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天河學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 汽車(chē)缸套專(zhuān)用鏜床設(shè)計(jì) 所 在 學(xué) 院 專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 指 導(dǎo) 老 師 年 月 日 目 錄 第 1 章 緒 論 1 1 1 課題研究意義 1 1 2 課題任務(wù)及要求 1 第 2 章 缸套專(zhuān)用鏜床設(shè)總體設(shè)計(jì) 2 2 1 設(shè)計(jì)適用對(duì)象 2 2 2 缸套的加工工藝 2 2 2 1 缸套類(lèi)零件內(nèi)孔加工 3 2 2 2 本課題缸套工藝路線的確定 6 2 3 缸套專(zhuān)用鏜床總體設(shè)計(jì)方案 8 第 3 章 進(jìn)給工作臺(tái)設(shè)計(jì) 9 3 1 進(jìn)給工作臺(tái)總體方案 9 3 3 滾珠絲杠副的選擇 9 3 3 1 滾珠絲杠副的特點(diǎn) 9 3 3 2 滾珠絲杠副的支承形式 10 3 3 3 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算 11 3 3 4 滾珠絲杠副的傳動(dòng)原理 11 3 3 5 滾珠絲杠副的傳動(dòng)特點(diǎn) 12 3 3 6 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)與調(diào)整 12 3 3 7 軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法 14 3 4 滾珠絲杠的選擇 15 3 4 1 滾珠絲杠的精度 15 3 4 2 滾珠絲杠參數(shù)的計(jì)算 15 3 5 伺服電機(jī)的選擇 19 3 5 1 最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 19 3 5 2 負(fù)載慣量的計(jì)算 20 3 5 3 空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算 21 3 6 滑動(dòng)導(dǎo)軌的選擇計(jì)算 21 3 6 1 工作載荷的計(jì)算 22 3 6 2 額定工作壽命的計(jì)算 22 3 6 3 距離額定工作壽命的計(jì)算 22 3 6 4 額定動(dòng)載荷計(jì)算及選型 23 3 7 聯(lián)軸器的選擇 23 3 8 軸承的選擇 24 3 9 滾珠絲杠副的安全使用 25 第 4 章 床身的設(shè)計(jì) 26 第 5 章 鏜桿傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 28 5 1 鏜桿傳動(dòng)部分功率計(jì)算 28 5 2 齒輪部分設(shè)計(jì) 29 5 3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 33 第 6 章 缸套專(zhuān)用夾具設(shè)計(jì) 35 6 1 工件在夾具中的定位 35 6 2 缸套夾緊設(shè)計(jì) 35 6 3 裝配圖 36 結(jié)論 37 參考文獻(xiàn) 38 致 謝 39 1 第 1 章 緒 論 1 1 課題研究意義 專(zhuān)用機(jī)床是一種專(zhuān)用高效自動(dòng)化技術(shù)裝備 目前 由于它仍是大批量機(jī)械產(chǎn)品實(shí) 現(xiàn)高效 高質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性生產(chǎn)的關(guān)鍵裝備 因而被廣泛應(yīng)用于汽車(chē) 拖拉機(jī) 內(nèi)燃機(jī) 和壓縮機(jī)等許多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域 特別是汽車(chē)工業(yè) 是專(zhuān)用機(jī)床和自動(dòng)線最大的用戶 如德國(guó)大眾汽車(chē)廠在 Salzgitter 的發(fā)動(dòng)機(jī)工廠 90 年代初所采用的金屬切削機(jī)床主要是 自動(dòng)線 60 專(zhuān)用機(jī)床 20 和加工中心 20 顯然 在大批量生產(chǎn)的機(jī)械工業(yè)部門(mén) 大量采用的設(shè)備是專(zhuān)用機(jī)床和自動(dòng)線 因此 專(zhuān)用機(jī)床及其自動(dòng)線的技術(shù)性能和綜合 自動(dòng)化水平 在很大程度上決定了這些工業(yè)部門(mén)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率 產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)生 產(chǎn)組織的結(jié)構(gòu) 也在很大程度上決定了企業(yè)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力 所以對(duì)專(zhuān)用機(jī)床的設(shè)計(jì)研 究具有十分重要的意義 本設(shè)計(jì)主要是專(zhuān)用鏜床的設(shè)計(jì) 此次設(shè)計(jì)所涉及的內(nèi)容包括了缸套的加工工藝設(shè) 計(jì) 夾具設(shè)計(jì) 鏜床的設(shè)計(jì) 專(zhuān)用機(jī)床及其自動(dòng)線的技術(shù)性能和綜合自動(dòng)化水平 在很大程度上決定了這些工業(yè)部門(mén)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率 產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)生產(chǎn)組織的結(jié)構(gòu) 也在很大程度上決定了企業(yè)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力 所以對(duì)專(zhuān)用機(jī)床的設(shè)計(jì)研究具有十分重要 的意義 1 2 課題任務(wù)及要求 該課題首先對(duì)目前缸套類(lèi)零件加工工藝與裝備的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行分析 展望缸 套類(lèi)零件加工工藝與裝備設(shè)計(jì)的方向和發(fā)展趨勢(shì) 然后簡(jiǎn)述缸套類(lèi)零件加工工藝與裝 備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題 最后提出自己的設(shè)計(jì)方案 主要完成 1 完成缸套零件加工工藝與裝備設(shè)計(jì)的綜述 外文資料的翻譯 2000 字符 2 完成缸套粗加工工藝路線的擬定 生產(chǎn)類(lèi)型為大批 完成粗鏜鏜床的草圖 3 根據(jù)擬定的缸套粗鏜鏜床草圖 完成所有參數(shù) 尺寸的計(jì)算 查表和確定 校 核主要零件的強(qiáng)度和剛度 2 第 2 章 缸套專(zhuān)用鏜床設(shè)總體設(shè)計(jì) 2 1 設(shè)計(jì)適用對(duì)象 本課題擬定的是對(duì)如下圖所示的一種代表性質(zhì)的缸套進(jìn)行專(zhuān)用鏜床設(shè)計(jì) 2 2 缸套的加工工藝 缸套類(lèi)零件加工的主要工藝問(wèn)題是如何保證其主要加工表面 內(nèi)孔和外圓 之間 的相互位置精度 以及內(nèi)孔本身的加工精度和表面粗糙度要求 尤其是薄壁 深孔的 缸套零件 由于受力后容易變形 加上深孔刀具的剛性及排屑與散熱條件差 故其深 孔加工經(jīng)常成為缸套零 件加工的技術(shù)關(guān)鍵 缸套類(lèi)零件的加工順序一般有兩種情況 第一種情況為 粗加工外圓 粗 精加工內(nèi)孔 最終精加工外圓 這種方案 適用于外圓表面是最重要表面的缸套類(lèi)零件加工 第 2 章 缸套專(zhuān)用鏜床總體設(shè)計(jì) 3 第二種情況為 粗加工內(nèi)孔 粗 精加工外圓 最終精加工內(nèi)孔 這種方案 適用于內(nèi)孔表面是 最重要表面的缸套類(lèi)零件加工 缸套類(lèi)零件的外圓表面加工方法 根據(jù)精度要求可選擇車(chē)削和磨削 內(nèi)表面加工 方法的選擇則需考慮零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 孔徑大小 長(zhǎng)徑比 材料 技術(shù)要求及生產(chǎn)類(lèi) 型等多種因素 2 2 1 缸套類(lèi)零件內(nèi)孔加工 內(nèi)孔是缸套類(lèi)零件的主要加工表面 加工方法選擇的原則具體根據(jù)孔的大小 深 度 精度 結(jié)構(gòu)形狀等面定 當(dāng)孔徑較小時(shí) 