CN114321291A - 一种用于齿轮装置的铝基复合材料齿圈 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于齿轮装置的轻量化铝基复合材料齿圈。其不仅可大幅度地减轻齿圈的重量，从而使整个齿轮装置轻量化。还由于本发明所使用的铝基复合材料的比刚性不小于30GPa/g/cm3，比现有金属更高，使得有本发明AMC轻量化齿圈的齿轮装置可保持高精度旋转传动运行。
Description
技术领域
本发明涉及机械齿轮技术领域，更具体涉及应用于齿轮装置中的轻量化铝基复合材料齿圈。
背景技术
行星齿轮装置(Planetary gearing，Epicyclic gearing)、摆线针轮齿轮装置(Cycloidal gearing，Cycloidal drive)、RV齿轮装置(RV gearing)，以及谐波齿轮装置(Harmonic gearing，Strain wave gearing)等的构造上有一共同特征：齿轮装置外层是一个齿圈(Ring gear)，齿圈的内环面上有内齿，外环面通常是齿轮装置外表面。在本说明书中将这类具有齿圈结构的齿轮装置简称为有齿圈齿轮装置。
有齿圈齿轮装置主要应用于机器人、航天、飞行器、汽车、机器等的高精度旋转传动。为了保证有齿圈齿轮装置高旋转传动精度，各个零部件对材料的刚性(Stiffness)要求高。而材料的刚性取决于材料的杨氏弹性模量(Young’s Modulus，简称弹性模量)。所以高精度齿轮装置的零部件通常是用弹性模量高的钢铁材料制造的。但钢铁材料密度(Density)大，导致有齿圈齿轮装置很重。对于机器人、航天、飞行器、汽车和机器等设备中安装的有齿圈齿轮装置越轻，则设备的性能就越好，这促使了业界不断追求对有齿圈齿轮装置进行轻量化。
在有齿圈齿轮装置中，齿圈的尺寸最大，其重量占整个齿轮装置传动零部件总重量的约30～80％。将齿圈进行减重，对整个有齿圈齿轮装置的轻量化有重要意义。现有对齿圈进行轻量化的方法主要是使用轻量化材料替代钢铁来制备齿圈，主要有下面一些方案。
M.Kobayashi等人的美国专利US6,622,593给出了将谐波齿轮装置(有齿圈齿轮装置的一种)的齿圈用密度低的铝合金制造方案。陈玉敏的中国专利申请CN108000077A给出了具体使用6061铝合金来制备行星齿轮装置(有齿圈齿轮装置的另一种)中齿圈的方法。由于铝合金(包括6061)的弹性模量只有约70Gpa，远小于钢铁的弹性模量(＞160Gpa)，而铝合金的密度(约2.75g/cm3)却远小于钢材的密度(约为7.8～8.5g/cm3)，计算得知铝合金的比刚性(Specific Stiffness，也即弹性模量除以密度，为材料单位重量的弹性模量)与钢材差不多，约为25±2GPa/g/cm3。材料的刚性是表示材料在受力时抵抗弹性变形的能力，比刚性则是计算单位重量的材料受力时抵抗弹性变形的能力，是用来比较相同重量的不同密度材料在受力时抵抗弹性变形的能力的强弱。当铝合金齿圈与钢铁齿圈的尺寸(体积)相同，则低密度的铝合金齿圈比钢材齿圈的重量更轻。但由于两种材料的比刚性相近，则重量轻的铝合金齿圈受力时抵抗弹性形变的能力比重的钢铁齿圈更低，导致铝合金齿圈的内齿与谐波齿轮装置的钢材柔轮外齿或行星齿轮装置的行星齿轮的齿进行啮合受力时，比钢材内齿更容易产生弹性形变，从而降低了有齿圈齿轮装置旋转传动精度。
M.Kobayashi等人的美国专利US6,874,231给出了将谐波齿轮装置的齿圈分为内齿圈层和外圈层两部分制造的方案；其内齿层仍是用密度大的钢或铜来制备，这样可以保持内齿的刚性，而外层则使用密度低的铝材来生产。首先，这种结构减重效果有限。另外，齿轮装置运行时温度会上升，不使用时温度下降，对构件不断产生循环热应力；铝合金与钢或铜材之间由于热膨胀系数相差很大，可能在循环热应力的作用下两种材料的结合发生松动，从而影响齿轮装置的传动性能。
上述这些现有对钢制齿圈的轻量化技术方案，难以兼顾有齿圈齿轮装置的轻量化和高精度旋转传动性能两个方面。因而需要开发出一种轻量化效果显著、又能保持有齿圈齿轮装置高精度传动的轻量化齿圈。
参考资料：
美国专利和专利申请：US6,622,593；US6,874,231。
中国专利和专利申请：CN108000077A。
其它参考资料
https://en.wikipedia.org/wiko/Epicyclic gearing；
https://en.wikipedia.org/wiki/Cycloidal drive；
https://baike.baidu.com/item/RV％E5％87％8F％E9％80％9F％E5％99％A8/ 4277094；
