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斜床身卧式数控车床的结构设计【全套11张CAD图纸和毕业答辩论文】

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斜床身卧式数控车床的结构设计【全套CAD图纸和毕业答辩论文】.rar

X向滚珠丝杠.dwg

X向滚珠丝杠套.dwg

X向电机座.dwg

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主轴.dwg

主轴电机皮带轮.dwg

主轴皮带轮.dwg

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关键词：: 床身卧式数控车床结构设计全套 cad 图纸以及毕业答辩论文

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摘要

斜床身卧式数控车床在机床产品中是比较实用机床。其结构设计带来很大的方便，保证工件质量的同时提高了加工效率。目前，斜床身卧式数控车床在我们国家普遍使用。斜床身数控机床在我们国家普遍适应，更多的是用于汽车、军工等精密加工中。

该机床型主要适用在加工高精度的零部件。比如轴类、盘类、套类，以及各种类型各种型号的内外螺纹，在加工外形和内孔过程中间不必换装。该机床适用于多类型、批量不是很大的工件的加工，对于一些加工困难、要求高的零部件上能够充分显示出它的特点。以满足不同用户的加工需要，可以根据不同的需求，加工不同品种的工件，可以配置不同的结构设计以及加工方式。

在本文中进行了对斜床身卧式数控车床的设计，其中包括机床的床身、传动系统、刀架系统、尾座等，着重对传动结构中的主传动结构和进给传动结构进行设计。主轴相连的伺服电机用皮带把运动传到主轴上，带轮及同步齿形带与主轴用键联接。而进给运动，即车床上X、Z向的运动则通过丝杠运转，丝杠都通过两端固定的方式固定，一端都通过联轴器与伺服电机相连。

关键词：滚珠丝杠；伺服电机；卧式；数控车床；斜床身

ABSTRACT

Slant bed horizontal series CNC lathe is an economic and practical processing machine tools,mature product structure,quality stable and reliable performance. it sets the versatility and the characteristics of the special lathe, using inclined bed ball linear guide. The most widely coverage of a CNC machine tool, widely used in automobile, petroleum, military industry and many kinds of mechanical processing industry.

This series of machine varieties complete specifications, are mainly used for machining high precision of rotors type parts such as shaft, plate, set of classes, all kinds of internal and external thread and high precision. it can be finished once clamping appearance and inner hole machining.In order to meet the processing needs of different users;According to the needs of users, optional different numerical control system and accessories.

In this article has carried on the design of slant bed horizontal CNC lathe, including the machine tool bed, transmission system, tool post system, tailstock. Of the transmission system of main drive system and feed drive system design.The main servo motor through a belt drive the movement to the spindle, the spindle on the pulley and the synchronous cog belt wheel and spindle by linkage.And feed movement, namely lathe on X, Z to exercise by screw, screw fixed with both ends fixed way, end are connected to the servo motor through the coupling.

Key words：ball screw；servo motor；horizontal type；Distributed Numerical Control（DNC）；Slant bed

摘要………………………………………………..…….….…………….............................I

ABSTRACT…………….……………………..……………...............................................II

1 前言……….…………………………………………….…........................……………..1

1.1 斜床身卧式数控车床的设计背景...........................………….………….………..1

1.2 斜床身数控车床设计的国内外背景..........……….........…….………….………..1

1.3 斜床身数控车床设计的目的.................................................................................1

1.4 斜床身数控车床设计的内容.................................................................................2

2 机床总体方案设计........................……..….………………………….…..….………….3

3 机床各系统的设计….…..….………................................................................................4

3.1 床身………………....................…………………………………………………..4

3.2 传动系统的设计……....……………………….………………...………………..5

3.2.1 主传动系统设计………....…………………….…………………………...5

3.2.2 进给传动系统设计…………………………….…………………………...6

3.3 主轴的要求及结构……....…………....……….………………...………………..8

3.4 刀架系统.………………................…...............................................................................9

3.5 刀架系统..............................................................................................................................9

4 机床各系统机械部分设计计算................................................................................................10

4.1 切削力计算……………………...................………………...………………….10

4.2 滚珠丝杠螺和选型…………………………...……………...………………….10

4.2.1 纵车外圆的计算…………………………….………………………....….10

4.2.2 横向进给的计算…………………………….………………………......13

4.3 轴的结构设计计算…………………......…...……………...…………………...15

4.3.1 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度….......…………....…...15

4.3.2 轴上零件的周向定位…...................................................…………....…...16

4.3.3 确定轴上圆角和倒角尺寸…...........................................…………....…...16

4.3.4 带立式座外深沟球轴承的校核…...................................…………....…...17

4.3.5 键的校核….......................................................................…………....…...20

4.3.6 轴的校核….......................................................................…………....…...21

4.3.7 校核轴的强度…...............................................................…………....…...21

4.4 伺服电机的选型和计算…………......……...……………...…………………...21

4.4.1 等效转动伺服电机的计算…...........................................…………....…...21

4.4.2 电机力矩计算…...............................................................…………....…...22

