工业机器人谐波减速机柔轮用钢的研发

刘 烨

（江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏 江阴 214400）

0 引言

近年来，劳动力成本的上涨、人口老龄化趋势的加速以及新冠疫情的蔓延给传统制造业带来了巨大压力，一些制造类企业开始逐步开始采用工业机器人取代部分人工，以提高生产效率和降低成本。相较于常规由人工生产出的产品，工业机器人生产出来的产品具有一致性好、装配精度高等优点，且工业机器人足够的劳动力能确保生产过程的高度稳定性，这些优点越来越得到制造类企业的重视。

为了确保工业机器人在生产过程中能稳定地完成各类工序，精密减速机是工业机器人中最关键的部件，其制造成本的占比超过35%。RV 减速机和谐波减速机是最常见的两种工业机器人用精密减速机。其中，相较于RV 减速机，谐波减速机具有结构紧凑、质量轻、体积小而减速比大、传动效率高、传动精度高等优势，广泛应用于航空航天、汽车制造、医疗机械等领域[1-2]。

长期以来，工业机器人用精密减速机技术一直由日本、德国、美国等国家牢牢掌握。随着国内减速机关键材料的开发、热处理技术和高精度装配技术的发展，虽然在工业机器人用精密减速机的设计和制造上取得一定突破，但是在整体核心技术方面仍然与国际先进水平有较大差距，严重制约了我国工业机器人制造业的发展。

柔轮作为工业机器人用谐波减速机的关键部件，其原材料长期被国外进口材料所垄断。江阴兴澄特种钢铁有限公司（全文简称“兴澄特钢”）作为全球最具竞争力的特钢企业，致力于高端工业机器人精密减速机关键材料的开发。兴澄利用独有的高纯净冶炼、大断面连铸和大压缩比轧制等核心技术，成功开发出一种高端工业机器人谐波减速机柔轮用钢，在材料纯净度和组织均匀性方面，均要明显优于国外进口材料，推进了高端工业机器人减速机关键材料的国产化。

1 谐波减速机概述

一般情况下，工业机器人用谐波减速机由三个基础部件组成：带有内齿轮的刚轮、柔轮和波发生器，如图1 所示。其中，波发生器由椭圆形的凸轮与柔性轴承组成，柔性轴承具有薄壁的特点，也称为薄壁轴承。柔轮是具有薄壁特性的环状部件，但是在设计之初，柔轮的内孔直径略小于薄壁轴承的外圈直径，所以当波发生器通过内嵌的方式装配到柔轮内时，会迫使柔轮的剖面形成具有长短轴的椭圆。波发生器和柔轮同轴装在刚轮内，在长轴区域，柔轮的外齿与刚轮内齿完全啮合，但是在短轴区域内，柔轮的外齿则与刚轮内齿完全脱开。在谐波减速机运转过程中，椭圆状的凸轮会导致柔性轴承和柔轮始终在弹性变形范围内作椭圆形变形运动，通过柔轮和刚轮之间的啮合状态不断改变实现动力的传递[3-4]。

图1 谐波减速机的组成

2 谐波柔轮概述

在谐波减速机的运行过程中，由于柔轮与刚轮的啮合状态不断发生改变，导致柔轮需要不断承受交变应力的作用。而且谐波减速机通过内嵌的方式装配，尽管存在润滑油脂，但是柔轮还是会与柔性轴承以及刚轮发生摩擦[5]。基于上述两点原因，相较于柔性轴承和刚轮，柔轮在实际工作中更容易发生失效。提高柔轮材料的质量是谐波减速器关键材料的研发过程中最主要的难点。

柔轮作为直接关系到谐波减速机运行的关键部件，要保证谐波减速机具有足够的安全性、可靠性和较长的使用寿命，这要求柔轮用钢具有较高的纯净度以及组织均匀性。柔轮材料的高纯净度要求指材料中的夹杂物尽量少，作为薄壳形元件，还要求夹杂物的尺寸要小。纯净度的高低直接影响了柔轮的疲劳寿命，柔轮的早期失效大部分是因为存在较大颗粒的夹杂物；柔轮材料的高均匀性是指材料带状组织的带宽要小并且弥散，这影响柔轮热处理后的变形和组织均匀性。

3 柔轮用钢的开发

目前，谐波减速机柔轮均采用国外进口钢材，本文主要从材料的纯净度和组织均匀性两方面对比兴澄材料和国外进口材料的质量水平。

3.1 纯净度

关于材料纯净度的主要指标包括氧含量、微观夹杂物的评级。提高材料的纯净度，首要的是降低钢中的氧含量。氧含量越低，材料中的氧化物类夹杂越少，疲劳强度越高。兴澄材料和国外进口材的氧含量对比如表1 所示。由表1 可以看出，兴澄材料在氧含量方面远低于国外材。

表1 兴澄材料和国外进口材料的氧含量对比

微观夹杂物的评级也是对材料纯净度评价的一种常规方法。表2 列出了兴澄材料和国外材料在微观夹杂物方面的对比，各检验了6 个样品，按ISO 4967-2013 检验。

