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大 连 大 学本科毕业论文(设计)开题报告 论 文 题 目：120T电机车行走齿轮齿根强化装置设计学 院： 机械工程学院 专 业 、班 级： 机英133 学 生 姓 名： 代小艳 指导教师（职称）： 辛士珍 2016年 12 月 28 日填毕业论文（设计）开题报告要求开题报告既是规范本科生毕业论文工作的重要环节，又是完成高质量毕业论文（设计）的有效保证。为了使这项工作规范化和制度化，特制定本要求。一、选题依据1.论文（设计）题目及研究领域；2.论文（设计）工作的理论意义和应用价值；3.目前研究的概况和发展趋势。二、论文（设计）研究的内容1.重点解决的问题；2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）；3.本论文（设计）预期取得的成果。三、论文（设计）工作安排1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）；2.论文（设计）进度计划。四、文献查阅及文献综述学生应根据所在学院及指导教师的要求阅读一定量的文献资料，并在此基础上通过分析、研究、综合，形成文献综述。必要时应在调研、实验或实习的基础上递交相关的报告。综述或报告作为开题报告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通顺，较全面地反映出本课题的研究背景或前期工作基础。五、其他要求1.开题报告应在毕业论文（设计）工作开始后的前四周内完成；2.开题报告必须经学院教学指导委员会审查通过；3.开题报告不合格或没有做开题报告的学生，须重做或补做合格后，方能继续论文（设计）工作，否则不允许参加答辩；4.开题报告通过后，原则上不允许更换论文题目或指导教师；5.开题报告的内容，要求打印并装订成册（部分专业可根据需要手写在统一纸张上，但封面需按统一格式打印）。一、选题依据1.研究领域 非标准机械设计2.论文（设计）工作的理论意义和应用价值 齿轮作为机械零件中重要的传动元件，以其可靠、稳定的传动性能被广泛用于汽车、机床、工程机械、船舶、兵器、发电、航空航天等领域的各种机械系统中。齿轮的效率及寿命与齿轮的精度、表面质量和强度密切相关,齿轮的强度影响着传动系统的性能和寿命，从而影响着整台设备的工作性能与使用寿命。因此齿轮的制造水平直接反映出一个国家制造业乃至整个工业的发展水平。齿轮及其齿轮产品是机械装备的重要基础零件之一，绝大部分机械成套设备的主要传动部件都是齿轮传动。齿轮类型很多，有直齿轮、斜齿轮、人字齿等，齿面硬度有软齿面和硬齿面，齿轮转速有高有低，传动装置有开式装置和闭式装置，载荷有轻重之分。各种齿轮传动因其润滑方式不同，材料及热处理方式不同，齿轮传动的载荷和速度范围不同，在实际应用中会出现各种不同的失效形式。齿轮的失效主要发生在轮齿部分，其常见失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和齿面塑性变形五种1 。 齿轮在啮合过程中的表面损伤以及由于过载作用而导致的轮齿折断是齿轮传动过程中的主要失效形式。因此，研究齿轮的齿面强化具有极高的社会价值跟经济价值。根据近几年国内外在材料强化方面的研究进展及在齿轮上的应用，总结出齿轮齿面强化的方法主要有：表面渗氮和渗碳技术、热喷涂技术、激光淬火技术、喷丸强化技术及滚压强化加工技术等。3.目前研究的概况和发展趋势 齿轮是各类机械传动系统的关键部件，广泛应用于汽车，船帕、飞机、火车等的传动装置，齿轮性能的好坏直接影响养传动系统的使用寿命和运行过程中的安全系数。随着科学技术的发展，对齿轮使用性能的要求也越来越高。对于高速币载齿轮来说，要求就更高，不但要求沟轮表面要有较高的硬度、耐磨性、接触疲劳强度以及较好的心部韧性，同时还要求表面其有良好的抗火软化性、较低的冷擦系数和较好的抗腐蚀性能。目前，对于高速币载齿轮，多是采川中低碳合金钢通过传统的渗碳深层氮化等技术进行表面强化处理来达到使川要求。但是，传统单一的表面强化技术已难以满足新塑高性能齿轮的使川要求。随着科技的高速发展，新兴的表面强化技术和复合农面强化技术也已在齿轮表面强化处理上得到了应用和发展，如机械能表面强化技术、高能束表面强化技术、表而镀膜技术以及各种表面复合强化技术等都已在齿轮表而强化的处理上得到 了不同程度的应用，并取得了较好的效果。随着我国高速列车技术、航空航天技术的飞速发展,对于齿轮特别是高速重载齿轮传动性能的要求日益增高。目前,常用的齿轮强化方法主要有渗碳渗氮、喷丸、激光淬火、热喷涂、离子锻等传统工艺方法,以及近年来新兴的激光洋火、超声喷丸等强化方法3。滚压威形技术在大约100年以前就被成功应用于螺纹零件的制造中，对于齿轮零件来说，同样人们很早就开始运用滚压成形技术对其进行加工。不同的是，齿轮轮齿部分的成形精度要求，要比螺纹牙成形严格得多。轮齿成形精度低、模具寿命短等因素制约着该技术的发展。20世纪50年代，不少学者以提高轮齿成形质量、解决实用化问题为目的，进行了齿轮的滚压成形研究。70年代出现了采用内啮台滚压成形的加工方法，最为代表的是由波兰的MarciniaI(等人创立的WPM法WPM法是用一对廓形齿轮作成形刀具，分别通过两个偏心轴使扇形滚刀作圆周运动后将轮坯齿形包络出来。WPM法为内齿成形刀具，较外齿滚刀强度好且刀具与轮坯之间周向接触弧长、相对滑动速度小，具有成形质量好、刀具寿命长的特点。随后西德的Weck等人叉采用Grob法进行了直齿轮塑性成形研究。Grob法为仿形法，沿轴向进给，需分度回转才能完成全部轮齿的加工，加工度较范成法低，但适台加工花键轴一类的长形零件。冷挤滚压成形存在成品合格率，生产效率等方面的问题。推广运用受到限制。因此，热挤滚压成形技术得到关注。日本学者成濑政南早在20世纪5哞代开始研究热挤滚压齿轮技术。与冷挤滚压不同，热挤滚压设置一对齿形滚沿横向进给，工件用高频线圈加热，成形压力明显下降且轮齿容易成形。由于影响热挤滚压齿轮质量(如精度、材料流动、成形缺陷及热处理后强度等)的因素较多，后来日本学者圃野等叉进行了热挤滚压齿轮成形条件诸多影响因素的实验研究。进入80年代，滚压成形技术研究向高品质、低成本的”净成形“加工方向发展，并运用模拟仿真技术进行试验研究齿轮的滚压成形技术经过数年发展，现已进入实用阶段。综台各类研究成果得到如下结论：（1）滚压成形技术能加工5级精度的圆柱齿轮，尤其是能解决斜齿轮挤压成形时的拨横问题且成形压力小，成形设备制造容易。（2）对于抗拉强度低的材料或小横数(1333)的齿轮，采用冷挤滚压工艺较为合适；对于抗拉强度高及模数大的齿轮，应采用热挤滚压加工。（3）冷挤滚压时，控制滚挤压力，选择滚压次数，改变回转方向可提高轮齿成形的精度。（4）热挤滚压时，所需成形压力较小且刀具轮齿与加工齿轮接触时间短，有利于刀具冷却和润滑。（5）热挤滚压轮坯的加热层厚度、每转中的滚挤压入量及圆周速度、接触面上的润滑状态等是保证成形质量的重要园素。其相互之间的关系及影响需通过实验得到明确。随着齿轮零件形状复杂化，还出现了锥形内齿轮、圆弧(包括齿向圆弧)齿轮，错齿(斜)齿轮、非圆形齿轮等特殊结构零件，这类齿轮都需要用塑性成形的方法去加工。为此，还需要对金属塑性成形技术从理论上、工艺方法上作更深研究。 随着科技的发展，人们对各种传动部件的使用要求越来越高。例如高速列车（350klrn/h）要求传动部件如齿轮，具有高疲劳强度，商弯曲强度低磨损和摩擦，以及高的承载能力例。单一的表面强化技术不易满足综合性能要求高的工件的使用要求，而将两种或多种表面强化技术进行复合处理，将显著提高工件的综合性能，满足了更加复杂的使用要求。目前的齿轮表面复合强化技术主要有：传统与传统的齿轮表面复合强化技术，传统与新型的齿轮表面复合强化技术，新型与新型的齿轮表而复合强化技术。复合滚压强化技术使齿轮表面具有较好的综合性能，可制备出性能优异的材料满足了对齿轮较高的使川要求。因此，对于齿轮农面复合强化技术的研究已引起国内外材料界的了一泛重视未来可通过对多种表面强化技术的复合及研究，使齿轮的综合性能得到极大的提高。随着复合强化技术的不断深人和设备的不断改进，相信齿轮表而复合强化技术会有一个更为广阔的前景。二、论文（设计）研究的内容1.重点解决的问题 （1）120T电机车行走齿轮强化装置的传动系统设计 （2）120T电机车行走齿轮强化装置的结构设计2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）（1）电机车工作情况分析-确定齿轮的主要失效形式（2）电机车行走齿轮齿根强化方案的对比分析及总体方案设计（3）电机车行走齿轮齿根滚压机床强化装置的传动系统设计（4）电机车行走齿轮齿根滚压机床强化装置的结构设计.（5）强化装置的液压系统设计（6）1）强化装置的总装配图 2）主要零件图 3）撰写设计说明书一份3.本论文（设计）预期取得的成果通过学习及查阅有关资料掌握齿轮失效的主要形式以及齿轮强化的工艺方法及设备。在设计的过程中加深了对液压系统的了解并且熟悉了液压系统的简单设计，通过以上的学习能使我对齿轮齿根强化有一个更深的了解。最终提交设计说明书一份；绘制电机车行走齿轮强化装置的总装配图；主要零部件图纸。 三、论文（设计）工作安排1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）；（1）调查、收集相关资料。