數(shù)控銑床機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【VMCL600數(shù)控銑床】

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隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，且要求頻繁改型，特別是在宇航、造船、軍事等領(lǐng)域所需的機(jī)械零件，精度要求高，形狀復(fù)雜，批量小。加工這類產(chǎn)品需要經(jīng)常改裝或調(diào)整設(shè)備，普通機(jī)床或?qū)Ｓ没潭雀叩淖詣?dòng)化機(jī)床一般 不能適應(yīng)這些要求。為了解決上述問題，一種新型的機(jī)床——數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。這種新型機(jī)床具有適應(yīng)性強(qiáng)、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。他綜合應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、精密測量和新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果。 1.1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生 世界上第一臺(tái)成功研制的數(shù)控機(jī)床是一臺(tái)三坐標(biāo)的數(shù)控銑床，于1952年由美國帕森斯公司和麻省理工學(xué)院合作完成。早在1948年，美國在研制加工直升機(jī)葉片輪廓檢查用樣板的技工機(jī)床任務(wù)時(shí)，就提出了研制數(shù)控機(jī)床的初始設(shè)想。1949年，在美國空軍部門的支持下，帕森斯公司正式接受委托，與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室合作，開始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作。經(jīng)過三年時(shí)間的研究，于1952 年試制成功世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)性樣機(jī)。這是一臺(tái)采用脈沖乘法器原理的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床。其控制裝置由2000多個(gè)電子管組成，占用一個(gè)普通實(shí)驗(yàn)室那么大。這臺(tái)數(shù)控銑床的誕生，標(biāo)志著機(jī)械制造的數(shù)字控制時(shí)代的開始。 1.1.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展是隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了電子管—分立式晶體管—小規(guī)模集成電路—大規(guī)模集成電路—小型計(jì)算機(jī)—超大規(guī)模集成電路—微機(jī)式的數(shù)控系統(tǒng)等幾個(gè)發(fā)展階段。 20世紀(jì)90年代以來，數(shù)控系統(tǒng)朝著以通用微機(jī)為基礎(chǔ)、體系結(jié)構(gòu)開放和智能化方向發(fā)展。以上的三代數(shù)控系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)硬件和軟件組成，利用存儲(chǔ)器里的軟件控制系統(tǒng)工作，因此稱為CNC系統(tǒng)或軟件控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)容易擴(kuò)大功能，柔性好，可靠性高。 1.1.3 國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 中國從1958年開始研究數(shù)控技術(shù)，到20世紀(jì)60年代中期初與研制、開發(fā)階段。1965年進(jìn)入晶體管數(shù)控裝置的研制。60年代末至70年代初研制成功了數(shù)控銑床。 從20世紀(jì)70年代開始，數(shù)控技術(shù)在車、銑、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域全面展開。但由于電子元器件的質(zhì)量和制造工藝水平低，致使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性問題沒有得到解決，因此未能廣泛推廣。 20世紀(jì)80年代，中國先后從日本、美國等國家引進(jìn)了部分?jǐn)?shù)控裝置和伺服單元技術(shù)，并于1981年開始批量生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，包括數(shù)控裝置和伺服單元。在此期間，中國在引進(jìn)、消化吸收的基礎(chǔ)上，跟蹤國外先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)出了一些高檔的數(shù)控系統(tǒng)，如多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)字放行系統(tǒng)、為柔性制造單元配套的數(shù)控系統(tǒng)等。為了適應(yīng)機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)不同層次的需要，還開發(fā)出多種經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，并得到廣泛地應(yīng)用?，F(xiàn)在，中國已經(jīng)建立了以中、低檔數(shù)控機(jī)床為主的產(chǎn)業(yè)體系。 1.1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制造技術(shù)的進(jìn)步，以及社會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和品種多樣化的要求越來越強(qiáng)烈。中、小批量生產(chǎn)的比例明顯增加，要求現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床成為一種精密、高效、復(fù)合、集成功能和低成本的自動(dòng)化加工設(shè)備。同時(shí)，為了滿足制造業(yè)向更高層次發(fā)展，為柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)，以及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)提供基礎(chǔ)設(shè)備，也要求數(shù)控機(jī)床向更高水平發(fā)展。當(dāng)前，數(shù)控機(jī)床技術(shù)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢(shì)：（1） 高精度化；（2） 運(yùn)動(dòng)高速化；（3）柔性化；（4）高自動(dòng)化；（5）高可靠性；（6）智能化；（7）復(fù)合化；（8）網(wǎng)絡(luò)化；（9）開放式體系結(jié)構(gòu)。 1.2 數(shù)控銑床的主要功能及特點(diǎn)： 數(shù)控銑床的可分為立式、臥式和立臥兩用式數(shù)控銑床，各種銑床適用的數(shù)控系統(tǒng)不同，其功能也不盡相同。除各有其特點(diǎn)之外，常具有下列主要功能： 點(diǎn)位控制功能；連續(xù)輪廓控制功能； 刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償功能； 刀具長度補(bǔ)償功能；鏡像加工功能； 固定循環(huán)功能；特殊功能 。 