50mm 宜采用鉆擴(kuò) 較方案 孔較大時(shí)采用鉆孔后鏜或直接鏜孔 箱體上孔多采用精鏜 浮動(dòng)鏜 缸筒件用精鏜 珩磨 滾壓 淬硬缸套 宜采用磨孔 精密孔用高精度磨削 研磨 珩磨或拋光等 孔的加工方法 鉆孔 擴(kuò)孔 鉸孔 鏜孔 拉孔 磨孔 珩孔 研磨孔 一 鉆孔 鉆孔是在實(shí)心材料上加工孔的第一道工序 它主要用于精度要求較高孔的預(yù)加工 或精度低于 IT11 級(jí)的孔的終加工 鉆孔刀具常用麻花鉆 由于麻花鉆具有寬而深的容屑槽 鉆頭頂部有橫刃及鉆頭 只有兩條很窄的螺旋棱帶與孔壁接觸等結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 因而鉆頭的剛性差 導(dǎo)向性能差 鉆孔時(shí)容易引偏 易出現(xiàn)孔徑擴(kuò)大現(xiàn)象 孔壁加工質(zhì)量較差 措施 加工前先加工孔的端面 采用工件回轉(zhuǎn)方式或先鉆引導(dǎo)錐等 使用范圍 孔徑 75mm 當(dāng)孔徑 35mm 時(shí)分兩次鉆 第一次鉆孔的直徑為 所需孔徑的 1 2 7 10 第二次鉆到所需孔徑 這時(shí)橫刃不參加切削 軸向抗力小 切削 4 較輕小 二 擴(kuò)孔 擴(kuò)孔是用擴(kuò)孔鉆對(duì)工件上已鉆出 鑄出或鍛出孔作進(jìn)一步加工的方法 擴(kuò)孔加工有如下特點(diǎn) 1 加工精度比鉆孔高 切深小 鉆頭無(wú)橫刃 刀體剛度大 導(dǎo)向作用好 IT11 10 Ra6 3 3 2 2 擴(kuò)孔能糾正原孔軸線的歪斜 3 生產(chǎn)率高 由于余量小 1 8 擴(kuò)孔齒數(shù)較多 f 0 4 2mm r 4 孔徑 100 的孔 多用鏜孔而不用擴(kuò)孔 三 鉸孔 鉸孔是未淬硬的中小尺寸孔進(jìn)行精加工的一種方法 加工的孔徑范圍一般為 3 80mm 鉸孔的工藝特點(diǎn) 1 鉸孔精度主要取決于鉸刀精度 2 鉸孔比鏜孔容易保證尺寸精度和形狀精度 且生產(chǎn)率較高 一般 IT7 IT8 手鉸達(dá) IT6 Ra1 6 0 2 3 適應(yīng)性差 一種鉸刀只能加工一種尺寸和一種精度的孔 4 不能校正原孔軸線的偏斜 四 鏜孔 鏜孔是常用的孔的加工方法 可作為粗加工 也可以作精加工 其主要工藝特點(diǎn) 1 加工范圍廣 非標(biāo)孔 大直徑孔 短孔以及盲孔 有色金屬孔及孔系等加工 2 獲得較高的精度與低表面粗糙度 IT8 IT6 Ra1 6 0 4 用金剛鏜則更低 3 修正前道工序的孔軸線的偏斜和不直 生產(chǎn)率較低 4 可在車(chē) 銑 鏜及數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行 五 磨孔 磨孔是單件小批生間中常用的孔精加工方法 它特別適宜于加工淬硬的孔 表面 精度斷續(xù)的孔和長(zhǎng)度很短的精密孔 對(duì)于中小型回轉(zhuǎn)零件 磨孔在內(nèi)圓磨床或萬(wàn)能磨床上進(jìn)行對(duì)于大型薄零件 可采 第 2 章 缸套專(zhuān)用鏜床總體設(shè)計(jì) 5 用無(wú)心內(nèi)圓磨削 內(nèi)圓磨削的工藝特點(diǎn) 1 砂輪直徑 D 受到工件孔徑刀的限制 D 0 5 0 9D 砂輪尺寸小 損耗快 經(jīng)常 要更換影響效益 2 磨削速度低因此 磨削精度較難控制 3 砂輪軸受孔徑與長(zhǎng)度限制 剛性差 易彎曲 振動(dòng) 影響加工精度與表面粗糙度 4 砂輪與工件內(nèi)切 接觸面積大 散熱條件差 易燒傷 宜用較砂輪 5 切削液不易進(jìn)入磨削區(qū) 排屑困難 內(nèi)孔磨削方法 中心圓磨 用于中小型工件 在萬(wàn)能磨 內(nèi)圓磨床上進(jìn)行 磨削方法行星式內(nèi)圓磨 用于重量大 形狀不對(duì)稱(chēng)的內(nèi)孔 用行星或磨床 無(wú)心內(nèi)圓磨 用于直徑短套孔 五 拉孔 拉孔是拉刀在拉床上對(duì)已預(yù)加工的孔進(jìn)行半精加工或精加工的方法拉孔方法的特 點(diǎn) 1 尺寸精度高 表面質(zhì)量好 IT7 9 Ra1 6 0 1 2 不能糾正軸線的偏斜 3 拉刀結(jié)構(gòu)復(fù)雜 成本高 制造周期長(zhǎng) 4 一把拉刀只拉一種規(guī)格尺寸的孔 要求工件材質(zhì)均勻 薄壁孔 盲孔 階梯孔 深孔 大直徑孔和很小的孔及淬硬孔不宜拉 拉削范圍為 10 100 三 孔的精密加工 當(dāng)缸套類(lèi)零件內(nèi)孔的加工精度和表面粗糙度要求很高時(shí) 則精加工后還需進(jìn)行精 密加工 孔的精密加工方法 研磨 珩磨 一 精細(xì)鏜滾壓 精細(xì)鏜是由于最初使用金剛石作鏜刀材料而得名 精細(xì)鏜的工藝特點(diǎn) 1 用精度高 剛度大 高轉(zhuǎn)速的金剛鏜床 轉(zhuǎn)速高達(dá) 500r min 6 切鑄鐵 100m min 鋼 200 m min 鋁 300 m min 2 削用量小 切削刀熱小 加工精度高 3 生產(chǎn)率高加工范圍廣 二 珩磨 珩磨是用若干細(xì)粒度磨條組成的珩磨頭進(jìn)行內(nèi)孔光整加工的方法 通常在磨削或 精鏜后進(jìn)行 1 珩磨工作原理 2 珩磨孔的工藝特點(diǎn) 1 加工范圍廣 2 磨頭與主軸浮動(dòng)聯(lián)接 3 精度高 IT6 Ra0 8 0 025 能修正幾何誤差交叉網(wǎng)紋有利于油膜形成 1 影響珩磨質(zhì)量和生產(chǎn)率的因素 1 珩磨的圓周速度 VP 和往復(fù)速度 Vw 的因素 VP Vw 質(zhì)量好效率高 但磨損 熱 易堵 塞 VP Vw 的比值影響網(wǎng)紋交叉角 40 60 2 珩磨頭行程 L 與越程量 a L Lk 2a Ls 式中 Lk 被加工表面長(zhǎng)度 Ls 磨條長(zhǎng)度但磨條不宜過(guò)長(zhǎng) 3 珩磨壓力 F F 磨損 切削能力 4 冷卻與潤(rùn)滑 三 研磨略 四 滾壓 2 2 2 本課題缸套工藝路線的確定 經(jīng)過(guò)上節(jié)介紹進(jìn)行比較 得出綜合考慮缸套內(nèi)孔加工的工藝性和經(jīng)濟(jì)性 內(nèi)孔采 用鏜孔加工 套筒類(lèi)零件由于其功用 結(jié)構(gòu)形狀 尺寸 材料及熱處理等的不同 其工藝差別 很大 就結(jié)構(gòu)形狀而言 可分為短套筒與長(zhǎng)套筒兩類(lèi) 這兩類(lèi)套筒在裝夾與加工方法 第 2 章 缸套專(zhuān)用鏜床總體設(shè)計(jì) 7 上有很大的差別 下面分別分析其工藝特點(diǎn) 如圖為某氣缸零件圖 由于 L D 3 屬短套 內(nèi)孔 G 是重要表面 其加工工藝過(guò) 程如下 氣缸套零件加工工藝 工序號(hào) 工序名稱(chēng) 工 序 內(nèi) 容 定位夾緊 010 鑄造毛坯 020 人工時(shí)效 030 粗鏜內(nèi)孔 鏜內(nèi)孔至 118mm 外圓 040 粗車(chē)外圓 粗車(chē)各級(jí)外圓 內(nèi)孔 氣壓脹胎夾具 050 熱處理 正火 060 半精車(chē) 半精車(chē)法蘭凸臺(tái)端面及外圓 內(nèi)孔氣壓脹胎夾具 8 070 半精鏜 半精鏜內(nèi)孔 119mm 及總長(zhǎng) 270mm 外圓法蘭凸臺(tái)端面及外圓 080 精 車(chē) 精車(chē)法蘭凸臺(tái)端面 外圓割槽 內(nèi)孔氣壓脹胎夾具 090 去氧化皮 用圓弧車(chē)刀 R10 車(chē)外圓并用靠模樣板 100 半精車(chē) 半精車(chē)密封槽 外圓法蘭凸臺(tái)端面及外圓 110 精 鏜 鏜精內(nèi)孔 120mm 外圓法蘭凸臺(tái)端面及外圓 120 精 車(chē) 精車(chē)外圓 141 5mm 140mm 內(nèi)孔氣壓脹胎夾具 130 粗 珩 粗珩磨內(nèi)孔 120 外圓法蘭凸臺(tái)端面及外圓 140 精珩 精珩磨內(nèi)孔 120 外圓法蘭凸臺(tái)端面及外圓 公差加上 2 3 缸套專(zhuān)用鏜床總體設(shè)計(jì)方案 1 動(dòng)力頭通過(guò)齒輪傳導(dǎo)給絲杠然后通過(guò)絲杠帶動(dòng)工作臺(tái) 或另外動(dòng)力機(jī) 2 通過(guò)動(dòng)力頭把轉(zhuǎn)速傳導(dǎo)給鏜桿 注意進(jìn)給和速度相互配合和各方面的數(shù)據(jù)參數(shù) 3 缸套裝夾部分的設(shè)計(jì) 9 第 3 章 進(jìn)給工作臺(tái)設(shè)計(jì) 3 1 進(jìn)給工作臺(tái)總體方案 由于本課題設(shè)計(jì)的鏜床只需要單方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 故本課題只討論一個(gè)方向的進(jìn)給工 作臺(tái)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)控制框圖如下 圖 3 1 工作臺(tái)系統(tǒng)控制框圖 1 電機(jī) 2 減速裝置 3 支承裝置 4 絲杠 5 托板 圖 