CN107739931B

CN107739931B - 一种抗拉增强型机器人手臂及其制备方法

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Publication number: CN107739931B
Application number: CN201710754734.2A
Authority: CN
Inventors: 华吉; 华胜
Original assignee: Ningbo Huayuan Jingte Metal Products Co ltd
Current assignee: Jianhua Construction Materials China Co Ltd
Priority date: 2017-08-29
Filing date: 2017-08-29
Publication date: 2019-09-27
Anticipated expiration: 2037-08-29
Also published as: CN107739931A

Abstract

本发明涉及一种抗拉增强型机器人手臂及其制备方法，属于机械技术领域。本发明的机器人手臂由铝合金制成，铝合金包括以下质量百分比的组分，0.8‑1.3％ Si，0.5‑1.2％ Mn，0.35‑0.60％ Mg，1.0‑1.5％ Cu，0.8‑1.5％纳米TaC，1.3‑2.8％纳米AlN，余量为Al。本发明的机器人手臂的制备方法为，将纳米TaC和纳米AlN加入到改性溶液中，超声搅拌后喷雾干燥形成复合纳米颗粒；将金属原料加热熔炼为合金溶液，加入复合纳米颗粒，搅拌均匀后浇注成生坯，热处理。本发明制得的机器人手臂具有较高的强度、韧性和抗拉强度。

Description

一种抗拉增强型机器人手臂及其制备方法

技术领域

本发明属于机械技术领域，涉及一种抗拉增强型机器人手臂及其制备方法。

背景技术

在现代工业中，随着流水线作业的普及，机器人使用的范围越来越广，工业机器人是实现生产过程自动化，提高劳动生产率的一种有力工具。大多数流水线中使用的是机械人手臂。为确保使用寿命及使用过程中的安全性，传统的承力件及连接件基本使用钢铁材料，钢铁重量大，使用钢铁制作的机器人手臂虽然使用寿命较长，但在灵活性上存在一定缺陷。当满足使用条件时，某些次要承力件和连接件可以使用铝合金代替钢铁承担连接作用。近年来，随着铝合金在各领域的应用，各种承受中等强度及有限运动机械部件广泛使用铝合金减轻自身重量，提高承载能力，在起重重力一定情况下实现运送能力的最大化。但是在一些流水线作业中，机器人手臂需要承受繁重的工作量和较大的工作强度，普通的铝合金难以达到使用要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种高抗拉强度和韧性的抗拉增强型机器人手臂。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种抗拉增强型机器人手臂，所述机器人手臂由铝合金制成，所述铝合金包括以下质量百分比的组分，0.8-1.3％Si，0.5-1.2％Mn，0.35-0.60％Mg，1.0-1.5％Cu，0.8-1.5％纳米TaC，1.3-2.8％纳米AlN，余量为Al。

本发明在ZL104铝合金的基础上进行了改进，提高了Mn和Mg的含量，降低了Si的含量，同时添加了Cu元素、纳米TaC和纳米AlN，通过合理配伍铝合金的组分和各组分之间的配比，显著提高了铝合金的强度、韧性和抗拉强度，从而提高了机器人手臂的使用性能。其中，添加的适量Cu元素能够和Al、Mg形成θ(Al₂Cu)强化相和S(Al₂CuMg)相，Mg与Si形成MgSi₂强化相，适当比例的三种强化相通过协同作用，显著提高铝合金的韧性和强度，控制Al、Mg、Cu、Si的比例，可使三种强化相的协同作用达到最佳。Cu含量如果过多，会造成脆性相θ(Al₂Cu)过多，在热处理过程中无法全部溶解从而导致力学性能的下降。Mn具有固溶强化的作用，固溶在Al中的Mn能够降低原子的扩散速度，延缓时效过程，使合金的沉淀硬化效果能保持更高的温度，Mn与Al形成的MnAl6能够阻碍再结晶晶粒长大从而起到显著细化再结晶晶粒的作用，避免生成过多粗大的S(Al₂CuMg)相，降低铝合金的伸长率。纳米TaC和纳米AlN具有较高的硬度和熔点，在熔炼过程中作为弥散分布在合金熔液中可作为二次成核的中心促进结晶的形成，其纳米尺寸有助于形成晶粒的细化。其中，纳米TaC在提高铝合金强度的同时能够有效提高铝合金的塑性，纳米AlN主要用于提高铝合金的硬度，纳米AlN具有较高的导热率，能够提高铝合金的导热性能；二者结合作用，能够显著提高铝合金的韧性和抗拉强度。纳米AlN过多，容易造成铝合金脆性较大，以及在铸造过程中容易造成缩松。