具備自適應(yīng)功能的數(shù)控銑床可以在加工過程中把感受到的切削狀況的變化，通過適應(yīng)性控制系統(tǒng)及時(shí)控制機(jī)床改變切削用量，使銑床及刀具始終保持最佳狀態(tài)，從而可獲得較高的切削效率和加工質(zhì)量，延長刀具使用壽命。 數(shù)控銑床的主要特點(diǎn)：（1） 高柔性及工序復(fù)合化；（2） 加工精度高；（3）生產(chǎn)效率高；（4）減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。 1.3 數(shù)控銑床的分類和應(yīng)用 1.3.1 數(shù)控銑床的分類 按運(yùn)動(dòng)方式分：（1）點(diǎn)位控制數(shù)控銑床 (2）直線控制數(shù)控銑床（3）輪廓控制數(shù)控銑床； 按控制方式分：(1）開環(huán)控制數(shù)控銑床(2）閉環(huán)控制數(shù)控銑床(3）半閉環(huán)控制數(shù)控銑床； 按主軸的布局形式分：（1）立式數(shù)控銑床：（2）臥式數(shù)控銑床（3）立臥兩用式數(shù)控銑床等等 1.3.2 數(shù)控銑床的應(yīng)用 數(shù)控銑床主要用于加工平面和曲面輪廓的零件，還可以加工復(fù)雜型面的零件、樣板、模具、螺旋槽等。同時(shí)也可以進(jìn)行鉆、擴(kuò)、鉸、锪和鏜孔的加工，但因數(shù)控銑床不具自動(dòng)換刀功能，所以不能完成復(fù)雜孔的加工。數(shù)控銑床主要應(yīng)用于汽車制造業(yè)、模具制造業(yè)、機(jī)床制造業(yè)、航空航天業(yè)、造船業(yè)、軍事工業(yè)及其他行業(yè)。 2 數(shù)控銑床總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 基本參數(shù)的確定 本課題設(shè)計(jì)的立式數(shù)控銑床可以銑削平面和溝槽，也可加工空間曲面；若將銑刀換成鉆頭或絞刀，則可加工光孔或螺紋孔。銑床主要技術(shù)參數(shù)如下： 工作臺(tái)工作面尺寸（長寬） 800mm×400mm 工作臺(tái)X向最大行程 600mm 工作臺(tái)Y向最大行程 410mm 工作臺(tái)T型槽數(shù) 3 工作臺(tái)T型槽寬 18mm 工作臺(tái)T型槽間距 100mm 快速移動(dòng)速度（X、Y、Z軸） 32m/min 最小分辨率 0.001mm 定位精度 ±0.005mm 重復(fù)定位精度 ±0.002mm 2.2 確定機(jī)床的總體布局 2.2.1機(jī)床的運(yùn)動(dòng)分配 本課題擬解決問題的思路是參照VMCL600立式數(shù)控銑床的總體布局、機(jī)械傳動(dòng)部分、進(jìn)行優(yōu)化組合，設(shè)計(jì)出精度高、靈活性強(qiáng)的立式數(shù)控銑床。由于工作臺(tái)尺寸較大，可加工較重或尺寸較高的工件，故機(jī)床運(yùn)動(dòng)分配如下：主運(yùn)動(dòng)：刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；進(jìn)給運(yùn)動(dòng)：工作臺(tái)X、Y方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和銑刀頭帶著刀具Z方向的垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 2.2.2機(jī)床結(jié)構(gòu)布局 機(jī)床采用床身框式立柱的“L” 型結(jié)構(gòu)形式，主軸箱裝在框式立柱中間，設(shè)計(jì)成對(duì)稱形結(jié)構(gòu)?？蚴搅⒅季忠葐瘟⒅俪惺芤粋€(gè)扭轉(zhuǎn)力矩和一個(gè)彎曲力矩，因而受力后變形較小，有利于提高加工精度；框式立柱布局的受熱與熱變形是對(duì)稱的，因此，熱變形對(duì)加工精度的影響小。 Y向滑座相對(duì)于機(jī)床床身作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，X向滑座相對(duì)于Y向作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)固在X向滑座上，工作臺(tái)不做垂直方向運(yùn)動(dòng)；主軸箱沿框式立柱在沿垂直軌上下移動(dòng)。由于機(jī)床尺寸較大，為了方便操作者的操作與觀察，將人機(jī)界面置為吊掛按鈕站。 2.2.3機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)、支承、導(dǎo)向方式 （1）機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)方案 機(jī)床X、Y方向進(jìn)給系統(tǒng)分別采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過電機(jī)與滾珠絲杠直接相連，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)其傳動(dòng)的機(jī)械裝置如圖2.1所示。這種傳動(dòng)方案采用負(fù)載能力強(qiáng)的交流伺服電機(jī)，直接通過絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)給，傳動(dòng)鏈短，剛度大，傳動(dòng)精度高，是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)的主要組成形式。 圖2.1 進(jìn)給傳動(dòng)的機(jī)械裝置 （2）機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的支承、導(dǎo)向方式 Y方向進(jìn)給系統(tǒng)由床身支承，采用一端固定、一端支撐的方式支承，固定端選用一對(duì)背對(duì)背安裝的角接觸球軸承，支撐端選用一對(duì)深溝球軸承。 X方向進(jìn)給系統(tǒng)由Y方向進(jìn)給系統(tǒng)支承，采用一端固定、一端支撐的方式支承，固定端選用一對(duì)背對(duì)背安裝的角接觸球軸承，支撐端選用一對(duì)深溝球軸承。 本機(jī)床屬于中型機(jī)床，導(dǎo)向方式采用矩形導(dǎo)軌，矩形導(dǎo)軌承載能力高，制造方便。本設(shè)計(jì)選用線性滾動(dòng)導(dǎo)軌。 3 數(shù)控銑床的主軸的設(shè)計(jì)與校核 現(xiàn)在的數(shù)控銑床能夠?qū)崿F(xiàn)無級(jí)變速或無級(jí)變速加有級(jí)變速，數(shù)控銑床一般都采用由直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)的電氣無級(jí)調(diào)速。由于數(shù)控銑床的運(yùn)動(dòng)調(diào)速范圍較大，單靠調(diào)速電機(jī)無法滿足這么大的調(diào)速范圍，另一方面調(diào)速電機(jī)的功率扭矩特性也難于直接與機(jī)床的功率和轉(zhuǎn)矩要求相匹配。因此，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)變速系統(tǒng)常常在無級(jí)變速電機(jī)之后串聯(lián)機(jī)械有級(jí)變速傳動(dòng)，以滿足機(jī)床要求的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩特性。 