RV减速器摆线轮的热处理工艺模拟研究

王红霞， 李 杰， 郑彦博

(黔南民族职业技术学院，贵州 都匀 558000)

精密RV减速器是一种由针摆行星轮发展而来的，在工业机器人领域中得到广泛运用。航天工业作为使用机器人最为必要的行业之一，要求机器人不仅能适应恶劣的环境，还要求高寿命，摆线轮作为减速器的重要零件，它的性能直接影响精密RV减速器的整体性能[1]。由于摆线轮与滚针相接触啮合，接触为线接触，轮面受力较大，因此对摆线轮的硬度等要求较高。经热处理后材料的硬度升高，淬透性加深，耐磨性和使用寿命增加[2-3]。现有的热处理工艺是基于普通齿轮而言的，并没有特定摆线轮的热处理工艺，且保温时间和冷却时间均未给予具体的范围，可能存在资源的浪费或者使得热处理效果不佳。为了降低成品成本，在确定试件热处理工艺之前，有必要对热处理工艺进行分析[4]。

1 热处理过程

热处理是摆线轮生产中一个必要环节，直接关系到摆线轮的硬度和使用寿命。采用正火后渗碳再淬火最后回火热处理工艺。正火能细化晶粒是提高零件机械性能的有效途径之一；渗碳可以提高零件表层含碳量而心部仍保持原有成分；淬火可以大幅提高钢材的刚性、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等；而回火可消除钢材中存在的成分不均或偏析等现象，能显著的提高材料的塑性与韧性[5]。

1.1 热处理材料

对航天机器人中的微型RV减速器的要求即为长周期、安全可靠地运行，因此选用的摆线轮材料为20Cr2Ni4。20Cr2Ni4含有Cr减缓了奥氏体的分解速度，显著提高了钢的淬透性，元素Ni扩大铁的奥氏体区域，即升高了A4点，降低了A3点，是形成和稳定奥氏体的主要元素[6]，试件的化学成分如表1所示。

1.2 热处理过程计算原理

热处理过程是温度场、组织场、应力场相互耦合的过程，耦合关系复杂，牵涉面广[4]。试件在加热和冷却不断变换的同时，试件内部组织成分在不断发生变化。本文通过DEFORM中本身材料库中自带的材料(国标牌号20Cr2Ni4对应材料库牌号BS 655M13)进行热处理模拟。鉴于本文中热处理过程为非线性问题，且DEFORM中有专属的热处理模块，该类仿真结果均与实验结果存在误差，且误差低于5.0%，误差在可接受范围之内[4]。因此本文选用DEFORM-3D VER 10.2中的Heat Treatment进行热处理仿真。

1.3 热处理工艺参数

根据表2可知[7]，20Cr2Ni4合金钢的Ac3约为780 ℃，为了促进奥氏体均匀化，增大过冷奥氏体稳定性，选择正火工艺的加热温度为θ=860～890 ℃，在加热温度下烧透，出炉后在空气中冷却。

渗碳工艺：渗碳温度900～950 ℃。直接淬火：工件渗碳过程结束后随炉降温或出炉预冷至略高于心部Ar3的温度(800～850 ℃)再进行淬火；一次加热淬火：一般合金渗碳钢，常采用稍高于Ac3的温度(820～860 ℃)加热淬火;二次加热淬火：第一次淬火加热温度应高于心部的Ac3温度(850～910 ℃)，第二次淬火主要是为细化表层组织，温度选择稍高于表层Ac1的温度(760～800 ℃)。

回火工艺：普通回火一般按温度分为低温回火(150～250 ℃)、中温回火(250～450 ℃)和高温回火(450～650 ℃)。冷却介质采用水冷、油冷或空冷，一般采用空冷，以免快速冷却产生新应力。

1.4 仿真模型的建立

本文模型由Creo3.0导出，摆线轮是对称件，结构示意图如图1(a)所示，试件的仿真模型可根据零件的结构特性选择如图1(b)所示。

(a)模型结构完整示意图； (b) 1/3模型的结构示意图图1 摆线轮结构示意图(a)complete structural diagram of model;(b)structural diagram of 1/3 modelFig.1 Structural sketch of cycloid wheel

