TWI763428B - 應用於諧波減速器之剛輪、其製造方法及諧波減速器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種剛輪的製造方法，所述剛輪應用於諧波減速器，剛輪的製造方法包含提供鑄件、進行粗加工步驟、進行沃斯回火熱處理以及進行精加工步驟，其中沃斯回火熱處理包含加熱步驟、降溫步驟及恆溫持溫步驟。所述鑄件為球墨鑄鐵材質。粗加工步驟係切削所述鑄件，並形成初胚。加熱步驟係將初胚加熱至880 ^oC至930 ^oC。降溫步驟係將初胚急速降溫至降溫溫度，其為300 ^oC至450 ^oC。恆溫持溫步驟將初胚維持在降溫溫度。精加工步驟係將初胚加工，以獲得剛輪。藉此，可大幅地提升剛輪的抗拉強度及延性。

Description

應用於諧波減速器之剛輪、其製造方法及諧波減速器

本發明係提供一種剛輪及其製造方法，尤其是一種應用於諧波減速器之剛輪及其製造方法。

諧波減速器(harmonic drive)是由剛輪(circular spline)、柔輪(flex spline)及諧波產生器(harmonic generator)等三個主要元件構成，藉由諧波產生器控制柔輪產生可控的彈性變形波，並透過柔輪與剛輪之間的交互作用，達到動力傳動，並實現了大的減速比。諧波減速器具有高減速比、高扭力輸出、高傳動比、高定位精度、低傳動損失以及體積小等優點。諧波減速器可被應用在機械的關節旋轉部位，並可被應用在精密機械、智慧製造、機器人、電子、醫療及航空等領域，其應用相當廣泛。

然而，在剛輪與柔輪之間往復的運動中，剛輪承受循環的受力，容易有機械疲勞而元件崩裂的情況發生，而無法滿足諧波減速器對於使用壽命及精度持久性的更高標準的要求。

有鑑於此，如何提升剛輪的機械強度，以提升諧波減速器整體的使用壽命及精度，遂成相關業者值得共同追求的目標之一。

本發明之主要目的之一為提供一種剛輪的製造方法，其應用於諧波減速器，透過合金的選用與組成，並搭配一階段的沃斯回火熱處理，藉以達到同時提升剛輪的抗拉強度及延性的效果。藉此，可有助於提升諧波減速器的機械精度及使用壽命。

本發明之一實施方式提供一種剛輪的製造方法，所述剛輪應用於諧波減速器，所述剛輪的製造方法包含提供一鑄件、進行一粗加工步驟、進行一沃斯回火熱處理以及進行一精加工步驟，其中沃斯回火熱處理包含加熱步驟、降溫步驟及恆溫持溫步驟。所述鑄件為球墨鑄鐵材質，所述鑄件以100%的組成成分總重量百分比計算，包含3.0%至4.0%的碳、2.0%至3.1%的矽、0.2%至1.0%的錳、小於0.08%的磷、小於0.02%的硫、0.025%至0.055%的鎂、小於1.2%的銅及剩餘重量百分比為鐵及雜質。進行粗加工步驟時，係切削所述鑄件，並形成初胚。進行加熱步驟時，係將初胚加熱至880 ^oC至930 ^oC，並維持加熱時間。進行降溫步驟時，係將初胚急速降溫至一降溫溫度，其為300 ^oC至450 ^oC。進行恆溫持溫步驟，將初胚維持在降溫溫度，並持續恆溫持溫時間。進行精加工步驟時，係將初胚加工，以獲得所述剛輪。

