一种人形机器人小臂高精度加工工艺的制作方法

本发明涉及机器人零部件精密加工，具体为一种人形机器人小臂高精度加工工艺。

背景技术：

1、人形机器人小臂是连接肩、肘、腕等关节的核心承载构件，通常采用多面复合六面体结构，内部设有谐波减速器安装腔，轴承安装孔内壁、关节配合面和传动销孔等关键承载表面在使用中承受交变弯曲、扭转和冲击载荷。tc4钛合金因比强度高、耐蚀性好，被广泛用于人形机器人轻量化壳体，但其导热性差、弹性模量较低、加工硬化倾向明显，切削和磨削后易产生残余拉应力及加工变形。

2、现有小臂加工工艺多采用三轴或四轴分序加工，需要多次装夹，容易造成基准转换误差，六面体位置精度、孔系同轴度和关节配合面精度难以稳定保证；粗加工后残余应力释放不充分，精加工后易发生变形；关键承载表面采用常规磨削或抛光，难以形成深度可控且方向匹配主弯曲载荷的梯度压应力层；内置小模数齿轮渗氮处理温度较高，白层和热影响区控制困难，可能使已引入的残余压应力松弛，影响小臂整体疲劳寿命；检测多依赖离线抽样，无法实时反馈修正加工参数，批量一致性较差；因此市场急需研制一种人形机器人小臂高精度加工工艺来帮助人们解决现有的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种人形机器人小臂高精度加工工艺，以解决上述背景技术中提出的人形机器人小臂多面复合壳体及内置小模数齿轮加工中残余应力分布不可控、关键承载表面抗疲劳性能不足、渗氮热影响与滚压强化层相互干扰、批量一致性差的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种人形机器人小臂高精度加工工艺，用于制造人形机器人小臂壳体，所述人形机器人小臂壳体为多面复合六面体结构，内部设有谐波减速器安装腔，所述人形机器人小臂壳体的关键承载表面包括轴承安装孔内壁、关节配合面和传动销孔，包括以下步骤：

3、步骤一：对人形机器人小臂壳体毛坯进行组织均匀化预处理；

4、步骤二：采用五轴加工中心以3+2定角度加工模式完成小臂壳体六面体的粗加工，粗加工后在120℃下保温4小时；

5、步骤三：对小臂壳体的关键承载表面进行超声表面滚压强化处理，在关键承载表面引入残余压应力层，并在关键承载表面形成沿小臂主弯曲载荷方向分布的梯度压应力场；

6、步骤四：对小臂内部的小模数齿轮进行二段离子渗氮处理，所述二段离子渗氮处理的温度制度被配置为使其热影响深度小于步骤三中超声滚压形成的残余压应力层的深度；

7、步骤五：对加工后的关键表面进行残余应力分布和白层厚度的在线检测与闭环反馈控制；

8、步骤六：对小臂壳体进行精密清洁和表面防护处理。

9、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述步骤一中，小臂壳体毛坯材料为tc4钛合金，所述组织均匀化预处理为双重退火处理：第一次退火温度为700℃~750℃，保温2~4小时，空冷；第二次退火温度为500℃~550℃，保温4~8小时，空冷，退火后晶粒度控制在astm 8~10级。

10、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述步骤三中，梯度压应力场的形成方式为：将超声滚压的滚压道次按设定的压力递增序列分多道次进行，第一道次至最后一道次的滚压压力依次递增。

11、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述滚压压力递增序列中，相邻道次之间的压力增幅为20~50n，滚压道次总数为3~6道次，每道次的超声振幅为4~15μm，步距为0.05~0.10mm。

12、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述步骤三中，超声表面滚压强化处理的滚压方向与小臂承受的主弯曲载荷方向之间的夹角为75°~90°。

13、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述步骤四中，二段离子渗氮处理包括：对齿轮进行预处理以去除齿轮的应力；进行第一段渗氮，温度为520℃~540℃；进行第二段渗氮，温度低于第一段渗氮温度；第二段渗氮结束后随炉缓慢冷却。

14、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一段渗氮与第二段渗氮之间的温度差为30℃~60℃，所述第二段渗氮的温度为480℃~510℃。

15、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述步骤五中，残余应力分布的在线检测采用x射线衍射法，测量点覆盖轴承安装孔内壁、关节配合面和传动销孔，所述白层厚度的在线检测采用涡流检测法，当涡流检测信号的特征值超过预设标定阈值时，判定对应区域的白层厚度超过预设允许值。

16、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述步骤五中，闭环反馈控制的具体方式为：当所述x射线衍射法检测到的残余应力分布在小臂主弯曲载荷方向上的压应力值低于预设目标下限时，自动对相应区域增加超声滚压道次或提高滚压压力，当所述涡流检测法判定白层厚度超过预设允许值时，自动标记该区域并增加一道低温精铣工序。

17、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述步骤五中，所有检测数据上传至制造执行系统，建立单件产品的质量档案，所述质量档案包含步骤三中各道次滚压压力值、步骤四中二段离子渗氮各段温度与时间、步骤五中残余应力分布检测数据和白层厚度检测数据，当同一批次中连续三件产品的某项检测数据偏离目标范围时，系统自动调整后续加工参数。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

19、本发明先对tc4钛合金毛坯进行双重退火：第一次退火700℃~750℃保温2~4小时空冷，第二次退火500℃~550℃保温4~8小时空冷，使晶粒度控制在astm8~10级，再采用五轴加工中心以3+2定角度模式完成六面体粗加工，减少装夹次数和基准转换误差，粗加工后在120℃下保温4小时释放应力，从而降低毛坯组织各向异性和粗加工残余应力，使后续精加工中小臂六面体、轴承安装孔、关节配合面和传动销孔的尺寸精度与位置精度更稳定，减少因残余应力重新分布导致的变形。

20、本发明对关键承载表面进行超声表面滚压强化，采用3~6道次滚压，相邻道次压力增幅为20~50n，每道次超声振幅为4~15μm，步距为0.05~0.10mm，并控制滚压方向与小臂主弯曲载荷方向之间的夹角为75°~90°，在关键承载表面引入残余压应力层，并形成沿小臂主弯曲载荷方向分布的梯度压应力场，使压应力分布与受力方向匹配，从而提高关键承载表面的抗疲劳性能、耐磨性和表面完整性，而不是仅停留在一般性表面光整。

21、本发明对小模数齿轮采用二段离子渗氮：第一段渗氮温度为520℃~540℃，第二段渗氮温度为480℃~510℃，两段温差为30℃~60℃，第二段结束后随炉缓慢冷却，并控制二段离子渗氮的热影响深度小于步骤三中超声滚压形成的残余压应力层深度，既提高小模数齿轮表面硬度和耐磨性，又避免渗氮热影响导致关键承载表面已引入的残余压应力层发生松弛，保证齿轮强化与小臂壳体滚压强化之间不相互抵消。

22、本发明采用x射线衍射法在线检测轴承安装孔内壁、关节配合面和传动销孔的残余应力分布，采用涡流检测法在线检测白层厚度，当主弯曲载荷方向上的压应力值低于预设目标下限时，自动增加超声滚压道次或提高滚压压力，当白层厚度超过预设允许值时，自动标记该区域并增加一道低温精铣工序，同时将所有检测数据上传至制造执行系统，建立包含各道次滚压压力、二段离子渗氮温度与时间、残余应力分布和白层厚度数据的单件产品质量档案，当同一批次连续三件产品某项数据偏离目标范围时自动调整后续加工参数，实现关键表面质量的实时闭环控制，减少离线抽样滞后，提高单件可追溯性和批量加工一致性。