减小工业机器人精密齿轮变形的真空辉光离子渗氮工艺

摘要

本发明公开了一种减小工业机器人精密齿轮变形的真空辉光离子渗氮工艺，属于热处理技术领域。本发明的步骤为：1)零件制备：对齿轮零件坯料进行调质，使硬度达到31～32.5HRC；2)前清洗：对齿轮零件进行清洗；3)零件装夹：将齿轮零件采用工装装夹成齿轮组合件；4)装炉：将上述的齿轮组合件均匀地呈封闭的圆环状布置在阴极盘上，并盖上炉罩；5)渗氮：采用阶梯升温保温方式将齿轮零件升温到渗氮温度，且自室温升温到渗氮温度的时间控制在3.5～4小时；6)随炉冷却：在炉内温度小于等于95℃时开炉。本发明有效减小了精密齿轮渗氮热处理后的变形，并满足了该齿轮热处理技术要求，一次热处理合格率达100％。

说明书

技术领域

本发明涉及一种渗氮工艺，更具体地说，涉及一种减小工业机器人精密齿轮变形的真空辉光离子渗氮工艺。

背景技术

图1和图2是一种应用于工业机器人腰部减速器内的齿轮零件示意图，工业机器人腰部减速器是连接基座和身体的部分，主要是起旋转运动作用。该齿轮零件1是工业机器人腰部减速器内的重要部件，工作条件复杂，要求具有优良的耐磨性、较高的抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能。对于该齿轮零件1，目前常规工艺是采用气体渗氮处理，而采用常规工艺存在处理后齿轮齿形变形大、渗层不均匀、处理时间长等缺陷，热处理后成品率仅45％左右。

辉光离子渗氮工艺具有渗氮速度快、组织易控制、变形小等优点，目前已得到迅速发展，也已经被用于齿轮等零件的渗氮处理。然而，由于上述齿轮零件1的热处理技术要求较高，现有离子渗氮工艺难以满足此类零件的渗氮处理要求。因此，研发一种能够有效减小工业机器人精密齿轮变形、同时满足其热处理技术要求的渗氮工艺，成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。

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技术存在的上述不足，提供一种减小工业机器人精密齿轮变形的真空辉光离子渗氮工艺，采用本发明的技术方案，有效减小了精密齿轮渗氮热处理后的变形，并满足了该精密齿轮热处理技术要求，一次热处理合格率达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精密齿轮变形的真空辉光离子渗氮工艺，包括以下步骤：

(1)零件制备：对42CrMoH或35CrMo坯料进行调质，使坯料硬度达到31～32.5HRC，然后将坯料机加工为齿轮零件；

(2)前清洗：对装入料筐内的齿轮零件进行清洗，清除齿轮零件表面残留的污物；

(3)零件装夹：将一件以上的齿轮零件采用工装装夹成齿轮组合件，使工装夹持住齿轮零件的两个端平面；

(4)装炉：将步骤(3)中的齿轮组合件均匀地呈封闭的圆环状布置在阴极盘上，并盖上炉罩；

(5)真空辉光离子渗氮：采用阶梯升温保温方式逐渐将齿轮零件升温到渗氮工艺温度，且自室温升温到渗氮工艺温度的时间控制在3.5～4小时；

(6)随炉冷却：渗氮结束后，齿轮零件在真空状态下随炉冷却，且在炉内温度小于等于95℃时开炉。

更进一步地，步骤(1)中所述的42CrMoH坯料的化学成分为：C：0.38～0.45％；Mn：0.50～0.80％；Si：0.17～0.37％；S：≤0.030％；P：≤0.030％；Cr：0.9～1.2％；Mo：0.15～0.25％；Ni：≤0.03％；所述的35CrMo坯料的化学成分为：C：0.32～0.40％；Mn：0.40～0.70％；Si：0.17～0.37％；S：≤0.035％；P：≤0.035％；Cr：0.80～1.10％；Mo：0.15～0.25％；Ni：≤0.03％；Cu：≤0.30％。

更进一步地，步骤(2)中所述的料筐为网格状料筐，将齿轮零件逐个平放在料筐的网片上，零件与零件之间的间隙为10～15mm，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30～50mm；步骤(2)中所述的清洗是采用真空碳氢溶剂对齿轮零件进行清洗。

