所壟斷。江陰興澄特種鋼鐵有限公司（全文簡(jiǎn)稱“興澄特鋼”）作為全球最具競(jìng)爭(zhēng)力的特鋼企業(yè)，致力于高端工業(yè)機(jī)器人精密減速機(jī)關(guān)鍵材料的開(kāi)發(fā)。興澄利用獨(dú)有的高純凈冶煉、大斷面連鑄和大壓縮比軋制等核心技術(shù)，成功開(kāi)發(fā)出一種高端工業(yè)機(jī)器人諧波減速機(jī)柔輪用鋼，在材料純凈度和組織均勻性方面，均要明顯優(yōu)于國(guó)外進(jìn)口材料，推進(jìn)了高端工業(yè)機(jī)器人減速機(jī)關(guān)鍵材料的國(guó)產(chǎn)化。

1 諧波減速機(jī)概述

一般情況下，工業(yè)機(jī)器人用諧波減速機(jī)由三個(gè)基礎(chǔ)部件組成：帶有內(nèi)齒輪的剛輪、柔輪和波發(fā)生器，如圖1 所示。其中，波發(fā)生器由橢圓形的凸輪與柔性軸承組成，柔性軸承具有薄壁的特點(diǎn)，也稱為薄壁軸承。柔輪是具有薄壁特性的環(huán)狀部件，但是在設(shè)計(jì)之初，柔輪的內(nèi)孔直徑略小于薄壁軸承的外圈直徑，所以當(dāng)波發(fā)生器通過(guò)內(nèi)嵌的方式裝配到柔輪內(nèi)時(shí)，會(huì)迫使柔輪的剖面形成具有長(zhǎng)短軸的橢圓。波發(fā)生器和柔輪同軸裝在剛輪內(nèi)，在長(zhǎng)軸區(qū)域，柔輪的外齒與剛輪內(nèi)齒完全嚙合，但是在短軸區(qū)域內(nèi)，柔輪的外齒則與剛輪內(nèi)齒完全脫開(kāi)。在諧波減速機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，橢圓狀的凸輪會(huì)導(dǎo)致柔性軸承和柔輪始終在彈性變形范圍內(nèi)作橢圓形變形運(yùn)動(dòng)，通過(guò)柔輪和剛輪之間的嚙合狀態(tài)不斷改變實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞[3-4]。

圖1 諧波減速機(jī)的組成

2 諧波柔輪概述

在諧波減速機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，由于柔輪與剛輪的嚙合狀態(tài)不斷發(fā)生改變，導(dǎo)致柔輪需要不斷承受交變應(yīng)力的作用。而且諧波減速機(jī)通過(guò)內(nèi)嵌的方式裝配，盡管存在潤(rùn)滑油脂，但是柔輪還是會(huì)與柔性軸承以及剛輪發(fā)生摩擦[5]?；谏鲜鰞牲c(diǎn)原因，相較于柔性軸承和剛輪，柔輪在實(shí)際工作中更容易發(fā)生失效。提高柔輪材料的質(zhì)量是諧波減速器關(guān)鍵材料的研發(fā)過(guò)程中最主要的難點(diǎn)。

柔輪作為直接關(guān)系到諧波減速機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵部件，要保證諧波減速機(jī)具有足夠的安全性、可靠性和較長(zhǎng)的使用壽命，這要求柔輪用鋼具有較高的純凈度以及組織均勻性。柔輪材料的高純凈度要求指材料中的夾雜物盡量少，作為薄殼形元件，還要求夾雜物的尺寸要小。純凈度的高低直接影響了柔輪的疲勞壽命，柔輪的早期失效大部分是因?yàn)榇嬖谳^大顆粒的夾雜物；柔輪材料的高均勻性是指材料帶狀組織的帶寬要小并且彌散，這影響柔輪熱處理后的變形和組織均勻性。

3 柔輪用鋼的開(kāi)發(fā)

目前，諧波減速機(jī)柔輪均采用國(guó)外進(jìn)口鋼材，本文主要從材料的純凈度和組織均勻性兩方面對(duì)比興澄材料和國(guó)外進(jìn)口材料的質(zhì)量水平。

