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I 摘 要 斜床身臥式數(shù)控車床在機床產品中是比較實用機床 其結構設計帶來很大的方 便 保證工件質量的同時提高了加工效率 目前 斜床身臥式數(shù)控車床在我們國家 普遍使用 斜床身數(shù)控機床在我們國家普遍適應 更多的是用于汽車 軍工等精密 加工中 該機床型主要適用在加工高精度的零部件 比如軸類 盤類 套類 以及各種 類型各種型號的內外螺紋 在加工外形和內孔過程中間不必換裝 該機床適用于多 類型 批量不是很大的工件的加工 對于一些加工困難 要求高的零部件上能夠充 分顯示出它的特點 以滿足不同用戶的加工需要 可以根據(jù)不同的需求 加工不同 品種的工件 可以配置不同的結構設計以及加工方式 在本文中進行了對斜床身臥式數(shù)控車床的設計 其中包括機床的床身 傳動系 統(tǒng) 刀架系統(tǒng) 尾座等 著重對傳動結構中的主傳動結構和進給傳動結構進行設計 主軸相連的伺服電機用皮帶把運動傳到主軸上 帶輪及同步齒形帶與主軸用鍵聯(lián)接 而進給運動 即車床上 X Z 向的運動則通過絲杠運轉 絲杠都通過兩端固定的方 式固定 一端都通過聯(lián)軸器與伺服電機相連 關鍵詞 滾珠絲杠 伺服電機 臥式 數(shù)控車床 斜床身 II ABSTRACT Slant bed horizontal series CNC lathe is an economic and practical processing machine tools mature product structure quality stable and reliable performance it sets the versatility and the characteristics of the special lathe using inclined bed ball linear guide The most widely coverage of a CNC machine tool widely used in automobile petroleum military industry and many kinds of mechanical processing industry This series of machine varieties complete specifications are mainly used for machining high precision of rotors type parts such as shaft plate set of classes all kinds of internal and external thread and high precision it can be finished once clamping appearance and inner hole machining In order to meet the processing needs of different users According to the needs of users optional different numerical control system and accessories In this article has carried on the design of slant bed horizontal CNC lathe including the machine tool bed transmission system tool post system tailstock Of the transmission system of main drive system and feed drive system design The main servo motor through a belt drive the movement to the spindle the spindle on the pulley and the synchronous cog belt wheel and spindle by linkage And feed movement namely lathe on X Z to exercise by screw screw fixed with both ends fixed way end are connected to the servo motor through the coupling Key words ball screw servo motor horizontal type Distributed Numerical Control DNC Slant bed III 目 錄 摘要 I ABSTRACT II 1 前言 1 1 1 斜床身臥式數(shù)控車床的設計背景 1 1 2 斜床身數(shù)控車床設計的國內外背景 1 1 3 斜床身數(shù)控車床設計的目的 1 1 4 斜床身數(shù)控車床設計的內容 2 2 機床總體方案設計 3 3 機床各系統(tǒng)的設計 4 3 1 床身 4 3 2 傳動系統(tǒng)的設計 5 3 2 1 主傳動系統(tǒng)設計 5 3 2 2 進給傳動系統(tǒng)設計 6 3 3 主軸的要求及結構 8 3 4 刀架系統(tǒng) 9 3 5 刀架系統(tǒng) 9 4 機床各系統(tǒng)機械部分設計計算 10 4 1 切削力計算 10 4 2 滾珠絲杠螺和選型 10 4 2 1 縱車外圓的計算 10 4 2 2 