0 引言谐波减速器由柔轮、刚轮、柔性轴承和凸轮轴组成，是基于弹性薄壳弹性变形理论、应用金属挠性和弹性力学原理发展起来的一种减速器。在智能制造转型升级的大背景下，工业机器人市场蓬勃发展，这给予了谐波减速器广阔的应用前景[1-2]。但国产谐波减速器同国外垄断巨头如哈默纳科、纳博特斯克的产品相比，往往受制于疲劳寿命。疲劳寿命不仅与啮合原理、齿形设计、结构优化等相关，还与谐波减速器原材料、成形工艺、热处理工艺等因素相关[3-5]。前期研究表明[6]，国产柔轮晶粒尺寸为22.5 μm，比日本相同型号柔轮高了15.9 μm，晶粒度相差3级，且钢质的纯净度与日本HD仍有差距。针对柔轮疲劳开裂失效的研究表明[7]，Ca、Al等脆性夹杂物以及贯穿板厚方向的MnS是过早疲劳失效的主要原因。尽管对谐波减速器柔轮的热处理工艺、成形工艺展开了研究[8-9][10]76-78[11]4393-4400，并取得了较好成果，但谐波减速器其他关重件如刚轮、柔性轴承的材质基础性研究匮乏以及钢质的纯净度仍是制约我国谐波减速器发展的重要原因。本文针对谐波减速器寿命实验中过早失效的样品展开分析，并同日本某厂相同型号样品展开组织性能对比分析，探寻失效原因，以期为国产谐波减速器的发展提供支持。1 实验材料与方法失效样品为国内某厂生产的KMSH-25-80型减速器柔轮和装备在柔轮内的柔性轴承。该样品室温下在卧式摆臂谐波减速器寿命测试台常规跑合6 h，连续额定载荷55 h，断续摆臂跑合100 h后，柔轮和轴承外环发生过早断裂。失效样品如图1所示。柔轮在齿部开裂，裂纹沿着齿的间隙延伸至筒体，裂纹在筒体中倾斜45°撕裂向筒体底部延伸。柔性轴承断裂，缺口呈V形，断裂贯穿整个柔性轴承。柔轮材料为40CrNiMoA，热处理工艺为850 ℃×2 h+390 ℃×2.5 h；柔性轴承材料为GCr15，热处理工艺为830 ℃×2 h+220 ℃×2 h。选用的日本谐波减速器为国产相同型号的产品。10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.001.F001图1失效样品形貌Fig. 1Failure sample morphology（1）显微组织观察：失效样品和日本样品柔轮和柔性轴承经研磨、抛光和4%硝酸酒精溶液侵蚀后，采用蔡司Axio Scope.A1光学显微镜观察显微组织形貌。依据国家标准GB/T 6394—2017 [12]，使用含有缓蚀剂的饱和苦味酸水溶液显示原始奥氏体晶界，采用Image Tool图像分析软件测定奥氏体晶粒平均直径和直径的平均标准偏差，以评价其大小和均匀性。（2）力学性能测试和断口形貌观察：分别在失效柔轮和日本柔轮桶部与膜片位置使用线切割切取非标准板状拉伸试样（图1），并采用CMT6104微机控制电子万能试验机按照国家标准GB/T 228.1—2010[13]进行室温拉伸实验。采用ZEISS Gemini 500扫描电子显微镜（SEM）观察失效柔轮和柔性轴承的断口形貌，并采用EDS能谱仪分析第二相。2 实验结果与分析2.1　柔轮显微组织失效柔轮和日本柔轮齿部显微组织和原始奥氏体晶粒形貌如图2所示。失效柔轮齿部显微组织均为回火屈氏体，且纵截面存在1级带状组织。失效柔轮显微组织原始奥氏体平均晶粒尺寸为8.2 μm，平均标准偏差为0.28，晶粒度等级为11级。日本产品的显微组织仍为回火屈氏体，原始奥氏体晶粒尺寸为6.7 μm，晶粒度等级为11.5级，平均标准偏差为0.25。10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.001.F002图2失效柔轮和日本柔轮齿部显微组织照片Fig. 2Optical micrographs in flexspline teeth of failures and Japanese samples失效样品晶粒尺寸与平均标准偏差与日本相同型号产品对比如图4所示，失效柔轮晶粒尺寸高出日本产品1.5 μm，晶粒度等级低于日本产品0.5级；平均标准偏差较日本产品高了0.03。失效柔轮晶粒尺寸细小，均匀性较好，但仍和日本产品存在差距。10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.001.F003图3显微组织及原始奥氏体晶粒Fig. 3Optical micrograph and primitive austenite grains10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.001.F004图4失效样品与日本样品晶粒尺寸与均匀性对比Fig. 4Comparison of average grain size and mean standard deviation between failure and Japanese samples2.2　柔性轴承显微组织失效柔性轴承与日本柔性轴承显微组织形貌与原始奥氏体晶粒形貌如图3所示，组织均为回火马氏体，失效轴承平均晶粒尺寸为13.1 μm，平均标准偏差为0.41，晶粒度等级为9.5级，而日本产品平均晶粒尺寸为6.2 μm，晶粒度等级为11.5级，晶粒尺寸的平均标准偏差为0.22。