https://en.wikipedia.org/wiki/Strain wave gearing；
N.Chawal etc.，Metal Matrix Composites(2nd Edition)，Springer，2013，ISBN-10：1461495474；
赵玉涛等，金属基复合材料，机械工业出版社，2019，ISBN：9787111620389。
发明内容
有齿圈齿轮装置是高精度旋转传动机构。本发明人研究发现，对齿圈进行轻量化之后，为了要保持高精度传动的特性，必须保证齿圈的内齿通过与其作用的构件(如其行星齿轮的齿)在旋转传动应力作用下，齿圈内齿要尽可能小的产生弹性形变，这就要求轻量化的齿圈要有比钢铁齿圈有更高的比刚性(＝弹性模量÷密度，为材料单位重量的弹性模量)。否则由于材料的比刚性相近，相同尺寸(体积)的轻量化材料代替钢铁齿圈，重量更轻，但刚性下降，齿圈的内齿在传动过程中更容易受啮合力产生弹性变形，造成传动精度下降。而研究发现常规金属材料包括钛合金、铝合金、镁合金等轻金属的比刚性都和钢铁几乎相同，大约为25±2GPa/g/cm3。所以，使用常规的轻金属材料例如钛合金、铝合金、镁合金等来制备齿圈，难以做到既轻量化，又保持有齿圈齿轮装置高精度传动。
为了解决用于现有轻量化有齿圈齿轮装置中的轻量化金属比刚性不高于钢铁的比刚性，导致现有轻量化有齿圈齿轮装置旋转传动精度下降的难题，本发明使用密度低的铝基复合材料(Aluminum Matrix Composite，AMC)制备的AMC齿圈。结果表明，其不仅可大幅度地减轻了齿圈的重量及实现整个齿轮装置的轻量化，还由于本发明所使用的AMC具有比现有金属更高的比刚性，使得安装有本发明AMC轻量化齿圈的齿轮装置可保持高精度旋转传动运行。又由于本发明所使用的AMC具有比钢铁材料优异得多的导热性，使齿轮装置运行时的发热能有效地散发出去，从而降低了运行时的温度，有利于保持有AMC轻量化齿圈齿轮装置高精度运行。
根据本发明的一方面，提供了一种轻量化铝基复合材料齿圈(10)，包括环形圈(11)和内齿(12)，其特征在于：齿圈(10)由轻量化铝基复合材料(AMC)制备，所述铝基复合材料的比刚性不小于30GPa/g/cm3。
根据本发明的实施方案，所述铝基复合材料由铝合金基材和强化相组成。
根据本发明的实施方案，所述强化相材料选自陶瓷粉体、陶瓷晶须、陶瓷短纤维或它们的混合物。
根据本发明的实施方案，所述强化相体积占铝基复合材料的体积比为5～45％。
根据本发明的实施方案，所述铝合金基材选自美国铝业协会标准AA中的2系铝合金、3系铝合金、4系铝合金、5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金以及8系铝合金。
根据本发明的实施方案，通过粉末冶金法、搅拌熔铸法或原位自生法，由所述铝合金基材和强化相来生产所述铝基复合材料。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施方案的有AMC齿圈的行星齿轮装置(有齿圈齿轮装置的一种)100的典型结构拆开立体示意图；
图2为根据本发明的另一个实施方案的有AMC齿圈的摆线针轮齿轮装置(有齿圈齿轮装置的另一种)200的典型结构拆开立体示意图；
图3为根据本发明的又一个实施方案的有AMC齿圈的RV齿轮装置(有齿圈齿轮装置的又一种)300的典型结构拆开立体示意图；以及
图4为根据本发明的再一个实施方案的有AMC齿圈的谐波齿轮装置(有齿圈齿轮装置的再一种)400的典型结构拆开立体示意图。
为清晰的说明工作原理，以上各图中只显示了关键传动结构件，省略了轴承、法兰、油封、安装螺栓和轴安装端面等构件。
具体实施方式
根据附图以及下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制本发明。
图1为根据本发明的一个实施方案的有AMC齿圈的行星齿轮装置(有齿圈齿轮装置的一种)100的典型结构拆开立体示意图。行星齿轮装置100包括本发明的轻量化AMC齿圈10和图中所示的其它构件。齿圈10包括环形圈11和内齿12。当太阳齿轮102由输人轴101驱动以转速ωi旋转时，3个行星齿轮103也被太阳齿轮的齿啮合而旋转。行星齿轮也可以少于或多于3个。齿圈10的环形圈11可与齿轮装置的外壳为一体，并固定；由于3个行星齿轮103受齿圈10的内齿12啮合的限制，行星齿轮在自传的同时绕太阳齿轮公转，并带动行星齿轮支架104按行星齿轮103的公转速度旋转，从而通过输出轴105输出降低了的转速ωo的旋转动力，达到高精度旋转传动减速器的功能。如果将行星齿轮支架104固定不旋转，则太阳齿轮102旋转时，3个行星齿轮103只进行自转，而不围绕太阳齿轮102公转，这时内齿12被啮合的行星齿轮驱动旋转，带动齿圈10以降低了的转速对外输出旋转动力。如果齿圈10的内齿12的材料比刚性低，则啮合的内齿12容易在行星齿轮啮合力的作用下发生弹性形变，导致行星齿轮装置100的传动精度降低。而本发明轻量化AMC齿圈的比刚性高，可以在轻量化的同时，保持行星齿轮装置100有较高的传动精度。图1所示是单级行星齿轮装置，行星齿轮装置也可以两级或多级串联起来构成两级或多级行星齿轮装置，但可以共用一个加长的齿圈10。
