端面磨床Z軸往復(fù)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 端面磨床Z軸往復(fù)進(jìn)給系統(tǒng)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 誠(chéng) 信 承 諾 我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫(xiě)的畢業(yè)論文《端面磨床Z軸往復(fù)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)》均系本人獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀(guān)點(diǎn)和材料，均作了注釋?zhuān)粲胁粚?shí)，后果由本人承擔(dān)。 承諾人（簽名）： 年 月 日 摘 要 磨床作為機(jī)電液氣一體化的典型產(chǎn)品，能解決機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量、零件多變的問(wèn)題，加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。 本文的主要內(nèi)容有： 1．對(duì)普通磨床經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)詳細(xì)論證，確定普通磨床方案； 2．對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的滾珠絲杠型號(hào)選擇與裝配設(shè)計(jì)，支承方式的設(shè)計(jì)與軸承型號(hào)選擇，步進(jìn)電機(jī)選擇等進(jìn)行了詳細(xì)研究； 關(guān)鍵詞：普通磨床，進(jìn)給機(jī)構(gòu) Abstract As a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining. The main contents is: 1. The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the reforming scheme is marked according to misty optimum’s synthesize adjudicate principle. 2. The ball screw’s type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motorof feeding system is designed. Key Words: General purpose milling，F(xiàn)eed mechanism 目 錄 Abstract IV 目 錄 V 第1章 緒 論 8 1.1 磨床的類(lèi)型與用途 8 1.1.1 磨床的類(lèi)型及其特點(diǎn) 8 1.1.2 磨床的用途 9 1.1.3 端面磨床 10 1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì) 10 1.3 端面磨床的設(shè)計(jì)任務(wù)要求 11 第2章 端面磨床總體設(shè)計(jì)方案 12 2.1 端面磨床總體設(shè)計(jì) 12 2.2、總體設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 12 2.3 端面磨床總體布局設(shè)計(jì) 12 2.3.1 加工零件 12 2.3.2 初步估計(jì)組成部分 12 2.3.3 總體布局初步設(shè)計(jì) 12 2.3.4 縱向與橫向尺寸的確定 13 第3章 端面磨床Z軸往復(fù)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 3.1 Z軸進(jìn)給傳動(dòng)設(shè)計(jì) 15 3.1.1 計(jì)算步驟 15 3.1.2 確定滾珠絲杠導(dǎo)程Ph 16 3.1.3 滾珠絲杠副載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算 17 3.1.4 確定預(yù)期額定動(dòng)載荷 17 3.1.5 按精度要求確定允許的滾珠絲杠最小螺紋底d2m 18 3.1.6 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號(hào) 20 3.1.7 確定預(yù)緊滾珠絲杠副預(yù)緊力Fp 20 3.1.8 計(jì)算行程補(bǔ)償值C和預(yù)拉伸力F1 21 3.1.9確定滾珠絲杠副支承用軸承規(guī)格型號(hào) 21 3.1.10 滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì) 22 3.1.11 電機(jī)的選擇 22 3.1.12 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度計(jì)算 23 3.1.13 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度驗(yàn)算及滾珠絲杠副的精度選擇 24 3.1.14、滾珠絲杠副臨界壓縮載荷F的校驗(yàn)（驗(yàn)算壓桿穩(wěn)定性） 25 3.1.15 滾珠絲杠副極限轉(zhuǎn)速nc校驗(yàn)（避免高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生共振) 26 3.1.16 Dn值校驗(yàn) 26 3.1.17 滾珠絲杠副形位公差的標(biāo)注 26 3.1.18 基本軸向額定靜載荷Coa驗(yàn)算 27 3.2 Z軸傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 27 3.2.1電動(dòng)機(jī)的選擇 28 3.2.2皮帶設(shè)計(jì) 28 3.2.3帶輪設(shè)計(jì) 30 結(jié) 論 33 致 謝 34 參考文獻(xiàn) 35 端面磨床Z軸往復(fù)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第1章 緒 論 1.1 磨床的類(lèi)型與用途 機(jī)械制造業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)賴(lài)以發(fā)展的基礎(chǔ)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，是生產(chǎn)力的重要組成部分。