（2）电机车行走齿轮滚压机床的传动方案分析比较（3）电机车行走齿轮滚压机床的运动及动力参数选择（4）电机车行走齿轮滚压机床的结构设计（5）通过自己的设计和现有的研究成果进行比较，最后进行总结分析。2.论文（设计）进度计划第1周：收集相关资料，准备撰写开题报告第2周：阅读整理所收集资料第3周：完成开报告初稿，交指导老师修改第4周：完成开题报告第5周：120T电机车行走齿轮齿根强化装置总体方案设计第6周：120T电机车行走齿轮断齿分析，确定齿根强化措施及方法第7周：120T电机车行走齿轮强化装置传动系统设计设计-运动参数及动力参数及算，进行中期捡查。第8周：120T电机车行走齿轮强化装置的结构设计-绘制装配图第9周：120T电机车行走齿轮强化装置的结构设计-绘制装配图第10周：120T电机车行走齿轮强化装置的结构设计-绘制部分零件图第11周：撰写120T电机车行走齿轮强化装置设计说明书第12周：修改完善120T电机车行走齿轮强化装置设计说明书第13周：翻译外文资料第14周：完善所有设计内容第15周：准备答辩 四、需要阅读的参考文献1成大先.机械设计手册单行本S. 北京：化学工业出版社，20042柯建宏.机械制造技术基础课程设计M. 华中科技大学出版社3王允岭.电机车走行装置减速机螺旋锥齿轮损坏原因分析和解决J. 现代制造技术与装备,2011,05:41-42.4刘书云.采煤机行走部齿轮磨损的原因分析及预防措施J.机械管理开发,2015,10:76-80.5冯春年.矿用挖掘机行走机构驱动大齿轮断齿故障分析J.露天采矿技术,2009,03:42-44.6冯文改,许海健. 挖掘机行走大齿轮断齿失效分析J. 机械工程与自动化,2008,02:189-190.7李蕾,苏猛. 矿用电机车冲击重载齿轮的弹性结构设计及动态特性分析J. 机械设计与制造,2006,02:17-19.8娄秀清. 对电力机车牵引电机小齿轮失效的探讨J. 科技创新与应用,2014,10:86.9鄢文彬,富振成,张平生,涂铭旌,刘忠林,李吉厚. 80吨工矿电机车从动齿轮脆断失效分析及改进措施J. 西安交通大学学报,1985,04:52-60.10王佃文. 矿用电力机车走行部从动齿轮断裂事故浅析J. 甘肃科技,2011,24:79-80.11孔志营.齿轮齿面超声滚压强化技术研究D.大连理工大学,2014.娄秀清. 对电力机车牵引电机小齿轮失效的探讨J. 科技创新与应用,2014,10:86.12魏升. 采煤机行走轮齿根断裂特性分析D.煤炭科学研究总院,2014.13王兴文,张勇涛,李英,郑德福. 采煤机行走部齿轮磨损的原因分析及预防措施J. 煤矿机械,2013,03:195-196.14查伏强. 关于齿轨轮断齿原因的分析与解决方法J. 科技资讯,2015,25:83-84.15魏升,周常飞,南海云. 采煤机行走轮齿根断裂分析J. 矿山机械,2016,02:15-18.16Jesper Brauer. A general finite element model of involute gearsJ. Finite Elements in Analysis & Design . 2004 (13) 17Yi-Cheng Chen,Chung-Biau Tsay. Stress analysis of a helical gear set with localized bearing contactJ. Finite Elements in Analysis & Design . 2002 (8)18Wang, J.,Howard, I.The torsional stiffness of involute spur gears. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science . 2004附：文献综述或报告1.1选题背景 齿轮作为机械零件中重要的传动元件,以其可靠、稳定的传动性能被广泛用于汽车、机床、工程机械、船舶、兵器、发电、航空航天等领域的各种机械系统中。齿轮的效率及寿命与齿轮的精度、表面质量和强度密切相关,在工业生产中,齿轮在各个领域的应用都有一定的精度和强度要求。齿轮的强度影响着传动系统的性能和寿命,从而影响着整台设备的工作性能与使用寿命,因此齿轮的制造水平直接反映出一个国家制造业乃至整个工业的发展水平。齿轮及其齿轮产品是机械装备的重要基础零件之一，绝大部分机械成套设备的主要传动部件都是齿轮传动。齿轮类型很多，有直齿轮、斜齿轮、人字齿等，齿面硬度有软齿面和硬齿面，齿轮转速有高有低，传动装置有开式装置和闭式装置，载荷有轻重之分。各种齿轮传动因其润滑方式不同，材料及热处理方式不同，齿轮传动的载荷和速度范围不同，在实际应用中会出现各种不同的失效形式。齿轮的失效主要发生在轮齿部分，其常见失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和齿面塑性变形五种1 。1.2齿轮强化技术的发展现状 随着我国高速列车技术、航空航天技术的飞速发展,对于齿轮、特别是高速重载齿轮传动性能的要求日益增高。目前,常用的齿轮强化方法主要有渗碳渗氮、喷丸、激光淬火、热喷涂、离子锻等传统工艺方法,以及近年来新兴的激光洋火、超声喷丸等强化方法3。1.2.1表面渗氮和渗碳技术 表面渗氮和渗碳技术是用加热扩散的方式使氮、碳元素渗入金属材料或工件的表面从而形成表面合金层的工艺。渗氮、渗碳分别是齿轮最常用的表面强化艺,属于传统强化方法,两种工艺各具优缺点。渗氮处理的钢材均为中低碳合金结构钢,例如38CrMoAl、25Cr2MoV,材料中含有较高的镍、络元素,有利于提高齿轮的强度。经过表面渗氮加工处理的齿轮在耐磨性方面比在相同试验条件下渗碳表面的耐磨性高70%-80%;此外按相关试验标准对经渗氮或渗碳处理的齿轮进行齿轮胶合试验,实验结果表明渗碳齿轮的抗胶合能力明显低于渗氮齿轮;另外,由于渗氮处理温度低,基体无相变,所以经过渗氮处理的齿面变形比渗碳处理的齿面变形小。这种方法适用于高速重载齿轮、难加工齿轮和内齿轮的表面强化,且渗氮齿轮的模数都限制于12nmi以下。可渗碳的钢材主要是低碳钢,例如20Cr2Ni4、12Cr2Ni4、20CrNi4、18Cr2Ni4W等,齿轮齿面超声滚压强化技术研究，其含碳量在0.1%0.25%范围内,具有良好的机械力学性能,有利于提高齿轮基体的軔性和塑性,防止轮齿折断。经过表面渗氮和渗碳处理的齿轮材料表层会产生一定的残余压应力,其中经渗碳浮火后的齿面的残余压应力为415MPa、采用渗赢处理的金属表层残余压应力约为450MPa5,对齿面的力学性能起到改善作用,可有效提高齿轮的疲劳强度和寿命。另外,经过渗碳处理的齿轮具有较高的弯曲疲劳强度,当循环次数小于105时,渗氮齿轮的承载能力才为渗碳齿轮的75% ;另外利用渗碳处理的强化方法强化齿轮表面,能够有效防止齿轮表面的损伤,提高使用寿命。而渗碳可计对模数高达40mm的齿轮,适用范围较广。综上所述,齿轮的渗氣、渗碳处理属于传统强化方法,己经获得广泛的应用。然而,由于渗氮齿轮的渗氣层相对较薄,因此对于冲击载荷较大的齿轮并不适用I7;渗碳齿轮由于强化后变形较大、表面质量较低,因此在一定程度上限制了其应用范围。另外,渗氮、渗碳强化技术对齿轮的模数、材料也有一定的适用范围要求,以及两种方法的工艺周期较长,这些都在一定程度上限制了它们的应用。1.2.2喷丸强化技术 喷丸强化是一种通过产生压应力层来提高金属零件疲劳强度的机械表面加工方法,在加工过程中,球形弹丸由喷丸机获得动能后高速撞击零件表面使之产生塑性变形,形成残余压应力层,并使表面形变强化,从而提高金属的疲劳性能并延缓工件的疲劳失效,延长寿命。喷丸的主要设备是喷丸机和弹丸;喷丸机主要分为叶轮式和气动式,分别依靠高速旋转的叶轮或高压气体为弹丸提供动能;弹丸则主要根据所用的材料来分类,常用的弹丸材料有铸铁、祷钢、不绣钢、玻璃、陶瓷等。弹丸的形状一般以球形为主,其直径分布较广,在0.1/77777 2mm之间。喷丸强化工艺有很多重要的工艺参数,这些工艺参数可以分为以下三类:第一类是被处理工件的相关参数,主要包括被强化工件的材料、硬度、表面质量等;第二类是弹丸流的相关参数,主要包括弹丸的大小、形状、硬度等基本参数,以及、喷射速度、流量、喷丸时间等工艺参数;第三类是指接触碰撞相关的参数,主要包括喷丸覆盖率、弹丸的冲击角度和距离等。目前,喷丸强化工艺被广泛应用于汽车行业来提高工件的疲劳寿命和表面特性。在强化过程中,金属表面在弹丸的高速冲击作用下产生塑性变形,冲击形成的凹坑不断重叠,使表层形成均匀的硬化层和残余压应力。残余应力的大小和层深分布情况直接影响着工件的疲劳寿命5。虽然喷丸强化技术,可以获得较高的硬度和残余应力层,但是经过喷丸后的齿轮表面比较粗糖,对于精度要求较高的齿轮,一般要对其进行磨削加工,这样就增加了工艺的复杂性和成本。随着喷丸技术的不断发展和广泛应用,人们开发出了多种新型的喷丸技术,常用的喷丸强化方法主要包括高能喷丸、微粒喷丸、激光喷丸、超声喷丸和高压水射流喷丸等,每种方法各有优劣之处。高能喷丸能够细化晶粒,达到纳米量级,从而实现了材料表层的纳米化,进而实现表面的强化作用。但由于弹丸的直径较大,强化后表面光洁度较差,在精度要求较高的情况下需要后续加工。