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电火花机械体设计说明书电火花机械体设计说明书 -- 10 元

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创建时间200804无锡职业技术学院毕业设计设计题目电火花机械体设计(主轴滚珠丝杠)系别机械学院数控系专业数控技术班级数控50661姓名王海晨学号5010066122指导教师孙腊元完成时间08年04月电火花机床主传动部分(滚珠丝杠副)Page1of57目录绪论..02第一章机床的形状分析及型号......0305第一节.机床的形状分析.............03第二节机床的型号...........04第二章电火花机床主运动传动部件..06第一节滚珠丝杠副分析..07第二节滚珠丝杠副的代号及编号规则..14第三章滚珠丝杠副传动系统的计算......16第一节滚珠丝杠副螺母副的特点..................................................................16第二节滚珠丝杠的标准和精度选择..20第三节滚珠丝杠螺母副的设计计算..20第四节滚珠丝杠的支承..21第五节滚珠丝杠螺母副的选择步骤..23第四章滚珠丝杠参数的分析与计算..23第一节滚珠丝杠的选用方式..23第二节滚珠丝杠支承方式的选用..25第三节本设计中丝杠参数的校验......26第五章翻译部分(translationoftheWEDM).2655总结及鸣谢..56参考文献..56无锡职业技术学院第2页共57页绪论电火花加工技术(EDM)是一种把电能用来转换成热能来加工的一种新技术,它是靠热能来融化工件从而使工件得到有效的尺寸从而与传统的机械加工技术有了本质的区别,在加工精度上有着无法比拟的差距。本书主要介绍电火花机床主轴头里零件的设计等,但主轴头里滚珠丝杠将是本书的要点,从滚珠丝杠的设计到最后的校合书上都一一讲明,至于其他电方面的系统与零件本书只是略有提及。滚珠丝杠在电火花中的主要作用是把伺服电机的旋转转化为电极的直线运动,所以对滚珠丝杠的尺寸和形状公差要求比较高,本书基本上涉及到丝杠的各个技术要求,从形状的分析到零件材料的选择和热处理等等,希望本书的出现能给读者带来实质上的帮助。由于编者水平有限,书中难免有不足之处,恳请读者批评指正。编者于二零零八年三月电火花机床主传动部分(滚珠丝杠副)Page3of57第一章机床的形状分析及型号第一节.机床的形状分析如图11所示为最常见的电火花穿孔机,它包括主机、电源箱、工作液循环系统、如果采用液压伺副服系统,则应该还包括液压系统,共四大部分组成.但兼于本设计趋向于机械传动所以本书只在于表达滚珠丝杠传动部分.主机用于支撑工具电极和工件间相对的位置,并实现电极在加工过程中稳定的进给运动.主机主要由床身、立柱、主轴头、工作台及润滑系统组成.电源箱包括脉冲电源,自动控制系统和其他电气控制系统组成电火花机床是靠带电电极与工件间通过一定的间隙0.01~无锡职业技术学院第4页共57页0.5mm放电使高压电流击穿绝缘介质使介质电离导电产生瞬间的高温把金属材料逐步去除,所以放电的间隙对工件加工的精度有着绝对的影响,而这方面主要取决于主轴头里滚珠丝杠的精度.