更进一步地，步骤(3)中所述的工装包括夹板和螺栓，将齿轮零件的两个端平面用夹板夹持，并用螺栓夹紧。

更进一步地，步骤(3)中将4件齿轮零件依次用夹板夹持，并用螺栓夹紧成齿轮组合件。

更进一步地，在步骤(4)中，阴极盘上呈封闭的圆环状布置有两圈以上的齿轮零件，且齿轮零件之间的间隔为35～40mm。

更进一步地，步骤(5)中的真空辉光离子渗氮工艺参数为：

(5-1)180±15℃均温20±1min，电流10～15A，电压600～650V，炉压120Pa，氨气流量250～300ml/min，占空比45％；

(5-2)280±15℃均温20±1min，电流11～14A，电压620～660V，炉压240Pa，氨气流量550～600ml/min，占空比81％；

(5-3)380±15℃均温20±1min，电流18～23A，电压650～680V，炉压280Pa，氨气流量680～720ml/min，占空比76％；

(5-4)460±15℃均温20±1min，电流19～25A，电压670～690V，炉压300Pa，氨气流量800～850ml/min，占空比58％；

(5-5)515±5℃渗氮480±1min，电流13～16A，电压680～700V，炉压300Pa，氨气流量850～900ml/min，占空比55％。

更进一步地，在步骤(6)随炉冷却结束后，还包括依次对齿轮零件进行检验、装箱的步骤。

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精密齿轮变形的真空辉光离子渗氮工艺，其对齿轮零件坯料进行调质，使坯料硬度达到31～32.5HRC，可以有效缩短后续渗氮时间，提高热处理效率，获得良好的综合机械性能；

(2)本发明的一种减小工业机器人精密齿轮变形的真空辉光离子渗氮工艺，在渗氮处理之前，将一件以上的齿轮零件采用工装装夹成齿轮组合件，使工装夹持住齿轮零件的两个端平面，保证齿轮零件端平面的平行度公差要求，减小渗氮处理变形；

(3)本发明的一种减小工业机器人精密齿轮变形的真空辉光离子渗氮工艺，将齿轮组合件均匀地呈封闭的圆环状布置在阴极盘上，使齿轮零件加热均匀，防止因受热不均而引起零件变形；

(4)本发明的一种减小工业机器人精密齿轮变形的真空辉光离子渗氮工艺，其采用阶梯升温保温方式逐渐将齿轮零件升温到渗氮工艺温度，不仅能够保证齿轮零件具有优良的耐磨性、较高的抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能，而且有利于减小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齿轮零件变形；

(5)本发明的一种减小工业机器人精密齿轮变形的真空辉光离子渗氮工艺，其自室温升温到渗氮工艺温度的时间控制在3.5～4小时，在保证有效渗氮硬化层深度的情况下，降低了起弧时间，从而保证了齿轮零件齿面的表面粗糙度，一次热处理即可达到齿轮精度要求；

(6)本发明的一种减小工业机器人精密齿轮变形的真空辉光离子渗氮工艺，其渗氮结束后，齿轮零件在真空状态下随炉冷却，且在炉内温度小于等于95℃时开炉，防止齿轮零件高温氧化；

(7)本发明的一种减小工业机器人精密齿轮变形的真空辉光离子渗氮工艺，其采用真空碳氢溶剂对齿轮零件进行前清洗，清除工件表面及细小内孔残留的机加工切削油和细微的铁屑，避免后续在真空辉光离子渗氮过程中零件打弧而损伤零件表面，使零件表面达到一定的洁净度，达到渗氮后零件表面硬度均匀无软点的作用。

附图说明

图1为本发明中的一种应用于工业机器人腰部减速器内的齿轮零件示意图；

图2为图1中A-A方向剖视结构示意图；

图3为本发明中的零件装夹结构示意图；

图4为本发明中的装炉示意图；

图5为本发明的一种减小工业机器人精密齿轮变形的真空辉光离子渗氮工艺的流程图；

图6为本发明中的渗氮工艺曲线图。

示意图中的标号说明：

1、齿轮零件；2、夹板；3、螺栓；4、齿轮组合件；5、阴极盘。

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0.5、齿数为97的工业机器人精密齿轮的渗氮处理工艺过程为例，热处理技术要求为：表面硬度≥700HV，有效硬化层深度为0.15～0.26mm(界限值400HV，PCD(pitch circle diameter)位置)，齿轮精度JIS1～3级(热处理前的齿轮精度为1～1.5级)，平面平行度公差为±0.012mm(热处理前的平面平行度公差为±0.007mm)。为达到上述热处理要求，如图5所示，本实施例的一种减小工业机器人精密齿轮变形的真空辉光离子渗氮工艺，包括以下步骤：

(1)零件制备：对齿轮坯料进行调质，使坯料硬度达到31～32.5HRC，经过调质处理后，可以获得良好的综合机械性能，可以有效缩短后续渗氮时间，提高热处理效率；然后将调质后的坯料机加工为齿轮零件；在本实施例中，坯料可以为42CrMoH或35CrMo，42CrMoH坯料的化学成分为：C：0.38～0.45％；Mn：0.50～0.80％；Si：0.17～0.37％；S：≤0.030％；P：≤0.030％；Cr：0.9～1.2％；Mo：0.15～0.25％；Ni：≤0.03％；35CrMo坯料的化学成分为：C：0.32～0.40％；Mn：0.40～0.70％；Si：0.17～0.37％；S：≤0.035％；P：≤0.035％；Cr：0.80～1.10％；Mo：0.15～0.25％；Ni：≤0.03％；Cu：≤0.30％。