5 结论......................……….………….……………………..….……...…..….………...25

参考文献......................…………….…………………..….…..……………….………….26

致谢......................………………….……………………..…….…………...…………….27

1 前言

1.1 斜床身卧式数控车床的设计背景

现在一些精密的零件都会用机床来进行加工，在工件的制造加工中，机床给我们的工作带来很大方便。机床行业的发展方向很明确，越来越精密，越来越自动智能[1]。我们国家与一些工业发达的国家比较而言，我们国家相对于他们还相差很多很多。我们国家机床发展起步晚，发展的速度慢，以及科技含量比较低，导致了与发达国家有一定的差距。在制造加工中，零件的尺寸变得很细致，一些精密程度变得很苛刻，迫使对加工工具进行深入改革、创新。在工件加工中，尤其是对一些复杂精密的零件加工中，斜床身数控机床表现出了它的优点，并得到了大家的认可，在机床行业中普遍认同，受到了各国加工行业的普遍认可，在此基础上它发展的很快，很好。

1.2 斜床身卧式数控车床的国内外状况

我们国家机床发展起步晚，发展的速度慢，以及科技含量比较低，导致了与发达国家有一定的差距。这种机床在我们国家比较低端，发展的不够成熟，不够完善。所以,我们国家应极力着眼于这类机床的发展，从而带动其他类型机床的发展。从我们国家目前机床行业发展来看，机床的造价太高，研究比较表面，没有高科技的含量，没有我们自己的东西。机床在出现一些小毛病的时候，整个机床都会停止工作，影响到工件的加工效率。这种情况使得我国数控车床在国际市场,和多样化的今天是很难占据了重要的地位,因此拉大与发达国家的科研设计制造的差距。我们要正确面对我们国家目前所处的困境与问题，从主要问题出发，攻坚克难，逢山开路，遇河架桥，发挥不怕困难的精神，打造我们自主产品的优点与特点[2]。将我们打国产机床在世界机床行业中打造成优等产品，占据一席之地，敢于先进发达国家的机床产品相媲美，相抗衡。

