CA6140数控化改造的机械设计说明书.docx
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CA6140数控化改造的机械设计说明书
计算机数字控制系统(ComputerNumericalControl简称为CNC系统)。
一个完整的现代化数字控制机床由数控装置,可编程控制器,电源模块,伺服模块,伺服电机,反馈系统,机床控制面板,人机通讯单元,手持单元,液压系统,润滑系统,冷却系统,机床本体,滚珠丝杠,自动换刀系统,等等组成。
数控机床的生产率高,设备柔性好,使工人的劳动强度大为减轻,具有较高的经济效益,能加工普通机床所不能加工的复杂形面。
由于数控机床的优越性,在国际竞争日益激烈、产品品种变化频繁的形势下,各国都致力与开发生产各种数控机床,其中将普通机床改造为经济型数控机床,简单方便,易于实现,使系统的性能价格比大为提高。
本次的设计题目是将C6140普通车床改造成为MCS-51系列单片机控制的经济数控车床。
由于是初次设计,所以经验有限,在设计过程中难免会出现不足之处,还请各位老师,同学们多多指导,帮助。
设计项目
设计过程及说明
Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse
主要结果
一、脉冲当量的选择
脉冲当量由设计任务书可知:
Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse
纵向:
0.01mm/脉冲
横向:
0.005mm/脉冲
纵向:
Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse
0.01mm/脉冲
横向:
0.005mm/脉冲
二、切削力计算
1、设计任务书给出床面上最大加工直径为:
DMAX=400mm
2、用经验公式计算下图纵车外圆时的各切削分力:
①主切削力:
FZ=0.67*DMAX1.5
=0.67*4001.5
=5360N
纵车外圆时的主切削力:
FZ=5360N
设计项目
设计过程及说明
主要结果
二、切削力计算
②再按以下比例可求出分离力FX和FY
FX:
FY:
FZ=1:
0.25:
0.4
走刀方向的切削力:
FX=0.25*FZ=0.25*5360=1340N
垂直走刀方向的切削力:
FY=0.4*FZ=0.4*5360=2144N
3、用经验公式计算如下所示横车端面时的各切削分力:
①主切削力F`Z(N)可取纵切的一半如下:
F`Z=FZ/2=5360/2=2680
②继续用经验工式粗略计算:
F`Z:
F`Y:
F`X=1:
0.25:
0.4
走刀抗力为:
F`Y=2680*0.25=670
吃刀抗力为:
F`X=2680*0.4=1072
纵车外圆时的切削分力:
FX=1340N
FY=2144N
横车端面时的切削分力:
F`Y=670
F`X=1072
设计项目
设计过程及说明
主要结果
一、纵向进给率引力计算。
作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀当力以及移动中的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力,由于C6140纵向是综合导轨,为了提高机床低速运动的平稳性,将其纵向改造为贴塑综合导轨。
选用公式:
Fm=K.Fx+f`(Fz+G)
上式中Fx,Fz—切削力(N);
G—移动部件的重量(N);
f`—导轨上的摩擦系数,
K—考虑颠复力矩影响的实验系数。
由于改造后的机床纵向采用贴塑综合导轨故选取:
K=1.15f`=0.04
纵向进给率引力:
Fm=K*Fx+f`(Fz+G)
=1.15*1340+0.04*(5360+1500)
=1815.4N
纵向进给率引力:
Fm=1815.4N
设计项目
设计过程及说明
主要结果
二、横向进给率引力计算。
作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀当力以及移动中的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力,由于C6140是横向是燕尾导轨,为了提高机床低速运动的平稳性,将其改造为贴塑燕尾导轨。
选用公式:
F`m=1.4*F`y+f`(F`z+2F`x+G`)
上式中F`x,F`z,F`y—切削力(N);
G`—移动部件的重量G`=850N;
f`—导轨上的摩擦系数;
由于改造后的机床横向采用贴塑燕尾导轨故选取:
f`=0.04
横向进给率引力:
F`m=1.4*F`y+f`(F`z+2F`x+G`)
=1.4*670+0.04*(2680+2*1072+850)
≈1165N
横向进给率引力:
F`m≈1165N
设计项目
设计过程及说明
主要结果
三、计算最大动负载。
选用滚珠丝杠副的直径d0时,必须保证在一定轴向负载作用下,丝杠在回转100万转(106转)后,在它的滚珠上不产生点蚀现象。
这个轴向负载的最大值(即称为滚珠丝杠能承受的最大动负载C),可用下式计算:
C=fωFm
L=60*n*T/106
n=1000*vs/L0
L0—滚珠丝杠导程,纵向初选L0=6mm,横向初选L`0=5mm;
vs—最大切削力下的进给速度,可取最高进给速度的(1/2~1/3),此处
vs纵=0.5m/min*0.5,
vs横=0.2m/min*0.5;
T—使用寿命,按15000h;
fω—运转系数,按一般运转取fω=1.2~1.5,这里选取为fω=1.2;
L—寿命,以106转为1单位。
滚珠丝杠导程,初选为:
纵向:
L0=6mm;
