工業機器人諧波減速機柔輪用鋼的研發

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，勞動力成本的上漲、人口老齡化趨勢的加速以及新冠疫情的蔓延給傳統制造業帶來了巨大壓力，一些制造類企業開始逐步開始采用工業機器人取代部分人工，以提高生產效率和降低成本。相較于常規由人工生產出的產品，工業機器人生產出來的產品具有一致性好、裝配精度高等優點，且工業機器人足夠的勞動力能確保生產過程的高度穩定性，這些優點越來越得到制造類企業的重視。

為了確保工業機器人在生產過程中能穩定地完成各類工序，精密減速機是工業機器人中最關鍵的部件，其制造成本的占比超過35%。RV 減速機和諧波減速機是最常見的兩種工業機器人用精密減速機。其中，相較于RV 減速機，諧波減速機具有結構緊湊、質量輕、體積小而減速比大、傳動效率高、傳動精度高等優勢，廣泛應用于航空航天、汽車制造、醫療機械等領域[1-2]。

長期以來，工業機器人用精密減速機技術一直由日本、德國、美國等國家牢牢掌握。隨著國內減速機關鍵材料的開發、熱處理技術和高精度裝配技術的發展，雖然在工業機器人用精密減速機的設計和制造上取得一定突破，但是在整體核心技術方面仍然與國際先進水平有較大差距，嚴重制約了我國工業機器人制造業的發展。

柔輪作為工業機器人用諧波減速機的關鍵部件，其原材料長期被國外進口材料所壟斷。江陰興澄特種鋼鐵有限公司（全文簡稱“興澄特鋼”）作為全球最具競爭力的特鋼企業，致力于高端工業機器人精密減速機關鍵材料的開發。興澄利用獨有的高純凈冶煉、大斷面連鑄和大壓縮比軋制等核心技術，成功開發出一種高端工業機器人諧波減速機柔輪用鋼，在材料純凈度和組織均勻性方面，均要明顯優于國外進口材料，推進了高端工業機器人減速機關鍵材料的國產化。

1 諧波減速機概述

一般情況下，工業機器人用諧波減速機由三個基礎部件組成：帶有內齒輪的剛輪、柔輪和波發生器，如圖1 所示。其中，波發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，也稱為薄壁軸承。柔輪是具有薄壁特性的環狀部件，但是在設計之初，柔輪的內孔直徑略小于薄壁軸承的外圈直徑，所以當波發生器通過內嵌的方式裝配到柔輪內時，會迫使柔輪的剖面形成具有長短軸的橢圓。波發生器和柔輪同軸裝在剛輪內，在長軸區域，柔輪的外齒與剛輪內齒完全嚙合，但是在短軸區域內，柔輪的外齒則與剛輪內齒完全脫開。在諧波減速機運轉過程中，橢圓狀的凸輪會導致柔性軸承和柔輪始終在彈性變形范圍內作橢圓形變形運動，通過柔輪和剛輪之間的嚙合狀態不斷改變實現動力的傳遞[3-4]。

圖1 諧波減速機的組成

2 諧波柔輪概述

在諧波減速機的運行過程中，由于柔輪與剛輪的嚙合狀態不斷發生改變，導致柔輪需要不斷承受交變應力的作用。而且諧波減速機通過內嵌的方式裝配，盡管存在潤滑油脂，但是柔輪還是會與柔性軸承以及剛輪發生摩擦[5]?；谏鲜鰞牲c原因，相較于柔性軸承和剛輪，柔輪在實際工作中更容易發生失效。提高柔輪材料的質量是諧波減速器關鍵材料的研發過程中最主要的難點。

柔輪作為直接關系到諧波減速機運行的關鍵部件，要保證諧波減速機具有足夠的安全性、可靠性和較長的使用壽命，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為存在較大顆粒的夾雜物；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 柔輪用鋼的開發

