用于实现块状金属玻璃基应变波齿轮和应变波齿轮部件的系统和方法与流程

本文所描述的发明根据NASA合同在执行工作中做出，并符合公法96-517(35U.S.C.§202)的规定，其中承办人已选择保留所有权。发明领域本发明通常涉及块状金属玻璃基应变波齿轮和应变波齿轮部件。背景应变波齿轮，也称为谐波驱动器，是独特的齿轮系统，其可以提供高的减速比、高的扭矩重量比和扭矩体积比、接近零的齿隙(其可以减轻部件的潜在磨损)，以及许多其它的益处。通常，应变波齿轮包括椭圆波发生器，其装配在柔轮内使得柔轮符合波发生器的椭圆形状；该结构还通常包括允许柔轮围绕椭圆形状的中心轴线相对于该波发生器旋转的一组球轴承。该柔轮通常布置在环形圆形花键内，其中，该柔轮包括沿其外部、椭圆形的周界的一组齿轮齿，该一组齿轮齿接合沿轮辋形圆形花键的内部圆周布置的齿轮齿。通常，该柔轮具有比圆形花键少的齿。能够注意到的是，该柔轮由柔性材料制成，使得当该柔轮的齿轮齿和圆形花键的齿轮齿接合时，波发生器可以在第一方向上相对于该圆形花键旋转，且从而导致柔轮在第二相反的方向上的变形和相关的旋转。值得注意的是，输入扭矩被提供至波发生器，且该柔轮产生导致的输出扭矩。通常，波发生器的旋转速度比柔轮的旋转速度大很多。因此，应变波齿轮可以实现相对于齿轮系统的高的减速比，并能够以更小的形式因素实现。应注意，在一些可选的结构中，该柔轮被保持固定，且该圆形花键被用于提供输出扭矩。如可以推断的，应变波齿轮的操作特别细微，且依赖于非常精确地设计的齿轮系统。例如，应变波齿轮的组成部分的几何形状必须被制造成具有极高的精度以提供期望的操作。而且，应变波齿轮部件必须由可以提供期望的功能的材料制造。特别地，柔轮必须足够柔韧以承受高频周期性变形，同时，必须足够坚固以适应应变波齿轮预期承受的载荷。由于这些约束，由于钢已经被证明拥有必须的材料特性，且钢可以被加工成期望的几何形状，因此传统的应变波齿轮已经主要由钢制造。然而，将钢加工成构成部件可能十分昂贵。例如，在许多情况下，主要由于昂贵的制造工艺，基于钢的应变波齿轮可能成本为大约$1,000至$2,000。在一些情况下，谐波驱动器由热塑性材料制造。热塑性材料(例如聚合物)可以被铸造(例如，通过注射模制工艺)成构成部件的形状，从而避免通常在制造基于钢的应变波齿轮中实现的昂贵的加工工艺。然而，由热塑性材料制造的应变波齿轮可能不如由钢制造的应变波齿轮坚固。发明概述根据本发明的实施方案的系统和方法实现块状金属玻璃基应变波齿轮和应变波齿轮部件。在一个实施方案中，应变波齿轮包括：波发生器、自身包括第一组齿轮齿的柔轮，以及自身包括第二组齿轮齿的圆形花键，其中，波发生器、柔轮以及圆形花键中的至少一个包括块状金属玻璃基材料。在另一个实施方案中，该波发生器包括波发生器插头和轴承。在还有的另一个实施方案中，该轴承是球轴承。在另一个实施方案中，波发生器、柔轮以及圆形花键中的每一个包括块状金属玻璃基材料。在还有的另一个实施方案中，第一组齿轮齿和第二组齿轮齿中的至少一个包括块状金属玻璃基材料。在还有的另一个实施方案中，第一组齿轮齿和第二组齿轮齿中的每一个包括块状金属玻璃基材料。在还有的另一个实施方案中，该波发生器包括球轴承，该球轴承自身包括块状金属玻璃基材料。在还有的另一个实施方案中，块状金属玻璃基材料中的以最多量存在的元素是以下中的一种：Fe、Zr、Ti、Ni、Hf以及Cu。在还有的另一个实施方案中，块状金属玻璃基材料是Ni40Zr28.5Ti16.5Al10Cu5。在还有的另一个实施方案中，波发生器包括：具有椭圆形形状的横截面的波发生器插头；和包括内圈、外圈以及多个滚动构件的轴承；其中，该波发生器插头布置在该轴承内，使得该轴承符合该波发生器插头的椭圆形形状；且其中，波发生器插头和轴承中的至少一个包括块状金属玻璃基材料。在另一个实施方案中，该轴承是球轴承。在还有的另一个实施方案中，柔轮包括界定圆形形状的柔性主体，其中，该圆形形状的周界界定一组齿轮齿，且其中，该柔性主体包括块状金属玻璃基材料。在还有的另一个实施方案中，该组齿轮齿包括块状金属玻璃基材料。在仍然还有的另一个实施方案中，圆形花键包括环形主体，其中，该环形主体的内部周界界定一组齿轮齿，且其中，该环形主体包括块状金属玻璃基材料。在另外的实施方案中，该组齿轮齿包括块状金属玻璃基材料。在还有的另一个实施方案中，制造应变波齿轮部件的方法包括结合热塑性成形技术和铸造技术中的一种使用模具成形BMG基材料；其中，BMG基材料被成形为以下中的一种：波发生器插头、内圈、外圈、滚动元件、柔轮、不具有一组齿轮齿的柔轮、圆形花键、不具有一组齿轮齿的圆形花键、待并入在柔轮内的一组齿轮齿，以及待并入在圆形花键内的一组齿轮齿。在仍然还有的另一个实施方案中，制造应变波齿轮部件的方法还包括在BMG基材料已经通过热塑性成形技术或铸造技术成形之后，机加工BMG基材料。在另一个实施方案中，该BMG基材料被成形为不具有一组齿轮齿的柔轮和不具有一组齿轮齿的圆形花键中的一种，且齿轮齿被机加工至BMG基材料上。在还有的另一个实施方案中，该BMG基材料被成形为不具有一组齿轮齿的柔轮和不具有一组齿轮齿的圆形花键中的一种，且齿轮齿使用双辊成形技术被实现至BMG基材料上。在还有的另一个实施方案中，该BMG基材料使用以下中的一种被成形：直接铸造技术、吹制成型成型技术和离心铸造技术。