作为优选，所述纳米TaC和纳米AlN的粒径范围为20-50nm。

上述粒径范围的纳米TaC和纳米AlN能形成特殊的尺寸效应，使铝合金具有较高强度的同时具有较好的韧性和塑性，以及较低的脆性；纳米TaC和纳米AlN的粒径过大，会造成铝合金脆性增大。

本发明的另一目的在于提供一种抗拉增强型机器人手臂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

S1、按比例准备铝合金的原材料，将纳米TaC和纳米AlN加入到改性溶液中，超声搅拌后喷雾干燥形成分散性良好的复合纳米颗粒；

S2、将Si、Mn、Mg、Cu和Al金属原料金属原料加热至730-750℃熔炼为合金溶液，在合金溶液中加入复合纳米颗粒，搅拌均匀；

S3、将搅拌均匀后的合金溶液降温至710-730℃，保温3-5min后浇注成生坯，对生坯进行热处理后即得抗拉增强型机器人手臂。

本发明对添加的纳米TaC和纳米AlN进行预处理，显著提高了纳米TaC和纳米AlN的分散性能，避免了纳米颗粒在合金溶液中的团聚现象，从而提高铝合金的整体性能，并加快了铝合金的熔炼速度。熔炼过程中，通过改性溶液复合在一起的纳米TaC和纳米AlN在高温作用下容易分散开，均匀分散在合金溶液中。在超声波作用下搅拌，进一步提高了纳米TaC和纳米AlN在改性溶液中的分散度，进而在喷雾干燥中形成较小粒度的复合纳米颗粒。

作为优选，所述改性溶液包括以下质量百分比的组分：6-9％聚天冬氨酸，5-7％硬脂酸，30-35％乙醇，余量为水。

本发明中聚天冬氨酸和硬脂酸在乙醇/水溶剂中形成浓度适当的胶束溶液，使纳米TaC和纳米AlN包裹在胶束当中，从而形成良好的分散性。本发明改性溶液中的聚天冬氨酸和硬脂酸在体系中产生了较强的空间位阻作用，增大了颗粒之间的排斥能，增强了体系的分散性和稳定性，阻碍了早先成核颗粒的长大。将纳米TaC、纳米AlN与改性溶液形成的前驱体母液进行喷雾干燥时，在高速雾化头甩出的瞬间，液滴经过了水分和乙醇的快速挥发、颗粒的收缩、颗粒内部水分和乙醇向颗粒表面的迁移等过程，此时所形成的颗粒大小与前驱体母液中所配制胶粒的大小相差不大。当水分和乙醇干燥挥发后，聚天冬氨酸和硬脂酸会吸附在颗粒表面上，降低颗粒比表面能，使其处于低能稳定状态；聚天冬氨酸和硬脂酸填补在相互靠近的颗粒之间，阻隔颗粒之间的聚集、合并、长大；由于聚天冬氨酸和硬脂酸吸附在颗粒周围，在后续熔炼过程中，可有效地阻止其向硬团聚颗粒转化。