微粒喷丸是使用比普通弹丸更小、更硬的微小弹丸作为喷丸介质,这种喷丸介质一般选用超硬合金、无定形合金或高速钢制造而成,直径在0.020.2mm的范围内。这种新喷丸介质的应用对于工具钢这类硬质材料的效果是十分有效的。这种喷丸技术的优点是可以显著提高工具的表面硬度、表面粗糖度和耐磨性能,缺点是经微粒喷丸处理的工件所形成的硬化层较浅。另一方面,微粒喷丸技术所得的残余应力值虽大,但其层深较浅,在距表层0.07mm的深度处的残余应力即降至0,远小于普通喷丸7。1.2.3热喷涂技术 热喷涂技术在表面工程领域有着广泛的应用。热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态,并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法,从而达到赋予基体表面特殊功能的目的9。在我国,热喷涂技术首先应用到航空航天领域。随着航空航天领域的快速发展,热喷涂技术得到很大的进步,使得过去热喷涂涂层的结合强度低、抗冲击性能差等弱点得以克服。新的热喷涂手段的应用给涂层质量带来质的飞跃,涂层孔隙度可降至0.5%-1.0%,涂层与基体的结合强度可高达70MPa-140MPa24。在齿轮加工方面,等离子喷涂技术可作为精加工齿轮的最后一道工序,主要用来提高齿轮的表面硬度,同时由于在膜材料中添加改善摩擦和润滑的元素,可以有效地改善齿轮的使用性能,提高环境的服役能力、提高齿轮使用寿命14。由于热喷涂技术只将少量的热传递到工件上,工件不易变形,而且短时间内能在零件表面形成高厚度、致密的组织,因此热喷涂技术在小模数齿轮表面处理方面具有较大优势。综上,齿轮热喷涂处理后在齿面硬度、表面粗糖度方面均可获得理想的效果,因此也可以作为加工的最后一道工序,但由于热喷涂设备较为昂贵,且对环境要求较高,保养费用高,目前只在航空航天领域应用广泛,要想获得广泛的应用还需要在设备研发方面,研制出成本较低、效率较高适用于大规模生产的热喷涂设备8。2.3齿轮齿面超声强化装置 本课题设计的齿轮齿面超声强化装置主要包括由超声波发生装置、超声工具头等组成的超声波模块;由被强化齿轮、基圆盘、心轴等组成齿轮心轴模块;以及导尺、丝杆等导向传动部件,其结构示意图如图1所示11。 1)丝杆一 2)齿轮移动台3)基圆盘4)被强化齿轮5)导尺6)丝杠二 7)超声工具头8)超声变幅杆9)导轨副10)压力弹簧11)超声移动台 图1 齿轮超声滚压强化装置示意图 经过超声滚压强化处理后,被强化齿轮的齿面粗糙度有明显改善,但粗糙度值减小到一定范围内后趋于稳定;齿面残余应力表现为残余压应力,并随着静压力的增大和重复加工次数的增多而变大;对于齿廓偏差,超声强化的修正作用较小。 总结： 随着科学技术的飞跃发展,各行各业对齿轮强度和表面质量提出了更高的需求,尤其是近几年我国高速列车、航空领域高速发展,对于齿轮的制造要求也进一步提高。综上所述,在当前的发展背景下,研究高质量、低成本的齿轮齿根强化方法对工业发展具有非常重要的现实意义。审 核 意 见指导教师评阅意见（对选题情况、研究内容、工作安排、文献综述等方面进行评阅）签字： 年 月 日教研室主任意见签字： 年 月 日学院教学指导委员会意见签字： 年 月 日公章：大 连 大 学本科毕业论文(设计) 论 文 题 目：120吨电机车行走齿轮的断齿分析与强化 装置设计 学 院： 专 业 、班 级： 学 生 姓 名： 指导教师（职称）： 年 月 日填摘 要齿轮作为机械零件中重要的传动元件,以其可靠、稳定的传动性能被广泛用于汽车、强化装置、工程机械、船舶、兵器、发电、航空航天等领域的各种机械系统中。齿轮的效率及寿命与齿轮的精度、表面质量和强度密切相关,在工业生产中,齿轮在各个领域的应用都有一定的精度和强度要求。齿轮的强度影响着传动系统的性能和寿命,从而影响着整台设备的工作性能与使用寿命,因此齿轮的制造水平直接反映出一个国家制造业乃至整个工业的发展水平。而齿轮强化的方法有滚压和喷丸。综合评价还是采用滚压的方法比较好。通过对电机车行走齿轮齿根的强化设计可以对电机车行走齿轮齿根的失效形式有了更深的了解以及在生产实践中对电机车行走齿轮齿根强化的完善。 随着我国高速列车技术、航空航天技术的飞速发展,对于齿轮、特别是高速重载齿轮传动性能的要求日益增高。关键词: 齿轮，电机车行走齿轮，步进电机，滚珠丝杠，直线滚动导轨VAbstractGear as important components in the machine parts, with its reliable and stable performance are widely used in automotive, strengthening equipment, engineering machinery, ships, weapons, power generation, aerospace and other fields of various mechanical systems. The efficiency and life of the gear is closely related to accuracy, surface quality and strength of the gear, in industrial production, the gear in the various fields of application have a certain precision and strength requirements. Gear strength affect driving performance and service life of the system, thus affecting performance and service life of the whole device, gear manufacturing level directly reflects the level of development of the countrys manufacturing industry and the industry as a whole. Strengthening method of rolling and shot peening of gears. Comprehensive evaluation on or using the rolling method is better. Through the strengthening of motor vehicle walking gear tooth design for motor cars have a better walking gear tooth failure, as well as in the production of motor vehicle walking gear tooth hardening of perfection. With the development of Chinas high-speed train technology, aerospace technology, high-speed and heavy-duty gear transmission in gear, especially increasing performance demands.Keywords:gears, motor vehicle walking gear, stepper motor, ball screw, linear motion Guide目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 绪论61.1 研究意义61.2 研究的概况和发展趋势61.3 齿轮的应用形式及特点71.4 齿轮传动的失效形式81.4.1轮齿折断91.4.2齿面磨损101.4.3齿面点蚀101.4.4齿面的胶合121.5 齿轮强化技术的发展现状14第2章 滚压强化装置传动方案分析比较172.1 120吨电机车行走齿轮分析172.2 超声滚压强化技术的加工原理182.3 强化装置的方案设计192.4 齿轮齿面超声强化装置202.4.1超声波模块212.4.2 超声强化过程的实现24第3章 强化装置主要设计计算263.1 滚珠丝杠螺母副的选用设计263.1.1 滚珠丝杠副的传动原理263.1.2 滚珠丝杠副的传动特点263.1.3 滚珠丝杠副的结构与调整273.1.4 轴向间隙的调整和加预紧力的方法283.2 滚珠丝杠的选择303.2.1滚珠丝杠的精度303.2.2 滚珠丝杠参数的计算303.3 伺服电机的选择343.3.1最大切削负载转矩的计算343.3.2负载惯量的计算343.3.3空载加速转矩计算353.4 联轴器的选择363.5 轴承的选择363.6 滚珠丝杠副的安全使用373.6.1 润滑373.6.2 防尘383.6.3使用383.6.4 安装38第4章 直线滚动导轨的选型394.1 导轨的比较394.2 直线导轨的选型42结论44参考文献45致谢47第1章 绪论1.1 研究意义 齿轮作为机械零件中重要的传动元件,以其可靠、稳定的传动性能被广泛用于汽车、强化装置、工程机械、船舶、兵器、发电、航空航天等领域的各种机械系统中。齿轮的效率及寿命与齿轮的精度、表面质量和强度密切相关,在工业生产中,齿轮在各个领域的应用都有一定的精度和强度要求。