RV减速器结构参数：n1=2000 r/min；输出盘转速n2=40 r/min；输出盘转矩T=7 N·m；针齿壳半径rp=23 mm，针齿半径rrp=1.5 mm；偏向距a=0.5 mm；针轮齿数Zp=39，摆线轮齿数Zc=Zp-1=38；摆线轮尺寸参数厚度t=(0.1～0.2)rp=2.3～4.6 mm,选取厚度为3 mm；短幅系数k=0.65。

1.5 热处理工艺

热处理工艺的加热时间根据经验公式执行[7]，详见表3。由表3可知随着a的取值不同，会产生较大的时间误差，于是出现了按照工件尺寸为基准的计算加热时间的经验法3。

热处理工艺选择：正火加热温度为860 ℃，渗碳温度为900 ℃，一次淬火温度为850 ℃，二次加热淬火温度为780 ℃，直接淬火温度为850 ℃，低温回火温度为150 ℃。

表3 在经验公式下的合金钢加热时间表

2.尺寸单位mm，加热时间单位min。

根据表3所示，加热保温时间在2.0～10.8 min之间，本文初选加热保温时间为10 min。由于冷却介质与冷却时间对硬度影响较小[8]，因此选择冷却时间为空冷30 min、油冷20 min。渗碳工艺中随着时间的增加，材料将可以得到更加均匀致密的显微组织[9]。

渗碳层深度(δ)一般在0.5～2 mm之间，波动不大于0.5 mm。渗碳深度根据零件确定，一般如下[7]：

轴类：δ=(0.1～0.2)R，R为轴半径，mm；

齿轮：δ=(0.2～0.3)m，m为齿轮模数，mm；

薄片：δ=(0.2～0.3)Dc，Dc为薄片厚度，mm。

根据参考文献[10]提出的摆线轮模数概念，得到摆线轮模数的计算公式：

(1)

式中：D为摆线轮直径；m为摆线轮模数；k为短幅系数；d为初始摆线轮直径。

得到摆线轮的模数m=0.93 mm，渗碳层深度取值范围为0.19～0.28 mm。若将试件看做薄片，得到渗碳深度取值范围为0.6～0.9 mm。

根据哈里斯表层渗碳深度公式得到的渗碳保温时间公式：

(2)

式中:δ为渗层深度，mm；t为渗碳时间，min；T为渗碳温度，K。

在渗碳介质、渗碳时间相同的条件下，提高渗碳温度，可以显著地提高扩散系数；但随着渗碳温度的增大，炉子的寿命减小，且晶粒会急速长大，导致力学性能恶化。因此本文选择的渗碳温度为20Cr2Ni4渗碳温度区间[11]的下限900 ℃，得到渗碳保温时间范围为8.4～166.2 min。渗碳保温时间越长，奥氏体晶粒粗化越显著[12]，渗碳保温时间过短不能保证渗层深度，因此本文选取渗碳保温时间为60 min。

根据李国彬[7]给出20Cr2Ni4合金钢的热处理工艺为正火+渗碳+淬火+回火，制定出20Cr2Ni4合金钢的热处理工艺，见表4。

表4 热处理工艺

2 仿真热处理过程

采用工艺1热处理后，选取摆线轮截面内距外表面距离不同的四个节点，其硬度和残余应力分布图见图2。由图2(a)可知，试件在渗碳处理阶段残余应力值突变(先增大后减小)，试件的残余应力值随着测试点距试件表面的距离增大而减小，即试件表面的应力最大。图2(b)为截面四个测试点的硬度分布曲线图，由图可知截面四个关键点的硬度值随时间变化规律一致，且试件表面和芯部硬度趋向相等。通过云图3(a)可知试件表面大残余应力集中在A区域，选择关键点point1(15.7,3.5)，通过改变x、y值得到另外三个关键点point2(19.7,3.5)、point3(17.5,3.5)和point4(21.5,3.5)，如图3(b)所示。

(a)节点处残余应力；(b)节点处硬度值 图2 试件仿真云图(a)residual stress of panel point; (b) hardness value of panel pointFig.2 Simulated nephogram of specimen

