CN106048191B

CN106048191B - 一种减小工业机器人用螺旋伞齿轮变形的热处理工艺

Info

Publication number: CN106048191B
Application number: CN201610707107.9A
Authority: CN
Inventors: 殷和平; 殷敏洁
Original assignee: Changzhou New District Hehai Heat Treatment Engineering Co Ltd
Current assignee: Changzhou New District Hehai Heat Treatment Engineering Co Ltd
Priority date: 2016-08-23
Filing date: 2016-08-23
Publication date: 2018-02-13
Anticipated expiration: 2036-08-23
Also published as: CN106048191A

Abstract

本发明公开了一种减小工业机器人用螺旋伞齿轮变形的热处理工艺，属于热处理技术领域。本发明的步骤为：1)制备螺旋伞齿轮零件；2)装筐；3)前清洗；4)渗碳淬火：740±5℃均温20±1min，碳势为0.50±0.025％；850±5℃均温20±1min，碳势为0.65±0.025％；915±5℃强渗180±1min，碳势为1.0±0.025％；880±5℃扩散90±1min，碳势为0.90±0.025％；830±5℃淬火均温30±1min，碳势为0.65±0.025％；在110±5℃淬火油中进行冷却；5)后清洗；6)回火。本发明有效减小了螺旋伞齿轮热处理后的变形量，热处理一次合格率可达100％。

Description

一种减小工业机器人用螺旋伞齿轮变形的热处理工艺

技术领域

本发明涉及一种热处理工艺，更具体地说，涉及一种减小工业机器人用螺旋伞齿轮变形的热处理工艺，该螺旋伞齿轮主要用于机器人手腕减速器。

背景技术

图1为一种工业机器人用螺旋伞齿轮的结构示意图，该螺旋伞齿轮主要应用于工业机器人手腕减速器。工业机器人手腕减速器是连接手部和手臂的部分，主要作用是改变手部的空间方向和将作业载荷传递到手臂，而图1所示的螺旋伞齿轮是机器人手腕减速器系统中的重要部件，工作条件复杂，要求其具有优良的耐磨性、较高的抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能，这些性能都需要通过热处理来实现。目前，对于此类螺旋伞齿轮的热处理，常规工艺是采用密封箱式多用炉渗碳淬火，采用常规工艺处理后的螺旋伞齿轮存在热处理变形大、成品率低等缺陷，常规热处理后成品率仅55％左右。

经检索，中国专利申请号201310323961.1，申请公布日为2013年12月25日，发明创造名称为：一种伞齿轮热处理工艺，该申请案涉及一种伞齿轮热处理工艺，依次按照等温正火、渗碳和淬火步骤进行。通过将普通正火改为等温正火，将渗碳过程改为两次重结晶可以将伞齿轮的热处理过程大大简化，同时也可以降低加工成本。该申请案利用等温正火具有更加均匀的组织和性能，在一定程度上减小了淬火畸变；但是，该申请案仅是在热处理流程上将普通正火预热改为等温正火，简化了操作流程，却无法保证一次热处理后产品的性能一致，仍然存在产品热处理后变形量大、成品率低的问题。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有工业机器人手腕减速器用螺旋伞齿轮热处理工艺存在的上述不足，提供一种减小工业机器人用螺旋伞齿轮变形的热处理工艺，采用本发明的技术方案，通过改进正火工艺、装炉方式、渗碳淬火工艺和控制渗碳碳势等技术措施，使螺旋伞齿轮的热处理畸变得到有效控制，减小了螺旋伞齿轮热处理后的变形量，热处理一次合格率可达100％。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种减小工业机器人用螺旋伞齿轮变形的热处理工艺，包括以下步骤：

(1)零件制备：对牌号为SCM420的合金钢坯料进行高温正火处理，使坯料表面硬度达到170～190HBW，获得均匀的铁素体和珠光体组织；然后将坯料机加工成螺旋伞齿轮零件；