附图简述图1示出根据本发明的实施方案的可以由BMG基材料制造的应变波齿轮。图2A-2D示出根据本发明的实施方案的应变波齿轮的操作。图3大体上示出应变波齿轮的预期寿命。图4A-4B示出根据本发明的实施方案的可以在应变波齿轮部件内实施的BMG基材料的疲劳特性。图5示出根据本发明的实施方案的可以在应变波齿轮部件内实施的钛BMG基材料的耐磨特性。图6示出根据本发明的实施方案的形成BMG基应变波齿轮部件的方法。图7A-7D示出根据本发明的实施方案的使用铸造技术的齿轮的形成。图8A-8D示出根据本发明的实施方案的使用铸造技术的应变波齿轮部件的制造。图9A-9C示出根据本发明的实施方案的结合热塑性成形技术使用片材形式的BMG基材料的应变波齿轮部件的制造。图10A-10C示出根据本发明的实施方案的使用旋压成形技术的应变波齿轮部件的制造。图11A-11C示出根据本发明的实施方案的使用吹制成型技术的应变波齿轮部件的制造。图12A-12B示出根据本发明的实施方案的使用离心铸造以形成应变波齿轮部件。图13A-13C示出根据本发明的实施方案的通过热塑性地形成粉末形式的BMG基材料而形成应变波齿轮部件。图14示出根据本发明的实施方案的使用双辊成形以将齿轮齿实施到BMG基应变波齿轮部件上。图15A-15F示出根据本发明的实施方案的按照在图14中概述的工艺的柔轮的形成。图16示出根据本发明的实施方案的铸造工艺在制造应变波齿轮部件中应该被良好地控制。图17示出根据本发明的实施方案的应变波齿轮部件可以以任何合适的比例制造。图18A-18B示出根据本发明的实施方案的圆形花键的制造。图19示出根据本发明的实施方案的由BMG基材料铸造或热塑性成形应变波齿轮部件的成本益处。图20示出基于钢的柔轮。详细说明现在转向附图，示出用于实现块状金属玻璃基应变波齿轮和应变波齿轮部件的系统和方法。在多个实施方案中，各自的应变波齿轮的波发生器、柔轮以及圆形花键中的至少一个包括块状金属玻璃基材料。在许多实施方案中，至少柔轮包括块状金属玻璃基材料。在大量的实施方案中，波发生器、柔轮以及圆形花键中的每一个包括块状金属玻璃基材料。金属玻璃，也称为非晶态合金(或可选地，称为非晶态金属)，尽管它们的金属组成元素，其特征在于，它们的无序的原子级别的结构—即，尽管常规的金属材料通常拥有高度有序的原子结构，但是金属玻璃材料的特征在于它们的无序的原子结构。能够注意到的是，金属玻璃通常拥有大量有用的材料特性，这可以允许它们被实现为高效的工程材料。例如，金属玻璃通常比常规的金属硬许多，且通常比陶瓷材料坚韧。它们还相对耐腐蚀，且与常规玻璃不同，它们可以具有良好的导电性。重要的是，金属玻璃材料的制造使其本身相对容易加工。特别地，金属玻璃的制造可以兼容注射模制工艺，或任何类似的铸造工艺。然而，金属玻璃的制造呈现出限制它们作为工程材料的可行性的挑战。特别地，金属玻璃通常通过将金属合金升高到其熔化温度以上并迅速冷却该熔化物进而以避免其结晶的方式固化该熔化物而形成，从而形成金属玻璃。第一金属玻璃需要不平常的冷却速度，例如大约为106K/s，并因此限制它们可以形成的厚度。事实上，由于这种厚度的限制，金属玻璃最初限于涉及涂层的应用。然而，从那时起，已经开发了更耐结晶的特定合金组合物，该合金组合物由此可以以低得多的冷却速率形成金属玻璃，并因此可以制得更厚(例如，大于1mm)。这些更厚的金属玻璃被称为'块状金属玻璃'(“BMG”)。除了BMG的开发，'块状金属玻璃基质复合材料'(BMGMC)也已经被开发。BMGMC的特征在于，它们拥有BMG的无定形结构，但是它们还包括在无定形结构的基质内的材料结晶相。例如，该结晶相可以以树突的形式存在。相比于材料完全由无定形结构组成的情况，该结晶相可以允许材料具有增强的延展性。即使具有这些开发，但是本领域的当前状态尚未充分理解BMG基材料的有利的材料特性(贯穿本申请，除非另有说明，术语'BMG基材料'意为包括BMG和BMGMC)。因此，BMG基材料在工程应用中具有可见的有限的用途。例如，各种出版物已经得出结论，并且在很大程度上确定的是，BMG基材料的可行性主要限于微米级结构。(见，例如，G.Kumar等人，Adv.Mater.2011,23,461-476，和M.Ashby等人，ScriptaMaterialia54(2006)321-326，其公开通过引用在此并入。)这部分地由于BMG基材料的材料特性，包括断裂力学，与样品尺寸相关。例如，已经观察到，BMG材料的延展性与其厚度成反比地相关。(见，例如，Conner，应用物理学报，2003年7月15日，卷94，序号2，904-911页，其公开通过引用在此并入。)基本上，随着部件尺寸变大，它们变得越来越容易发生脆性破坏。因此，由于这些原因和其它原因，本领域技术人员通常建议，尽管BMG基材料可以制备用于微米级结构的优异材料，例如，MEMS设备，但是它们通常不应该用于宏观尺度部件。(见，例如，G.Kumar等人，Adv.Mater.2011,23,461-476。)事实上，G.Kumar等人已经使脆性破坏与塑性区域尺寸相关，且已经归纳出，塑性区域半径的大约10倍的样品厚度可以展现5％的弯曲塑性。(同上)因此，G.Kumar等人得出结论，1mm厚的Vitreloy样品可以展现5％的弯曲塑性。(同上)尽管常规的理解已经表明BMG基材料的有限的应用，但是它也极力赞扬BMG基材料的耐磨性方面。