第二节机床的型号本节主要介绍电火花机床的型号及选用方法我国早期生产的电火花机床主要采用RC﹑RLC﹑和电子管等窄脉冲电源分别命名为D61系列,但80年代以后开始大批使用晶体管脉冲电源电火花机床既可以用来做穿孔加工也可以用来做成型加工故1985年起国家机械部把电火花机床定名为D71系列,具体型号表示方法如下D电火花加工机床71穿孔成型加工机床32工作台宽度表(1.1)电火花穿孔加工机床主参数标准工作台台面宽度B/mm2002503204005006308001000长度L320400500630800100012501600行程纵向X160250400630横向Y200320500800最大承载质量/KG50100200400800150030006000T型槽槽数/mm357槽宽10121418槽间距离6380100125电火花机床主传动部分(滚珠丝杠副)Page5of57主轴连接板至工作台最大距离H3004005006507008009001000主轴头伺服行程Z80100125150180200250300滑座行程W150200250300350400450500工具电极最大质量/kgⅠ型2050100250Ⅱ型25100200500连接尺寸工作液槽内壁长度d/mm4005006308001000125016002000宽度c300400500630800100012501600高度h2002503204005005008001000现在国内外主要电火花穿孔成型机床的型号往往会加上本厂的厂名及其他代号,每个厂的型号都不是统一的,在细节上因厂而异但是主体上是相差不远的,只是在主标准的前后添上各自的厂标。无锡职业技术学院第6页共57页第二章电火花机床主运动传动部件滚珠丝杠在电火花机床中是把伺服电机转化成电极轴的直线运动所以一个电火花机床的性能指标很大程度上依赖与主轴伺服电机相连接的滚珠丝杠的精度。(见CAD图21)39滚珠螺旋的特点及应用场合图(22)如下特点应用场合(1)摩擦阻力小,传递效率高(η90)(2)结构复杂制造困难(3)具有运动可逆性,可回转运动转为直线运动也可直线运动转为回转运动。(4)运动平稳启动后无颤动。低速时无爬行。(5)螺母与螺杆经顶紧可达到很高的定位精度(1um2um)和重复定位精度(1um2um)并可提高轴向刚度。(6)工作寿命长,不易发生故障。(7)抗冲击性能差。数控机床,精密机床,测试机械,仪器的传动螺旋和调整螺旋,飞行器,船舶自动控制系统和传力螺旋。滚珠丝杠副不仅具有上述优点以外还因为它象滚动轴承一样可作为配套元件模块化生产因此其型号也比较繁多。电火花机床主传动部分(滚珠丝杠副)Page7of57第一节滚珠丝杠副分析早在19世纪末就发明了滚珠丝杠副,但很长一段时间未能实际应用,因制造难度太大。世界上第一个使用滚珠丝杠副的是美国通用汽车公司萨吉诺分厂,它将滚珠丝杠副用于汽车的转向机构上。1940年,美国开始成批生产用于汽车转向机构的滚珠丝杠副,1943年,滚珠丝杠副开始用于飞机上。精密螺纹磨床的出现使滚珠丝杠副在精度和性能上产生了较大的飞跃,随着数控机床和各种自动化设备的发展,促进了滚珠丝杠副的研究和生产。从50年代开始,在工业发达的国家中,滚珠丝杠副生产厂家如雨后春笋般迅速出现,例如美国的WARNERBEAVER公司、GM-SAGINAW公司英国的ROTAX公司日本的NSK公司、TSUBAKI公司等。我国早在50年代末期开始研制用于程控机床、数控机床的滚珠丝杠副。40多年来,由于滚珠丝杠副具有高效率、高精度、高刚度等特点,被广泛应用于机械、航天、航空、核工业等领域。现在,滚珠丝杠副已成为机械传动与定位的首选部件。滚珠丝杠副的发展主要在以下几方面。1滚珠丝杠副的种类由于滚珠丝杠副的使用不断普及,使用领域不断扩大,对滚珠丝杠副的要求也越来越多,普通规格的滚珠丝杠副已无锡职业技术学院第8页共57页远远满足不了使用要求,如航天航空领域、小型精密测试装置、电子仪器以及半导体装置等基本上都需要公称直径d0≤12mm,导程Ph0.5~2.5mm的微型滚珠丝杠副。日本NSK公司已开发出公称直径d04mm,导程Ph0.5mm的世界最小导程微型滚珠丝杠副。半导体插件装置、小型机器人等需要微型大导程滚珠丝杠副,以满足高速驱动要求。