RV減速器擺線輪的熱處理工藝模擬研究

王紅霞， 李 杰， 鄭彥博

(黔南民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 都勻 558000)

精密RV減速器是一種由針擺行星輪發(fā)展而來的，在工業(yè)機器人領(lǐng)域中得到廣泛運用。航天工業(yè)作為使用機器人最為必要的行業(yè)之一，要求機器人不僅能適應(yīng)惡劣的環(huán)境，還要求高壽命，擺線輪作為減速器的重要零件，它的性能直接影響精密RV減速器的整體性能[1]。由于擺線輪與滾針相接觸嚙合，接觸為線接觸，輪面受力較大，因此對擺線輪的硬度等要求較高。經(jīng)熱處理后材料的硬度升高，淬透性加深，耐磨性和使用壽命增加[2-3]?，F(xiàn)有的熱處理工藝是基于普通齒輪而言的，并沒有特定擺線輪的熱處理工藝，且保溫時間和冷卻時間均未給予具體的范圍，可能存在資源的浪費或者使得熱處理效果不佳。為了降低成品成本，在確定試件熱處理工藝之前，有必要對熱處理工藝進行分析[4]。

1 熱處理過程

熱處理是擺線輪生產(chǎn)中一個必要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到擺線輪的硬度和使用壽命。采用正火后滲碳再淬火最后回火熱處理工藝。正火能細(xì)化晶粒是提高零件機械性能的有效途徑之一；滲碳可以提高零件表層含碳量而心部仍保持原有成分；淬火可以大幅提高鋼材的剛性、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等；而回火可消除鋼材中存在的成分不均或偏析等現(xiàn)象，能顯著的提高材料的塑性與韌性[5]。

1.1 熱處理材料

對航天機器人中的微型RV減速器的要求即為長周期、安全可靠地運行，因此選用的擺線輪材料為20Cr2Ni4。20Cr2Ni4含有Cr減緩了奧氏體的分解速度，顯著提高了鋼的淬透性，元素Ni擴大鐵的奧氏體區(qū)域，即升高了A4點，降低了A3點，是形成和穩(wěn)定奧氏體的主要元素[6]，試件的化學(xué)成分如表1所示。

1.2 熱處理過程計算原理

熱處理過程是溫度場、組織場、應(yīng)力場相互耦合的過程，耦合關(guān)系復(fù)雜，牽涉面廣[4]。試件在加熱和冷卻不斷變換的同時，試件內(nèi)部組織成分在不斷發(fā)生變化。本文通過DEFORM中本身材料庫中自帶的材料(國標(biāo)牌號20Cr2Ni4對應(yīng)材料庫牌號BS 655M13)進行熱處理模擬。鑒于本文中熱處理過程為非線性問題，且DEFORM中有專屬的熱處理模塊，該類仿真結(jié)果均與實驗結(jié)果存在誤差，且誤差低于5.0%，誤差在可接受范圍之內(nèi)[4]。因此本文選用DEFORM-3D VER 10.2中的Heat Treatment進行熱處理仿真。

1.3 熱處理工藝參數(shù)

根據(jù)表2可知[7]，20Cr2Ni4合金鋼的Ac3約為780 ℃，為了促進奧氏體均勻化，增大過冷奧氏體穩(wěn)定性，選擇正火工藝的加熱溫度為θ=860～890 ℃，在加熱溫度下燒透，出爐后在空氣中冷卻。

滲碳工藝：滲碳溫度900～950 ℃。直接淬火：工件滲碳過程結(jié)束后隨爐降溫或出爐預(yù)冷至略高于心部Ar3的溫度(800～850 ℃)再進行淬火；一次加熱淬火：一般合金滲碳鋼，常采用稍高于Ac3的溫度(820～860 ℃)加熱淬火;二次加熱淬火：第一次淬火加熱溫度應(yīng)高于心部的Ac3溫度(850～910 ℃)，第二次淬火主要是為細(xì)化表層組織，溫度選擇稍高于表層Ac1的溫度(760～800 ℃)。

回火工藝：普通回火一般按溫度分為低溫回火(150～250 ℃)、中溫回火(250～450 ℃)和高溫回火(450～650 ℃)。冷卻介質(zhì)采用水冷、油冷或空冷，一般采用空冷，以免快速冷卻產(chǎn)生新應(yīng)力。

1.4 仿真模型的建立

本文模型由Creo3.0導(dǎo)出，擺線輪是對稱件，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示，試件的仿真模型可根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特性選擇如圖1(b)所示。

(a)模型結(jié)構(gòu)完整示意圖； (b) 1/3模型的結(jié)構(gòu)示意圖圖1 擺線輪結(jié)構(gòu)示意圖(a)complete structural diagram of model;(b)structural diagram of 1/3 modelFig.1 Structural sketch of cycloid wheel