3 2 工作臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖 3 3 滾珠絲杠副的選擇 3 3 1 滾珠絲杠副的特點(diǎn) 1 傳動(dòng)效率高 效率高達(dá) 90 95 耗費(fèi)的能量?jī)H為滑動(dòng)絲杠的 1 3 2 運(yùn)動(dòng)具有可逆性 即可將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng) 又可將直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 且 10 逆?zhèn)鲃?dòng)效率幾乎與正傳動(dòng)效率相同 3 系統(tǒng)剛度好 通過(guò)給螺母組件內(nèi)施加預(yù)壓來(lái)獲得較高的系統(tǒng)剛度 可滿足各種機(jī)械 傳動(dòng)要求 無(wú)爬行現(xiàn)象 始終保持運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和靈敏性 4 傳動(dòng)精度高 經(jīng)過(guò)淬硬并精磨螺紋滾道后的滾珠絲杠副本身就具有和高的制造精 度 又由于摩擦小 絲桿副工作時(shí)溫升和熱變形小 容易獲得較高的傳動(dòng)精度 5 使用壽命長(zhǎng) 滾珠是在淬硬的滾道上作滾動(dòng)運(yùn)動(dòng) 磨損極小 長(zhǎng)期使用后仍能保持其 精度 因而壽命長(zhǎng) 且具有很高的可靠性 其壽命一般比滑動(dòng)絲杠高 5 6 倍 6 不能自鎖 特別是垂直安裝的絲杠 當(dāng)運(yùn)動(dòng)停止后 螺母將在重力作用下下滑 故常需設(shè)置制動(dòng)裝置 7 制造工藝復(fù)雜 滾珠絲杠和螺母等零件加工精度 表面粗糙度要求高 制造成本高 由于滾珠絲杠副獨(dú)特的性能而受到極高的評(píng)價(jià) 因而已成為數(shù)控機(jī)床 精密機(jī)械 各種 省力機(jī)械設(shè)備及各種機(jī)電一體化產(chǎn)品中不可缺少的傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 3 3 2 滾珠絲杠副的支承形式 支承應(yīng)限制絲杠的軸向竄動(dòng) 較短的絲杠或垂直安裝的絲杠 可以一端固定 一端無(wú) 支承 水平安裝絲杠較長(zhǎng)時(shí) 可以一端固定 一端游動(dòng) 對(duì)于精密和高精度機(jī)床的滾珠絲 杠副 為了提高絲杠的拉壓剛度 可以兩端固定 為了補(bǔ)償熱膨脹和減少絲杠下垂 兩端 固定絲杠時(shí)還可以進(jìn)行預(yù)拉伸 一般情況下 應(yīng)以固定端作為軸向定位基準(zhǔn) 從固定端起計(jì)算絲桿杠副的長(zhǎng)度誤差 此外 應(yīng)盡可能固定端作為驅(qū)動(dòng)端 考慮到本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)與要求 我們決定采用一端固定一端游動(dòng) F S 的支承形式 如圖 1 1 所示 一端固定一端游動(dòng) F S 固定端采用深溝球軸承 2 和雙向推力球軸承 4 可分 別承受徑向和軸向負(fù)載 螺母 1 擋圈 3 軸肩 支撐座 5 臺(tái)肩 端蓋 7 提供軸向限位 墊圈 6 可調(diào)節(jié)推力軸承 4 的軸向預(yù)緊力 游動(dòng)端需徑向約束 軸向無(wú)約束 采用深溝 球軸承 8 其內(nèi)圈由擋圈 9 限位 外圈不限位 以保證絲杠在受熱變形后可在游動(dòng)端自 由伸縮 11 滾珠絲杠固定方式圖 一端固定一端游動(dòng)支承 這種支承形勢(shì)有以下一些特點(diǎn) 1 需保持螺母與兩端支撐同軸 故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 工藝較困難 2 絲杠的軸向剛度較高 3 壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速較高 4 絲杠有熱膨脹的余地 5 適用于較長(zhǎng)的臥式安裝絲杠 3 3 3 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算 機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 由進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng) 然后帶動(dòng)機(jī)床絲杠傳動(dòng) 在數(shù)控機(jī) 床上的絲杠傳動(dòng) 可以用普通的絲杠傳動(dòng) 也還有應(yīng)用滾珠絲杠來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng) 原因是普通 絲杠傳動(dòng)摩 但總是不太穩(wěn)定 所以 在機(jī)床上要擦系數(shù)大 效率低 傳動(dòng)中有間隙 雖然傳動(dòng)中的間隙可以用 一些辦法來(lái)補(bǔ)償 修正采用滾珠絲杠傳動(dòng) 滾珠絲杠傳動(dòng)有一系列的優(yōu)點(diǎn) 但制造工 藝較為復(fù)雜 成本高 在某些應(yīng)用上受到一定的限制 但隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 它的 使用將會(huì)更加廣泛 滾珠絲杠傳動(dòng)都使用防護(hù)罩 以防止空氣中的塵土和其它雜物等進(jìn)入 滾珠絲杠和滾珠螺母組成滾珠絲杠螺母副 它是把步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng) 角位移 變 換成數(shù)控機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的的直線位移 滾珠絲杠螺母副 也簡(jiǎn)稱(chēng)為滾珠絲杠副 是一種新的傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 它是在絲杠和螺 母的螺旋槽之間裝有滾珠 以此作為中間元件的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 3 3 4 滾珠絲杠副的傳動(dòng)原理 絲杠和螺母上都有圓弧形的螺旋槽 這兩個(gè)圓弧形的螺旋槽對(duì)合起來(lái)就形成螺旋線 的滾道 在滾道內(nèi)裝有許多滾珠 當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí) 滾珠相對(duì)于螺母上的滾道滾動(dòng) 因此絲 12 杠與螺母之間滾道的摩擦為滾動(dòng)摩擦 為防止?jié)L珠從螺母中吊出來(lái) 在螺母的螺旋槽兩 端應(yīng)用擋住器擋住 并設(shè)有回路滾道是他的兩端連接起來(lái) 使?jié)L珠從滾道的一端滾出后 沿著這個(gè)回路滾道從新返回到滾道的另一端 可以循環(huán)進(jìn)行不斷地滾動(dòng) 3 3 5 滾珠絲杠副的傳動(dòng)特點(diǎn) 滾珠絲杠副的優(yōu)點(diǎn)是 傳動(dòng)效率高 因?yàn)樗菨L動(dòng)摩擦 傳動(dòng)效率可達(dá) 0 92 0 96 比 普通的絲杠傳動(dòng)提高 3 4 倍 由此帶來(lái)了一系列的優(yōu)點(diǎn) 如功率損耗小 傳動(dòng)平穩(wěn) 磨損 小 無(wú)爬行現(xiàn)象等等 除此而外還有兩個(gè)特點(diǎn) 一是 一般的絲杠傳動(dòng)總是有間隙 而滾珠 絲杠可以消除間隙 所以當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)反向時(shí) 可以沒(méi)有空程 提高了反向的定位精度 也 增強(qiáng)了傳動(dòng)剛度 二是 一般的絲杠傳動(dòng)只能使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng) 而滾珠絲杠副 由于傳動(dòng)的摩擦系數(shù)小 所以既能把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng) 也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變 為螺旋運(yùn)動(dòng) 具有傳動(dòng)的可逆性 因此可以作為主動(dòng)件 也可以作為從動(dòng)件 它也有缺點(diǎn) 主要是元件的精度要求高 光潔度要求也高 所以制造工藝很復(fù)雜 成 本也高 對(duì)于絲杠和螺母上的螺旋槽 一般要求磨削成型 因而制造困難 也限制了使用 又由于傳動(dòng)的可逆性 所以不能自鎖 當(dāng)應(yīng)用在垂直傳動(dòng)裝置時(shí) 由于自重和慣性的 關(guān)系 在下降過(guò)程中不能立刻停止 因此還需要備有制動(dòng)裝置 3 3 6 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)與調(diào)整 