3.1 確定主軸傳動(dòng)功率 數(shù)控銑床的加工范圍一般都比較大，所傳動(dòng)的額定功率可以根據(jù)典型切削工藝的情況計(jì)算，根據(jù)設(shè)計(jì)的銑床主要的加工范圍，查機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)確定如下典型加工工藝：用高速剛圓柱平刀銑削灰鑄鐵工件平面，刀具直徑，刀齒數(shù)為10，工件材料為HT200，硬度190HBS，切削速度V=23.5mm/min，進(jìn)給速度為160mm/min，背吃刀量。 由公式 計(jì)算得=75r/min 則每齒進(jìn)給量 根據(jù)典型切削工藝公式： 式中：t—切削厚度，即被吃刀量（mm） —每齒進(jìn)給量（mm） B—切削寬度（mm） Z—刀齒數(shù) HB—材料硬度 代入數(shù)值得 主傳動(dòng)的總效率一般可取為η=0.70～0.85,數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)多用調(diào)速電機(jī)和有限的機(jī)械變速傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，傳動(dòng)鏈較短，因此效率可取較大值，由此可求得主軸傳遞的功率為 3.2 電機(jī)的選擇 現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床常用直流電動(dòng)機(jī)和交流調(diào)頻電機(jī)兩種。目前，中小型數(shù)控機(jī)床中，交流調(diào)頻電機(jī)已占優(yōu)勢(shì)，有取代直流電機(jī)之勢(shì)。本文所設(shè)計(jì)的銑床采用交流調(diào)頻電機(jī)調(diào)節(jié)電源頻率來達(dá)到調(diào)速的目的，額定轉(zhuǎn)速常為1500r／min，如圖1-1所示是變速電機(jī)的功率特性。從額定轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速的區(qū)域Ⅰ為恒功率區(qū)，從最低轉(zhuǎn)速至的區(qū)域Ⅱ?yàn)楹戕D(zhuǎn)矩區(qū)。 圖3.1 變速電動(dòng)機(jī)的功率特性 在設(shè)計(jì)數(shù)控銑床主傳動(dòng)時(shí)，必須考慮電機(jī)與機(jī)床主軸功率特性匹配問題。由于主軸要求的恒功率變速范圍遠(yuǎn)大于電機(jī)的恒功率變速范圍，所以在電機(jī)與主軸之間要串聯(lián)一個(gè)分級(jí)變速箱，以擴(kuò)大其功率調(diào)速范圍，滿足低速大功率切削時(shí)對(duì)電機(jī)的輸出功率要求。為了簡化變速箱結(jié)構(gòu)，變速級(jí)數(shù)應(yīng)少些，變速箱公比可取大于電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍，即。這時(shí)，變速箱每擋內(nèi)有部分低轉(zhuǎn)速只能恒轉(zhuǎn)矩變速，主傳動(dòng)系統(tǒng)功率特性圖中出現(xiàn)“缺口”，稱之功率降低區(qū)。使用“缺口”范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速時(shí)，為限制轉(zhuǎn)矩過大，得不到電動(dòng)機(jī)輸出的全部功率。為保證缺口處的輸出功率，電動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)相應(yīng)的增大。為了滿足主軸傳遞5.4kw，最高轉(zhuǎn)速10000r/min的要求，選擇FANUC AC 主軸電動(dòng)機(jī)αi系列伺服電動(dòng)機(jī)，其型號(hào)為ALPHA 8/10000i -L-STRAIGHT SHAFT。 其中：電機(jī)功率： 7.5Kw 額定力矩： 47.7 Nm 最大力矩： 190.8 Nm 額定轉(zhuǎn)速： 1500 rpm 最大轉(zhuǎn)速： 10000 rpm 電機(jī)在60—1500r/min內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒扭矩輸出，在1500—8000r/min內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒功率輸出；最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到10000r/min，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到10000 r/min，扭矩特性不好，因此一般情況下轉(zhuǎn)速只達(dá)到8000r/min。如圖所示： 圖3.2 主電機(jī)輸出特性曲線圖（10000rpm） 3.3 主軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：主軸前、后軸頸D1和D2，主軸內(nèi)孔直徑d，主軸前端懸伸量a和主軸主要支撐間的跨距L。這些參數(shù)直接影響主軸旋轉(zhuǎn)精度和主軸的剛度。 3.3.1 選擇軸的材料和熱處理方法 選擇軸的材料為40Cr，，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理, 其機(jī)械性能有設(shè)計(jì)手冊(cè)查得： ，， 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得 3.3.2 主軸最小直徑的估算 銑床主軸既受彎矩又受扭矩作用，在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之前，通常不能確定支反力及彎矩的大小，所以只能近似地按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件估算最小軸徑，主軸一般設(shè)計(jì)為空心階梯軸，所以估算公式為： 3.1 式中：d—主軸的最小直徑（mm） P—主軸傳遞的功率(kw)，前面已算出P=5.4kw n—主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速(r/min)，前面已給出n=75r/min —根據(jù)所選軸用材料40Cr查表取常數(shù)103，=0.6(空心軸內(nèi)外徑之比) 代人數(shù)值得： 取主軸的最小直徑=45mm，最小直徑本應(yīng)該是后軸頸，但是考慮到軸承的軸向固定采用鎖緊螺母，應(yīng)留鎖緊螺母的位置?？紤]到軸上裝軸承，有配合要求，應(yīng)將后軸頸的直徑圓整到標(biāo)準(zhǔn)直徑，同時(shí)要考慮到選擇軸承的類型，因此選擇后軸頸的直徑=50 mm。 3.3.3 主軸內(nèi)孔直徑d及拉桿直徑的確定 主軸內(nèi)孔直徑與機(jī)床的類型有關(guān)，主要用來通過棒料、拉桿、鏜桿或頂出頂尖等，銑床主要用于通過拉桿和拉抓，確定孔徑的原則是：為減輕主軸重量在滿足上述工藝要求及不削弱主軸剛度的前提下，盡量取較大值，孔徑d對(duì)主軸剛度的影響影響是通過抗彎截面慣性矩而體現(xiàn)的，即主軸本身的剛度正比于抗彎截面慣性矩，其關(guān)系式為 3.2 根據(jù)上式可繪制出主軸孔徑對(duì)主軸剛度影響曲線，如圖 D—主軸平均直徑，d—主軸平均孔徑，—直徑為Ｄ實(shí)心主軸剛度 ， —直徑為Ｄ，孔徑為d的空心軸的剛度。 圖3.3 主軸孔徑對(duì)主軸剛度影響曲線 由圖知：當(dāng)d／Ｄ≤0.5時(shí)，內(nèi)孔d對(duì)主軸剛度幾乎無影響，通常取孔徑d的極限值。此時(shí)Ｉ空＞0.75Ｉ實(shí)，即剛度削弱量小于25%，若孔徑再大主軸剛度急劇下降，一般銑床主軸孔徑d可比刀具拉桿直徑大5～10mm。