CN113969967A - 一种刚轮及其制备方法、谐波减速器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种刚轮及其制备方法、谐波减速器及其应用，涉及谐波减速器领域。刚轮包括外圈及内圈。外圈设有沿其周向间隔布置多个定位孔，每个定位孔沿外圈的轴向延伸且贯穿外圈；内圈形成于外圈内且二者的连接界面的原子以金属键结合，内圈的内壁设有轮齿。其中，外圈的材质为维氏硬度不小于120HV的晶态合金，内圈的材质为非晶合金复合材料或GFA≥8mm的非晶合金，利用内圈及外圈的材质、连接方式及位置关系的配合，在降低制造难度的基础上，有效提高刚轮的力学性能以及耐腐蚀性能，不仅可以为柔轮刚轮啮合过程中提供稳定的支撑，同时由于其具有较高的耐磨耐蚀性能，因此增加刚轮磨损寿命的同时减少刚轮的锈蚀，提高刚轮的使用寿命。
Description
技术领域
本申请涉及谐波减速器领域，具体而言，涉及一种刚轮及其制备方法、谐波减速器及其应用。
背景技术
谐波减速器由三个基本件组成：柔性齿轮、刚轮及波发生器。柔性齿轮是具有外齿圈的柔性薄壁零件，其内圈与柔性轴承的外圈相配合，一般安装在减速器的输出端；刚轮是具有内齿圈的刚性环状零件，一般比柔性齿轮多两个齿，固定在减速器的机体上；波发生器，一般由凸轮与柔性轴承组成，作为谐波齿轮传动的输入端，柔性轴承内圈与凸轮固定，外圈则通过滚动体产生弹性变形而呈椭圆状。它能实现减速或加速作用，便于控制机械运动。
现有的谐波减速器用刚轮一般是通过原材料市场上购买的球墨铸铁加工制造而成，通过锯料--粗车--热处理--精密车加工--磨外圆及内定位孔--数控高速插齿--加工中心钻定位孔等一系列工序获得谐波减速器用刚轮，工序较多且技术较为复杂，不仅加工精度要求较高，同时工序加工周期较长，不能满足谐波减速器产能需求，其中热处理工序，对材料力学性能影响巨大，技术要求较高，而且球墨铸铁耐腐蚀性较差，使用过程中易于发生锈蚀，降低刚轮的使用寿命，不满足需要高服役寿命的使用要求。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种刚轮及其制备方法、谐波减速器及其应用，其能够改善上述至少一个技术问题。
第一方面，本申请实施例提供一种刚轮，适用于谐波减速器，其包括：外圈以及内圈。
外圈设有沿其周向间隔布置多个定位孔，每个定位孔沿外圈的轴向延伸且贯穿外圈。
内圈形成于外圈内，且内圈与外圈的连接界面的原子以金属键结合，内圈的内壁设有轮齿。
其中，外圈的材质为维氏硬度不小于120HV的晶态合金，内圈的材质为非晶合金复合材料或GFA≥8mm的非晶合金。
在上述实现过程中，采用内外圈的嵌套结构的设置方式，将刚轮分解为内圈和外圈两部分，利用利用内圈及外圈的材质、连接方式及位置关系的配合，不仅降低制造难度，实现将非晶合金应用于刚轮的制备中，同时利用非晶合金优异的耐腐蚀性以及较佳的力学性能，以及维氏硬度不小于120HV的晶态合金的较佳的力学性能，可有效提高刚轮的力学性能以及耐腐蚀性能，不仅可以为柔轮刚轮啮合过程中提供稳定的支撑，同时由于其具有较高的耐磨耐蚀性能，因此增加刚轮磨损寿命的同时减少刚轮的锈蚀，提高刚轮的使用寿命。需要说明的是，当非晶合金GFA小于8mm时，由于其非晶形成能力弱，很难制备刚轮的内圈，因此非晶合金GFA≥8mm。
第二方面，本申请实施例提供一种上述刚轮的制备方法，其包括以下步骤：
提供装设有外圈的模具，外圈的内壁与模具之间形成用于成型内圈的型腔。
将用于制备内圈的合金液压射至处于真空的型腔内以与外圈结合，高压急冷成型，以获得内圈材质为非晶合金的毛坯。
对毛坯进行后加工，以在内圈的内壁形成轮齿，且在外圈的周向形成多个间隔布置的定位孔，获得刚轮。