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)盡管在形式上有很多類(lèi)型 但其主要區(qū)別是在螺紋滾到的型面形 狀 滾珠循環(huán)的方式 軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法等三個(gè)方面 1 螺紋滾道型面的形狀 螺紋滾道型面的形狀有很多種 目前國(guó)內(nèi)正式投產(chǎn)的 僅有單圓弧型面和雙圓弧型面 兩種 如圖所示 滾珠與滾道型面接觸點(diǎn)法線與絲杠軸線的垂線之間的夾角 稱(chēng)為接 觸角 a 單圓弧 b 雙圓弧 13 圖 4 1 滾珠絲杠副螺紋滾道型面的截形 2 單圓弧型面 一般滾道的圓弧半徑要比滾柱的半徑稍大一些 對(duì)于單圓弧型面的螺紋滾道 接 觸角是隨著軸向負(fù)載大小而變化的 當(dāng)軸向負(fù)載為零時(shí) 接觸角也為零 當(dāng)負(fù)載逐漸 增大 接觸角也逐漸增大 實(shí)驗(yàn)證明 當(dāng)接觸角增大時(shí) 傳動(dòng)效率 軸向剛度 承載 能力都隨之增大 3 雙圓弧型面 雙圓弧型面螺紋滾道的接觸角是不變的 在偏心距 e 決定后 滾珠與滾道的圓 弧角接處 會(huì)有很小的空隙 這些空隙雖然能容納一些臟物 但不至于堵塞 反而對(duì) 滾柱的滾動(dòng)有利 從傳動(dòng)效率 軸向剛度 承載能力等要求出發(fā) 接觸角大一些好 但接觸角過(guò)大制造就會(huì)困難 一般接觸角為 滾道的圓弧半徑也同樣比滾柱的半徑 45 稍大一些 滾珠的循環(huán)方式 目前國(guó)內(nèi)常用的滾珠循環(huán)方式由外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種 1 外循環(huán)方式 如圖所示為外循環(huán)方式 滾柱在循環(huán)過(guò)程中與絲杠脫離接觸 通過(guò)外面的循環(huán)回 路稱(chēng)為外循環(huán) W 系列 這種外循環(huán)是直接在螺母的外圓上銑出螺旋槽 用擋珠器從 螺母內(nèi)部切斷螺紋滾道 擋珠滾珠的去路 迫使?jié)L珠導(dǎo)入通向外圓螺旋槽中 構(gòu)成了 外面的旋環(huán)回路 外循環(huán)的結(jié)構(gòu)和制造較為簡(jiǎn)單容易 因此應(yīng)用較廣 他可以制成單 列或式雙列兩種的結(jié)構(gòu)形式 2 內(nèi)循環(huán)方式 滾柱在循環(huán)過(guò)程中與絲杠始終保持接觸的稱(chēng)為內(nèi)循環(huán) N 系列 如圖所示 這種 內(nèi)循環(huán)是在螺母外側(cè)孔中裝了一個(gè)接通相鄰滾道的反向器 借助這個(gè)反向器迫使?jié)L珠 翻過(guò)絲杠的牙頂 而進(jìn)入相鄰的滾道 內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副回路短 工作滾珠數(shù)目少 結(jié)構(gòu)尺寸緊湊 流暢性好 摩擦磨損小 傳動(dòng)效率高 軸向剛度和承載能力都較高 具有一系列優(yōu)點(diǎn) 但制造困難 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 所以不及外循環(huán)方式應(yīng)用的廣泛 14 圖 4 2 外循環(huán)的滾珠絲杠 圖 4 3 內(nèi)循環(huán)的滾珠絲杠 3 3 7 軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法 對(duì)于滾珠絲杠副 除了單一方向的進(jìn)給傳動(dòng)精度有一定的要求外 對(duì)它的軸向間 隙也有嚴(yán)格的要求 以保證反向傳動(dòng)的精度 要把軸向間隙完全消除 也是相當(dāng)困難 的 通常采用雙螺母 并加預(yù)緊力的方法來(lái)消除其軸向間隙 雙螺母經(jīng)加預(yù)緊力調(diào)整 后 能基本上消除軸向間隙 單螺母的滾珠絲杠副是不能調(diào)整軸向間隙和預(yù)緊力的 其軸向間隙只能依靠滾珠絲杠副本的精度和安裝時(shí)絲杠和螺母的連接精度來(lái)保證 雙螺母加預(yù)緊力消除軸向間隙必須注意兩點(diǎn) 一是 通過(guò)預(yù)緊后產(chǎn)生的力 可促 使預(yù)拉變形 以減少?gòu)椥宰冃嗡鸬奈灰?但預(yù)緊力不能太大 否則會(huì)使驅(qū)動(dòng)力矩 增大 傳動(dòng)效率反而降低 使用壽命也隨之縮短 二是 軸向間隙的消除 不能忽視 絲杠的安裝部分和驅(qū)動(dòng)部分的軸向間隙 應(yīng)同時(shí)調(diào)整是它減少到最小 目前常用的雙 螺母預(yù)緊力調(diào)整方法有下面三種 1 墊片調(diào)隙式 如圖所示為墊片調(diào)隙式 一般用螺釘來(lái)連接滾珠絲杠上的兩個(gè)螺母的凸緣處 在中間 加墊片 墊片的厚度是螺母間產(chǎn)生軸向位移 以達(dá)到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的 這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 可靠 裝拆方便 但缺點(diǎn)是調(diào)整很費(fèi)時(shí) 在工作狀態(tài)下 不能隨意調(diào)整 因?yàn)橐鼡Q不同厚度的墊片才能消除間隙 所以是用于一般精度的機(jī) 構(gòu)中使用 2 螺紋調(diào)隙式 如圖所示為螺紋調(diào)隙式 它是一個(gè)螺母的外端有凸緣 而另一個(gè)螺母的外端沒(méi)有 凸緣 車(chē)有螺紋 它伸出在套筒外 并用兩個(gè)圓螺母調(diào)整好間隙后 再用一圓螺母鎖 緊螺母鎖緊就可以了 這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊 調(diào)整方便 所以應(yīng)用廣泛 但調(diào)整的位移量不太精 確 15 圖 4 4 墊片調(diào)隙式 圖 4 5 螺紋調(diào)隙式 齒差調(diào)隙式 如圖所示為齒差調(diào)隙式 它是在兩個(gè)螺母的凸緣上各有圓齒輪 2 兩者的齒數(shù)值相 差一個(gè)齒 裝入內(nèi)齒圓 3 中 內(nèi)齒圓 3 是用螺釘 1 和定位銷(xiāo) 4 固定在套筒 5 上的 調(diào) 整是先取下內(nèi)齒圓 3 轉(zhuǎn)動(dòng)圓柱齒輪 2 在兩個(gè)滾柱螺母相對(duì)于滾筒 5 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 可以使 兩個(gè)螺母相互產(chǎn)生角位移 這樣滾柱螺母對(duì)于滾珠絲杠的螺旋滾道也相對(duì)移動(dòng)是兩個(gè) 螺母中的滾柱分別貼近在螺旋滾到的兩個(gè)相反的側(cè)面上 消除間隙并產(chǎn)生預(yù)緊力后 把內(nèi)齒圓 3 套上用定位銷(xiāo) 4 固定 這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是調(diào)整精確可靠 定位精度高 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜 僅在高精度的數(shù)控機(jī) 床有所應(yīng)用 1 螺釘 2 圓柱齒輪 3 內(nèi)齒圓 4 定位銷(xiāo) 5 套筒 圖 4 6 齒差調(diào)隙式 3 4 滾珠絲杠的選擇 3 4 1 滾珠絲杠的精度 工作臺(tái)工作行程為 300 工件長(zhǎng)度為 270 進(jìn)給行程要略微大點(diǎn) 3 4 2 滾珠絲杠參數(shù)的計(jì)算 1 最大工作載荷的計(jì)算 16 絲杠的最大載荷為工作時(shí)的最大進(jìn)給力加摩擦力 最小載荷即為摩擦力 設(shè)此臺(tái) Z 向的最大進(jìn)給力 5000N 導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量約為 500 貼塑導(dǎo)軌的摩擦Ff 系數(shù)為 0 04 故絲杠的最小載荷 即摩擦力 N 4 3 1968 504 min fg 絲杠最大載荷是 5000 196 5196 N 4 4 Fax 平均載荷是 3529 N 4 5 m ina2 31 319652 2 當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算 滾珠絲杠副類(lèi)型的選擇主要是根據(jù)導(dǎo)程和動(dòng)載荷兩個(gè)參數(shù) 其選擇的原則為 滾珠 絲杠的靜載荷 Coa 不能大于額定靜載荷 Coam 即 Coa Coam 滾珠絲杠的動(dòng)載荷 Ca 不能大于額定動(dòng)載荷 Cam 即 Ca Cam 驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 2000 r min 