由于機(jī)床使用場合多種多樣，為了適應(yīng)加工工藝及刀具特點(diǎn)，機(jī)床工具行業(yè)已經(jīng)開發(fā)了多種軸端結(jié)構(gòu)，并已形成專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，銑床常用的主軸端部結(jié)構(gòu)前端帶有7:24的錐孔供插入銑刀尾部定位，拉桿從主軸后端拉緊刀具，常用的是BT—50刀柄，因此我們采用BT—50的外螺紋拉抓，查資料知BT—50拉抓外螺紋的尺寸為M22×P1.5，所以拉桿前端必須是M22的內(nèi)螺紋，為了滿足拉桿的剛性要求，取拉桿的直徑為φ28mm，根據(jù)拉桿的直徑確定主軸內(nèi)孔的最小直徑為即可。 3.3.4 主軸前端懸伸量的確定 主軸前端懸伸量a是指主軸前端面到前軸承徑向支反力作用中點(diǎn)（或前徑向支承中點(diǎn)）的距離。它主要取決于主軸端部結(jié)構(gòu)、前支承軸承和密封裝置的形式和尺寸，由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定。由于前端懸伸量對(duì)主軸部件的剛度、抗振性影響很大，變形量與a的二次方或三次方成正比例關(guān)系。因此在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量縮短該懸伸量。 在確定主軸前端懸伸量時(shí)應(yīng)該滿足以下結(jié)構(gòu)要求：主軸前端要留有裝切削液噴頭的位置；軸承的寬度B=27；軸承擋環(huán)的厚度b=8；主軸下支承的安裝位置以及軸肩的寬度。 3.3.5 主軸支承跨距L的確定 合理確定主軸主要支承間的跨距L，是獲得主軸部件最大靜剛度的重要條件之一。支承跨距過小，主軸的彎曲變形固然較小，但因支承變形引起主軸前軸端的位移量增大；反之，支承跨距過大，支承變形引起主軸前軸端的位移量盡管減小了，但主軸的彎曲變形增大，也會(huì)引起主軸前端較大的位移。因此存在一個(gè)最佳跨距，在該跨距時(shí)，因主軸彎曲變形和支承變形引起主軸前軸端的總位移量為最小。一般取本文所設(shè)計(jì)的主軸暫取，但是實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，由于結(jié)構(gòu)上的原因，以及支承剛度因磨損會(huì)不斷降低，主軸主要支承間的實(shí)際跨距往往大于最佳跨距。 3.3.6 計(jì)算主軸傳遞的扭矩 根據(jù)電機(jī)的扭矩—功率特性圖知，當(dāng)主軸的轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速時(shí)所傳遞的扭矩最大，即n=n=1500r/min，則 3.3 3.4 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.4.1 擬定軸上零件的裝配方案 本文所設(shè)計(jì)的主軸要用原有的主軸箱，根據(jù)主軸箱的結(jié)構(gòu)、軸上零件定位、加工要求以及不同的零件裝配方案，參考軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，得出如圖3.4所示的軸結(jié)構(gòu)。 圖3.4 主軸的結(jié)構(gòu) 如圖3.4，拉桿與BT50拉刀抓連接，從右側(cè)裝入內(nèi)孔，然后再裝入BT50刀柄；齒輪、軸承、套筒、軸承套以及電磁鐵固定架從左側(cè)裝入，法蘭蓋從右側(cè)裝入，與軸承套用螺釘連接。 3.4.2 確定軸各段的直徑 根據(jù)前面的計(jì)算知：最小直徑，小軸承用鎖緊螺母進(jìn)行軸向固定，所以取軸段1外螺紋的直徑；根據(jù)軸承的型號(hào)以及與軸的配合關(guān)系，取軸段2的直徑。 軸段4處裝小齒輪，承受很大的徑向力，同時(shí)主軸是空心的，考慮到主軸的整體剛性，取軸段4的直徑，小齒輪用鎖緊螺母壓緊，則軸段4的直徑比軸段3的直徑大2～3mm，所以取軸段3處的外螺紋直徑。 軸段5上有兩個(gè)軸套，軸套左側(cè)用于定位小齒輪，中間用來壓緊和定位電磁鐵固定架，考慮到拆卸方便，軸段5要比軸段4大2～3mm，同時(shí)要比軸段6小2～3mm因此取軸段5的直徑，軸段6的直徑。 大齒輪主要靠軸段7的軸肩來定位的，為了保證定位可靠，軸段7要比軸段6的直徑大5～10mm，但是考慮到主軸前端的內(nèi)孔交大，因此取軸段7的直徑為。 軸段8是前軸頸，主軸的直徑因與軸承的內(nèi)徑相等，考慮到軸承的型號(hào)以及與主軸的配合關(guān)系，取軸段8的直徑，軸承的型號(hào)為32109。 主軸前端內(nèi)孔采用7：24的錐度，裝BT50的刀柄，內(nèi)孔較大，取軸段10的外徑，軸段9主要起定位作用，因比軸段10大5～10mm，因此取軸段9的直徑為。 3.4.3確定各軸段的長度 軸段1和3有外螺紋，裝徑向鎖緊螺母，故軸段1和3的長度比鎖緊螺母長 2～3mm，取軸段1的長度為15.7mm，軸段3的長度為 18.2mm 軸段4和6的長度要比輪轂寬度（38mm）短2～3mm，故這兩處軸段的長度取為36mm。其中軸段4不包括退刀槽的長度。 軸段7主要與軸承套配合，壓緊軸承，為了保證軸承套與大齒輪之間有一定的間隙，取軸段7的長度為25mm；軸段8是后軸頸，所選軸承的寬度B=32mm，軸承擋環(huán)的寬度T=8mm，故取軸段8的長度為44mm。 軸段9是一個(gè)軸肩，主要起定位作用，取軸段9的長度為11即可；主軸的前端面要裝端面鍵，同時(shí)主軸前端要留下裝切削液噴頭的位置，因此取軸段10的長度為69mm。 主軸內(nèi)孔要裝拉桿、拉刀抓及BT50刀柄，整體裝配起來應(yīng)該讓拉桿不要伸出主軸內(nèi)孔太長，否則銑床的整體動(dòng)剛度不好，根據(jù)主軸和主動(dòng)軸的整體裝配關(guān)系，取軸段2的長度為75.4mm，軸段5的長度為209mm。 綜上所述，主軸的跨距L＝373mm，懸伸量a=96mm 3.4.4 軸向零件的周向固定 齒輪、電磁鐵固定架與軸的周向定位均采用半圓鍵聯(lián)接。對(duì)于齒輪，由手冊(cè)查得半圓鍵的截面尺寸寬×高×直徑=10×13×32(GB/T1098-2003)，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為29。7mm(標(biāo)準(zhǔn)鍵長見GB1096-79)；對(duì)于電磁鐵固定架，由手冊(cè)查得半圓鍵的截面尺寸寬×高×直徑=6×9×22(GB/T1098-2003)，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為29.7mm(標(biāo)準(zhǔn)鍵長見GB1096-79)，軸承與軸的周向定位是采用過盈配合來保證的。 3.5 主軸剛度的計(jì)算 軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過允許的限度，就會(huì)影響軸上零件的正常工作，甚至?xí)茐你姶驳墓ぷ餍阅堋Ｒ虼嗽谠O(shè)計(jì)重要軸時(shí)，必須檢驗(yàn)軸的變形量，這在軸的設(shè)計(jì)中稱為剛度計(jì)算 剛度計(jì)算包括扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算和彎曲剛度計(jì)算兩種。前者以扭轉(zhuǎn)角來度量；后者以撓度y和截面轉(zhuǎn)角來度量。本文以彎曲剛度校核，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知：；圓錐滾子軸承處的偏轉(zhuǎn)角。 3.5.1 主軸的簡化和彎曲剛度的計(jì)算 （1）如主軸前后軸承頸之間有數(shù)段組成，則當(dāng)量直徑 3.4 式中：、；、；…；、—分別為各段的直徑和長度 —總長，=++…+（mm） 3.5 （2）主軸切削力的計(jì)算 根據(jù)公式P=得：=，則當(dāng)線速度最小時(shí),切削力最大 3.6 3.7 （3）撓度的計(jì)算 主軸的前懸伸部分較粗，剛度較高，其變形可以忽略不計(jì)。后懸伸部分不影響剛度。