一种轻量化谐波齿轮装置的制作方法

1.本发明涉及机械齿轮技术领域，更具体涉及一种轻量化谐波齿轮装置。


背景技术：

2.美国发明家马瑟(c.walton musser)1955年申请的美国专利2,906,143公开的张力波齿轮装置(strain wave gearing)，以其与以往齿轮旋转传动装置不同的特殊设计，具备了传动比大、传动效率高、传动精度很高、转动回差极小、承载能力高、同轴传动、，以及体积小、重量轻等其它齿轮传动装置难以比拟的优越性。这种特殊的齿轮驱动装置更多的被称之为谐波齿轮装置(harmonic gearing)，并在获上述专利授权的日本harmonic drive systems，inc.(谐波驱动系统公司)的推动下，获得了广泛的应用。
3.谐波齿轮装置由三个基本构件组成，即带椭圆波内轮的波发生器(wave generator)、带外齿的柔轮(flex spline)和带内齿的刚轮(circular spline)。实际应用的谐波齿轮装置是根据不同的应用要求，在这三个基本构件上加上或集成其它功能结构件而形成的。
4.尽管谐波齿轮装置比其它相同传动比的齿轮装置更轻，但是现代工业的许多应用，如机器人、航天、飞行器、机器和仪器精密传动等希望谐波齿轮装置能进一步轻量化。可是谐波齿轮装置的三个基本构件非常简单，难以从结构上进一步简化而减重。为了保证谐波齿轮装置高旋转传动精度，这三个构件对材料的刚性(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)。所以高精度的谐波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，导致谐波齿轮装置很重。为了谐波齿轮装置轻量化，现有技术主要有下面一些方案。
5.日本谐波驱动系统公司的m.kobayashi等人的美国专利us6,622,593给出了将谐波齿轮装置的刚轮用密度低的铝合金制造方案。由于铝合金的弹性模量只有约70gpa，远小于钢铁的弹性模量(＞160gpa)，而铝合金的密度(约2.75g/cm3)却远小于钢铁材的密度(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)与钢铁材差不多，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。当铝合金刚轮与钢铁材刚轮的尺寸(体积)相同，则低密度的铝合金刚轮比钢铁材刚轮的重量更轻。但由于两种材料的比刚性相近，则重量轻的铝合金刚轮受力时抵抗弹性形变的能力比重的钢铁材刚轮更低，导致铝合金刚轮的内齿与钢铁材柔轮外齿啮合受力时，比钢铁材内齿更容易产生弹性形变，从而降低传动精度。
6.谐波齿轮装置中的波发生器是由椭圆波内轮和套在波内轮外圈的柔性滚动轴承波圈组成。m.kobayashi等人的美国专利us6,647,827、us6,682,220和us6,968,755中给出使用密度比钢铁低的钛合金、铝合金、塑料或者陶瓷等轻量化材料来制备椭圆波内轮的方案。但是，钛合金的比刚性与钢的比刚性差别也很小，使用与钢材相同体积而低密度的钛合
金或铝合金制造的椭圆波内轮重量会更轻；但是，重量轻的钛合金或铝合金制备的椭圆波内轮刚性更低，在波发生器的旋转运行过程中，刚性低的椭圆波内轮的长轴部分更容易受柔轮外齿与刚轮内齿啮合的压力产生弹性形变而尺寸有所减小，导致柔轮外齿与刚轮内齿的啮合精度下降，影响谐波齿轮装置的运行的精度。并且钛合金的导热系数(thermal conductivity)约为7w/m
·
k，只有钢材的约1/4，非常不利于谐波齿轮装置运行过程中热量的散发。虽然塑料的密度小于2g/cm3，比钢材低得多，但其强度、弹性模量和比刚性也都非常低，所以塑料椭圆波内轮只能用于扭矩很小的谐波齿轮装置中。大多数陶瓷的密度介于铝合金和钛合金之间，但是陶瓷极其难以加工成为高精度的齿轮，而且陶瓷材料通常都很脆，在载荷作用下陶瓷齿容易碎裂。
7.m.kobayashi等人的美国专利us6,874,231给出了将刚轮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，从而影响谐波齿轮装置的传动性能。
8.美国加州理工学院的d.hofmann等人在美国专利us10,690,227中给出使用金属玻璃(metallic glass，是一种非晶金属amorphous metal)来制备柔轮的方法；这些非晶金属的密度约为5g/cm3，比钢材的密度约7.8g/cm3要低约36％，但还是比铝合金约为2.7g/cm3的密度要高约85％。而且这类非晶金属在成型时需要急速冷却，只适合于制备厚度小于2mm的薄壁小型件(参见他们的另一项美国专利us10,487,934)，无法用来生产刚轮。而薄壁的柔轮重量轻，在典型谐波齿轮装置的三个关键部件中占总重量比不到5％，其减重36％对于整个钢制谐波齿轮装置减重小于2％，没有多少实际轻量化的意义。
9.上述这些现有轻量化谐波齿轮装置和技术，难以兼顾轻量化和高精度传动性能两个方面。因而需要开发出一种保持构造简单、但轻量化效果显著、又能高精度旋转传动的谐波齿轮装置。
10.参考资料：
11.美国专利和专利申请
12.2906143；us6,622,593；us6,647,827；us6,682,220；us6,874,231；us6,968,755；us10,487,934；us10,690,227；us2020/0240500a1。
13.中国专利和专利申请
14.cn110566652a；cn208474440u；cn209309229u；cn213839432u。
15.其它参考资料
16.https：//en.wikipedia.org/wiki/strain wave gearing；
17.https：//baike.baidu.com/item/％e8％b0％90％e6％b3％a2％e4％bc％a0％e5％8a％a8/8473410？fr＝aladdin；
18.n.chawal etc.，metal matrix composites(2nd edltion)，springer，2013，isbn-10：1461495474；