目前，諧波減速機柔輪均采用國外進口鋼材，本文主要從材料的純凈度和組織均勻性兩方面對比興澄材料和國外進口材料的質量水平。

3.1 純凈度

關于材料純凈度的主要指標包括氧含量、微觀夾雜物的評級。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，疲勞強度越高。興澄材料和國外進口材的氧含量對比如表1 所示。由表1 可以看出，興澄材料在氧含量方面遠低于國外材。

表1 興澄材料和國外進口材料的氧含量對比

微觀夾雜物的評級也是對材料純凈度評價的一種常規方法。表2 列出了興澄材料和國外材料在微觀夾雜物方面的對比，各檢驗了6 個樣品，按ISO 4967-2013 檢驗。

表2 興澄材料和國外進口材料微觀夾雜物的對比 單位：級

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外進口材料。在柔輪的使用過程中，容易在脆性夾雜物（B 類、D 類和Ds 類夾雜）附近產生應力集中，進而萌生裂紋導致提前失效。在脆性夾雜物的控制上，興澄材料要明顯優于國外進口材料。A類和C 類夾雜物屬于塑性夾雜物，具有一定的延展性，對柔輪的使用危害較小。興澄材料對塑性夾雜物的評級要比國外進口材料低1 級左右。

利用電子顯微鏡自動面掃描技術可以對鋼材中夾雜物類型、數量和尺寸進行精細定量。CaO-Al2O3-SiO2夾雜物是一種典型的氧化物類夾雜物，興澄材料和國外進口材料關于典型CaO-Al2O3-SiO2夾雜物的三元相圖對比如圖2 所示。

圖2 CaO-Al2O3-SiO2 夾雜物的相圖對比

從圖2 的三元相圖對比可看出，興澄材料的典型氧化物類夾雜明顯要比國外進口材料少，而且沒有發現超過10 μm 的夾雜物，但是國外進口材料甚至還能檢測到大于15 μm 的夾雜物。興澄利用獨有的高純凈冶煉，開發的工業機器人諧波減速機柔輪用鋼在純凈度方面明顯要優于國外進口材料。

3.2 組織均勻性

興澄特鋼采用真空脫氣+連鑄+連軋的方式生產鋼材，微觀偏析是連鑄鋼材無法回避的問題。由于柔輪對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量的重要因素。適當提高冷卻條件，可以抑制二次枝晶的生長，促進鋼水的流動，從而促進鋼水的成分均勻性。采用強冷工藝的興澄材料的微觀組織如圖3 所示。

圖3 強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的帶狀組織，帶狀組織較密集，并且存在一定帶寬。強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

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

圖4 強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，相較于強冷工藝，強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。連鑄過程中，經過凝固末端的輕壓下，凝固后期的鋼水在壓力的作用下向結晶器端流動，并與靠近上部的鋼液混合，有利于降低最后凝固區的鋼液溶質內部差異[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，無貫穿性視場，且帶寬較細，能夠滿足柔輪的使用要求。

國外進口材料在近表面、1/2R 處和心部的微觀組織如圖6 所示，國外進口材料在1/2R 處和心部存在明顯的帶狀組織，且帶寬較粗。興澄采用輕壓下工藝生產的柔輪用鋼在帶狀組織等方面明顯優于國外進口材料。

圖6 國外進口材料的微觀組織（100×）

在500×下，興澄（使用輕壓下關工藝）和國外進口材料的微觀組織對比如圖7 所示。興澄材料的貝氏體組織分布更細小均勻。帶狀組織之間的硬度差如表3 所列，國外進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，優于國外進口材料。

表3 興澄和國外進口材料帶狀組織之間硬度差的對比

圖7 興澄和國外進口材料的微觀組織對比（500×）

4 結論

1）在氧含量方面，興澄特鋼開發的柔輪用鋼明顯低于國外進口柔輪材料，興澄材料的w（O）遠低于5×10-6。

2）在非金屬夾雜物方面，興澄材料和國外進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，氧化物尺寸≤0.5 級，且并未發現粗型硫化物和氧化物。

3）在組織均勻性方面，興澄對比試驗了三種改善微觀偏析的工藝，在連鑄過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。

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外進口材料。