當(dāng)主軸前端作用一外載，則撓度 3.8式中 —典型切削工藝的切削力 　　—前懸伸，等于載荷作用點(diǎn)至前支承點(diǎn)間的距離（mm） —跨距，等于前后支承之間的距離（mm） —彈性模量，鋼取＝2×10（Mpa） —截面慣性矩，=0.05（-）（mm） ，—主軸的外徑和孔徑（mm） 將和的值待人，可得 3.9 所以撓度滿足要求。 （4）偏轉(zhuǎn)角 主軸切削工件時(shí)承受很大的切削力，主軸前端產(chǎn)生彎曲變形，查機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)得 3.10 式中 —主軸前端偏轉(zhuǎn)角(rad) 　　　、、、、與前面相同 代入數(shù)據(jù)得 所以 綜上所述　主軸的剛度滿足條件，不必重新設(shè)計(jì)。 圖3.5 主軸圖 4 工作臺(tái)和各支撐件的設(shè)計(jì) 4.1 工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 工作臺(tái)選用材料為HT200,長寬為800mm400mm,重量約為1128.76N。工作臺(tái)裝在滑板的上面，工作臺(tái)底面安裝X 軸直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的滑塊及滾珠絲杠螺母座。X 軸伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，可使工作臺(tái)沿X 軸直線運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)下面裝有2 個(gè)行程擋塊，和行程開關(guān)配合，控制X 軸校準(zhǔn)點(diǎn)位置（X=0）和X 軸行程的極限位置（超程斷電）。工作臺(tái)上面有三條T 型槽，供裝夾工件、夾具、轉(zhuǎn)臺(tái)等。其中中間T 型槽為基準(zhǔn)T 型槽，工作臺(tái)的左右兩端 均裝有伸縮式防護(hù)罩。詳見附圖。 圖4.1 工作臺(tái)和T形槽尺寸 4.2 床身的設(shè)計(jì) 床身由高強(qiáng)度低應(yīng)力鑄鐵鑄成，滑板、工作臺(tái)、立柱等均裝在床身之上。床身上部固裝Y軸直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、Y軸滾珠絲杠和Y軸伺服電機(jī)。Y 軸滾珠絲杠采用雙向消除軸向間隙結(jié)構(gòu)。Y 軸滾珠絲杠副的安裝結(jié)構(gòu)見圖4.2。床身上還裝有兩個(gè)行程擋塊，Y 軸校準(zhǔn)點(diǎn)位置（Y=0）和Y 軸行程的極限位置，就由這兩個(gè)擋塊配合行程開關(guān)來確定。床身下部有六塊厚支承塊，通過裝在床身地腳處的調(diào)節(jié)螺釘，可調(diào)整機(jī)床水平。床身上面靠前部位，有四個(gè)M16螺孔，可固定兩個(gè)專用起吊環(huán)，與立柱頂部的兩個(gè)吊環(huán)配合使用，以起吊整機(jī)。 圖4.2 機(jī)床總總裝圖 4.3 Z軸立柱的設(shè)計(jì) 立柱也是數(shù)控銑床中最主要的支撐部件之一。對(duì)于固定單立式結(jié)構(gòu)的數(shù)控銑床，主軸安裝在箱體上，同時(shí)立柱設(shè)有導(dǎo)軌，主軸箱等刀具系統(tǒng)。因此，立柱結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能對(duì)整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能以及機(jī)床的加工精度都有直接的影響。數(shù)控銑床一般采用方形截面，用于受有兩個(gè)方向彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷的立柱，，使得兩個(gè)方向的抗彎剛度基本相同，抗扭剛度也較高。立柱采用鋼板和型鋼焊接，這樣有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）不需要制造木模和澆注，生產(chǎn)周期短。（2）減輕質(zhì)量，鋼的彈性模量約為鑄鐵的1.5倍至2倍。在形狀相同的前提下，如果要求支撐件本身的剛度，則鋼焊接件的壁厚可比鑄鐵的薄。（3）可以完全采用封閉的箱型結(jié)構(gòu)，不像鑄件那樣要留出砂孔。（4）如發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)有缺陷，例如發(fā)現(xiàn)剛度不足，焊接件可以補(bǔ)救（例如可以加焊隔板和加強(qiáng)筋）。 數(shù)控銑床立柱長378mm，寬350mm，高1200mm，內(nèi)壁厚20mm。如圖所示： 圖4.3 數(shù)控銑床立柱示意圖 5 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì) 在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中，為得到高速下的平穩(wěn)運(yùn)行，并具有較高的定位精度且防止爬行，要求進(jìn)給系統(tǒng)中的機(jī)械傳動(dòng)裝置和元件具有較高的靈敏度，低摩擦阻力和動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差以及高壽命等特點(diǎn)，而滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠螺母副能較好的滿足這些要求。因此本工作臺(tái)的設(shè)計(jì)采用了滾動(dòng)導(dǎo)軌加滾珠絲杠螺母副的組合。 5.1銑削工件時(shí)銑削力的計(jì)算 5.1.1首先初步估算工作臺(tái)的重量 首先要初步估算工作臺(tái)的重量及銑削工件的最大切削力才能進(jìn)行設(shè)計(jì)。 X軸方向移動(dòng)的工作臺(tái)尺寸：長寬為800mm400mm,重量約為1128.76N，最大行程600mm ； Y軸方向移動(dòng)的工作臺(tái)：重量約為550.36N，最大行程410mm ； 設(shè)夾具及工件的質(zhì)量約為500Kg，重量約為4900N ； 則XY工作臺(tái)總質(zhì)量約為671.34kg,總重量約為6579.12N（包括夾具及工件）。 5.1.2銑刀主要結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇 一般盡可能選用小直徑規(guī)格的銑刀，因?yàn)殂姷吨睆酱笄邢髁卦龃蟆? 5.1.3銑削用量選擇 銑削用量選擇原則：首先應(yīng)盡可能取較大的切削深度及切削寬度然后盡可能取較大的每齒進(jìn)給量，最后才盡可能取較大的銑削速度。粗銑時(shí)余量大，加工要求低，主要考慮銑刀的耐用度及銑削力的影響；而精銑時(shí)余量小，加工要求高，主要考慮加工質(zhì)量的提高。 （1）銑削深度的選擇 當(dāng)工件表面要求的光潔度為時(shí)，通常銑削無硬皮的鋼；銑削鑄鋼或鑄鐵時(shí)。 當(dāng)工件表面要求的光潔度為時(shí),可分粗銑、半精銑、兩步銑削，粗銑后留余量。 當(dāng)工件表面要求的光潔度為時(shí),可分粗銑、半精銑、精銑三步銑削。半精銑，精銑左右。 （2）每齒進(jìn)給量的選擇 當(dāng)銑削深度選定后，盡可能取較大的每齒進(jìn)給量。粗銑時(shí)限制每齒進(jìn)給量的是銑削力及銑刀容屑空間的大小，當(dāng)工藝系統(tǒng)剛性俞好及銑刀齒數(shù)愈少時(shí)，可取得愈大；半精銑及精銑時(shí)限制每齒進(jìn)給量的是工件表面光潔度。光潔度要求愈高，應(yīng)俞小。 5.1.4銑削力的計(jì)算 銑床通常用于銑削平面和溝槽，銑刀又分為圓柱銑刀、立銑刀、盤形銑刀、面銑刀、半圓弧銑刀、T形槽銑刀，因銑削的材料不同切削力也不同，通過查相關(guān)資料，綜合分析其中用面銑刀銑削碳鋼時(shí)的銑削力最大，故按用立銑刀銑削碳鋼時(shí)計(jì)算銑削力。 