(见，例如，Wu,Trans.NonferrousMet.Soc.China22(2012),585-589；Wu,Intermetallics25(2012)115-125；Kong,TribalLett(2009)35:151-158；Zenebe，摩擦学快报(2012)47:131-138；Chen,J.Mater.Res.，卷26，号20，2011年10月28日；Liu，摩擦学快报(2012)46:131-138；它们的公开在此通过引用并入。)为清楚起见，“磨损”通常是指材料表面的位移，这是由于其与另一材料的机械相互作用的直接结果。通常理解，材料的耐磨性通常随其硬度而增加，即，材料越硬，其磨损越不容易。(见，例如，I.L.Singer，磨损，卷195，发行1-2，1996年7月，7-20页)基于这些理解，已经提出BMG的预测的耐磨特性可以使它们成为用于制造微型齿轮的材料的良好候选，假定齿轮经受广泛的机械相互作用并且因此受到磨损。(见，例如，Chen,J.Mater.Res.,卷26，号20，2011年10月28日；Huang,Intermetallics19(2011)1385-1389；Liu,摩擦学快报(2009)33：205-210；Zhang，材料科学与工程A，475(2008)124-127；Ishida,材料科学与工程A，449-451(2007)149-154；它们的公开在此通过引用并入。)因此，根据上述见解，制造了微型齿轮(见，例如，Ishida,材料科学与工程A，449-451(2007)149-154；其公开在此通过引用并入。)然而，与上述一般观念相反，Hofmann等人已经证明BMG基材料可以有益地在各种其它应用中实现。例如，Hofmann等人的美国专利申请号为13/928,109描述了如何开发BMG基材料用于制造宏观尺度的齿轮。特别地，美国专利申请号为13/928,109解释，尽管Ishida证明了BMG基齿轮的制造，但是该证明是有限的，因为制造的齿轮具有较小的尺寸(并且因此不经受与宏观工程部件相同的失效模式)，并且齿轮使用润滑剂操作，这可以减轻脆性断裂的倾向。(同上)通常，Hofmann等人解释了现有技术主要涉及利用BMG基材料的耐磨性质，并且因此集中于实施最硬的BMG基材料。(同上)由于最硬的材料更容易出现其它的失效模式，因此这种设计方法是有限的。(同上)事实上，Hofmann等人证明，在大尺寸齿轮的制造中实施最硬的BMG基材料通常产生在操作过程中断裂的齿轮。(同上)因此，Hofmann等人公开了BMG基材料可以被开发为具有关于断裂韧性的有利性质，并且由此可以制造不一定需要润滑剂起作用的大尺寸齿轮。(同上)美国专利申请号为13/928,109的公开在此通过引用并入。而且，Hofmann等人的美国专利申请号13/942,932公开了BMG基材料拥有其它的有利材料特性，这些特性还允许它们用于制造大尺寸柔性机构。美国专利申请号为13/942,932的公开在此通过引用并入。在这种背景下，明显的是，BMG基材料的通用性还有待完全理解。本申请公开了如何开发BMG基材料，使得它们可以并入应变波齿轮和应变波齿轮部件内。例如，可以开发BMG基材料，使得它们具有高抗疲劳性、高断裂韧性、优异的滑动摩擦性能、低密度以及高弹性。因此，当开发这些性质时，BMG基材料可以在应变波齿轮的构成部件的制造中被有利地实现，并从而改善应变波齿轮的操作的许多方面。例如，包含BMG基材料的应变波齿轮可以承受更大的操作负载，可以更轻，并且可以具有更长的寿命周期。而且，由于BMG基材料可以被铸造或热塑性地形成为期望的几何形状，因此它们可以被铸造或热塑性地形成为应变波齿轮的组成部分的形状；通过这种方式，如果不消除的话，在基于钢的应变波齿轮和应变波齿轮部件的制造中普遍存在的昂贵的加工工艺也可以减少。简而言之，包含BMG基材料的应变波齿轮和应变波齿轮部件可以以更低的成本提供更好的性能。应变波齿轮的一般操作现在在下面详细讨论。应变波齿轮操作在本发明的许多实施方案中，提供包含BMG基材料并从而具有改进的性能特性的应变波齿轮和应变波齿轮部件。为了提供上下文，应变波齿轮的基本操作原理现在被回顾。图1示出根据本发明的实施方案的可以由BMG基材料制造的典型的应变波齿轮的分解图。特别地，应变波齿轮100包括波发生器102、柔轮108以及圆形花键112。示出的波发生器102包括波发生器插头104和球轴承106。重要地，波发生器插头104的形状是椭圆形的，且波发生器插头104被布置在球轴承106内，使得球轴承106符合该椭圆形形状。在该结构中，球轴承106的外圈可以相对于波发生器插头104旋转。在示出的实施方案中，柔轮108被描绘为杯形；能够注意到的是，杯的外缘包括一组齿轮齿110。在图示中，柔轮装配在该球轴承上，使得柔轮的外缘符合上述椭圆形形状。注意，在该实施方案中，该球轴承允许该柔轮相对于波发生器插头旋转。圆形花键112是环的形状；重要的是，该环的内部周界包括一组齿轮齿。通常，在圆形花键上的齿轮齿114比在柔轮上的齿轮齿110更多。在多种情况下，在圆形花键112上比在柔轮108上存在两个多出的齿轮齿。通常，柔轮108被装配在圆形花键112内，使得柔轮的齿轮齿110接合圆形花键的齿轮齿114。