图2为根据本发明的另一个实施方案的有AMC齿圈的摆线针轮齿轮装置(有齿圈齿轮装置的另一种)200的典型结构拆开立体示意图。摆线针轮齿轮装置200包括本发明的轻量化AMC齿圈10和图中所示的其它构件。齿圈10包括环形圈11和内齿12；内齿12之间的内齿槽13里装有柱形针206；因此齿圈10在此通常被称为针圈(Pin ring)或针轮(Pin wheel)。动力输入轴201带着一对反向的凸轮202以转速ωi旋转，并驱动一对反向安装的偏心摆线轮203的外齿204在相反的两个方向与齿圈10的内齿槽13里的柱形针206啮合并旋转；这一对偏心摆线轮203通过多个传导孔205驱动里面的多根导出棒207带动导出盘208旋转，从而通过连接导出盘208的输出轴209输出转速ωo降低了的旋转动力，达到高精度旋转传动减速器的功能。如果齿圈10的内齿12的材料比刚性低，则被摆线轮外齿204啮合的柱形针206作用的内齿12容易在作用力下发生弹性形变，导致摆线针轮齿轮装置200的传动精度降低。而本发明轻量化AMC齿圈的比刚性高，可以在轻量化的同时，保持摆线针轮齿轮装置200有较高的传动精度。摆线针轮齿轮装置200的柱形针206与摆线轮203的外齿204啮合时会滚动，从而减少摩擦，提高传动效率。而摆线针轮齿轮装置的简化设计是没有柱形针206的，只有齿圈10里面的半径与柱形针206相同的半圆形内齿12；摆线轮的外齿204直接与半圆形内齿12啮合；这种装置称为摆线齿轮装置(Hypocycoid drive)。本发明的AMC齿圈同样适用于这种摆线齿轮装置，达到轻量化并保持传动精度的目的。
图3为根据本发明的又一个实施方案的有AMC齿圈的RV齿轮装置(有齿圈齿轮装置的又一种)300的典型结构拆开立体示意图。RV齿轮装置300是行星齿轮装置与摆线针轮齿轮装置组合的产物，综合了两种齿轮装置的优点。位于旋转动力输入轴301另一端的太阳轮302从RV齿轮装置300的中心穿过孔312和309，与通过三根凸轮轴305安装在输出盘307外端面上的三个行星齿轮303啮合。行星齿轮也可以是两个。当太阳轮302在输入轴301的带动下以转速ωi旋转时，驱动三个行星齿轮303自转。每个自转的行星齿轮通过各自的凸轮轴305驱动每根轴上的一对反向的凸轮306旋转，而每对凸轮位于一对反向安装的偏心摆线轮311相应的凸轮孔313中，这样旋转的三根凸轮轴上的三对反向凸轮驱动一对偏心摆线轮311的外齿314在相反的两个方向与齿圈10的内齿槽13里的柱形针316啮合并旋转。摆线轮在RV齿轮装置中也称为RV齿轮(RV gear)。旋转的一对偏心摆线轮311通过多个传导孔315驱动里面的多根导出棒310带动输出盘307旋转，从而输出转速ωo降低了的旋转动力，达到高精度旋转传动减速器的功能。如果齿圈10的内齿12的材料比刚性低，则被两摆线轮外齿314啮合的柱形针316作用的内齿12容易在作用力下发生弹性形变，导致RV齿轮装置300的传动精度降低。而本发明轻量化AMC齿圈的比刚性高，可以在轻量化的同时，保持RV齿轮装置300有高的旋转传动精度。
图4为根据本发明的再一个实施方案的有AMC齿圈的谐波齿轮装置(有齿圈齿轮装置的再一种)400的典型结构拆开立体示意图。谐波齿轮装置包括三个关键部件，也即，包括环形圈11和内齿12的齿圈10、安装在内齿12中的柔轮403和其中的椭圆形波发生器401。齿圈10在谐波齿轮装置中也称为刚轮(Circular spline)。当椭圆形波发生器401在安装在输入轴孔402中的输入轴旋转作用下以转速ωi转动时，强迫套在其外圈的柔轮403的柔轮外齿404周圈随波发生器成相应的椭圆弹性变形，从而椭圆形柔轮两长轴端的柔轮外齿404与齿圈10的两相应部位的内齿12进行啮合，并导致柔轮403与波发生器相反的方向转动。通过安装在柔轮底部405上安装孔406上的输出轴输出转速ωo降低了的旋转动力，达到高精度旋转传动减速器的功能。如果齿圈10的内齿12的材料比刚性低，则在柔轮外齿404啮合的作用力下，内齿12容易发生弹性形变，导致谐波齿轮装置400的旋转传动精度降低。而本发明轻量化AMC齿圈的比刚性高，可以在轻量化的同时，保持谐波齿轮装置400有较高的旋转传动精度。