橫向進給的計算 13 4 3 軸的結構設計計算 15 4 3 1 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 15 4 3 2 軸上零件的周向定位 16 4 3 3 確定軸上圓角和倒角尺寸 16 4 3 4 帶立式座外深溝球軸承的校核 17 4 3 5 鍵的校核 20 4 3 6 軸的校核 21 4 3 7 校核軸的強度 21 4 4 伺服電機的選型和計算 21 4 4 1 等效轉動伺服電機的計算 21 4 4 2 電機力矩計算 22 IV 5 結論 25 參考文獻 26 致謝 27 1 1 前言 1 1 斜床身臥式數(shù)控車床的設計背景 現(xiàn)在一些精密的零件都會用機床來進行加工 在工件的制造加工中 機床給我 們的工作帶來很大方便 機床行業(yè)的發(fā)展方向很明確 越來越精密 越來越自動智 能 1 我們國家與一些工業(yè)發(fā)達的國家比較而言 我們國家相對于他們還相差很多 很多 我們國家機床發(fā)展起步晚 發(fā)展的速度慢 以及科技含量比較低 導致了與 發(fā)達國家有一定的差距 在制造加工中 零件的尺寸變得很細致 一些精密程度變 得很苛刻 迫使對加工工具進行深入改革 創(chuàng)新 在工件加工中 尤其是對一些復 雜精密的零件加工中 斜床身數(shù)控機床表現(xiàn)出了它的優(yōu)點 并得到了大家的認可 在機床行業(yè)中普遍認同 受到了各國加工行業(yè)的普遍認可 在此基礎上它發(fā)展的很 快 很好 1 2 斜床身臥式數(shù)控車床的國內外狀況 我們國家機床發(fā)展起步晚 發(fā)展的速度慢 以及科技含量比較低 導致了與發(fā) 達國家有一定的差距 這種機床在我們國家比較低端 發(fā)展的不夠成熟 不夠完善 所以 我們國家應極力著眼于這類機床的發(fā)展 從而帶動其他類型機床的發(fā)展 從我 們國家目前機床行業(yè)發(fā)展來看 機床的造價太高 研究比較表面 沒有高科技的含 量 沒有我們自己的東西 機床在出現(xiàn)一些小毛病的時候 整個機床都會停止工作 影響到工件的加工效率 這種情況使得我國數(shù)控車床在國際市場 和多樣化的今天是 很難占據(jù)了重要的地位 因此拉大與發(fā)達國家的科研設計制造的差距 我們要正確面 對我們國家目前所處的困境與問題 從主要問題出發(fā) 攻堅克難 逢山開路 遇河 架橋 發(fā)揮不怕困難的精神 打造我們自主產品的優(yōu)點與特點 2 將我們打國產機 床在世界機床行業(yè)中打造成優(yōu)等產品 占據(jù)一席之地 敢于先進發(fā)達國家的機床產 品相媲美 相抗衡 1 3 斜床身數(shù)控車床設計的目的 首先這是一次畢業(yè)設計 只有在這次設計過程 認真學習 積極查閱資料 對 自己的設計課題進行深入的研究 并有自己的構思 自己的想法 在機械設計手冊 以及參考文獻的幫助下完成自己的這次設計才能夠順利的畢業(yè) 其次 我們在大學 四年的時間里 對我們的專業(yè)課有了很好地熟悉與學習 通過這次設計 我們可以 查缺補漏 對我們所學的只是進一步鞏固 更好運用在今后的工作與生活中 1 4 斜床身數(shù)控車床設計的內容 2 其設計內容包括車床箱體 傳動零部件部分 主軸 工作臺 刀架系統(tǒng) 尾架 等部分的設計工作 在傳動系統(tǒng)設計中主要是對滾珠絲杠的設計選型 安裝方式以 及在傳動系統(tǒng)中的作用于安置 3 2 機床總體方案設計 這次設計的任務是斜床身臥式數(shù)控車床的結構設計 整體方案采用 45 度 常見 的傾斜角度有 45 60 75 等 后置斜床身布置 這樣的設計方便工人師傅在加工 過程裝夾零部件 當然更有利于對加工屑進行排除 在機床中都會包含以下幾部分 主軸 進給系統(tǒng) 刀架 尾座等 結構如圖 2 1 所示 圖 2 1 斜床身臥式數(shù)控車床結構圖 設計要求和參數(shù)的擬定如表 2 1 所示 表 2 1 機床設計參數(shù) 機床名稱 斜床身臥式數(shù)控車床 最大工件回轉直徑 mm 400 最大工件長度 mm 1000 最大切削長度 mm 930 最大切削直徑 mm 400 床身 滑板上最大回轉直徑 mm 210 X 軸坐標進給速度 mm min 3600進給 Y 軸坐標進給進度 mm min 4500 主電機功率 kw 7 5 主軸最高轉速 r min 1400主軸 機床最小設定單位 mm 0 01 刀架形式 電動多工位立式刀架刀架 重復定位精度 mm 0 01 尾架 最大行程 mm 150 定位精度 X Z mm 0 045 0 05精度 重復定位精度 X Z mm 0 010 0 015 4 加工工件精度 IT6 IT7 3 機床各系統(tǒng)的設計 3 1 床身 在機床種最主要的也是最基礎的就是床身 是最基本的部分 在床身上將會放 置機床中的各個組件以及組裝各個零部件 在構思床身的結構時候主要從兩方面考 慮 一是機床各個零部件在床身上的安放位置以及方式 二是其本身的制造材料 床身的結構一般由放置其上面的組件位置來設計構思的 在機床行業(yè)中 一般 把車床劃分兩大類型 臥式的和立式的 在車床中臥式的又可由導軌的安置方向分 為兩大類型 傾斜導軌的和水平導軌的 3 在一些加工行業(yè)中大都采用的是傾斜導軌 的機床 使用其的主要有以下原因 一是便于實現(xiàn)機電一體化 二是便于很好的排 屑 并且便于自動排屑器的安裝 三是從工件上切下來的熾熱切屑很方便的排到了 排屑箱里 不會積留在導軌上 保證了導軌的精度 四是人機設計好 工人方便操 作等 床身的材料在選擇上一般采用普通鑄鐵 圖 3 1 斜床身結構側視圖 