19.赵玉涛等，金属基复合材料，机械工业出版社，2019，isbn：9787111620389。


技术实现要素：

20.谐波齿轮装置是高精度旋转传动机构。本发明人研究发现，对谐波齿轮装置进行轻量化之后，为了要保持高精度旋转传动的特性，必须保证波发生器和刚轮构件以及柔轮与刚轮被啮合的齿，在传动应力作用下要尽可能小的产生弹性形变，这就要求轻量化的构件要有比钢材更高的比刚性(＝弹性模量
÷
密度，为材料单位重量的弹性模量)。否则轻量化之后，相同体积的轻量化材料代替钢材构架，重量更轻，但刚性下降，构件在传动过程中更容易产生弹性变形，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几乎相同，大约为25
±
2gpa/g/cm3。上述us10,690,227专利中列出的非晶金属的比刚性更低，根据其表1、2、3所列的14种非晶金属的密度和弹性模量计算可知，非晶金属的比刚性在12.7～18.7gpa/g/cm3之间。所以，使用常规的金属材料例如钛合金、铝合金、镁合金等轻金属，以及非晶金属来制备谐波齿轮装置的椭圆波内轮和刚轮，难以做到既轻量化，又保持高精度传动。
21.一个典型的谐波齿轮装置由三个基本钢铁制备的构件组成，即带椭圆波内轮的波发生器、带外齿的柔轮和带内齿的刚轮，其中椭圆波内轮和刚轮分别占这三个基本部件总重量的约10％和80％。为了解决用于现有轻量化谐波齿轮装置中的轻量化金属比刚性不高于钢铁的比刚性，导致现有轻量化谐波齿轮装置旋转传动精度下降的难题，本发明使用密度比钢铁低约60％的铝基复合材料(aluminum metrix composite，简称amc，密度约3g/cm3)替代钢铁来制备刚轮，可使谐波齿轮装置减重约48％，轻量化意义重大。而用amc椭圆波内轮虽只使谐波齿轮装置的减重约6％，但是amc盘状波内轮减重约60％使其转动惯量也相应降低了约60％。谐波齿轮装置是大减速比齿轮减速器，在实际应用中，其输入轴转速高，且转速时常变化，甚至会变换旋转方向。谐波齿轮装置对输入转速变化的响应时间越快，则传动性能越好。波内轮是高速旋转动力的输入端，盘状波内轮的转动惯量的大小，直接影响谐波齿轮装置对输入转速变化的响应时间。本发明amc盘状波内轮转动惯量降低约60％，可有效地降低谐波齿轮装置对高转速输入力矩旋转速度变化的反应时间，提高旋转传动性能。还由于本发明所使用的amc比现有金属更高的比刚性，使得本发明的轻量化谐波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，使谐波齿轮装置运行时的发热能更快更好的地散发，从而降低了运行时的温度，有利于保持谐波齿轮装置高精度旋转传动运行。
22.根据本发明的一方面，提供了一种轻量化谐波齿轮装置，包括带有椭圆波内轮(11)的波发生器(10)、柔轮(20)和刚轮(30)，其特征在于：椭圆波内轮(11)和刚轮(30)中至少之一由铝基复合材料(amc)制备，所述铝基复合材料的比刚性不小于30gpa/g/cm3。
23.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。
24.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。
25.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％，例如10～40％，例如15-25％。
26.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。
27.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
28.图1为根据本发明的一个实施方案的轻量化谐波齿轮装置的典型结构拆开立体示意图；
29.图2为本发明的一个实施方案的装配好的轻量化谐波齿轮装置典型结构动力输入端的平面示意图；
30.图3为本发明的一个实施方案的装配好的轻量化谐波齿轮装置典型结构动力输出端的立体示意图。
具体实施方式
31.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。
32.图1为根据本发明的一个实施方案的轻量化谐波齿轮装置的典型结构拆开立体示意图。本实施方案的轻量化谐波齿轮装置包括波发生器10、柔轮20以及刚轮30。波发生器10包括椭圆波内轮11和套在其外面的柔性滚动轴承13，椭圆波内轮11中间形成有驱动轴孔12；柔性滚动轴承13由滚珠14、内环15、柔性外环16和滚珠保持架17构成。在该实施方案中，椭圆波内轮11和刚轮30中至少之一由铝基复合材料(amc)制成。柔性滚动轴承13为常规的钢制轴承，柔轮20是薄壁带底圆柱形常规钢制柔轮，其薄圆柱筒21有圆柱筒内壁22，而其外壁上形成有一圈柔轮外齿23；柔轮底24上开有装配输出端的数个安装孔25。amc椭圆波内轮11在物理结构上可以与典型钢制椭圆波内轮一致。amc刚轮30在物理结构上可以与典型钢制刚轮一致，其内壁上有刚轮内齿31，并且形成有数个刚轮固定孔32。
33.图2为本发明的一个实施方案的装配好的轻量化谐波齿轮装置典型结构动力输入端的平面示意图。如图所示，由amc椭圆波内轮11外圈套有钢制柔性滚动轴承13而构成的波发生器10安装在钢制柔轮20中，并一起安装在amc刚轮30里面；在椭圆形波发生器10长轴的作用下，柔轮20相应弹性变形为椭圆形，且长轴两端的部分柔轮外齿23与相应的部分amc刚轮30的刚轮内齿31相啮合。柔轮外齿23的齿数比刚轮内齿31的齿数少1至3个。amc椭圆波内轮11在孔12中的驱动轴的带动下以转速ωi旋转，并通过钢制柔性滚动轴承13的柔性外环16施压柔轮20的内壁22，使柔轮20长轴两端的部分柔轮外齿连续地与波发生器10的旋转的反方向且转速低很多变换与amc刚轮30内齿的啮合部位，由此以降低的转速ωo输出动力，达到高精度旋转传动减速器的功能。ωo与ωi转速之比取决于柔轮外齿齿数以及柔轮外齿齿数与刚轮内齿齿数的差值。如果刚轮10的内齿12的材料比刚性低，则在柔轮外齿23啮合的作用力下，刚轮内齿31容易在作用力下发生弹性形变，导致谐波齿轮装置的旋转传动精度降低。另外，如果椭圆波内轮11的材料比刚性低，在波发生器的旋转运行过程中，刚性低的椭圆波内轮的长轴部分更容易受柔轮外齿与刚轮内齿啮合压力产生弹性形变而尺寸有所减小，导致柔轮外齿23与刚轮内齿12的啮合精度下降，影响谐波齿轮装置的旋转传动精度。而本发明轻量化amc刚轮和椭圆波内轮的比刚性高，可以在轻量化的同时，保持谐波齿轮装置有高的旋转传动精度。