齿轮的强度影响着传动系统的性能和寿命,从而影响着整台设备的工作性能与使用寿命,因此齿轮的制造水平直接反映出一个国家制造业乃至整个工业的发展水平。齿轮及其齿轮产品是机械装备的重要基础零件之一，绝大部分机械成套设备的主要传动部件都是齿轮传动。齿轮类型很多，有直齿轮、斜齿轮、人字齿等，齿面硬度有软齿面和硬齿面，齿轮转速有高有低，传动装置有开式装置和闭式装置，载荷有轻重之分。各种齿轮传动因其润滑方式不同，材料及热处理方式不同，齿轮传动的载荷和速度范围不同，在实际应用中会出现各种不同的失效形式。齿轮的失效主要发生在轮齿部分，其常见失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和齿面塑性变形五种1 。而齿轮强化的方法有滚压和喷丸。综合评价还是采用滚压的方法比较好。通过对电机车行走齿轮齿根的强化设计可以对电机车行走齿轮齿根的失效形式有了更深的了解以及在生产实践中对电机车行走齿轮齿根强化的完善。1.2 研究的概况和发展趋势 随着我国高速列车技术、航空航天技术的飞速发展,对于齿轮、特别是高速重载齿轮传动性能的要求日益增高。目前,常用的齿轮强化方法主要有渗碳渗氮、喷丸、激光淬火、热喷涂、离子锻等传统工艺方法,以及近年来新兴的激光洋火、超声喷丸等强化方法3。滚压威形技术在大约100年以前就被用于螺纹零件的制造中，并获得了成功对于齿轮零件来说，同样人们很早就开始运用滚压成形技术对其进行加工不同的是齿轮轮齿部分的成形精度要求要比螺纹牙成形严格得多轮齿成形精度低、横具寿命短等因素制约该技术的发展20世纪50年代，不少学者以提高轮齿成形质量解决实用化问题为目的进行了齿轮的滚压成形研究70年代出现采用内啮台滚压成形的加工方法，最为代表的是由波兰的MarciniaI(等人创立的WPM法WPM法是用一对廓形齿轮作成形刀具，分别通过两个偏心轴使扇形滚刀作圆周运动后将轮坯齿形包络出来。WPM法为内齿成形刀具，较外齿滚刀强度好且刀具与轮坯之间周向接触弧长相对滑动速度小，具有成形质量好、刀具寿命长的特点随后西德的Weck等人叉采用Grob法进行了直齿轮塑性成形研究Grob法为仿形法，沿轴向进给需分度回转才能完成全部轮齿的加工加工度较范成法低但适台加工花键轴一类的长形零件。冷挤滚压成形存在成品合格宰生产效率等方面的问题推广运用受到限制为此，热挤滚压成形技术得到关注日本学者成濑政南早在20世纪5哞代开始研究热挤滚压齿轮技术。与冷挤滚压不同，热挤滚压设置一对齿形滚沿横向进给，工件用高频线圈加热成形压力明显下降且轮齿容易成形由于影响热挤滚压齿轮质量(如精度、材料流动、成形缺陷及热处理后强度等)的因素较多，后来日本学者圃野等叉进行了热挤滚压齿轮成形条件诸多影响因素的实验研究进入80年代，滚压成形技术研究向高品质、低成本的”净成形“加工方向发展，并运用模拟仿真技术进行试验研究齿轮的滚压成形技术经过数年发展，现已进入实用阶段综台各类研究成果得到如下结论：滚压成形技术能加工5级精度的圆柱齿轮，尤其是能解决斜齿轮挤压成形时的拨横问题且成形压力小，成形设备制造容易对于抗拉强度低的材料或小横数(13312m/s），要用喷油润滑的方式进行润滑，因其同时还起着散热的作用，对于散热是有利的，这种状况需要用一些粘度较低的油对其进行润滑。对于开式齿轮传动，由于齿面磨损比点蚀快，所以很少会出现齿面点蚀的破坏。1.4.4齿面的胶合齿面的胶合是由于齿面间不能够形成效果较好的润滑油膜，此时就会导致齿面间金属的接触，并在之后的相对的运动中，相互粘在一起的金属就会沿着相对滑动的方向相互撕扯进而在齿的表面就会出现裂痕，如图14中的齿轮所示。齿面的胶合会引起齿轮之间的撞击和噪声，导致齿轮的传递性能下降，甚至会导致齿轮传动装置的失效。图 14 齿面的胶合高速重载的齿轮传动装置，相比较而言齿面间压力是比较大的，相对滑动的速度也较大，因轮齿间摩擦就导致局部温度的提高，轮齿间油膜的破裂，造成齿面之间金属的直接接触并相互粘在一起，轮齿传动间的这种破坏就称为齿面热胶合；低速重载的齿轮传动(v4m/s)，由于齿面间压力非常的高，导致油膜破裂而使金属粘在一起的破坏就称为齿面冷胶合。采用正变位的齿轮，缩小齿轮模数，缩小齿的高度以减小轮齿间的滑动速度，提高齿面的硬度，减小齿面的粗糙度值，采用抗胶合能力高的齿轮材料，在润滑油中加入特殊的抗胶合能力强的极压添加剂等，都可以在一定程度上提高齿轮的抗胶合的能力。5、 塑性变形当加工制作齿轮的材料比较软时，如果轮齿上所受的载荷所产生的应力超过材料的屈服极限，轮齿就会发生一定程度的变形。当轮齿上受到冲击载荷作用时，在较软齿面的接触部位就会出现压痕；当润滑不良而导致齿面间产生过大的摩擦力时，齿面材料就有可能沿着摩擦力的作用方向发生金属的塑性流动。在主动轮的轮齿上，轮齿所受摩擦力的方向背离节线，齿面金属的流动会导致节线处下凹；在从动轮的轮齿上，轮齿所受摩擦力的方向指向节线，齿面金属的流动会导致节线处凸起，如图15所示。图 15 摩擦力作用下的齿面塑性变形提高轮齿齿面的硬度，采用高粘度的或加有极压添加剂的润滑油，都会有助于延缓、减少或者是防止轮齿产生一定程度的塑性变形。为了防止齿轮发生上面所说的几种失效形式，还可以采用选配主、从动齿轮的材料以及硬度，适当的磨合，以及选用合适的润滑剂及润滑方法等措施。1.5 齿轮强化技术的发展现状 随着我国高速列车技术、航空航天技术的飞速发展,对于齿轮、特别是高速重载齿轮传动性能的要求日益增高。目前,常用的齿轮强化方法主要有渗碳渗氮、喷丸、激光淬火、热喷涂、离子锻等传统工艺方法,以及近年来新兴的激光洋火、超声喷丸等强化方法3。1.5.1表面渗氮和渗碳技术 表面渗氮和渗碳技术是用加热扩散的方式使氮、碳元素渗入金属材料或工件的表面从而形成表面合金层的工艺。渗氮、渗碳分别是齿轮最常用的表面强化艺,属于传统强化方法,两种工艺各具优缺点。渗氮处理的钢材均为中低碳合金结构钢,例如38CrMoAl、25Cr2MoV,材料中含有较高的镍、络元素,有利于提高齿轮的强度。经过表面渗氮加工处理的齿轮在耐磨性方面比在相同试验条件下渗碳表面的耐磨性高70%-80%;此外按相关试验标准对经渗氮或渗碳处理的齿轮进行齿轮胶合试验,实验结果表明渗碳齿轮的抗胶合能力明显低于渗氮齿轮;另外,由于渗氮处理温度低,基体无相变,所以经过渗氮处理的齿面变形比渗碳处理的齿面变形小。这种方法适用于高速重载齿轮、难加工齿轮和内齿轮的表面强化,且渗氮齿轮的模数都限制于12nmi以下。可渗碳的钢材主要是低碳钢,例如20Cr2Ni4、12Cr2Ni4、20CrNi4、18Cr2Ni4W等,齿轮齿面超声滚压强化技术研究，其含碳量在0.1%0.25%范围内,具有良好的机械力学性能,有利于提高齿轮基体的軔性和塑性,防止轮齿折断。经过表面渗氮和渗碳处理的齿轮材料表层会产生一定的残余压应力,其中经渗碳浮火后的齿面的残余压应力为415MPa、采用渗赢处理的金属表层残余压应力约为450MPa5,对齿面的力学性能起到改善作用,可有效提高齿轮的疲劳强度和寿命。另外,经过渗碳处理的齿轮具有较高的弯曲疲劳强度,当循环次数小于105时,渗氮齿轮的承载能力才为渗碳齿轮的75% ;另外利用渗碳处理的强化方法强化齿轮表面,能够有效防止齿轮表面的损伤,提高使用寿命。而渗碳可计对模数高达40mm的齿轮,适用范围较广。综上所述,齿轮的渗氣、渗碳处理属于传统强化方法,己经获得广泛的应用。然而,由于渗氮齿轮的渗氣层相对较薄,因此对于冲击载荷较大的齿轮并不适用I7;渗碳齿轮由于强化后变形较大、表面质量较低,因此在一定程度上限制了其应用范围。另外,渗氮、渗碳强化技术对齿轮的模数、材料也有一定的适用范围要求,以及两种方法的工艺周期较长,这些都在一定程度上限制了它们的应用。1.5.2喷丸强化技术 喷丸强化是一种通过产生压应力层来提高金属零件疲劳强度的机械表面加工方法,在加工过程中,球形弹丸由喷丸机获得动能后高速撞击零件表面使之产生塑性变形,形成残余压应力层,并使表面形变强化,从而提高金属的疲劳性能并延缓工件的疲劳失效,延长寿命。喷丸的主要设备是喷丸机和弹丸;喷丸机主要分为叶轮式和气动式,分别依靠高速旋转的叶轮或高压气体为弹丸提供动能;弹丸则主要根据所用的材料来分类,常用的弹丸材料有铸铁、祷钢、不绣钢、玻璃、陶瓷等。弹丸的形状一般以球形为主,其直径分布较广,在0.1/77777 2mm之间。喷丸强化工艺有很多重要的工艺参数,这些工艺参数可以分为以下三类:第一类是被处理工件的相关参数,主要包括被强化工件的材料、硬度、表面质量等;第二类是弹丸流的相关参数,主要包括弹丸的大小、形状、硬度等基本参数,以及、喷射速度、流量、喷丸时间等工艺参数;第三类是指接触碰撞相关的参数,主要包括喷丸覆盖率、弹丸的冲击角度和距离等。目前,喷丸强化工艺被广泛应用于汽车行业来提高工件的疲劳寿命和表面特性。在强化过程中,金属表面在弹丸的高速冲击作用下产生塑性变形,冲击形成的凹坑不断重叠,使表层形成均匀的硬化层和残余压应力。残余应力的大小和层深分布情况直接影响着工件的疲劳寿命5。虽然喷丸强化技术,可以获得较高的硬度和残余应力层,但是经过喷丸后的齿轮表面比较粗糖,对于精度要求较高的齿轮,一般要对其进行磨削加工,这样就增加了工艺的复杂性和成本。随着喷丸技术的不断发展和广泛应用,人们开发出了多种新型的喷丸技术,常用的喷丸强化方法主要包括高能喷丸、微粒喷丸、激光喷丸、超声喷丸和高压水射流喷丸等,每种方法各有优劣之处。