依據前述實施方式之剛輪的製造方法，其中加熱步驟之加熱時間可為1小時至2小時。

依據前述實施方式之剛輪的製造方法，其中加熱步驟完成之後與降溫步驟之間具有過渡時間，過渡時間可為4秒至8秒。

依據前述實施方式之剛輪的製造方法，其中恆溫持溫步驟之恆溫持溫時間可為1小時至3小時。

依據前述實施方式之剛輪的製造方法，其中初胚具有壁厚，壁厚可為5 mm至30 mm。

依據前述實施方式之剛輪的製造方法，其中剛輪具有球化率，球化率可大於85%。

依據前述實施方式之剛輪的製造方法，其中剛輪具有球墨數，球墨數可為300 counts/mm ²至500 counts /mm ²。

依據前述實施方式之剛輪的製造方法，其中剛輪具有球墨大小，球墨大小可為8 μm至10 μm。

依據前述實施方式之剛輪的製造方法，其中剛輪具有石墨面積率，石墨面積率可大於13%。

依據前述實施方式之剛輪的製造方法，其中剛輪具有抗拉強度及延性，其中抗拉強度可大於900 MPa，延性可大於4%。

本發明之另一實施方式提供一種剛輪，其應用於諧波減速器，且係由如前段所述之剛輪的製造方法所製成。

本發明之另一實施方式提供一種諧波減速器，包含諧波產生器、柔輪以及如前段所述之剛輪，且剛輪連接柔輪。

以下將參照圖式說明本發明之複數個實施例。為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之；並且重複之元件將可能使用相同的編號表示之。

請參閱第1圖、第2圖及第3圖，第1圖繪示本發明一實施方式之剛輪的製造方法100的步驟流程圖，第2圖繪示本發明另一實施方式之諧波減速器300的立體示意圖，第3圖繪示依照第2圖實施方式之諧波減速器300的分解圖。第1圖中，剛輪的製造方法100包含步驟110、步驟120、沃斯回火熱處理130、步驟140，其中沃斯回火熱處理130包含步驟131、步驟132及步驟133。

步驟110為提供鑄件，所述鑄件為球墨鑄鐵材質，所述鑄件以100%的組成成分總重量百分比計算，包含3.0%至4.0%的碳、2.0%至3.1%的矽、0.2%至1.0%的錳、小於0.08%的磷、小於0.02%的硫、0.025%至0.055%的鎂、小於1.2%的銅及剩餘重量百分比為鐵及雜質。

進一步地說，在所述鑄件中，錳可有助增加強硬度，磷可有助於增加流動性，銅有助於增加波來鐵之生成，並細化波來鐵。透過特殊的成分選用及比例，藉以增加剛輪200的結構強度及穩定性。

步驟120為進行一粗加工步驟，其係切削所述鑄件，並形成初胚。具體而言，是將鑄件大略地切削成圓盤狀，並進行鑽孔等，且初胚具有一壁厚，所述壁厚可為5 mm至30 mm。

沃斯回火熱處理130包含步驟131、步驟132及步驟133，其中步驟131為加熱步驟，步驟132為降溫步驟，步驟133為恆溫持溫步驟。

仔細地說，在步驟131中，係將所述初胚加熱至880 ^oC至930 ^oC，並維持加熱時間，其中所述加熱時間可為1小時至2小時，使其可充分地成為一沃斯田鐵之組織狀態。

在步驟132中，係將所述初胚急速降溫至一降溫溫度，其為300 ^oC至450 ^oC。在步驟133中，係將所述初胚維持在降溫溫度，並持續一恆溫持溫時間，其中所述恆溫持溫時間可為1小時至3小時，以使初坯形成沃斯肥粒鐵(Ausferrite)的組織狀態，其又稱為變韌鐵(Bainite)，以下皆簡稱為變韌鐵。

特別的是，其中步驟131之加熱步驟與步驟132之降溫步驟之間具有一過渡時間，所述過渡時間為4秒至8秒。具體而言，加熱步驟在高溫爐中進行，降溫步驟在冷卻槽中進行，所述過渡時間指的是初胚完成加熱步驟之後，從高溫爐移置冷卻槽滯留在室溫的時間。若超出此過渡時間的範圍，則沃斯田鐵可能因空冷而變態為糙斑鐵(Sorbite)，又稱為中波來鐵(Medium Pearlite)。然而，本發明之剛輪的製造方法100的目標組織為變韌鐵，而糙斑鐵之延性、韌性及強度相較於變韌鐵皆較差，其不利於剛輪200的結構強度。