基于采用的为外圈为预制件，且一般非晶合金热膨胀系数小，也即是凝固体积收缩小，因此尤其适用于压铸成型这种近净成型的高效制造技术，提升刚轮制造效率，同时非晶合金冷却成型后，无需进行热处理工序，即可具有优异的物理化学性能等。
也即是，在上述实现过程中，利用上述压铸成型的方式，可在简化工艺、提高加工效率的前提下将两种材料(晶态合金的外圈和非晶合金的内圈)结合为一个整体，制成耐磨性优、耐蚀性优良且成本低廉的谐波减速器用刚轮。
由于非晶合金熔体表面能低于普通晶态合金熔体，因此如何提高非晶合金与晶态合金之间的结合的稳定性是一难点。
可选地，外圈的热膨胀系数大于内圈的热膨胀系数。
本申请中，刚轮在制备过程中，由于熔融的合金液冷却释放的热量被外圈吸收，外圈尺寸膨胀，此时熔融的合金液将填充到内圈空间和因外圈膨胀(内径会略微变大)后产生的空间，保压冷却过程中，由于晶态合金的热膨胀系数大于非晶合金(包括非晶合金复合材料以及GFA≥8mm的非晶合金)的热膨胀系数，因此晶态合金的外圈在冷却过程相比于内圈将产生更大的收缩，也即是说外圈在冷却过程中内径变小幅度大于内圈的外径变小幅度，外圈的内壁会对内圈有一定的挤压，从而使得外圈稳定的连接在内圈外表面，有效提高内圈和外圈之间的结合力，从而使内圈稳定的一体成型于外圈的内壁，提高制得的刚轮的使用寿命。
第三方面，本申请实施例提供一种谐波减速器，其包括本申请第一方面提供的刚轮以及与刚轮配合的柔轮。
在上述实现过程中，利用上述刚轮耐磨性优、耐蚀性优良且成本低廉的优势，有效提高谐波减速器的使用寿命。
第四方面，本申请实施例提供一种谐波减速器在制造传动设备中的应用，其中，传动设备包括工业机器人、外骨骼机器人、医疗骨骼机器人、精密机床、军事装备或太空装备。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请提供的刚轮的结构示意图。
图标：10-刚轮；11-外圈；111-定位孔；12-内圈；121-轮齿。
具体实施方式
下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
由于球墨铸铁加工制造而成刚轮使用寿命不满足高服役寿命的使用要求，而非晶合金均具有较佳的力学性能及抗疲劳性能等，因此申请人尝试利用非晶合金制备刚轮，但是采用非晶合金直接制备刚轮的难度很大，基于此，特此提出本申请。本申请创造性的将刚轮沿其径向分割为内圈和外圈两部分，采用非晶合金(包括非晶合金复合材料以及非晶合金)制备的内圈的形式将非晶合金引入刚轮中，不仅有效提高刚轮使用寿命，同时有效降低制造难度，可实现刚轮高效率工业化生产。
以下针对本申请实施例的刚轮及其制备方法、谐波减速器及其应用进行具体说明：
本申请提供一种刚轮10，适用于谐波减速器，其结构如图1所示包括：外圈11以及内圈12。
其中，外圈11设有沿其周向间隔布置多个定位孔111，例如外圈11设有沿其周向间隔布置的10、13、16、18或20等个定位孔111，本领域技术人员可根据实际的需求进行设置，在此不做限定。每个定位孔111沿外圈11的轴向延伸且贯穿外圈11；内圈12形成于外圈11内，且内圈12与外圈11的连接界面的原子以金属键结合，换言之，内圈12与外圈11一体成型，内圈12的内壁设有用于与谐波减速器的柔轮配合的轮齿121。
由于谐波减速器传递高扭矩动力，因此要求刚轮需要一定的强度，且轮齿需要与柔轮配合，因此内圈相比于外圈对于力学性能及抗疲劳性能要求更高，而非晶合金复合材料及非晶合金相比于晶态合金的力学及抗疲劳性均更佳，因此外圈的材质为晶态合金，内圈材质为非晶合金复合材料及非晶合金。同时由于非晶合金复合材料及非晶合金的强度均大于晶态金属，因此上述设置的刚轮可提供更高的负载能力。