另外 車床的導軌具有很多優(yōu)點 如接觸剛度大 結構簡單 加工方便 我們 之前采用的普通導軌有很多不足的地方 摩擦阻力較大 容易磨損 在追求高質量 更好的表現(xiàn) 更高的加工效率 更好的加工表現(xiàn) 在條件許可的范圍內 我們選用 表現(xiàn)更好的滑動導軌 比傳統(tǒng)的導軌更優(yōu)秀 4 選材上 因淬硬合金鋼耐磨性較高 所以制造導軌的材料使用淬硬合金鋼材料 綜合以上因素 將 GCR15 軸承鋼淬硬到 HRC65 62 加工導軌 再利用外在的約束把導軌安裝在它所在的位置 更好地增加 其硬度 5 3 2 傳動系統(tǒng)的設計 在機床中傳動系統(tǒng)都有很大的共同之處 無論是斜床身臥式數(shù)控車床還是普通 的車床 都可以分為進給傳動系統(tǒng)和主軸傳動系統(tǒng) 3 2 1 主傳動系統(tǒng)設計 在目前的機床行業(yè)中大都采用較先進的無極變速系統(tǒng) 無級變速自研發(fā)出來使 用到現(xiàn)在 在使用的過程中不斷改進 不端增加科技含量 如今技術已經比較成熟 車床中的主軸電機一般采用伺服電機 這樣與編碼器相配合 更能來控制主軸的轉 速 達到加工要求 伺服電機與主軸之間才有帶傳動 提高傳動效率 5 如圖 3 2 a 所示 或者通過帶傳動來帶動主軸旋轉 如圖 3 2 b 所示 因為主軸電 機采用的是伺服電機 所以速度很容易被控制和調節(jié) 這樣就會使主軸的速度以及 主軸箱的結構變得很簡單 斜床身臥式數(shù)控機床在加工零件的過程中 速度是很不 固定 經常會改變其主軸的轉速來加工不同的表面以及結構 這樣才會發(fā)揮其加工 復雜精度高的優(yōu)點以及特點 在加工零件之前都會先把加工程序編制好 輸入數(shù)控 機床的微電腦中 來控制電機以及刀具來對材料進行加工 在加工過程中就會按照 程序來按部就班的進行 所以無級變速更能適合此處的要求 發(fā)揮無級變速的優(yōu)點 如圖 3 2 c 所示 a 變速齒輪 b 帶傳動 c 電機直接驅動 圖 3 2 電動機主軸傳動的方式 采用皮帶將主軸伺服電機和主軸連接起來進行傳遞動力 這種傳動方式與其他 傳動方式相比 這樣就會很大的提高了軸部件的剛度 是主軸轉動更平穩(wěn) 更能達 到比較好的加工效果 根據(jù)設計要求以及設計任務 可以把主軸電機的型號進行選 擇出來 據(jù)要求電動機的功率是 7 5kw 根據(jù) 機械設計手冊 附表選 額定功率 7 5kw 額定轉速 1500r min 額定轉矩 5 0N m 2CE6 10MB75D 6 3 2 2 進給傳動系統(tǒng)設計 在進給傳動的構思以及方案制定時一定要充分照顧到本機器所要面對的工件尺 寸以及運動范圍 在設計時根據(jù)事前的調查以及分析計算合理地規(guī)劃和設計本部分 在對工件進行車削的過程中 進給系統(tǒng)對其所采用的方式以及車削的效果起著舉足 輕重地作用 6 所以這一部分一定要嚴格要用設計思想去規(guī)劃和設計 在加工過程 中 刀架不但要延 X 向運動 還要延 Z 向運動 所以刀架的設計要考慮它的運動方 向以及幅度 工作臺的運動方式以及運動方式也是設計時必須要考慮的 因為在加工的過程 中 它也要延 X 向和 Z 向不時的移動來帶動刀架來回運動從而對零部件進行車削加 工 所以我在這兩個方向的進給上采用的是滾珠絲杠 利用滾珠絲杠可以保證進給 的準確性以及平穩(wěn)性 這樣才能夠使工件被加工的更好 得到令人滿意的效果 7 利用滾珠絲杠來帶動這兩個方向的運動就會變得更輕松 更靈活 在滾珠絲杠的安 裝時可以對其先預緊 通過這種方式消除自重產生的變形 如下圖 3 3 a b 和 圖 3 4 所示 a 橫向進給系統(tǒng) b 縱向進給系統(tǒng) 圖 3 3 橫向和縱向進給系統(tǒng) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 7 1 絲杠 2 套筒聯(lián)軸器 3 7 錐銷 4 螺母 5 墊圈 6 支架 8 支架套 9 進步電機 圖 3 4 伺服電機與絲杠的聯(lián)接 滾珠絲杠在進給系統(tǒng)中廣泛的運用 是因為它能改變進給的運動方向 獲得多 方向的進給 滾珠 螺桿和螺母是滾珠絲杠的三大組成部分 8 利用滾珠絲杠可以把旋轉運 動轉化為直線運動 更好地運用到機床結構中 滾珠絲杠設計與運用的重要意義是 把軸承從滾動運動轉變成了滑動運動 現(xiàn)在滾珠絲杠在很多的精密設備中被應用 是因為它具有摩擦阻力十分小的特點 在一些精度要求高的機械中大都都會采用滾珠絲杠 因為它會滿足精度要求 除此之外 它還會改變進給的運動方向 獲得多方面的進給 來滿足加工要求 1 與滑動絲杠副相比驅動力矩為 1 3 在傳動系統(tǒng)中如果采用了滾珠絲杠 驅動力就會是其他傳動方式的三分之一 因為它有滾珠在滾動 相當于是用了滑動絲杠副 1 3 的力矩達到了相同的效果 9 2 高精度的保證 滾珠絲杠副在制造加工過程中 無論是在技術標準上還是在加工條件上都采用 和執(zhí)行的是世界上最先進最嚴格的技術要求 正是因為在這嚴格的條件下 使用目 前最先進的加工設備 才加工制造出了現(xiàn)在這種具有高精度的滾珠絲杠副 3 微進給 正是由于在滾珠在滾珠絲杠副中滾動 才使得滾珠絲杠在加工過程中能夠實現(xiàn)精 密的微進給 避免了爬行現(xiàn)象的出現(xiàn) 4 無側隙 剛性高 在滾珠絲杠副上加上預緊壓力 就可以大大的降低軸向間隙 從而變得無間隙無 側隙 因而滾珠絲杠就可獲得很好的剛性 3 3 主軸的要求及結構 1 主軸的要求 1 旋轉精度 在傳動系統(tǒng)中 主軸的旋轉精度要求很高 這就要求在主軸裝配完成后 