3.1 純凈度

關(guān)于材料純凈度的主要指標(biāo)包括氧含量、微觀夾雜物的評(píng)級(jí)。提高材料的純凈度，首要的是降低鋼中的氧含量。氧含量越低，材料中的氧化物類夾雜越少，疲勞強(qiáng)度越高。興澄材料和國(guó)外進(jìn)口材的氧含量對(duì)比如表1 所示。由表1 可以看出，興澄材料在氧含量方面遠(yuǎn)低于國(guó)外材。

表1 興澄材料和國(guó)外進(jìn)口材料的氧含量對(duì)比

微觀夾雜物的評(píng)級(jí)也是對(duì)材料純凈度評(píng)價(jià)的一種常規(guī)方法。表2 列出了興澄材料和國(guó)外材料在微觀夾雜物方面的對(duì)比，各檢驗(yàn)了6 個(gè)樣品，按ISO 4967-2013 檢驗(yàn)。

表2 興澄材料和國(guó)外進(jìn)口材料微觀夾雜物的對(duì)比 單位：級(jí)

由表2 可以看出，興澄特鋼控制微觀夾雜物的尺寸明顯小于國(guó)外進(jìn)口材料。在柔輪的使用過(guò)程中，容易在脆性?shī)A雜物（B 類、D 類和Ds 類夾雜）附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而萌生裂紋導(dǎo)致提前失效。在脆性?shī)A雜物的控制上，興澄材料要明顯優(yōu)于國(guó)外進(jìn)口材料。A類和C 類夾雜物屬于塑性?shī)A雜物，具有一定的延展性，對(duì)柔輪的使用危害較小。興澄材料對(duì)塑性?shī)A雜物的評(píng)級(jí)要比國(guó)外進(jìn)口材料低1 級(jí)左右。

利用電子顯微鏡自動(dòng)面掃描技術(shù)可以對(duì)鋼材中夾雜物類型、數(shù)量和尺寸進(jìn)行精細(xì)定量。CaO-Al2O3-SiO2夾雜物是一種典型的氧化物類夾雜物，興澄材料和國(guó)外進(jìn)口材料關(guān)于典型CaO-Al2O3-SiO2夾雜物的三元相圖對(duì)比如圖2 所示。

圖2 CaO-Al2O3-SiO2 夾雜物的相圖對(duì)比

從圖2 的三元相圖對(duì)比可看出，興澄材料的典型氧化物類夾雜明顯要比國(guó)外進(jìn)口材料少，而且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)超過(guò)10 μm 的夾雜物，但是國(guó)外進(jìn)口材料甚至還能檢測(cè)到大于15 μm 的夾雜物。興澄利用獨(dú)有的高純凈冶煉，開(kāi)發(fā)的工業(yè)機(jī)器人諧波減速機(jī)柔輪用鋼在純凈度方面明顯要優(yōu)于國(guó)外進(jìn)口材料。

3.2 組織均勻性

興澄特鋼采用真空脫氣+連鑄+連軋的方式生產(chǎn)鋼材，微觀偏析是連鑄鋼材無(wú)法回避的問(wèn)題。由于柔輪對(duì)材料的組織均勻性要求十分苛刻，為改善材料的微觀偏析，興澄特鋼共采用了三種連鑄方式。成品材經(jīng)退火后，觀察柔輪用鋼在近表面、1/2R 處和心部的微觀組織。

3.2.1 方案一

采用強(qiáng)冷工藝原理改善材料的微觀偏析。冷卻條件是決定連鑄坯質(zhì)量的重要因素。適當(dāng)提高冷卻條件，可以抑制二次枝晶的生長(zhǎng)，促進(jìn)鋼水的流動(dòng)，從而促進(jìn)鋼水的成分均勻性。采用強(qiáng)冷工藝的興澄材料的微觀組織如圖3 所示。

圖3 強(qiáng)冷工藝下興澄材料的微觀組織（100×）

由圖3 所示，材料近表面處不存在明顯的帶狀組織，但是在1/2R 處和心部依然存在貫穿視場(chǎng)的帶狀組織，帶狀組織較密集，并且存在一定帶寬。強(qiáng)冷工藝雖然在原理上能夠改善材料的微觀偏析，但是從退火成品材上的微觀組織觀察，微觀偏析的改善程度不明顯。

