一種減小齒輪軸鍵槽變形的熱處理工藝的製作方法

2023-09-22 22:19:55

本發明涉及一種熱處理工藝，更具體地說，涉及一種減小齒輪軸鍵槽變形的熱處理工藝，該齒輪軸主要應用於工業機器人肩部減速器。

背景技術：

圖1和圖2為一種工業機器人肩部減速器用輸入齒輪軸的結構示意圖，該齒輪軸1的一端為齒2，另一端設有鍵槽3。機器人肩部減速器是承重部分，其主要作用是傳遞動力，是連接伺服電機與減速器的主要部件，而輸入齒輪軸是肩部減速器系統中的重要部件，工作條件複雜，要求齒輪軸具有優良的耐磨性、較高的抗接觸疲勞和抗彎曲疲勞性能，這些性能通常需要通過熱處理來實現。目前，對於此類輸入齒輪軸的熱處理，常規工藝是採用密封箱式多用爐滲碳淬火，採用常規工藝處理後的齒輪軸存在性能較差的問題，更重要的是，在熱處理後，齒輪軸的鍵槽3變形量大，採用常規熱處理後成品率僅60％左右。

技術實現要素：

1.發明要解決的技術問題

本發明的目的在於克服現有輸入齒輪軸熱處理工藝存在齒輪軸鍵槽變形量大、成品率低的不足，提供一種減小齒輪軸鍵槽變形的熱處理工藝，採用本發明的技術方案，通過改進正火工藝、裝爐方式、滲碳淬火工藝、控制滲碳碳勢及齒輪軸鍵槽塗覆塗料等技術措施，使齒輪軸鍵槽熱處理畸變得到有效控制，減小了齒輪軸鍵槽熱處理後的變形量，同時提高了齒輪軸的耐磨性、抗接觸疲勞和抗彎曲疲勞性能，是一種熱處理一次合格率達100％的熱處理工藝。

2.技術方案

為達到上述目的，本發明提供的技術方案為：

本發明的一種減小齒輪軸鍵槽變形的熱處理工藝，包括以下步驟：

(1)零件製備：對牌號為SCM420的合金鋼坯料進行高溫正火處理，使坯料表面硬度達到150～170HBW，獲得均勻的鐵素體和珠光體組織；然後將坯料機加工成齒輪軸零件；

(2)裝框：將步驟(1)中製備好的齒輪軸零件擺放在料筐中；

(3)前清洗：對裝入料筐內的齒輪軸零件進行清洗，清除齒輪軸零件表面殘留的汙物；

(4)塗覆處理：在齒輪軸零件的鍵槽部位塗覆防滲碳塗料，並烘乾；

(5)滲碳淬火：對齒輪軸零件進行滲碳淬火處理，具體包括以下分步驟：

(5-1)保護氣氛滲碳：在保護氣氛環境中採用階梯升溫保溫加熱方式，830±5℃均溫20±1min，碳勢控制在0.60±0.025％；900±5℃強滲60±1min，碳勢控制在0.95±0.025％；880±5℃擴散40±1min，碳勢控制在0.80±0.025％；830±5℃淬火均溫35±1min，碳勢控制在0.65±0.025％；

(5-2)淬火冷卻：在140±5℃淬火油中進行冷卻；

(6)後清洗：對滲碳淬火後的齒輪軸零件進行清洗，清除齒輪軸零件表面殘留的油跡及鍵槽部位的塗料；

(7)回火：對後清洗後的齒輪軸零件進行回火處理，回火溫度為180±5℃，時間為150±10min，回火出爐後在空氣中冷卻；

(8)再清洗：對回火後的齒輪軸零件進行再次清洗，清除齒輪軸鍵槽部位的塗料。

更進一步地，步驟(1)中的SCM420合金鋼坯料的化學成分為：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。

更進一步地，步驟(2)中的料筐採用網格狀料筐，將齒輪軸有齒的一端朝上逐個豎放在料筐的網片上，且零件與零件之間的間隙為3～8mm，多組料筐層疊在一起，且上層料筐與下層料筐之間的層距為30～50mm。