絲杠最高轉(zhuǎn)速為 2000r min 工作臺(tái)最小進(jìn)給速度為 0 5m min 故絲杠的最低轉(zhuǎn)速 為 0 1r min 可取為 0 則平均轉(zhuǎn)速 n 1000r min 絲杠使用壽命 T 15000h 故絲杠的 工作壽命 675 r 4 6 106nTL 1065 106 當(dāng)量動(dòng)載荷值 4 7 Ka LpFmC3 式中 載荷性質(zhì)系數(shù) 無(wú)沖擊取 1 1 2 一般情況取 1 2 1 5 有較大沖擊振Kp 動(dòng)時(shí)取 1 5 2 5 精度影響系數(shù) 對(duì) 1 2 3 級(jí)精度的滾珠絲杠取 1 0 對(duì) 4 5 級(jí)a Ka 精度的絲杠取 0 9 Ka 根據(jù)要求去 1 5 0 9 代入數(shù)據(jù)得p 51 59 KN 4 8 9 0 367512 Cm 根據(jù)計(jì)算所得最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程 查滾珠絲杠樣本 選擇 FF6310 5 型 內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返回器雙螺母對(duì)旋預(yù)緊滾珠絲杠副 其公稱(chēng)直徑為 63mm 導(dǎo)程為 10mm 17 循環(huán)滾珠為 5 圈 2 列 精度等級(jí)取 5 級(jí) 額定動(dòng)載荷為 55600N 大于最大計(jì)算動(dòng)載 荷 51590N 符合設(shè)計(jì)要求 Cm 表 4 1 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù) 名 稱(chēng) 符 號(hào) 計(jì)算公式和結(jié)果 公稱(chēng)直徑 mm 0d63 螺距 mm P 10 接觸角 6 3 0 鋼球直徑 mm wd7 144 螺紋滾道法面半 徑 mm R715 352 0 dW 偏心距 mm e0 009 螺紋升角 mm Pharctg 6 0 絲杠外徑 mm 1d62 5 絲杠底徑 mm 257 3 螺桿接觸直徑 mm z55 87 螺母螺紋外徑 mm D412 7020 Red 螺母內(nèi)徑 mm 內(nèi)循環(huán) 162 64 3 傳動(dòng)效率的計(jì)算 將公稱(chēng)直徑 63mm 導(dǎo)程 10mm 代入 arctan 的絲杠螺旋升角d0PdP0 將摩擦角 代入 得傳動(dòng)效率 94 7 6 01 tan 4 剛度的驗(yàn)算 本傳動(dòng)系統(tǒng)的絲杠采用一端軸向固定 一端浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式 固定端采用一對(duì)面 對(duì)面角接觸球軸承和一個(gè)角接觸球軸承 另一端也采用角接觸球軸承 這種安裝適應(yīng) 于較高精度 中等載荷的絲杠 滾珠絲杠螺母的剛度的驗(yàn)算可以用接觸量來(lái)校核 a 滾珠絲杠滾道間的接觸變 1 根據(jù)公式 Z 求得單圈滾珠數(shù) Z 22 改型號(hào)絲杠為雙螺母 滾珠的圈數(shù)dw0 列數(shù)為 5 2 代入公式 圈數(shù) 列數(shù) 得滾珠總數(shù)量 220 絲杠預(yù)緊時(shí) ZZ 取軸向預(yù)緊力 1732 N 查相關(guān)公式得滾珠絲杠與螺紋滾道間接觸變形3maxFy 18 4 9 301 ZFydwPa 式中 51590N 代入數(shù)據(jù)得 PaCm 0 013 mm 301 Zyd 3320174 5190 0 因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力 且為軸向負(fù)載 所以實(shí)際變形量可以減少一半 取 0 0065mm 1 b 絲杠在工作載荷 作用下的抗壓變形Fmax 2 絲杠采用的是兩端都為角接觸球軸承 軸承的中心距 a 1100mm 鋼的彈性模量 E 由表 2 1 中可知 滾珠直徑 7 144mm 絲杠底徑 44 3mm 則105 2 PaMdwd2 絲杠的截面積 1540 6 42S m2 根據(jù)公式 代入數(shù)據(jù)得 EFeq 2 0 018 mm 6 1540 29 C 總的變形 總 0 0065 0 018 0 0245mm 絲杠的有效行程為 600 絲杠在有效行程 總 21 500 630mm 時(shí) 行程偏差允許達(dá)到 30 m 可見(jiàn)絲杠剛度足夠 5 穩(wěn)定性的驗(yàn)算 4 10 KLEIfkPa2 公式中取支撐系數(shù) 2 fk 由絲杠底徑 44 3mm 求的截面慣性矩 188957 7 壓桿穩(wěn)定d2642dI m4 安全系數(shù) K 取 3 絲杠臥式水平安裝 滾珠螺母至軸向固定處的距離 取最大值aL 1200mm 代入公式得 181129 6 31207 895 4 3 Pa 則 f 181129 6N 大于 51590N 故不會(huì)失穩(wěn) 滿足使用要求 Cm 6 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算 19 對(duì)于滾珠絲杠還有可能發(fā)生共振 需要驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速 設(shè)不會(huì)發(fā)生共振的最高 轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速 nc 查資料得公式 4 11 Lcd fc2910 其中 mm 43 5 7632 10 dwd 為臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度 1200 mm Lcc 為絲杠支承方式系數(shù) 一端固定 一端游動(dòng) f 92 f 代入數(shù)據(jù)得 4397 r min 臨界速度遠(yuǎn)大于絲杠所需轉(zhuǎn)速 故不會(huì)發(fā)生共振 n 7 滾珠絲杠選型和安裝尺寸的確定 由以上驗(yàn)算可以知道 絲杠型號(hào)為 FF6310 5 完全符合所需要求 故確定選用 該型號(hào) 安裝尺寸查表可知 8 絲杠支承的選擇 滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷 徑向載荷主要是臥式絲杠的自重 因此對(duì)絲杠 的軸向精度和軸向剛度應(yīng)有較高要求 其兩端支承的配置情況為軸向固定方式 本次 設(shè)計(jì)絲杠支承選用一端固定 另一端浮動(dòng) 3 5 伺服電機(jī)的選擇 3 5 1 最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 所選伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩 最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T 可根據(jù) 以下公式計(jì)算 即 4 12 iTfpPhFT 02max 從前面的計(jì)算可以知道 最大載荷 N 絲杠導(dǎo)程 10mm 0 01m 預(yù)緊5196 Ph 力 N 根據(jù)計(jì)算的滾珠螺母絲杠的機(jī)械效率 0 947 因CaFp41 139056 為滾珠絲杠預(yù)加載荷引起的附加摩擦力矩 N m 4 13 7 48 2901 0 PhFTp 查手冊(cè)得單個(gè)軸承的摩擦力矩為 0 32N m 故一對(duì)軸承的摩擦力矩 0 64N m 簡(jiǎn)支端軸承步預(yù)緊 其摩擦力矩可忽略不計(jì) 伺服電動(dòng)機(jī)與絲杠直Tf0 接相連 其傳動(dòng)比 1 則最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩 i 20 N m 7 146 0947 02156 T 所選的伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于此值 3 5 2 負(fù)載慣量的計(jì)算 伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 應(yīng)與負(fù)載慣量 相匹配 JMJL 負(fù)載慣量可以按一下次序計(jì)算 立柱與主軸箱的質(zhì)量為 500 折算到電動(dòng)機(jī)軸上 的慣量 可按下式計(jì)算 J1 kg 4 14 025 1 802 Phmv 絲杠名義直徑 63mm 0 063m 長(zhǎng)度 L 1 2m 絲杠材料 鋼 的密度d0 7 8 根據(jù)公式計(jì)算絲杠加在電動(dòng)機(jī)軸上的慣量13 4 15 057 32 4108 7402 dlJ 聯(lián)軸器加上鎖緊螺母等的慣量 可直接查手冊(cè)得到 即 J01 3 J 故負(fù)載總的慣量為 92 01 57 02 313 J 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量 