(2)装料筐：将步骤(1)中制备好的螺旋伞齿轮零件平放于料筐中；

(3)前清洗：对装入料筐内的螺旋伞齿轮零件进行清洗，清除螺旋伞齿轮零件表面残留的污物；

(4)渗碳淬火：对前清洗后的螺旋伞齿轮零件进行渗碳淬火处理，具体包括以下分步骤：

(4-1)保护气氛渗碳：在保护气氛环境中采用阶梯升温保温加热方式，740±5℃均温20±1min，碳势控制在0.50±0.025％；850±5℃均温20±1min，碳势控制在0.65±0.025％；915±5℃强渗180±1min，碳势控制在1.0±0.025％；880±5℃扩散90±1min，碳势控制在0.90±0.025％；830±5℃淬火均温30±1min，碳势控制在0.65±0.025％；

(4-2)淬火冷却：在110±5℃淬火油中进行冷却；

(5)后清洗：对渗碳淬火后的螺旋伞齿轮零件进行清洗，清除螺旋伞齿轮零件表面残留的油迹；

(6)回火：对后清洗后的螺旋伞齿轮零件进行回火处理，回火温度为160±5℃，时间为150±10min，回火出炉后在空气中冷却。

更进一步地，步骤(1)中的SCM420合金钢坯料的化学成分为：C：0.18～0.23；Mn：0.60～0.90；Si：0.15～0.35；S：≤0.030；P：≤0.030；Cr：0.9～1.2；Mo：0.15～0.25；Ni:≤0.25。

更进一步地，步骤(2)中的料筐采用网格状料筐，将螺旋伞齿轮零件逐一平放在料筐网片上，且零件与零件之间的间隙为5～10mm；多组料筐层叠在一起，且上层料筐与下层料筐之间的层距为50～60mm。

更进一步地，步骤(3)和步骤(5)中均采用真空碳氢溶剂对螺旋伞齿轮零件进行清洗。

更进一步地，步骤(4-1)中采用箱式可控气氛炉对螺旋伞齿轮零件进行保护气氛渗碳处理，并采用甲醇气体作为保护气；步骤(6)中采用箱式保护气氛回火炉对螺旋伞齿轮零件进行回火处理。

更进一步地，步骤(4-2)中采用闭式冷却塔循环进行淬火冷却，将热淬火油从淬火油槽底部抽出经过闭式冷却塔冷却后从淬火油槽上部返回，保证油槽温度在设定范围内。

更进一步地，步骤(4-2)中采用等温淬火油，淬火油以265±20转/分钟中速搅拌。

更进一步地，步骤(5)后清洗结束后到步骤(6)回火开始的等待时间小于2h。

更进一步地，在步骤(6)回火结束后，还包括依次对螺旋伞齿轮零件进行检验、抛丸、装箱的步骤。

更进一步地，在抛丸步骤中，采用立式吊挂抛丸机，将螺旋伞齿轮零件置于料架上，使用QP-4钢砂强力抛丸，时间为正向4分钟，反向4分钟。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种减小工业机器人用螺旋伞齿轮变形的热处理工艺，其通过改进正火工艺、装炉方式、渗碳淬火工艺和控制渗碳碳势等技术措施，使螺旋伞齿轮的热处理畸变得到有效控制，减小了螺旋伞齿轮热处理后的变形量，热处理一次合格率可达100％；

(2)本发明的一种减小工业机器人用螺旋伞齿轮变形的热处理工艺，采用网格状料筐对螺旋伞齿轮零件进行装框，将螺旋伞齿轮零件逐一平放在料筐网片上，且零件与零件之间的间隙为5～10mm，多组料筐层叠在一起，且上层料筐与下层料筐之间的层距为50～60mm；使螺旋伞齿轮零件均匀分布无堆积，从而使螺旋伞齿轮零件受热和冷却更加均匀，进而有效消除了加工应力，减小了螺旋伞齿轮零件的热处理变形；

(3)本发明的一种减小工业机器人用螺旋伞齿轮变形的热处理工艺，在渗碳淬火前对螺旋伞齿轮零件进行前清洗，清除螺旋伞齿轮表面残留切削油和铁屑等污物，使螺旋伞齿轮表面达到一定的洁净度，达到淬火后零件表面硬度无软点、外观无杂色的作用；在渗碳淬火后对螺旋伞齿轮零件进行后清洗，可将零件淬火后带出的油完全清洗干净，使得回火后的零件表面无杂色和油斑出现，为后续工序做好准备；并且，前清洗和后清洗均采用真空碳氢溶剂来清洗，清洗效率好，节能环保；