銑削力與銑刀材料、銑刀類型、工件材料的硬度、銑削寬度、銑削深度、每齒進(jìn)給量、銑刀直徑、銑刀齒數(shù)有關(guān)?？砂础督饘偾邢髟砑皯?yīng)用》中的公式進(jìn)行計(jì)算： 5.1 銑削溝槽時(shí)采用粗齒高速鋼立銑刀，按工件材料為的碳鋼來設(shè)計(jì)。查《金屬切削手冊(cè)》，選擇銑削用量為銑刀直徑，銑刀齒數(shù)，銑削寬度，每齒進(jìn)給量，銑削深度，銑刀的切削速度。 采用端面銑刀在主軸上的計(jì)算轉(zhuǎn)速下進(jìn)行強(qiáng)力切削，主軸具有最大扭矩，并能傳遞主電動(dòng)機(jī)的全部功率。 由得： 5.2 故 5.3 主切削力分解到X.Y方向上的分力是： 5.4 由以上計(jì)算可知Y方向的主切削力最大。 5.2 滾動(dòng)導(dǎo)軌選擇計(jì)算 5.2.1 導(dǎo)軌概述 （1）導(dǎo)軌的功用 本設(shè)計(jì)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是導(dǎo)軌，導(dǎo)軌主要是用來支承和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件沿著一定的軌跡運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)要求其機(jī)械系統(tǒng)的各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)必需得到安全的支撐，并能準(zhǔn)確地完成其特定方向的運(yùn)動(dòng)，這個(gè)任務(wù)就有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)來完成。 （2）導(dǎo)軌的分類和特點(diǎn) 兩個(gè)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件構(gòu)成一對(duì)導(dǎo)軌副，其中，在工作時(shí)固定不動(dòng)的配合面稱為固定導(dǎo)軌或靜導(dǎo)軌；相對(duì)固定導(dǎo)軌作直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的配合面稱為運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌。根據(jù)導(dǎo)軌副之間的摩擦情況，導(dǎo)軌分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌兩大類。 滑動(dòng)導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，接觸剛度大等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，其兩導(dǎo)軌工作面的摩擦性質(zhì)為滑動(dòng)摩擦。傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦阻力大，磨損快，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時(shí)易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象?，F(xiàn)隨著技術(shù)進(jìn)步，已發(fā)展出貼塑導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)軌、液體動(dòng)壓導(dǎo)軌等結(jié)構(gòu)形式。 滾動(dòng)導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小，一般在，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)很接近，低速運(yùn)動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，可以使用油脂潤滑。滾動(dòng)導(dǎo)軌的兩導(dǎo)軌面之間為滾動(dòng)摩擦，磨損小，壽命長，定位精度高，靈敏度高，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集合精度要求高，抗震性較差，防護(hù)要求高，制造困難，成本高。它適用于工作部件要求移動(dòng)均勻、動(dòng)作靈敏以及定位精度高的場合。 滾動(dòng)導(dǎo)軌因其特有的優(yōu)點(diǎn)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用十分廣泛，現(xiàn)在常用的有直線導(dǎo)軌副和滾動(dòng)導(dǎo)軌塊。直線導(dǎo)軌副一般用滾珠作滾動(dòng)體，滾動(dòng)導(dǎo)軌塊用滾子作滾動(dòng)體。滾動(dòng)導(dǎo)軌塊由于是線接觸，其承載能力和剛度大，但摩擦力也比較高，加工裝配比較復(fù)雜。 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌是近幾年出現(xiàn)的一種滾動(dòng)導(dǎo)軌，其突出的優(yōu)點(diǎn)為無間隙，并且能夠施加預(yù)緊力。其主要由導(dǎo)軌體、滑塊、鋼球、保持器、返向器、密封端蓋等組成。導(dǎo)軌體固定在不運(yùn)動(dòng)部件上，滑塊固定在運(yùn)動(dòng)部件上，通過鋼球的運(yùn)動(dòng)把導(dǎo)軌體和滑塊之間的移動(dòng)變成了滾動(dòng)。 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌除滾動(dòng)導(dǎo)軌的共性優(yōu)點(diǎn)之外，還有以下特點(diǎn)： 有自調(diào)整能力：安裝基面許用誤差大，使得安裝方便，生產(chǎn)周期短， 低了對(duì)配件的加工精度要求； 承載能力大：其滾道采用圓弧形式，增大了滾動(dòng)體與圓弧滾道的接觸體積，從而大大提高了軌道的承載能力，可達(dá)到平面滾道形式3倍； 剛性強(qiáng)：在裝配導(dǎo)軌時(shí)可預(yù)加負(fù)荷以提高滾動(dòng)導(dǎo)軌的剛度，所以滾動(dòng)軌在工作時(shí)可承受較大的沖擊和振動(dòng)； 壽命長：由于是純滾動(dòng)，摩擦系數(shù)是滑動(dòng)導(dǎo)軌的1/50左右，磨損小因而壽命長，功耗低，便于機(jī)械小型化； 傳動(dòng)平穩(wěn)可靠：由于摩擦力小，動(dòng)作輕便，因而定位精度高，溫良移靈活準(zhǔn)確；在較差的工作條件下可長時(shí)間保持高精度； 可高速運(yùn)行：直線滾動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)行速度可大于60m/min，甚至更高，且滑方法簡單，便于維護(hù)。 綜合考慮定位精度及運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性等技術(shù)要求，采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副。 5.2.2滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的計(jì)算 （1）作用于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的載荷計(jì)算 由于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的特殊結(jié)構(gòu)，使其具有垂直向上、向下、左右和水平四個(gè)方向額定載荷相等，且額定載荷大，剛性好，三個(gè)方向抗顛覆力矩能力大的特點(diǎn)，滾動(dòng)導(dǎo)軌受力分析見圖5.1。 