能够注意到的是，因为柔轮的齿轮齿110符合椭圆形形状，所以在通常情况下，只有接近椭圆形状的长轴的齿轮齿与圆形花键的齿轮齿114接合。相反，接近椭圆形状的短轴的柔轮的齿轮齿110与圆形花键的齿轮齿114脱开。在许多情况下，柔轮的30％的齿轮齿110与圆形花键的齿轮齿114接合。利用这种结构，波发生器插头104可以围绕椭圆形状的中心轴线在第一方向上旋转，并且由此使得柔轮108在第二相反方向上并以不同的旋转速率(通常更慢)围绕椭圆形状的中心轴线旋转。这可以实现是因为柔轮108由柔性材料制成，该柔性材料可以适应可能由波发生器插头104的旋转引起的偏转。图2A-2D描绘根据本发明的实施方案的可以由BMG基材料制造的应变波齿轮的正常操作。特别地，图2A示出应变波齿轮，其中，该波发生器插头204处于第一取向，使得椭圆形状的长轴相对于附图是竖直的。这种开始位置指定为'0°'。为了说明的目的，箭头216指定在图2A-2D中考虑的柔轮208的齿轮齿中的一个。图2B示出波发生器插头204顺时针旋转90°。波发生器插头204的旋转已经导致柔轮208以特定的方式偏转；结果是，与箭头216对应的齿轮齿从圆形花键的齿轮齿214脱开。能够注意到的是，与箭头216对应的齿轮齿已经略微地逆时针旋转，该逆时针旋转与波发生器插头204的90°顺时针旋转相关。图2C示出波发生器插头204已经顺时针旋转另一个90°，使得其现在已经相对于初始起始位置顺时针旋转180°。在图示中，由箭头216指定的齿轮齿在相对于初始起始位置略微地逆时针的位置处重新接合圆形花键的齿轮齿214。图4D示出波发生器插头204相对于初始起始位置已经顺时针旋转整360°。因此，由216指定的齿轮齿比在图2C中可见的位置略微地进一步逆时针旋转。通常，在图2A-2D中可以看出，波发生器插塞204在一个方向上的完全360°旋转导致柔轮208在相反方向上的略微旋转。通过这种方式，应变波齿轮可以在小占地面积内实现相对高的减速比。通常，输入扭矩被施加到波发生器插头204，而柔轮208提供相应的输出扭矩。当然，应理解，尽管上面示出和讨论了应变波齿轮设计的示例，但是任何合适的应变波齿轮设计和任何合适的应变波齿轮部件可以由根据本发明的实施方案的BMG基材料制造。例如，该柔轮可以采用任何合适的形状，且不必是“杯形”。类似地，可以实现任何类型的轴承—而不仅仅是球轴承。例如，滚针轴承可以被实现。为了清楚，本申请不意味着限于任何特定的应变波齿轮设计或应变波齿轮部件设计。现在讨论如何在应变波齿轮部件内实现BMG基材料以增强根据本发明的实施方案的应变波齿轮的性能。BMG基应变波齿轮和应变波齿轮部件在本发明的许多实施方案中，BMG基材料被并入在应变波齿轮和/或应变波齿轮部件内。在许多情况下，BMG基材料可以被开发以拥有所需的材料特性，这种材料特性使得它们非常适合于制造应变波齿轮的组成部件。例如，根据上述应变波齿轮工作原理，显然的是，球轴承和柔轮以周期性的方式随着波发生器插头的旋转而偏转。因此，期望这些部件由具有高疲劳强度的材料制成。例如，图3描绘了柔轮的疲劳强度如何是应变波齿轮寿命的主要决定因素。能够注意到的是，应变波齿轮中的柔轮通常在柔轮疲劳时(与其它失效模式相反)失效，这导致其永久变形。通常地，材料的疲劳极限由材料在材料永久变形之前在特定水平下受到应力的次数限定。假设多次施加相同的循环负载，负载越低，材料在其变形之前将持续的时间越长。材料能够承受107次循环的循环负载通常被称为材料的疲劳极限。如果材料在其屈服强度下被循环加载，则其可能在一个循环中失效。因此，疲劳极限通常报告为它们的屈服强度的百分比(以使其性能标准化)。作为示例，300M钢具有为其屈服强度的20％的疲劳极限。如果假定固定几何形状的零件被疲劳测试，比如柔轮，并入更加柔性的材料导致每个循环的应力较低，这可导致更长的疲劳寿命。因此，BMG基材料可以有利地并入在应变波齿轮的柔轮内，以提供增强的疲劳性能。例如，BMG基材料可以具有高达2％的弹性极限，且还可以具有比基于钢的材料低大约3倍的刚性。通常，这意味着相对于具有相同几何形状的基于钢的柔轮，由BMG基材料制造的柔轮可以经历每单位变形的较低应力。相应地，BMG基材料可以具有更加有利的疲劳性能，例如，经受较小相对应力的材料倾向于能够经受更多的加载循环。还注意到，不同的刚度值影响制造的部件的几何形状。因此，由于BMG基材料可以具有相对低的刚度值(例如相对于钢)，所以它们可以允许具有更有利的几何形状的应变波齿轮部件。例如，相对低的刚度能够实现可能是有利的更厚的柔轮。实际上，BMG基材料的材料性质分布通常可以使得能够开发更有利的几何形状——即，除了刚度之外，BMG基材料的其它材料性质还可以有助于开发有利的几何形状。而且，从现有技术可以理解，BMG基材料可以具有更高的硬度值，并且相应地表现出相对于传统的工程材料的改善的磨损性能。由于应变波齿轮的构成部件彼此连续接触并且经受例如滑动摩擦，因此具有高硬度值的材料在应变波齿轮中可以是特别有利的。通常，当齿轮齿经受恒定负载和伴随的摩擦时，由此产生的相关的弹性变形和磨损可以促成“棘轮效应”。BMG基材料可以具有高硬度值、良好的耐磨性(包括良好的抗磨损性)和高弹性—甚至当承受高负载时—可以使它们非常适合在应变波齿轮内实施。例如，在应变波齿轮的齿轮齿内实施BMG基材料可以防止棘轮效应。此外，可以使BMG基材料在整个宽温度范围内具有高硬度值。