更進一步地，步驟(3)中採用真空碳氫溶劑對齒輪軸零件進行清洗；步驟(6)和步驟(8)中均採用浸入式清洗機對齒輪軸零件進行清洗和烘乾。

更進一步地，步驟(4)中採用的防滲碳塗料為AC-200，並採用50～60℃保溫烘乾60～90min。

更進一步地，步驟(5-1)中採用箱式可控氣氛爐對齒輪軸零件進行保護氣氛滲碳處理，並採用甲醇氣體作為保護氣；步驟(7)中採用箱式保護氣氛回火爐對齒輪軸零件進行回火處理。

更進一步地，步驟(5-2)中採用閉式冷卻塔循環進行淬火冷卻，將熱淬火油從淬火油槽底部抽出經過閉式冷卻塔冷卻後從淬火油槽上部返回，保證油槽溫度在設定範圍內；該淬火油採用等溫淬火油，淬火油以180±20轉/分鐘低速攪拌。

更進一步地，步驟(6)後清洗結束後到步驟(7)回火開始的等待時間小於1.5h。

更進一步地，在步驟(8)再清洗結束後，還包括依次對齒輪軸零件進行檢驗、拋丸、裝箱的步驟。

更進一步地，在拋丸步驟中，採用立式吊掛拋丸機，將齒輪軸零件置於料架上，使用QP-4鋼砂強力拋丸，時間為正向3分鐘，反向3分鐘。

3.有益效果

採用本發明提供的技術方案，與已有的公知技術相比，具有如下顯著效果：

(1)本發明的一種減小齒輪軸鍵槽變形的熱處理工藝，通過改進正火工藝、裝爐方式、滲碳淬火工藝、控制滲碳碳勢及齒輪軸鍵槽塗覆塗料等技術措施，使齒輪軸鍵槽熱處理畸變得到有效控制，減小了齒輪軸鍵槽熱處理後的變形量，同時提高了齒輪軸的耐磨性、抗接觸疲勞和抗彎曲疲勞性能，是一種熱處理一次合格率達100％的熱處理工藝；

(2)本發明的一種減小齒輪軸鍵槽變形的熱處理工藝，採用網格狀料筐對齒輪軸進行裝框，將齒輪軸有齒的一端朝上逐個豎放在料筐的網片上，且零件與零件之間的間隙為3～8mm，多組料筐層疊在一起，且上層料筐與下層料筐之間的層距為30～50mm，使齒輪軸零件均勻分布無堆積，從而使齒輪軸零件受熱和冷卻更加均勻，進而有效消除了加工應力，減小了齒輪軸零件的熱處理變形；

(3)本發明的一種減小齒輪軸鍵槽變形的熱處理工藝，在塗覆處理前對齒輪軸進行前清洗，清除齒輪軸表面殘留切削油和鐵屑等汙物，便於後續塗覆塗料，並使齒輪軸表面達到一定的潔淨度，達到滲碳淬火後零件表面硬度無軟點、外觀無雜色的作用；在滲碳淬火後對齒輪軸零件進行後清洗，能將零件淬火後帶出的油完全清洗乾淨，同時將鍵槽部位的塗料清洗乾淨，使得零件回火後的表面無雜色和油斑出現；並且，前清洗採用真空碳氫溶劑來清洗，清洗效率好，節能環保，後清洗採用普通浸入式清洗機清洗烘乾，清洗高效穩定；

(4)本發明的一種減小齒輪軸鍵槽變形的熱處理工藝，其在齒輪軸零件的鍵槽部位塗覆防滲碳塗料，並烘乾，有效防止鍵槽部位滲碳，降低了鍵槽部位的熱處理畸變；

(5)本發明的一種減小齒輪軸鍵槽變形的熱處理工藝，在保護氣氛環境中採用階梯升溫保溫加熱方式對齒輪軸零件進行滲碳加熱，不僅能夠保證齒輪軸具有優良的耐磨性、較高的抗接觸疲勞和抗彎曲疲勞性能，而且有利於減小齒輪軸零件各部位的溫差，消除加工應力的產生，減小因加熱過快而導致的齒輪軸零件變形；

(6)本發明的一種減小齒輪軸鍵槽變形的熱處理工藝，其在140±5℃等溫淬火油中進行冷卻，並採用閉式冷卻塔循環進行淬火冷卻，將熱淬火油從淬火油槽底部抽出經過閉式冷卻塔冷卻後從淬火油槽上部返回，保證油槽溫度在設定範圍內，確保齒輪軸零件冷卻均勻，減小齒輪軸的變形；