下層工作臺(tái)的承載重約為5812.573N 3 4 L3 L0 1 L1 W 圖5.1 滾動(dòng)導(dǎo)軌受力分圖析圖 5.5 5.6 5.7 5.8 將已知數(shù)據(jù)代入上式得： 載荷成分變化，其計(jì)算載荷： 5.9 式中：——對(duì)應(yīng)行程內(nèi)的載荷 ； ——分段行程 ； ——全行程等于； （2）滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的額定壽命 額定壽命的計(jì)算公式為： 5.1式中： L——額定壽命 ； C——額定動(dòng)載荷 ； ——計(jì)算載荷 ； ——溫度系數(shù) 取1.0 ； ——接觸系數(shù) 取0.81 ； ——精度系數(shù) 取1.0 ； ——載荷系數(shù) 取1.5 ； ——硬度系數(shù) 取1.0 ； 壽命時(shí)間的計(jì)算： 當(dāng)行程的長度一定，以小時(shí)為單位的額定壽命： 5.11 式中： ——行程長度 ； L——額定壽命 ； ——每分鐘往復(fù)次數(shù) ； 5.12 一般情況下，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副預(yù)期壽命取20000小時(shí)，則： 5.13 5.14 取 則： 查《數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)》導(dǎo)軌產(chǎn)品樣本，其GGB系GGB20AA-2-P3-2-400-3型滾動(dòng)導(dǎo)軌C=13.6.KN，滿足要求 。 5.3 滾珠絲杠副的選擇 5.3.1 滾珠絲杠副的介紹 滾珠絲杠副是一種新型的螺旋傳動(dòng)元件，它的產(chǎn)生和發(fā)展至今經(jīng)歷了數(shù)十年的歷史，然而它具有長壽命、高剛度、高效率、高靈敏度、無間隙的特點(diǎn)，并具有優(yōu)越的高速特性和耐磨損性及運(yùn)動(dòng)可逆性等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)都是普通絲杠副不可能具有的機(jī)械傳動(dòng)性能。同時(shí)它可以由專業(yè)廠家組織的生產(chǎn)和供應(yīng)，已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和商品化，用戶可根據(jù)各自的需要方便地進(jìn)行選用和訂購，因此滾珠絲杠副以其顯著特點(diǎn)而得以廣泛應(yīng)用，成為各類數(shù)控機(jī)床的主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 5.3.2 滾珠絲杠副的計(jì)算 為了滿足數(shù)控機(jī)床高進(jìn)給速度、高定位精度、高平穩(wěn)性和快速響應(yīng)的要求，必須合理選擇滾珠絲杠副，并進(jìn)行必要的校核計(jì)算。 單層工作臺(tái)重量 工作臺(tái)承重 Y向滑座重量 Y向最大行程 Y向快速進(jìn)給速度 定位精度 重復(fù)定位精度 （1）滾珠絲杠精度 由于本系統(tǒng)要求達(dá)到的精度要求，根據(jù)此要求查閱滾珠絲杠樣本，對(duì)于一級(jí)精度（）精度絲杠，任意300mm 內(nèi)導(dǎo)程允許為0.006mm，2級(jí)（）精度絲杠的導(dǎo)程允許誤差為0.008mm。初步設(shè)計(jì)絲杠的任意300mm行程內(nèi)的行程動(dòng)量為定位精度的1/3---1/2，即0.005—0.008mm,因此，取滾珠絲杠精度為二級(jí)。 （2）滾珠絲杠的選擇 滾珠絲杠的名義直徑，滾珠的列數(shù)和工作圈數(shù)，應(yīng)按當(dāng)量載荷選擇。絲杠的最大進(jìn)給力為，工作臺(tái)加工件加夾具的質(zhì)量m=593.12kg，貼塑導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)為0.04，故絲杠的最小載荷（摩擦力） 5.15 絲杠的最大載荷 5.16 軸向工作載荷（平均載荷）： 5.17 其中，、分別為絲杠最大，最小軸向載荷；當(dāng)載荷按照單調(diào)式規(guī)律變化，各種轉(zhuǎn)速使用機(jī)會(huì)相同時(shí)，絲杠的最高轉(zhuǎn)速為1500r/min，工作臺(tái)最小進(jìn)給速度為1mm/min,故絲杠的最低轉(zhuǎn)速為0.1r/min,可取0，則n=(1500+0)/2=750r/min。 故絲杠工作壽命： 5.18 式中 L——工作壽命，以r為1個(gè)單位 n——絲杠轉(zhuǎn)速，r/min； T-----絲杠使用壽命，對(duì)數(shù)控機(jī)床可取T=15000h 計(jì)算當(dāng)量載荷為 5.19 式中 ——載荷性質(zhì)系數(shù)，無沖擊取1—1.2，一般取1.2—1.5，有較大沖擊 ——精度影響系數(shù)，對(duì)于1，2，3級(jí)精度的滾珠絲杠采取=1， （3）確定滾珠絲杠最小螺紋底徑 估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量 5.20 ——重復(fù)定位精度，0.006mm; ——定位精度，0.015mm。 5.21 滾珠絲杠副安裝方式為一端固定，一端支承時(shí) 5.22 式中：E——楊氏彈性模量； ——估算的滾珠絲杠最大允許軸向變形量； ——導(dǎo)軌摩擦力。 5.23 L——滾珠螺母至絲杠固定端支承的最大距離； 行程+行程 5.24 （1.051.1）行程+（10-14） 5.25 （4）確定滾珠絲杠副預(yù)緊力 5.26 （5）確定滾珠絲杠副支承所用軸承規(guī)格型號(hào) 滾珠絲杠支承用軸承通常選角接觸軸承和深溝球軸承。該類軸承具有以下特點(diǎn)： 剛性大 由于采用了特殊設(shè)計(jì)的尼龍保持架 軸承所受的最大軸向載荷 本設(shè)計(jì)采用一端固定、另一端支撐的支承方式，固定端選用一對(duì)背對(duì)背安裝的接觸角推力球軸承，支撐端選用一對(duì)深溝球軸承。 (6) 確定滾珠絲杠副其它尺寸 滾珠絲杠副的螺紋長度： 5.2式中：——有效行程+螺母長度； ——余程，查品樣本，取18mm； 絲杠全程L ： L=+兩端支承長度+連接長度+起始距離 綜合考慮以上各項(xiàng)尺寸要求，取L約為900mm。 滾珠絲杠取=0.9，此處取=1 查滾珠絲杠產(chǎn)品樣本中與相近的額定動(dòng)載荷，使得<，然后由此確定滾珠絲杠副的型號(hào)和尺寸。查漢川機(jī)床廠滾珠絲杠產(chǎn)品FYC2D4010-2.5-P2/1130絲杠螺母副。名義直徑40mm，導(dǎo)程為10mm，額定動(dòng)載荷=46.5kN，，額定動(dòng)載荷=46.5kN，<，符合軸向剛度=792N/um。預(yù)緊。只要軸向載荷達(dá)不到或過預(yù)緊力的三倍，就不必對(duì)預(yù)緊力提出額外要求。本設(shè)計(jì)中絲杠最大載荷為4.922kN，遠(yuǎn)小于3。 圖5.2 FYC2D型滾珠絲杠副外觀尺寸圖 5.3.3滾珠絲杠副的校驗(yàn) (1) 傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算 傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度K計(jì)算 5.28 式中： ——滾珠絲桿副的拉壓剛度； ——滾珠絲杠副的軸向剛度； ——滾珠絲杠副滾珠與滾道之間的接觸剛度； ——折合到滾珠絲杠副上的伺服剛度，可忽略不計(jì)； ——滾珠絲杠副中螺母體剛度，按計(jì)算； ——折合到滾珠絲杠副上的連軸節(jié)剛度，可忽略不計(jì)； ——螺母座、軸承座剛度，可忽略不計(jì)； ——滾珠絲杠副的彎扭剛度，可忽略不計(jì)。 