数控铣床纵向进给轴设计.doc

数控铣床纵向进给轴设计数控铣床纵向进给轴设计TheThe DesignDesign ofof thethe LongitudinalLongitudinal AxisAxis CNCCNC MillingMilling MachineMachine 班班 级级: : 组组 员员: : 指导老师：指导老师： 2011 年 7 月2目录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…………………………………………………3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0.610主电动机满功率条件下切削一般切削0.830粗加工精加工切削150精加工快速进给1510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×1200mm2）工作台导轨采用滚动直线导轨4（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/s60 1000Dn 3.14 100 300 60 1000 若机械效率 ηm=0.8，则可以计算主切削力 FZ：FZ=103=103N=2547.77NmEP v0.8 5 1.57（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=0.4 2547.77N=1019.11NFc=0.95FZ=0. .77N=2420.38NFv=0.55FZ=0. .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）5=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F0Fμ0=μ（W+fg）=0.01 (8200+75)N=82.75NF0=Fμ0=82.75N3.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 FamaxFamax=Fl +Fμ=(1019.11+120.97)N=1140.08N（2）计算最小轴向负载力 FaminFamin= Fμ0=82.75N4.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=10mmmaxmaxv in15000 1 1500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1140.08v1=0.610F1=Famax 一般切削 （粗加工）310.77v2=0.830F2=Famin+20%Famax精细切削 （精加工）139.75v3=150F3=Famin+5%Famax6快移和钻 镗定位82.75v4= 1510F4=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/min10v L30.6 10 10n2==r/min=80/ r/min 20v L30.8 10 10n3==r/min=100r/min30v L31 10 10n4==r/min=1500r/min40v L315 10 10（3）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速 nm12 1...100100100 10305010(60801001500) / min100100100100 230 / minn mmqnnnrr（4）计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷 Fm3333331112 12233333333···+F 10010010060108030100501500101140.08310.77139.7582.75 230 100230 100230 1002301001140.080.026 310,770.104 139.750.217 82.750.652349.28mnn nmmnqnqn qFFF nnnNNN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=0.447Cam==N360 100mW mh acF fn Lf f3349.28 1.460 230 20000100 1 0.44 =7235.78N2）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=4.5 1140.08N=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=7235.78N4）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）μmmax1=（1/5~1/4） 25μm=（5~6.25）μmmax2取上述计算结果的较小值，即=5μmmax（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=（1.4 550+30 10）mm=1070mm8又 F0=Fμ0=82.75N,d2m≥mm=5.19mm0max82.75 10700.0390.0395F L 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=10mmCa=30000N>Cam=7235.78Nd2=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=380.03N1 31 3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t已知温度变化值 Δt=2,丝杠的线膨胀系数 a=C0,滚珠丝杠螺母副的有效行程。

Cm0/10116Lu=工作行程+安全行程+2 余程+螺母长度=550+50+2 20+146=786mm故=11Lu=tt610mm02. 0107862116（2）计算滚珠丝杠的预紧拉伸力压9已知滚珠丝杠螺母底径 滚珠丝杠的温升变化值mmd3 .342则.20Ct NtdFt89.42583 .34281. 181. 122 2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 FBmaxFBmax=NFFat93.482808.11402189.42521max（2）计算轴承的预紧力 FBpFBp=1 3NNFB64.160993.482831max（3）计算轴承的当量轴向载荷 FBamFBam=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=1958.92 0.5N=979.46NFa=FBamsin60º=1958.92 0.87N=1704.26N因为==1.73<2.17,查得径向系数 X、轴向系数 Y 分别arF F1704.26 979.46为 X=1.9，Y=0.54。

故P=XFr+YFa=（1.9 979.46+0. .26）N=2781.27N10C==N360 100mhPn L32781.2760 230 20000100=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TNI/P4DFB，尺寸（内径 外径 宽度）为 30mm 72mm 19mm，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rC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11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=2.1 105MPa，已知材料密度 ρ=1 g7.8 105。