(4)本发明的一种减小工业机器人用螺旋伞齿轮变形的热处理工艺，在保护气氛环境中采用阶梯升温保温加热方式对螺旋伞齿轮零件进行渗碳加热，有利于减小螺旋伞齿轮零件各部位的温差，消除加工应力的产生，减小因加热过快而导致的螺旋伞齿轮零件变形；

(5)本发明的一种减小工业机器人用螺旋伞齿轮变形的热处理工艺，其在110±5℃等温淬火油中进行冷却，并采用闭式冷却塔循环进行淬火冷却，将热淬火油从淬火油槽底部抽出经过闭式冷却塔冷却后从淬火油槽上部返回，保证油槽温度在设定范围内，确保螺旋伞齿轮零件冷却均匀，减小螺旋伞齿轮的变形；

(6)本发明的一种减小工业机器人用螺旋伞齿轮变形的热处理工艺，其清洗结束后到回火开始的等待时间小于2h，及时进行回火处理有利于减小螺旋伞齿轮零件变形。

附图说明

图1为本发明中的一种工业机器人用螺旋伞齿轮的结构示意图；

图2为本发明中螺旋伞齿轮零件的装框示意图；

图3为本发明中的渗碳淬火工艺曲线图(图中碳势范围上下浮动±0.025％)；

图4为本发明中的回火工艺曲线图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例

以某模数为2.12、齿数为60的工业机器人用螺旋伞齿轮的热处理工艺过程为例，热处理技术要求为：表面硬度为60～63HRC，有效硬化层深度为0.5～0.8mm，齿筋跳动≤0.018mm(热处理前的齿筋跳动≤0.01mm)，内孔变形量≤0.015mm(热处理前的内孔变形量≤0.008mm)。为达到上述热处理要求，本实施例的一种减小工业机器人用螺旋伞齿轮变形的热处理工艺，包括以下步骤：

(1)零件制备：对牌号为SCM420的合金钢坯料进行高温正火处理，使坯料表面硬度达到170～190HBW，获得均匀的铁素体和珠光体组织，对坯料的预备热处理不仅会影响其切削性能，并且对螺旋伞齿轮的最终热处理畸变有较大的影响，因此为了满足后续机械加工和畸变控制的要求，对坯料进行高温正火处理是必要的；在正火处理后，将坯料机加工成螺旋伞齿轮零件；在本实施例中，SCM420合金钢坯料的化学成分为(JIS G4085-2008)：C：0.18～0.23；Mn：0.60～0.90；Si：0.15～0.35；S：≤0.030；P：≤0.030；Cr：0.9～1.2；Mo：0.15～0.25；Ni:≤0.25。

(2)装料筐：将步骤(1)中制备好的螺旋伞齿轮零件平放于料筐中；具体如图2所示，料筐采用网格状料筐，将螺旋伞齿轮零件逐一平放在料筐网片上，且零件与零件之间的间隙为5～10mm；多组料筐层叠在一起，且上层料筐与下层料筐之间的层距为50～60mm，这样，与常规多用炉热处理相比，可使螺旋伞齿轮零件均匀分布无堆积，从而使螺旋伞齿轮受热和冷却更加均匀，进而有效消除了加工应力，减小了螺旋伞齿轮的热处理变形；由于在后续渗碳淬火和回火工序中会分别使用UBE-600箱式可控气氛炉和BTF-600箱式保护气氛回火炉对螺旋伞齿轮零件进行渗碳淬火和回火，因此为了防止热损失，每层料筐内放置11件螺旋伞齿轮零件，12层叠放为一组，共设置前后两组。