作为优选，所述纳米TaC和纳米AlN在改性溶液中的总质量百分数为15-23％。

纳米TaC和纳米AlN在改性溶液中的含量过多，会造成堆砌，影响良好分散性的形成，也不利于良好喷雾颗粒的形成。

作为优选，所述步骤S1中超声搅拌的超声功率为200-350w，搅拌速率为120-150rmp。

作为优选，所述步骤S2中的复合纳米颗粒通过高压喷射的方式加入到合金溶液中，所述高压喷射的压力为50-90MPa。

高压喷射的方式使复合纳米颗粒更加均匀的分散到合金溶液中，加快复合纳米颗粒在合金溶液的均匀化速度和程度。

作为优选，所述步骤S3中的热处理包括固溶处理和时效处理。

本发明通过固溶处理和时效处理，有效减少了铸造铝合金的内部应力，提高了铝合金的强度、韧性等性能。

作为优选，所述步骤S3中的固溶处理的过程为，浇注后对生坯施加150-250MPa等静压压力，待温度降至520-550℃时，保温3-5h，然后快速冷却至室温。

本发明在固溶处理过程中对生坯施加适当大小的等静压压力，提高了铝合金内部结构的均匀一致性，减少了内部缩松等缺陷，从而提高了铝合金的整体性能。

作为优选，所述步骤S3中的时效处理的过程为，固溶处理后将温度加热至230-250℃，保温4-5h。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过合理配伍铸造机器人手臂所用铝合金的组分，在ZL104铝合金的基础上提高Mn和Mg的含量，降低Si的含量，同时添加Cu元素、纳米TaC和纳米AlN，在铝合金的熔炼和铸造过程中形成多种强化相相互协同作用；并通过特定的制备方法，对纳米TaC和纳米AlN进行改性预处理，提高其在合金中的分散性，优化熔炼、浇注过程中的参数，从而得到具有较高抗拉强度和韧性的机器人手臂。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1-4

实施例1-4中的抗拉增强型机器人手臂由铝合金制成，铝合金包括以下质量百分比的组分，0.8-1.3％Si，0.5-1.2％Mn，0.35-0.60％Mg，1.0-1.5％Cu，0.8-1.5％纳米TaC，1.3-2.8％纳米AlN，余量为Al；纳米TaC和纳米AlN的粒径范围为20-50nm。

实施例1-4中铝合金的组分及其质量百分比如下表所示。

表1：实施例1-4中铝合金的组分及其质量百分比

注：纳米颗粒粒径指纳米TaC和纳米AlN的粒径范围

实施例5

本实施例中的抗拉增强型机器人手臂的制备方法包括以下步骤，

(1)、按实施例3中各组分的比例准备铝合金的原材料，

(2)、将纳米TaC和纳米AlN加入到改性溶液中，纳米TaC和纳米AlN在改性溶液中的总质量百分数为15％，在200w超声功率和150rmp搅拌速率下进行搅拌均匀，然后喷雾干燥形成分散性良好的复合纳米颗粒；改性溶液包括以下质量百分比的组分：6％聚天冬氨酸，5％硬脂酸，30％乙醇，余量为水；

(3)、将Si、Mn、Mg、Cu和Al金属原料加热至730℃熔炼为合金溶液，在合金溶液中通过高压喷射的方式加入复合纳米颗粒，搅拌均匀，高压喷射的压力为50MPa；

(4)、将搅拌均匀后的合金溶液降温至710℃，保温5min后浇注成生坯；

(5)对生坯进行固溶处理和时效处理后即得抗拉增强型机器人手臂；固溶处理的过程为，浇注后对生坯施加150MPa等静压压力，待温度降至520℃时，保温5h，然后快速冷却至室温；时效处理的过程为，固溶处理后将温度加热至230℃，保温5h。

实施例6

(1)、按实施例3中各组分的比例准备铝合金的原材料，

(2)、将纳米TaC和纳米AlN加入到改性溶液中，纳米TaC和纳米AlN在改性溶液中的总质量百分数为18％，在250w超声功率和130rmp搅拌速率下进行搅拌均匀，然后喷雾干燥形成分散性良好的复合纳米颗粒；改性溶液包括以下质量百分比的组分：7％聚天冬氨酸，6％硬脂酸，32％乙醇，余量为水；

(3)、将Si、Mn、Mg、Cu和Al金属原料加热至740℃熔炼为合金溶液，在合金溶液中通过高压喷射的方式加入复合纳米颗粒，搅拌均匀，高压喷射的压力为70MPa；

(4)、将搅拌均匀后的合金溶液降温至720℃，保温4min后浇注成生坯；

(5)对生坯进行固溶处理和时效处理后即得抗拉增强型机器人手臂；固溶处理的过程为，浇注后对生坯施加220MPa等静压压力，待温度降至530℃时，保温3.5h，然后快速冷却至室温；时效处理的过程为，固溶处理后将温度加热至235℃，保温4.5h。

实施例7

(1)、按实施例3中各组分的比例准备铝合金的原材料，

(2)、将纳米TaC和纳米AlN加入到改性溶液中，纳米TaC和纳米AlN在改性溶液中的总质量百分数为20％，在300w超声功率和140rmp搅拌速率下进行搅拌均匀，然后喷雾干燥形成分散性良好的复合纳米颗粒；改性溶液包括以下质量百分比的组分：8％聚天冬氨酸，6％硬脂酸，33％乙醇，余量为水；