對主 軸的旋轉精度進行檢測 保證無載荷的情況下的徑向跳動和軸向跳動 2 靜剛度 在對工件進行車削的過程中為了保證工件所被車削的精度 從而對主軸上地靜 剛度規(guī)定很嚴格苛刻 10 在主軸組件中很多原因可在運轉中影響主軸的剛度 原因 有很多 在眾多的原因中最主要的還是主軸的結構尺寸 滾動軸承的型號 數(shù)量 配置形式 3 抗振性 8 在加工過程中如果出現(xiàn)了震動的現(xiàn)象 就會產生很多對工件不利的影響 然而 主軸的這種不良現(xiàn)象受到很多原因影響 比如其靜剛度 零部件的分布等一些因素 4 溫升和熱變形 大家在學習物理知識是就學到了物體的形狀和尺寸受溫度的改變而改變 在加 工過程中 在刀具與工件的摩擦中以及主軸的旋轉過程中會使部件的溫度上升 受 熱膨脹 從而使得組件變形 偏離原本的位置 偏離加工軌跡 對零件的精度產生 誤差 甚至加工的零件作廢 所以一定要考慮到這一點 保證材料在受熱的情況下 變形最小 從而保證零部件的加工精度 11 達到更好的加工效果 5 耐磨性 機床在加工過程中很多時候是長時間的 不間斷的 所以這就要求其耐磨性一 定要好 精度受很多因素影響 首先就是軸承對其產生很大的影響 12 除此之外還 有夾具對其產生的影響 為了避免上述問題的產生 要將主軸上的一些部位淬硬至 HRC60左右 這樣才能有效地提高其耐磨性 6 材料和熱處理 主軸在選材時一般不把強度作為依據(jù) 主軸上的尺寸以及主軸的直徑取決于零 部件在其上安裝位置以及軸肩的位置 尺寸 當這些尺寸都定下來以后 主軸的尺 寸也就定了下來 13 因此 在選擇材料是主要考慮到主軸的材料能夠在溫度影響下 產生的形變最小 一定要滿足這個要求 才能使主軸在旋轉的過程中更穩(wěn) 達到更 好的加工效果 目前 在主軸地加工制造中 常常采用45號或60號優(yōu)質中碳鋼作為 主軸上加工型號 然后材料在加工完畢之前 則應該對材料進行調質處理和淬火 2 主軸的結構 在其材料確定后 其次就要要對它的主要的尺寸來構思 來制定方案 來決定 它的加工方式及方法 主軸通常制造成階梯形 還有軸肩 這樣更方便裝配 主軸 上一些零部件根據(jù)主軸上的軸肩位置進行裝配 再加上軸套以及定距環(huán)使得其他零 部件在主軸的位置是固定的 在主軸加工時 通常是把主軸加工成中空的 這樣會 通過頂錐或者是棒料 在車床的主軸中中空比其他的機床大一些 但由于剛度條件 的影響和限制 在加工時孔徑應該保持在外徑的70 以內 14 3 4 刀架系統(tǒng) 刀具是放置在刀架結構上的 而不是單獨裝夾在床身上的 因此 刀架的設計 也要考慮到刀具的進給活動所必須的要求 在某種程度上 一個車床的刀架設計的 水平和先進科技性可使機床的性能得到很好的提升 在車床加工過程中 刀架是直 接對工件進行車削加工的 正是因為它與工件進行直接接觸 所以在加工過程中受 到很大的切削抗力 因此 剛度和強度在設計和構思前要充分的分析和研究 15 因 9 為刀具直接與工件接觸 直接對工件進行去材料加工 所以對刀具位置的要求很嚴 格 不僅要做到這些 還要在刀架的設計過程過程中做到以下幾點 不僅要考慮到 刀架的材料與刀具的位置 還要考慮到安全性問題 在換刀的過程一定要保證刀具 的轉換安全 不可對工人的安全造成威脅 3 5 尾座 目前的機床的設計和使用中上一般都使用的是液壓型尾座 把尾座安裝在導軌 上 通過導軌的滑動作用 在上面往返滑動 滑動的位置由工件的長度以及位置來 確定 大家都知道 車床上尾座是用來裝夾住頂尖 從而能夠來頂住尺寸較長的工 件 還有在工件要求鉆孔 攻絲的時候 也可以把鉆頭裝夾在尾座上 來進行加工 16 尾座的材料要用 1 級鑄鐵 并要經過時效處理 10 4 機床各系統(tǒng)機械部分設計計算 4 1 切削力計算 縱車外圓時 5360 N 5 1max670DFz 1 540 4 1 車床床身最大加工半徑 單位 mm maxD 求出主切削力后 由 1 0 25 0 4yxzF 可求出 走刀方向的切削力 1340 Nx 垂直走刀方向的切削力 2144 Ny 橫切端面時 主切削力 可以取縱切時 的 1 2 所以 1 2 2680 NF zF zFz 同理 1 0 25 0 4 y xz 可得 走刀方向的切削力 670 N x 垂直走刀方向的切削力 1072 N yF 4 2 滾珠絲杠螺母副選型 在設計滾珠絲杠螺母副的的時候應該著重對一下幾方面進行一下構思 首先是 滾珠循環(huán)的方式 其次再是其預緊方式 除此之外的要求就是考慮到 外徑 導程 和精度等級等 4 2 1 縱車外圓的計算 11 1 計算進給率引力 mF 燕尾型導軌 4 2 2 GFfKyzx 式中 切削力yxzF G 移動部件的重量 N K 考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù) 此處 K 1 4 導軌上的摩擦系數(shù) 此處 0 2 f f 帶人數(shù)據(jù)得 1 4 1340 0 2 5360 2 2144 800 2272 N mF 2 計算最大動載荷 最大動載荷 4 3 mwFfLC3 式中 工作壽命 單位 106r L610nT 絲杠轉速 n01Lvns 最大切削力條件下的進給速度 m min 此處取 0 6sv sv 絲杠導程 mm 6mm0L0 使用壽命 h 對數(shù)控車床取 15000hTT 運轉系數(shù) 此處為一般運轉 根據(jù) 機械設計手冊 表 6 2 34 可知一般wF 運轉時 取 1 3 帶入數(shù)據(jù)可得 絲杠轉速 50r min05 61Ln 工作壽命 45605 L 最大動載荷 10505 6N 273 143C 根據(jù)求出的條件查表可得 