應(yīng)與負(fù)載慣量 相匹配 通常要求 不小于 但MJLJMJL 也不是越大越好 因 越大 總的慣量 就越大 加速度性能受影響 為了保JM 證足夠的角加速度 以滿足系統(tǒng)反應(yīng)的靈敏的 將采用轉(zhuǎn)矩較大的伺服電動(dòng)機(jī)和它的 伺服控制系統(tǒng) 根據(jù)有關(guān)資料的推薦 匹配條件為 4 16 41 JL 則所選交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量 應(yīng)在 0 0092 0 036 范圍之內(nèi) M 根據(jù)上述計(jì)算可選用表 4 2 中的交流伺服電機(jī) 22 3000i型 其額定轉(zhuǎn)矩為 22N m 最高 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 0 012 min30axrn 表 4 2 FANUC HV i 系列交流伺服電機(jī) 型號(hào) 1 5000i 2 5000i 4 4000i 8 3000i 12 3000i 22 30 00i 21 輸出功率 kw 0 5 0 75 1 4 1 6 3 4 額定轉(zhuǎn)矩 N m 1 2 4 8 12 22 最高轉(zhuǎn)速min1 5000 5000 4000 3000 3000 3000 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 0 00031 0 00053 0 0014 0 0026 0 0026 0 012 質(zhì)量 3 4 8 12 18 29 伺服放大 器規(guī)格 20i 20i 20i 40i 80i 80i 3 5 3 空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算 當(dāng)執(zhí)行件從靜止以階躍指令加速到最大移動(dòng) 快速 速度時(shí) 所需要的空載加速 轉(zhuǎn)矩 按下式求 Ta 4 17 tacnJT60mx2 空載加速時(shí) 主要克服的是慣性 選用的 22 3000i型交流伺服電動(dòng)機(jī) 總慣量 0 0120 0 0092 0 0212 LM 加速度時(shí)間 通常取 的 3 4 倍 故 3 4 3 4 6 18 24 ms 則tacttactm N m 173 060154 321 0 tT 3 6 滑動(dòng)導(dǎo)軌的選擇計(jì)算 常用的導(dǎo)軌截面有矩形 三角形 燕尾形和圓形的 如圖 4 2 所示 根據(jù)支承導(dǎo)軌 的凸凹狀 4 態(tài) 又可分為凸形和凹形兩類(lèi)導(dǎo)軌 凹形容易存油 但也容易積存切屑和 塵粒 因此適用于具有良好的防護(hù)環(huán)境 凸形需要有良好的潤(rùn)滑條件 目前數(shù)控機(jī)床 使用的導(dǎo)軌主要有三種 塑料導(dǎo)軌 靜壓導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌 22 圖 4 4 3 6 1 工作載荷的計(jì)算 影響導(dǎo)軌副壽命的重要因素是工作載荷 假設(shè)立柱所有重量加在貼塑滑動(dòng)導(dǎo)軌的 一根導(dǎo)軌上 則導(dǎo)軌所承受的最大垂直方向上的載荷是 4 18 2maxGF 上式中 G 是重量 即 G 500 10 5000 N 代入上式得 2500 N 3 6 2 額定工作壽命的計(jì)算 預(yù)計(jì)機(jī)床的工作壽命是 10 年 一年是 365 天 工作時(shí)間是 350 天 每天工作 8 小時(shí) 因此得到小時(shí)額定工作壽命 28000 h 83501Lh 3 6 3 距離額定工作壽命的計(jì)算 根據(jù)公式 得 6021 3nSLh 4 19 10362 nSLh 公式中 為小時(shí)額定工作壽命 Lh n 為移動(dòng)部件每分鐘往返次數(shù) 4 6 取 5 S 為移動(dòng)部件的行程 即 S 600mm 代入數(shù)據(jù)得 L 10080km 23 3 6 4 額定動(dòng)載荷計(jì)算及選型 由公式 得 FCaL 325 6 4 20 325 6L 公式中 為額定動(dòng)載荷 a L 為距離工作壽命 由上面的計(jì)算可以知道為 10080km F 為導(dǎo)軌的工作載荷 即 F 2500N 代入數(shù)據(jù)得 29318N C 由計(jì)算的動(dòng)載荷值本次設(shè)計(jì)選用的是貼塑滑動(dòng)導(dǎo)軌 它是在數(shù)控機(jī)床的動(dòng)導(dǎo)軌 4 面 是塑料導(dǎo)軌的一種 導(dǎo)軌副的另一固定導(dǎo)軌面為淬火磨削面 軟帶是以聚四氟乙 烯為基材 添加合金粉 青銅粉 二硫化鉬 玻璃纖維和氧化物的高分子復(fù)合材料 其厚度有 0 8 1 1 1 4 1 7 2mm 寬 150mm 300mm 等幾種 塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌與其 他導(dǎo)軌相比 具有以下特點(diǎn) 1 動(dòng)靜摩擦系數(shù)相近 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和爬行性能較鑄鐵導(dǎo)軌副好 2 吸收振動(dòng) 具有良好的阻尼性 優(yōu)于接觸剛度較低的滾動(dòng)導(dǎo)軌和易漂浮的靜 壓導(dǎo)軌 3 摩擦系數(shù)低而穩(wěn)定 比鑄鐵導(dǎo)軌副低一個(gè)數(shù)量級(jí) 4 化學(xué)穩(wěn)定性好 耐磨 耐低溫 耐強(qiáng)酸 強(qiáng)堿 強(qiáng)氧化性劑及各種有機(jī)溶劑 5 耐磨性好 有自身潤(rùn)滑作用 無(wú)潤(rùn)滑油也能工作 灰塵磨粒的嵌入性好 6 維護(hù)修理方便 軟帶耐磨 損壞后更換容易 7 經(jīng)濟(jì)型好 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 成本低 約為滾動(dòng)導(dǎo)軌的 1 20 為三層復(fù)合材料 DU 導(dǎo)軌成本的 1 4 其中導(dǎo)軌貼塑板選用揚(yáng)中市天一高分子新材料有限公司生產(chǎn)的 TY 導(dǎo)軌貼塑板 3 7 聯(lián)軸器的選擇 金屬?gòu)椥栽闲月?lián)軸器是由各種片狀 圓柱狀 卷板狀等形狀的金屬?gòu)椈?利 用金屬?gòu)椈傻娜跣宰冃我赃_(dá)到補(bǔ)償兩軸相對(duì)偏移 和減振 緩沖功能 構(gòu)成不同結(jié)構(gòu) 性能的撓性聯(lián)軸器 金屬?gòu)椥栽确墙饘購(gòu)椥栽?qiáng)度高 使用壽命長(zhǎng) 傳遞載荷 能力大 適用于高溫工況 彈性模最大且穩(wěn)定 如圖 4 5 所示膜片聯(lián)軸器是由幾組膜片 不銹鋼薄板 用螺栓交錯(cuò)地與兩半聯(lián)軸器 聯(lián)接 每組膜片由數(shù)片疊集而成 膜片分為連桿式和不同形狀的整片式 膜片聯(lián)軸呂 靠膜片的彈性變形來(lái)補(bǔ)償報(bào)聯(lián)兩軸的相對(duì)位移 是一種高性能的金屬弱性元件撓性聯(lián) 軸器 結(jié)構(gòu)較緊湊 強(qiáng)度高 不用潤(rùn)滑 使用壽命長(zhǎng) 無(wú)旋轉(zhuǎn)間隙 不受溫度和油污 24 影響 具有耐酸 耐堿 防腐蝕的特點(diǎn) 適用于高速 高溫 有腐蝕介質(zhì)工況環(huán)境的 軸系傳動(dòng) 廣泛用于各種機(jī)械裝置的軸系傳動(dòng) 圖 4 5 DJM5 金屬膜片撓性聯(lián)軸器 3 8 軸承的選擇 滾珠絲杠中經(jīng)常使用的滾動(dòng)軸承有以下兩類(lèi) 1 接觸角為 的角接觸球軸承 60 這是目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的滾珠絲杠軸承 這種軸承可以組合配置 一種為面對(duì) 面方式 另一種為背靠背組合方式 這兩種方式都可承受雙向軸向推力 還有一種是 通向組合方式 其承受能力較高 但只承受一個(gè)方向的軸向力 同向組合時(shí)的額定動(dòng) 載荷 等于單個(gè)軸承的 乘下列系數(shù) 2 個(gè)為 1 63 3 個(gè)為 2 16 4 個(gè)為 2 64 由于螺CaCa 母與絲杠的同軸度在制造安裝的過(guò)程中難免有誤差 而且采用面對(duì)面組合方式時(shí)兩接 觸線與軸線交點(diǎn)間的距離 a 比背對(duì)背的小 故容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整 因此在進(jìn)給傳動(dòng)中 面對(duì)面組合用的較多 2 滾針 推力圓柱滾子組合軸承 外圈與箱體固定不轉(zhuǎn) 內(nèi)圈和隔套內(nèi)圈隨軸轉(zhuǎn)動(dòng) 滾針承受徑向載荷 圓柱滾子 分別承受兩個(gè)方向的軸向載荷 