根据图1至图4所示本发明的方案，制备齿圈10的铝基复合材料AMC可以由在铝合金基材中加入强化相而制备；其中铝合金基材可根据设计需要，选取不同的铝合金配方，如美国铝业协会(The Aluminum Association，AA)标准的2系铝合金、3系铝合金、4系铝合金、5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金或8系铝合金等，优选2系铝合金、6系铝合金或7系铝合金。而强化相可以是不同的陶瓷粉体材料，如氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)、碳化硼(B4C)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、二硼化钛(TiB2)、碳化钛(TiC)、硼化钛(TiB2)、氧化锆(ZrO2)等陶瓷微粉，也可以是一种以上不同陶瓷粉体的混合。陶瓷粉体的平均粒度可以在0.5～50微米之间，例如1～30微米。AMC中的强化相也可以是陶瓷晶须，如碳化硅晶须(SiC Whisker)、硼化钛晶须(TiB2Whisker)、硼酸铝晶须(Al18B4O33 Whisker)、钛酸钾晶须(K2Ti6O13Whisker)、硼酸镁晶须(Mg2B2O5 Whisker)等，还可以是陶瓷短纤维，如氧化铝短纤维(Al2O3 Short Fiber)、碳化硅短纤维(SiC Short Fiber)、氧化铝+二氧化硅短纤维(Al2O3+SiO Short Fiber)等；晶须和短纤维的平均直径在0.5～25微米之间，长径比在5～30范围内。强化相还可以是碳纳米管(Carbon nano Tube)和石墨烯。AMC中强化相体积含量在5～45％之间，例如10～40％，例如15-25％。上述AMC可以通过粉末冶金法(其中包括粉末热压成型法、粉末等静压烧结法、粉末喷射成型法和等离子粉末喷射成型法等)以及搅拌熔铸法或原位自生法等来生产，可以优选以粉末冶金法生产。粉末冶金法中，铝合金基材的粉末平均粒径可以为1-60微米，例如2-50微米，例如5-40微米。研究表明，AMC的上述强化相的强度和弹性模量等性能都比铝合金高，热膨胀系则比铝合金低，将它入铝合金基材中而制备形成的铝基复合材料的性能被强化了，其强们加度和弹性模量比铝合金基材都得到较大的提高，热膨胀系数则比铝合金基材更低。另外，本发明所述铝基复合材料的导热系数大于90W/m·K，优选大于100W/m·K，远大于钢铁材料。
本发明中的AMC齿圈10的毛坯可以通过将AMC经过挤压、锻造或铸造等铝合金成型工艺来制备，然后按照其铝合金基材的热处理要求进行所需的热处理，如T4或T6等热处理，再通过机加工最终成为AMC齿圈。
具体实施例
下面以粉末冶金法为例，利用不同的铝合金基材和强化相来制备铝基复合材料AMC。
实施例1
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度32微米，体积比85％)，强化相B4C粉料(平均粒度14微米，体积比15％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法(HIP or HVP法)：(1)将AA6061粉料与B4C粉料混合均匀(Mixing and Blending)。其中铝合金粉体可以是通过现有铝合金制成的铝合金粉体，也可以是将该铝合金中各种成分的粉体按照在该铝合金基材中的配比一起与强化相粉体混合，在AMC的烧结过程中形成该铝合金基材。下面各实施例中的铝合金基材的形成也是如此。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中(Canning)，并抽气(Degassing/Evacuation)。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃(低于铝合金基材的熔化温度的，在530～580℃范围，优选540～570℃)，再进行热压成为AMC锭子(Hot lsostatic/Vacuum Pressing)。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料A。
实施例2
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度32微米，体积比75％)，强化相B4C粉料(平均粒度12微米，体积比25％)。
工艺过程，使用粉末等静压烧结法(CIP法)：(1)将AA6061粉料与B4C粉料混合均匀(Mixing and Blending)。(2)将混合均匀的AMC混料装入有出气管的橡胶模具中，在室温下对装有AMC混料的橡胶模具施压，然后去除外层的橡胶模具得到AMC粉锭(Cold IsostaticProcessing)。(3)在真空炉中加热AMC粉锭到指定的AMC烧结温度，550℃，成为AMC锭子，最终制得铝基复合材料B。