本设计中滚珠丝杠的公称直径定为35mm。随着机械产品向高速、高效、自动化方向发展,工业机器人、数控锻压机械、加工中心以及机电一体化自动机械等,其进给驱动速度不断提高,大导程滚珠丝杠副的出现,满足了高速化的要求。日本NSK公司已开发出公称直径导程为15mm40mm、16mm50mm、20mm60mm、25mm80mm超大导程滚珠丝杠副,快速进给速度达180m/min。现国内外文献上对滚珠丝杠副还没有统一的分类,但各国一般是按以下原则进行分类的,普通滚珠丝杠副一般指公称直径d016~100mm,导程Ph4~20mm,螺旋升角φ<9°。微型滚珠丝杠副指公称直径d0≤12mm的滚珠丝杠副。对于导程Ph≤3mm的滚珠丝杠副称为微型小导程滚珠丝杠副,螺旋升角φ>9°的滚珠丝杠副称为微型大导程滚珠丝杠副。大导程滚珠丝杠副指公称直径d0≥16mm,螺旋升角17°≥φ>9°或导程d0≤Ph≤d0的滚珠丝杠副,对于螺旋升电火花机床主传动部分(滚珠丝杠副)Page9of57角φ>17°称为超大导程滚珠丝杠副。重型滚珠丝杠副指公称直径d0≥125mm的滚珠丝杠副。2滚珠丝杠副结构滚珠丝杠副的结构传统分为内循环结构以圆形反向器和椭圆形反向器为代表和外循环结构以插管为代表两种。这两种结构也是最常用的结构。这两种结构性能没有本质区别,只是内循环结构安装连接尺寸小外循环结构安装连接尺寸大。图23滚珠丝杠副组成框架目前,滚珠丝杠副的结构已有10多种,但比较常用的主要有图2,附表内循环结构外循环结构端盖结构盖板结构。滚动螺旋副滚珠滚动螺母滚动螺旋螺旋其他间隙滚珠负荷滚珠螺母滚珠循环装置密封元件润滑元件外壳预紧元件无锡职业技术学院第10页共57页图24滚珠丝杠副主要结构内循环结构反向器的形状有多种多样,但是,常用的外形就是圆形和椭圆形。由于圆形滚珠反向通道较短,因此,在流畅性上不如椭圆形结构。现在,最好的反向器结构为椭圆形内通道结构,由于滚珠反向不通过丝杠齿顶,类似外循环结构,因此,消除了丝杠齿顶倒角误差给滚珠反向带来的影响。但由于制造工艺较复杂,影响了这种结构的推广。种类特点循环圈数螺母尺寸圈数列数内循环结构通过反向器组成滚珠循环回路,每一个反向器组成1圈滚珠链。因此承载小。适应于微型滚珠丝杠副与普通滚珠丝杠副。12列以上小外循环结构通过插管组成滚珠循环回路,每一个插管至少1.5圈滚珠链,因此,承载大。适应于小导程、一般导程、大导程与重型滚珠丝杠副。1.5以上1列以上大端盖结构通过螺母两端的端盖组成滚珠循环回路,每个回路至少1圈滚珠链,承载大。适应于多头大导程、超大导程滚珠丝杠副。1以上2列以上小盖板结构通过盖板组成滚珠循环回路,每个螺母一个盖板,每个盖板组成至少1.5圈滚珠链。适应于微型滚珠丝杠副。1.5以上1中电火花机床主传动部分(滚珠丝杠副)Page11of573滚珠丝杠副精度过去,为了获得高的定位精度,主要通过提高滚珠丝杠副本身的精度来实现,因此,对滚珠丝杠的导程累积误差要求很高,给滚珠丝杠副的制造带来困难,使滚珠丝杠副的生产成本加大。特别是高精度滚珠丝杠副,只有通过数控螺纹磨床或激光反馈螺纹磨床加工才能达到。随着科学技术的不断发展,人们掌握了数控补偿技术,因而,不需要很高精度的滚珠丝杠副,也能获得高的定位精度。为了适应数控补偿技术的要求,国际标准ISO340831992以及部颁标准JB3162.292都对滚珠丝杠副的行程变动量作了要求,如有效行程内行程变动量、任意300mm行程内行程变动量、2π弧度内行程变动量。其目的就是要控制滚珠丝杠副行程误差的直线性,也即滚珠丝杠副行程误差线性化。为数控误差补偿创造条件。4滚珠丝杠副性能随着科学技术的不断发展,人们对滚珠丝杠副的要求也越来越高,为了使机械产品能实现高的定位精度且能平稳运行,这就要求滚珠丝杠副不但有高的精度,而且运转平稳,无阻滞现象。