機(jī)械制造業(yè)不僅為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、科研和國(guó)防等部門(mén)提供各種生產(chǎn)設(shè)備、儀器儀表和工具，而且為制造業(yè)包括機(jī)械制造業(yè)本身提供機(jī)械制造裝備。機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)能力和制造水平標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的科學(xué)技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)實(shí)力。 機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)能力和制造水平，主要取決于機(jī)械制造裝備的先進(jìn)程度。機(jī)械制造裝備的核心是金屬切削機(jī)床，精密零件的加工，主要依賴(lài)切削加工來(lái)達(dá)到所需要的精度。金屬切削機(jī)床所擔(dān)負(fù)的工作量約占機(jī)器制造總工作量的40%～60%，金屬切削機(jī)床的技術(shù)水平直接影響到機(jī)械制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率。換言之，一個(gè)國(guó)家的機(jī)床工業(yè)水平在很大程度上代表著這個(gè)國(guó)家的工業(yè)生產(chǎn)能力和科學(xué)技術(shù)水平。顯然，金屬切削機(jī)床在國(guó)民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化建設(shè)中起著不可替代的作用。 縱觀(guān)幾十年來(lái)的歷史，機(jī)械制造業(yè)從早期降低成本的競(jìng)爭(zhēng)，經(jīng)過(guò)20世紀(jì)70年代、80年代發(fā)展到20世紀(jì)90年代乃至21世紀(jì)初的新的產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)。目前，我國(guó)已加入世界貿(mào)易組織，經(jīng)濟(jì)全球化時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，我國(guó)機(jī)械制造業(yè)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，也面臨著新的形勢(shì)：知識(shí)——技術(shù)——產(chǎn)品的更新周期越來(lái)越短，產(chǎn)品的批量越來(lái)越小，產(chǎn)品的性能和質(zhì)量的要求越來(lái)越高，環(huán)境保護(hù)意識(shí)和綠色制造的呼聲越來(lái)越強(qiáng)，因而以敏捷制造為代表的先進(jìn)制造技術(shù)將是制造業(yè)快速響應(yīng)市場(chǎng)需要、不斷推出新產(chǎn)品、贏(yíng)得競(jìng)爭(zhēng)、求得生存和發(fā)展的主要手段。 1.1.1 磨床的類(lèi)型及其特點(diǎn) 用磨料磨具（砂輪、砂帶、油石和研磨料等）為工具進(jìn)行切削加工的機(jī)床，統(tǒng)稱(chēng)為磨床（英文為Grinding machine），它們是因精加工和硬表面的需要而發(fā)展起來(lái)的[1]。 磨床種類(lèi)很多，主要有：外圓磨床、內(nèi)圓磨床、平面磨床、工具磨床和用來(lái)磨削特定表面和工件的專(zhuān)門(mén)化磨床，如花鍵軸磨床、凸輪軸磨床、曲軸磨床等[2]。 對(duì)外圓磨床來(lái)說(shuō)，又可分為普通外圓磨床、萬(wàn)能外圓磨床、無(wú)心外圓磨床、 寬砂輪外圓磨床、端面外圓磨床等 以上均為使用砂輪作切削工具的磨床。此外，還有以柔性砂帶為切削工具的砂帶磨床，以油石和研磨劑為切削工具的精磨磨床等。 磨床與其他機(jī)床相比，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 1、磨床的磨具（砂輪）相對(duì)于工件做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（一般砂輪圓周線(xiàn)速度在35米/秒左右，目前已向200米/秒以上發(fā)展）； 2、它能加工表面硬度很高的金屬和非金屬材料的工件； 3、它能使工件表面獲得很高的精度和光潔度； 4、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和自動(dòng)線(xiàn)，進(jìn)行高效率生產(chǎn)； 5、磨床通常是電動(dòng)機(jī)---油泵---發(fā)動(dòng)部件，通過(guò)機(jī)械，電氣，液壓傳動(dòng)---傳動(dòng)部件帶動(dòng)工件和砂輪相對(duì)運(yùn)動(dòng)---工件部分組成[1]。 1.1.2 磨床的用途 磨床可以加工各種表面，如內(nèi)、外圓柱面和圓錐面、平面、漸開(kāi)線(xiàn)齒廓面、螺旋面以及各種成形表面。磨床可進(jìn)行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以進(jìn)行各種高硬、超硬材料的加工，還可以刃磨刀具和進(jìn)行切斷等，工藝范圍十分廣泛。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)械零件的精度和表面質(zhì)量要求越來(lái)越高，各種高硬度材料的應(yīng)用日益增多。精密鑄造和精密鍛造工藝的發(fā)展，使得有可能將毛坯直接磨成成品。