例如，BMG基材料可以具有在100K至300K的温度范围内不随温度变化大于20％的硬度值。事实上，BMG基材料可以具有在100K至300K的温度范围内不随温度变化大于20％的强度。通常，在应变波齿轮内的BMG基材料的实现在许多水平上可能是有利的。下面的表1示出了某些BMG基材料的材料特性如何在许多方面相对于传统的工程材料拥有改进的材料特性。表1：BMG基材料相对于传统的工程材料的材料特性重要的是，BMG基材料的材料特性随构成组分的相对比例而变，并且也随晶体结构而变。结果是，可以通过改变组成和改变晶体结构与非晶结构的比例来调整BMG基材料的材料特性。例如，在许多实施方案中，可能期望在应变波齿轮的特定部件内实施具有特定材料分布的BMG基材料。在这些情况下，可以开发和/或选择适当的BMG基材料来制造相应的应变波齿轮部件。表2、表3以及表4描绘了BMG基材料的材料特性可以如何基于组合物和晶体结构变化。表2：根据组合物的选择BMG基材料的材料特性表3根据组合物的选择BMG基材料的材料特性表4：随组合物和结构而变的材料特性，其中，A是非结晶的，X是结晶的，C是复合的A/X/C2.0HvE(GPa)(CuZr42Al7Be10)Nb3A626.5108.5(CuZr46Al5Y2)Nb3A407.476.9(CuZrAl7Be5)Nb3A544.497.8(CuZrAl7Be7)Nb3A523.9102.0Cu40Zr40Al10Be10A604.3114.2Cu41Zr40Al7Be7Co5C589.9103.5Cu42Zr41Al7Be7Co3A532.4101.3Cu47.5Zr48Al4Co0.5X381.979.6Cu47Zr46Al5Y2A409.875.3Cu50Zr50×325.981.3CuZr41Al7Be7Cr3A575.1106.5CuZrAl5Be5Y2A511.188.5CuZrAl5Ni3Be4A504.395.5CuZrAl7X510.5101.4CuZrAl7Ag7C496.190.6CuZrAl7Ni5X570.099.2Ni40Zr28.5Ti16.5Be15C715.2128.4Ni40Zr28.5Ti16.5Cu5Al10X627.299.3Ni40Zr28.5Ti16.5Cu5Be10C668.2112.0Ni56Zr17Ti13Si2Sn3Be9X562.5141.1Ni57Zr18Ti14Si2Sn3Be6X637.3139.4Ti33.18Zr30.51Ni5.33Be22.88Cu8.1A486.196.9Ti40Zr25Be30Cr5A465.497.5Ti40Zr25Ni8Cu9Be18A544.4101.1Ti45Zr16Ni9Cu10Be20A523.1104.2Vit1A530.495.2Vit105(Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10)A474.488.5Vit106A439.783.3Zr55Cu30Al10Ni5A520.887.2Zr65Cu17.5Al7.5Ni10A463.3116.9DH1C391.184.7GHDT(Ti30Zr35Cu8.2Be26.8)A461.890.5图5示出了钛BMG基材料的硬度如何相对于合金的组合物而变化。通常，钛BMG基合金倾向于具有使得它们特别适合于制造应变波齿轮和应变波齿轮部件的许多特性。下面的表5和6列出了关于BMG基材料的疲劳特征如何随组合物而变化的报告数据。表5：随组合物而变的疲劳特征表6：随组合物而变的疲劳特征尽管已经报道了表5和6中的数据，但是本申请的发明人之一进行了独立的疲劳试验，其在某种程度上与报告的值相矛盾。图4A和图4B描绘进行的测试的结果。特别地，图4A示出了单片Vitreloy1、复合物LM2、复合物DH3、300-M钢、2090-T81铝和玻璃带的耐疲劳性。从这些结果，证明复合物DH3表现出高的耐疲劳破坏性。例如，复合物DH3显示其在约.25的应力幅值/拉伸强度比下可经受约20,000,000次循环。应注意，单片Vitreloy1显示出相对较差的耐疲劳破坏性，这似乎与表5和表6中所示的结果相矛盾。这种差异可能部分是由于获得数据的严格性。特别地，由于本申请的发明人认识到，耐疲劳性在确定对于各种应用的适用性中是关键的材料特性，他获得了在最严格的测试条件下获得的耐疲劳数据。图4A从Launey，PNAS，卷106，号13，4986-4991转载，其公开在此通过引用并入(并且其中本发明人之一是列出的共同作者)。类似地，图4B示出DV1(“Ag船(Agboat)”-即，使用半固体工艺加工制造)、DV1(“Indus.”-使用工业标准程序制造)、复合物DH3、复合物LM2、单片Vitreloy1、300-M钢、2090-T81铝以及Ti-6Al-4V双峰(bimodal)的耐疲劳性。这些结果表明复合物DV1(Ag船)表现出比复合物DH3更大的耐疲劳破坏性。应注意，复合物DV1测试的结果根据复合物DV1的制造方式而大不相同。当使用“Ag船”技术制造时(“Ag船”是指半固体制造技术，其在Hofmann，JOM，卷61，号12,11-17中描述，其公开内容通过引用并入本文。)，与使用工业标准技术制造时相比，其显示出更优异的耐疲劳性。