計(jì)算 滾珠絲杠副的拉壓剛度是滾珠螺母至絲杠軸向固定處距離a的函數(shù)。當(dāng)絲杠承受形式為一端固定，一端滑動(dòng)時(shí)，有： 5.29 式中：——拉壓剛度（）； E ——楊氏彈性模量； ——絲杠底徑(mm) 。 當(dāng)=560mm時(shí)（滾珠絲杠至固定端支承的最大距離）時(shí)剛度最小 當(dāng)=160mm時(shí)（靠固定端的行程起點(diǎn)處）時(shí)剛度最大： 確定滾珠絲杠副支承軸承的剛度 對(duì)角接觸球軸承 5.30 式中；——滾動(dòng)體直徑，mm; ——軸承接觸角（），； ——軸向載荷N, z——滾動(dòng)體數(shù)目，對(duì)于7206C型角接觸球軸承，z=20 計(jì)算 對(duì)預(yù)緊的滾軸絲杠副： 5.31 式中： ——查產(chǎn)品樣本上的剛度；=1170N/um； ——額定動(dòng)載荷，查產(chǎn)品樣本=30.3KN。 (2) 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度驗(yàn)算及滾珠絲杠副的精度選擇 5.32 在空載下， 稱摩擦死區(qū)誤差，是機(jī)床空載時(shí)導(dǎo)軌上的靜摩擦力稱為傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差。 數(shù)控機(jī)床反向差值主要取決于死區(qū)誤差，而定位誤差主要取決于滾珠絲杠副的精度，其次是。 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度驗(yàn)算： 5.33 ，滿足要求。 5.35 滾珠絲杠副的精度選擇： 漢江機(jī)床公司制造的滾珠絲杠副精度分為七個(gè)等級(jí)，即1、2、3、4、5、7、10級(jí)，1級(jí)精度最高，依次逐漸降低。 對(duì)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)： 5.36 根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，查滾珠絲杠副樣本，選取滾珠絲杠副精度為2級(jí)，為8um。 滾珠絲杠副臨界壓縮載荷的校驗(yàn)（驗(yàn)算壓桿穩(wěn)定性） 5.37式中：——滾珠絲杠螺紋底徑（mm） ——滾珠絲杠的最大受壓長度（mm） ——滾珠絲杠副承受最大軸向壓縮載荷（） ——支承系數(shù)，取 滾珠絲杠副的極限轉(zhuǎn)速的效驗(yàn) 為防止絲杠轉(zhuǎn)速接近其固定振動(dòng)頻率時(shí)發(fā)生共振，需對(duì)絲杠極限轉(zhuǎn)速進(jìn)行校驗(yàn) 5.38 式中：——極限轉(zhuǎn)速（r/min）; ——臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度（mm）； E——楊氏彈性模量； ——材料密度； I——絲杠的最小慣性矩； A——絲杠的最小橫截面積； ——安全系數(shù)，取0.8； ——支承系數(shù)，取15.1； ——支承系數(shù)，取3.927。 (5) 基本軸向額額定靜載荷驗(yàn)算 5.39 式中：——靜態(tài)安全系數(shù)， 一般載荷=1 ~2，有沖擊或振動(dòng)的載荷=2~3。 經(jīng)校驗(yàn)，該滾珠絲杠副符合要求。 6 標(biāo)準(zhǔn)件的選型設(shè)計(jì) 6.1 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)與計(jì)算 一般，設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)時(shí)，已知的條件是：傳遞的功率，轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)比暫??；預(yù)定的壽命5年，每年工作300天，每天24小時(shí)。設(shè)計(jì)開始時(shí)，往往不知道齒輪的尺寸和參數(shù)，無法準(zhǔn)確定出某些系數(shù)的數(shù)值，因而不能進(jìn)行精確的計(jì)算。所以通常需要先初步選擇某些參數(shù)，按簡化計(jì)算方法初步確定出主要尺寸，然后再進(jìn)行精確的校核計(jì)算。當(dāng)主要參數(shù)和幾何尺寸都已經(jīng)合適之后，再進(jìn)行齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并繪制零件工作圖。 6.1.1主要參數(shù)的選擇 模數(shù)m 模數(shù)由強(qiáng)度計(jì)算或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定，要求圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，傳遞動(dòng)力的齒輪傳動(dòng)。初步確定模數(shù)時(shí)，對(duì)于軟齒面齒輪(齒面硬度)350HBS）外嚙合傳動(dòng)；載荷平穩(wěn)，中心距過大時(shí)取小值，本文所設(shè)計(jì)的主軸傳動(dòng)采用已有的箱體，可以知道中心距，因此取模數(shù)，將模數(shù)圓整到標(biāo)準(zhǔn)值，取 螺旋角角太小，將失去斜齒輪的優(yōu)點(diǎn)；但太大將會(huì)引起很大的軸向力。一般取，此處。 齒數(shù)Z當(dāng)中心距一定時(shí)，齒數(shù)取多，則重合度增大，改善了傳動(dòng)的平穩(wěn)性。同時(shí)，齒數(shù)多則模數(shù)小、齒頂圓直徑小，并且又能減小金屬切削量，節(jié)省材料，降低加工成本。但是齒數(shù)增多則模數(shù)減小，齒輪的抗彎強(qiáng)度降低，因此，在滿足抗彎強(qiáng)度的條件下，宜取較多的齒數(shù)。 6.1.2 齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算 (1) 選擇材料 查機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)，小齒輪：20CrMnTi，滲碳淬火，硬度45～55HRC 大齒輪：20CrMnTi，滲碳淬火，硬度45～55HRC (2) 有關(guān)參數(shù)和系數(shù)的確定 最大轉(zhuǎn)矩 載荷系數(shù) 查表取 齒寬系數(shù) 查設(shè)計(jì)手冊(cè)取 (3) 中心距及主要參數(shù)的確定 本文根據(jù)原有數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，用原有的主軸箱，根據(jù)主軸箱的結(jié)構(gòu)要求，確定齒輪嚙合時(shí)的中心距 按經(jīng)驗(yàn)公式， 6.1 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) 初取， 初取齒數(shù)比 6.2 取，則，則取 精求螺旋角 6.3 即，此值與初選β值相差不大，故不必重新計(jì)算。 傳動(dòng)比 ，此值與初選齒數(shù)比相差不大，故不必重新計(jì)算 (4) 許用彎曲應(yīng)力 當(dāng)量齒數(shù)為： 6.4 6.5 根據(jù)當(dāng)量齒數(shù)查得：齒形系數(shù)， 應(yīng)力修正系數(shù)， 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 6.5 根據(jù)、查得：， 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得：安全系數(shù) 根據(jù)公式得：許用彎曲應(yīng)力 6.6 6.7 6.1.3 主要尺寸的計(jì)算 分度圓直徑d： 6.8 6.9 齒寬b 6.10