基于刚轮的力学性能要求，因此外圈的材质为维氏硬度不小于120HV的晶态合金，若硬度小于该值，制备的刚轮的抗疲劳性能以及力学性能可能不满足刚轮使用需求，无法有效延长其使用寿命。
由于球墨铸铁加工制造的刚轮产品密度为7.2g/cm3，导致刚轮自重较重，增加了谐波减速器整机重量，不满足当前传动设备用谐波减速器轻质化的使用需求。
因此可选地，外圈的密度不超过6.5g/cm3。
进一步可选地，外圈的密度为2.0-6.5g/cm3，例如外圈的密度为2.0g/cm3、2.5g/cm3、3g/cm3、3.5g/cm3、4g/cm3、4.5g/cm3、5g/cm3、5.5g/cm3、6g/cm3或6.5g/cm3等。
由于非晶合金复合材料及非晶合金质轻，将其与上述密度范围的外圈配合，制得的刚轮整体密度小，质量轻于球墨铸铁加工制造的刚轮，满足当前传动设备用谐波减速器轻质化的使用需求。
可选地，晶态合金包括铝合金、锌合金以及镁合金中的至少一种，铝合金包括2系铝合金、5系铝合金及7系铝合金中的至少一种。
其中，锌合金包括但不局限于Zamak 2、Zamak 3、Zamak 5、ZA8、AcuZinc 5等型号的锌合金中的至少一种，2系铝合金包括但不局限于2011、2014、2017、2024、2618、2A06、2A80等中的至少一种，5系铝合金包括但不局限于5005、5050、5052、5086、5154、5252等型号中的至少一种，7系铝合金包括但不局限于7005、7020、7049、7050、7075、7178等型号中的至少一种。
由于非晶合金成型厚度有限，当非晶合金GFA＜8mm时制得的内圈及轮齿很薄，其力学性能不能满足刚轮对于内圈力学性能要求。
可选地，内圈的材质为非晶合金复合材料或GFA≥8mm的非晶合金。
可选地，内圈的材质为非晶合金复合材料或GFA≥10mm的非晶合金。
可选地，非晶合金包括但不局限于锆基非晶合金、钛基非晶合金、锆钛基非晶合金或铜基非晶合金，还可以为铁基非晶合金等，只要满足非晶合金GFA要求或制备的为非晶合金复合材料即可。
可选地，GFA≥8mm的非晶合金包括Zr57Nb5Cu15.4Ni12.6Al10、Zr61Ti2Cu25Al12、Cu43Zr43Al7Be7或Zr35Ti30Cu8.25Be26.75；可选地，非晶合金复合材料包括Zr36.4Ti31.2Nb7Cu5.9Be19Y0.5、Ti44Zr20V12Cu5Be19、Ti48Zr20V12Cu5Be15、Ti56Zr18V10Cu4Be12、Ti62Zr15V10Cu4Be9、Zr36.6Ti31.4Nb7Cu5.9Be19.1、Zr38.3Ti32.9Nb7.3Cu6.2Be15.3或Zr39.6Ti33.9Nb7.6Cu6.4Be12.5。
可选地，外圈的热膨胀系数大于内圈的热膨胀系数。也即是，晶态合金的热膨胀系数大于非晶合金以及非晶合金复合材料的热膨胀系数。利用上述方式，可通过制备方式的调整使得二者稳定的结合在一起。
可选地，内圈的径向厚度为2-5mm，例如内圈的径向厚度为2mm、3mm、4mm或5mm等中的任一值或介于任意两个值之间。
在第一种实施方式中，外圈的内壁为光滑表面，也即是外圈的内壁平整无凹槽、凸起及定位孔的设置。换句话说，内圈和外圈的结合面是趋于光滑平整的，该设置条件下，不仅外圈制造方便，且由于外圈为完整的结构，因此其使用寿命更佳。
由于制备过程中外圈采用的为已成型的外圈，因此在第二种实施方式中，外圈的内壁设有定位部，定位部为定位凹槽或定位孔，内圈设有与定位部配合的限位部；也即是，在最终制备获得的刚轮的断面中，外圈的内壁形成定位部，形成内圈的非晶合金填充于定位部内且形成与定位部配合的限位部，也即是利用定位部和限位部的配合，可进一步避免内圈和外圈在使用过程中分离。