本申请的发明人认为，这种差异是由于工业标准制造工艺不提供产生足够纯的材料所必需的那种严格的事实，并且这可能是工业上没认识到材料组合物在确定包括耐疲劳破坏性的材料特性中如何重要的结果。图4B由Launey制作，加入了图4A的结果，但是图4B没有在上面引用的文章中发表。通常，图4A和图4B表明BMG基材料可以被开发以具有比钢和其它传统的工程材料更好的疲劳特征。重要的是，图4A和图4B描述了相对应力幅值比，且从表1中可以看出，BMG基材料可以制成具有比许多钢更大的终极拉伸强度。因此，BMG基材料可以被制成在更高的应力水平下比一些钢承受更多的负载循环。此外，由于BMG基材料可以制成较小刚性，所以它们可以被制造成每单位偏移经历较少的应力，这由此可以导致甚至更大的疲劳性能。从上面可以清楚地看出，BMG基材料可以具有使它们非常适合于在应变波齿轮部件内实现的有利的材料性质。列出的BMG基材料中的任一个可以实现在根据本发明的实施方案的应变波齿轮部件内。更一般地，可以定制(例如，经由合金化和/或热处理)BMG基材料以获得具有根据本发明的实施方案的应变波齿轮内实现的所需材料分布的材料。通常，可以为相应的应变波齿轮部件确定期望的材料特性分布，并且可以开发和实施符合材料特性分布的BMG基材料。例如，在需要不太硬的材料的许多实施方案中，BMG基组合物内的B、Si、Al、Cr、Co，和/或Fe的相对比例降低。类似地，在需要不太硬的材料的许多实施方案中，软的韧性枝晶的体积分数增加；或可选地，例如V、Nb、Ta、Mo和/或Sn的β稳定元素的量增加。通常，在BMGMC中，材料的刚度根据混合规则变化，例如，在存在相对更多的枝晶的情况下，刚度降低，并且在存在相对更少的枝晶的情况下，刚度增加。应注意，一般而言，当改变BMG基材料的刚度时，刚度被大大改变，而不过度影响其它性能，例如，BMG基材料的弹性应变极限或加工性。独立于其它材料性质或影响加工性能来调整刚度的能力在设计应变波齿轮和应变波齿轮部件中是非常有利的。此外，正如可以调整BMG基材料的刚度一样，也可以根据本发明的实施方案调整耐疲劳破坏性。用于改善耐疲劳破坏性的合金元素大部分是实验确定的。然而，已经观察到，用于增强断裂韧性的相同加工技术也倾向于有利地影响耐疲劳破坏性。在任何情况下，从上文应当清楚，任何上述列出和描述的BMG基材料可以并入在根据本发明的实施方案的应变波齿轮和应变波齿轮部件内。更一般地，任何BMG基材料可以在根据本发明的实施方案的应变波齿轮和应变波齿轮部件内实现。例如，在许多实施方案中，所实施的BMG基材料基于Fe、Zr、Ti、Ni、Hf或Cu(即，那些相应元素以比任何其它元素更大的量存在于该材料中)。在一些实施方案中，实现在应变波齿轮部件内的BMG基材料是Cu-Zr-Al-X组合物，其中，X可以是包括例如Y、Be、Ag、Co、Fe、Cr、C、Si、B、Mo、Ta、Ti、V、Nb、Ni、P、Zn以及Pd的一个或多个元素。在数个实施方案中，实现在应变波齿轮部件内的BMG基材料是Ni-Zr-Ti-X组合物，其中，X可以是包括例如Co、Al、Cu、B、P、Si、Be以及Fe的一个或多个元素。在多个实施方案中，实现在应变波齿轮部件内的BMG基材料是Zr-Ti-Be-X组合物，其中，X可以是包括例如Y、Be、Ag、Co、Fe、Cr、C、Si、B、Mo、Ta、Ti、V、Nb、Ni、P、Zn以及Pd的一个或多个元素。在一些实施方案中，应变波齿轮部件包括为Ni40Zr28.5Ti16.5Al10Cu5(原子百分比)的BMG基材料。在数个实施方案中，应变波齿轮部件包括为(Cu50Zr50)xAl1-12Be1-20Co0.5-5的BMG基材料。在多个实施方案中，期望的材料分布针对给定的应变波齿轮部件被确定，并且具有期望特征的BMG基材料被用于构造应变波齿轮部件。由于BMG基材料可以具有许多有利的特性，它们在应变波齿轮部件内的实现可以产生更加鲁棒的应变波齿轮。BMG基应变波齿轮的设计方法和制造现在在下面更加详细地讨论。BMG基应变波齿轮和应变波齿轮部件的制造在本发明的许多实施方案中，应变波齿轮部件使用铸造或热塑性成形技术由BMG基材料制造。使用铸造或热塑性成形技术可以极大地提高制造应变波齿轮和应变波齿轮部件的效率。例如，基于钢的应变波齿轮部件通常被加工；由于构成部件的复杂性，加工成本可能相当昂贵。相比之下，在应变波齿轮部件的开发中使用铸造或热塑性成形技术可以避免过于昂贵的加工过程。图6中示出了包括铸造或热塑性成形技术的制造应变波齿轮部件的方法。该过程包括确定610待制造的部件的期望的材料分布。例如，在将要制造柔轮的情况下，可能希望构成材料具有一定的刚度、一定的耐疲劳破坏性、一定的密度、一定的耐脆性破坏性、一定的耐腐蚀性、一定的耐磨性、一定水平的玻璃成形能力，等。在许多实施例中，也考虑材料成本(例如，某些BMG基材料可能比其它BMG基材料更昂贵或更便宜)。通常，在确定610待制造的部件的材料分布时可考虑任何参数。应注意，应变波齿轮的任何构成部件可以根据本发明的实施方案被制造。如上所述，由于柔轮和球轴承经受周期性变形，所以可能特别有利的是，它们由具有高耐疲劳破坏性的材料形成。此外，柔轮和球轴承也可以受益于由具有优异的耐磨性的材料形成，因为这些部件在应变波齿轮的正常操作期间经历恒定的接触和相对运动(柔轮的齿轮齿受到磨损，且球轴承的滚珠以及内圈和外圈可能经历磨损)。