一种谐波减速机刚轮及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于减速机技术领域，具体涉及一种谐波减速机刚轮及其制备方法和应用。

背景技术：

2.谐波减速机具有结构紧凑、体积小、质量轻、传动比与承载能力大、传动精度高等优点，广泛应用于电子、航天航空、机器人、自动化等行业。谐波减速机的主要结构包括波发生器、柔轮及刚轮三个基本构件。其中，波发生器由柔性轴承及凸轮组成。柔轮是可挠性外齿轮，刚轮是刚性内齿圈。
3.谐波减速机是通过齿与齿之间的啮合来传递运动的。在整个运动过程中，内外齿啮合的区域较大，啮合齿对数占比约30％，刚轮内齿与柔轮外齿啮合，齿的啮合数量与工况相关，转矩越大啮合的齿的数量越多，由于柔轮为薄壁结构，其在波发生器装配后呈现与凸轮相同形状，波发生器运转过程中柔轮端面呈现周期性喇叭口变形形式，柔轮端面为曲面，柔轮齿面与刚轮齿面存在啮合相对运动，即切向的相对运动和柔轮变形带来的齿向窜动，柔轮齿与刚轮齿的啮合承载实现了谐波减速机力和运动的传递，齿之间的接触近似于线接触，实验表明刚轮齿与柔轮齿之间的润滑状态为混合润滑，因此需要刚轮和柔轮均具有较高的耐磨性。相关技术中，刚轮耐磨性不够理想。

技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种谐波减速机刚轮，该谐波减速机刚轮，通过特定原料配比的球磨铸铁，使得刚轮具有较高的耐磨性和力学强度。
5.本发明还提供了一种制备谐波减速机刚轮的方法。
6.本发明还提供了一种谐波减速机。
7.本发明还提供了一种工业机器人。
8.本发明的第一方面提供了一种谐波减速机刚轮，所述谐波减速机刚轮的基材为球墨铸铁，所述球墨铸铁的制备原料包括fe和以下质量百分比计的组分：
9.c：3.0％～4.0％，
10.si：2.0％～3.0％，
11.cu：0.5％～1.0％，
12.mn：≤1.0％，
13.cr：≤0.1％，
14.p：≤0.1％，
15.s：≤0.06％，
16.所述球墨铸铁中，金相组织的石墨球化率≥95％。
17.本发明关于谐波减速机刚轮的一个技术方案，至少具有以下有益效果：
18.本发明的谐波减速机刚轮，基材为球墨铸铁，球墨铸铁中，金相组织的石墨球化率≥95％，符合gb/t9441-2009规定的一级球化标准。该球墨铸铁是一种通过球化和孕育处理得到的碳以球状石墨析出的铸铁，具有良好的铸造性、耐磨性和切削加工性。本发明的谐波减速机刚轮，在特定的原料配比下，具有优良的力学性能和工艺性能，并能通过热处理再进一步提高力学性能，因此，该球墨铸铁可用于制造负荷较大、受力较复杂的零件，比如曲轴、连杆、齿轮、机床主轴等，特别适用于本发明的谐波减速机刚轮。
19.本发明的谐波减速机刚轮，基材为球墨铸铁，制备原料中，碳是使球状石墨结晶析出的元素，上述3.0％～4.0％范围的碳含量，使得球状石墨可以结晶析出。硅也是为了使球状石墨结晶析出的元素，上述2.0％～3.0％范围内的硅含量，有利于球状石墨结晶析出，并且还可以抑制浮渣缺陷和石墨漂浮的产生。铜能够抑制碳化物，有利于获得球状石墨。锰是起到使石墨细微化且使珠光体组织强化作用的元素，上述≤1.0％范围的锰，有利于发挥其作用。铬的作用是促生珠光体，提高强韧性，细化基体。磷、硫为球墨铸铁中不可避免的杂质，可以尽量降低其含量。
20.根据本发明的一些实施方式，所述球墨铸铁中，碳的质量百分比为3.2％～4.0％。
21.根据本发明的一些实施方式，所述球墨铸铁中，碳的质量百分比为3.5％～4.0％。
22.根据本发明的一些实施方式，所述球墨铸铁中，碳的质量百分比为3.8％～4.0％。
23.根据本发明的一些实施方式，所述球墨铸铁中，硅的质量百分比为2.2％～3.0％。
24.根据本发明的一些实施方式，所述球墨铸铁中，硅的质量百分比为2.5％～3.0％。
25.根据本发明的一些实施方式，所述球墨铸铁中，硅的质量百分比为2.7％～3.0％。
26.根据本发明的一些实施方式，所述球墨铸铁中，铜的质量百分比为0.6％～1.0％。
27.根据本发明的一些实施方式，所述球墨铸铁中，铜的质量百分比为0.7％～1.0％。
28.根据本发明的一些实施方式，所述球墨铸铁中，锰的质量百分比≤1.0％。
29.根据本发明的一些实施方式，所述球墨铸铁中，锰的质量百分比可以为0.7％。
30.根据本发明的一些实施方式，所述球墨铸铁中，锰的质量百分比可以为0.5％。
31.根据本发明的一些实施方式，所述球墨铸铁中，锰的质量百分比可以为0.2％。