表2 兴澄材料和国外进口材料微观夹杂物的对比 单位：级

由表2 可以看出，兴澄特钢控制微观夹杂物的尺寸明显小于国外进口材料。在柔轮的使用过程中，容易在脆性夹杂物（B 类、D 类和Ds 类夹杂）附近产生应力集中，进而萌生裂纹导致提前失效。在脆性夹杂物的控制上，兴澄材料要明显优于国外进口材料。A类和C 类夹杂物属于塑性夹杂物，具有一定的延展性，对柔轮的使用危害较小。兴澄材料对塑性夹杂物的评级要比国外进口材料低1 级左右。

利用电子显微镜自动面扫描技术可以对钢材中夹杂物类型、数量和尺寸进行精细定量。CaO-Al2O3-SiO2夹杂物是一种典型的氧化物类夹杂物，兴澄材料和国外进口材料关于典型CaO-Al2O3-SiO2夹杂物的三元相图对比如图2 所示。

图2 CaO-Al2O3-SiO2 夹杂物的相图对比

从图2 的三元相图对比可看出，兴澄材料的典型氧化物类夹杂明显要比国外进口材料少，而且没有发现超过10 μm 的夹杂物，但是国外进口材料甚至还能检测到大于15 μm 的夹杂物。兴澄利用独有的高纯净冶炼，开发的工业机器人谐波减速机柔轮用钢在纯净度方面明显要优于国外进口材料。

3.2 组织均匀性

兴澄特钢采用真空脱气+连铸+连轧的方式生产钢材，微观偏析是连铸钢材无法回避的问题。由于柔轮对材料的组织均匀性要求十分苛刻，为改善材料的微观偏析，兴澄特钢共采用了三种连铸方式。成品材经退火后，观察柔轮用钢在近表面、1/2R 处和心部的微观组织。

3.2.1 方案一

采用强冷工艺原理改善材料的微观偏析。冷却条件是决定连铸坯质量的重要因素。适当提高冷却条件，可以抑制二次枝晶的生长，促进钢水的流动，从而促进钢水的成分均匀性。采用强冷工艺的兴澄材料的微观组织如图3 所示。

图3 强冷工艺下兴澄材料的微观组织（100×）

由图3 所示，材料近表面处不存在明显的带状组织，但是在1/2R 处和心部依然存在贯穿视场的带状组织，带状组织较密集，并且存在一定带宽。强冷工艺虽然在原理上能够改善材料的微观偏析，但是从退火成品材上的微观组织观察，微观偏析的改善程度不明显。

3.2.2 方案二

采用强电磁搅拌原理改善材料的微观偏析。利用电磁力来强化钢水的对流，能加速钢水的凝固过程，抑制粗大的柱状晶生成，增加等轴晶含量，并且通过电磁搅拌的方式，也促进了钢水成分的均匀化。采用强电磁搅拌工艺的兴澄材料的微观组织如图4 所示。

图4 强电磁搅拌工艺下兴澄材料的微观组织（100×）

从图4 所示的微观组组织观察，相较于强冷工艺，强电磁搅拌能够改善材料的微观偏析。在1/2R 处和心部，带状组织的带宽要明显变小，分布较均匀，但是在材料均匀性方面依旧不能满足柔轮的使用要求。

3.2.3 方案三

采用连铸轻压下控制材料的微观偏析。连铸过程中，经过凝固末端的轻压下，凝固后期的钢水在压力的作用下向结晶器端流动，并与靠近上部的钢液混合，有利于降低最后凝固区的钢液溶质内部差异[6]。采用轻压下工艺的兴澄材料的微观组织如图5 所示。

图5 轻压下工艺下兴澄材料的微观组织（100×）

从图5 可以观察到，使用轻压下工艺能够明显改善材料的微观偏析。在1/2R 处和心部，带状组织分布弥散，无贯穿性视场，且带宽较细，能够满足柔轮的使用要求。

国外进口材料在近表面、1/2R 处和心部的微观组织如图6 所示，国外进口材料在1/2R 处和心部存在明显的带状组织，且带宽较粗。兴澄采用轻压下工艺生产的柔轮用钢在带状组织等方面明显优于国外进口材料。

图6 国外进口材料的微观组织（100×）

在500×下，兴澄（使用轻压下关工艺）和国外进口材料的微观组织对比如图7 所示。兴澄材料的贝氏体组织分布更细小均匀。带状组织之间的硬度差如表3 所列，国外进口材料带状组织之间的硬度（HRC）差能控制在5 左右，兴澄材料由于微观偏析程度较小，带状组织之间的硬度差在3.5 左右，优于国外进口材料。

表3 兴澄和国外进口材料带状组织之间硬度差的对比

图7 兴澄和国外进口材料的微观组织对比（500×）

4 结论

1）在氧含量方面，兴澄特钢开发的柔轮用钢明显低于国外进口柔轮材料，兴澄材料的w（O）远低于5×10-6。

2）在非金属夹杂物方面，兴澄材料和国外进口材料均以硫化物和氧化物为主，兴澄材料能较好地控制硫化物和氧化物的尺寸，硫化物尺寸≤1.5 级，氧化物尺寸≤0.5 级，且并未发现粗型硫化物和氧化物。

3）在组织均匀性方面，兴澄对比试验了三种改善微观偏析的工艺，在连铸过程中采用轻压下的工艺能明显提高组织均匀性，带状组织呈弥散分布，且不存在贯穿性视场。

4）采用轻压下工艺，兴澄的柔轮用钢的微观带状组织的宽度和带状组织之间的洛氏硬度极差明显小于国外进口材料。