可选地，定位凹槽的深度为0.1-5mm，定位孔的直径为0.1-5mm。该范围内不仅能够提高内外圈在周向上的结合力，同时对于外圈本身的完整度影响小。同时需要说明的是，外圈的厚度大于定位凹槽的深度，其中定位孔可为盲孔，也可以为通孔，可根据实际需求进行设置。
本申请提供一种上述刚轮的制备方法，其包括以下步骤：
S1、提供装设有外圈的模具，外圈的内壁与模具之间形成用于成型内圈的型腔。
实际制备过程中，申请人发现，若直接采用常温外圈进行步骤S2，最终获得的内圈容易碎，不易成型，因此在进行步骤S2之前对于外圈进行预热。
因此可选地，在进行步骤S2之前，制备方法还包括：将外圈预热至100-200℃，例如预设至100℃、120℃、140℃、150℃、170℃、190℃或200℃等中的任一值或介于任意两个值之间。利用预热外圈，使外圈预膨胀，相比于未进行预热的方式，可有效提高非晶合金的成型能力，易于成型内圈，进而有效提高刚轮的制备效率。
需要说明的是，将外圈预热至100-200℃的方式包括：先加热模具至100-205℃(考虑到可能会有温度损失，模具温度可略高于外圈温度，例如高5℃以内)，然后放入外圈，利用模具和外圈接触实现热传导以预热外圈，或者，先预热外圈至100-200℃，然后将外圈直接放入模具中，或者先将外圈加热到至100-200℃，然后将外圈加热至30-100℃，然后将加热后的外圈放入模具中等。
为了提高加工效率，可选地，采用先加热模具至100-200℃，然后放入外圈，此处的外圈可以预先自行加热，也可以为常温，然后利用模具和外圈接触实现热传导以预热外圈，以使外圈预热至100-200℃。
S2、将用于制备内圈的合金液压射至处于真空的型腔内以与外圈结合，高压急冷成型，以获得内圈材质为非晶合金或非晶合金复合材料的毛坯。
也即是，采用模具压铸成型的方式，将内圈和外圈结合在一起，形成内圈嵌设于外圈的毛坯。基于采用的为外圈为预制件，且由于一般非晶合金或非晶合金复合材料热膨胀系数小，也即是凝固体积收缩小，因此尤其适用于利用模具压铸成型这种近净成型的高效制造技术，提升刚轮制造效率，同时非晶合金冷却成型后，无需进行热处理工序，即可具有优异的物理化学性能等。
需要说明的是，此处的合金液是指其组成为非晶合金或非晶合金复合材料元素的合金液，利用急冷的方式，以在凝固后形成对应的非晶合金或非晶合金复合材料。
可选地，急冷的冷却速率为102-4K/s，例如急冷的冷却速率为102K/s、103K/s、104K/s等中的任一值或介于任意两个值之间，在此条件下，可使合金液超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到非晶合金或非晶合金复合材料内圈。
可选地，保压冷却的时间为0.5-2s，在该保压冷却时间内使熔融的合金液快速冷却至室温，实现熔融的合金液瞬时凝固以形成非晶合金。
可选地，晶态合金的热膨胀系数大于非晶合金的热膨胀系数。
也即是，将熔融的合金液压射至处于真空的型腔内，此时外圈由于吸收了合金液的热量，因此外圈径向膨胀，合金液将填充到内圈空间和膨胀后的空间，冷却成型，由于晶态合金的热膨胀系数大于非晶合金或非晶合金复合材料的热膨胀系数，因此在冷却过程中外圈相比于内圈产生更大的收缩，使内外圈紧密的结合，保证二者结合面的稳定性。同时需要说明的是，由于内外圈结合界面属于刚轮内部且为结构连接的界面，因此即使熔融非晶合金可能破坏外圈的内表面(此处的破坏是指软化变形和/或小部分熔化)，也不会影响到刚轮外圈的定位，以及内圈传动扭力的功能。
