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学号:密级: 本科生毕业论文(设计)基于空心强冷技术的滚珠丝杠机构设计院(系)名 称:机电工程学院 专 业 名 称:机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名: 指 导 教 师: 二一六年五月六日郑重声明本人呈交的学位论文,是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名:日 期:摘 要水平直线运动机构作为常见运动机构的一种,在生产生活中发挥了极其重要的作用。如加工机床主运动和进给运动等很多都用到了直线运动机构。本文简单地比较了几种常见直线运动机构的特点,选择了将滚珠丝杠机构作为设计对象。滚珠丝杠机构是为了适应机电一体化机械传动系统的要求而发展起来的一种新型传动机构,由丝杠、螺母、滚珠、导轨和轴承等零部件组成,具有传动效率高、启动力矩小、传动灵敏平稳、工作寿命长等优点。现代机床的发展,需要高的传动精度、定位精度,以及宽的进给调速范围,要求响应速度快,传动无间隙,传动机构稳定性好,寿命长,使用维护方便,滚珠丝杠机构正好适应了这种发展需要。本文对国内外滚珠丝杠副的发展现状进行了对比,找出国内外主要差距。通过对差距原因的分析之后,选择通过采用空心强冷技术降低滚珠丝杠副工作温升的方法提高其定位精度和中高速传动性能。本文以某小型数控铣床的X轴的工作条件为例,对滚珠丝杠机构各部分结构进行了详细地和介绍,选出了适合的结构,设计计算并校核了各部分的尺寸。关键词:水平直线运动机构;滚珠丝杠副;导轨;空心强冷技术 IABSTRACTStraight and level motion mechanism as a kind of common motion mechanism, play an important role in production and living. Such as machine tools main motion and feed movement many use the straight line motion mechanism. This article simply comparing the several kinds of common linear motion mechanism, the characteristics of the ball screw mechanism as the design object. Ball screw mechanism is in order to adapt to the requirement of mechanical and electrical integration of mechanical drive system and developed a new type of transmission mechanism, by screw, nut, ball, guides and bearing parts, such as high transmission efficiency, small starting torque, stable transmission sensitive, long working life. The development of modern machine tools, need high transmission accuracy, positioning accuracy, and wide feed speed range, demand response speed, transmission clearance, transmission mechanism has good stability, long service life, convenient in operation and maintenance, ball screw mechanism is used to the development needs.In this paper, the current development of ball screw pair at home and abroad are compared, find out the main gap at home and abroad. Through the analysis of the gap between the reason, after selection by using hollow strong cold technology reduces the working temperature of the ball screw pair method to improve the positioning accuracy and high speed transmission performance. Based on the working conditions, for example, a kind of miniature CNC milling machine of ball screw mechanism structure was introduced in detail, and the parts, choose the suitable structure, design calculation and check the size of each part.Key words: Horizontal straight line motion mechanism;Ball screw vice;Guide;Compulsively cool technology目 录摘 要 .IABSTRACT .II第 1 章 引言 .11.1 常见的水平直线运动机构 .11.2 滚珠丝杠副的国内外发展现状 .21.3 技术方案 .31.4 小结 .3第 2 章 滚珠丝杠机构的结构设计 .52.1 滚珠丝杠机构的基本概况 .52.2 丝杠滚道的型面形状 .52.3 