34.图3为本发明的一个实施方案的装配好的轻量化谐波齿轮装置典型结构动力输出
端的立体示意图；如图所示，该实施方案的轻量化谐波齿轮装置的旋转动力输出是在薄壁圆柱柔轮20底端24上通过安装孔25固定的输出轴而输出的。
35.根据本发明的实施方案，轻量化谐波齿轮装置所使用的铝基复合材料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(tib
2 whisker)、硼酸铝晶须(al
18
b4o
33 whisker)、钛酸钾晶须(k2ti6o
13 whisker)、硼酸镁晶须(mg2b2o
5 whisker)等，还可以是陶瓷短纤维，如氧化铝短纤维(al2o
3 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和耐磨性等性能都比铝合金高，热膨胀系则比铝合金低，将它们加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，其强度、弹性模量和耐磨性都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。
36.本发明中的amc构件的毛坯可以通过将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构件。
37.具体实施例
38.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。
39.实施例1
40.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％)。
41.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 isostatic/vacuum pressing)。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料a。
42.实施例2
43.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％)。
44.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 lsostatic processing)。(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。
45.实施例3
46.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)。
47.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。
48.实施例4
49.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％)。
50.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。
51.实施例5
52.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％)。
53.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。
54.实施例6
55.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％)。
56.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。
57.实施例7
58.材料：铝合金aa6092粉料(平均粒度25微米，体积比80％)，强化相al2o3粉料(平均
粒度10微米，体积比20％)。
59.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。
60.实施例8
61.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％)。
62.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。
63.实施例9
64.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％)。
65.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i。
66.实施例10
67.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％)。
68.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。
69.实施例11
70.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％)。
71.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。
72.实施例12
73.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％)。
74.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。
75.实施例13
76.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％)。