(3)前清洗：对装入料筐内的螺旋伞齿轮零件进行清洗，清除螺旋伞齿轮零件表面残留的污物；在该步骤中，采用真空碳氢溶剂对螺旋伞齿轮零件进行清洗，本实施例中具体采用中日合资生产的真空碳氢溶剂清洗机进行前清洗，主要目的是清除螺旋伞齿轮零件表面残留的机加工切削油和细微铁屑等污物，使螺旋伞齿轮表面达到一定的洁净度，达到淬火后零件表面硬度无软点、外观无杂色的作用。

(4)渗碳淬火：对前清洗后的螺旋伞齿轮零件进行渗碳淬火处理，渗碳淬火工艺曲线图如图3所示，具体包括以下分步骤：

(4-1)保护气氛渗碳：由于零件在加热过程中，不仅热应力会产生畸变，同时释放内应力也会产生畸变，而加热速度是影响螺旋伞齿轮零件应力产生的一个重要因素，螺旋伞齿轮各部位的温差越大则应力也就越大，因此本实施例是在保护气氛环境中采用阶梯升温保温加热方式进行渗碳处理的，有利于减小螺旋伞齿轮零件各部位的温差，消除加工应力的产生，减小因加热过快而导致的螺旋伞齿轮变形；具体地，使用UBE-600箱式可控气氛炉，加热过程中采用甲醇气体作为保护气，流量控制在2100～2300ml/min，740±5℃均温20±1min，碳势控制在0.50±0.025％Cp；850±5℃均温20±1min，碳势控制在0.65±0.025％Cp；为保证螺旋伞齿轮具有优良的耐磨性、较高的抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能，同时为了减少螺旋伞齿轮的变形，采用915±5℃强渗180±1min，向炉内通入2～5升/小时丙烷气体，碳势控制在1.0±0.025％Cp；采用880±5℃扩散90±1min，向炉内通入2～5升/小时丙烷气体，碳势控制在0.90±0.025％Cp；830±5℃淬火均温30±1min，碳势控制在0.65±0.025％Cp；确保螺旋伞齿轮零件最终表面碳含量在0.68～0.75％；

(4-2)淬火冷却：在110±5℃淬火油中进行冷却；该步骤中的淬火油采用等温淬火油，具体采用进口日本出光X型等温淬火油，淬火油以265±20转/分钟中速搅拌，并采用闭式冷却塔循环进行淬火冷却，将热淬火油从淬火油槽底部抽出经过闭式冷却塔冷却后从淬火油槽上部返回，保证油槽温度在设定范围内，确保螺旋伞齿轮零件冷却均匀，减小螺旋伞齿轮的变形；该淬火冷却工艺是减小螺旋伞齿轮零件热处理变形的重要环节。

(5)后清洗：对渗碳淬火后的螺旋伞齿轮零件进行清洗，清除螺旋伞齿轮零件表面残留的油迹；与前清洗相同，该步骤中也采用真空碳氢溶剂对螺旋伞齿轮零件进行清洗，具体采用中日合资生产的真空碳氢溶剂清洗机进行后清洗，将零件淬火后带出的油完全清洗干净，使得回火后的零件表面无杂色和油斑出现，清洗后的零件表面呈银白色，为后续工序做好准备。

(6)回火：对后清洗后的螺旋伞齿轮零件进行回火处理，该步骤中采用BTF-600箱式保护气氛回火炉，回火工艺曲线如图4所示，回火温度为160±5℃，时间为150±10min，回火出炉后在空气中冷却；较佳地，从步骤(5)后清洗结束后到步骤(6)回火开始的等待时间小于2h，及时进行回火处理有利于减小螺旋伞齿轮变形。

(7)检验：随机选取一件经过上述热处理工艺处理后的螺旋伞齿轮进行检验，检验结果如下表：

(8)抛丸：采用立式吊挂抛丸机，将螺旋伞齿轮零件置于专用料架上，使用QP-4钢砂强力抛丸，时间为正向4分钟，反向4分钟。

(9)装箱：将抛丸结束的螺旋伞齿轮零件用压缩空气吹净表面灰尘后浸防锈油装箱。

采用本实施例的热处理工艺后，通过改进正火工艺、装炉方式、渗碳淬火工艺和控制渗碳碳势等技术措施，使螺旋伞齿轮的热处理畸变得到有效控制，减小了螺旋伞齿轮热处理后的变形量，螺旋伞齿轮零件采用优化的渗碳工艺热处理一次合格率可达100％。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种减小工业机器人用螺旋伞齿轮变形的热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：