高速磨削和強(qiáng)力磨削，進(jìn)一步提高了磨削效率。因此，磨床的使用范圍日益擴(kuò)大。它在金屬切削機(jī)床所占的比重不斷上升。目前在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家中，磨床在機(jī)床總數(shù)中的比例已達(dá)30%----40%。據(jù)1997年歐洲機(jī)床展覽會(huì)(EMO)的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，25%的企業(yè)認(rèn)為磨削是他們應(yīng)用的最主要的加工技術(shù)，車(chē)削只占23%， 鉆削占22%，其它占8%；而磨床在企業(yè)中占機(jī)床的比例高達(dá)42%，車(chē)床占23%，銑床占22%，鉆床占14%[3]。由此可見(jiàn)，在精密加工當(dāng)中，有許多零部件是通過(guò)精密磨削來(lái)達(dá)到其要求的，而精密磨削加工會(huì)要在相應(yīng)的精密磨床上進(jìn)行，因此精密磨床在精密加工中占有舉足輕重的作用。但是要實(shí)現(xiàn)精密磨削加工，則所用的磨床就應(yīng)該滿(mǎn)足以下幾個(gè)基本要求： 高幾何精度。 精密磨床應(yīng)有高的幾何精度，主要有砂輪主軸的回轉(zhuǎn)精度和導(dǎo)軌的直線(xiàn)度以保證工件的幾何形狀精度。主軸軸承可采用液體靜壓軸承、短三塊瓦或長(zhǎng)三塊瓦油膜軸承，整體度油楔式動(dòng)壓軸承及動(dòng)靜壓組合軸承等。當(dāng)前采用動(dòng)壓軸承和動(dòng)靜壓軸承較多。主軸的徑向圓跳動(dòng)一般應(yīng)小于1um，軸向圓跳動(dòng)應(yīng)限制在2—3um以?xún)?nèi)。 2.低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。 由于砂輪的修整導(dǎo)程要求10—15mm/min，因此工作臺(tái)必須低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，要求無(wú)爬行和無(wú)沖擊現(xiàn)象并能平穩(wěn)工作。 3.減少振動(dòng)。 精密磨削時(shí)如果產(chǎn)生振動(dòng)，會(huì)對(duì)加工質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重不良影響。故對(duì)于精密磨床，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮減少振動(dòng)。 4.減少熱變形。 精密磨削中熱變形引起的加工誤差會(huì)達(dá)到總誤差的50％，故機(jī)床和工藝系統(tǒng)的熱變形已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)精密磨削的主要障礙。 1.1.3 端面磨床 端面磨床是高精度端面加工設(shè)備，有著高強(qiáng)度機(jī)械構(gòu)造和穩(wěn)定的精度。 應(yīng)用領(lǐng)域：液壓氣動(dòng)元件、液壓馬達(dá)部件、汽車(chē)轉(zhuǎn)向泵零部件、制冷壓縮機(jī)零部件、油泵油嘴零部件、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、高精密軸承、密封件、活塞環(huán)、量刃具、模具、儀表、硬質(zhì)合金刀片、陶瓷閥芯、磁性材料等產(chǎn)品的雙面研磨加工。 機(jī)床特點(diǎn)：高精度精密軸承，保證機(jī)床剛性及精度。 氣動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)輕壓、重壓、輕壓三階段壓力任意調(diào)整和自動(dòng)轉(zhuǎn)換?！び|摸屏控制界面，方便、快捷。高效率、高精度的金剛石磨盤(pán)研磨，備有修整環(huán)。 端面磨床及其特點(diǎn)： 端面磨床是外圓磨床的一種變形機(jī)床，它宜于大批量磨削軸類(lèi)端面工件，有較高的生產(chǎn)率。它的特點(diǎn)如下 （1）這種磨床的布局形成和運(yùn)動(dòng)聯(lián)系與外圓磨床相似，為避免砂輪架與工件或尾架相碰，砂輪安裝在砂輪架的右邊，從斜向切入，一次磨削工件外圓和端面。 （2）由于它適用于大批量生產(chǎn)，所以具有自動(dòng)磨削循環(huán)，完成快速進(jìn)給（長(zhǎng)切入）---粗磨---精磨—無(wú)花磨削。由定程裝置或自動(dòng)測(cè)量控制工件尺寸。 （3）裝有砂輪成型修整器，按樣板修整出磨削工件外圓和端面的成型砂輪，為保證端面尺寸穩(wěn)定及操作安全，一般具有軸向?qū)Φ堆b置。 1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì) 隨著機(jī)械產(chǎn)品精度、可靠性和壽命的要求不斷提高以及新型材料的應(yīng)用增多，磨削加工技術(shù)正朝著超硬度磨料磨具、開(kāi)發(fā)精密及超精密磨削（從微米、亞微米磨削向納米磨削發(fā)展）和研制高精度、高剛度、多軸的自動(dòng)化磨床等方向發(fā)展[4]，如用于超精密磨削的樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪的金剛石磨粒平均半徑可小至4μm、磨削精度高達(dá)0.025μm；使用電主軸單元可使砂輪線(xiàn)速度高達(dá)400m/s，但這樣的線(xiàn)速度一般僅用于實(shí)驗(yàn)室，實(shí)際生產(chǎn)中常用的砂輪線(xiàn)速度為40－60m/s；從精度上看，定位精度＜2μm，重復(fù)定位精度≤±1μm的機(jī)床已越來(lái)越多；從主軸轉(zhuǎn)速來(lái)看，8.2kw主軸達(dá)60000r/min，13kw達(dá)42000r/min，高速已不是小功率主軸的專(zhuān)有特征；從剛性上看，已出現(xiàn)可加工60HRC硬度材料的加工中心。 此外，對(duì)磨床的環(huán)保要求越來(lái)越高，絕大部分的機(jī)床產(chǎn)品都采用全封閉的罩殼，絕對(duì)沒(méi)有切屑或切削液外濺的現(xiàn)象。