滚珠丝杠副运转是否平稳,主要取决于滚珠丝杠副预紧转矩的变动量,不同转速下滚珠丝杠副的滚珠链运动的流畅性不同,因此,滚珠丝杠副的预紧转矩也不相同。国际标准ISO3408-3-1992以及部颁标准JB3162.2-92规定了在转速为100r/min时,滚珠丝无锡职业技术学院第12页共57页杠副预紧转矩的允差。由于存在加工误差,如滚珠丝杠中径尺寸全长不一致,丝杠、螺母的导程误差,丝杠与螺母的滚道齿形误差以及螺纹滚道的粗糙度等,使滚珠丝杠副的动态预紧转矩在丝杠螺纹全长上是不恒定的,这直接影响驱动系统的平稳性,因而也影响滚珠丝杠副的定位精度。因此,滚珠丝杠副预紧转矩变动量的大小是反映滚珠丝杠副性能好坏的重要指标。近几年来,人们对滚珠丝杠副的预紧转矩变动量的大小开始重视起来,以前人们只重视滚珠丝杠副综合行程误差曲线,现在也开始重视滚珠丝杠副预紧转矩的曲线。因为有了这两条曲线,滚珠丝杠副的性能就能很好地反映出来。为了满足上述要求,北京机床研究所先后研制了滚珠丝杠副综合行程误差测量仪和预紧转矩测量仪。应用现代化的测量手段和高精度的传感器,在测量过程中能实时显示行程误差曲线和预紧转矩曲线,并打印出完整的测量报告,为衡量滚珠丝杠副的总成质量,提供了可靠的检测手段。随着数控机床的发展,高速、高效成为各厂家追求的目标,对于高速驱动与定位部件,国外已有直线电动机问世,开始用于加工中心,快速进给速度达到160m/min以上,加速度达4g以上,向滚珠丝杠副提出严峻的挑战。但由于直线电动机存在价格昂贵、控制系统复杂、需采取措施解决磁铁吸引金属切屑、强磁对人身危害以及发热等缺点,在近一段时间很难得到普及。滚珠丝杠副电火花机床主传动部分(滚珠丝杠副)Page13of57仍是现在高速驱动的最优先选择,国外大部分高速加工中心仍使用滚珠丝杠副。为了达到高速驱动目的,设计时在提高电动机转速电动机最高转速可达4000r/min的同时,使用大导程滚珠丝杠副,导程可达32mm。如日本马扎克公司在FF660机床上使用滚珠丝杠副,机床快速移动速度达90m/min,加速度达1.5g。从前,担心大导程滚珠丝杠副驱动对加工中心精度的影响,设计时取导程Ph≤10mm。随着科学技术的进步,从1999年日本国际机床展览会上可看出,设计与研究现在大部分高速加工中心都使用大导程滚珠丝杠副。滚珠丝杠副在高速驱动时主要存在的问题是噪声、温升、精度。滚珠丝杠副噪声产生的原因主要有滚珠在循环回路中的流畅性、滚珠之间的碰撞、滚道的粗糙度、丝杠的弯曲等。滚珠丝杠副的温升主要是由滚珠与丝杠、螺母、反向器之间的摩擦及滚珠之间的摩擦产生的。要解决上述问题首先应从滚珠丝杠副的结构设计开始,对存在的问题采取措施另一方面,从工艺上解决,通过合理的工艺流程,提高产品的内在质量选取适当的滚珠丝杠副预紧转矩减小滚珠丝杠副的预紧转矩的变动量,使滚珠丝杠副适应高速驱动的要求。总之,随着社会的不断发展,用户对滚珠丝杠副的要求越来越严,要求也多样化,促使滚珠丝杠生产厂不断提高产品质量、开发新品种,以满足用户的需求。无锡职业技术学院第14页共57页第二节滚珠丝杠副的代号及编号规则根据ZBJ5100489滚珠丝杠副参数和国际标准化组织(ISO)的有关文件标准,对滚珠丝杠副的参数代号、特征代号及滚珠螺纹旋向代号做了如下规定一.代号1.参数代号表23参数代号参数名称代号参数名称代号公称直径d螺母螺纹内径D1导程p螺母螺纹底径D2基本导程Ph滚道圆弧偏心距e丝杠螺纹外径d1丝杠滚道圆弧半径Rs丝杠螺纹底径d2螺母滚道圆弧半径Rn螺纹全长l滚珠直径Dw接触角a2.