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内容简介：: I摘要斜床身卧式数控车床在机床产品中是比较实用机床。其结构设计带来很大的方便，保证工件质量的同时提高了加工效率。目前，斜床身卧式数控车床在我们国家普遍使用。斜床身数控机床在我们国家普遍适应，更多的是用于汽车、军工等精密加工中。该机床型主要适用在加工高精度的零部件。比如轴类、盘类、套类，以及各种类型各种型号的内外螺纹，在加工外形和内孔过程中间不必换装。该机床适用于多类型、批量不是很大的工件的加工，对于一些加工困难、要求高的零部件上能够充分显示出它的特点。以满足不同用户的加工需要，可以根据不同的需求，加工不同品种的工件，可以配置不同的结构设计以及加工方式。在本文中进行了对斜床身卧式数控车床的设计，其中包括机床的床身、传动系统、刀架系统、尾座等，着重对传动结构中的主传动结构和进给传动结构进行设计。主轴相连的伺服电机用皮带把运动传到主轴上，带轮及同步齿形带与主轴用键联接。而进给运动，即车床上 X、Z 向的运动则通过丝杠运转，丝杠都通过两端固定的方式固定，一端都通过联轴器与伺服电机相连。关键词：滚珠丝杠；伺服电机；卧式；数控车床；斜床身IIABSTRACTSlant bed horizontal series CNC lathe is an economic and practical processing machine tools,mature product structure,quality stable and reliable performance. it sets the versatility and the characteristics of the special lathe, using inclined bed ball linear guide. The most widely coverage of a CNC machine tool, widely used in automobile, petroleum, military industry and many kinds of mechanical processing industry.This series of machine varieties complete specifications, are mainly used for machining high precision of rotors type parts such as shaft, plate, set of classes, all kinds of internal and external thread and high precision. it can be finished once clamping appearance and inner hole machining.In order to meet the processing needs of different users;According to the needs of users, optional different numerical control system and accessories.In this article has carried on the design of slant bed horizontal CNC lathe, including the machine tool bed, transmission system, tool post system, tailstock. Of the transmission system of main drive system and feed drive system design.The main servo motor through a belt drive the movement to the spindle, the spindle on the pulley and the synchronous cog belt wheel and spindle by linkage.And feed movement, namely lathe on X, Z to exercise by screw, screw fixed with both ends fixed way, end are connected to the servo motor through the coupling.Key words：ball screw；servo motor；horizontal type；Distributed Numerical Control（DNC）；Slant bedIII目录摘要.IABSTRACT.II1 前言.11.1 斜床身卧式数控车床的设计背景. .11.2 斜床身数控车床设计的国内外背景. .11.3 斜床身数控车床设计的目的.11.4 斜床身数控车床设计的内容.22 机床总体方案设计.33 机床各系统的设计.43.1 床身 43.2 传动系统的设计. .53.2.1 主传动系统设计. .53.2.2 进给传动系统设计. .63.3 主轴的要求及结构. .83.4 刀架系统. .93.5 刀架系统 94 机床各系统机械部分设计计算 104.1 切削力计算.104.2 滚珠丝杠螺和选型.104.2.1 纵车外圆的计算. .104.2.2 横向进给的计算. 