采用外循環(huán)螺紋預緊的雙螺母滾珠 12 絲杠副 其額定動載荷為 16400N 螺 距 為 40mm 精度等級為 3 級 4061LW0D 3 傳動效率計算 傳動效率 4 4 tan 式中 絲杠螺旋長升角 型滾珠絲杠副 為 2 44 4061LW 摩擦角 滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù) 0 003 0 004 其摩擦角約等于 f 10 代入數(shù)據(jù)可得 tan 1042 t 0 94 4 剛度校驗 絲杠的拉伸或壓縮變形量 1 查 機械設計手冊 表 6 3 23 據(jù) 2272N 40mm 知 1 2 10 5 mm mF0D0L 則 1 2 10 5 1000 1 2 10 2 mm 4 5 L 01 由于兩端用角接觸軸承和深溝球軸承 對絲杠螺母進行了拉伸 剛度可提高四 倍 則變形量縮小為 0 3 10 2 1 4 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 2 查 機械設計手冊 表 5 3 55 知 W 系列 2 5 圈 1 列型絲杠副和螺紋滾道間的 接觸變形量 6 4 由于預緊 3 2 QC um4 62 QCum 撐滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 3 用 7304C 角接觸軸承 35mm 滾動體直徑 5 35mm 滾動體得數(shù)量1d0d 13 Z 18 所以 0 0077 mm 4 6 32320 185 74 4 zdFmc 由于預緊的存在 0 00386 mm 13c 綜上可得 變形量 0 003 0 0032 0 00386 0 01006 mm 故選用 型滾珠絲杠副符合要求 4061LW 5 穩(wěn)定性校驗 滾珠絲杠在安裝的時候采用的是推力軸承 在其轉動的過程很穩(wěn) 所以不用進 行穩(wěn)定性的校驗 4 2 2 橫向進給的計算 1 計算牽引力之 mF 1 4 670 0 2 2680 2 1072 600 2022 8 N 2 4 1 GfFyzxm 4 7 2 計算最大負荷 C 絲杠轉速 30 r min 4 8 5 0310 Lvns 工作壽命 27 4 9 6610T 最大負載 3 1 2 2022 8 7282 08 N 4 10 WFfLC 3 根據(jù)求出的條件查 機械設計手冊 表 6 7 58 可得 采用外循環(huán)螺紋預緊的雙螺母滾珠絲杠副 型 1 列 2 5 圈 其額定動載荷201L 為 8800N 螺距 為 40mm 精度等級為 3 級 0D 3 傳動效率計算 傳動效率 tan 14 型滾珠絲杠副絲杠螺旋長升角 為 4 33 摩擦角 為 10 2051LW 故 0 965 103 tan 4 剛度校驗 由橫向進給的支撐方式 如圖 4 1 所示 圖 4 1 橫向進給支撐方式 由最大牽引力為 2022 8N 支撐間距為 450mm 絲杠長度較 長 需母及軸承預緊 絲杠的拉伸或壓縮變形量 1 查表 據(jù) 2202 8N 20mm 知 4 2 10 5 則 mF0D0L 4 2 10 5 450 1 9 10 2 mm 01 4 11 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 查表知 W 系列 2 5 圈 1 列型絲杠副和螺紋滾道間的接觸變形量 6 4 mQC 由于預緊 3 2 m 4 622 QC 撐滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 3 用 7319C 角接觸軸承 l5mm 滾動體直徑 4 74 mm 滾動體得數(shù)量1d0d Z 12 所以 0 0094 mm 4 12 32320 174 80 4 zdFmc 由于預緊的存在 0 0047 mm 4 13 09 13c 綜上可得 變形量 0 019 0 0032 0 0047 0 0269mm 定位精度 15 變形量 0 019 0 0032 0 0047 0 0083mm 定位精度41 由此可知 將滾珠絲杠進行拉伸之后 使用 型 1 列 2 5 圈絲杠副符合要201LW 求 5 穩(wěn)定性校驗 首先計算產生失穩(wěn)的臨界負載用下列公式 4 14 2 EIfFzk 式中 E 絲杠材料彈性模量 鋼材量 N cm264 1dI I 截面慣性矩 單位 cm 4 絲杠截面慣性矩 d1 為絲杠螺紋64 1I 的底徑 絲杠兩支撐端距離 cm z 絲杠的長度支撐系數(shù) 如表 4 1 所示 表 4 1 絲杠長度支撐系數(shù) 方式 一端固定一段自由 兩端簡支 一端固定一段簡支 兩端固定zf 0 25 1 00 2 00 4 00 本設計 絲杠采用兩端固定 故 取 4 00 zf 則 截面慣性矩 0 3899 cm4 4 15 6478 1 I 臨界負載 6429 8 N 4 16 2 628139 0 kF 臨界負載 與最大負載 之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù) 如果 kFmKn KmkKnF 則絲杠不致失穩(wěn) 為許用穩(wěn)定性安全系數(shù) 一般取 2 5 4 則根據(jù)以求得數(shù)據(jù) Kn 2 83 故橫向進278 649 Kn 給絲杠選用 W1L2005 型絲杠不會產生失 16 穩(wěn) 4 3 軸的結構設計 4 3 1 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 1 為了滿足從動端半聯(lián)軸器的軸向定位要求 