齿轮轴检验精度设计与评定方法研究开题报告

1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文 献 综 述

近年来，随着计算机技术的发展，数字控制技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所代替。因此要求整个传动系具有传输的平稳性、可靠性以及效率的最大利用率^[1]。随着科学技术不断发展，数控机床的发展也越来越快，数控机床也正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展。

在数控车削加工中，加工工艺指导整个加工过程。加工工艺的不同，必然引起加工工艺工序的不同。合理的选择加工工艺可以提高数控车床的加工效率，选择合理的加工路亦是可以事半功倍。齿轮轴的加工精度对传动质量具有重要影响,对齿轮轴加工精度的影响因素进行了分析,结合理论和实例计算,提出了提高齿轮轴加工精度的措施和控制方法。虽然不同零件的材料、形状结构不一样，其精密锻造的工艺、模具也不一样，但因其加工原理都是使坯料塑性变形达到产品的形状，因此,其基本的影响因素是相同的^[2]。

一、明确问题的提出及研究意义

1．问题提出：

零件的几何精度直接影响零件的使用性能，而零件的配合表面和非配合表面的精度要求高低各不相同；即便是配合表面，其工作性质不同，提出进度要求及公差项目也不相同，针对车床传动轴进行几何精度设计^[3]。

2．专题研究的目的：

（1）理解零件几何精度对其使用性能的影响；

（2）根据零件不同表面的工作性质及要求提出相应的公差要求；

（3）掌握正确的零件公差标注方法；

（4）掌握零件的几何精度设计方法。

二、国外齿轮轴技术的发展趋势

近几年的实践证明，摩托车小型启动电机齿轮轴热处理方法，可采用渗碳淬火、高频感应淬火、软氮化等^[4]。

国外齿轮轴最早用于内圆磨床，上世纪80年代，随着数控机床和高速切削技术的发展和要，逐渐将电主轴技术应用于加工中心、数控铣床等高档数控机床，成为近年来机床技术所取得的重大成就之一。齿轮轴系的布局的轴承受力进行对比，对改善轴承受力、延长寿命和减少传动体积、减轻质量具有重要意义^[5]。实际上， 齿轮轴不可能是完全刚性的， 变速器齿轮轴在正常工作条件下， 尤其是在较重的载荷作用下， 不仅要承受齿轮圆周力和径向力产生的弯矩和转矩，还要承受斜齿轮啮合时产生的轴向力。因而不可避免地会发生各^[6]。

种变形随着机床技术、高速切削技术的发展和实际应用的需要，对机床电主轴的性能也提出了越来越高的要求，目前国外从事高速数控机床电主轴研发与生产的企业主要有如下几家：德国GMN、西门子、瑞士IBAG、美国Setco、意大利Omlet、Faemat、Gamfior、日本大隈等，其中尤以GMN、IBAG、Omlet、Setco、Gammfier等几家的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。这些公司生产的电主轴较之国内生产的有以下几个特点：

1、率大、转速高。

2、采用高速、高刚度轴承。国外高速精密主轴上采用高速、高刚度轴承，主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。

3、精密加工与精密装配工艺水平高。

4、配套控制系统水平高^[7]。

对齿轮轴零件进行工艺分析，介绍冷挤压磨具结构设计。这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、定转子冷却温度精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等。齿轮耦合轴系的不平衡响应幅值的大小取决于系统转子之间的参数匹配，参数匹配得当，齿轮耦合将会对系统的不平衡相应起到很好的抑制作用，反之，将加剧系统的不平衡响应^[8]。基于弹塑性理论，在研究齿轮轴结构的基础上，提出了确定齿轮轴校直行程的计算方法，经试验验证该计算方法是有效的。

这些外国厂家如美国、日本、德国、意大利和瑞士等工业发达国家已生产了多种商品化高速机床。如瑞士米克朗公司，就是世界上著名的精密机床制造商^[9]。提出一种ANSYS分析齿轮轴系耦合的新方法，以齿轮箱齿轮转动系统为研究对象，根据转子动力学基本理论和齿轮啮合原理，建立高速状态下转动轴系的有限元动力学模。根据齿轮轴的体积和变形程度计算出所需的挤压力，并选定挤压设备，确定整套模具的外形尺寸^[10]。