大量的工業(yè)清洗機(jī)和切削液處理機(jī)系統(tǒng)反映現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)環(huán)保越來(lái)越高的要求。 1.3 端面磨床的設(shè)計(jì)任務(wù)要求 （一）設(shè)計(jì)基本參數(shù) 砂輪主軸轉(zhuǎn)速1200r/min 產(chǎn)品主軸轉(zhuǎn)速100r/min 磨削進(jìn)給速度：0.002mm/min(精磨)；0.02mm/min(粗磨) 加工材料：氧化鋯（ZrO2） 產(chǎn)品磨削面積：3500平方毫米（吸盤(pán)直徑125毫米），產(chǎn)品規(guī)格：直徑2.5毫米，長(zhǎng)度10.5毫米。 砂輪：端面金剛石砂輪（精磨、粗磨兩種） 磨削精度：產(chǎn)品長(zhǎng)度10.5±0.005 操作基本要求：產(chǎn)品經(jīng)人工裝上吸盤(pán)后，設(shè)備自動(dòng)完成磨削并停機(jī)，等待下一次磨削。 （二）課題設(shè)計(jì)途徑與方法： 1、了解氧化鋯及其用途，常用的加工方法。（了解加工對(duì)象：陶瓷插芯） 2、了解常用主軸的性能特點(diǎn)、種類(lèi)、及加工方法、熱處理方法（加工工藝方法）。 3、了解金剛石砂輪的特點(diǎn)與加工性能。 4、了解端面磨削基本結(jié)構(gòu)。（總體構(gòu)思與布局） 5、軸承種類(lèi)與形式、選用、特點(diǎn)及計(jì)算。 6、受力分析、與計(jì)算。 7、設(shè)計(jì)繪圖。 8、設(shè)計(jì)研討會(huì)，改進(jìn)設(shè)計(jì)。 9、編號(hào)設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)，工藝文件等。（計(jì)算） 10、綜述、參考索引、編制。 第2章 端面磨床總體設(shè)計(jì)方案 2.1 端面磨床總體設(shè)計(jì) 1.加工零件的工藝分析（表面形狀，尺寸，材料，技術(shù)條件，批量，加工余量等）； 2.調(diào)查研究 比較國(guó)內(nèi)，外同類(lèi)機(jī)床，經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，進(jìn)行改革創(chuàng)新； 3.圖紙?jiān)O(shè)計(jì)（總圖，部件裝配圖，零件圖，工藝卡，目錄，標(biāo)準(zhǔn)件，外購(gòu)件目錄，鑄件，鍛件目錄，說(shuō)明書(shū)，裝箱單，合格證）； 4.制造，裝配，調(diào)試； 5.小批量生產(chǎn)，設(shè)計(jì)改進(jìn)； 2.2、總體設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 1.保證機(jī)床滿(mǎn)足加工精度要求，剛性，穩(wěn)定性好； 2.傳動(dòng)系統(tǒng)力求簡(jiǎn)短； 3.操作調(diào)整方便； 4.安全保護(hù)，冷卻液供給，回收，廢渣的排除。 2.3 端面磨床總體布局設(shè)計(jì) 2.3.1 加工零件 氧化鋯（ZrO2）等； 2.3.2 初步估計(jì)組成部分 a.床身；b.工作臺(tái)面；c頭架；d尾架；e砂輪架；f 修整器；g 測(cè)量裝置；h 砂輪進(jìn)給電機(jī)；I 修整器進(jìn)給電機(jī)；j 電器框；k工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)；l 工件旋轉(zhuǎn)電機(jī)；m 潤(rùn)滑冷卻裝置；n數(shù)控裝置； 2.3.3 總體布局初步設(shè)計(jì) 1.T型床身； 2.工作臺(tái)移動(dòng)； 3.工作臺(tái)型面； 4.砂輪架主軸與床身導(dǎo)軌傾斜0°角； 5.頭尾架中心線(xiàn)平行； 6.采用成型砂輪修整器（金剛石滾輪） 7.數(shù)控系統(tǒng)的四坐標(biāo)軸 X軸：砂輪架進(jìn)給 Y軸：修整器進(jìn)給 Z軸：工作臺(tái)移動(dòng) W軸：工件旋轉(zhuǎn) 各軸采用交流伺服電機(jī)，通過(guò)精密無(wú)間隙彈性連軸器直接與滾珠絲桿相連； 8.液壓油箱單獨(dú)（減小熱變形，簡(jiǎn)化機(jī)床結(jié)構(gòu)，易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，通用化，便于維修）； 9.電器框與機(jī)床采用空中走線(xiàn)； 10.機(jī)床前防護(hù)罩采用全封閉結(jié)構(gòu)； 2.3.4 縱向與橫向尺寸的確定 1.縱向尺寸 ①工件最大長(zhǎng)度 ； ②頭架長(zhǎng)度 ； ③尾架長(zhǎng)度 ； ④上臺(tái)面長(zhǎng)度 ； ⑤下臺(tái)面長(zhǎng)度 ； ⑥床身長(zhǎng)度 ； ⑦后床身長(zhǎng)度 （考慮砂輪架和修整器大小按經(jīng)驗(yàn)給定）； ⑧整個(gè)床身寬度 （視覺(jué)效果）； ⑨砂輪架中心與機(jī)床床身對(duì)稱(chēng)線(xiàn)相距 2.橫向尺寸 1）畫(huà)出橫向尺寸床身的V型導(dǎo)軌作為橫向尺寸的基準(zhǔn)，畫(huà)出床身的平面導(dǎo)軌作為高度尺寸的基準(zhǔn)線(xiàn)，根據(jù)確定的工作臺(tái)參數(shù)，導(dǎo)軌參數(shù)B1’，B2’中心畫(huà)出左視圖 2）確定上，下工作臺(tái)厚度和寬度 （1）厚度：用類(lèi)比法 上工作臺(tái) 中心　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3－1）　 下工作臺(tái) 中心 （3－2） 為工作臺(tái)導(dǎo)軌的中心距，工作臺(tái)導(dǎo)軌選用8075250 取 =0.3250=75mm =0.38250=95mm （2）寬度 （3－3） ∵ ∴ ∵ 　 ∴ 3）確定頭，尾架頂尖中心位置 頂尖中心安排在V型導(dǎo)軌的中心線(xiàn)上，這樣有利于磨削最小直徑工件的，砂輪架趨近于工作臺(tái)不致相碰。缺點(diǎn)是使導(dǎo)軌的承載壓力較大，故常適當(dāng)加寬V型導(dǎo)軌的寬度。 