3.2.2 方案二

采用強(qiáng)電磁攪拌原理改善材料的微觀偏析。利用電磁力來(lái)強(qiáng)化鋼水的對(duì)流，能加速鋼水的凝固過(guò)程，抑制粗大的柱狀晶生成，增加等軸晶含量，并且通過(guò)電磁攪拌的方式，也促進(jìn)了鋼水成分的均勻化。采用強(qiáng)電磁攪拌工藝的興澄材料的微觀組織如圖4 所示。

圖4 強(qiáng)電磁攪拌工藝下興澄材料的微觀組織（100×）

從圖4 所示的微觀組組織觀察，相較于強(qiáng)冷工藝，強(qiáng)電磁攪拌能夠改善材料的微觀偏析。在1/2R 處和心部，帶狀組織的帶寬要明顯變小，分布較均勻，但是在材料均勻性方面依舊不能滿足柔輪的使用要求。

3.2.3 方案三

采用連鑄輕壓下控制材料的微觀偏析。連鑄過(guò)程中，經(jīng)過(guò)凝固末端的輕壓下，凝固后期的鋼水在壓力的作用下向結(jié)晶器端流動(dòng)，并與靠近上部的鋼液混合，有利于降低最后凝固區(qū)的鋼液溶質(zhì)內(nèi)部差異[6]。采用輕壓下工藝的興澄材料的微觀組織如圖5 所示。

圖5 輕壓下工藝下興澄材料的微觀組織（100×）

從圖5 可以觀察到，使用輕壓下工藝能夠明顯改善材料的微觀偏析。在1/2R 處和心部，帶狀組織分布彌散，無(wú)貫穿性視場(chǎng)，且?guī)捿^細(xì)，能夠滿足柔輪的使用要求。

國(guó)外進(jìn)口材料在近表面、1/2R 處和心部的微觀組織如圖6 所示，國(guó)外進(jìn)口材料在1/2R 處和心部存在明顯的帶狀組織，且?guī)捿^粗。興澄采用輕壓下工藝生產(chǎn)的柔輪用鋼在帶狀組織等方面明顯優(yōu)于國(guó)外進(jìn)口材料。

圖6 國(guó)外進(jìn)口材料的微觀組織（100×）

在500×下，興澄（使用輕壓下關(guān)工藝）和國(guó)外進(jìn)口材料的微觀組織對(duì)比如圖7 所示。興澄材料的貝氏體組織分布更細(xì)小均勻。帶狀組織之間的硬度差如表3 所列，國(guó)外進(jìn)口材料帶狀組織之間的硬度（HRC）差能控制在5 左右，興澄材料由于微觀偏析程度較小，帶狀組織之間的硬度差在3.5 左右，優(yōu)于國(guó)外進(jìn)口材料。

表3 興澄和國(guó)外進(jìn)口材料帶狀組織之間硬度差的對(duì)比

圖7 興澄和國(guó)外進(jìn)口材料的微觀組織對(duì)比（500×）

4 結(jié)論

1）在氧含量方面，興澄特鋼開(kāi)發(fā)的柔輪用鋼明顯低于國(guó)外進(jìn)口柔輪材料，興澄材料的w（O）遠(yuǎn)低于5×10-6。

2）在非金屬夾雜物方面，興澄材料和國(guó)外進(jìn)口材料均以硫化物和氧化物為主，興澄材料能較好地控制硫化物和氧化物的尺寸，硫化物尺寸≤1.5 級(jí)，氧化物尺寸≤0.5 級(jí)，且并未發(fā)現(xiàn)粗型硫化物和氧化物。

3）在組織均勻性方面，興澄對(duì)比試驗(yàn)了三種改善微觀偏析的工藝，在連鑄過(guò)程中采用輕壓下的工藝能明顯提高組織均勻性，帶狀組織呈彌散分布，且不存在貫穿性視場(chǎng)。

4）采用輕壓下工藝，興澄的柔輪用鋼的微觀帶狀組織的寬度和帶狀組織之間的洛氏硬度極差明顯小于國(guó)外進(jìn)口材料。