(7)本發明的一種減小齒輪軸鍵槽變形的熱處理工藝，其後清洗結束後到回火開始的等待時間小於1.5h，及時進行回火處理有利於減小齒輪軸零件變形。

附圖說明

圖1為本發明中的一種工業機器人肩部減速器用輸入齒輪軸的結構示意圖；

圖2為圖1中齒輪軸的右視結構示意圖；

圖3為本發明中的齒輪軸的裝框結構示意圖；

圖4為本發明中的滲碳淬火工藝曲線圖(圖中碳勢範圍上下浮動±0.025％)；

圖5為本發明中的回火工藝曲線圖。

示意圖中的標號說明：

1、齒輪軸；2、齒；3、鍵槽；4、料筐。

具體實施方式

為進一步了解本發明的內容，結合附圖和實施例對本發明作詳細描述。

實施例

以某模數為2.215、齒數為13的工業機器人肩部減速器用輸入齒輪軸的熱處理工藝過程為例，熱處理技術要求為：表面硬度為80.1～82.1HRA，有效硬化層深度為0.25～0.63mm，鍵槽平行度≤0.035mm(熱處理前的鍵槽平行度≤0.02mm)，鍵槽公差為±0.015mm(熱處理前的鍵槽公差為±0.008mm)。為達到上述熱處理要求，本實施例的一種減小齒輪軸鍵槽變形的熱處理工藝，包括以下步驟：

(1)零件製備：對牌號為SCM420的合金鋼坯料進行高溫正火處理，使坯料表面硬度達到150～170HBW，獲得均勻的鐵素體和珠光體組織，對坯料的預備熱處理不僅會影響其切削性能，並且對齒輪軸的最終熱處理畸變有較大的影響，因此為了滿足後續機械加工和畸變控制的要求，對坯料進行高溫正火處理是必要的；在正火處理後，將坯料機加工成齒輪軸零件；在本實施例中，SCM420合金鋼坯料的化學成分為(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)裝框：將步驟(1)中製備好的齒輪軸零件擺放在料筐中；具體如圖3所示，料筐4採用網格狀料筐，將齒輪軸1有齒的一端朝上逐個豎放在料筐4的28×28mm網片上，且零件與零件之間的間隙為3～8mm，多組料筐4層疊在一起，且上層料筐4與下層料筐4之間的層距為30～50mm，這樣，與常規多用爐熱處理相比，可使齒輪軸零件均勻分布無堆積，從而使齒輪軸受熱和冷卻更加均勻，進而有效消除了加工應力，減小了齒輪軸的熱處理變形；由於在後續滲碳淬火和回火工序中會分別使用UBE-600箱式可控氣氛爐和BTF-600箱式保護氣氛回火爐對齒輪軸零件進行滲碳淬火和回火，，且單個零件重量為0.56Kg，因此為了防止熱損失，每層料筐內放置120件齒輪軸零件，10層疊放為一組，共設置前後兩組。

(3)前清洗：對裝入料筐內的齒輪軸零件進行清洗，清除齒輪軸零件表面殘留的汙物；在該步驟中，採用真空碳氫溶劑對齒輪軸零件進行清洗，具體採用中日合資生產的真空碳氫溶劑清洗機進行前清洗，主要目的是清除齒輪軸零件表面及鍵槽內殘留的機加工切削油和細微鐵屑等汙物，使齒輪軸表面達到一定的潔淨度，達到淬火後零件表面硬度無軟點、外觀無雜色的作用。

(4)塗覆處理：在齒輪軸零件的鍵槽部位塗覆防滲碳塗料，並烘乾；具體地，所採用的防滲碳塗料為AC-200，並採用50～60℃保溫烘乾60～90min，有效防止鍵槽部位滲碳，降低了鍵槽部位的熱處理畸變。