134.3 轴的结构设计计算.154.3.1 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度. .154.3.2 轴上零件的周向定位. .164.3.3 确定轴上圆角和倒角尺寸. .164.3.4 带立式座外深沟球轴承的校核. .174.3.5 键的校核. .204.3.6 轴的校核. .214.3.7 校核轴的强度. .214.4 伺服电机的选型和计算.214.4.1 等效转动伺服电机的计算. .214.4.2 电机力矩计算. .22IV5 结论.25参考文献.26致谢.2711 前言1.1 斜床身卧式数控车床的设计背景现在一些精密的零件都会用机床来进行加工，在工件的制造加工中，机床给我们的工作带来很大方便。机床行业的发展方向很明确，越来越精密，越来越自动智能 1。我们国家与一些工业发达的国家比较而言，我们国家相对于他们还相差很多很多。我们国家机床发展起步晚，发展的速度慢，以及科技含量比较低，导致了与发达国家有一定的差距。在制造加工中，零件的尺寸变得很细致，一些精密程度变得很苛刻，迫使对加工工具进行深入改革、创新。在工件加工中，尤其是对一些复杂精密的零件加工中，斜床身数控机床表现出了它的优点，并得到了大家的认可，在机床行业中普遍认同，受到了各国加工行业的普遍认可，在此基础上它发展的很快，很好。1.2 斜床身卧式数控车床的国内外状况我们国家机床发展起步晚，发展的速度慢，以及科技含量比较低，导致了与发达国家有一定的差距。这种机床在我们国家比较低端，发展的不够成熟，不够完善。所以,我们国家应极力着眼于这类机床的发展，从而带动其他类型机床的发展。从我们国家目前机床行业发展来看，机床的造价太高，研究比较表面，没有高科技的含量，没有我们自己的东西。机床在出现一些小毛病的时候，整个机床都会停止工作，影响到工件的加工效率。这种情况使得我国数控车床在国际市场,和多样化的今天是很难占据了重要的地位,因此拉大与发达国家的科研设计制造的差距。我们要正确面对我们国家目前所处的困境与问题，从主要问题出发，攻坚克难，逢山开路，遇河架桥，发挥不怕困难的精神，打造我们自主产品的优点与特点 2。将我们打国产机床在世界机床行业中打造成优等产品，占据一席之地，敢于先进发达国家的机床产品相媲美，相抗衡。1.3 斜床身数控车床设计的目的首先这是一次毕业设计，只有在这次设计过程，认真学习，积极查阅资料。对自己的设计课题进行深入的研究，并有自己的构思，自己的想法，在机械设计手册以及参考文献的帮助下完成自己的这次设计才能够顺利的毕业。其次，我们在大学四年的时间里，对我们的专业课有了很好地熟悉与学习，通过这次设计，我们可以查缺补漏，对我们所学的只是进一步巩固，更好运用在今后的工作与生活中。1.4 斜床身数控车床设计的内容2其设计内容包括车床箱体、传动零部件部分、主轴、工作台、刀架系统、尾架等部分的设计工作。在传动系统设计中主要是对滚珠丝杠的设计选型，安装方式以及在传动系统中的作用于安置。32 机床总体方案设计这次设计的任务是斜床身卧式数控车床的结构设计，整体方案采用 45 度（常见的倾斜角度有 45、60 、 75等）后置斜床身布置，这样的设计方便工人师傅在加工过程装夹零部件，当然更有利于对加工屑进行排除。在机床中都会包含以下几部分，主轴、进给系统、刀架、尾座等，结构如图 2.1 所示：图 2.1 斜床身卧式数控车床结构图设计要求和参数的拟定如表 2.1 所示：表 2.1 机床设计参数机床名称斜床身卧式数控车床最大工件回转直径/mm 400最大工件长度/mm 1000最大切削长度/mm 930最大切削直径/mm 400床身滑板上最大回转直径/mm 210X 轴坐标进给速度 /（mm/min） 3600进给Y 轴坐标进给进度 /（mm/min） 4500主电机功率/kw 7.5主轴最高转速/（r/min） 1400主轴机床最小设定单位/mm 0.01刀架形式电动多工位立式刀架刀架重复定位精度/mm 0.01尾架最大行程/mm 150定位精度（X/Z）/mm 0.045/0.05精度重复定位精度（X/Z）/mm 0.010/0.0154加工工件精度 IT6IT73 机床各系统的设计3.1 床身在机床种最主要的也是最基础的就是床身，是最基本的部分。在床身上将会放置机床中的各个组件以及组装各个零部件。在构思床身的结构时候主要从两方面考虑：一是机床各个零部件在床身上的安放位置以及方式，二是其本身的制造材料。床身的结构一般由放置其上面的组件位置来设计构思的。在机床行业中，一般把车床划分两大类型-卧式的和立式的。在车床中卧式的又可由导轨的安置方向分为两大类型:倾斜导轨的和水平导轨的 3。在一些加工行业中大都采用的是倾斜导轨的机床，使用其的主要有以下原因：一是便于实现机电一体化；二是便于很好的排屑，并且便于自动排屑器的安装；三是从工件上切下来的炽热切屑很方便的排到了排屑箱里，不会积留在导轨上，保证了导轨的精度；四是人机设计好，工人方便操作等。床身的材料在选择上一般采用普通铸铁。图 3.1 斜床身结构侧视图另外，车床的导轨具有很多优点，如接触刚度大、结构简单、加工方便。我们之前采用的普通导轨有很多不足的地方：摩擦阻力较大，容易磨损。在追求高质量，更好的表现，更高的加工效率，更好的加工表现，在条件许可的范围内，我们选用表现更好的滑动导轨，比传统的导轨更优秀 4。选材上，因淬硬合金钢耐磨性较高，所以制造导轨的材料使用淬硬合金钢材料。综合以上因素，将 GCR15 轴承钢淬硬到HRC65-62 加工导轨，再利用外在的约束把导轨安装在它所在的位置，更好地增加其硬度。53.2 传动系统的设计在机床中传动系统都有很大的共同之处，无论是斜床身卧式数控车床还是普通的车床，都可以分为进给传动系统和主轴传动系统。3.2.1 主传动系统设计在目前的机床行业中大都采用较先进的无极变速系统。无级变速自研发出来使用到现在，在使用的过程中不断改进，不端增加科技含量，如今技术已经比较成熟。车床中的主轴电机一般采用伺服电机，这样与编码器相配合，更能来控制主轴的转速，达到加工要求。