A 軸段上端需制出一軸肩 又因 為在 B 段上需要安裝軸承及軸承座 故取初步取 B 段的直徑 40 mm 下端用軸Bd 端擋圈定位 參照標準 GB T 891 1986 按軸端直徑取擋圈直徑 D 45mm 標記為 GB T 892 B45 從動端半聯(lián)軸器孔長度 50mm 為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在2L 軸的端面上 故 A 段長度應比 略短一些 現(xiàn)取 58mm AL 2 初步選擇滾動軸承 因軸承同時承受較大的徑向力和較小的軸向力的作用 故選用深溝球軸承 同時考慮實際工作情況及安裝的方便性 選擇帶座外球面球軸 承 參照 B 段直徑 支架套筒內徑及帶立式座外球面球軸承標準 GB T 7810 1995 表 7 2 101 初步選取型號為 UCP208 的帶座軸承 參照標準 GB T 7810 1995 表 7 2 101 知 該帶座軸承總寬 B 49 2 mm 為了 安裝方便 取 B 段長度 60 mm BL 3 由于支架套筒需要從立軸上方裝入 故支架套筒下方需要軸肩定位 又因支 架套筒內徑為 d 50 mm 且主要承受徑向力 故取 70 mm 15 mm CdCL 4 已知支架套筒內徑為 d 50 mm 高度為 150 mm 為了便于安裝上軸承座 取 50 mm 155 mm DDL 5 由于 E 段軸上只安裝帶座軸承 故 E 段軸尺寸同 B 段軸 即 40 mm Ed 60 mm EL 4 3 2 軸上零件的周向定位 1 從動端半聯(lián)軸器與軸的周向定位 由于工作時需承受一定的沖擊及變載荷 而且在軸端處 所以采用單圓頭普通平鍵連接 按 35 mm 58mm 參照標AdAL 準 GB T 1095 2003 表 5 3 18 選擇鍵的截面尺寸為 寬度 b 10mm 高度 h 8mm 鍵槽用鍵槽銑刀加工 由 長度并參考鍵的長度系列 表 5 3 19 取AL 17 鍵長為 L 56 mm 比 長度小些 從動端半聯(lián)軸器與軸的配合為 AL 67kH 2 支架套筒與軸的周向定位 同樣由于工作時需承受一定的沖擊及變載荷 所 以采用圓頭普通平鍵連接 根據(jù)立軸連接支架套筒處尺寸 d 98 mm 參照標準 GB T 1095 2003 表 5 3 18 選擇鍵的截面尺寸為 寬度 b 14mm 高度 h 9 mm 鍵槽用鍵槽銑刀加工 由支架寬度并參考鍵的長度系列 表 5 3 19 取鍵長 L 140 mm 比支架套筒高度小些 支架套筒與軸的配合為 67hH 3 滾動軸承與軸的周向定位是由過渡配合來保證的 此處選軸的直徑尺寸公差 為 m6 4 3 3 確定軸上圓角和倒角尺寸 參照標準 GB T 6403 1 2008 表 1 5 10 取軸端倒角為 1 6 45 各軸肩處 圓角半徑參照標準 GB T 6403 4 2008 表 1 5 12 選取 4 3 4 帶立式座外深溝球軸承的校核 參照標準 GB T 276 1994 表 7 2 66 知 對于深溝球軸承 6208 基本額定動 載荷 29500N 基本額定靜載荷 18000 N 參照標準 GB T 7810 1995 表 7 rCrC0 2 101 對于軸承 UCP208 基本額定動載荷 22800N 基本額定靜載荷r 8200 N 球數(shù) z 9 球徑 12 mm r0 WD 1 受力分析 列平面任意力系的平衡方程 即 0 0 xFBAxF 0 0y 21Py 0 0 MA 120830 B 4 17 求解以上方程 得 550 700 1250 N 21PFAy 5565 22 N 230178530182 B 5565 22 N Ax 為負值 說明他的方向與假設的方向相反 即應指向左 BF 18 則軸承所受徑向載荷 5565 22 NrF 軸向載荷 1250 Na 2 校核動載荷 按照手冊公式 7 2 1 計算 4 18 PfCTndmh 式中 壽命因數(shù) 軸承預期壽命 5000 h 查表 7 2 23 取 2 71hf hLhf 力矩載荷因數(shù) 力矩載荷較小 取 1 5m mf 沖擊載荷因數(shù) 中等沖擊 查表 7 2 25 取 1 2df df 速度因數(shù) 轉速取 15 r min 查表 7 2 24 取 1 305n n 溫度因數(shù) 查表 7 2 26 取 1Tf Tf P 當量動載荷 按式 7 2 2 計算 計算當量動載荷 P 4 19 arYFX 式中 徑向載荷 由受力分析知 5565 22 NrFr 軸向載荷 由受力分析知 1250 Na a X 徑向動載荷系數(shù) 查表 7 2 65 按下面計算取值 Y 軸向動載荷系數(shù) 查表 7 2 65 按下面計算取值 1 計算 2WaizDF 0 965 4 20 WaizDF21950 2 取 e 的值 查 機械設計手冊 表 7 2 65 根據(jù) 0 965 取 e 0 282Waiz 19 3 計算 raF 0 225 4 21 2 5610 raF 4 取 X Y 的值 查 機械設計手冊 表 7 2 65 單列軸承 且 0 225 e 0 28 0 965ra2WaizDF 故取 X 1 Y 0 5 求當量動載荷 P arYFXP 1 5565 22 0 1250 5565 22 N 因此 動載荷為 PfCTndmh 5565 221305 2 7 20802 N 因 C 29500N 對于 UCP208 同樣 C 22800N r r 故 合適 3 校核靜載荷 按照手冊公式 7 2 6 計算 4 22 0PSC 式中 安全因數(shù) 旋轉軸承 查表 7 2 31 取 1 50S 0S 當量靜載荷 