修磨隔套內(nèi)圈的寬度可調(diào)整軸承的軸向預(yù)緊量 本次設(shè)計(jì)選用角接觸球軸承 根據(jù)軸的直徑選用型號(hào)為表 4 3 中的 7009 GB T 292 1994 表 4 3 角接觸球軸承 25 3 9 滾珠絲杠副的安全使用 3 9 1 潤(rùn)滑 為使?jié)L珠絲杠副充分發(fā)揮機(jī)能 在其工作狀態(tài)下 必須潤(rùn)滑 潤(rùn)滑的方式主要有 以下兩種 1 潤(rùn)滑脂 潤(rùn)滑脂的給脂量一般是螺母內(nèi)部空間容積的 1 3 滾珠絲杠副出廠時(shí)在螺母內(nèi)部 已經(jīng)加注 GB7324 942 鋰基潤(rùn)滑脂 2 潤(rùn)滑油 運(yùn)動(dòng)粘度 28 5 74cst 400T 的潤(rùn)滑油 給油量隨使用條件等的不同而有所變化 3 9 2 防塵 滾珠絲杠與滾動(dòng)軸承一樣 如果污物及異物進(jìn)入就很快使它磨損 成為破損的原因 因此 考慮有污物異物進(jìn)入時(shí) 必須采用防塵裝置 將絲杠軸完全保護(hù)起來(lái) 另外 如沒(méi)有異物 但有浮沉?xí)r可以在滾珠螺母兩端增加防塵圈 3 9 3 使用 滾珠絲杠副在使用時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng) 1 滾珠螺母應(yīng)在有效行程內(nèi)運(yùn)動(dòng) 必要時(shí)在行程兩端配置限位 以免螺母約程脫 離絲杠軸而使?jié)L珠脫落 2 滾珠絲杠副由于傳動(dòng)效率高 不能自鎖 在用于垂直方向傳動(dòng)使 如部件重量 未加平衡 必須防止傳動(dòng)停止或電機(jī)失電后 因部件自重而產(chǎn)生的逆?zhèn)鲃?dòng) 3 滾珠絲杠副正常工作環(huán)境溫度為 60C 26 3 9 4 安裝 滾珠絲杠副在安裝時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng) 1 滾珠絲杠副僅用于承受軸向載荷 徑向載荷 彎矩會(huì)使?jié)L珠絲杠副產(chǎn)生附加表 面接觸應(yīng)力等負(fù)荷 從而造成絲杠的永久性破壞 因此 滾珠絲杠副安裝到機(jī)床時(shí) 應(yīng)注意 1 絲杠的軸線必須和其配套導(dǎo)軌的軸線平行 機(jī)床的兩端軸承座與螺母座必須三 點(diǎn)成一線 2 安裝螺母時(shí) 應(yīng)盡量靠近支撐軸承 3 同時(shí) 安裝支撐軸承時(shí) 應(yīng)盡量靠近螺母安裝部位 2 滾珠絲杠安裝到機(jī)床時(shí) 盡量不要把螺母從絲杠上卸下來(lái) 如 必須卸下來(lái)時(shí)要使用輔助套 否則裝卸時(shí)滾珠有可能脫落 螺母裝卸時(shí)應(yīng)注意以 下幾點(diǎn) 1 輔助套外徑應(yīng)小于絲杠底徑 0 1 0 2 mm 2 輔助套早使用中必須靠緊絲杠螺紋軸肩 3 裝卸時(shí) 不可使用過(guò)大力以免螺母損壞 4 裝入安裝孔時(shí)要避免撞擊和偏心 第 4 章 床身的設(shè)計(jì) 床身是鑄造而成的 因此就與鑄造工藝有關(guān) 對(duì)于一些相關(guān)的數(shù)據(jù)可以從表 5 1 表 5 2 表 5 3 中看出 比如根據(jù)床身的尺寸可以知道鑄件的最小壁厚 筋厚的選擇和 加強(qiáng)筋的高度選擇 通過(guò)圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較厚 床身的設(shè)計(jì)如圖 5 4 所示 床身的最 小壁厚為 30mm 表 4 1 砂型鑄造鑄鐵件的最小厚壁 mm 27 表 5 2 灰鑄鐵件的壁厚與筋厚 mm 表 5 3 鑄鐵平板加強(qiáng)筋的高度 mm 28 第 5 章 鏜桿傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 本課題傳動(dòng)部分?jǐn)M定通過(guò)鏜床主軸箱提供動(dòng)力 帶動(dòng)一對(duì)外嚙合齒輪傳動(dòng) 齒輪 帶動(dòng)軸傳動(dòng) 而鏜桿就是固定在這根軸上實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 5 1 鏜桿傳動(dòng)部分功率計(jì)算 1 加工條件 工件材料 灰鑄鐵 加工要求 粗鏜缸套 110mm內(nèi)孔 留加工余量 0 3mm 加工 2 2mm 機(jī)床 專(zhuān)用鏜床 刀具 YT30 鏜刀 量具 塞規(guī) 2 計(jì)算鏜削用量 粗鏜孔至 109 4mm 單邊余量 Z 0 3mm 切削深度 ap 2 2mm 走刀長(zhǎng)度分別為 l1 270mm 確定進(jìn)給量 f 根據(jù) 工藝手冊(cè) 表 2 4 60 確定 fz 0 37mm Z 切削速度 參考有關(guān)手冊(cè) 確定 V 300m min r min 86104 3dw 10vns 根據(jù)表 工藝手冊(cè) 3 1 41 取 nw 800r min 刀具 YT30 鏜刀 主切削力 FZ 9 8CFZfVKFZ 式中 CFZ 92 XFZ 1 0 YFZ 0 75 N 0 KFZ 1 則 FZ 9 8 92 1 75 0 45 1 1 867N 徑向切削力 Fy 9 8CFY aPXFYFyfyVn KF2y 式中 CFy 54 xfY 0 9 yFy 0 75 n 0 KFy 1 則 Fy 9 8 54 1 75 0 45 1 1 482N 功率估算 p F V 6kw 計(jì)算大體估算 第 4 章 鏜桿傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 29 轉(zhuǎn)速 n 9700min r 輸入功率 P P 6 0KWd 輸出轉(zhuǎn)矩 T 9 55 9 5501 60n Pd61 970 5 9 N4 轉(zhuǎn)速 n 1mi 7r9 輸入功率 P P KWP76 59 061010 輸入轉(zhuǎn)矩 T 9 5511 65 9n60mN 53 97 5 5 2 齒輪部分設(shè)計(jì) 1 選定齒輪類(lèi)型 精度等級(jí) 材料及模數(shù) 1 按要求的傳動(dòng)方案 選用圓柱直齒輪傳動(dòng) 2 運(yùn)輸機(jī)為一般工作機(jī)器 速度不高 故用 8 級(jí)精度 GB10095 88 3 材料的選擇 由 2 表 10 1 選擇小齒輪材料為 45 鋼 調(diào)質(zhì) 硬度為 240HBS 大齒輪的材料為 45 鋼 正火 硬度為 200HBS 兩者硬度差為 40HBS 4 選小齒輪齒數(shù)為 Z 24 大齒輪齒數(shù) Z 可由 Z 得 1221i Z 112 8 取 113 2 2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 按公式 2311 2 Hdtt ZuTKd 1 確定公式中各數(shù)值 1 試選 K 1 3 t 2 由 2 表 10 7 選取齒寬系數(shù) 1 d 3 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 由前面計(jì)算可知 T 1 3 N 150 m 4 由 2 表 10 6 查的材料的彈性影響系數(shù) Z 189 8MPE2 1 30 5 由 2 圖 10 21d 按齒面硬度查的小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 580MP 大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 560MP 1limH 2limH 6 由 2 圖 10 19 取接觸疲勞壽命系數(shù) K 0 95 1N K 1 05 2HN 7 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為 1 安全系數(shù) S 1 有0 0 95 580 551MPH 1S HNlim 1 05 560 588MP2 K1li 2 計(jì)算 確定小齒輪分度圓直徑 d 代入 中較小的值t1H 1 計(jì)算小齒輪的分度圓直徑 d 由計(jì)算公式可得 t 66 7mm 2351 18 9 7410 2 td 2 計(jì)算圓周速度 v 1 54m s106 106 nvt 3 計(jì)算齒寬 b b 1 66 7 66 7mmtd1 4 計(jì)算模數(shù)與齒高 模數(shù) mzmtt 8 72461 齒高 ht 6 52 5 計(jì)算齒寬與齒高之比 h b 65 10 27 hb 6 計(jì)算載荷系數(shù) K 第 4 章 鏜桿傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 31 已知使用系數(shù) K 1 據(jù) v 1 54 8 級(jí)精度 由 2 圖 10 8 得Asm K 1 07 K 1 46 由 2 圖 10 13 查得 K 1 40 由 2 圖 10 3 查得 K K 1v H F H 故載荷系數(shù) K