伺服电机与主轴之间才有带传动，提高传动效率 5。如图3.2（a）所示，或者通过带传动来带动主轴旋转，如图 3.2（b）所示。因为主轴电机采用的是伺服电机，所以速度很容易被控制和调节，这样就会使主轴的速度以及主轴箱的结构变得很简单。斜床身卧式数控机床在加工零件的过程中，速度是很不固定，经常会改变其主轴的转速来加工不同的表面以及结构，这样才会发挥其加工复杂精度高的优点以及特点。在加工零件之前都会先把加工程序编制好，输入数控机床的微电脑中，来控制电机以及刀具来对材料进行加工。在加工过程中就会按照程序来按部就班的进行，所以无级变速更能适合此处的要求，发挥无级变速的优点。如图 3.2（c）所示：（a）变速齿轮（b）带传动（c）电机直接驱动图 3.2 电动机主轴传动的方式采用皮带将主轴伺服电机和主轴连接起来进行传递动力，这种传动方式与其他传动方式相比，这样就会很大的提高了轴部件的刚度，是主轴转动更平稳，更能达到比较好的加工效果。根据设计要求以及设计任务，可以把主轴电机的型号进行选择出来。据要求电动机的功率是 7.5kw,根据机械设计手册附表选,额定功率 7.5kw,额定转速 1500rmin，额定转矩 5.0N/m。2CE6-10MB75D63.2.2 进给传动系统设计在进给传动的构思以及方案制定时一定要充分照顾到本机器所要面对的工件尺寸以及运动范围。在设计时根据事前的调查以及分析计算合理地规划和设计本部分。在对工件进行车削的过程中，进给系统对其所采用的方式以及车削的效果起着举足轻重地作用 6。所以这一部分一定要严格要用设计思想去规划和设计。在加工过程中，刀架不但要延 X 向运动，还要延 Z 向运动，所以刀架的设计要考虑它的运动方向以及幅度。工作台的运动方式以及运动方式也是设计时必须要考虑的，因为在加工的过程中，它也要延 X 向和 Z 向不时的移动来带动刀架来回运动从而对零部件进行车削加工。所以我在这两个方向的进给上采用的是滚珠丝杠，利用滚珠丝杠可以保证进给的准确性以及平稳性。这样才能够使工件被加工的更好，得到令人满意的效果 7。利用滚珠丝杠来带动这两个方向的运动就会变得更轻松，更灵活。在滚珠丝杠的安装时可以对其先预紧，通过这种方式消除自重产生的变形。如下图 3.3（a）（b）和图 3.4 所示：（a）横向进给系统（b）纵向进给系统图 3.3 横向和纵向进给系统1 2 3 4 5 6 7 8 971-丝杠 2-套筒联轴器 3、7-锥销 4-螺母 5-垫圈 6-支架 8-支架套 9-进步电机图 3.4 伺服电机与丝杠的联接滚珠丝杠在进给系统中广泛的运用，是因为它能改变进给的运动方向，获得多方向的进给。滚珠、螺杆和螺母是滚珠丝杠的三大组成部分 8。利用滚珠丝杠可以把旋转运动转化为直线运动，更好地运用到机床结构中，滚珠丝杠设计与运用的重要意义是把轴承从滚动运动转变成了滑动运动。现在滚珠丝杠在很多的精密设备中被应用，是因为它具有摩擦阻力十分小的特点。在一些精度要求高的机械中大都都会采用滚珠丝杠，因为它会满足精度要求。除此之外，它还会改变进给的运动方向，获得多方面的进给，来满足加工要求。1）与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3在传动系统中如果采用了滚珠丝杠，驱动力就会是其他传动方式的三分之一，因为它有滚珠在滚动。相当于是用了滑动丝杠副 1/3 的力矩达到了相同的效果 9。2）高精度的保证滚珠丝杠副在制造加工过程中，无论是在技术标准上还是在加工条件上都采用和执行的是世界上最先进最严格的技术要求。正是因为在这严格的条件下，使用目前最先进的加工设备，才加工制造出了现在这种具有高精度的滚珠丝杠副。3）微进给正是由于在滚珠在滚珠丝杠副中滚动,才使得滚珠丝杠在加工过程中能够实现精密的微进给,避免了爬行现象的出现。4）无侧隙、刚性高在滚珠丝杠副上加上预紧压力,就可以大大的降低轴向间隙，从而变得无间隙无侧隙,因而滚珠丝杠就可获得很好的刚性。3.3 主轴的要求及结构（1）主轴的要求1）旋转精度在传动系统中，主轴的旋转精度要求很高，这就要求在主轴装配完成后，对主轴的旋转精度进行检测，保证无载荷的情况下的径向跳动和轴向跳动。2）静刚度在对工件进行车削的过程中为了保证工件所被车削的精度，从而对主轴上地静刚度规定很严格苛刻 10。在主轴组件中很多原因可在运转中影响主轴的刚度，原因有很多，在众多的原因中最主要的还是主轴的结构尺寸，滚动轴承的型号、数量、配置形式。3）抗振性8在加工过程中如果出现了震动的现象，就会产生很多对工件不利的影响。然而主轴的这种不良现象受到很多原因影响。比如其静刚度、零部件的分布等一些因素。4）温升和热变形大家在学习物理知识是就学到了物体的形状和尺寸受温度的改变而改变。在加工过程中，在刀具与工件的摩擦中以及主轴的旋转过程中会使部件的温度上升，受热膨胀，从而使得组件变形，偏离原本的位置，偏离加工轨迹，对零件的精度产生误差，甚至加工的零件作废。所以一定要考虑到这一点，保证材料在受热的情况下变形最小，从而保证零部件的加工精度 11。达到更好的加工效果。5）耐磨性机床在加工过程中很多时候是长时间的，不间断的，所以这就要求其耐磨性一定要好。精度受很多因素影响，首先就是轴承对其产生很大的影响 12。除此之外还有夹具对其产生的影响。为了避免上述问题的产生，要将主轴上的一些部位淬硬至HRC60左右，这样才能有效地提高其耐磨性。6）材料和热处理主轴在选材时一般不把强度作为依据。主轴上的尺寸以及主轴的直径取决于零部件在其上安装位置以及轴肩的位置、尺寸。当这些尺寸都定下来以后，主轴的尺寸也就定了下来 13。因此，在选择材料是主要考虑到主轴的材料能够在温度影响下产生的形变最小，一定要满足这个要求，才能使主轴在旋转的过程中更稳，达到更好的加工效果。目前，在主轴地加工制造中，常常采用45号或60号优质中碳钢作为主轴上加工型号。