32.根据本发明的一些实施方式，所述球墨铸铁中，铬的质量百分比为0.03％～0.06％。
33.根据本发明的一些实施方式，所述球墨铸铁中，铬的质量百分比可以为0.05％。
34.根据本发明的一些实施方式，所述球墨铸铁中，铬的质量百分比可以为0.04％。
35.根据本发明的一些实施方式，所述球墨铸铁中，p：≤0.1％，磷为球墨铸铁中不可避免的杂质，可以尽量降低其含量。
36.根据本发明的一些实施方式，所述球墨铸铁中，s：≤0.06％，硫为球墨铸铁中不可避免的杂质，可以尽量降低其含量。
37.上述配比范围为适宜的球墨铸铁制备原料的配比范围。
38.根据据本发明的一些实施方式，所述球墨铸铁中的金相组织包括渗碳体和磷共晶。
39.渗碳体是铁和碳形成的金属化合物，具有复杂的斜方晶体结构，是球墨铸铁中主要的强化相，渗碳体的形状与分布对钢的性能有很大的影响。在球磨铸铁中，渗碳体以不同形态和大小的晶体出现在组织中，对球墨铸铁的力学性能影响很大。
40.在一般铸铁中，磷与碳和铁形成的磷共晶，会增加铸铁的脆性，因此，磷被作为杂质元素对待。但在耐磨铸铁中，磷共晶在一定条件下又对提高铸铁的耐磨性有利。
41.根据本发明的一些实施方式，所述渗碳体包括游离渗碳体。
42.游离渗碳体指游离于珠光体(共析组织)后莱氏体(共晶组织)等机械混合物(组织)之外的作为一种独立的相存在的渗碳体。游离渗碳体对材料性能有负面影响，需要通过控制冷却速度来控制游离渗碳体的含量。本发明中的游离渗碳体，主要指一次渗碳体。
43.根据本发明的一些实施方式，所述球墨铸铁的抗拉强度≥1100mpa。
44.球墨铸铁的抗拉强度≥1100mpa，保证了谐波减速机刚轮具有较高的力学强度。
45.本发明的第二方面提供了一种制备所述的谐波减速机刚轮的方法，包括以下步骤：
46.s1：将球磨铸铁基材进行粗加工，得到刚轮半成品；
47.s2：对所述刚轮半成品进行热处理后，进行精加工，得到所述的谐波减速机刚轮。
48.本发明关于谐波减速机刚轮的制备方法中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：
49.本发明谐波减速机刚轮的制备方法，先对球磨铸铁基材进行粗加工，得到刚轮半成品，再对刚轮半成品进行热处理后，球墨铸铁基材得到了强化，基材具有更好的强韧性，最后进行精加工，便可得到性能和精度均复合要求的谐波减速机刚轮。热处理工艺在谐波减速机的制备中是关键工序，热处理后的硬度直接影响了刚轮的耐磨性能。
50.本发明谐波减速机刚轮的制备方法，无需昂贵的设备和复杂的过程控制，制备过程相对简单，容易控制。
51.本发明谐波减速机刚轮的制备方法，先对球磨铸铁基材进行粗加工，热处理后再进行精加工，一方面，避免了热处理过程中可能带来的刚轮精度尺寸变化；另一方面，通过粗加工和精加工结合的形式，使得最终制备得到的谐波减速机刚轮性能更加优异。
52.根据本发明的一些实施方式，所述刚轮半成品中的金相组织包括球形石墨、珠光体和铁素体。
53.球形石墨可以将对铸铁基体的割裂作用降到最低，从而铸铁中的应力集中作用最小，因此球墨铸铁强度很高，可以和中碳钢媲美。将该球墨铸铁作为基体材料，可以用于制作强韧性要求高且形状复杂的工件。用于加工谐波减速机刚轮时，可以充分发挥球墨铸铁基体的性能，使得制备得到的谐波减速机刚轮具有一定的塑性和良好的韧性。
54.在铸造条件下，球墨铸铁在共析转变阶段，按照稳定系和介稳定系进行固态相变，发生铁素体和珠光体的形核和生长。
55.根据本发明的一些实施方式，球磨铸铁基材可以自行制备。制备方法为：按配比，将金属原料熔融，然后对熔融金属进行球化处理。其中，球化处理的作用是使石墨在结晶生长时长成球状，颗粒状石墨更多，润滑性能更好，可以提高铸件的力学性能。
56.根据本发明的一些实施方式，球化处理的球化剂由30～70％金属镁粉，18～60％mgo和10～12％粘结剂(如酚醛树脂)组成。其中，金属镁粉的颗粒大小为0.05mm～0.145mm。
57.根据本发明的一些实施方式，粗加工包括将熔融金属浇注入铸模中，添加孕育剂进行孕育处理，其中，孕育处理的目的是消除白口、增加共晶团、石墨球并细化、消除偏析、消除结晶过冷倾向等。孕育剂可以为si-fe等。冷却后从铸模中获得刚轮半成品。
58.热处理前，刚轮半成品的金相组织由球状石墨和基体组织组成。其中，基体组织包括珠光体和铁素体。铁素体是单相组织，是由碳溶解在α-fe中形成的间隙固熔体，其强度、硬度低，但塑性和韧性好。珠光体是双相组织，是铁素体和渗碳体一起组成的机械混合物，渗碳体是指铁与碳形成的金属化合物，其化学通式为fe3c，珠光体强度、硬度高。具有上述金相组织的刚轮半成品可以通过铁素体和珠光体来平衡强度和塑性。