(a)高残余应力-A区域 ；(b)关键点图3 试件残余应力云图(a)high residual stress in area A; (b)key pointsFig.3 Residual stress cloud diagram of specimen

图4为不同热处理工艺下试件关键点硬度变化图。试件分别经工艺1、工艺2和工艺3热处理后，试件表面硬度分布趋势一致，试件结构尺寸突变处，硬度相对较小。在渗碳结束后的淬火加热过程中，经工艺1、2热处理的试件硬度急剧下降后上升，在热处理工艺3下试件的淬火回火硬度无明显变化。通过分析四个关键点，3种热处理工艺得到材料的硬度一致。即对比硬度数值，工艺1、工艺2和工艺3无明显差别。

根据图2(a)可知，试件表面残余应力值最大。由图5可得，在工艺1、工艺2和工艺3的作用下，摆线轮的轮齿处残余应力最大，且工艺1、2较工艺3所得到高应力区域比例更大。通过分析四个关键点，得到工艺3较工艺1、2热处理后试件的残余应力更小。即对比残余应力，得到工艺3较工艺1、2对微型齿轮热处理有明显优势。

选择保温时间5 min和15 min，工艺3作用下试件的某些点的残余应力如图6和7所示。

对比图5 (c)、图6 (a)和图6(b)可以得到：除去个别点，四个关键点残余应力值随加热保温时间的增加而增大。且保温时间为5 min时，试件的最大残余应力为343 MPa；保温时间为10 min时，试件的最大残余应力为448 MPa；保温时间为15 min时，试件的最大残余应力为522 MPa。

(a) 工艺1；(b) 工艺2； (c) 工艺3图4 关键点硬度值(a)process 1; (b) process 2; (c) process 3Fig.4 Hardness value at key points

(b) 工艺1；(b) 工艺2；(c) 工艺3图5 关键点残余应力值(a)process 1; (b) process 2; (c) process 3Fig.5 Residual stress at key points

(a) 保温时间5min；(b) 保温时间15min图6 关键点残余应力值(a)holding for 5 min; (b) holding for 15 minFig.6 Residual stress at key points

对比图4(c)、图7(a)和图7(b)可以得知，试件在热处理后，保温时间分别为5、10和15 mim时，最大硬度均为54.9 HRC，最小硬度分别为53.8、53.9和54 HRC。

在 deform 仿真中模拟热处理工艺1、工艺2和工艺3。由图4可得，摆线轮在保温10 min的热处理工艺1、2中，试件的最大硬度均为54.8 HRC，表面和芯部硬度趋近一致；试件残余应力随着测试点距试件表面的距离增大而减小，即试件表面的残余应力最大。对比图4可知，在渗碳后的淬火加热过程中，试件在工艺1、2作用下硬度急剧下降后上升，工艺3相对于工艺1和工艺2的加热和冷却次数少，可减少热处理时的变形、氧化和脱碳，理论与仿真结果一致。通过对比图5 (c)、图6(a)和图6(b)得到，试件的残余应力随着加热保温时间的增大而增大。通过对比图4(c)、图7(a)和图7(b)得到，选择保温时间大于经验公式计算得到的保温时间时，保温时间对试件硬度影响可忽略不计。

(a) 保温时间5 min；(b) 保温时间15 min图7 关键点硬度值(a)holding for 5 min; (b) holding for 15 minFig.7 Hardness value at key points

3 结论

1)本文的模拟分析为后续零件热处理试验提供了理论支撑，降低了试验成本。对热处理仿真进行综合分析，得到微型摆线轮的最佳热处理工艺为正火+渗碳+直接淬火+回火。

2)渗碳处理的冷却方式是热处理工艺中对试件残余应力影响最大的因素，试件直接空冷至室温后进行后续热处理相较于炉冷到直接淬火温度再进行后续热处理内部残余应力更大。

3)在加热保温10 min的热处理工艺3基础上，只要确保试件的最低温度已达到加热的最高温度，适当地减少保温时间是可行且有利的。选择加热保温5 min不仅保证了试件的机械性能，还减少了加工时间，有效地提高了生产效率。