在一些实施方案中，球轴承的滚珠由BMG基材料制成—以这种方式，球轴承的滚珠可以受益于BMG基材料可以提供的增强的耐磨性。但是应清楚的是，应变波齿轮的部件中的任一个可以由根据本发明的实施方案的BMG基材料制造。在一些实施方案中，圆形花键的齿轮齿由BMG基材料制造。以这种方式，圆形花键的齿轮齿可以受益于BMG基材料可以提供的增强的磨损性能特征。在一些实施方案中，由BMG基材料制成的圆形花键的齿轮齿然后被压配合到不同的、更硬的材料中—例如，铍和钛—以形成圆形花键，考虑到圆形花键相对刚性以支撑柔轮和波发生器的运动将是有益的。以这种方式，BMG基材料被实施在圆形花键的齿轮齿中，其中，它们可以提供增强的磨损性能，且更硬的材料可以形成圆形花键的其余部分，其中，该更硬的材料可以提供增强的结构支撑。在许多实施方案中，应变波齿轮的大多数构成部件由相同的BMG基材料制造—以这种方式，相应的应变波齿轮可以具有更均匀的热膨胀系数。在任何情况下，应清楚的是，应变波齿轮的构成部件中的任一个可以由根据本发明的实施方案的BMG基材料制造。返回至图6，满足确定的材料分布的BMG基材料被选定620。任何合适的BMG基材料可以被选定，包括上面在表1-5中列出并在图4A-4B和图5中描绘的那些材料中的任一种。在多个实施方案中，BMG基材料被特别地开发以满足确定610的材料分布，并因此被选定620。例如，在许多实施方案中，给定的BMG基材料是通过以任何合适的方式合金化(例如，如上面讨论的)以调整材料特性而开发的。在许多实施方案中，通过改变结晶结构与非结晶结构的比例(例如如上所述)以调整材料特性来开发BMG基材料。当然，开发满足所确定610的材料特性的BMG基材料的任何合适方式可以根据本发明的实施方案来实现。所选定620的BMG基材料例如，热塑性地或使用铸造技术被形成为期望的形状(例如，待制造的部件的形状)。尽管通过铸造和/或热塑性技术由BMG基材料制造齿轮型部件目前并不广泛，但是本申请的发明人已经证明了这种技术用于该目的的可行性。例如，图7A-7D示出具有1英寸的半径的齿轮，该齿轮已经使用单个铸造步骤由BMG基材料制造。特别地，图7A示出用在齿轮的形成中的钢模具。图7B示出BMGMC材料从钢模具的去除。图7C和图7D示出展示所制造的部件的保真度的SEM图像。能够注意到的是，该齿轮齿也使用该制造方法来实现。以这种方式，可以避免齿轮齿的复杂且昂贵的加工(相比之下，基于钢的应变波齿轮部件通常依赖于在部件形成中的机械加工)。因此，根据该教导，在许多实施方案中，BMG基材料被热塑性地形成或铸造成应变波齿轮的构成部件的形状。在许多实施方案中，BMG基材料被热塑性地形成或铸造成包括齿轮齿的形状的构成部件的形状。还应注意，任何合适的热塑性成形或铸造技术可以根据本发明的实施方案被实施。例如，应变波齿轮的构成部件可以通过直接铸造技术、锻造技术、旋压成形技术、吹制成型技术、离心铸造技术、热塑性成形技术等中的一种使用BMG基粉末形成。如本领域普通技术人员将理解的，BMG基材料必须足够快速地冷却以保持至少一些非结晶结构。当然，应注意，根据本发明的实施方案，应变波齿轮部件可以以任何合适的方式，包括通过机加工，由BMG基材料形成。作为示例，图8A-8D示出直接铸造技术，其可以被实施以形成根据本发明的实施方案的应变波齿轮的构成部件。特别地，图8A描绘已经被加热到熔融状态并且因此准备插入至模具804中的熔融的BMG基材料802。模具804有助于界定待形成的部件的形状。图8B描绘了熔融的BMG基材料802被按压至模具804中。图8C描绘了模具804在BMG基材料已经冷却之后被释放。图8D描绘了移除任何过量毛刺806。因此，描述了可以使用直接铸造技术结合根据本发明的实施方案的BMG基材料来制造应变波齿轮部件。应注意，铸造适合于在应变波齿轮部件内实施的结晶金属通常是不可行的。图9A-9C示出可以根据本发明的实施方案实施的另一个成形技术。特别地，图9A-9C示出热塑性形成根据本发明的实施方案的片材形式的BMG基材料。具体地，图9A描绘了已经被加热使得可以实施热塑性成形的BMG基材料的片材902。在示出的实施方案中，BMG基材料的片材902通过电容放电技术加热，但是应当理解，根据本发明的实施方案可以实施任何合适的加热方法。图9B描绘了压力机被用于强制使BMG基材料进入至模具904中以形成待制造的部件。图9C描绘了模具904被释放且任何过量的毛刺906被移除。因此，期望的部件被实现。如上所述，BMG基材料的加热使得热塑性成形可以根据本发明的实施方案以任何合适的方式实现。例如，图10A-10C描绘了片材形式的BMG基材料的加热可以通过旋压摩擦来实现。图10A-10C类似于在图9A-9C中可见的那些，除了当BMG基片材材料抵靠BMG基材料1002被按压时，该BMG基片材材料通过压力机1010的旋转被摩擦地加热。通过这种方式，BMG基材料可以被加热至其能够被热塑性地形成的程度。该技术已经被称为“旋压成形”。注意，尽管上述描述涉及将BMG基材料机械地适形于模具，但是根据本发明的实施方案，可以以任何合适的方式将BMG基材料形成到模具内。在许多实施方案中，使用锻造技术、基于真空的技术、挤压技术以及磁成形技术中的一种使得BMG基材料被制成符合模具。当然，可以根据本发明的实施方案以任何合适的方式使BMG基材料被制成符合模具。