計算公式見表 7 2 29P 計算當量靜載荷 0 查 機械設計手冊 表 7 2 29 對于向心球軸承 計算徑向當量靜載荷 4 23 arrFYXP00 取二式中的較大者 其中 rFP 0 20 徑向載荷 由受力分析知 5565 22NrFrF 軸向載荷 由受力分析知 1250 Na a 徑向靜載荷系數(shù) 查表 7 2 650X 軸向靜載荷系數(shù) 查表 7 2 65Y 1 計算 arrFYP00 查 機械設計手冊 表 7 2 65 arrFP5 06 0 0 6 5565 22 0 5 1250 3964 132 N 2 計算 rF 0 5565 22 N rP 故 取 3964 132 NrP0 因此 靜載荷為 0PSC 1 5 5565 22 8347 835 N 因 18000 N 對于 UCP208 同樣 18200N rC0 rC 故 合適 綜上校核結果 選擇帶立式座外球面球軸承 型號為 UCP208 標記為 UCP208 GB T 7810 1995 4 3 5 鍵的校核 1 從皮帶輪與軸連接處的鍵 由于鍵 立軸 皮帶輪的材料都是鋼 由 機械設計手冊 表 5 3 17 查得許用 擠壓應力 100 120 取其平均值 110 鍵的工作長度 l L b 90 aMPaMP 10 80 mm 鍵與支架鍵槽的接觸高度 k 0 4h 0 4 28 11 2 mm 由表 5 3 16 中查得 21 13 76 11035802 192 3 kldTp aMP aP 故 合適 標記為 鍵 GB T 1095 200368B 2 同步齒形帶輪與軸的連接處的鍵 由于鍵 立軸 同步齒形帶輪的材料都是鋼 由 機械設計手冊 表 5 3 17 查 得許用擠壓應力 100 120 取其平均值 110 鍵的工作長度aMPaMP l L b 20 4 16 mm 鍵與支架鍵槽的接觸高度 k 0 4h 0 4 16 6 4 mm 由 機械設計手冊 表 5 3 16 中查得 6 75 110 35164 0920 3 kldTp aP aP 故 合適 標記為 鍵 GB T 1095 200320B 4 3 6 軸的校核 按彎扭合成強度條件計算 在軸的結構設計時 要考慮軸的主要尺寸 以及軸上零件的位置 以及外載荷 當支反力的作用位置確定后 軸上的載荷就可以通過計算求出來 因而可按彎扭合 成強度條件對軸進行強度校核計算 計算結果如表 4 2 所示 表 4 2 載荷計算結果 載荷 水平面 H 垂直面 V 支反力 F 5565 22N1NF 5565 22N2H 1250N1NF 1250N2V 彎矩 M 139 13Nm1 139 13Nm2 31 25NmM 總彎矩 135 58Nm2215 31 9 M 142 6Nm2 扭矩 T T 190Nm 22 4 3 7 校核軸的強度 從軸的結構圖以及彎矩和轉矩圖中可以看出截面 C 是軸的危險截面 所以只校 核危險截面 C 的強度 按手冊上表 6 1 22 中公式及上表中數(shù)據(jù) 以及軸的材料為 45 鋼 扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力 取 0 6 45 則的計算直徑為 p1 4 24 31 22 68 21PTMd 3 2245 906 84 mm 計算直徑 84 mm 小于選擇直徑 98 mm 故安全 4 4 伺服電機的選型和計算 4 4 1 等效轉動伺服電機的計算 根據(jù)計算 傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量 kg cm2 可由下式計算 zJ 4 25 2 021 LGWZJsM 式中 伺服電機轉子轉動慣量 kg cm2 MJ 齒輪 Z1 Z 2 的轉動慣量 kg cm2 由于進給系統(tǒng)由 伺服電機直接和21 絲杠聯(lián)接 則 12Z 滾珠絲杠轉動慣量 kg cm2 sJ 參考同類型機床 初選反應式伺服電機 150BF 其轉子的轉動慣量為 10kg cm2 0 78 10 3 44 150 29 952 kg cm2 4 26 sJ 帶入上式 2 021 LGWJZJsM 23 26 0 895 2 10 40 7 kg cm2 考慮伺服電機與傳動系統(tǒng)慣量相匹配的問題 0 2467 401 JM 基本滿足慣量匹配要求 4 4 2 電機力矩計算 機床在不同的工作狀況下 所需要的轉矩不同 一下分別按各階段計算 快速 空啟動階段 起M0max f 起 2maxmax106 tnJ 而 3axbpvn 將前面以求得的數(shù)據(jù)代入 450 r min 4 27 360maxbpvn 36075 1 24 啟動加速時間 30msat 571 1 N 2maxax106 tnJM 2103 6453 4 28 折算到電機軸上的摩擦力矩 f 94 120 0 2ZLGFfiLMzf 25 1860 3 6 cmN 4 29 還有附加摩擦力矩 24 19 1 1 2200 iLFMP 1 3202 0 ZLFm 9 01 8 3652 cmN 4 30 綜上所述 571 1 94 19 1 684 2 4 31 0max Mf 起 cmN 快速移動階段所需力矩 快 94 19 1 113 1 4 32 c 最大切削負載時所需力矩 切 273 1 8 026134 9200 iLFMMxftf切 cmN 4 33 由上面的計算可看出 在從 三種情況下 其中快速啟動階段所切快起 需要的力矩最大 以此作為選擇電機的依據(jù) 查 機械設計手冊 表 4 5 22 伺服 電機0Mf 快 0 951maxjq 最大靜力矩 719 45 4 34 951 02684max qjMcmN 