4）確定頭尾架頂尖中心至床身底面的高度H1 左右[1] 根據(jù)工人身高，經(jīng)驗(yàn)。類(lèi)比取 5）工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心位置B9 6）確定機(jī)床總高H 所以H取2000mm。 第3章 端面磨床Z軸往復(fù)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 Z軸進(jìn)給傳動(dòng)設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇滾珠絲杠機(jī)構(gòu)作為進(jìn)給傳動(dòng)型式。 3.1.1 計(jì)算步驟 3.1.2 確定滾珠絲杠導(dǎo)程Ph 根據(jù)工作臺(tái)最高移動(dòng)速度Vmax , 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax, 傳動(dòng)比等確定Ph。按下式計(jì)算，取較大圓整值。 Ph= 3.1.3 滾珠絲杠副載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算 這里的載荷及轉(zhuǎn)速，是指滾珠絲杠的當(dāng)量載荷Fm與當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm。滾珠絲杠副在n1、n2、n3······nn轉(zhuǎn)速下，各轉(zhuǎn)速工作時(shí)間占總時(shí)間的百分比t1%、t2%、t3%······tn%，所受載荷分別是F1、F2、F3······Fn。 當(dāng)負(fù)荷與轉(zhuǎn)速接近正比變化時(shí)，各種轉(zhuǎn)速使用機(jī)會(huì)均等，可按下列公式計(jì)算： (nmax: 最大轉(zhuǎn)速，nmin: 最小轉(zhuǎn)速，F(xiàn)max: 最大載荷（切削時(shí)），F(xiàn)min: 最小載荷（空載時(shí)） 3.1.4 確定預(yù)期額定動(dòng)載荷 ①按滾珠絲杠副預(yù)期工作時(shí)間Ln（小時(shí)）計(jì)算： ②按滾珠絲杠副預(yù)期運(yùn)行距離Ls（千米）計(jì)算： ③有預(yù)加負(fù)荷的滾珠絲杠副還需按最大軸向負(fù)荷Fmax計(jì)算：Cam=feFmax(N) 式中： Ln-預(yù)期工作時(shí)間（小時(shí)，見(jiàn)表5) Ls-預(yù)期運(yùn)行距離(km),一般取250km。 fa-精度系數(shù)。根據(jù)初定的精度等級(jí)（見(jiàn)表6)選。 fc-可靠性系數(shù)。一般情況fc=1。在重要場(chǎng)合，要求一組同樣的滾珠絲杠副在同樣條件下使用壽命超過(guò)希望壽命的90％以上時(shí)fc見(jiàn)表7選 fw-負(fù)荷系數(shù)。根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)（見(jiàn)表8）選。 fe-預(yù)加負(fù)荷系數(shù)。（見(jiàn)表9) 表－5 各類(lèi)機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間Ln 表－6 精度系數(shù)fa 機(jī)械類(lèi)型 Ln(小時(shí)） 普通機(jī)械 5000～10000 普通機(jī)床 10000～20000 數(shù)控機(jī)床 20000 精密機(jī)床 20000 測(cè)示機(jī)械 15000 航空機(jī)械 1000 精度等級(jí) 1.2.3 4.5 7 10 fa 1.0 0.9 0.8 0.7 表－7 可靠性系數(shù)fc 可靠性% 90 95 96 97 98 99 fc 1 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21 表－8 負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)fw 負(fù)荷性質(zhì) 無(wú)沖擊(很平穩(wěn)） 輕微沖擊 伴有沖擊或振動(dòng) fw 1～1.2 1.2～1.5 1.5～2 表－9 預(yù)加負(fù)荷系數(shù)fe 預(yù)加負(fù)荷類(lèi)型 輕預(yù)載 中預(yù)載 重預(yù)載 fe 6.7 4.5 3.4 以上三種計(jì)算結(jié)果中，取較大值為滾珠絲杠副的Camm。 3.1.5 按精度要求確定允許的滾珠絲杠最小螺紋底d2m a.滾珠絲杠副安裝方式為一端固定，一端自由或游動(dòng)時(shí)（見(jiàn)圖-5） 式中：E-楊氏彈性模量21×105N/mm2 dm-估算的滾珠絲杠最大允許軸向變形量（mm） Fo-導(dǎo)軌靜摩擦力（N)。Fo＝mow(mo為靜摩擦系數(shù)） L-滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支承的最大距離（mm) L≈行程＋安全行程＋余程＋螺母長(zhǎng)度一半＋支承長(zhǎng)度的一半 ≈行程＋(2～4)Ph+4Ph+(4～6)Ph+(1/20～1/10)行程 ≈(1.05～1.1)行程＋(10～14)Ph b.滾珠絲杠副安裝為兩端支承或兩端固定（見(jiàn)圖-5) 式中： L-兩個(gè)固定支承之間的距離（mm) L≈行程＋安全行程＋兩個(gè)余程＋螺母長(zhǎng)度＋一支承長(zhǎng)度≈(1.1～1.2)行程＋(10～14)Ph 其中重復(fù)定位精度或定位精度， 上述兩種方法估算出的小值為為系統(tǒng)剛性最小處剛度值，見(jiàn)下文12、13項(xiàng)計(jì)算) 滾珠絲杠副公稱(chēng)中徑dom≈d2m+Dw（鋼球直徑） 圖－5 一端固定，一端自由G-Z 一端固定，一端游動(dòng)G-Y 二端支承J-J 二端固定G-G 3.1.6 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號(hào) 按照計(jì)算出的Ph,Cam及傳動(dòng)方式，使用情況，可在樣本中先查出對(duì)應(yīng)的滾珠絲杠公稱(chēng)直徑do，應(yīng)注意do≥dom, Ca≥Cam，但不宜過(guò)大，否則會(huì)使?jié)L珠絲杠副轉(zhuǎn)動(dòng)慣量偏大，結(jié)構(gòu)尺寸也偏大。