59.根据本发明的一些实施方式，所述刚轮半成品中，金相组织的石墨球化率≥70％。
60.根据本发明的一些实施方式，热处理前，刚轮半成品的金相组织包括球形石墨、牛眼组织和铁素体。其中，石墨球化率80％以上，铁素体含量25％以下。牛眼组织是一种球状石墨的周围围绕铁素体，铁素体外围围绕珠光体所形成的一种类似于牛眼形状的组织，上述牛眼组织中的铁素体含量在25％以下，且整个金相组织中铁素体含量在25％以下。具有上述金相组织的热处理前的刚轮半成品，强度和硬度性能好，有利于制备耐磨的刚轮，尤其是适用于谐波减速机用的刚轮。
61.刚轮半成品中，金相组织的石墨球化率≥70％，保证了精加工后谐波减速机刚轮的力学性能，具体而言，提高了球墨铸铁的冲击强度，疲劳性能，耐腐蚀性能，以及耐磨性能。
62.根据本发明的一些实施方式，热处理包括正火处理。
63.根据本发明的一些实施方式，正火处理过程包括：首先将刚轮半成品加热到共析温度以上的某个温度，并保温一段时间，此时球墨铸铁基材奥氏体化；然后以大于珠光体形成的冷却速度，在冷却室中冷却至贝氏体转变区域进行等温，此时奥氏体化部分转变为贝氏体，贝氏体的强度、韧性较高。冷却的方式可以为水淬。
64.根据本发明的一些实施方式，正火处理的淬火温度为830℃-950℃，该温度范围即“共析温度以上的某个温度”。
65.根据本发明的一些实施方式，正火处理的淬火温度为870℃～950℃。
66.根据本发明的一些实施方式，正火处理的淬火温度为900℃～950℃。
67.根据本发明的一些实施方式，正火处理的保温时间为1h～4h。
68.根据本发明的一些实施方式，正火处理的保温时间为2h～4h。
69.根据本发明的一些实施方式，正火处理的保温时间为3h～4h。
70.上述球墨铸铁经正火处理过程后，强度、硬度、耐磨性得到提升。
71.上述球墨铸铁经正火处理过程后，刚轮半成品的表面硬度为330hbw～360hbw。
72.上述球墨铸铁经正火处理过程后，刚轮半成品的表面硬度为340hbw～360hbw。
73.上述球墨铸铁经正火处理过程后，刚轮半成品的表面硬度为350hbw～360hbw。
74.上述球墨铸铁经正火处理过程后，刚轮半成品的抗拉强度≥1100mpa。
75.上述硬度和抗拉强度表明经热处理后的刚轮半成品的耐磨性较好。
76.热处理后的刚轮半成品，在170℃下保温24h条件下进行热变形试验时，测得其尺寸变化在0.01％以下，表明热处理后，精加工前，获得的刚轮半成品已经具有了较高的热稳定性。
77.根据本发明的一些实施方式，所述精加工包括对热处理后的刚轮半成品进行打磨以形成刚轮成品。
78.本发明的第三方面提供了一种谐波减速机，所述谐波减速机中设有本发明的谐波
减速机刚轮。
79.本发明关于谐波减速机的一个技术方案，至少具有以下有益效果：
80.谐波减速机的主要结构包括波发生器、柔轮及刚轮三个基本构件。本发明的谐波减速机中，刚轮通过使用特定原料配比的球磨铸铁，具有较高的耐磨性和力学强度，更加耐用，从而延长了谐波减速机的寿命、稳定性和可靠性。
81.本发明的第四方面提供了一种工业机器人，所述工业机器人中设置有本发明的谐波减速机刚轮或本发明的谐波减速机。
82.本发明关于工业机器人的一个技术方案，至少具有以下有益效果：
83.工业机器人是广泛用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，具有一定的自动性，可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能。工业机器人被广泛应用于电子、物流、化工等各个工业领域之中。减速机作为工业机器人的重要部件之一，由于减速机中装配了本发明的谐波减速机刚轮或，综合性能更优，从而直接提升了减速机的使用寿命，也降低了工业机器人的故障率。
附图说明
84.图1是谐波减速机刚轮的结构示意图。
85.图2是谐波减速机刚轮的制备流程图。
86.图3是实施例制备的谐波减速机刚轮的金相组织图。
87.图4为实施例制备的刚轮齿面磨损前的表面示意图。
88.图5为实施例制备的刚轮齿面磨损后的表面示意图。
89.图6为对比例制备的刚轮齿面磨损前的表面示意图。
90.图7为对比例制备的刚轮齿面磨损后的表面示意图。
具体实施方式
91.以下是本发明的具体实施例，并结合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。
