引言

　　隨著工業技術的不斷發展，工業領域對機械傳動的要求也越來越高，就減速類機械裝置而言，其主傳動部分決定著傳動的精度及性能的好壞。本文介紹了一種新型材料——微晶合金在中等轉矩機械傳動中的應用。

　　微晶合金是一種金屬晶粒細化至微米級的鑄造合金材料，這種超微晶粒的合金可以表現出比其他同類合金更加優異的綜合機械性能和力學性能、超強的性能穩定性和尺寸穩定性、極好的減摩性和良好的耐磨性。用微晶合金鑄造的蝸輪在性能上能夠滿足減速類機械裝置的要求，不僅降低了蝸輪的重量，而且成本比常用的銅蝸輪大大降低。

　　1　微晶合金的性能及應用

　　微晶合金是一種鋅基合金升級換代材料，在非晶基礎上形成的晶粒尺寸為納米級軟磁合金，即納米晶軟磁合金。

　　在鐵基非晶合金中加入促進早期形核的銅和抑制晶粒長大的鈮，先用單輥快淬法制取非晶薄帶，然后在略高于晶化溫度下退火可得到微晶組織。微晶組織由晶粒和晶界兩相組成，晶粒占75%～80%，晶界占20%～25%。微晶具有高的飽和磁感，低的矯頑力和鐵芯損失。

　　目前微晶合金主要有以下幾類：具有超低減摩系數的微晶合金LZA3805、具有較大PV(PV值表示機械密封的工作能力，同時也可用它表示機械密封的工況負荷)值特性的微晶合金LZA4008、具有超耐磨特性的微晶合金LZA4205。

　　常用的微晶合金材料與普通的合金相比具有優越的特性，所以被廣泛地應用于電力電子、機械制造行業等。微晶合金在電力電子行業主要用作飽和電抗器、高頻變壓器等電子器件鐵芯;在機械制造行業主要制造蝸輪、絲母、軸瓦、軸套、滑板和導軌板，用于替代銅合金。

　　2　微晶合金的強度分析

　　蝸輪蝸桿傳動的失效形式和齒輪傳動一樣，主要有膠合、磨損、疲勞點蝕和輪齒折斷等。由于蝸桿傳動嚙合面間的相對滑動速度較大，效率低，發熱量大，在潤滑和散熱不良時，膠合和磨損為主要失效形式。

　　下面以機械傳動中常用的蝸輪蝸桿傳動形式為分析研究對象，分別對普通材料ZCuSn10P1以及微晶合金材料LZA3805制成的蝸輪進行建模及有限元分析。現有的三維造型軟件已經能夠做出足夠精確的模型，本文中使用Visual　Basic語言編寫程序宏，根據蝸輪的基本參數在SolidWorks軟件中運行宏生成蝸輪齒形，再應用COSMOSWorks分析軟件對其進行應力分析。相鄰齒受載荷作用時齒根應力相互影響，選取3個齒進行分析。首先取模數mc=4mm，齒寬B=40mm，齒數z=50，然后進行約束條件和加載處理，施加的載荷F=20kN。

　　根據赫茲公式，齒輪在嚙合時，理論上是線嚙合，但由于材料的彈性變形是有一定寬度的，為簡化計算，根據應力σ=F/(Sb)(其中，S 為接觸線長度，b為變形后接觸線寬度)可以計算出變形后的嚙合線寬度。常用蝸輪材料ZCuSn10P1的屈服應力σs=375MPa，材料變形后的σ=0.8σs，接觸線長度S=60mm，考慮到嚙合的復雜性及蝸輪材料在變形后應力取值的局限性，計算得到單齒面嚙合線寬度b=0.4mm。

　　微晶合金材料LZA3805制成的蝸輪屈服應力σs=430MPa，材料變形后σ=0.8σs，接觸線長度S=60mm，計算得到單齒面嚙合線寬度b=0.28mm。進行有限元網格劃分，應用COSMOSWorks分析軟件對蝸輪受拉側進行分析，相同條件下常用蝸輪材料ZCuSn10P1和微晶合金材料蝸輪的應力云圖如圖2、圖3所示。由圖2、圖3可見，在相同的工作環境下，施加20kN 同樣大小的載荷，普通蝸輪材料的屈服應力值為275.7MPa，微晶合金蝸輪材料的屈服應力值僅為55.15MPa，極大地提高了傳動的效率以及穩定性。

　　3　結論

　　(1)根據分析結果可知，在同等條件下蝸輪采用微晶合金變形比常用材料小。

　　(2)微晶合金蝸輪可以應用到要求更苛刻的機械傳動領域，可以傳遞更大的扭矩。

　　(3)微晶合金蝸輪的耐磨性優于普通材料。

　　(4)微晶合金材料的抗沖擊能力(材料強度及韌性)、減摩性能(對蝸桿的保護作用及溫室)以及材質的可靠性、穩定性等都相對優越于普通材料。

　　4　結語

　　機械傳動的性能、效率、能耗是當前機械行業發展水平的評價標準，亟需基礎材料的更新換代。微晶合金材料具有比普通材料更優越的性能，可為國家能源節約以及制造業的升級帶來了很大的材料支撐，此新材料技術并將引導未來支柱產業的革命，意義重大。