(2)前清洗：对装入料筐内的齿轮零件进行清洗，清除齿轮零件表面残留的污物；具体地，料筐采用网格状料筐，将齿轮零件逐个平放在料筐的15×15mm网片上，零件与零件之间的间隙为10～15mm，每个料筐内放置50件齿轮零件，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30～50mm，共装5层；上述的清洗是采用真空碳氢溶剂对齿轮零件进行清洗，具体可采用中日合资生产的真空碳氢溶剂清洗机进行前清洗，主要是清除工件表面及细小内孔残留的机加工切削油和细微的铁屑，便于后续在真空辉光离子渗氮过程中避免零件打弧，损伤零件表面，使零件表面达到一定的洁净度，达到渗氮后零件表面硬度均匀无软点的作用，清洗后外观呈亮白色，并且，采用真空碳氢溶剂清洗，清洁无污染。

(3)零件装夹：将一件以上的齿轮零件采用工装装夹成齿轮组合件，使工装夹持住齿轮零件的两个端平面，这样，可以保证齿轮零件端平面的平行度公差要求，减小渗氮处理变形；具体在本实施例中，如图3所示，工装包括夹板2和螺栓3，将齿轮零件1的两个端平面用夹板2夹持，并用螺栓3夹紧，结构简单，装夹方便；本实施例将4件齿轮零件1依次用夹板2夹持，并用螺栓夹紧成齿轮组合件4，一次处理量多。

(4)装炉：如图4所示，将步骤(3)中的齿轮组合件4均匀地呈封闭的圆环状布置在阴极盘5上，并盖上炉罩；具体地，阴极盘5上呈封闭的圆环状布置有两圈以上的齿轮零件，且齿轮零件之间的间隔为35～40mm，如有空缺位置必须用类似零件代替，这样，可以使齿轮零件1加热均匀，防止因受热不均而引起零件变形。

(5)真空辉光离子渗氮：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，而加热速度是影响齿轮零件应力产生的一个重要因素，齿轮各部位的温差越大则应力也就越大，因此采用阶梯升温保温方式逐渐将齿轮零件升温到渗氮工艺温度，且自室温升温到渗氮工艺温度的时间控制在3.5～4小时，将升温时间控制在3.5～4小时，在保证有效渗氮硬化层深度的情况下，降低了起弧时间，从而保证了齿轮零件齿面的表面粗糙度，一次热处理即可达到齿轮精度要求；本实施例中采用LDMC-75FS真空辉光离子渗氮炉，如图6所示，真空辉光离子渗氮工艺参数为：

(5-1)180±15℃均温20±1min，电流10～15A，电压600～650V，炉压120Pa，氨气流量250～300ml/min，占空比45％；

(5-2)280±15℃均温20±1min，电流11～14A，电压620～660V，炉压240Pa，氨气流量550～600ml/min，占空比81％；

(5-3)380±15℃均温20±1min，电流18～23A，电压650～680V，炉压280Pa，氨气流量680～720ml/min，占空比76％；

(5-4)460±15℃均温20±1min，电流19～25A，电压670～690V，炉压300Pa，氨气流量800～850ml/min，占空比58％；

(5-5)515±5℃渗氮480±1min，电流13～16A，电压680～700V，炉压300Pa，氨气流量850～900ml/min，占空比55％。

具体操作过程如下：

一、装好零件，放入试块，罩上炉罩，接好冷却水管和液氨气管；

二、启动电源，点击登录，输入密码“XXXXXX”，然后进入主画面，然后再进入开关量控制；

三、通入冷却水，启动真空泵1及真空泵2，并缓慢打开真空蝶阀(启动真空泵前应先检查蝶阀是否处入关闭状态)开始对炉内抽真空；

四、将压力值设为20Pa；

五、当压力值显示为60Pa左右时，启动高压、再启动电阻1(启动高压、电阻1前应检查电压、占空比给定旋钮是否处于零位)；

六、调整“电压给定”将电压调为650V左右；

七、调整“占空比给定”，直到炉内开始打弧；

八、待炉内起辉后，关上真空泵2的蝶阀，停止真空泵2；

九、当炉内打弧减弱后慢慢加大占空比，直到70％左右；

十、当炉内打弧再次减弱时，将占空比调为20％，打开氨气总阀门，将氨气设为200，压力设为30，开始进行加气打弧；

十一、随着打弧的再次减弱，慢慢加大压力，氨气量，占空比，达到升温所需的要求；

十二、当炉内打弧结束，辉光稳定后，将占空比调为零，停止电阻1，启动电阻2，然后再慢慢加大占空比，继续升温；待工件到180±15℃时，按下表执行具体工艺：

十三、工艺执行完毕后自动停炉，零件在真空状态下随炉冷却。

(6)随炉冷却：渗氮结束后，齿轮零件在真空状态下随炉冷却，且在炉内温度小于等于95℃时开炉，防止齿轮零件高温氧化。

(7)检验：随机选取一组经过上述渗氮处理工艺处理后的齿轮组合件进行检验，检验结果如下表：

(8)装箱：将已检合格的齿轮组合件用电动工具拆卸成单件，浸防锈油后装箱。

本发明的一种减小工业机器人精密齿轮变形的真空辉光离子渗氮工艺，通过采用真空碳氢溶剂前清洗，设计合理的工装和装炉方式，渗氮加热阶梯升温，控制自室温升温到渗氮工艺温度的时间，齿轮热处理畸变得到了有效控制，齿轮零件采用优化的渗氮工艺热处理后一次合格率为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。