(3)、将Si、Mn、Mg、Cu和Al金属原料加热至750℃熔炼为合金溶液，在合金溶液中通过高压喷射的方式加入复合纳米颗粒，搅拌均匀，高压喷射的压力为80MPa；

(4)、将搅拌均匀后的合金溶液降温至725℃，保温3.5min后浇注成生坯；

(5)对生坯进行固溶处理和时效处理后即得抗拉增强型机器人手臂；固溶处理的过程为，浇注后对生坯施加200MPa等静压压力，待温度降至540℃时，保温4h，然后快速冷却至室温；时效处理的过程为，固溶处理后将温度加热至235℃，保温4.5h。

实施例8

(1)、按实施例3中各组分的比例准备铝合金的原材料，

(2)、将纳米TaC和纳米AlN加入到改性溶液中，纳米TaC和纳米AlN在改性溶液中的总质量百分数为23％，在350w超声功率和120rmp搅拌速率下进行搅拌均匀，然后喷雾干燥形成分散性良好的复合纳米颗粒；改性溶液包括以下质量百分比的组分：9％聚天冬氨酸，7％硬脂酸，35％乙醇，余量为水；

(3)、将Si、Mn、Mg、Cu和Al金属原料加热至750℃熔炼为合金溶液，在合金溶液中通过高压喷射的方式加入复合纳米颗粒，搅拌均匀，高压喷射的压力为90MPa；

(4)、将搅拌均匀后的合金溶液降温至730℃，保温3min后浇注成生坯；

(5)对生坯进行固溶处理和时效处理后即得抗拉增强型机器人手臂；固溶处理的过程为，浇注后对生坯施加250MPa等静压压力，待温度降至550℃时，保温3h，然后快速冷却至室温；时效处理的过程为，固溶处理后将温度加热至250℃，保温4h。

实施例9-11

分别按实施例1、2和4中各组分的比例准备铝合金的原材料，按实施例7的制备方法制备机器人手臂。

对比例1

制备机器人手臂所用的铝合金中未添加纳米TaC和纳米AlN，其它与实施例7相同。

对比例2

制备机器人手臂所用的铝合金中所添加的纳米TaC和纳米AlN未经改性溶液处理和喷雾干燥其它与实施例7相同。

对比例3

纳米TaC和纳米AlN在熔炼过程中采用普通方式直接添加到合金溶液中，其它与实施例7相同。

对比例4

以ZL104铝合金为原料，采用普通铸造方法制备的机器人手臂。

将本发明实施例5-11、对比例1-4中机器人手臂的性能进行比较，比较结果如表2所示。

表2：实施例5-11、对比例1-4中机器人手臂的性能

综上所述，本发明通过合理配伍制备铸造机器人手臂所用铝合金的组分及其配比，并通过特定的制备方法制成具有高抗拉强度和韧性的机器人手臂。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种抗拉增强型机器人手臂的制备方法，其特征在于，所述机器人手臂由铝合金制成，所述铝合金包括以下质量百分比的组分，0.8-1.3% Si，0.5-1.2% Mn，0.35-0.60% Mg，1.0-1.5% Cu，0.8-1.5%纳米TaC，1.3-2.8%纳米AlN，余量为Al ，

所述制备方法包括以下步骤：

S1、按比例准备铝合金的原材料，将纳米TaC和纳米AlN加入到改性溶液中，超声搅拌后喷雾干燥形成分散性良好的复合纳米颗粒，所述改性溶液包括以下质量百分比的组分：6-9%聚天冬氨酸，5-7%硬脂酸，30-35%乙醇，余量为水；

S2、将Si、Mn、Mg、Cu和Al金属原料加热至730-750℃熔炼为合金溶液，在合金溶液中加入复合纳米颗粒，搅拌均匀；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米TaC和纳米AlN的粒径范围为20-50nm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的纳米TaC和纳米AlN在改性溶液中的总质量百分数为15-23%。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中超声搅拌的超声功率为200-350w，搅拌速率为120-150rmp。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的复合纳米颗粒通过高压喷射的方式加入到合金溶液中，所述高压喷射的压力为50-90MPa。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的热处理包括固溶处理和时效处理。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的固溶处理的过程为，浇注后对生坯施加150-250MPa等静压压力，待温度降至520-550℃时，保温3-5h，然后快速冷却至室温。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的时效处理的过程为，固溶处理后将温度加热至230-250℃，保温4-5h。