92.在本发明的一些实施方式中，本发明提供了一种谐波减速机刚轮，该谐波减速机刚轮的基材为球墨铸铁，球墨铸铁的制备原料包括fe和以下质量百分比计的组分：
93.c：3.0％～4.0％，
94.si：2.0％～3.0％，
95.cu：0.5％～1.0％，
96.mn：≤1.0％，
97.cr：≤0.1％，
98.p：≤0.1％，
99.s：≤0.06％，
100.球墨铸铁中，金相组织的石墨球化率≥95％。
101.可以理解，本发明的谐波减速机刚轮，基材为球墨铸铁。该球墨铸铁是一种通过球化和孕育处理得到的碳以球状石墨析出的铸铁，具有良好的铸造性、耐磨性和切削加工性。本发明的谐波减速机刚轮，在特定的原料配比下，具有优良的力学性能和工艺性能，并能通
过热处理再进一步提高其力学性能，因此，该球墨铸铁可用于制造负荷较大、受力较复杂的零件，比如曲轴、连杆、齿轮、机床主轴等，特别适用于本发明的谐波减速机刚轮。
102.还可以理解，本发明的谐波减速机刚轮，基材为球墨铸铁，制备原料中，碳是使球状石墨结晶析出的所需元素，上述3.0％～4.0％范围的碳含量，使得球状石墨结晶析出。硅是为了使球状石墨结晶析出的所需元素，上述2.0％～3.0％范围内的硅含量，有利于球状石墨结晶析出，且可以抑制浮渣缺陷和石墨漂浮的产生。铜能够抑制碳化物，有利于获得球状石墨。锰是具有使石墨细微化且使珠光体组织强化作用的元素，上述≤1.0％范围的锰，有利于发挥其作用。铬的作用是促生珠光体，提高强韧性，细化基体。磷、硫为球墨铸铁中不可避免的杂质，可以尽量降低其含量。
103.在本发明的一些实施方式中，球墨铸铁中，碳的质量百分比为3.2％～4.0％。
104.进一步的，在本发明的一些实施方式中，球墨铸铁中，碳的质量百分比为3.5％～4.0％。
105.进一步的，在本发明的一些实施方式中，球墨铸铁中，碳的质量百分比为3.8％～4.0％。
106.在本发明的一些实施方式中，球墨铸铁中，硅的质量百分比为2.2％～3.0％。
107.进一步的，在本发明的一些实施方式中，球墨铸铁中，硅的质量百分比为2.5％～3.0％。
108.进一步的，在本发明的一些实施方式中，球墨铸铁中，硅的质量百分比为2.7％～3.0％。
109.在本发明的一些实施方式中，球墨铸铁中，铜的质量百分比为0.6％～1.0％。
110.进一步的，在本发明的一些实施方式中，球墨铸铁中，铜的质量百分比为0.7％～1.0％。
111.在本发明的一些实施方式中，球墨铸铁中，锰的质量百分比≤1.0％。
112.进一步的，在本发明的一些实施方式中，球墨铸铁中，锰的质量百分比可以为0.7％。
113.进一步的，在本发明的一些实施方式中，球墨铸铁中，锰的质量百分比可以为0.5％。
114.进一步的，在本发明的一些实施方式中，球墨铸铁中，锰的质量百分比可以为0.2％。
115.在本发明的一些实施方式中，球墨铸铁中，铬的质量百分比为0.03％～0.06％。
116.进一步的，在本发明的一些实施方式中，球墨铸铁中，铬的质量百分比可以为0.05％。
117.进一步的，在本发明的一些实施方式中，球墨铸铁中，铬的质量百分比可以为0.04％。
118.上述配比范围为适宜的球墨铸铁制备原料的配比范围。
119.在本发明的一些实施方式中，球墨铸铁中的金相组织包括渗碳体和磷共晶。
120.可以理解，渗碳体是铁和碳形成的金属化合物，具有复杂的斜方晶体结构，是球墨铸铁中主要的强化相，渗碳体的形状与分布对钢的性能有很大的影响。在球磨铸铁中，渗碳体以不同形态和大小的晶体出现在组织中，对球墨铸铁的力学性能影响很大。
121.在一般铸铁中，磷与碳和铁形成的磷共晶，会增加铸铁的脆性，因此，磷被作为杂质元素对待。但在耐磨铸铁中，磷共晶在一定条件下又对提高铸铁的耐磨性有利。
122.在本发明的一些实施方式中，渗碳体包括游离渗碳体。
123.具体而言，游离渗碳体指游离于珠光体(共析组织)后莱氏体(共晶组织)等机械混合物(组织)之外的作为一种独立的相存在的渗碳体。游离渗碳体对材料性能有负面影响，需要通过控制冷却速度来控制游离渗碳体的含量。本发明中的游离渗碳体，主要指一次渗碳体。
124.在本发明的一些实施方式中，球墨铸铁的抗拉强度≥1100mpa。
125.可以理解，球墨铸铁的抗拉强度≥1100mpa，保证了谐波减速机刚轮具有较高的力学强度。
126.在本发明的另外一些实施方式中，本发明提供了一种制备谐波减速机刚轮的方法，包括以下步骤：
127.s1：将球磨铸铁基材进行粗加工，得到刚轮半成品；