滚珠的循环方式 .62.4 螺母的预紧方法 .82.5 丝杠支承方式和轴承类型选择 .92.6 导轨的结构设计 .102.7 动力和传动机构的类型 .122.8 螺母的密封与滚珠丝杠副的润滑 .122.9 小结 .13第 3 章 滚珠丝杠副机构的参数设计 .143.1 滚珠丝杠副的参数计算与选用 .143.2 轴承的选用 .163.3 总定位精度校核 .173.4 导轨的参数设计 .183.5 联轴器的选用 .193.6 电机的选用 .203.7 小结 .22第 4 章 滚珠丝杠机构的三维模型 .244.1 丝杠的模型 .244.2 螺母的模型 .254.3 轴承及支承结构模型 .264.4 导轨及移动件模型 .274.5 总装模型 .274.6 小结 .28第 5 章 总结 .29致 谢 .30参考文献 .310第1章 引言1.1 常见的水平直线运动机构齿轮齿条机构、曲柄滑块机构、凸轮机构、滚珠丝杠机构都是常用的直线运动机构。(1)齿轮齿条机构优点:承载力大;传动精度较高;可无限长度对接延续;传动速度可以很高。缺点:若加工安装精度差,传动噪音大。(2)曲柄滑块机构优点:面接触低副,压强小;便于润滑,磨损轻,寿命长,传递动力大;低副易于加工,成本低;可用作实现远距离的控制,可利用连杆实现较复杂的运动规律和运动轨迹。缺点:低副中存在间隙,精度低,且不容易实现精确复杂的运动规律。(3)凸轮机构优点:可以用在对从动件运动规律要求严格的场合,也可以根据实际需要任意拟定从动件的运动规律;可以高速启动,动作准确可靠。缺点:凸轮机构是高副机构,两构件接触点处为点接触或线接触,单位面积上承 载压力较高;难以保持良好的润滑,故容易磨损,寿命低。(4)滚珠丝杠机构优点:传动效率高;1定位精度高;启动力矩小;传动灵敏平稳;工作寿命长;可实现微量及高速进给。缺点:不能自锁;加工难度大,成本较高。滚珠丝杠副是顺应机电一体化技术而发展起来的一种新型传动机构,由丝杠、螺母、滚珠、导轨和轴承等组成,可以将回转运动转化为直线移动。现代机床需要高的定位和传动精度,以及宽泛的调速范围,对响应速度、传动机构稳定性好、寿命也有较高的要求,滚珠丝杠机构应运而生。滚珠丝杠机构不仅是各类数控设备的核心部件,还是机械工业领域中资本密集型和技术密集型的重要通用零部件。在线性传动家族中滚珠丝杠副是应用面很广,产业化程度较高的产品。而在机电一体化进程不断加快、高精密机床的使用日益广泛的今天,研究滚珠丝杠副被赋予了新的时代意义。对滚珠丝杠副的研究满足机电一体化的发展需要,顺应机械工业的发展趋势,具有广阔的技术前景。故本次设计对象选为滚珠丝杠机构。1.2 滚珠丝杠副的国内外发展现状自1874年通用公司申请滚珠丝杠机构专利至今已有一百多年的历史,在我国也有五十余年的发展历程。目前我国滚珠丝杠副与国外有较大差距,主要体现在如下方面:1.在滚珠材料上,我国采用滚动轴承钢。在材料热处理方面也与国外有较大的差距。2.滚珠的尺寸偏差随机性大。3.在高速性能方面,我国仅为50m/min。4.在振动、噪声方面,我国滚珠丝杠副与日本产品相比,一般要相差10dB以上。5.在生产能力上,全国的年总产值仅与美国TIMKEN公司相当,不足日本的20%。2国外现状:1.在滚珠材料上,发达国家采用专用钢材。2.在滚珠尺寸公差与旋转精度上,尺寸偏差的离散度方面小。3.在高速性能方面,国外名牌产品的dn值达200 m/min。4.在振动、噪声与异音方面,日本已推出静音及超静音产品。5.生产能力上,由日本的THK、NSK和德国的INA、台湾的PMI领军,约占国内市场的80%。 我国高档数控机床对滚珠丝杠机构的年需求量约为15亿元,但八成以上需要从国外进口,国产主要用于中、低档数控机床。因此,开展国产高性能滚珠丝杠的研究是非常迫切的任务。1.3 技术方案目前国内滚珠丝杠副在高速驱动时主要存在的问题是:噪声大、温升高、定位精度差。导致上述问题出现的根本原因归结为:1.国产滚珠的材料主要为 Cr、Mn 合金钢,力学性能较国外 Mo、Mn 合金钢略差,且热处理方法也有差距。2.因为工艺精度的原因,国产滚珠的尺寸随机性误差较分散,各滚珠尺寸差异略大。因这两个缺陷的制约,国产滚珠丝杠副在工作时平稳性较差,摩擦损失较大,发热严重。温度大幅度升高导致丝杠的线性膨胀严重,严重影响了定位精度;且破坏了润滑条件,使滚珠丝杠副的工作条件恶化,产生噪声,甚至出现胶合失效。正是这些原因限制了国产滚珠丝杠副的使用。要改善滚珠丝杠副,工艺精度和材料性能这两方面需要较长的时间去提高,且其不属于本课题的研究范围。所以本文打算从限制滚珠丝杠副的温升入手,并辅以螺母预紧,以提高滚珠丝杠副的工作性能。即:(1)空心强冷技术:将丝杠改为空心结构,工作时从轴端通入冷却的空气或在轴端加装风扇大幅改善滚珠丝杠副的散热,限制温升。(2)选择合适的轴承、螺母预紧力和预紧方法,限制丝杠和螺母的轴3向窜动,提高定位精度。1.4 小结本章简要对比了各种常见的直线运动机构的优缺点,阐明了研究直线运动机构的重要意义,选择了以滚珠丝杠机构作为设计对象。接着介绍了滚珠丝杠副的国内外发展现状,找出了国内外的差距,通过分析确定了空心强冷技术作为主要的改善方案。下章将以某小型数控铣床X轴的工作条件为例进行滚珠丝杠机构的结构设计,通过查阅相关资料,现将工作要求列于下表。已知某铣床的x轴用滚珠丝杠机构工作要求如表1.1所示: 表1.1 滚珠丝杠机构工作要求工作台重量 30kg=m1工件及夹具最大重量 2工作台最大行程 80l工作台导轨的摩擦系数 .6=快速进给速度 5m/invax加速时间 s.0t定位精度 /32使用寿命 单班制 10年工作可靠性 96%4第2章 滚珠丝杠机构的结构设计2.1 滚珠丝杠机构的基本概况滚珠丝杆机构是以滚珠丝杠副为传动部件,以导轨作为导向和承载部件的直线运动机构。滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。主要由丝杆、螺母、滚珠、导轨、轴承等组成。滚珠丝杠副有多种结构型式。按型面形状分,常见的有矩形、半圆弧形和双圆弧形等。按滚珠循环方式分为外循环和内循环两大类。滚

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