图11A-11C描绘了使用吹制成型技术形成零件。特别地，图11A描绘了BMG基材料被放置在模具内。图11B描绘了BMG基材料1102暴露于迫使BMG基材料符合模具1104的形状的加压气体或液体。通常，使用加压惰性气体。如前所述，BMG基材料1102通常被加热，使得它是充分柔韧的并且可以受到加压气体或液体的影响。再次，任何合适的加热技术可以根据本发明的实施方案被实施。图11C描绘了由于加压气体或液体的力，BMG基材料符合模具1104的形状。图12A和图12B描绘了离心铸造技术可以被实施以形成应变波齿轮的构成部件。特别地，图12A描述了熔融的BMG基材料1202被倒入至模具1204中，并且旋转模具使得熔融的BMG基材料符合模具的形状。图13A-13C描绘了BMG基材料可以以粉末的形式插入模具中，随后加热以使得材料可热塑性地形成，并且由此形成根据本发明的实施方案的期望的构成部件的形状。特别地，图13A描绘了粉末形式的BMG基材料1302沉积在模具内。图13B描绘了BMG基材料1302被加热并按压以便符合模具1304的形状。且图13C描述了BMG基材料已经固化并由此形成所需的部件。通常，应清楚的是，用于热塑性地成形或铸造BMG基材料的任何合适的技术可以根据本发明的实施方案被实施。上面描述的示例意在是说明性的而不是全面的。甚至更一般地，用于形成构成BMG基材料的应变波齿轮部件的任何合适的技术可以根据本发明的实施方案被实施。返回参考图6，如果需要，过程600还包括执行640任何后成形操作以完成制造的部件。例如，在一些实施方案中，柔轮的大体形状被热塑性成形或铸造，且随后将齿轮齿加工到柔轮上。在一些实施方案中，双辊成形技术被实施以将齿轮齿安装到柔轮或圆形花键上。图14描绘了可用于在柔轮上实现齿轮齿的双辊成形装置。特别地，装置1400包括支撑柔轮1402穿过该装置的运动的第一辊，和用于将齿轮齿限定在柔轮上的第二辊1412。柔轮1402可以被加热，使得其更柔韧并且准备好由第二辊限定。当然，形成的零件可以使用根据本发明的实施方案的任何合适的技术来完成。例如，齿轮齿可以使用传统的加工技术来实现。另外地，根据本发明的实施方案，形成的零件可以以任何合适的方式完成—而不仅仅是限定齿轮齿。图15A-15F示出根据在图6中概述的过程制造柔轮。特别地：图15A描绘了用于铸造柔轮的一般形状的多件式模具；图15B描绘了用于铸造柔轮的一般形状的组装的多件式模具；图15C示出使用BMG基材料铸造柔轮；图15D示出拆卸模具；图15E示出当其已经从模具被移除时的柔轮；且图15F示出在由BMG基材料铸造之后，柔轮可以被加工成包括齿轮齿。记住，尽管图示描绘了齿轮齿被加工到柔轮上，但是柔轮可以已经被铸造成包括期望的齿轮齿。以这种方式，可以避免昂贵的加工过程。应注意，形成技术对过程控制非常敏感。通常，在形成零件时对流体流动、通风、温度以及冷却具有精确控制是有益的。例如，图16示出使用铸造技术形成柔轮的若干尝试，并且许多尝试显然是不完美的。特别地，图像左边的7个样品使用密度为5.3g/cm3的TiZrCuBeBMG基材料制造。图像最右侧的样品由Vitreloy1制造。图17示出上面描述的过程可以被用于产生比例变化的零件。作为示例，图17示出根据上面描述的过程制造的更大的柔轮，以及根据上面描述的过程制造的更小的柔轮。以这种方式，上面描述的过程是通用的。应当理解，尽管图15-17涉及柔轮的制造，但是任何应变波齿轮部件可以由根据本发明的实施方案的BMG基材料制造。例如，图18A-18B示出已经由BMG基材料制造的圆形花键。具体地，图18A示出已经被形成为1.5”圆形花键的钛BMG基材料；图18B描绘了相对于制造的柔轮的制造的圆形花键。尽管该圆形花键未被描绘为包括齿轮齿，但是齿轮齿可以随后被加工到圆形花键内。上面描述的制造技术可以用于有效地制造应变波齿轮和应变波齿轮部件。例如，如上所述，使用这些技术可以避免与加工部件相关的费用。因此，用于制造给定的应变波齿轮部件的成本变为主要是根据原材料的成本，并且这可以是与部件的尺寸无关的情况。相比之下，当形成基于钢的应变波齿轮部件时，制造零件的成本可能随着尺寸减小超过某一临界值而增加。这是因为加工更小尺寸的零件变得困难。借助于示例，图19示出了关于柔轮的这种关系，其中，非结晶金属的原材料的成本大于钢的成本。例如，钢的刚度可能需要柔轮的直径小于一定的规定量，例如，2英寸，并且具有小于一定量的壁厚，例如，1mm。为了提供上下文，图20示出了直径为2”且壁厚为0.8mm的基于钢的柔轮。重要的是，随着柔轮变得更小，例如，直径小于1英寸，钢的壁变得太薄而不容易加工。结果是，即使在非结晶金属原料的成本大于钢的成本的情况下，柔轮可以更便宜地由非结晶金属制造。实质上，通过从BMG基材料铸造零件可以消除繁重的加工，并且从而可以降低柔轮的成本。如可以从上文的讨论推断的，上述构思可以根据本发明的实施方案以多种布置实施。例如，在一些实施方案中，应变波齿轮部件由聚合物材料铸造，并且随后涂覆有块状金属玻璃基材料。以这种方式，可以利用块状金属玻璃基材料的耐磨特性。因此，尽管已经在某些具体方面描述了本发明，但是许多另外的修改和变型对于本领域技术人员将是明显的。因此，应当理解，本发明可以以不同于具体描述的方式实施。因此，本发明的实施方案应当在所有方面中被视为说明性的而不是限制性的。当前第1页1 2 3