其中，熔融的合金液是将非晶合金加热融化所得，本申请中，非晶合金以及非晶合金复合材料的熔点在800-1200℃内，因此加热至高于其熔点50-250℃下，使其熔融为合金液即可。需要说明的是，为了避免加热熔融过程中非晶合金以及非晶合金复合材料被氧化，可在真空或惰性气氛中加热。
同时处于真空条件的型腔可避免压铸过程中非晶合金以及非晶合金复合材料被氧化，为了使型腔处于真空条件，可预先将开模的模具所处的区域进行抽真空处理，也即是使开模的模具处于真空环境中，然后进行合模，此时型腔内为真空环境，或者也可以对合模的型腔抽真空。
可选地，处于真空的型腔内的真空度＜20Pa；或，处于真空的型腔内的20Pa≤真空度＜100Pa，且型腔内为惰性气氛，上述两种方式均可有效避免压铸过程中非晶合金以及非晶合金复合材料氧化。在一些可选地示例中，在锁模力为120-140T的条件下，将熔融的合金液原料以填充速度为0.5-2m/s条件压射至型腔中。该范围内，成型效果佳。
可选地，保压成型的时间为2-10s。
S3、对毛坯进行后加工，以在内圈的内壁形成轮齿，且在外圈的周向形成多个间隔布置的定位孔，获得刚轮。
后加工的步骤包括：a.先对毛坯表面进行数控加工，以去除毛坯的飞边、毛刺等，同时使得毛坯达到要求的工件尺寸精度要求。b.钻定位孔：对外圈圆周按照图纸要求进行钻定位孔，在外圈的周向形成多个间隔布置的定位孔，其中定位孔一次成型；c.插齿：在高速插齿机上对毛坯内壁(内圈的内壁)进行插齿，以形成轮齿，齿轮一次成型；d.表面清理：对刚轮进行表面清洗，清除杂质，获得刚轮成品。
其中步骤b和c的先后顺序也可以颠倒，可根据实际需求进行设定，在此不做限定。
需要说明的是，若采用内圈预制，外圈压铸的方式则无法制得本申请的刚轮，具体原因在于非晶合金的晶化温度一般为300-600℃左右，常规晶态合金的压铸，如压铸温度最低的铝合金压铸，压铸的温度为640℃左右，若此时将此温度的铝合金液压射到非晶合金内圈的外表面，高温使内圈晶化成为晶态合金，无法制得本申请的刚轮。
本申请还提供一种谐波减速器，其包括本申请提供的刚轮。
需要说明的是，谐波减速器包括位于内圈内且与轮齿配合的柔轮，其中在一些可选地的实施例中，柔轮的材质可以为非晶合金，也即是柔轮为非晶合金柔轮。
在另一些可选地实施例中，柔轮的材质可以也可以为晶态合金，在此不做限定。
基于上述刚轮的优点，含有上述刚轮的谐波减速器耐磨性优、耐蚀性优良且成本低廉的优势，有效提高谐波减速器的使用寿命，可应用于传动设备中，其中，传动设备包括工业机器人、外骨骼机器人、医疗骨骼机器人、精密机床、军事装备或太空装备等。
具体例如，上述刚轮可作用各类机器人的关节，来调节机器人各臂的运动速度和输出扭矩，可作为精密机床和医疗器械的自转和公转的驱动机构、航天领域螺旋桨由上升位置转至水平位置的驱动机构，太空装备如卫星通讯地面站X-Y型支架的驱动机械等精密传动设备上。
以下结合实施例对本申请的刚轮及其制备方法、谐波减速器及其应用作进一步的详细描述。
实施例1
如图1所示的刚轮，其由以下方法制得：
a.真空压铸：将模具加热至150℃，将选配好的预热温度为80℃的外圈11放入模具内部，闭合锁紧模具，外圈11的内壁与模具之间形成用于成型内圈12的型腔。其中，外圈11由铝合金2011制得。
将型腔内真空度抽至13Pa，在锁模力为125T的条件下，将熔融的Zr57Nb5Cu15.4Ni12.6Al10材料的合金液以填充速度为0.9m/s的速度压射到模具型腔内，在0.5s内使合金液凝固形成非晶合金内圈，与模具材料进行高速热交换，超急冷成型，保压时间为7s，模具开模，取出毛坯。
b.CNC加工：对毛坯进行打磨抛光处理，然后数控加工以去除飞边毛刺等；在对毛坯件内圈12及外圈11的侧面以及前后表面进行加工，达到要求的工件尺寸精度要求；最后对外圈11圆周按照图纸要求进行钻要求的定位孔111，获得刚轮半成品。