77.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。
78.实施例14
79.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％)。
80.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。
81.实施例15
82.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％)。
83.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。
84.实施例16
85.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％)。
86.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。
87.实施例17
88.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％)。
89.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。
90.实施例18
91.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％)。
92.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。
93.实施例19
94.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％)。
95.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。
96.实施例20
97.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％)。
98.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。
99.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(solid density meter)、《astm e111-17standard test method for young’s modulus，tangent modulus，and chord modulus(杨氏弹性模量、正切模量和弦向模量的试验方法)》和《astm e1225-20standard test method for thermal conductivity of solids using the guarded-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，也可以通过下列公式进行近似计算：
100.pc＝p
mvm
p
rvr
101.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。
102.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对谐波齿轮装置构件减重至关重要的比刚性(比弹性模量)都在30gpa/g/cm3以上，导热性也很好，例如导热系数大于100w/m
·
k。
103.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
[0104][0105]
作为对比，表2列出了gb/t 30819-2014《机器人用谐波齿轮减速器》中椭圆波内轮和刚轮金属材料的相关性能。表2中还列出了常规轻金属，包括铝合金、钛合金、镁合金的密度、弹性模量和比刚性。
[0106]
表2部分金属材料的刚性和热学性能
[0107][0108]
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gb/t 30819-2014《机器人用谐波齿轮减速器》中的钢铁材料一倍以上。
[0109]
这体现出本发明的铝基复合材料，对于谐波齿轮装置具有很好的轻量化综合材料性能优势。使用amc制备谐波齿轮装置的椭圆波内轮和刚轮，可很大幅度的减轻谐波齿轮装
置的重量。还由于所使用的amc具有比现有金属更高的比刚性，使得本发明的轻量化谐波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，使谐波齿轮装置运行时的发热能更有效地散发出去，从而降低了运行时的温度，有利于保持谐波齿轮装置高精度旋转传动运行。
[0110]
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。
[0111]
椭圆波内轮和刚轮分别占图1所示典型的谐波齿轮装置三个基本构件总重量的约10和80％，两者合在一起占总重的90％。对它们进行轻量化意义重大。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椭圆波内轮和amc刚轮比钢制的减重约60％，对整个典型谐波齿轮装置，则减重约54％。另外，相比于常规钢制波内轮，amc椭圆波内轮减重约60％，这使得盘状波内轮的转动惯量也相应降低了约60％，可有效地降低谐波齿轮装置对高转速输入力矩旋转速度变化的反应时间，提高旋转传动性能。这对那些需要减重和快速反应的器械，例如机器人手臂、航天器、飞行器等的应用有及其重要的意义。
[0112]
谐波齿轮装置除图1至图3所示的典型结构外，还发展出其它一些构造。例如：刚轮为无安装孔的圆柱，两级谐波齿轮装置，单波和三波发生器谐波齿轮装置；还有将柔轮固定，用刚轮为输出的构造；以及端面谐波齿轮传动、谐波螺旋传动等其他传动形式的谐波齿轮装置；本发明都可以应用到这些变化的谐波齿轮装置中。
[0113]
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。