横向:
L`0=5mm;
设计项目
设计过程及说明
主要结果
三、计算丝杠的最大动负载。
纵向丝杠的最大动载荷C纵:
n纵=1000vs纵/L0
=1000*0.5*0.5/6
=41.67r/min
L纵=60*n纵*T/106
=60*41.67*15000/106
=37.503
C纵=纵fωFm
=*1.2*1815.4
≈7292N
横向丝杠的最大动载荷C横:
n横=1000vs横/L`0
=1000*0.2*0.5/5
=20r/min
L横=60*n横*T/106
=60*20*15000/106
=18
C横=横fωF`m
=*1.2*1165
≈3664N
纵向丝杠的最大动载荷C纵:
C纵=纵fωFm
=7292N
横向丝杠的最大动载荷C横:
C横=横fωF`m
≈3664N
设计项目
设计过程及说明
主要结果
四、滚珠丝杠螺母副的选型。
查附录A表3后:
纵向:
可采用W1L4006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副,1列2.5圈,其额定动负载为16400N,精度等级按表4-15选为3级。
横向:
可采用W1L2005外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副,1列2.5圈,其额定动负载为8800N,精度等级按表4-15选为3级。
纵向:
W1L4006
横向:
W1L2005
五、传动效率的计算。
传动效率计算工式如下:
=tg/tg(+)
上式中:
—螺旋升角,
纵向:
W1L4006=2。
44`
横向:
W1L2005`=4。
33`
—摩擦角取10`滚动摩擦系数0.003~0.004
纵向:
=tg/tg(+)
=tg2。
44`/tg(2。
44`+10`)≈0.94
横向:
`=tg`/tg(`+)
=tg4。
33`/tg(4。
33`+10`)≈0.96
传动效率计算结果如下:
纵向:
≈0.94
横向:
`≈0.96
六、滚珠丝杠纵向W1L4006和横向W1L2005的几何参数如下所示:
名称
符号
计算公式
W1L4006
W1L2005
螺
纹
滚
道
公称直径
d0
40mm
20mm
导程
L0
6mm
5mm
接触角
β
2044`
4033`
钢球径(mm)
dq
3.969
3.175
滚道法面半径
R
R=0.52dq
2.064
1.651
偏心距
e
0.056
0.045
螺纹升角
γ
γ=arctg(L0/3.14/d0)
2044`
4033`
螺
杆
螺杆外径
d
d=d0-(0.2~0.25)dp
39
19.4
螺杆内径
d1
d1=d0+2e-2R
35.984
16.788
螺杆触直径
dz
dz=d0-dqCosβ
36.0355
16.835
螺
母
螺母螺纹直径
D
D=d0-2e+2R
44.016
23.212
螺母内径
D1
D1=d0+(0.2~0.25)dp
40.7938
20.635
设计项目
设计过程及说明
主要结果
七、纵向丝杠刚度验算。
纵向进给滚珠丝杠支承方式如下所示:
最大牵引力Fm=1815.4N。
支承间距为L=1500mm丝杠螺母及轴承均进行预紧,预紧力为最大轴向负荷的1/3。
纵向丝杠的拉伸或压缩变形量1按下式计算:
1=ΔL/L0*L
在上式中L—滚珠丝杠在支承间的受力长度,L=1500(mm);
在上式中ΔL—在工作负载作用下引起每一导程的变化量,(mm)ΔL可用下式计算:
ΔL=±Fm*L0/(E*F)
Fm—工作负载,即进给率引力,Fm=1815.4N;
L0—滚珠丝杠的导程,L0=6mm;
E—材料弹性模数,对钢E=20.6*104N/mm2;
F—滚珠丝杠截面积,按内径确定为:
F=1016.97mm2;
设计项目
设计过程及说明
主要结果
七、纵向丝杠刚度验算。
ΔL=±Fm*L0/(E*F)
=1815.4*6/(20.6*104*1016.97)
=0.000052mm
1=ΔL/L0*L
=0.000052/6*1500
=0.013mm
由于两端均采用了向心推力球轴承,且丝杠双进行了预拉伸,故其拉压刚度可以提高四倍,其实际变形量为:
`1=1/4=0.013/4=0.00325mm
滚珠与螺纹滚道间接触变形2
经查图4-7,W系列1列2.5圈滚珠各螺纹滚道接触变形量Q:
Q=4.5μm
因为进行了预紧故:
2=Q/2=4.5/2=2.25μm=0.00225mm
支承滚珠丝杠的轴向接触变形3
采用8107型推力球轴承,d1=35mm,滚动体直径dQ=6.35mm,滚动体数量Z=18;
注意:
式中Fm单位为Kgf;
拉伸或压缩变形量为:
1=0.00325mm
滚珠与螺纹滚道间接触变形量为:
2=0.00225mm
设计项目
设计过程及说明
主要结果
七、纵向丝杠刚度验算。
C=0.0024*(Fm2/dQ/Z2)1/3
=0.0024*(181.542/6.35/182)1/3
≈0.0061mm
因为施加了预紧力,故:
3=C/2
=0.0061/2
=0.00305mm
根据以上计算总的变形量:
=1+2+3
=0.00325+0.00225+0.00305
=0.00855mm<定位精度±0.015mm
支承滚珠丝杠的轴向接触变形3:
3=0.00305mm
结论:
总的变形量<定位精度,故满足机床使用要求。
八、纵向丝杠稳定性校核。
滚动丝杠两端采用了推力轴承,不会产生失稳现象不需要稳定性校核。
结
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- 关 键 词:
- CA6140 数控 改造 机械设计 说明书