齿表面渗碳层深度不足，并有脱碳现象，脱碳层组织粗大，是造成齿轮轴发生崩齿是小的主要原因^[11]。同时揭示了齿轮系统的振动对齿轮啮合性能的影响，并结合工程实际突出改善齿轮啮合性能的几种措施。对齿轮耦合轴系，必须应用弯扭耦合振动理论进行分析。在研究楚仑州的基础上，提出了确定齿轮轴校直形成的方法，经实验验证该计算方法是有效的^[12]。它生产的机床配备最高达60000r/min的高速电主轴，可以满足不同的切削要求，所有的电主轴均装有恒温冷却水套对主轴电机和轴承进行冷却，并通过高压油雾对复合陶瓷轴承进行润滑。在加工齿轮是大模数齿轮轴的加工非常重要。所有的电主轴均采用矢量控制技术，可以在低转速时输出大扭矩^[13]。

三、我国电主轴技术的现状及与国外的差距

国内从事电主轴研究与生产的企业总体上来说与国外上述公司相比在产品研发以及技术的创新能力上不具有优势，但是具有相对的成本优势。利用计算机运用数值模拟技术可以快速的获得较为精确的解，这极大地提高了求解的效率^[14]。目前，ANSYS可以在传动设计时避开齿轮箱蘖和工作频率，避免有机械共振造成的整机故障，并为齿轮箱系统故障诊断提供理论支持^[15]。存在台阶，加大了吃根部的应力集中程度，使齿轮轴的疲劳强度大大降低，在循环应力的作用下，沿齿根处折断，造成早期疲劳失效。研究表明齿侧间隙和静态传递误差对齿轮轴系统振动影响较大。由于出现润滑故障，形成干摩擦，致使齿轮轮齿表面局部温升产生热塑流变现象^[16]。

在研究中，额外负载的添加会加重轴的负担。国外数控机床主轴公司往往只负责主轴的总体设计、技术研发以及零部件装配和测试工作，其余的关键零部件例如：主轴轴承、内装电机、主轴松拉刀机构、动力油缸或气缸、主轴轴承润滑油品等全部实行采购^[17]。产业的分工与合作上具有很强的组织性和互补性，同时由于分工的细致，机床主轴生产商与各附件生产商之间形成了良性的循环，各自针对本专业的关键技术投入人力物力进行科技攻关，由此带动了国外电主轴行业的整体技术进步^[18]。存储分配问题是一个有效的方法去定位工件产品的实际位子。

反观国内厂商，各自为战，技术资源分散，除洛阳轴研科技作为原来国家轴承行业的技术归口所拥有一定的综合研发实力外，其他的企业基本上是在模仿国内外同行的产品进行生产，技术实力较弱，创新能力严重不足。机械零件是完全模型和表示所观察到的最严重的是选定的宏单元^[19]。在齿轮轴中，润滑油在齿轮的内侧进入，这样就会使里面的滚珠充分润滑，从而之间的摩擦就会减少，这也是最主要的齿轮轴的失效的方面。在涉及电主轴轴承润滑、零部件材料选取以及加工工艺、内装式主轴电机、松拉刀接口、主轴轴承润滑油品等方面没有自己独立的知识产权和核心技术，尤其是在电主轴的附件领域如伺服驱动控制器、编码器、动力油缸或气缸、智能传感器等方面表现的更为突出，基本上是国外产品包打天下^[20]。这也是直到目前为止制约国产高档数控机床发展的关键原因所在。

国产电主轴和国外产品相比较，无论是性能、品种和质量都有较大差距，国产电主轴产品和国外的相比较，主要存在以下差距：

1.外电主轴低速段的输出扭矩最大可达1000Nm ，而我国目前仅在300Nm以内。

2.在高转速方面，国外用于加工中心的电主轴转速已达75000r/min，我国则多在30000r/min以内^[21]。

3.主轴的轴承润滑，国外普遍采用油气润滑，而我国仍用油脂润滑。

4.其他配套技术也有较大差距，如主轴电机矢量控制、交流伺服控制技术、精确定向技术、快速启动、停止等。

5.在产品的品种、规格、数量和制造规模等方面，国产电主轴仍然处于小量研发试制阶段，没有形成系列化、专业化，远不能满足国内数控机床和加工中心发展的需求^[22]。欧美公司在关键部件的研发上具有很强的前瞻性和创新能力，国际上涉及电主轴的比如编码器系统、刀具接口、电机工作制等的国际标准和产品都是欧美相关企业制定和生产的这是他们最具有优势的地方。