然后材料在加工完毕之前，则应该对材料进行调质处理和淬火。（2）主轴的结构在其材料确定后，其次就要要对它的主要的尺寸来构思，来制定方案，来决定它的加工方式及方法。主轴通常制造成阶梯形，还有轴肩，这样更方便装配。主轴上一些零部件根据主轴上的轴肩位置进行装配，再加上轴套以及定距环使得其他零部件在主轴的位置是固定的。在主轴加工时，通常是把主轴加工成中空的，这样会通过顶锥或者是棒料。在车床的主轴中中空比其他的机床大一些，但由于刚度条件的影响和限制，在加工时孔径应该保持在外径的70%以内 14。3.4 刀架系统刀具是放置在刀架结构上的，而不是单独装夹在床身上的。因此，刀架的设计也要考虑到刀具的进给活动所必须的要求。在某种程度上，一个车床的刀架设计的水平和先进科技性可使机床的性能得到很好的提升。在车床加工过程中，刀架是直接对工件进行车削加工的，正是因为它与工件进行直接接触，所以在加工过程中受到很大的切削抗力。因此，刚度和强度在设计和构思前要充分的分析和研究 15。因9为刀具直接与工件接触，直接对工件进行去材料加工，所以对刀具位置的要求很严格。不仅要做到这些，还要在刀架的设计过程过程中做到以下几点：不仅要考虑到刀架的材料与刀具的位置，还要考虑到安全性问题，在换刀的过程一定要保证刀具的转换安全，不可对工人的安全造成威胁。3.5 尾座目前的机床的设计和使用中上一般都使用的是液压型尾座。把尾座安装在导轨上，通过导轨的滑动作用，在上面往返滑动，滑动的位置由工件的长度以及位置来确定。大家都知道，车床上尾座是用来装夹住顶尖，从而能够来顶住尺寸较长的工件。还有在工件要求钻孔、攻丝的时候，也可以把钻头装夹在尾座上，来进行加工16。尾座的材料要用 1 级铸铁，并要经过时效处理。104 机床各系统机械部分设计计算4.1 切削力计算纵车外圆时：= =5360(N) 5.1max670DFz1.540（4.1）车床床身最大加工半径，单位 mm。maxD求出主切削力后，由 = 1 : 0.25 : 0.4yxzF:可求出：走刀方向的切削力 = 1340 Nx垂直走刀方向的切削力 = 2144 Ny横切端面时：主切削力：可以取纵切时的 1/2。所以 =1/2 = 2680 NFzFzFz同理 = 1 : 0.25 : 0.4 y： xz可得：走刀方向的切削力 = 670 N x垂直走刀方向的切削力 = 1072 N,yF4.2 滚珠丝杠螺母副选型在设计滚珠丝杠螺母副的的时候应该着重对一下几方面进行一下构思：首先是滚珠循环的方式，其次再是其预紧方式。除此之外的要求就是考虑到：外径、导程和精度等级等。4.2.1 纵车外圆的计算11(1)计算进给率引力 mF燕尾型导轨：(4.2)2(, GFfKyzx式中切削力yxzF:G移动部件的重量（N ）K考虑颠覆力矩影响的实验系数，此处 K=1.4导轨上的摩擦系数，此处 = 0.2,f ,f带人数据得 = 1.4 1340 + 0.2 (5360 + 2 2144 + 800 ) =2272 N mF(2)计算最大动载荷最大动载荷：(4.3)mwFfLC3式中工作寿命，单位 106r，L610nT丝杠转速，n01Lvns最大切削力条件下的进给速度（m/min），此处取 =0.6sv sv丝杠导程，（mm）， =6mm0L0使用寿命，（h），对数控车床取 =15000hTT运转系数，此处为一般运转，根据机械设计手册表 6-2-34 可知一般wF运转时取 1.3。带入数据可得:丝杠转速 =50r/min05.61Ln工作寿命 =45605L最大动载荷 =10505.6N 273.143C根据求出的条件查表可得：采用外循环螺纹预紧的双螺母滚珠12丝杠副 ,其额定动载荷为 16400N,螺距为 40mm,精度等级为 3 级。4061LW0D(3)传动效率计算传动效率：(4.4)tan(式中丝杠螺旋长升角，型滚珠丝杠副为 244。4061LW摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 =0.003-0.004，其摩擦角约等于f10。代入数据可得)tan(= )1042(t=0.94(4)刚度校验丝杠的拉伸或压缩变形量 1查机械设计手册表 6-3-23，据 =2272N， =40mm，知: =1.210-5(mm)mF0D0L则=1.210-51000=1.210-2(mm) （4.5)L01由于两端用角接触轴承和深沟球轴承，对丝杠螺母进行了拉伸，刚度可提高四倍，则变形量缩小为： =0.310-2。1,4滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2查机械设计手册表 5-3-55 知，W 系列 2.5 圈 1 列型丝杠副和螺纹滚道间的接触变形量： =6.4 ,由于预紧, =3.2 。QCum4.62QCum撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 3用 7304C 角接触轴承， =35mm ,滚动体直径 =5.35mm,滚动体得数量1d0d13Z=18,所以=0.0077(mm) (4.6)32320 185.74.4. zdFmc由于预紧的存在， = 0.00386 mm.13c综上可得，变形量 = 0.003 + 0.0032 + 0.00386 = 0.01006 mm故选用型滚珠丝杠副符合要求。4061LW(5)稳定性校验滚珠丝杠在安装的时候采用的是推力轴承，在其转动的过程很稳，所以不用进行稳定性的校验。