c.插齿：在高速插齿机上对CNC加工后的毛坯内壁(内圈12内壁)进行插齿形成轮齿121，齿轮一次成型。
d.表面清理：对刚轮表面清洗，清除杂质，获得刚轮成品。
重复多次实施例1，制备的产品内圈完整，不存在裂纹，说明实施例1产品质量稳定。
实施例2
一种刚轮，其由以下方法制得：
a.真空压铸：将模具加热至150℃，将选配好预热的外圈放入模具内部，闭合锁紧模具，外圈的内壁与模具之间形成用于成型内圈的型腔。其中，外圈11由铝合金2011制得。
将型腔内真空度抽至100Pa并保持型腔内为惰性气氛，在锁模力为125T的条件下，将熔融的Zr57Nb5Cu15.4Ni12.6Al10以填充速度为0.9m/s条件压射到模具型腔内，在0.5s内使合金液凝固形成非晶合金内圈，与模具材料进行高速热交换，实现超急冷成型，保压时间为7s，模具开模，取出毛坯。
b.CNC加工：对毛坯进行打磨抛光处理，然后数控加工以去除飞边毛刺等；在对毛坯件内外圈侧面以及前后表面进行加工，达到要求的工件尺寸精度要求；最后对外圈圆周按照图纸要求进行钻定位孔，获得刚轮半成品。
c.插齿：在高速插齿机上对CNC加工后的毛坯内壁进行插齿形成刚轮轮齿，齿轮一次成型。
d.表面清理：对刚轮表面清洗，清除杂质，获得刚轮成品。
重复多次实施例2，制备的产品内圈完整，不存在裂纹，说明实施例2产品质量稳定。
实施例3
其与实施例1的区别仅在于：步骤a中，外圈没有进行预热。
重复多次实施例3，结果发现个别产品内圈局部存在裂纹，有的裂纹已贯穿内圈，增加刚轮内圈断裂损坏的风险，故实施例4产品质量不稳定。
对比例1
其与实施例1的区别仅在于：
外圈的材质为维氏硬度为60HV的铝合金3A12。
对比例2
其与实施例1的区别仅在于：
外圈材料选用低密度、低热膨胀系数的镁合金材料Ti6-Al4-V，Ti6-Al4-V的热膨胀系数为0.86*10-5℃-1(20-300℃)，低于内圈非晶合金材料Zr57Nb5Cu15.4Ni12.6Al10的热膨胀系数约为1.2*10-5℃-1(20-300℃)，在内圈材料热膨胀系数大的情况下采用实施例1的方式制造的刚轮。
结果发现产品存在内圈材料无法与外圈材料紧密耦合的情况，不能形成紧密连接的整体，无法提供刚轮的功能。
试验例1
对实施例1以及对比例1-2制备的刚轮进行相关性能参数的测定，结果如表1所示。
表1性能参数
实施例1内圈成型后未出现外圈变形情况，但是对比例1内圈成型后，发现外圈变形较大，导致内圈结构不均匀，局部厚度减小，内圈内表面齿形加工面尺寸精度差，原因为外圈材料偏软导致。由于外圈为刚轮的固定功能实施部位，较软的材质，在刚轮运动过程中难以抵抗谐波减速器传递的强度扭力和震动，导致刚轮外圈固定定位孔发生内径变大，无法稳定固定刚轮，进一步导致整个谐波减速器震动，传动精度降低。
球墨铸铁在热处理后的表面硬度一般为300-400HB。
根据表1可知，实施例1的硬度明显高于球墨铸铁，而通常硬度越高，轮齿啮合时，材料能提供更强的支撑力，具有更佳的耐磨性，因此可毫无疑义的得到，实施例1制得的刚轮使用寿命高于球墨铸铁。
本申请提供的刚轮及其制备方法、谐波减速器及其应用，基于刚轮的内圈材质为非晶合金，同时外圈的材质为维氏硬度不小于120HV的晶态合金的设置方式，有效降低在制造难度，同时利用内圈和外圈两种材料一体成型的连接方式及位置关系的配合，可有效提高刚轮的力学性能以及耐腐蚀性能，不仅为柔轮刚轮啮合过程中提供稳定的支撑，同时由于其具有较高的耐磨耐蚀性能，因此增加刚轮磨损寿命的同时减少刚轮的锈蚀，提高刚轮及谐波减速器的使用寿命，可应用于工业机器人、外骨骼机器人、医疗骨骼机器人、精密机床、军事装备或太空装备等传动设备中。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种刚轮，适用于谐波减速器，其特征在于，包括：