128.s2：对刚轮半成品进行热处理后，进行精加工，得到谐波减速机刚轮。
129.可以理解，本发明谐波减速机刚轮的制备方法，先对球磨铸铁基材进行粗加工，得到刚轮半成品，再对刚轮半成品进行热处理后，球墨铸铁基材得到了强化，基材具有更好的强韧性，最后进行精加工，便可得到性能和精度均复合要求的谐波减速机刚轮。热处理工艺在谐波减速机的制备中是关键工序，热处理后的硬度直接影响了刚轮的耐磨性能。
130.还可以理解，本发明谐波减速机刚轮的制备方法，无需昂贵的设备和复杂的过程控制，制备过程相对简单，容易控制。
131.还可以理解，本发明谐波减速机刚轮的制备方法，先对球磨铸铁基材进行粗加工，热处理后再进行精加工，一方面，避免了热处理过程中可能带来的刚轮精度尺寸变化；另一方面，通过粗加工和精加工结合的形式，使得最终制备得到的谐波减速机刚轮性能更加优异。
132.在本发明的一些实施方式中，刚轮半成品中的金相组织包括球形石墨、珠光体和铁素体。
133.具体而言，球形石墨可以将对铸铁基体的割裂作用降到最低，从而铸铁中的应力集中作用最小，因此球墨铸铁强度很高，可以和中碳钢媲美。将该球墨铸铁作为基体材料，可以用于制作强韧性要求高且形状复杂的工件。用于加工谐波减速机刚轮时，可以充分发挥球墨铸铁基体的性能，使得制备得到的谐波减速机刚轮具有一定的塑性和良好的韧性。
134.在铸造条件下，球墨铸铁在共析转变阶段，按照稳定系和介稳定系进行固态相变，发生铁素体和珠光体的形核和生长。
135.在本发明的一些实施方式中，球磨铸铁基材可以自行制备。制备方法为：按配比，将金属原料熔融，然后对熔融金属进行球化处理。其中，球化处理的作用是使石墨在结晶生长时长成球状来改善基材的形貌，提高铸件的力学性能。
136.在本发明的一些实施方式中，球化处理的球化剂由30～70％金属镁粉，18～60％mgo和10～12％粘结剂(如酚醛树脂)组成。其中，金属镁粉的颗粒大小为0.05mm～0.145mm。
137.在本发明的一些实施方式中，粗加工包括将熔融金属浇注入铸模中，添加孕育剂进行孕育处理，其中，孕育处理的目的是消除白口、增加共晶团、石墨球并细化、消除偏析、
消除结晶过冷倾向等。孕育剂可以为si-fe等。冷却后从铸模中获得刚轮半成品。
138.具体而言，热处理前，刚轮半成品的金相组织由球状石墨和基体组织组成。其中，基体组织包括珠光体和铁素体。铁素体是单相组织，是由碳溶解在α-fe中形成的间隙固熔体，其强度、硬度低，但塑性和韧性好。珠光体是双相组织，是铁素体和渗碳体一起组成的机械混合物，渗碳体是指铁与碳形成的金属化合物，其化学通式为fe3c，珠光体强度、硬度高。具有上述金相组织的刚轮半成品可以通过铁素体和珠光体来平衡强度和塑性。
139.在本发明的一些实施方式中，刚轮半成品的金相组织的石墨球化率≥70％。
140.在本发明的一些实施方式中，热处理前，刚轮半成品的金相组织包括球形石墨、牛眼组织和铁素体。其中，石墨球化率80％以上，铁素体含量25％以下。牛眼组织是一种球状石墨的周围围绕铁素体，铁素体外围围绕珠光体所形成的一种类似于牛眼形状的组织，上述牛眼组织中的铁素体含量在25％以下，且整个金相组织中铁素体含量在25％以下。具有上述金相组织的热处理前的刚轮半成品，强度和硬度性能好，有利于制备耐磨的刚轮，尤其是适用于谐波减速机用的刚轮。
141.刚轮半成品中的金相组织的石墨球化率≥70％，保证了精加工后谐波减速机刚轮的力学性能，可以提高球墨铸铁的冲击强度，疲劳性能，耐腐蚀性能，以及耐磨性能。
142.在本发明的一些实施方式中，热处理包括正火处理。
143.在本发明的一些实施方式中，正火处理过程包括：首先将刚轮半成品加热到共析温度以上的某个温度，并保温一段时间，此时球墨铸铁基材奥氏体化；然后以大于珠光体形成的冷却速度，在冷却室中冷却至贝氏体转变区域进行等温，此时奥氏体化部分转变为贝氏体，贝氏体的强度、韧性较高。
144.在本发明的一些实施方式中，正火处理的淬火温度为830℃-950℃，即上述过程中加热到共析温度以上的某个温度。
145.在本发明的一些实施方式中，正火处理的淬火温度为870℃～950℃。
146.进一步的，在本发明的一些实施方式中，正火处理的淬火温度为900℃～950℃。
147.在本发明的一些实施方式中，正火处理的保温时间为1h～4h。
148.进一步的，在本发明的一些实施方式中，正火处理的保温时间为2h～4h。
149.进一步的，在本发明的一些实施方式中，正火处理的保温时间为3h～4h。