特征代号特征代号包括循环方式代号、预紧代号、负荷滚珠总圈数代号、精度等级代号及螺纹旋向代号等,具体见下图电火花机床主传动部分(滚珠丝杠副)Page15of57表格1循环方式代号表格2预紧方式代号循环方式代号F预紧方式代号内循环浮动返向器单螺母变位导程预紧B单螺母增大钢球直径预紧Z固定反向器GCM双螺母垫片预紧D外循环插管式埋入双螺母齿差预紧C凸出CT双螺母调整预紧L螺旋槽式L单螺母无预紧W表格3负荷滚珠圈数代号表格4精度等级代号表格5螺纹旋向代号负荷滚珠总圈数代号精度等级代号螺纹旋向代号1.5圈1.51级精度1右旋不标2圈22级精度2左旋LH2.5圈2.53级精度33圈34级精度43.5圈3.55级精度54圈47级精度74.5圈4.510级精度105圈5(3)滚珠螺纹的代号起代号用GQ表示,标注在公称直径前如GQ5083二,滚珠丝杠副的型号滚珠丝杠副的型号按以下格式编写无锡职业技术学院第16页共57页标记示例CMD503.53表示为插管埋入式外循环(CM)双螺母垫片预紧片预紧(D)的滚珠丝杠副负荷滚珠总圈数为3.5圈,精度等级为3级,螺旋方向为右旋。为了表示滚珠丝杠副的全长和螺纹长度,一般在滚珠丝杠副型号下用丝杠全长螺纹长度表示CMD503.53/22001800表示丝杠的长度为2200,螺纹长度为1800。第三章滚珠丝杠副传动系统的计算第一节滚珠丝杠螺母副的特点滚珠丝杠螺母副是一种低摩擦、高精度、高效率的机构。滚珠丝杠螺母副其它特点如下电火花机床主传动部分(滚珠丝杠副)Page17of571.运动极灵敏,低速时不会出现爬行2.可以完全消除间隙并可预紧,故有较高的轴向刚度,反向定位精度高3.滚珠丝杠螺母副摩擦系数小,无自锁,能实现可逆传动4.滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式一般分外循环和内循环两种,如图7.3所示。图7.3滚珠丝杠螺母副预紧是指它在过盈的条件下工作,把弹性变形量控制在最小限度。滚珠丝杠多采用双螺母调隙结构。用双螺母加预紧力消除轴向间隙时,必须注意预紧力不宜过大或过小,要特别减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙。双螺母调隙结构分为螺纹式、垫片式和齿差式等,如图7.4所示。无锡职业技术学院第18页共57页a.螺纹式b.垫片式c.齿差式图7.4双螺母调隙结构滚珠丝杠的主要技术参数如图7.5所示。1名义直径D0滚珠丝杠的名义直径D0是滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时,包络滚珠球心的圆柱直径。它是滚珠丝杠螺母副的特征尺寸。名义直径与承载能力有直接关系,D0越大,承载能力和刚度越大。2基本导程Ph电火花机床主传动部分(滚珠丝杠副)Page19of57导程是丝杠相对于螺母旋转一圈时,螺母上基准点的轴向位移。导程的大小是根据机床的加工精度要求确定的。导程过小势必使滚珠直径变小,滚珠丝杠螺母副的承载能力亦随之减小。3滚珠直径d0一般取d00.6Ph4滚珠的工作圈数j和工作滚珠总数N工作圈数j一般取2.53.5圈,而工作滚珠总数N以不大于150个为宜。5列数K要求工作圈数较多的场合,可采用双列或多列式螺母的结构形式。无锡职业技术学院第20页共57页图7.5滚珠丝杠的主要技术参数第二节滚珠丝杠副的标注和精度选择滚珠丝杠螺母副按其使用范围及要求分为7个精度等级。1级精度最高,其余依次逐级递减。数控机床和精密机械可选用2、3级精度。本机床上则选用的是3级精度。第三节滚珠丝杠螺母副的设计计算1额定动载荷和额定静载荷额定动载荷是指一批相同参数的滚珠丝杠螺母副,在n10r/min的相同工作条件下运转1000000转后,90的螺旋副指螺纹滚道和滚动体不发生疲劳点蚀损伤所能承受的最大轴向载荷,定义为额定动载荷Ca。
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