K K K Kv A H 1 1 56 46 107 7 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑 mKdtt 9 703 15 31 8 計(jì)算模數(shù) m n m nZ 95 241 3 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 按公式 321 FSadnYZKT 1 確定計(jì)算參數(shù) 1 計(jì)算載荷系數(shù) K K K K K 1AV F 40 17 2 35 2 查取齒形系數(shù) 由 2 表 10 5 查得 Y 2 65 Y 2 171Fa2Fa 3 查取應(yīng)力校正系數(shù) 由 2 表 10 5 查得 Y 1 58 Y 1 801Sa2Sa 4 由 2 圖 10 20c 查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極 330MP 大齒輪的彎曲疲1FE 勞強(qiáng)度極限 310MP2FE 5 由 2 圖 10 18 取彎曲疲勞壽命系數(shù) K 0 90 K 0 951FN2FN 6 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù) S 1 4 則有 32 212Mp F 1S KFEN1 4 039 210MP 2 2 5 7 計(jì)算大 小齒輪的 并加以比較 F SaY 0 01975 1 FSaY285 6 0 01862 Sa 0 7 經(jīng)比較大齒輪的數(shù)值大 2 設(shè)計(jì)計(jì)算 m 2 35 01975 421 398 5 對(duì)比計(jì)算結(jié)果 由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù) m 大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 計(jì)算的法面模數(shù) 取 m 2 5mm 已可滿足彎曲疲勞強(qiáng)度 于是有 28 36 dZ1 5 2709 取 Z 28 則 Z 4 7 131 61 12i8 取 132 新的傳動(dòng)比 i 4 712z12 3 4 幾何尺寸計(jì)算 1 計(jì)算分度圓直徑 mm7028 51 mzd 3m2 2 計(jì)算中心距 a 21Z 5 18 200mm 3 計(jì)算齒輪寬度 第 4 章 鏜桿傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 33 b md701 B 75mm B 70mm12 5 大小齒輪各參數(shù)見(jiàn)下表 高速級(jí)齒輪相關(guān)參數(shù) 單位 mm 表 6 1 名稱(chēng) 符號(hào) 計(jì)算公式及說(shuō)明 模數(shù) m 2 5 壓力角 o20 齒頂高 ah 2 5 ah m 齒根高 f m 3 75f c 全齒高 h m 5 625h a21d m Z 701d分度圓直徑 2 330 2mz1a m 751a ah齒頂圓直徑 2d 2dz m 3351f 1 cha 63 75 齒根圓直徑 2fd 2 2 za 323 75 中心距 a 0 21 d 5 3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 1 軸上的功率 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩 由前面算得 P 6KW n 970r min T 1 3 N11150 m 2 求作用在齒輪上的力 34 已知高速級(jí)小齒輪的分度圓直徑為 d 70mm1 而 F 3625Nt1 2dT 703 F F 3625 1319Nr ant 2tan 軸力 F 1696N 3 初步確定軸的最小直徑 現(xiàn)初步估算軸的最小直徑 選取軸的材料為 45 鋼 調(diào)質(zhì)處理?yè)?jù) 2 表 15 3 取 A 110 于是得 0 d A 26mmmin0 3319706P 因?yàn)檩S上應(yīng)開(kāi) 1 個(gè)鍵槽 所以軸徑應(yīng)增大 3 5 故 d 30mm 35 第 6 章 缸套專(zhuān)用夾具設(shè)計(jì) 6 1 工件在夾具中的定位 定位的目的是使工件在夾具中相對(duì)于機(jī)床 刀具占有確定的正確位置 并且應(yīng)用 夾具定位公斤按 還能使同一批工件在夾具中的加工位置一致性好 在夾具設(shè)計(jì)中 定位方案不合理 工件的加工精度就無(wú)法保證 工件定位方案的 確定是夾具設(shè)計(jì)中首先要解決的問(wèn)題 在確定基準(zhǔn)時(shí) 需要注意以下幾點(diǎn) 1 作為基準(zhǔn)的點(diǎn) 線 面在工件上不一定存在 如孔的中心線 外圓的軸線以及 對(duì)稱(chēng)面等 而常常由某些具體的表面來(lái)實(shí)現(xiàn) 這些面稱(chēng)為基準(zhǔn)面 2 作為基準(zhǔn) 可以是沒(méi)有面積的點(diǎn)或線 但是基準(zhǔn)面總是有一定面積的 如代表 軸心線的是中心孔面 3 基準(zhǔn)的定義不僅涉及尺寸之間的聯(lián)系 還設(shè)計(jì)到位置精度 平行度 垂直度等 工件在定位時(shí) 通常應(yīng)用的是六點(diǎn)定位原理 而應(yīng)用工件六點(diǎn)定位原理進(jìn)行定位 分析問(wèn)題時(shí) 應(yīng)注意以下幾點(diǎn) 1 定位就是限制自由度 通常用合理布置定位支承點(diǎn)的方法來(lái)限制工件的自由度 2 定位支承點(diǎn)限制工件自由度的作用 應(yīng)理解為定位支承點(diǎn)與工件定位基準(zhǔn)面始 終保持緊貼接觸 若二者脫離 則意味著失去定位作用 3 一個(gè)定位支承點(diǎn)僅限制一個(gè)自由度 一個(gè)工件僅有六個(gè)自由度 所設(shè)置的定位 支承點(diǎn)數(shù)目 原則山不應(yīng)超過(guò)六個(gè) 4 分析定位支承點(diǎn)的作用時(shí) 不考慮力的影響 5 定位支承點(diǎn)是由定位元件抽象而來(lái)的 在夾具中 定位支承點(diǎn)總是通過(guò)具體的 定位元件體現(xiàn) 至于具體的定位元件應(yīng)轉(zhuǎn)化為幾個(gè)定位支承點(diǎn) 需結(jié)合其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分 析 6 2 缸套夾緊設(shè)計(jì) 工件以外圓定位 V 形塊壓在缸套筒上 端面靠緊 螺絲壓緊 壓在工件外壁上 從而使工件得到定心夾緊 1 切削力計(jì)算 首先選擇切削所用的刀具 根據(jù)要求 選擇刀具為 W18Cr4V 刀具有關(guān)參數(shù)如下 36 0015 012 8 08 5 n 025 1 mD18 8 Z zmaf 2 map 由參考文獻(xiàn) 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè) 可得鏜削加工的切削力計(jì)算公式 PzpCzKBDfF9 0172 01 3 4 由參考文獻(xiàn) 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè) 得 294 pC 對(duì)于合金鋼 5 0 19 Hp 3 5 取 HB 276 即 KP 1 97 所以 Fc 294 0 251 1 2 00 72 18 1 1 600 9 8 1 11747 26 N 垂直切削力 F CN 0 9 FC 10572 53 N 3 6 背向力 F P 0 55 FC 6460 99 N 2 夾緊力計(jì)算 夾緊力的計(jì)算公式為 WK 夾緊力KW W 理論夾緊力 K 安全系數(shù) 安全系數(shù) K 可按下式計(jì)算 由 7 4 有 3 7 6543210 式中 為各種因素的安全系數(shù) 見(jiàn) 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè) 表 可得 式6 12 中 為各種因素的安全系數(shù) 見(jiàn) 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè) 表 可得 0 25 01 所以 WK K FC 2 25 11747 26 26431 3 N 3 8 WK KFCN 2 25 10572 53 23788 19 N 3 9 WK K FP 2 25 6460 99 14537 2 N 3 10 取最大值為 WK 26431 3 N 由于實(shí)際加工的經(jīng)驗(yàn)可知 鏜削時(shí)的主要切削力為鏜刀的切削方向 即垂直于要 加工的小頭孔面 在兩側(cè)有 V 形卡抓夾緊后本夾具可安全工作 6 3 裝配圖 見(jiàn)裝配圖 37 經(jīng)過(guò)以上夾緊力 切削力的計(jì)算 分析證明該夾具能穩(wěn)定可靠地保證工件的加工 技術(shù)要