(5)滲碳淬火：對齒輪軸零件進行滲碳淬火處理，滲碳淬火工藝曲線圖如圖4所示，具體包括以下分步驟：

(5-1)保護氣氛滲碳：由於零件在加熱過程中，不僅熱應力會產生畸變，同時釋放內應力也會產生畸變，而加熱速度是影響齒輪軸零件應力產生的一個重要因素，齒輪軸各部位的溫差越大則應力也就越大，因此本實施例是在保護氣氛環境中採用階梯升溫保溫加熱方式進行滲碳處理的，不僅能夠保證齒輪軸具有優良的耐磨性、較高的抗接觸疲勞和抗彎曲疲勞性能，而且有利於減小齒輪軸零件各部位的溫差，消除加工應力的產生，減小因加熱過快而導致的齒輪軸零件變形；具體地，使用UBE-600箱式可控氣氛爐，加熱過程中採用甲醇氣體作為保護氣，流量控制在2300～2600ml/min，830±5℃均溫20±1min，碳勢控制在0.60±0.025％Cp；900±5℃強滲60±1min，向爐內通入3～4.5升/小時丙烷氣體，碳勢控制在0.95±0.025％Cp；880±5℃擴散40±1min，向爐內通入2.5～4升/小時丙烷氣體，碳勢控制在0.80±0.025％Cp；830±5℃淬火均溫35±1min，碳勢控制在0.65±0.025％Cp，確保齒輪軸零件最終表面碳含量在0.69～0.73％；

(5-2)淬火冷卻：在140±5℃淬火油中進行冷卻；該步驟中的淬火油採用等溫淬火油，具體採用進口日本出光X型等溫淬火油，淬火油以180±20轉/分鐘低速攪拌，並採用閉式冷卻塔循環進行淬火冷卻，將熱淬火油從淬火油槽底部抽出經過閉式冷卻塔冷卻後從淬火油槽上部返回，保證油槽溫度在設定範圍內，確保齒輪軸零件冷卻均勻，減小齒輪軸鍵槽的變形；該淬火冷卻工藝是減小齒輪軸零件熱處理變形的重要環節。

(6)後清洗：對滲碳淬火後的齒輪軸零件進行清洗，清除齒輪軸零件表面殘留的油跡及鍵槽部位的塗料；具體採用普通浸入式清洗機對齒輪軸零件進行清洗和烘乾，能將零件淬火後帶出的油完全清洗乾淨，同時將鍵槽部位的塗料清洗乾淨，使得回火後的表面無雜色和油斑出現，清洗後工件表面呈銀白色。

(7)回火：對後清洗後的齒輪軸零件進行回火處理，該步驟中採用BTF-600箱式保護氣氛回火爐，回火工藝曲線如圖5所示，回火溫度為180±5℃，時間為150±10min，回火出爐後在空氣中冷卻；較佳地，從步驟(6)後清洗結束後到步驟(7)回火開始的等待時間小於1.5h，及時進行回火處理有利於減小齒輪軸變形。

(8)再清洗：對回火後的齒輪軸零件進行再次清洗，清除齒輪軸鍵槽部位的塗料，與步驟(6)中後清洗相同，本步驟中也採用普通浸入式清洗機對齒輪軸零件進行清洗和烘乾，將齒輪軸鍵槽部位殘留的塗料清洗乾淨。

(9)檢驗：隨機選取一件經過上述熱處理工藝處理後的齒輪軸進行檢驗，檢驗結果如下表：

(10)拋丸：採用立式吊掛拋丸機，將齒輪軸零件置於料架上，使用QP-4鋼砂強力拋丸，時間為正向3分鐘，反向3分鐘。

(11)裝箱：將拋丸結束的輸入齒輪軸零件用壓縮空氣吹淨表面灰塵後浸防鏽油裝箱。

採用本實施例的熱處理工藝後，通過改進正火工藝、裝爐方式、滲碳淬火工藝、控制滲碳碳勢及齒輪軸鍵槽塗覆塗料等技術措施，使齒輪軸鍵槽熱處理畸變得到有效控制，減小了齒輪軸鍵槽熱處理後的變形量，同時提高了齒輪軸的耐磨性、抗接觸疲勞和抗彎曲疲勞性能，熱處理一次合格率達100％。

以上示意性地對本發明及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本發明的實施方式之一，實際的結構並不局限於此。所以，如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不脫離本發明創造宗旨的情況下，不經創造性地設計出與該技術方案相似的結構方式及實施例，均應屬於本發明的保護範圍。