实施例3
材料：铝合金AA6082铝锭(平均粒度60微米，体积比95％)，强化相SiC粉料(平均粒度30微米)。
工艺过程，使用喷射成型法(Spray法)：(1)将AA6082锭子熔化后通过粉末喷射装置向下喷出，同时将SiC粉料喷人铝合金粉体中，并控制铝合金粉和SiC粉的体积比例为95％和5％。(2)混合的粉体沉积并凝固在下方的收集装置中，最终制得铝基复合材料C。
实施例4
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度30微米，体积比85％)，强化相SiC粉料(平均粒度4微米，体积比15％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与SiC粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，540℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料D。
实施例5
材料：铝合金AA6092粉料(平均粒度20微米，体积比75％)，强化相SiC粉料(平均粒度6微米，体积比25％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6092粉料与SiC粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，560℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料E。
实施例6
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度25微米，体积比60％)，强化相SiC粉料(平均粒度12微米，体积比40％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与SiC粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料F。
实施例7
材料：铝合金AA6092粉料(平均粒度10微米，体积比80％)，强化相Al2O3粉料(平均粒度10微米，体积比20％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6092粉料与Al2O3粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料G。
实施例8
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度20微米，体积比78％)，强化相ZrO2粉料(平均粒度12微米，体积比22％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与ZrO2粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，570℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料H。
实施例9
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度5微米，体积比80％)，强化相ZrB2粉料(平均粒度12微米，体积比20％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与ZrB2粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料l。
实施例10
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度20微米，体积比80％)，强化相ZrC粉料(平均粒度12微米，体积比20％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与ZrC粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，540℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料J。
实施例11