高能喷丸能够细化晶粒,达到纳米量级,从而实现了材料表层的纳米化,进而实现表面的强化作用。但由于弹丸的直径较大,强化后表面光洁度较差,在精度要求较高的情况下需要后续加工。微粒喷丸是使用比普通弹丸更小、更硬的微小弹丸作为喷丸介质,这种喷丸介质一般选用超硬合金、无定形合金或高速钢制造而成,直径在0.020.2mm的范围内。这种新喷丸介质的应用对于工具钢这类硬质材料的效果是十分有效的。这种喷丸技术的优点是可以显著提高工具的表面硬度、表面粗糖度和耐磨性能,缺点是经微粒喷丸处理的工件所形成的硬化层较浅。另一方面,微粒喷丸技术所得的残余应力值虽大,但其层深较浅,在距表层0.07mm的深度处的残余应力即降至0,远小于普通喷丸7。1.5.3热喷涂技术 热喷涂技术在表面工程领域有着广泛的应用。热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态,并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法,从而达到赋予基体表面特殊功能的目的9。在我国,热喷涂技术首先应用到航空航天领域。随着航空航天领域的快速发展,热喷涂技术得到很大的进步,使得过去热喷涂涂层的结合强度低、抗冲击性能差等弱点得以克服。新的热喷涂手段的应用给涂层质量带来质的飞跃,涂层孔隙度可降至0.5%-1.0%,涂层与基体的结合强度可高达70MPa-140MPa24。在齿轮加工方面,等离子喷涂技术可作为精加工齿轮的最后一道工序,主要用来提高齿轮的表面硬度,同时由于在膜材料中添加改善摩擦和润滑的元素,可以有效地改善齿轮的使用性能,提高环境的服役能力、提高齿轮使用寿命14。由于热喷涂技术只将少量的热传递到工件上,工件不易变形,而且短时间内能在零件表面形成高厚度、致密的组织,因此热喷涂技术在小模数齿轮表面处理方面具有较大优势。综上,齿轮热喷涂处理后在齿面硬度、表面粗糖度方面均可获得理想的效果,因此也可以作为加工的最后一道工序,但由于热喷涂设备较为昂贵,且对环境要求较高,保养费用高,目前只在航空航天领域应用广泛,要想获得广泛的应用还需要在设备研发方面,研制出成本较低、效率较高适用于大规模生产的热喷涂设备8。49第2章 滚压强化装置传动方案分析比较2.1 120吨电机车行走齿轮分析120吨电机车行走齿轮是一种受重载的齿轮，受到的负荷大，受力情况复杂，容易发生断齿现象，综合评价还是采用滚压的方法比较好。通过对电机车行走齿轮齿根的强化设计可以对电机车行走齿轮齿根的失效形式有了更深的了解以及在生产实践中对电机车行走齿轮齿根强化的完善。 随着我国高速列车技术、航空航天技术的飞速发展,对于齿轮、特别是高速重载齿轮传动性能的要求日益增高。图2-1 齿轮图本章在超声滚压强化技术的基础上，结合圆柱直齿轮渐开线齿廓的展成原理，搭建了一套齿轮齿面超声滚压强化装置，实现了直齿渐幵线齿轮齿面的强化加工。目前该强化装置尚处于实验研宄阶段，为全面了解超声滚压强化技术对于渐开线齿面的强化效果，在进行实验时，切去齿轮上待加工轮齿相邻一侧的齿，从而得到更大的强化范围，为后期的测量和研宄提供更多的数据支撑。2.2 超声滚压强化技术的加工原理超声滚压强化加工技术是将超声振动与传统滚压加工相结合的一种复合加工方法，本质上，是一种冷塑性加工技术。该技术是根据纵向超声波振动的原理设计的高效精密无切屑加工技术，其振动挤压加工过程如图所示。末端的加力设备将工具头压紧在待加工工件表面，同时工具头在超声设备的激励下进行高频振动、待加工工件在机床的作用下高速旋转，从而实现对工件表面的连续高频动载冲击作用。这种加工方法可以有效减小金属材料表面的微观凸起，从而大大降低其值，提高表面光洁度和表面质量。经反复加工后，金属表面产生均勾的弹塑性变形层，并在一定深度内产生残余压应力，有利于提高金属表层的力学性能，延长被加工零件的疲劳寿命。图2-2 超声滚压强化加工2.3 强化装置的方案设计超声滚压强化技术对于被强化表面的强化效果主要依靠超声波震动和附加静压力的作用，因此只有保证强化过程中静压力和超声振幅的稳定，才能获得均匆一致的强化效果。目前，超声滚压强化技术的应用研宄只针对于圆柱表面或端面等规则表面，主要通过圆柱面的回转运动或者超声工具的平面运动来实现强化，在上述强化过程中，超声工具头在振动方向的位置保持不变，从而保证了稳定的静压力；而对于不规则曲面，强化过程难以保证工具头与被强化表面的相对运动轨迹与不规则表面的轨迹完全一致，则运动过程中随着二者相对位置的不断变化，压力弹簧的压缩量发生变化，从而导致静压力大小的改变，则无法保证整个被强化表面上超声强化效果的一致。本课题主要针对渐开线圆柱齿轮齿面的强化方法进行研宄，因此要求强化装置能够适用于齿轮渐幵线齿面的强化加工。结合实际加工要求，根据齿轮齿面渐开线的展成原理，设计了一套适用于渐开线圆柱齿轮齿面的超声强化装置，图为装置的系统组成图。图2-3 齿轮超声滚压强化装置的系统组成图超声设备在工作时，首先由超声波发生器产生高频电信号；经过换能器中材料的压电效应将电信号转换为高频的机械振动，即超声信号；再经过变幅杆的放大作用，最终使超声工具头在变幅杆轴向方向产生振幅较大的高频机械振动；同时工具头在压力弹黃的作用下紧密接触齿轮齿面，从而对工件表面产生脉冲式动载冲击作用，使金属表层材料产生塑性变形，从而实现强化的目的。在强化过程中，设备的机械传动装置使超声工具头和被强化齿轮的轮齿始终保持哨合运动，从而保证连续加工的过程中，超声工具头在末端压力弹簧作用下始终压紧齿面的同时，其对齿面的静压力保持恒定。2.4 齿轮齿面超声强化装置本课题设计的齿轮齿面超声强化装置主要包括由超声波发生装置、超声工具头等组成的超声波模块；由被强化齿轮、基圆盘、心轴等组成齿轮心轴模块；以及导尺、丝杆等导向传动部件，其结构示意图如图2-4所示。1.丝杆一；2.齿轮移动台；3.基圆盘；4.被强化齿轮；5.导尺；6.丝杠二7.超声工具头；8.超声变幅杆；9.导轨副；10.压力弹簧；11.超声移动台图2-4 齿轮超声滚压强化装置示意图2.4.1超声波模块超声波模块主要包含超声波发生器（图中未展示）、超声波换能器、超声变幅杆和超声工具头。在工作的过程中，超声波发生器将市电信号转换高频交流电信号，之后通过导线传输给超声波换能器。超声波换能器将高频电信号转换为稳定的机械振动后传给变幅杆，变幅杆通过螺纹连接与超声波换能器紧密贴合，将超声振动的振幅放大后无损传给超声工具头，使其输出高频高振幅的机械振动。1.超声波发生器的选型及参数超声波发生器的主要作用的将50-60Hz的市电信号转换为与超声波换能器相配的高功率高频率（15kHz100kHz的交流电信号，提供给超声波换能器。其工作原理如图所示。在通电之后，信号发生器产生一个频率与换能器匹配的高频信号，这个高频信号经功率放大器放大后，功率可达再经过阻抗匹配，实现输出阻抗与换能器阻抗的匹配，即可以激励换能器发生压电效应。常用的超声波频率有15kHz、20kHz、25kHz、35kHz、40kHz、100kHz等，目前100kHz以上的频率尚未在超声波领域广泛应用。图2-5 超声波发生器原理本课题选用的超声波发生器为杭州成功超声设备有限公司生产的ZJS-2000型超声波发生器，实物图如图2-6所示：图2-6 ZJS-2000型超声波发生器该设备的特点是谐振频率具有连续可调性，可通过调节设备侧面的调谐装置，在较大的频率范围内实现连续调节，以追踪不同超声工具头的谐振频率。表2-1 超声波发生器的各项技术参数2.超声波换能器超声波换能器是将其他形式的能量转换为超声信号的能量转换器。本课题选用的超声波换能器是与超声波发生器配套的压电陶瓷式换能器，其工作原理是：在高频电信号的激励下，换能器内部压电陶瓷发生压电效应，将高频电信号转换为稳定的机械振动。3.超声变幅杆超声变幅杆又称超声变速杆、超声聚能器。它的主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大，或者将超声能量集中在较小的面积上，即聚能作用。一般的，超声换能器的振动表面的振幅较小，只有几微米，难以满足超声强化加工的实际需求，因此必须在换能器的末端加上一个超声变幅杆，将超声波的振幅放大到理想状态。本课题以在同等面积系数下获取最大放大倍数的原则选用阶梯形变幅杆。在整套超声设备中，超声变幅杆处于超声换能器和超声工具头之间，起振幅放大的作用。为了减少超声传递过程中发生的能量损耗，必须保证超声设备每两个部件在连接时彼此接触的两个端面紧密贴合，且不会在超声振动的作用下出现缝隙。本课题在设备的安装连接时，采用螺栓实现超声换能器与超声变幅杆，以及超声变幅杆与超声工具头之间的无缝连接，并在螺纹孔和接触面上涂油以避免出现空气间隙。最后将连接好的超声换能器、变幅杆及超声工具头一同放入招制的变幅杆外壳内，并固定在超声移动台上。4.超声工具头超声工具头是超声强化加工设备中重要的组成部分，其与超声变幅杆连接，不仅是超声波传导的最终载体，也是在超声强化过程中与工件直接接触的加工工具。目前，超声技术在齿轮强化领域的应用还很有限，因此可参考的方案也较少。第一章绪论部分中介绍到的齿轮齿面超声深滚技术采用一个型工具头，在对齿轮进行作用的过程中，齿轮与型工具头与的相对运动近似于齿轮与齿条的哨合运动。这种工具头的优点是工具头的宽度与齿宽相等，强化时其端面与齿面之间线接触，可以一次完成整个齿面的强化加工。