RV減速器結(jié)構(gòu)參數(shù)：n1=2000 r/min；輸出盤轉(zhuǎn)速n2=40 r/min；輸出盤轉(zhuǎn)矩T=7 N·m；針齒殼半徑rp=23 mm，針齒半徑rrp=1.5 mm；偏向距a=0.5 mm；針輪齒數(shù)Zp=39，擺線輪齒數(shù)Zc=Zp-1=38；擺線輪尺寸參數(shù)厚度t=(0.1～0.2)rp=2.3～4.6 mm,選取厚度為3 mm；短幅系數(shù)k=0.65。

1.5 熱處理工藝

熱處理工藝的加熱時間根據(jù)經(jīng)驗公式執(zhí)行[7]，詳見表3。由表3可知隨著a的取值不同，會產(chǎn)生較大的時間誤差，于是出現(xiàn)了按照工件尺寸為基準(zhǔn)的計算加熱時間的經(jīng)驗法3。

熱處理工藝選擇：正火加熱溫度為860 ℃，滲碳溫度為900 ℃，一次淬火溫度為850 ℃，二次加熱淬火溫度為780 ℃，直接淬火溫度為850 ℃，低溫回火溫度為150 ℃。

表3 在經(jīng)驗公式下的合金鋼加熱時間表

2.尺寸單位mm，加熱時間單位min。

根據(jù)表3所示，加熱保溫時間在2.0～10.8 min之間，本文初選加熱保溫時間為10 min。由于冷卻介質(zhì)與冷卻時間對硬度影響較小[8]，因此選擇冷卻時間為空冷30 min、油冷20 min。滲碳工藝中隨著時間的增加，材料將可以得到更加均勻致密的顯微組織[9]。

滲碳層深度(δ)一般在0.5～2 mm之間，波動不大于0.5 mm。滲碳深度根據(jù)零件確定，一般如下[7]：

軸類：δ=(0.1～0.2)R，R為軸半徑，mm；

齒輪：δ=(0.2～0.3)m，m為齒輪模數(shù)，mm；

薄片：δ=(0.2～0.3)Dc，Dc為薄片厚度，mm。

根據(jù)參考文獻[10]提出的擺線輪模數(shù)概念，得到擺線輪模數(shù)的計算公式：

(1)

式中：D為擺線輪直徑；m為擺線輪模數(shù)；k為短幅系數(shù)；d為初始擺線輪直徑。

得到擺線輪的模數(shù)m=0.93 mm，滲碳層深度取值范圍為0.19～0.28 mm。若將試件看做薄片，得到滲碳深度取值范圍為0.6～0.9 mm。

根據(jù)哈里斯表層滲碳深度公式得到的滲碳保溫時間公式：

(2)

式中:δ為滲層深度，mm；t為滲碳時間，min；T為滲碳溫度，K。

在滲碳介質(zhì)、滲碳時間相同的條件下，提高滲碳溫度，可以顯著地提高擴散系數(shù)；但隨著滲碳溫度的增大，爐子的壽命減小，且晶粒會急速長大，導(dǎo)致力學(xué)性能惡化。因此本文選擇的滲碳溫度為20Cr2Ni4滲碳溫度區(qū)間[11]的下限900 ℃，得到滲碳保溫時間范圍為8.4～166.2 min。滲碳保溫時間越長，奧氏體晶粒粗化越顯著[12]，滲碳保溫時間過短不能保證滲層深度，因此本文選取滲碳保溫時間為60 min。

根據(jù)李國彬[7]給出20Cr2Ni4合金鋼的熱處理工藝為正火+滲碳+淬火+回火，制定出20Cr2Ni4合金鋼的熱處理工藝，見表4。

表4 熱處理工藝

2 仿真熱處理過程

采用工藝1熱處理后，選取擺線輪截面內(nèi)距外表面距離不同的四個節(jié)點，其硬度和殘余應(yīng)力分布圖見圖2。由圖2(a)可知，試件在滲碳處理階段殘余應(yīng)力值突變(先增大后減小)，試件的殘余應(yīng)力值隨著測試點距試件表面的距離增大而減小，即試件表面的應(yīng)力最大。圖2(b)為截面四個測試點的硬度分布曲線圖，由圖可知截面四個關(guān)鍵點的硬度值隨時間變化規(guī)律一致，且試件表面和芯部硬度趨向相等。通過云圖3(a)可知試件表面大殘余應(yīng)力集中在A區(qū)域，選擇關(guān)鍵點point1(15.7,3.5)，通過改變x、y值得到另外三個關(guān)鍵點point2(19.7,3.5)、point3(17.5,3.5)和point4(21.5,3.5)，如圖3(b)所示。

(a)節(jié)點處殘余應(yīng)力；(b)節(jié)點處硬度值 圖2 試件仿真云圖(a)residual stress of panel point; (b) hardness value of panel pointFig.2 Simulated nephogram of specimen