4.2.2 横向进给的计算(1) 计算牵引力之 ,mF=1.4670+0.2(2680+21072+600)=2022.8(N)2(4.1, GfFyzxm(4.7)(2) 计算最大负荷 C丝杠转速：=30(r/min) (4.8)5.0310Lvns工作寿命：=27 (4.9)6610T最大负载：=31.22022.8=7282.08(N) (4.10)WFfLC,3根据求出的条件查机械设计手册表 6-7-58 可得：采用外循环螺纹预紧的双螺母滚珠丝杠副型 1 列 2.5 圈，其额定动载荷201L为 8800N,螺距为 40mm,精度等级为 3 级。0D(3) 传动效率计算传动效率: )tan(14型滚珠丝杠副丝杠螺旋长升角为 433，摩擦角为 10。2051LW故 =0.965 )103(tan(4) 刚度校验由横向进给的支撑方式，如图 4.1 所示:图 4.1 横向进给支撑方式由最大牵引力为 2022.8N,支撑间距为 450mm，丝杠长度较长，需母及轴承预紧，丝杠的拉伸或压缩变形量 1查表，据 =2202.8N， =20mm，知： =4.210-5 则,mF0D0L=4.210-5450=1.910-2(mm) 01（4.11）滚珠与螺纹滚道间的接触变形量查表知，W 系列 2.5 圈 1 列型丝杠副和螺纹滚道间的接触变形量: =6.4mQC由于预紧， =3.2m。4.622QC撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 3用 7319C 角接触轴承， =l5mm ,滚动体直径 =4.74 mm ,滚动体得数量1d0dZ=12,所以：=0.0094（mm）（4.12）32320, 174.80.4. zdFmc由于预紧的存在：=0.0047（mm）（4.13）09.13c综上可得，变形量 =0.019+0.0032+0.0047=0.0269mm定位精度15变形量： = 0.019+0.0032+0.0047=0.0083mm定位精度41由此可知，将滚珠丝杠进行拉伸之后，使用型 1 列 2.5 圈丝杠副符合要201LW求。（5）稳定性校验首先计算产生失稳的临界负载用下列公式：（4.14）2EIfFzk式中:E丝杠材料弹性模量，钢材量 N/cm264/1dII截面惯性矩（单位：cm 4），丝杠截面惯性矩 ,(d1 为丝杠螺纹64/1I的底径)丝杠两支撑端距离，(cm)z丝杠的长度支撑系数，如表 4.1 所示：表 4.1 丝杠长度支撑系数方式一端固定一段自由两端简支一端固定一段简支两端固定zf0.25 1.00 2.00 4.00本设计，丝杠采用两端固定，故取 4.00。zf则：截面惯性矩：=0.3899(cm4) （4.15）6478.1I临界负载：=6429.8(N) （4.16）2628139.0.kF临界负载与最大负载之比称为稳定性安全系数，如果，kFmKnKmkKnF则丝杠不致失稳，为许用稳定性安全系数，一般取 2.54。则根据以求得数据，Kn=2.83 ，故横向进278.649Kn给丝杠选用 W1L2005 型丝杠不会产生失16稳。4.3 轴的结构设计4.3.1 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1）为了满足从动端半联轴器的轴向定位要求，A 轴段上端需制出一轴肩，又因为在 B 段上需要安装轴承及轴承座，故取初步取 B 段的直径 =40 mm；下端用轴Bd端挡圈定位，参照标准 GB/T 891-1986，按轴端直径取挡圈直径 D=45mm。标记为：GB/T 892 B45 从动端半联轴器孔长度 =50mm,为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在2L轴的端面上，故 A 段长度应比略短一些，现取 =58mm。AL2）初步选择滚动轴承。因轴承同时承受较大的径向力和较小的轴向力的作用，故选用深沟球轴承。同时考虑实际工作情况及安装的方便性，选择带座外球面球轴承。参照 B 段直径、支架套筒内径及带立式座外球面球轴承标准 GB/T 7810-1995（表 7-2-101），初步选取型号为 UCP208 的带座轴承。参照标准 GB/T 7810-1995（表 7-2-101）知，该带座轴承总宽 B=49.2 mm，为了安装方便，取 B 段长度 =60 mm。BL3）由于支架套筒需要从立轴上方装入，故支架套筒下方需要轴肩定位。又因支架套筒内径为 d=50 mm，且主要承受径向力，故取 =70 mm， =15 mm。CdCL4）已知支架套筒内径为 d=50 mm，高度为 150 mm，为了便于安装上轴承座，取 =50 mm， =155 mm。DDL5）由于 E 段轴上只安装带座轴承，故 E 段轴尺寸同 B 段轴，即 =40 mm，Ed=60 mm。EL4.3.2 轴上零件的周向定位1）从动端半联轴器与轴的周向定位。由于工作时需承受一定的冲击及变载荷，而且在轴端处，所以采用单圆头普通平键连接。按 =35 mm、 =58mm，参照标AdAL准 GB/T 1095-2003（表 5-3-18），选择键的截面尺寸为：宽度 b=10mm，高度h=8mm。键槽用键槽铣刀加工，由长度并参考键的长度系列（表 5-3-19），取AL17键长为 L=56 mm（比长度小些）。从动端半联轴器与轴的配合为。AL 67kH2）支架套筒与轴的周向定位。同样由于工作时需承受一定的冲击及变载荷，所以采用圆头普通平键连接。根据立轴连接支架套筒处尺寸 d=98 mm，参照标准GB/T 1095-2003（表 5-3-18），选择键的截面尺寸为：宽度 b=14mm，高度 h=9 mm。键槽用键槽铣刀加工，由支架宽度并参考键的长度系列（表 5-3-19），取键长L=140 mm（比支架套筒高度小些）。支架套筒与轴的配合为。67hH3）滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为 m6。