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度30微米，体积比80％)，强化相TiB2粉料(平均粒度12微米，体积比20％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与TiB2粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料K。
实施例12
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度40微米，体积比80％)，强化相TiC粉料(平均粒度12微米，体积比20％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与TiC粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料L。
实施例13
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度20微米，体积比80％)，强化相AIN粉料(平均粒度12微米，体积比20％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与AIN粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料M。
实施例14
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度20微米，体积比80％)，强化相Si3N4粉料(平均粒度12微米，体积比20％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与Si3N4粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料N。
实施例15
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度20微米，体积比88％)，强化相SiC晶须(平均直径3微米，平均长径比15，体积比12％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与SiC晶须混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料O。
实施例16
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度20微米，体积比90％)，强化相Al2O3短纤维(平均直径13微米，平均长径比20，体积比10％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与Al2O3短纤维混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料P。
实施例17
材料：铝合金AA2009粉料(平均粒度15微米，体积比85％)，强化相SiC粉体(平均粒度5微米，体积比15％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6092粉料与SiC粉体混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料Q。
实施例18
材料：铝合金AA2024粉料(平均粒度32微米，体积比75％)，强化相SiC粉体(平均粒度8微米，体积比25％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA2024粉料与SiC粉体混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，560℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料R。
实施例19
材料：铝合金AA7050粉料(平均粒度10微米，体积比85％)，强化相SiC粉体(平均粒度4微米，体积比15％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA7050粉料与SiC粉体混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料S。
实施例20
材料：铝合金AA7075粉料(平均粒度25微米，体积比85％)，强化相Al2O3粉体(平均粒度12微米，体积比15％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA7050粉料与Al2O3粉体混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料T。