步驟140為進行一精加工步驟，其係將初胚加工，以獲得剛輪200。具體而言，在步驟140中，可更包含進行精密切割、研磨(Grinding)及拋光(Polishing)等精密加工，並形成複數個內齒210，藉以提升本發明之剛輪200的機械精度，但本發明並不以此揭示內容為限。

本發明之剛輪的製造方法100透過沃斯回火熱處理130(Austempered Ductile Iron，ADI)，並控制其溫度及時間在適當的範圍，藉以增加剛輪200的機械強度，並同時保持其延性。具體而言，經過上述剛輪的製造方法100之後，剛輪200之抗拉強度可達到900 MPa以上，且延性可大於4%。換言之，可符合JIS G 5503:1995，FCAD900-4之規格。

值得一提的是，與目前世界各國之球墨鑄鐵之規範中最高等級的材料(FCD800-2)相比較時，本發明之剛輪200之抗拉強度提升了10%以上，而延性提升了50%以上。據此，本發明之剛輪200可提供超高強度的抗拉強度以及極其優異的延性，藉以符合諧波減速器對於剛輪更高度的要求。

另外，特別的是，本發明之剛輪的製造方法100，係先進行粗加工步驟，接著才進行沃斯回火熱處理130，換句話說，在鑄件變得更強硬之前，先對鑄件進行粗加工，藉此，可有助於增加加工的可行性。在沃斯回火熱處理130完成後，再做精加工，因而可減少剛輪的製造方法100整體作業的時程及成本。

特別說明的是，有關球墨鑄鐵的沃斯回火熱處理130之溫度的選擇、時間的選擇及冷卻速率的控制，以及球墨鑄鐵之合金的選用及比例等因素皆是影響球墨鑄鐵之機械性質的重要關鍵。本發明之剛輪的製造方法100藉由選用適當的合金比例及配合適當的沃斯回火熱處理130的製程參數，僅需一次沃斯回火熱處理130即可同時提升剛輪200的抗拉強度及延性，相較於一般二次沃斯回火熱處理，本發明之剛輪的製造方法100有助於減少製造成本及耗能。

請參照第4圖，其繪示依照第2圖實施方式之剛輪200的金相顯微組織圖。本發明之剛輪200包含球狀石墨201、變韌鐵202及殘留沃斯田鐵203。仔細地說，在經過沃斯回火熱處理130之後，剛輪200的基地組織主要為變韌鐵202、10%-30%的殘留沃斯田鐵203(Retained Austenite, γ _R)及球狀石墨201。如第4圖所示，剛輪200的球墨大小可為8 μm至10 μm，其中球墨大小指的是球狀石墨201的直徑。在經過一階段的沃斯回火熱處理130之後，本發明之剛輪200的金相顯微組織的球化率可大於85%、球墨數可為300 counts/mm ²至500 counts/mm ²，且石墨面積率可大於13%。透過上述配置，對於剛輪200之機械性質，耐磨耗性、精度、壽命等皆有明顯的提升。

請再參照第2圖及第3圖，諧波減速器300包含諧波產生器310、柔輪320以及上述利用剛輪的製造方法100所製成之剛輪200，其中諧波產生器310連接柔輪320，而剛輪200連接柔輪320。特別說明的是，諧波減速器300的詳細作動及細部結構係為習知技術，且為非本案的重點，故有關諧波減速器300的細節則不另外贅述。

具體而言，當諧波產生器310帶動柔輪320相對剛輪200作動時，柔輪320之外齒321相對剛輪200之內齒210嚙合及分離，從而實現動力傳動及達到大的減速比。

值得一提的是，一般的剛輪在如此往復且循環的作動下，容易有機械疲勞並造成元件崩裂的情況發生，進而影響諧波減速器整體的機械精度及壽命。然而，本發明之剛輪200在經由上述剛輪的製造方法100之後，其具有優異的抗拉強度及延性，相較於一般的剛輪，本發明之剛輪200更能承受與柔輪320之間的摩擦及碰撞，並可減少剛輪200之內齒210與柔輪320之外齒321之間嚙合所造成的元件崩裂的情況發生，進而可以有效地維持諧波減速器300的機械精度，並有助於增加諧波減速器300的使用壽命。