但一方面由于工具头是随着超声变幅杆进行固定的，很难保证工具头端面的垂直度；另一方面，工具头在超声波的作用下产生大量的热、以及高频的振动挤压容易引起工具头端面的磨损，磨损的不均匀性和安装时的垂直度误差则导致齿面加工的不均勾。如图所示为超声深滚技术应用中发生的型工具头磨损和齿面局部破坏现象。图2-7 工具头磨损和齿面破坏本课题采用的超声加工头是基于上述型加工头进行改进设计的。新设计的工具头采用一个内含于工具头的钢球与齿面直接接触，钢球使用符合规定的轴承钢制造，硬度为，表面粗糖度小于，较高的硬度和良好的表面粗糖度可以极大程度的减小自身的磨损，另外由于结构的可拆卸性，当钢球发生磨损时可进行更换，从而避免对齿面的破坏。改进设计后，超声工具头与被强化齿轮齿面点接触，代替原型加工头与齿面间的线接触，既可有效避免加工过程中对齿面的刮擦破坏，又能大大提高加工头对齿面的作用力。在每一次超声强化过程中，超声工具头在齿面上沿着渐开线齿廓完成一条加工轨迹，然后操作齿轮轴套上的升降装置使齿轮在竖直方向上进行微量进给，如此往复操作，可实现对整个齿轮齿面的连续加工。5.静压力调节装置静压力调节装置的主要作用是给超声工具头施加一个恒定的静压力，使超声工具头始终压紧在齿轮齿面上。主要包含压力弹黃、导柱、弹簧挡板以及调节螺钉组成，如图2-8所示。其工作原理是：在强化加工开始之前，旋转超声移动台上的调节螺钉，通过改变弹篑挡板的位置，改变压力弹黃的压缩量，从而实现静压力的调节。图2-8 静压力调节装置2.4.2 超声强化过程的实现本装置包含齿轮移动台和超声移动台两个可移动平台，二者可分别通过其底部的丝杠一和丝杠二实现水平方向的移动。被强化齿轮通过轴套安装在齿轮移动台的心轴上，可通过调节上下两个圆螺母实现齿轮的轴向位移。基圆盘与被强化齿轮安装在同一心轴上，其直径等于齿轮的基圆直径。安装在超声移动台上的超声波模块内部集成了换能器、变幅杆及风冷装置，超声工具头固定于变幅杆，并由小螺杆将二者紧密连接。超声波模块可通过交叉导轨在超声移动台上移动。强化过程开始前，通过手柄转动丝杆一，将齿轮移动台上的基圆盘压紧到超声移动台上的导尺上，并调节超声工具头与被强化齿轮轮齿的相对位置。然后调整超声波模块末端的压紧弹簧以调节超声工具头对齿轮的初试静压力；强化加工过程中，由外力驱动丝杠二，使超声移动台做直线运动。同时基圆盘在摩擦力的作用下与导尺作纯滚动，并带动同轴的被强化齿轮一同旋转，从而实现超声工具头和被强化齿轮之间的展成运动2.5 本章小结本章结合超声滚压强化方法和渐幵线的展成原理，搭建了一套适用于渐开线圆柱齿轮齿面的超声强化装置，同时详细阐述了整个装置的系统组成以及其中的超声波模块和齿轮心轴模块的结构原理，详细说明了整个强化过程中，能量传递的过程和原理。最后简述了齿轮齿面超声强化实验整个强化加工过程的实现。第3章 强化装置主要设计计算3.1 滚珠丝杠螺母副的选用设计进给机构的进给运动，由进电机的转动，然后带动工作台丝杠传动。在数控工作台上的丝杠传动，可以用普通的丝杠传动，也还有应用滚珠丝杠来转动。原因是普通丝杠传动摩，但总是不太稳定。 所以，在三自由度工作台上要擦系数大，效率低，传动中有间隙。虽然传动中的间隙可以用一些办法来补偿，修正采用滚珠丝杠传动。滚珠丝杠传动有一系列的优点，但制造工艺较为复杂，成本高，在某些应用上受到一定的限制，但随着数控工作台的发展，它的使用将会更加广泛。 滚珠丝杠传动都使用防护罩，以防止空气中的尘土和其它杂物等进入。 滚珠丝杠和滚珠螺母组成滚珠丝杠螺母副，它是把步进电机的转动角位移，变换成数控工作台进给机构的的直线位移。 滚珠丝杠螺母副，也简称为滚珠丝杠副，是一种新的传动机构，它是在丝杠和螺母的螺旋槽之间装有滚珠，以此作为中间元件的一种传动机构。3.1.1 滚珠丝杠副的传动原理丝杠和螺母上都有圆弧形的螺旋槽,这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线的滚道,在滚道内装有许多滚珠.当丝杠旋转时,滚珠相对于螺母上的滚道滚动,因此丝杠与螺母之间滚道的摩擦为滚动摩擦.为防止滚珠从螺母中吊出来,在螺母的螺旋槽两端应用挡住器挡住,并设有回路滚道是他的两端连接起来.使滚珠从滚道的一端滚出后,沿着这个回路滚道从新返回到滚道的另一端,可以循环进行不断地滚动。3.1.2 滚珠丝杠副的传动特点滚珠丝杠副的优点是:传动效率高,因为它是滚动摩擦,传动效率可达0.920.96,比普通的丝杠传动提高34倍.由此带来了一系列的优点,如功率损耗小,传动平稳,磨损小,无爬行现象等等.除此而外还有两个特点,一是:一般的丝杠传动总是有间隙,而滚珠丝杠可以消除间隙,所以当丝杠转动反向时,可以没有空程,提高了反向的定位精度,也增强了传动刚度.二是:一般的丝杠传动只能使旋转运动转变为直线运动,而滚珠丝杠副由于传动的摩擦系数小,所以既能把旋转运动转变为直线运动,也可以从直线运动转变为螺旋运动,具有传动的可逆性,因此可以作为主动件,也可以作为从动件.它也有缺点,主要是元件的精度要求高,光洁度要求也高,所以制造工艺很复杂,成本也高.对于丝杠和螺母上的螺旋槽,一般要求磨削成型,因而制造困难,也限制了使用.又由于传动的可逆性,所以不能自锁,当应用在垂直传动装置时,由于自重和惯性的关系,在下降过程中不能立刻停止,因此还需要备有制动装置.3.1.3 滚珠丝杠副的结构与调整滚珠丝杠副的结构尽管在形式上有很多类型，但其主要区别是在螺纹滚到的型面形状，滚珠循环的方式，轴向间隙的调整和加预紧力的方法等三个方面。（1）螺纹滚道型面的形状螺纹滚道型面的形状有很多种，目前国内正式投产的，仅有单圆弧型面和双圆弧型面两种，如图所示。滚珠与滚道型面接触点法线与丝杠轴线的垂线之间的夹角，称为接触角（）。（a）单圆弧 (b) 双圆弧图4-1 滚珠丝杠副螺纹滚道型面的截形（2）单圆弧型面 一般滚道的圆弧半径要比滚柱的半径稍大一些。对于单圆弧型面的螺纹滚道，接触角是随着轴向负载大小而变化的，当轴向负载为零时，接触角也为零；当负载逐渐增大，接触角也逐渐增大。实验证明：当接触角增大时，传动效率，轴向刚度，承载能力都随之增大。（3）双圆弧型面 双圆弧型面螺纹滚道的接触角是不变的。在偏心距（e）决定后，滚珠与滚道的圆弧角接处，会有很小的空隙。这些空隙虽然能容纳一些脏物，但不至于堵塞，反而对滚柱的滚动有利。从传动效率，轴向刚度，承载能力等要求出发，接触角大一些好，但接触角过大制造就会困难。一般接触角为，滚道的圆弧半径也同样比滚柱的半径稍大一些。 滚珠的循环方式目前国内常用的滚珠循环方式由外循环和内循环两种。（1）外循环方式 如图所示为外循环方式，滚柱在循环过程中与丝杠脱离接触，通过外面的循环回路称为外循环（W系列）。这种外循环是直接在螺母的外圆上铣出螺旋槽，用挡珠器从螺母内部切断螺纹滚道，挡珠滚珠的去路，迫使滚珠导入通向外圆螺旋槽中，构成了外面的旋环回路。外循环的结构和制造较为简单容易，因此应用较广，他可以制成单列或式双列两种的结构形式。（2）内循环方式 滚柱在循环过程中与丝杠始终保持接触的称为内循环（N系列），如图所示。这种内循环是在螺母外侧孔中装了一个接通相邻滚道的反向器，借助这个反向器迫使滚珠翻过丝杠的牙顶，而进入相邻的滚道。内循环滚珠丝杠副回路短，工作滚珠数目少，结构尺寸紧凑，流畅性好，摩擦磨损小，传动效率高，轴向刚度和承载能力都较高，具有一系列优点，但制造困难，结构复杂，所以不及外循环方式应用的广泛。图4-2 外循环的滚珠丝杠 图4-3 内循环的滚珠丝杠3.1.4 轴向间隙的调整和加预紧力的方法对于滚珠丝杠副，除了单一方向的进给传动精度有一定的要求外，对它的轴向间隙也有严格的要求，以保证反向传动的精度。要把轴向间隙完全消除，也是相当困难的。通常采用双螺母，并加预紧力的方法来消除其轴向间隙。双螺母经加预紧力调整后，能基本上消除轴向间隙。单螺母的滚珠丝杠副是不能调整轴向间隙和预紧力的，其轴向间隙只能依靠滚珠丝杠副本的精度和安装时丝杠和螺母的连接精度来保证。双螺母加预紧力消除轴向间隙必须注意两点，一是：通过预紧后产生的力，可促使预拉变形，以减少弹性变形所引起的位移。但预紧力不能太大，否则会使驱动力矩增大，传动效率反而降低，使用寿命也随之缩短。二是：轴向间隙的消除，不能忽视丝杠的安装部分和驱动部分的轴向间隙，应同时调整是它减少到最小。目前常用的双螺母预紧力调整方法有下面三种。（1）垫片调隙式如图所示为垫片调隙式，一般用螺钉来连接滚珠丝杠上的两个螺母的凸缘处，在中间加垫片。垫片的厚度是螺母间产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预紧力的目的。 这种结构特点是结构简单，可靠，装拆方便。但缺点是调整很费时，在工作状态下不能随意调整，因为要更换不同厚度的垫片才能消除间隙，所以是用于一般精度的机构中使用。（2）螺纹调隙式 如图所示为螺纹调隙式。它是一个螺母的外端有凸缘，而另一个螺母的外端没有凸缘，车有螺纹，它伸出在套筒外，并用两个圆螺母调整好间隙后，再用一圆螺母锁紧螺母锁紧就可以了。 这种结构的特点是结构紧凑，调整方便，所以应用广泛，但调整的位移量不太精确。图4-4 垫片调隙式 图4-5螺纹调隙式齿差调隙式 如图所示为齿差调隙式。它是在两个螺母的凸缘上各有圆齿轮2，两者的齿数值相差一个齿，装入内齿圆3中，内齿圆3是用螺钉1和定位销4固定在套筒5上的。调整是先取下内齿圆3，转动圆柱齿轮2，在两个滚柱螺母相对于滚筒5转动时，可以使两个螺母相互产生角位移，这样滚柱螺母对于滚珠丝杠的螺旋滚道也相对移动是两个螺母中的滚柱分别贴近在螺旋滚到的两个相反的侧面上。