接著確定循環(huán)圈數(shù)，滾珠螺母規(guī)格代號(hào)及相關(guān)的安裝連接尺寸。 3.1.7 確定預(yù)緊滾珠絲杠副預(yù)緊力Fp 當(dāng)選擇預(yù)緊螺母型式的滾珠絲杠副時(shí)需確定預(yù)緊力Fp。 當(dāng)最大軸向工作載荷Fmax能確定時(shí) Fp=1/3 Fmax 當(dāng)最大軸向工作載荷不能確定時(shí) Fp=ξCa 其中ξ值按表10選擇，Ca是額定動(dòng)載荷，可在樣本上查到。 表－10 預(yù)加負(fù)荷類(lèi)型 輕載荷 中載荷 重載荷 ξ 0.05 0.075 0.1 3.1.8 計(jì)算行程補(bǔ)償值C和預(yù)拉伸力F1 考慮到絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中溫升對(duì)絲杠副導(dǎo)程精度的影響，在精級(jí)要求較高的場(chǎng)合，應(yīng)對(duì)滾珠絲杠副適當(dāng)?shù)念A(yù)拉伸。對(duì)預(yù)拉伸的滾珠絲杠副規(guī)定目標(biāo)行程值C,并計(jì)算預(yù)拉伸力。 式中： C-行程補(bǔ)償值（mm) Dt-溫度變化值2℃～3℃ a-絲桿的線(xiàn)膨脹系數(shù)11.8×10-6度 Lu-滾珠絲杠副的有效行程（mm) Lu≈工作臺(tái)行程＋螺母長(zhǎng)度＋兩個(gè)安全行程≈行程＋(8～14)Ph 式中： F1-預(yù)位伸力（N) d2-滾珠絲杠螺紋底徑（mm) E-楊氏彈性模量2.1×105(N/mm2) Dt-滾珠絲杠溫升2℃～3℃ d2≈do-Dw (Dw：鋼球半徑） 3.1.9確定滾珠絲杠副支承用軸承規(guī)格型號(hào) ●計(jì)算軸承所受的最大軸向載荷FBmax,有預(yù)拉伸的滾珠絲杠副應(yīng)考慮到預(yù)拉伸力Ft。 ●按滾珠絲杠副支承的要求選擇軸承的型號(hào)。 ●確定軸承內(nèi)徑：為便于絲杠加工，軸承內(nèi)徑最好不大于滾珠絲杠的大徑。在選用內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副時(shí)必須有一端軸承內(nèi)徑略小于絲杠底徑d2。其次軸承樣本上規(guī)定的預(yù)緊力應(yīng)大于軸承所承受最大載荷FBmax的1/3。 ●有關(guān)軸承的其它驗(yàn)算項(xiàng)目可查軸承樣本。 3.1.10 滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì) ●滾珠絲杠副的螺紋長(zhǎng)度LS=Lu+2Le Le余程見(jiàn)表-2　　Lu=行程＋螺母長(zhǎng)度 ●滾珠絲杠副螺母的安裝連接尺寸可查樣本。 ●滾珠螺母不應(yīng)該承受徑向載荷及顛覆力矩，應(yīng)使作用在螺母上的軸向合力通過(guò)絲杠軸心。 ●可以用螺母的外圓柱面及法蘭凸緣的內(nèi)側(cè)作安裝基準(zhǔn)，同時(shí)要求螺母座孔與絲杠軸承孔同心。螺母座孔端面與螺母座孔軸線(xiàn)垂直。當(dāng)所受載荷沖擊力不大時(shí)，可僅用螺母法蘭凸緣的內(nèi)側(cè)面作安裝基準(zhǔn)面，這時(shí)應(yīng)保證螺母座面與導(dǎo)軌垂直。裝配時(shí)應(yīng)找螺母外圓與絲杠支承軸承孔同心。 ●插管式滾珠絲杠副水平放置時(shí)，為使?jié)L珠的循環(huán)更加滾暢，應(yīng)將插管置于滾珠絲杠軸線(xiàn)的上方。 ●設(shè)計(jì)螺母座，軸承座及緊固螺釘時(shí)要注意保證足夠的剛性。在承載方向設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋。 ●由工作圖確定滾珠絲杠長(zhǎng)度尺寸。 3.1.11 電機(jī)的選擇 ●作用在滾珠絲杠副上各種轉(zhuǎn)矩計(jì)算。外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩TF(N.m) 滾珠絲杠副預(yù)加載荷Fp產(chǎn)生的預(yù)緊力矩Tp(N.m) 式中 Ph-滾珠絲杠副導(dǎo)程 h - 未預(yù)緊的滾珠絲杠副效率 1、2、3級(jí)精度的絲杠h =0.9 4級(jí)精度以下的絲杠h =0.85 F-作用在滾珠絲杠副上的外加軸向載荷，不同情況下取值不一樣。若計(jì)算電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，機(jī)械是空載起動(dòng)，F(xiàn)是導(dǎo)軌摩擦力（垂直運(yùn)動(dòng)F還包括機(jī)構(gòu)重量）；若計(jì)算電機(jī)工作轉(zhuǎn)矩時(shí)，F(xiàn)包括導(dǎo)軌摩擦力和工作載荷（垂向運(yùn)動(dòng)F還包括機(jī)構(gòu)重量）。 ●其他計(jì)算，請(qǐng)查找電機(jī)樣本及相關(guān)資料。 3.1.12 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度計(jì)算 ●一般校核計(jì)算按： 式中 KS - 滾珠絲杠副的拉壓剛度。計(jì)算見(jiàn)下面說(shuō)明 Kb - 滾珠絲杠支承軸承的軸向剛度?？刹檩S承樣本及有關(guān)資料。 Kc - 滾珠絲杠副滾珠與滾道的接觸剛度可查樣本。 ●精確計(jì)算時(shí)，還需考慮伺服剛度，聯(lián)接軸剛度，扭轉(zhuǎn)剛度，螺母座、軸承座剛度等，詳請(qǐng)查閱相關(guān)資料。 ●KS的計(jì)算 a. 絲杠支承形式為一端固定，一端游動(dòng)或自由。 Ks= ×10-3 =1.65 ×102 式中 E -楊氏彈性模量2.1×105 (N/mm2) d2 - 絲杠底徑(mm) 當(dāng)a=L1(滾珠螺母至固定支承的最大距離）時(shí)剛度最小 Ks min =1.65 ×102 當(dāng)a=Lo (靠固定端的行程起點(diǎn)處）時(shí)剛度最大 Ks max =1.65 ×102 b.支承形式為兩端支承或兩端固定。 