綜合上述，本發明之剛輪的製造方法，透過合金的選用與組成，並搭配一階段的沃斯回火熱處理，藉以達到同時提升剛輪的抗拉強度及延性的效果。藉此，可有助於提升諧波減速器的機械性能、精度及使用壽命。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:剛輪的製造方法 110,120,131,132,133,140:步驟 130:沃斯回火熱處理 200:剛輪 201:球狀石墨 202:變韌鐵 203:殘留沃斯田鐵 210:內齒 300:諧波減速器 310:諧波產生器 320:柔輪 321:外齒

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 第1圖繪示本發明一實施方式之剛輪的製造方法的步驟流程圖； 第2圖繪示本發明另一實施方式之諧波減速器的立體示意圖； 第3圖繪示依照第2圖實施方式之諧波減速器的分解圖；以及 第4圖繪示依照第2圖實施方式之剛輪的金相顯微組織圖。

100:剛輪的製造方法

110,120,131,132,133,140:步驟

130:沃斯回火熱處理

Claims (11)

1. 一種剛輪的製造方法，該剛輪應用於一諧波減速器，該剛輪的製造方法包含：提供一鑄件，該鑄件為一球墨鑄鐵材質，該鑄件以100%的組成成分總重量百分比計算，包含3.0%至4.0%的碳、2.0%至3.1%的矽、0.2%至1.0%的錳、小於0.08%的磷、小於0.02%的硫、0.025%至0.055%的鎂、小於1.2%的銅及剩餘重量百分比為鐵及雜質；進行一粗加工步驟，切削該鑄件，並形成一初胚；對該初胚進行一沃斯回火熱處理，該沃斯回火熱處理包含：一加熱步驟，將該初胚加熱至880℃至930℃，並維持一加熱時間；一降溫步驟，將該初胚急速降溫至一降溫溫度，該降溫溫度為300℃至450℃，其中該加熱步驟完成之後與該降溫步驟之間具有一過渡時間，該過渡時間為4秒至8秒；及一恆溫持溫步驟，將該初胚維持在該降溫溫度，並持續一恆溫持溫時間；以及進行一精加工步驟，將該初胚加工，以獲得該剛輪。
2. 如請求項1所述之剛輪的製造方法，其中該加熱步驟之該加熱時間為1小時至2小時。
3. 如請求項1所述之剛輪的製造方法，其中該恆溫持溫步驟之該恆溫持溫時間為1小時至3小時。
4. 如請求項1所述之剛輪的製造方法，其中該初胚具有一壁厚，該壁厚為5mm至30mm。
5. 如請求項1所述之剛輪的製造方法，其中該剛輪具有一球化率，該球化率大於85%。
6. 如請求項1所述之剛輪的製造方法，其中該剛輪具有一球墨數，該球墨數為300counts/mm²至500counts/mm²。
7. 如請求項1所述之剛輪的製造方法，其中該剛輪具有一球墨大小，該球墨大小為8μm至10μm。
8. 如請求項1所述之剛輪的製造方法，其中該剛輪具有一石墨面積率，該石墨面積率大於13%。
9. 如請求項1所述之剛輪的製造方法，其中該剛輪具有一抗拉強度及一延性，其中該抗拉強度為大於900MPa，該延性大於4%。
10. 一種剛輪，其應用於一諧波減速器，且係由 如請求項1-9任一項所述之剛輪的製造方法所製成。
11. 一種諧波減速器，包含：一諧波產生器；一柔輪，連接該諧波產生器；以及如請求項10所述之剛輪，連接該柔輪。

Images