王紅霞， 李 杰， 鄭彥博

(黔南民族職業(yè)技術學院，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]。現(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、應力場相互耦合的過程，耦合關系復雜，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(國標牌號20Cr2Ni4對應材料庫牌號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，該類仿真結果均與實驗結果存在誤差，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：工件滲碳過程結束后隨爐降溫或出爐預冷至略高于心部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高于心部的Ac3溫度(850～910 ℃)，第二次淬火主要是為細化表層組織，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)生新應力。

1.4 仿真模型的建立

本文模型由Creo3.0導出，擺線輪是對稱件，結構示意圖如圖1(a)所示，試件的仿真模型可根據(jù)零件的結構特性選擇如圖1(b)所示。

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

RV減速器結構參數(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，導致力學性能惡化。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力值突變(先增大后減小)，試件的殘余應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力集中在A區(qū)域，選擇關鍵點point1(15.7,3.5)，通過改變x、y值得到另外三個關鍵點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)高殘余應力-A區(qū)域 ；(b)關鍵點圖3 試件殘余應力云圖(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，試件結構尺寸突變處，硬度相對較小。在滲碳結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力最大，且工藝1、2較工藝3所得到高應力區(qū)域比例更大。通過分析四個關鍵點，得到工藝3較工藝1、2熱處理后試件的殘余應力更小。即對比殘余應力，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，四個關鍵點殘余應力值隨加熱保溫時間的增加而增大。且保溫時間為5 min時，試件的最大殘余應力為343 MPa；保溫時間為10 min時，試件的最大殘余應力為448 MPa；保溫時間為15 min時，試件的最大殘余應力為522 MPa。

(a) 工藝1；(b) 工藝2； (c) 工藝3圖4 關鍵點硬度值(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 關鍵點殘余應力值(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 關鍵點殘余應力值(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 關鍵點硬度值(a)holding for 5 min; (b) holding for 15 minFig.7 Hardness value at key points

3 結論

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)部殘余應力更大。

3)在加熱保溫10 min的熱處理工藝3基礎上，只要確保試件的最低溫度已達到加熱的最高溫度，適當?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。