（1）零件制备：对牌号为SCM420的合金钢坯料进行高温正火处理，使坯料表面硬度达到170~190HBW，获得均匀的铁素体和珠光体组织；然后将坯料机加工成螺旋伞齿轮零件；SCM420合金钢坯料的化学成分为：C：0.18~0.23；Mn：0.60~0.90；Si：0.15~0.35；S：≤0.030；P：≤0.030；Cr：0.9~1.2；Mo：0.15~0.25；Ni:≤0.25；

（2）装料筐：将步骤（1）中制备好的螺旋伞齿轮零件平放于料筐中，料筐采用网格状料筐，将螺旋伞齿轮零件逐一平放在料筐网片上；

（3）前清洗：对装入料筐内的螺旋伞齿轮零件进行清洗，清除螺旋伞齿轮零件表面残留的污物；

（4）渗碳淬火：对前清洗后的螺旋伞齿轮零件进行渗碳淬火处理，具体包括以下分步骤：

（4-1）保护气氛渗碳：在保护气氛环境中采用阶梯升温保温加热方式，740±5℃均温20±1min，碳势控制在0.50±0.025%；850±5℃均温20±1min，碳势控制在0.65±0.025%；915±5℃强渗180±1min，碳势控制在1.0±0.025%；880±5℃扩散90±1min，碳势控制在0.90±0.025%；830±5℃淬火均温30±1min，碳势控制在0.65±0.025%；

（4-2）淬火冷却：在110±5℃淬火油中进行冷却，且采用等温淬火油，淬火油以265±20转/分钟中速搅拌；具体采用闭式冷却塔循环进行淬火冷却，将热淬火油从淬火油槽底部抽出经过闭式冷却塔冷却后从淬火油槽上部返回，保证油槽温度在设定范围内；

（5）后清洗：对渗碳淬火后的螺旋伞齿轮零件进行清洗，清除螺旋伞齿轮零件表面残留的油迹；

（6）回火：对后清洗后的螺旋伞齿轮零件进行回火处理，回火温度为160±5℃，时间为150±10min，回火出炉后在空气中冷却。

2.根据权利要求1所述的一种减小工业机器人用螺旋伞齿轮变形的热处理工艺，其特征在于：步骤（2）中的料筐上零件与零件之间的间隙为5~10mm；多组料筐层叠在一起，且上层料筐与下层料筐之间的层距为50~60mm。

3.根据权利要求1所述的一种减小工业机器人用螺旋伞齿轮变形的热处理工艺，其特征在于：步骤（3）和步骤（5）中均采用真空碳氢溶剂对螺旋伞齿轮零件进行清洗。

4.根据权利要求1所述的一种减小工业机器人用螺旋伞齿轮变形的热处理工艺，其特征在于：步骤（4-1）中采用箱式可控气氛炉对螺旋伞齿轮零件进行保护气氛渗碳处理，并采用甲醇气体作为保护气；步骤（6）中采用箱式保护气氛回火炉对螺旋伞齿轮零件进行回火处理。

5.根据权利要求1所述的一种减小工业机器人用螺旋伞齿轮变形的热处理工艺，其特征在于：步骤（5）后清洗结束后到步骤（6）回火开始的等待时间小于2h。

6.根据权利要求1所述的一种减小工业机器人用螺旋伞齿轮变形的热处理工艺，其特征在于：在步骤（6）回火结束后，还包括依次对螺旋伞齿轮零件进行检验、抛丸、装箱的步骤。

7.根据权利要求6所述的一种减小工业机器人用螺旋伞齿轮变形的热处理工艺，其特征在于：在抛丸步骤中，采用立式吊挂抛丸机，将螺旋伞齿轮零件置于料架上，使用QP-4钢砂强力抛丸，时间为正向4分钟，反向4分钟。