150.上述球墨铸铁经正火处理过程后，强度、硬度、耐磨性得到提升。
151.上述球墨铸铁经正火处理过程后，刚轮半成品的表面硬度为330hbw～360hbw。
152.进一步的，上述球墨铸铁经正火处理过程后，刚轮半成品的表面硬度为340hbw～360hbw。
153.进一步的，上述球墨铸铁经正火处理过程后，刚轮半成品的表面硬度为350hbw～360hbw。
154.上述球墨铸铁经正火处理过程后，刚轮半成品的抗拉强度≥1100mpa。
155.可以理解，上述硬度和抗拉强度表明经热处理后的刚轮半成品的耐磨性较好。
156.热处理后的刚轮半成品，在170℃下保温24h条件下进行热变形试验时，测得其尺寸变化在0.01％以下，表明热处理后，精加工前，获得的刚轮半成品已经具有了较高的热稳定性。
157.在本发明的一些实施方式中，精加工包括对热处理后的刚轮半成品进行打磨以形
成刚轮成品。
158.在本发明的另外一些实施方式中，本发明提供了一种谐波减速机，谐波减速机中设有本发明的谐波减速机刚轮。
159.可以理解，谐波减速机的主要结构包括波发生器、柔轮及刚轮三个基本构件。本发明的谐波减速机中，刚轮通过使用特定原料配比的球磨铸铁，具有较高的耐磨性和力学强度，更加耐用，从而延长了谐波减速机的寿命、稳定性和可靠性。
160.具体而言，谐波减速机为精密传动部件，主要由凸轮、柔性轴承、柔轮、刚轮和交叉滚子轴承组成，谐波减速机的传动原理为少齿差传动，谐波减速机可作为减速增矩或增速减矩装置。谐波减速机的装配关系为，以礼帽型谐波减速机为例，凸轮小过盈装配于柔性轴承构成波发生器，波发生器可作为输入端，柔轮装配于交叉滚子轴承外圈，波发生器装配于柔轮内壁，柔轮内壁与柔性轴承外圈互为摩擦副，刚轮装配于交叉滚子轴承内圈，刚轮与柔轮部分齿之间存在相对运动互为摩擦副，且齿啮合率与工况有关，刚轮固定，柔轮可作为输出端，减速比i＝(柔轮齿数-刚轮齿数)/柔轮齿数。谐波减速机柔轮齿面与刚轮齿面为线接触摩擦副，齿面间相对运动为切向啮合以及齿向攒动，其中啮合速度与输出端转速及柔轮尺寸有关，轴向相对速度与输入端转速、转矩及柔轮刚度有关，轴向窜动是由于柔轮周期性翘曲变形引起的，齿面摩擦副润滑状态为混合润滑。
161.在本发明的另外一些实施方式中，本发明提供了一种工业机器人，该工业机器人中设置有本发明的谐波减速机刚轮或本发明的谐波减速机。
162.可以理解，工业机器人是广泛用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，具有一定的自动性，可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能。工业机器人被广泛应用于电子、物流、化工等各个工业领域之中。减速机作为工业机器人的重要部件之一，由于减速机中装配了本发明的谐波减速机刚轮或，综合性能更优，从而直接提升了减速机的使用寿命，也降低了工业机器人的故障率。
163.下面再结合具体的实施例来更好的理解本发明的技术方案。
164.实施例
165.本实施例制备了一种谐波减速机刚轮，该谐波减速机刚轮的结构参考图1所示。该谐波减速机刚轮的基材为球墨铸铁，球墨铸铁的制备原料包括fe和以下质量百分比计的组分：
166.c：3.9％，
167.si：2.5％，
168.cu：0.7％，
169.mn：0.8％，
170.cr：0.1％，
171.p：0.1％，
172.s：0.03％。
173.球磨铸铁基材为自行制备。制备方法为：按配比，将金属原料熔融，然后对熔融金属进行球化处理。球化处理使用的球化剂由50％金属镁粉，39％mgo和11％酚醛树脂组成。其中，金属镁粉的颗粒大小为0.1mm左右。
174.谐波减速机刚轮的制备流程参考图2所示，具体的制备方法为：
175.s1：将球磨铸铁基材进行粗加工，得到刚轮半成品；
176.s2：对刚轮半成品进行热处理后，进行精加工，得到谐波减速机刚轮。
177.其中，粗加工的方法为：将熔融的球墨铸铁基材浇注入铸模中，添加孕育剂进行孕育处理，孕育剂为市售的si-fe，冷却后从铸模中获得刚轮半成品。
178.正火处理过程为：首先将刚轮半成品加热到860℃以上，并保温约2.5h，此时球墨铸铁基材奥氏体化；然后以大于珠光体形成的冷却速度，在冷却室中冷却至贝氏体转变区域进行340℃左右等温，此时奥氏体化部分转变为贝氏体。
179.正火处理的淬火温度为890℃左右。
180.正火处理的保温时间为3h。
181.上述球墨铸铁经正火处理过程后，刚轮半成品的表面硬度为345hbw。