Ks = = 6.6 ×102 當(dāng)a=L·1/2時(shí)（即處在兩支承的中點(diǎn)時(shí)）剛度最小 Ks min = 6.6 ×102 式中 L1-兩支承間的距離 當(dāng)a=Lo時(shí)(螺母在行程兩端處)剛度最大 Ks max =6.6 ×102 3.1.13 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度驗(yàn)算及滾珠絲杠副的精度選擇 將Ksmax, Kb, Kc及其它有關(guān)值代入 將Ksmin 替換Ksmax 代入得Kmin。 由于數(shù)控機(jī)床精度在機(jī)床空載下驗(yàn)收，△=2FO/Kmin, 稱(chēng)摩擦死區(qū)誤差。FO是機(jī)床空載時(shí)導(dǎo)軌上的靜摩擦力。 ξK=Fo() 稱(chēng)為傳動(dòng)系數(shù)剛度變化引起的定位誤差。按JB/GQ1140-89規(guī)定，數(shù)控機(jī)床反向差值主要取決于△，而定位誤差主要取決于滾珠絲杠副的精度，其次是ξK。 ●傳動(dòng)系數(shù)剛度驗(yàn)算 0.8△≤反向差值，即Kmin≥1.6Fo/反向差值 ●滾珠絲杠副的精度選擇 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中使用的滾珠絲杠副 ep+Vup≤0.8x(定位精度-ξK) ep+V300p≤0.8x(300mm定位精度-ξK) 半閉環(huán)控制系統(tǒng)或可以行程補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)系統(tǒng): ep≤0.8x(定位精度-ξK) V300p≤0.8x(300mm定位精度-ξK) 先根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠副的類(lèi)型（P類(lèi)或T類(lèi)），然后參照滾珠絲杠副的精度標(biāo)準(zhǔn)表（見(jiàn)表-1)，按上述兩式計(jì)算結(jié)果確定滾珠杠副的ep,Vup或V300p，從而確定滾珠絲杠副的精度等級(jí)。 3.1.14、滾珠絲杠副臨界壓縮載荷F的校驗(yàn)（驗(yàn)算壓桿穩(wěn)定性） 式中： d2-滾珠絲杠螺紋底徑，d2≈do-Dw, do-公稱(chēng)中徑，取樣本數(shù)據(jù)。 Lc1-滾珠絲杠副的最大受壓長(zhǎng)度(mm)(見(jiàn)表11) F′max- 滾珠絲杠副承受最大軸向壓縮載荷(N)。 若滾珠絲杠承受最大載荷不是壓縮載荷時(shí)，F(xiàn)′max不等于Fmax, 視工作情況進(jìn)行計(jì)算 K1- 安全系數(shù)。絲杠垂直安裝K1=1/2 絲杠水平安裝K1=1/3 K2- 支承系數(shù)。與支承方式有關(guān)（見(jiàn)表11) 表－11 支承方式 簡(jiǎn) 圖 K2 λ f 一端固定 一端自由 0.25 1.875 3.4 一端固定 一端游動(dòng) 2 3.927 15.1 二端支承 1 3.142 9.7 二端固定 4 4.730 21.9 3.1.15 滾珠絲杠副極限轉(zhuǎn)速nc校驗(yàn)（避免高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生共振) 式中： nc-極限轉(zhuǎn)速(r/min) Lc2-臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度(mm) (見(jiàn)表11) E-楊氏彈性模量2.1×105(N/mm2), r-材料密度，鋼密度 I-絲杠的最小慣性矩 I= A-絲杠的最小橫截面積 K1-安全系數(shù)。一般取0.8 f, λ-與支承形式有關(guān)的系數(shù)（見(jiàn)表-11) 3.1.16 Dn值校驗(yàn) dom·nmax≤70000 式中： dom-滾珠絲杠副的節(jié)圓直徑（mm)，dom≈d2+Dw(mm) nmax-滾珠絲杠副的最高轉(zhuǎn)速 3.1.17 滾珠絲杠副形位公差的標(biāo)注見(jiàn)表－3及下圖 某些傳動(dòng)類(lèi)（T類(lèi)）滾珠絲杠副，對(duì)精度要求低，但傳遞的載荷較大，這時(shí)可不進(jìn)行有關(guān)傳動(dòng)精度及傳動(dòng)系統(tǒng)剛度的計(jì)算，但需進(jìn)行以下兩項(xiàng)計(jì)算： 3.1.18 基本軸向額定靜載荷Coa驗(yàn)算 fsFamax≤Coa 式中： Coa-滾珠絲杠副的基本軸向額定靜載荷（N)?？稍跇颖旧喜榈健? fs-靜態(tài)安全系數(shù)。一般載荷fs= 1～2， 　　　　　　　　有沖擊或振動(dòng)的載荷：fs= 2～3　 Famax- 最大軸向載荷（N) 3.2 Z軸傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 為了提高主軸的旋轉(zhuǎn)精度，皮帶輪不直接裝在主軸上，而是裝在單獨(dú)的支架上，并用花鍵套帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，即采用卸荷皮帶輪的方案，如圖4－2所示。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是，減少了主軸的變形，同時(shí)還提高了承載能力。 圖3－2 卸荷皮帶輪 3.2.1電動(dòng)機(jī)的選擇 = （2.35~~8.82）+3.8 = 12.62kw 通過(guò)以上計(jì)算，取=15kw，選擇Y100L—4型電動(dòng)機(jī) 3.2.2皮帶設(shè)計(jì) 因?yàn)槎嘈◣Ъ嬗蠽帶和平帶的優(yōu)點(diǎn)，外輪廓尺寸小，比V型帶傳動(dòng)平穩(wěn)，所以皮帶采用多楔帶[5]。多楔帶以平帶為基體，內(nèi)表面有等距離縱向楔型的環(huán)形帶傳動(dòng)。工作面為楔側(cè)面，有橡膠和聚氨酯兩種[5]。 1）皮帶材料的選用 皮帶材料選用聚氨酯。 2）設(shè)計(jì)計(jì)算 已知小帶輪轉(zhuǎn)速，即 =1500r/min，傳動(dòng)比i=2.5； （1）計(jì)算功率 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8.7查得，工作情況系數(shù)為1.1，故 （4－5） （2）由和選擇帶型 由于=16.5kw，=1500r/min，查表后可知，取帶型為L(zhǎng)型。 （3）確定帶輪基準(zhǔn)直徑 由《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表4—43，取主動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑=80mm。 ，由此得。 （4）驗(yàn)算帶速 （4－6） = 6.28 m/s < 30 m/s，所以帶速合格。 （5）初定軸向間距 由公式（4－5） 0.7（+）< < 2（+）， （4－7） 可知196< < 560，取=400。 （6）所需基準(zhǔn)帶長(zhǎng) （4－8） =1248.82mm 由《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表4—5，取相近的基準(zhǔn)帶長(zhǎng)= 1250 mm[6]。 （7）實(shí)際軸向間距 （4－9） = 401.18mm 所以皮帶的實(shí)際軸向間距取＝401mm。 （8）多楔帶每楔的基本額定功率 由《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表4—40，可以查得＝0.34kw。 （9）小帶輪的包角 （4－10） ＝162.85° （10）多楔帶楔數(shù)的確定 （4－11） 其中 查表得， ，代入的計(jì)算公式中，得＝0.849kw。 又已知＝0.955，＝1.00，得： 由此可以確定，取Z＝15。 3.2.3帶輪設(shè)計(jì) 1）帶輪設(shè)計(jì)的要求： （1）質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)工藝性好，無(wú)過(guò)大的鑄造應(yīng)力； （2）質(zhì)量分布均勻，轉(zhuǎn)速高時(shí)要經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡校證； （3）槽輪工作面要經(jīng)過(guò)精細(xì)加工，以減少帶的磨損； （4）輪槽的尺寸和角度應(yīng)有一定的精度，以使載荷分布均勻。 2）帶輪的材料選用 帶輪的材料選用HT200。 3）帶輪的結(jié)構(gòu) （1）小帶輪直徑（d為軸的直徑），所以采用實(shí)心式。 （2）大帶輪< 300，所以采用腹板式結(jié)構(gòu)。 4）小帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸 圖4－3 小帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸 （4－12） 其中——帶輪的外徑， ——軸的直徑， ——基準(zhǔn)線(xiàn)上槽深。 （4－13） ，圓整后得＝165mm （4－14） ， （4－15） 其中——多楔帶的楔數(shù)， ——多楔帶的槽間距， ——第一槽對(duì)稱(chēng)面到端面的距離。 5）大帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸 圖4－4 大帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸 結(jié) 論 本次設(shè)計(jì)的是Z向進(jìn)給機(jī)械部分改造，完成了尺寸計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行一系列的校核，各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿(mǎn)足要求，說(shuō)明設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是合理的。然后選擇軸承和電機(jī)。。 數(shù)控機(jī)床是促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的巨大源動(dòng)力，它給機(jī)械制造業(yè)帶來(lái)了高倍率的效益增長(zhǎng)和現(xiàn)代化的生產(chǎn)方式。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，高品質(zhì)，高可靠性，高性?xún)r(jià)比的CNC系統(tǒng)具有豐富的功能，為數(shù)控技術(shù)的發(fā)展提供了充足的物質(zhì)技術(shù)條件。同時(shí)，也給數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。因此，研究一臺(tái)數(shù)控車(chē)床對(duì)現(xiàn)代加工具有重要的意義。 致 謝 眨眼間，四年的大學(xué)生活就在本論文的完成之際即將宣告結(jié)束。四年的不斷學(xué)習(xí)，不僅是為了今天的畢業(yè)設(shè)計(jì)，也是為今后走上工作崗位作了準(zhǔn)備。 在設(shè)計(jì)成過(guò)程中，感謝很多人的幫助和指點(diǎn)，首先我要感謝我的母?！獜V西工學(xué)院的辛勤培育，感謝院系各位老師四年來(lái)的諄諄教誨，感謝他們四年來(lái)默默的栽培我。 本次設(shè)計(jì)是在我的導(dǎo)師李健教授的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，李老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持，在此，謹(jǐn)向鄧朝暉教師表示衷心的感謝和崇高的敬意！。 此外，在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，也得到了其他老師和同學(xué)的幫助，設(shè)計(jì)任務(wù)一直在很好的氛圍中進(jìn)行，在這里，也向他們表示真誠(chéng)的感謝！ 再次向設(shè)計(jì)中所有提供過(guò)幫助的人表示感謝！ 參考文獻(xiàn) [1] 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