铝基复合材料的密度、弹性模量和导热系数，可以通过固体密度测试仪(SolidDensity Meter)、《ASTM E111-17 Standard Test Method for Young’s Modulus，TangentModulus，and Chord Modulus(杨氏弹性模量、正切模量和弦向模量的试验方法)》和《ASTME1225-20 Standard Test Method for Thermal Conductivity of Solids Using theGuarded-Comparative-Longitudinal Heat Flow Technique(采用隔绝-比较-轴向热流技术测定固体导热性的标准试验方法)》来测量。金属这些参数也可以通过下列公式进行近似计算：
Pc＝PmVm+PrVr
其中P＝性能(Property)，可以是密度ρ、弹性模量E或导热系数λ；V＝体积比(Volume fraction)；下标c、m和r分别表示为铝基复合材料AMC、铝合金基材和强化相。
表1示出了实施例所得到得A～Q共20种AMC的性能。从表中可看出，实施例的AMC对齿圈减重至关重要的比刚性(比弹性模量)都在30GPa/g/cm3以上，导热性能也很好，例如导热系数大于100W/m·K。
表1本发明可选用的部分铝基复合材料的刚性和热学性能
作为对比，表2列出了齿圈常用金属材料45号钢和球墨铸铁的相关性能。表2中还列出常规轻金属，包括铝合金、钛合金、镁合金的密度、弹性模量和比刚性。
表2部分金属材料的刚性和热学性能
对比两表可知，本发明AMC的比刚性比常规金属高20～90％，导热性优于45号钢或球墨铸铁一倍以上。
这体现出本发明的铝基复合材料，对于有齿圈齿轮装置具有好的轻量化综合材料性能优势。使用本发明的AMC制备的轻量化齿圈，不仅可减轻有齿圈齿轮装置的重量，还由于本发明所使用的AMC具有比现有金属更高的比刚性，使得安装有本发明AMC轻量化齿圈的齿轮装置可保持高精度旋转传动运行。又由于本发明所使用的AMC具有比钢铁材料优异得多的导热性，使齿轮装置运行时的发热能有效地散发出去，从而降低了运行时的温度，有利于保持有AMC轻量化齿圈齿轮装置高精度运行。
应该理解的是，虽然利用实施例中的材料显示了本发明AMC材料优秀的比刚性和热学性能，实际可选的AMC材料可以更多。AMC的密度取决于铝合金基材的密度和强化相的密度及铝基体和强化相的体积比，而同一系列的铝合金的密度差别不大；同样，AMC的弹性模量取决于铝合金基材的弹性模量及强化相的弹性模量和铝基体和强化相的体积比，同一系列的铝合金的弹性模量也相差很小；因此可以合理地预期，采用其他合适的铝合金基材以及强化相也可以实现类似的技术效果。
齿圈是有齿圈齿轮装置中尺寸最大、重量最重的一件，约占有齿圈齿轮装置转动部件总重量的30～80％，对其进行轻量化很有意义。表1中列出的铝基复合材料的密度在2.6～3.5g/cm3之间，以3g/cm3密度计算，使用AMC齿圈比钢制齿圈减重约60％，对整个典型有AMC齿圈的齿轮装置，则减重约18～48％。这对那些安装有AMC齿圈的齿轮装置的器械，例如机器人、航天器、飞行器等的应用有重要的意义。
有齿圈的齿轮装置除图1至图4所示的典型结构外，还发展出其它一些构造，本发明都可以应用到这些变化的有齿圈齿轮装置中。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种用于齿轮装置的轻量化铝基复合材料齿圈(10)，包括环形圈(11)和内齿(12)，其特征在于：齿圈(10)由轻量化铝基复合材料(AMC)制备，所述铝基复合材料的比刚性不小于30GPa/g/cm3。
2.根据权利要求1所述的轻量化AMC齿圈，其特征在于，所述铝基复合材料由铝合金基材和强化相组成。
3.根据权利要求2所述的轻量AMC化齿圈，其特征在于，所述强化相材料选自陶瓷粉体、陶瓷晶须、陶瓷短纤维或它们的混合物。
4.根据权利要求2所述的轻量化AMC齿圈，其特征在于，所述强化相体积占铝基复合材料的体积比为5～45％。
5.根据权利要求2所述的轻量化AMC齿圈，其特征在于，所述铝合金基材选自美国铝业协会标准AA中的2系铝合金、3系铝合金、4系铝合金、5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金以及8系铝合金。
6.根据权利要求2所述的轻量AMC齿圈，其特征在于，通过粉末冶金法、搅拌熔铸法或原位自生法，由所述铝合金基材和强化相来生产所述铝基复合材料。
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