182.上述球墨铸铁经正火处理过程后，刚轮半成品的抗拉强度≥1100mpa。
183.热处理后的刚轮半成品，在170℃下保温24h条件下进行热变形试验时，测得其尺寸变化在0.01％以下，表明热处理后，精加工前，获得的刚轮半成品已经具有了较高的热稳定性。
184.最后，通过精加工，对热处理后的刚轮半成品进行打磨，得到刚轮成品。
185.对比例
186.本对比例制备了一种谐波减速机刚轮，该谐波减速机刚轮的结构参考图1所示。该谐波减速机刚轮的基材为球墨铸铁，球墨铸铁的制备原料包括fe和以下质量百分比计的组分：
187.c：3.9％，
188.si：2.5％，
189.mn：0.8％，
190.p：0.1％，
191.s：0.03％。
192.球磨铸铁基材为自行制备。制备方法为：按配比，将金属原料熔融，然后对熔融金属进行球化处理。球化处理使用的球化剂由50％金属镁粉，39％mgo和11％酚醛树脂组成。其中，金属镁粉的颗粒大小为0.1mm左右。
193.谐波减速机刚轮的制备流程参考图2所示。具体的制备方法为：
194.s1：将球磨铸铁基材进行粗加工，得到刚轮半成品；
195.s2：对刚轮半成品进行热处理后，进行精加工，得到谐波减速机刚轮。
196.其中，粗加工的方法为：将熔融的球墨铸铁基材浇注入铸模中，添加孕育剂进行孕育处理，孕育剂为市售的si-fe，冷却后从铸模中获得刚轮半成品。
197.正火处理过程为：首先将刚轮半成品加热到860℃以上，并保温约2.5h，此时球墨铸铁基材奥氏体化；然后以大于珠光体形成的冷却速度，在冷却室中冷却至贝氏体转变区域进行340℃左右等温，此时奥氏体化部分转变为贝氏体。
198.正火处理的淬火温度为890℃左右。
199.正火处理的保温时间为3h。
200.热处理后的刚轮半成品，在170℃下保温24h条件下进行热变形试验时，测得其尺寸变化在0.01％以下，表明热处理后，精加工前，获得的刚轮半成品已经具有了较高的热稳
定性。
201.最后，通过精加工，对热处理后的刚轮半成品进行打磨，得到刚轮成品。
202.测试例
203.依据gb/t9441-2009《球墨铸铁金相检验国家标准》观察了实施例制备的刚轮的金相组织，如图3所示。图3中，黑球形为石墨，最大尺寸为48.1μm，平均尺寸11.7μm，球化率≥95％，具体为99.3％，符合国标1级标准，珠光体占比大于95％。
204.依据gb/t230.1-2018《金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法》测试了实施例和对比例制备的刚轮的表面硬度。其中，实施例制备的刚轮的表面硬度处于330hbw～360hbw之间。对比例制备的刚轮的表面硬度为280hbw左右。
205.依据gb/t228.1-2021《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》测试了实施例和对比例制备的刚轮的抗拉强度。其中，实施例制备的刚轮的抗拉强度达到了1120mpa。对比例制备的刚轮的抗拉强度约900mpa。
206.此外，还观察了实施例和对比例制备的刚轮齿面磨损前后的表面状态。将实施例和对比例制备的刚轮用于礼帽型谐波减速机(25型号，80减速比)中，在减速机额定工况下运行500h，观察刚轮齿面的磨损情况。如图4至图7所示。图4为实施例制备的刚轮齿面磨损前的表面示意图，图5为实施例制备的刚轮齿面磨损后的表面示意图。图6为对比例制备的刚轮齿面磨损前的表面示意图，图7为对比例制备的刚轮齿面磨损后的表面示意图。比较图4至图7可以看出，实施例制备的刚轮，齿面磨损前后没有明显变化，未观察到崩裂等缺陷。而对比例制备的刚轮，磨损后，齿面出现了崩裂。
207.在本发明的另外一些实施方式中，本发明还提供了一种谐波减速机，谐波减速机中设有本发明的谐波减速机刚轮。
208.可以理解，谐波减速机的主要结构包括波发生器、柔轮及刚轮三个基本构件。本发明的谐波减速机中，刚轮通过使用特定原料配比的球磨铸铁，具有较高的耐磨性和力学强度，更加耐用，从而延长了谐波减速机的寿命、稳定性和可靠性。
209.具体而言，谐波减速机为精密传动部件，主要由凸轮、柔性轴承、柔轮、刚轮和交叉滚子轴承组成，谐波减速机的传动原理为少齿差传动，谐波减速机可作为减速增矩或增速减矩装置。谐波减速机的装配关系为，以礼帽型谐波减速机为例，凸轮小过盈装配于柔性轴承构成波发生器，波发生器可作为输入端，柔轮装配于交叉滚子轴承外圈，波发生器装配于柔轮内壁，柔轮内壁与柔性轴承外圈互为摩擦副，刚轮装配于交叉滚子轴承内圈，刚轮与柔轮部分齿之间存在相对运动互为摩擦副，且齿啮合率与工况有关，刚轮固定，柔轮可作为输出端，减速比i＝(柔轮齿数-刚轮齿数)/柔轮齿数。谐波减速机柔轮齿面与刚轮齿面为线接触摩擦副，齿面间相对运动为切向啮合以及齿向攒动，其中啮合速度与输出端转速及柔轮尺寸有关，轴向相对速度与输入端转速、转矩及柔轮刚度有关，轴向窜动是由于柔轮周期性翘曲变形引起的，齿面摩擦副润滑状态为混合润滑。