外圈，设有沿其周向间隔布置多个定位孔，每个所述定位孔沿所述外圈的轴向延伸且贯穿所述外圈；以及
内圈，形成于所述外圈内，且所述内圈与所述外圈的连接界面的原子以金属键结合，所述内圈的内壁设有轮齿；
其中，所述外圈的材质为维氏硬度不小于120HV的晶态合金，所述内圈的材质为非晶合金复合材料或GFA≥8mm的非晶合金。
2.根据权利要求1所述的刚轮，其特征在于，所述外圈的密度不超过6.5g/cm3；
可选地，所述外圈的密度为2.0-6.5g/cm3；
可选地，晶态合金选自铝合金和锌合金中的至少一种，所述铝合金包括2系铝合金、5系铝合金及7系铝合金中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的刚轮，其特征在于，所述内圈的材质为非晶合金复合材料或GFA≥10mm的非晶合金；
可选地，所述内圈的材质包括锆基非晶合金、钛基非晶合金、锆钛基非晶合金或铜基非晶合金；
可选地，所述GFA≥8mm的非晶合金包括Zr57Nb5Cu15.4Ni12.6Al10、Zr61Ti2Cu25Al12、Cu43Zr43Al7Be7或Zr35Ti30Cu8.25Be26.75；
可选地，所述非晶合金复合材料包括Zr36.4Ti31.2Nb7Cu5.9Be19Y0.5、Ti44Zr20V12Cu5Be19、Ti48Zr20V12Cu5Be15、Ti56Zr18V10Cu4Be12、Ti62Zr15V10Cu4Be9、Zr36.6Ti31.4Nb7Cu5.9Be19.1、Zr38.3Ti32.9Nb7.3Cu6.2Be15.3或Zr39.6Ti33.9Nb7.6Cu6.4Be12.5。
4.根据权利要求1所述的刚轮，其特征在于，所述外圈的热膨胀系数大于所述内圈的热膨胀系数。
5.根据权利要求1所述的刚轮，其特征在于，所述内圈的径向厚度为2-5mm；
可选地，所述外圈的内壁设有定位部，所述定位部为定位凹槽或定位孔，所述内圈设有与所述定位部配合的限位部；
可选地，所述定位凹槽的深度为0.1-5mm，所述定位孔的直径为0.1-5mm。
6.如权利要求1-5任意一项所述的刚轮的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供装设有所述外圈的模具，所述外圈的内壁与所述模具之间形成用于成型内圈的型腔；
将用于制备内圈的合金液压射至处于真空的所述型腔内以与所述外圈结合，高压急冷成型，以获得内圈材质为非晶合金或非晶合金复合材料的毛坯；
对所述毛坯进行后加工，以在所述内圈的内壁形成轮齿，且在所述外圈的周向形成多个间隔布置的定位孔，获得所述刚轮；
可选地，所述外圈的热膨胀系数大于所述内圈的热膨胀系数。
7.根据权利要求6所述的刚轮的制备方法，其特征在于，将合金液注入处于真空的所述型腔内之前，所述制备方法还包括：将所述外圈预热至100-200℃；
可选地，所述高压急冷成型的冷却速率为102-4K/s。
8.根据权利要求6所述的刚轮的制备方法，其特征在于，处于真空的所述型腔内的真空度＜20Pa；
或，处于真空的所述型腔内的20Pa≤真空度＜100Pa，且所述型腔内为惰性气氛。
9.一种谐波减速器，其特征在于，包括权利要求1-6任意一项所述的刚轮以及与所述刚轮配合的柔轮；
可选地，所述柔轮为非晶合金柔轮。
10.如权利要求9所述的谐波减速器在制造传动设备中的应用，其特征在于，所述传动设备包括工业机器人、外骨骼机器人、医疗骨骼机器人、精密机床、军事装备或太空装备。
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