(1)在电主轴的低速大转矩方面，国外产品低速段的输出转矩可以达到300Nm以上，有的更是高达600多Nm(如德国的CYTEC)，而国内目前则多在100Nm 以内^[23]。

(2)在高速方面，国外用于加工中心电主轴的转速已经达到75000r／min(意大利CAMFIOR)，而我国则多在20000r／min以下。其它用途的电主轴，国外已经达到了250000r／min(英国WestWind公司D1733)，而我国电主轴的最高转速为150000r／min。

(3)在电主轴的润滑方面，国外高速电主轴轴承已经普遍采用先进的油气润滑技术，而我国则仍然以油脂润滑和油雾润滑为主^[24]。

(4)在电主轴的功能和性能方面，国外已经在发展多功能、高性能的数控机床用电主轴产品，而我国仍然以常规产品为主要发展方向。

(5)在电主轴的支承技术方面，国外已经有动、静压液(气)浮轴承电主轴(瑞士IBAG等)、磁浮轴承电主轴(瑞士IBAG)的成熟商品，在我国则仍然处于科学研究或小批量试制之中^[25]。

(6)在其它与电主轴相关配套技术方面，如电主轴内装电机闭环矢量控制技术、交流伺服技术、停机角向准确定位(准停)技术、C轴传动技术、快速启动与停止技术、HSK刀柄制造与应用技术、主轴智能监控技术等，国内仍然不够成熟，或不能满足实际应用需要。

(7)在产品的品种、数量及制造规模方面，尽管国内已经有部分企业在从事电主轴的研究和制造，但仍然以磨床用电主轴为主，对于数控机床用高速电主轴，则仍然处于小量开发和研究阶段，远没有形成系列化、专业化和规模化生产，还无法与国外先进水平相比，远远不能满足国内市场日益增长的需要，还不具备与国外产品相抗衡的能力。

四、总 结

经过对齿轮轴的了解与研究，我了解到目前齿轮轴的现状还有很多的问题存在，所以，我的目的就是对已有的问题进行一定的研究。通过资料的查阅我对这些有了一定了解，对于普通的齿轮轴的检验如果是小批生产，选用通用量具，如游标直尺等，如果批次较大，选用专门量具，如塞规等。我的研究是针对齿轮轴上带有齿轮的情况，所以，应该对轴进行相应的表面的硬度的检验，对齿轮在轴的径向和轴向进行相应的定位，同样轴的硬度要有足够的要求，以此来满足齿轮对轴的磨损。同时，希望在指导老师的带领下，会有一定的研究成果。

参 考 文 献：

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

本课题主要研究的内容是围绕齿轮轴检验精度设计的研究。

轴是组成机器的重要零件之一，齿轮轴的设计也是非常重要的一环。齿轮轴的精度对齿轮轴在生产生活中起了很大作用，齿轮轴主要起到支承作用。轴的精度设计主要包括尺寸精度、形状与位置精度（即几何误差）、表面粗糙度三方面内容。如果轴上零件带有螺纹、轴承、齿轮及锥度等特殊结构，还要进行相应的专业检验。

1、尺寸精度

如果是小批生产，选用通用量具，如游标直尺，平板，角度块，卡尺，千分尺等；如果批次较大，选用专门量具，如塞规，内外沟槽卡尺、钢丝绳卡尺、步距规等。

2、形状与位置精度

几何误差(以前称为形状和位置误差，简称形位误差)检测是机械制造厂加工车间和计量室经常进行的检测工作之一。分别阐述直线度、平面度、圆度、圆柱度、轮廓度、平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、对称度和位置度误差以及跳动的评定方法、常用测量方法及相应的数据处理方法。

3、表面粗糙度

（1）、显微镜比较法（2）、光切显微镜测量法（3）、样块比较法（4）、电动轮廓仪比较法（5）、干涉显微镜测量法。

如果齿轮轴上带有轴承，应进行垂直度的检验；带有锥度的情况下，可以选用锥度塞规来解决这个问题。锥度塞规主要用于检验产品的大径、锥度和接触率，属于专用综合检具。

指导教师意见：

1．对文献综述的评语：

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

指导教师：

年 月 日

所在专业审查意见：

负责人：

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