消除间隙并产生预紧力后，把内齿圆3套上用定位销4固定。 这种结构的特点是调整精确可靠，定位精度高，但结构复杂，仅在高精度的数控强化装置有所应用。1螺钉； 2圆柱齿轮； 3内齿圆；4定位销； 5套筒。图4-6 齿差调隙式3.2 滚珠丝杠的选择3.2.1滚珠丝杠的精度查阅滚珠丝杠的样本选择丝杠精度为5级精度等级，初步设计现设丝杠行程偏差允许达到30m。3.2.2 滚珠丝杠参数的计算 （1）最大工作载荷的计算丝杠的最大载荷为工作时的最大进给力加摩擦力，最小载荷即为摩擦力。设最大进给力=5000N，导轨上面移动部件的重量约为500，贴塑导轨的摩擦系数为0.04，故丝杠的最小载荷（即摩擦力） （N） (3.3)丝杠最大载荷是： 50001965196（N） (3.4)平均载荷是：=3529（N） (3.5)（2）当量动载荷的计算 滚珠丝杠副类型的选择主要是根据导程和动载荷两个参数,其选择的原则为:滚珠丝杠的静载荷Coa不能大于额定静载荷Coam,即CoaCoam;滚珠丝杠的动载荷Ca不能大于额定动载荷Cam,即CaCam。驱动电机最高转速2000 r/min丝杠最高转速为2000r/min，工作台最小进给速度为0.5m/min，故丝杠的最低转速为0.1r/min，可取为0，则平均转速n=1000r/min。丝杠使用寿命T=15000h，故丝杠的工作寿命=675（r） (3.6)当量动载荷值： (3.7)式中： 载荷性质系数，无冲击取1-1.2，一般情况取1.2-1.5，有较大冲击振动时取1.5-2.5； 精度影响系数，对1、2、3级精度的滚珠丝杠取=1.0，对4、5级精度的丝杠取=0.9。 根据要求去=1.5，=0.9，代入数据得 51.59（KN） (3.8)根据计算所得最大动载荷和初选的丝杠导程，查滚珠丝杠样本，选择FF6310-5型内循环浮动返回器双螺母对旋预紧滚珠丝杠副，其公称直径为63mm，导程为10mm，循环滚珠为5圈2列，精度等级取5级，额定动载荷为55600N，大于最大计算动载荷=51590N，符合设计要求。表3.1 滚珠丝杠螺母副的几何参数名 称符 号计算公式和结果公称直径（mm）63螺距(mm)P10接触角钢球直径(mm)7.144螺纹滚道法面半径(mm)偏心距(mm)0.009螺纹升角(mm)=丝杠外径(mm)62.5丝杠底径(mm)57.3螺杆接触直径(mm)55.87螺母螺纹外径(mm)螺母内径(mm)（内循环）62.64（3）传动效率的计算将公称直径=63mm，导程=10mm，代入=arctan，的丝杠螺旋升角=。将摩擦角，代入=，得传动效率=93.7%。（4）刚度的验算本传动系统的丝杠采用一端轴向固定，一端浮动的结构形式。固定端采用一对面对面角接触球轴承和一个角接触球轴承，另一端也采用角接触球轴承，这种安装适应于较高精度、中等载荷的丝杠。滚珠丝杠螺母的刚度的验算可以用接触量来校核。a、滚珠丝杠滚道间的接触变根据公式Z=，求得单圈滚珠数Z=22，改型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数列数为52，代入公式圈数列数，得滚珠总数量=220。丝杠预紧时，取轴向预紧力=1732（N）。查相关公式得滚珠丝杠与螺纹滚道间接触变形 (3.9)式中=51590N。代入数据得；=0.013(mm)因为丝杠有预紧力，且为轴向负载，所以实际变形量可以减少一半，取=0.0065mm。 b、丝杠在工作载荷作用下的抗压变形 丝杠采用的是两端都为角接触球轴承，轴承的中心距a=1100mm，钢的弹性模量E=,由表2.1中可知，滚珠直径=7.144mm，丝杠底径=43.3mm，则丝杠的截面积： =1540.6()根据公式代入数据得：=0.018(mm)C、总的变形=0.0065+0.018=0.0245mm,丝杠的有效行程为600，丝杠在有效行程500630mm时，行程偏差允许达到30m,，可见丝杠刚度足够。（5）稳定性的验算 (3.10)公式中取支撑系数=2，由丝杠底径=43.3mm求的截面惯性矩=188957.7()，压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装），滚珠螺母至轴向固定处的距离取最大值1200mm，代入公式得：=181129.6()则f=181129.6N大于=51590N，故不会失稳，满足使用要求。 （6）临界转速的验算 对于滚珠丝杠还有可能发生共振，需要验算其临界转速，设不会发生共振的最高转速为临界转速。查资料得公式 ： (3.11)其中： (mm)； 为临界转速计算长度=1200(mm)； 为丝杠支承方式系数（一端固定，一端游动）代入数据得：4397(r/min),临界速度远大于丝杠所需转速，故不会发生共振。（7）滚珠丝杠选型和安装尺寸的确定由以上验算可以知道，丝杠型号为FF63105，完全符合所需要求，故确定选用该型号，安装尺寸查表可知。（8）丝杠支承的选择滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求。其两端支承的配置情况为轴向固定方式。本次设计丝杠支承选用一端固定，另一端浮动。 3.3 伺服电机的选择3.3.1最大切削负载转矩的计算 所选伺服电机的额定转矩应大于最大切削负载转矩。最大切削负载转矩T可根据以下公式计算，即 (3.12)从前面的计算可以知道，最大载荷N，丝杠导程=10mm=0.01m，预紧力=N，根据计算的滚珠螺母丝杠的机械效率=0.947，因为滚珠丝杠预加载荷引起的附加摩擦力矩： （Nm） (3.13)查手册得单个轴承的摩擦力矩为0.32Nm，故一对轴承的摩擦力矩=0.64Nm。简支端轴承步预紧，其摩擦力矩可忽略不计。伺服电动机与丝杠直接相连，其传动比=1，则最大切削负载转矩：(Nm)所选的伺服电机额定转矩应该大于此值。3.3.2负载惯量的计算伺服电机的转动惯量应与负载惯量相匹配。负载惯量可以按一下次序计算，折算到电动机轴上的惯量可按下式计算， (kg) (3.14)丝杠名义直径=63mm=0.063m，长度L=1.2m丝杠材料（钢）的密度=7.8。根据公式计算丝杠加在电动机轴上的惯量 () (3.15)联轴器加上锁紧螺母等的惯量可直接查手册得到，即()故负载总的惯量为()电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配。通常要求不小于，但也不是越大越好。因越大，总的惯量就越大，加速度性能受影响。为了保证足够的角加速度，以满足系统反应的灵敏的，将采用转矩较大的伺服电动机和它的伺服控制系统。根据有关资料的推荐，匹配条件为： (3.16)则所选交流伺服电动机的转子惯量应在0.00920.036范围之内。根据上述计算可选用表3.2中的交流伺服电机22/3000i型，其额定转矩为22Nm，最高，转动惯量J=0.012。表3.2 FANUC(HV)i系列交流伺服电机型号1/ 5000i2/ 5000i4/ 4000i8/ 3000i12/ 3000i22/3000i输出功率/kw0.5 0.751.41.634额定转矩(Nm)1 2481222最高转速500050004000300030003000转动惯量()0.000310.000530.00140.00260.00260.012质量348121829伺服放大器规格20i20i20i40i80i80i3.3.3空载加速转矩计算当执行件从静止以阶跃指令加速到最大移动（快速）速度时，所需要的空载加速转矩按下式求， (3.17)空载加速时，主要克服的是惯性，选用的22/3000i型交流伺服电动机,总惯量0.0120+0.0092=0.0212() 加速度时间通常取的34倍，故=(34)=(34)6=1824(ms)，则(Nm)3.4 联轴器的选择 金属弹性元件挠性联轴器是由各种片状、圆柱状、卷板状等形状的金属弹簧，利用金属弹簧的弱性变形以达到补偿两轴相对偏移 和减振、缓冲功能，构成不同结构、性能的挠性联轴器。金属弹性元件比非金属弹性元件强度高，使用寿命长，传递载荷能力大，,适用于高温工况，弹性模最大且稳定。如图3.5所示膜片联轴器是由几组膜片（不锈钢薄板）用螺栓交错地与两半联轴器联接，每组膜片由数片叠集而成，膜片分为连杆式和不同形状的整片式。膜片联轴吕靠膜片的弹性变形来补偿报联两轴的相对位移，是一种高性能的金属弱性元件挠性联轴器，结构较紧凑，强度高，不用润滑，使用寿命长，无旋转间隙，不受温度和油污影响，具有耐酸、耐碱、防腐蚀的特点，适用于高速、高温、有腐蚀介质工况环境的轴系传动，广泛用于各种机械装置的轴系传动 。图3.5 DJM5金属膜片挠性联轴器3.5 轴承的选择 滚珠丝杠中经常使用的滚动轴承有以下两类。 （1）接触角为的角接触球轴承 这是目前国内外广泛采用的滚珠丝杠轴承，这种轴承可以组合配置。一种为面对面方式，另一种为背靠背组合方式。这两种方式都可承受双向轴向推力，还有一种是通向组合方式，其承受能力较高，但只承受一个方向的轴向力，同向组合时的额定动载荷等于单个轴承的乘下列系数：2个为1.63;3个为2.16；4个为2.64。由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装的过程中难免有误差，而且采用面对面组合方式时两接触线与轴线交点间的距离a比背对背的小，故容易实现自动调整。