相较于失效柔性轴承，日本产品显微组织中析出更多颗粒状的碳化物，可判断日本柔性轴承的回火温度更高[14]。失效柔性轴承与日本柔性轴承晶粒尺寸和平均标准偏差对比如图4所示，失效样品晶粒尺寸较日本产品高出6.9 μm，晶粒度等级低于日本产品2.0级；失效柔性轴承平均标准偏差高于日本产品0.19，组织晶粒粗大，且均匀性较差，而日本柔性轴承晶粒尺寸细小且均匀。研究表明[10]76-78[11]4393-4400[15]，多次正火和回火不仅可以细化晶粒、提高晶粒尺寸的均匀性，还降低晶界出P、S元素偏聚，减少脆性断裂，提高材料的力学性能。添加一定含量的微合金元素不仅可以细化晶粒，还能提高晶粒粗化的温度，便于在更高温度下热成形。这对谐波减速器材料的选择及热处理工艺优化具有参考意义。2.3　柔轮力学性能失效柔轮与日本柔轮桶部与膜片位置应力应变曲线以及拉伸性能对比如图5所示。失效柔轮桶部屈服强度和抗拉强度分别低于日本产品21 MPa和31 MPa，伸长率低了0.1%；失效柔轮膜片屈服强度和抗拉强度分别低于日本产品104 MPa和52 MPa，伸长率低了0.2%。晶粒细小不仅能提高材料的强度，还可以提升材料的塑韧性。由于失效柔轮晶粒尺寸略微高于日本样品，失效柔轮整体性能均略低于日本样品。10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.001.F005图5失效柔轮与日本柔轮应力应变曲线和力学性能Fig. 5Strain-stress curves and mechanical properties of the failure and Japanese flexsplines2.4　柔轮与柔性轴承断口形貌柔轮断口观察位置和断口形貌如图6所示。图6中，位置a与位置c存在撕裂棱，并无明显的方向性，断口平整，无明显韧窝，呈现脆性断裂的特征。位置b处筒体内部与柔性轴承相接触，存在平行的条带状的凸起，未存在明显的裂纹源。10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.001.F006图6断裂柔轮观察位置与断口形貌Fig. 6Observation position and fracture morphology of the fracture flexspline柔性轴承断口观察位置、断口形貌和第二相能谱图如图7所示。图7中，位置a、位置b和位置c均有明显的断裂走向，且汇聚于一点。位置a裂纹源位于柔性轴承的边缘处，且裂纹源中存在数个白色、块状、聚集分布的夹杂物，夹杂物形状不规则，单个夹杂物尺寸分别为22.8 μm、11.1 μm和11.9 μm，平均夹杂物尺寸为15.3 μm。根据能谱分析，白色的块状夹杂均为Ca、Mg的夹杂物。位置b和位置c中未发现明显夹杂物。10.16578/j.issn.1004.2539.2023.03.001.F007图7失效柔性轴承的观察位置与断口形貌及能谱图Fig. 7Observation position, fracture morphology and energy spectrum of the failed flexible bearing柔性轴承中大尺寸、聚集分布的夹杂物的存在，破坏了轴承基体的均匀性和连续性，使得该位置成为薄弱点，在承受载荷时易产生应力集中，形成裂纹并扩展。同时，由于失效轴承晶粒较为粗大，阻碍裂纹扩展能力差，最终导致柔性轴承过早失效[16]。在柔轮内壁装配柔性轴承的位置可以发现明显的划痕（图1）。崩坏的碎块进入柔轮和轴承的间隙中，磕碰划伤并导致柔轮断裂。3 结论（1）失效国产柔轮和日本柔轮显微组织无差异，均为回火屈氏体，平均晶粒尺寸与均匀性差异较小；柔性轴承显微组织均为回火马氏体，但失效柔性轴承晶粒尺寸粗大，且稳定性较差，晶粒度等级低于日本产品2.0级。失效柔轮力学性能均低于日本柔轮，但差距较小。（2）失效柔轮断口无明显裂纹源，但失效柔性轴承断口形貌中存在明显裂纹扩展趋势，裂纹源中存在大尺寸、脆性的、聚集分布的夹杂物。在承受载荷时夹杂物引起应力集中，易形成薄弱点。同时由于失效柔性轴承组织晶粒粗大，阻碍裂纹扩展能力差，导致柔性轴承过早断裂，进而导致柔轮的齿轮壁发生断裂。（3）为减小国产柔轮和日本柔轮在组织性能的差距，在选材可采用微合金化的中碳合金钢，工艺上可在调质处理前添加一次正火或淬火，以细化组织并提高柔轮力学性能。（4）一直以来，对于谐波减速器的研究重心大都集中在柔轮上，而忽视谐波减速器其他关重件。柔性轴承钢质洁净度差、组织晶粒粗大且不均匀是限制寿命、阻碍发展的原因。因此，仍需从材料角度上加强对谐波减速器其余关重件基础特性的研究，以提升国产谐波减速器的竞争力。