(a)高殘余應(yīng)力-A區(qū)域 ；(b)關(guān)鍵點圖3 試件殘余應(yīng)力云圖(a)high residual stress in area A; (b)key pointsFig.3 Residual stress cloud diagram of specimen

圖4為不同熱處理工藝下試件關(guān)鍵點硬度變化圖。試件分別經(jīng)工藝1、工藝2和工藝3熱處理后，試件表面硬度分布趨勢一致，試件結(jié)構(gòu)尺寸突變處，硬度相對較小。在滲碳結(jié)束后的淬火加熱過程中，經(jīng)工藝1、2熱處理的試件硬度急劇下降后上升，在熱處理工藝3下試件的淬火回火硬度無明顯變化。通過分析四個關(guān)鍵點，3種熱處理工藝得到材料的硬度一致。即對比硬度數(shù)值，工藝1、工藝2和工藝3無明顯差別。

根據(jù)圖2(a)可知，試件表面殘余應(yīng)力值最大。由圖5可得，在工藝1、工藝2和工藝3的作用下，擺線輪的輪齒處殘余應(yīng)力最大，且工藝1、2較工藝3所得到高應(yīng)力區(qū)域比例更大。通過分析四個關(guān)鍵點，得到工藝3較工藝1、2熱處理后試件的殘余應(yīng)力更小。即對比殘余應(yīng)力，得到工藝3較工藝1、2對微型齒輪熱處理有明顯優(yōu)勢。

選擇保溫時間5 min和15 min，工藝3作用下試件的某些點的殘余應(yīng)力如圖6和7所示。

對比圖5 (c)、圖6 (a)和圖6(b)可以得到：除去個別點，四個關(guān)鍵點殘余應(yīng)力值隨加熱保溫時間的增加而增大。且保溫時間為5 min時，試件的最大殘余應(yīng)力為343 MPa；保溫時間為10 min時，試件的最大殘余應(yīng)力為448 MPa；保溫時間為15 min時，試件的最大殘余應(yīng)力為522 MPa。

(a) 工藝1；(b) 工藝2； (c) 工藝3圖4 關(guān)鍵點硬度值(a)process 1; (b) process 2; (c) process 3Fig.4 Hardness value at key points

(b) 工藝1；(b) 工藝2；(c) 工藝3圖5 關(guān)鍵點殘余應(yīng)力值(a)process 1; (b) process 2; (c) process 3Fig.5 Residual stress at key points

(a) 保溫時間5min；(b) 保溫時間15min圖6 關(guān)鍵點殘余應(yīng)力值(a)holding for 5 min; (b) holding for 15 minFig.6 Residual stress at key points

對比圖4(c)、圖7(a)和圖7(b)可以得知，試件在熱處理后，保溫時間分別為5、10和15 mim時，最大硬度均為54.9 HRC，最小硬度分別為53.8、53.9和54 HRC。

在 deform 仿真中模擬熱處理工藝1、工藝2和工藝3。由圖4可得，擺線輪在保溫10 min的熱處理工藝1、2中，試件的最大硬度均為54.8 HRC，表面和芯部硬度趨近一致；試件殘余應(yīng)力隨著測試點距試件表面的距離增大而減小，即試件表面的殘余應(yīng)力最大。對比圖4可知，在滲碳后的淬火加熱過程中，試件在工藝1、2作用下硬度急劇下降后上升，工藝3相對于工藝1和工藝2的加熱和冷卻次數(shù)少，可減少熱處理時的變形、氧化和脫碳，理論與仿真結(jié)果一致。通過對比圖5 (c)、圖6(a)和圖6(b)得到，試件的殘余應(yīng)力隨著加熱保溫時間的增大而增大。通過對比圖4(c)、圖7(a)和圖7(b)得到，選擇保溫時間大于經(jīng)驗公式計算得到的保溫時間時，保溫時間對試件硬度影響可忽略不計。

(a) 保溫時間5 min；(b) 保溫時間15 min圖7 關(guān)鍵點硬度值(a)holding for 5 min; (b) holding for 15 minFig.7 Hardness value at key points

3 結(jié)論

1)本文的模擬分析為后續(xù)零件熱處理試驗提供了理論支撐，降低了試驗成本。對熱處理仿真進行綜合分析，得到微型擺線輪的最佳熱處理工藝為正火+滲碳+直接淬火+回火。

2)滲碳處理的冷卻方式是熱處理工藝中對試件殘余應(yīng)力影響最大的因素，試件直接空冷至室溫后進行后續(xù)熱處理相較于爐冷到直接淬火溫度再進行后續(xù)熱處理內(nèi)部殘余應(yīng)力更大。

3)在加熱保溫10 min的熱處理工藝3基礎(chǔ)上，只要確保試件的最低溫度已達到加熱的最高溫度，適當(dāng)?shù)販p少保溫時間是可行且有利的。選擇加熱保溫5 min不僅保證了試件的機械性能，還減少了加工時間，有效地提高了生產(chǎn)效率。