因此在进给传动中面对面组合用的较多。（2）滚针推力圆柱滚子组合轴承 外圈与箱体固定不转，内圈和隔套内圈随轴转动，滚针承受径向载荷，圆柱滚子分别承受两个方向的轴向载荷，修磨隔套内圈的宽度可调整轴承的轴向预紧量。本次设计选用角接触球轴承，根据轴的直径选用型号为表3.3中的7009 GB/T 2921994。 表3.3 角接触球轴承3.6 滚珠丝杠副的安全使用3.6.1 润滑 为使滚珠丝杠副充分发挥机能，在其工作状态下，必须润滑，润滑的方式主要有以下两种： 1润滑脂 润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的13，滚珠丝杠副出厂时在螺母内部已经加注GB7324942#锂基润滑脂。 2润滑油 运动粘度28574cst(400T)的润滑油，给油量随使用条件等的不同而有所变化。 3.6.2 防尘 滚珠丝杠与滚动轴承一样，如果污物及异物进入就很快使它磨损，成为破损的原因。因此，考虑有污物异物进入时，必须采用防尘装置，将丝杠轴完全保护起来。另外，如没有异物，但有浮沉时可以在滚珠螺母两端增加防尘圈。3.6.3使用 滚珠丝杠副在使用时应注意以下事项： 1滚珠螺母应在有效行程内运动，必要时在行程两端配置限位，以免螺母约程脱离丝杠轴而使滚珠脱落。 2滚珠丝杠副由于传动效率高，不能自锁，在用于垂直方向传动使，如部件重量未加平衡，必须防止传动停止或电机失电后，因部件自重而产生的逆传动。 3滚珠丝杠副正常工作环境温度为60C。 3.6.4 安装 滚珠丝杠副在安装时应注意以下事项： 1.滚珠丝杠副仅用于承受轴向载荷。径向载荷、弯矩会使滚珠丝杠副产生附加表面接触应力等负荷，从而造成丝杠的永久性破坏。因此，滚珠丝杠副安装到强化装置时，应注意： 1）丝杠的轴线必须和其配套导轨的轴线平行，强化装置的两端轴承座与螺母座必须三点成一线； 2）安装螺母时，应尽量靠近支撑轴承； 3）同时，安装支撑轴承时，应尽量靠近螺母安装部位。 2.滚珠丝杠安装到强化装置时，尽量不要把螺母从丝杠上卸下来，如 必须卸下来时要使用辅助套，否则装卸时滚珠有可能脱落。螺母装卸时应注意以下几点： 1）辅助套外径应小于丝杠底径0.1-0.2 mm 2）辅助套早使用中必须靠紧丝杠螺纹轴肩； 3）装卸时，不可使用过大力以免螺母损坏； 4）装入安装孔时要避免撞击和偏心。第4章 直线滚动导轨的选型4.1 导轨的比较 强化装置制造者最关心的莫过于强化装置的精度，刚性和使用寿命。对导轨系统的研究途径是很不够的，至少在强化装置制造技术方面没有把它放在重要的位置上，在强化装置样本，宣传广告上，最具有吸引力的技术参数是：主轴转速、进给速度、换刀时间和快速进给速度。当然，这些参数对强化装置的性能是很重要的。但导轨为强化装置功能的实现奠定了可靠的基础。各种类型的强化装置工作部件，都是利用控制轴在指定的导轨上运动，强化装置设计者根据强化装置的类型和用途选用各种不同形式的导轨系统，用得较为广泛的有下列三种；即平面导轨、直线滚动导轨和循环滚柱与平面导轨的组合所构成的滚动体导轨。当然系统远不止上述三种形式，还有其它形式的导轨。 导轨的功能:尽管导轨系统的形式是多种多样的，但工作性质都是相同的，强化装置工作部件在指定导轨系统上移动，尤如火车沿着铁轨在指定的方向上行驶。无论是强化装置导轨还是铁路上的铁轨，都是体现如下三种基本功能：(1)为承载体的运动导向(2)为承载体提供光滑的运动表面(3)把火车的运动或强化装置的切削所产生的力传到地基或床身上，减少由此产生的冲击对乘客和被动加工零件的影响。 沿导轨系统的运动，大多数为直线运动，也有少数为弧线运动。本文讨论的重点是直线导轨系统。当然，直线导轨的很多技术可以直接应用弧形导轨。导轨为什么被称为“系统”呢？这是因为导轨系统的工作包含着若干元件的同时工作，最基本的元件为一个运动元件和一个固定元件。运动元件的形式有多种多样，以后将予以详细介绍，固定元件一般为道轨式，它是导轨精度的保证，如果导轨弯曲变形，运动元件或滑动元件便失去精确的导向。强化装置制造厂都在尽最大的努力，确保导轨安装的精确性。导轨被加工前。导轨和工作部件都已经过时效处理。以消除内应力。为了保证导轨的精度和延长使用寿命，刮研是一种常用的工艺方法。 镶钢导轨:强化装置上最常用的导轨形式是镶钢导轨，它的使用已有很长的历史。镶钢导轨是导轨系统的固定元件，其截面为矩形。它可水平装在强化装置的床身上，也可以与床身铸成一体，分别被称为镶钢式或整体式。镶钢式导轨是由钢制成的，经淬硬和磨削。硬度在洛氏硬度60度以上、把镶钢导轨用螺钉或粘结剂（环氧树脂）贴在强化装置床身或经刮研的立柱配合表面上，确保导轨获得最佳的平面度。这种形式，维修更换方便、简单，很受维修工人的欢迎。 整体导轨或铸造导轨，即钢导轨与底座铸成一体，加工后再经精磨到要求的尺寸和光洁度。导轨必须经过火焰淬火提高表面硬度，以提高导轨的耐磨性。床身一般为球墨铸铁，当然球墨铸铁的硬度比不上钢，整体导轨可以重新修理和淬硬，但更换它几乎是不可能的。为了实现上述的目的，强化装置制造者过去的通常做法是：钢导轨的边缘设计有钩形的“耳朵”，在浇铸底座前，把钢导轨置于底座的铸模内，再把铁水浇入铸模内，这样便把钢导轨与底座铸成一体。 滑动导轨:传统导轨的发展，首先表现在滑动元件和导轨形式上，滑动导轨的特点是导轨和滑动件之间使用了介质，形式的不同在于选择不同的介质。 液压被广泛用于许多导轨系统。静压导轨是其中的一种，液压油在压力作用下，进入滑动元件的沟槽，在导轨和滑动元件之间形成油膜，把导轨和移动元件隔开，这样大大减少移动元件的摩擦力。静压导轨对大负荷是极其有效的，对偏心负荷有补偿作用。例如：一个大型的砂型箱在加工时，正好走到强化装置行程的末端，负载导轨能够增大油压，使导轨准确地保持着水平负载的状态。有的卧式镗铣床使用这种技术补偿深孔加工时主轴转速的下降。利用油作为介质的另一种导轨形式是动压导轨，动压导轨与静压导轨的不同点是：油不是在压力下起作用的，它利用油的粘度来避免移动元件和导轨之间的直接接触，优点是节省液压油泵。 直线导轨直线导轨又称线轨、滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载， 同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动. 直线运动导轨的作用是用来支撑和引导运动部件，按给定的方向做往复直线运动。依按摩擦性质而定，直线运动导轨可以分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、流体摩擦导轨等种类。直线轴承主要用在自动化机械上比较多,像德国进口的强化装置,纸碗机,激光焊接机等等,当然直线轴承和直线轴是配套用的.像直线导轨主要是用在精度要求比较高的机械结构上, 滑块-使运动由曲线转变为直线。新的导轨系统使强化装置可获得快速进给速度，在主轴转速相同的情况下，快速进给是直线导轨的特点。直线导轨与平面导轨一样，有两个基本元件；一个作为导向的为固定元件，另一个是移动元件。由于直线导轨是标准部件，对强化装置制造厂来说唯一要做的只是加工一个安装导轨的平面和校调导轨的平行度。当然，为了保证强化装置的精度，床身或立柱少量的刮研是必不可少的，在多数情况下，安装是比较简单的。 作为导向的导轨为淬硬钢，经精磨后置于安装平面上。与平面导轨比较，直线导轨横截面的几何形状，比平面导轨复杂，复杂的原因是因为导轨上需要加工出沟槽，以利于滑动元件的移动，沟槽的形状和数量，取决于强化装置要完成的功能。例如：一个既承受直线作用力，又承受颠覆力矩的导轨系统，与仅承受直线作用力的导轨相比设计上有很大的不同。 直线导轨的移动元件和固定元件之间不用中间介质，而用滚动钢球。因为滚动钢球适应于高速运动、摩擦系数小、灵敏度高，满足运动部件的工作要求，如强化装置的刀架，拖板等。直线导轨系统的固定元件(导轨)的基本功能如同轴承环，安装钢球的支架，形状为“v”字形。支架包裹着导轨的顶部和两侧面。为了支撑强化装置的工作部件，一套直线导轨至少有四个支架。用于支撑大型的工作部件，支架的数量可以多于四个。 强化装置的工作部件移动时，钢球就在支架沟槽中循环流动，把支架的磨损量分摊到各个钢球上，从而延长直线导轨的使用寿命。为了消除支架与导轨之间的间隙，预加负载能提高导轨系统的稳定性，预加负荷的获得是在导轨和支架之间安装超尺寸的钢球。钢球直径公差为20微米，以0.5微米为增量，将钢球筛选分类，分别装到导轨上，预加负载的大小，取决于作用在钢球上的作用力。如果作用在钢球上的作用力太大，钢球经受预加负荷时间过长，导致支架运动阻力增大。这里就有一个平衡作用问题；为了提高系统的灵敏度，减少运动阻力，相应地要减少预加负荷，而为了提高运动精度和精度的保持性，要求有足够的预加负数，这是矛盾的两方面。 工作时间过长，钢球开始磨损，作用在钢球上的预加负载开始减弱，导致强化装置工作部件运动精度的降低。如果要保持初始精度，必须更换导轨支架，甚至更换导轨。如果导轨系统已有预加负载作用。系统精度已丧失，唯一的方法是更换滚动元件。 导轨系统的设计，力求固定元件和移动元件之间有最大的接触面积，这不但能提高系统的承载能力，而且系统能承受间歇切削或重力切削产生的冲击力，把作用力广泛扩散，扩大承受力的面积。为了实现这一点，导轨系统的沟槽形状有多种多样，具有代表性的有两种，一种称为哥待式(尖拱式)，形状是半圆的延伸，接触点为顶点；另一种为圆弧形，同样能起相同的作用。