按此力矩查 機械設計手冊 表 4 9 30 SM130 077 30LFB 型電機允許最大靜 力矩為 931 最高空載啟動頻率為 3000Hz 運行頻率為 16000Hz 當快速運動cN 和切削進給時 電機運行矩頻特性完全可滿足要求 同理 經過計算橫向進給伺服電動機選擇 SM110 020 20LFB 其允許最大靜力 矩為 784 最高空載啟動頻率為 1500Hz 運行頻率為 7000Hz cm 25 5 結 論 1 斜床身臥式數(shù)控車床的結構設計 整體方案采用 45 度 常見的傾斜角度 有 45 60 75 等 后置斜床身布置 這樣的設計方便工人師傅在加工過程裝夾零 部件 當然更有利于對加工屑進行排除 2 我們選用表現(xiàn)更好的滑動導軌 比傳統(tǒng)的導軌更優(yōu)秀 3 在傳動系統(tǒng)中采用無級變速系統(tǒng) 這樣更有利于速度的調節(jié) 更好的對工 件進行加工 4 主軸通常制造成階梯形 還有軸肩 這樣更方便裝配 主軸上一些零部件 根據(jù)主軸上的軸肩位置進行裝配 再加上軸套以及定距環(huán)使得其他零部件在主軸的 位置是固定的 26 5 為了使得螺紋種類的選擇轉換方便 可靠 進給箱內設有公英制螺紋轉換 機構 6 為防止自動走刀過載后的機件損壞 在溜板箱內設有錐形離合器安全裝置 7 滾珠絲杠可以把旋轉運動轉化為直線運動 更好地運用到機床結構中 滾 珠絲杠設計與運用的重要意義是把軸承從滾動運動轉變成了滑動運動 8 尾座上設有變速裝置 這樣可以滿足鉆孔 鉸孔時速度的要求 參 考 文 獻 1 羅曉芳 張金濤 簡玉山 等 數(shù)控刮削滾光機床的設計 J 制造技術與機床 2012 12 3 6 2 邢曉輝 王洪川 王貴飛 等 基于靈敏度分析的數(shù)控機床床身尺寸優(yōu)化設計 J 組合機床 與自動化加工技術 2013 15 4 35 38 3 李治 張玉花 基于神經網(wǎng)絡的軟釬焊焊點成形預測 J 熱加工工藝 2013 1 3 21 24 4 程龍 朱鐵標 羅曉芳 一種龍門機床自動旋轉頭庫設計 J 制造技術與機床 2013 9 1 3 5 叢明 劉冬 崔冬梅 等 基于靈敏度分析的大規(guī)格床身結構模糊優(yōu)化設計方法 J 大連 理工大學學報 2011 3 11 14 18 6 劉飛 梁霖 彭曉南 等 一種直角坐標系下圓度誤差最小區(qū)域評價實現(xiàn)方法 J 工具技 術 2011 5 15 23 28 7 劉飛 梁霖 徐光華 等 一種圓度誤差最小區(qū)域評價方法 J 組合機床與自動化加工技術 27 2011 7 6 13 19 8 張應中 羅曉芳 范超 裝配空間關系形式表達 J 計算機輔助設計與圖形學學報 2011 9 8 9 13 9 常京龍 吳慶利 納米微粒復合鍍層硬度和耐磨性測試 J 電鍍與精飾 2011 9 10 19 21 械制造 2009 6 13 20 25 11 Rahman M Mansur M A Feng Z Fabrication and evaluation of a steel fibre reinforced concrete column for grinding machines J Materials Design 1995 3 4 205 209 12 Zhou B L Bio inspired study of structural materials J Materials Science and Engineering 2000 C11 13 18 13 Cen H T Wang S Chen W Y New development in structural bionics J Journal of machine design 2003 11 1 4 in Chinese 14 Ren L Q Han Z W Li J Q Tong J Effects of non smooth characteristics on bionic bulldozer blades in resistance reduction against soil J Journal of Terramechanics 2002 39 221 230 15 Milwich M Speck T Speck O Stegmaier T Planck H Biomimetics and technical textiles Solving engineering problems with the help of nature s wisdom J American Journal of Botany 2006 93 1455 1465 16 成大先 機械設計手冊 M 第 5 版 北京 化學工業(yè)出版社 2008 3 103 130 致 謝 本設計是在我的導師咚巴拉老師的親切關懷和悉心指導下完成的 雖然初期本 設計給我造成了很大壓力和困難 但咚老師嚴肅的科學態(tài)度 嚴謹?shù)闹螌W精神 精 益求精的工作作風 深深地感染和激勵著了我 給了我很大自信 一定要把畢業(yè)設 計做好 所以 從課題的選擇到項目的最終完成 咚老師都始終給予我細心的指導 和不懈的支持 其實 從選擇畢業(yè)設計導師一開始 咚老師就給予我很大的支持 在生活上給予了無微不至的關懷 在學習上 給予鼓勵和肯定 在此 非常感謝咚 老師 在此 我還要感謝在一起愉快的度過畢業(yè)設計的同學們 正是由于你們的幫助 和支持 我才能克服一個一個的困難和疑惑 直至設計的順利完成 在設計即將完成之際 我的心情無法平靜 從開始進入課題到設計的順利完成 有多少可敬的師長 同學 朋友給了我無言的幫助 在這里請接受我誠摯的謝意 28