数控铣床纵向进给轴设计课程设计 推荐.docx

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数控铣床纵向进给轴设计课程设计推荐

数控铣床纵向进给轴设计

TheDesignoftheLongitudinalAxisCNCMillingMachine

班级:

组员:

指导老师：

2011年7月

目录

课程设计任务要求……………………………………3

设计计算………………………………………………4

工作台部件的装配图设计……………………………10

滚珠丝杠螺母副的承载能力校验……………………10

计算机械传动系统的刚度……………………………11

驱动电动机的选型与计算……………………………13

机械传动系统的动态分析……………………………17

机械传动系统的误差计算与分析……………………18

确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号………19

设计总结………………………………………………

组员分工………………………………………………

参考文献………………………………………………

致谢词…………………………………………………

课程设计任务要求

1.技术要求

工作台、工作和夹具的总质量m=840kg，其中，工作台的质量m0=440kg；工作台最大行程LP=550mm；工作台快速移动速度Vmax=15000mm/min；工作台采用滚动直线导轨，导轨的动摩擦系数

=0.01、静摩擦系数0.01；工作台的定位精度为25μm,重复定位精度为18μm；机床的工作寿命为20000h（即工作时间为10年）。

机床采用主轴电动机，额定功率PE=5kw，机床采用端面铣刀进行强力切削，铣刀直径D=100mm，主轴转速n=300r/min，切削状况如下表所示：

切削方式

进给速度（m/min）

时间比例（%）

备注

强力切削

0.6

10

主电动机满功率条件下切削

一般切削

0.8

30

粗加工

精加工切削

1

50

精加工

快速进给

15

10

空载条件下工作台快速进给

2.总体方案设计

为了满足以上技术要求，采用以下技术方案。

（1）工作台工作面尺寸（宽度×长度）确定为400mm×1200mm。

（2）工作台导轨采用滚动直线导轨。

（3）对滚珠丝杠螺母副进行预紧。

（4）采用伺服电动机驱动。

（5）采用锥环套筒联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠直连。

设计计算

1．主切削力及其切削分力计算

（1）计算主切削力FZ。

根据已知条件，采用端面铣刀在主轴计算转速下进行强力切削（铣刀直径D=100mm），主轴具有最大扭矩并能传递主电动机的全部功率，此时铣刀的切削速度为：

V==m/s=1.57m/s

若机械效率ηm=0.8，则可以计算主切削力FZ：

FZ=103=103N=2547.77N

（2）计算各切削分力。

工作台纵向切削力Fl、横向切削力Fc和垂直切削力Fv分别为：

Fl=0.4FZ=0.42547.77N=1019.11N

Fc=0.95FZ=0.952547.77N=2420.38N

Fv=0.55FZ=0.552547.77N=1401.27N

2.导轨摩擦力的计算

（1）在切削状态下的导轨摩擦力Fμ，此时导轨摩擦系数μ=0.01，查得导轨紧固力fg=75N，则

Fμ=μ（W+fg+Fc+Fv）

=0.01（8200+75+2420.38+1401.27）

=120.27N

（2）计算在不切削状态下的导轨摩擦力Fμ0和导轨静摩擦力F0。

Fμ0=μ（W+fg）=0.01（8200+75）N=82.75N

F0=Fμ0=82.75N

3.计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力

（1）计算最大轴向负载力Famax。

Famax=Fl+Fμ=（1019.11+120.97）N=1140.08N

（2）计算最小轴向负载力Famin。

Famin=Fμ0=82.75N

4.滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算

1）确定滚珠丝杠的导程L0

根据已知条件，取电动机的最高转速nmax=1500~4000r/min得：

L0==mm=10mm

2）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷

（1）估算在各种切削方式下滚珠丝杠的轴向载荷，见下表：

立式加工中心滚珠丝杠的计算

切削方式

轴向载荷/N

进给速度/（m/min）

时间比例（%）

备注

强力切削

1140.08

v1=0.6

10

F1=Famax

一般切削（粗加工）

310.77

v2=0.8

30

F2=Famin+20%Famax

精细切削（精加工）

139.75

v3=1

50

F3=Famin+5%Famax

快移和钻镗定位

82.75

v4=15

10

F4=Famin

（2）计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速ni。

n1==r/min=60r/min

n2==r/min=80/r/min

n3==r/min=100r/min

n4==r/min=1500r/min

（3）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速nm。

（4）计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷Fm。

3）确定滚珠丝杠预期的额定动载荷Cam

（1）由预定工作时间计算。

根据载荷性质，有轻微冲击，取载荷系数fw=1.4根据初步选择滚珠丝杠的精度等级为2级精度，取精度系数fa=1；一般情况下可靠性应达到97%，故可靠性系数fc=0.44。

Cam==N

=7235.78N

2）因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以可以估算最大轴向载荷。

按预载选取预加载荷系数fe=4.5，则

Cam=feFamax=4.51140.08N=5130.36N

（3）确定滚珠丝杠预期的额定动载荷Cam。

取以上两种结果的最大值，即Cam=7235.78N。

4）按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m

（1）估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。

已知工作台的定位精度为25μm，重复定位精度为18μm，根据公式及定位精度和重复定位精度的要求得

=（1/3~1/2）18μm=（6~9）μm

=（1/5~1/4）25μm=（5~6.25）μm

取上述计算结果的较小值，即=5μm

（2）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m。

本工作台（纵向进给轴）滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用两端固定的支承方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为