210.在本发明的另外一些实施方式中，本发明提供了一种工业机器人，该工业机器人中设置有本发明的谐波减速机刚轮或本发明的谐波减速机。
211.可以理解，工业机器人是广泛用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，具有一定的自动性，可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能。工业机器人被广泛应用于电子、物流、化工等各个工业领域之中。减速机作为工业机器人的重
要部件之一，由于减速机中装配了本发明的谐波减速机刚轮或，综合性能更优，从而直接提升了减速机的使用寿命，也降低了工业机器人的故障率。
212.上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

技术特征：

1.一种谐波减速机刚轮，其特征在于，所述谐波减速机刚轮的基材为球墨铸铁，所述球墨铸铁的制备原料包括fe和以下质量百分比计的组分：c：3.0％～4.0％，si：2.0％～3.0％，cu：0.5％～1.0％，mn：≤1.0％，cr：≤0.1％，p：≤0.1％，s：≤0.06％，所述球墨铸铁中，金相组织的石墨球化率≥95％。2.根据权利要求1所述的谐波减速机刚轮，其特征在于，所述球墨铸铁的制备原料包括fe和以下质量百分比计的组分：c：3.5％～4.0％，si：2.5％～3.0％，cu：0.7％～1.0％，mn：≤1.0％，cr：≤0.1％，p：≤0.1％，s：≤0.06％。3.根据权利要求1所述的谐波减速机刚轮，其特征在于，所述球墨铸铁中，金相组织包括渗碳体和磷共晶。4.根据权利要求1至3任一项所述的谐波减速机刚轮，其特征在于，所述球墨铸铁的抗拉强度≥1100mpa。5.一种制备如权利要求1至4任一项所述的谐波减速机刚轮的方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：将符合元素配比的球磨铸铁基材进行粗加工，得到刚轮半成品；s2：对所述刚轮半成品进行热处理后，进行精加工，得到所述的谐波减速机刚轮。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述粗加工包括将所述球磨铸铁基材熔融后注入铸模中，添加孕育剂进行孕育处理。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述刚轮半成品中，金相组织包括球形石墨、珠光体和铁素体。8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述刚轮半成品中，金相组织的石墨球化率≥70％。9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述热处理包括正火处理。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述正火处理包括将所述刚轮半成品加热到共析温度以上进行保温，使球墨铸铁基材奥氏体化，然后以大于珠光体形成的冷却速度，将所述刚轮半成品冷却至贝氏体转变区域进行等温，使奥氏体化部分转变为贝氏体。11.一种谐波减速机，其特征在于，所述谐波减速机中设有权利要求1至4任一项所述的谐波减速机刚轮。
12.一种工业机器人，其特征在于，所述工业机器人中设置有权利要求1至4任一项所述的谐波减速机刚轮或权利要求11所述的谐波减速机。

技术总结

本发明涉及一种谐波减速机刚轮及其制备方法和应用。根据本发明的谐波减速机刚轮，其基材为球墨铸铁，该球墨铸铁通过球化和孕育处理，碳以球状石墨析出，颗粒状的石墨更多，润滑性能更好，从而具有良好的铸造性、耐磨性和切削加工性。本发明的谐波减速机刚轮，与现有材料相比，在特定的原料配比下，具有优良的力学性能和机加工工艺性能，并能通过热处理再进一步提高力学性能，最终保证了谐波减速机刚轮具有良好的力学性能。本发明还提供了上述谐波减速机刚轮的制备方法和应用。速机刚轮的制备方法和应用。速机刚轮的制备方法和应用。