L=行程+安全行程+2余程+螺母长度+支承长度

≈（1.2~1.4）行程+（25~30）L0

取：

L=1.4行程+30L0

=（1.4550+3010）mm=1070mm

又F0=Fμ0=82.75N,

d2m≥mm=5.19mm

5）初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号

根据计算所行的L0、Cam、d2m和结构的需要，初步选择南京工艺装备公司生产的FFZD型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副，型号为：

FFZD4010-3，其公称直径d0、基本导程L0、额定动载荷Ca和丝杠底径d2如下：

d0=40mm，L0=10mm

Ca=30000N>Cam=7235.78N

d2=34.3mm>d2m=5.19mm

故满足要求。

6）确定滚珠丝杠螺母副的预紧力Fp得：

Fp=Famax=1140.08N=380.03N

7）计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值与预紧拉伸力

（1）计算目标行程补偿值

已知温度变化值Δt=2,丝杠的线膨胀系数a=,滚珠丝杠螺母副的有效行程。

Lu=工作行程+安全行程+2余程+螺母长度

=550+50+220+146

=786mm

故=11Lu=

（2）计算滚珠丝杠的预紧拉伸力压

已知滚珠丝杠螺母底径滚珠丝杠的温升变化值则

8）确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号

（1）计算轴承所承受的最大轴向载荷FBmax。

FBmax=

（2）计算轴承的预紧力FBp

FBp=

（3）计算轴承的当量轴向载荷FBam。

FBam=FBp+Fm=（1609,。

64+349.28）N=1958.92N

（4）计算轴承的基本额定动载荷C。

已知轴承的工作转速与滚珠丝杠的当量转速nm相同，取n=nm=230r/min；轴承的基本额定寿命L=20000h，轴承所承受的轴向载荷FBa=FBam=1958.92N。

轴承的径向载荷Fr和轴向载荷Fa分别为

Fr=FBamcos60º=1958.920.5N=979.46N

Fa=FBamsin60º=1958.920.87N=1704.26N

因为==1.73<2.17,查得径向系数X、轴向系数Y分别为X=1.9，Y=0.54。

故

P=XFr+YFa

=（1.9979.46+0.541704.26）N

=2781.27N

C==N

=18108.38N

（5）确定轴承的规格型号。

因为滚珠丝杠螺母副拟采用预紧拉伸措施，所以将在固定端选用60º角接触球轴承组背对背安装组成滚珠丝杠两端固定的支撑方式。

由于滚珠丝杠的螺纹底径d2为34.3mm，所以选择轴承的内径d为30mm，以满足滚珠丝杠结构的需要。

选择国产60º角接触球轴承两件一组背对背安装，型号为760306TNI/P4DFB，尺寸（内径外径宽度）为30mm72mm19mm，选用油脂润滑。

该轴承的预载荷能力FBp´为4300N，大于计算所得的轴承预紧力FBp=1609.64N在油脂润滑状态下的极限转速为1900r/min，高于本机床滚珠丝杠的最高转速nmax=1500r/min，故满足要求。

该轴承的额定动载荷为=34500N，而该轴承在20000h工作寿命下的基本额定动载荷C=18108.38N，故也满足要求。

工作台部件的装配图设计

将以上计算结果用于工作台（X轴）部件的装配图设计，其计算简图见附图。

滚珠丝杠螺母副的承载能力校验

1.滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷Fc的校验

本工作台得滚珠丝杠支撑方式采用预紧拉伸结构，丝杠始终受拉不受压。

因此不存在鸭肝不稳定问题。

2.滚珠丝杠螺母副临界转速nc的校验

由数控铣床工作台计算简图得滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度L2=810mm，其弹性模量E=2.1105MPa，已知材料密度ρ=7.8105N/mm3，重力加速度g=9.8103mm/s2，安全系数K1=0.8，查表得与支承有关的系数λ=4.73。

滚珠丝杠的最小惯性矩为：

I==34.34mm4=67909mm4

滚珠丝杠的最小载面积为：

A==34.32mm2=923.54mm2

所以得：

nc=

=0.8r/min

=11480.08r/min

本工作台滚珠丝杠螺母副的最高转速为1500r/min，远小于其临界转速，故满足要求。

3.滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验

滚珠丝杠螺母的寿命，主要指疲劳寿命，它是指一批尺寸，规格，精度相同的滚珠丝杠在相同的情况下回转时，其中90%不发生疲劳剥落的情况运转的总转速。

查表得滚珠丝杠的额定动载荷Ca=30000N，轴向载荷Fa=1140.08N，运转条件系数=1.2，滚珠丝杠的转速n=1500r/min，

则得：

L=106=106r=10.54109r

Lh==h=117111.11h

一般来讲，在设计数控机床时，应保证滚珠丝杠螺母副的总工作寿命Lh≥20000h，故满足要求。

计算机械传动系统的刚度

1.机械传动系统的刚度计算

（1）计算滚珠丝杠的拉压刚度Ks。

本机床工作台的丝杠支承方式为两端固定，由数控铣床工作台计算简图可知，滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离a=时，滚珠丝杠具有最小拉压刚度Ksmin，得

当a=LJ=260mm时，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度Ksmax，得

（2）计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度Kb。

已知轴承接触角β