4.3.3 确定轴上圆角和倒角尺寸参照标准 GB/T 6403.1-2008（表 1-5-10），取轴端倒角为 1.6 45，各轴肩处圆角半径参照标准 GB/T 6403.4-2008（表 1-5-12）选取。4.3.4 带立式座外深沟球轴承的校核参照标准 GB/T 276-1994（表 7-2-66）知，对于深沟球轴承 6208，基本额定动载荷 =29500N，基本额定静载荷 =18000 N（参照标准 GB/T 7810-1995（表 7-rCrC02-101），对于轴承 UCP208，基本额定动载荷 =22800N，基本额定静载荷r=8200 N），球数 z=9，球径 =12 mm。r0 WD（1）受力分析列平面任意力系的平衡方程，即=0， =0xFBAxF=0， =0y 21Py=0， =0 )(MA 120830B（4.17）求解以上方程，得= 550+700=1250（N）21PFAy=-5565.22（N）230178530182 B=5565.22（N）Ax为负值，说明他的方向与假设的方向相反，即应指向左。BF18则轴承所受径向载荷 =5565.22 NrF轴向载荷 =1250 Na（2）校核动载荷按照手册公式 7-2-1 计算：（4.18）PfCTndmh式中：寿命因数，轴承预期寿命 =5000 h，查表 7-2-23，取 =2.71hf hLhf力矩载荷因数，力矩载荷较小，取 =1.5m mf冲击载荷因数，中等冲击，查表 7-2-25，取 =1.2df df速度因数，转速取 15 r/min，查表 7-2-24，取 =1.305n n温度因数，查表 7-2-26，取 =1Tf TfP当量动载荷，按式 7-2-2 计算计算当量动载荷 P。（4.19）arYFX式中：径向载荷，由受力分析知 =5565.22 NrFr轴向载荷，由受力分析知 =1250 Na aX径向动载荷系数，查表 7-2-65，按下面计算取值Y轴向动载荷系数，查表 7-2-65，按下面计算取值1）计算 2WaizDF= =0.965 （4.20）WaizDF219502）取 e 的值查机械设计手册表 7-2-65，根据 =0.965，取 e=0.282Waiz193）计算 raF=0.225 （4.21）2.5610raF4）取 X、Y 的值查机械设计手册表 7-2-65，单列轴承，且 0.225e=0.28， =0.965ra2WaizDF故取 X 1 Y 05）求当量动载荷 ParYFXP=1 5565.22+0 1250=5565.22 (N)因此动载荷为： PfCTndmh= 5565.221305.2.7=20802（N）因 C =29500N（对于 UCP208，同样 C =22800N）r r故，合适。（3）校核静载荷按照手册公式 7-2-6 计算：（4.22）0PSC式中：安全因数，旋转轴承，查表 7-2-31，取 =1.50S 0S当量静载荷，计算公式见表 7-2-29P计算当量静载荷 0查机械设计手册表 7-2-29，对于向心球轴承，计算径向当量静载荷（4.23）arrFYXP00，取二式中的较大者，其中：rFP020径向载荷，由受力分析知 =5565.22NrFrF轴向载荷，由受力分析知 =1250 Na a径向静载荷系数，查表 7-2-650X轴向静载荷系数，查表 7-2-65Y1）计算 arrFYP00查机械设计手册表 7-2-65， arrFP5.06.0=0.6 5565.22+0.5 1250=3964.132（N）2）计算 rF0=5565.22（N）rP故，取 =3964.132 NrP0因此：静载荷为： 0PSC=1.5 5565.22=8347.835（N）因 =18000 N（对于 UCP208，同样 =18200N）。rC0 rC故，合适。综上校核结果，选择带立式座外球面球轴承，型号为 UCP208。标记为：UCP208 GB/T 7810-19954.3.5 键的校核（1）从皮带轮与轴连接处的键由于键、立轴、皮带轮的材料都是钢，由机械设计手册表 5-3-17 查得许用挤压应力 =100 120 ，取其平均值， =110 。键的工作长度 l=L-b=90-aMPaMP10=80（ mm），键与支架键槽的接触高度 k=0.4h=0.4 28=11.2（mm）。由表 5-3-16中查得：21=13.76（） =11035802.1923kldTpaMPaP故，合适。标记为：键 GB/T 1095-200368B（2）同步齿形带轮与轴的连接处的键由于键、立轴、同步齿形带轮的材料都是钢，由机械设计手册表 5-3-17 查得许用挤压应力 =100 120 ，取其平均值， =110 。键的工作长度aMPaMPl=L-b=20-4=16（mm），键与支架键槽的接触高度 k=0.4h=0.4 16=6.4（mm）。由机械设计手册表 5-3-16 中查得：=6.75（） =110 35164.09203kldTpaPaP故，合适。标记为：键 GB/T 1095-200320B4.3.6 轴的校核按弯扭合成强度条件计算在轴的结构设计时，要考虑轴的主要尺寸，以及轴上零件的位置，以及外载荷。当支反力的作用位置确定后，轴上的载荷就可以通过计算求出来，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算，计算结果如表 4.2 所示。表 4.2 载荷计算结果载荷水平面 H 垂直面 V支反力 F=-5565.22N1NF=5565.22N2H=1250N1NF=-1250N2V弯矩 M=-139.13Nm1=139.13Nm2=31.25NmM总弯矩=-135.58Nm2215.31.9M=142.6Nm2扭矩 T T=190Nm224.3.7 校核轴的强度从轴的结构图以及弯矩和转矩图中可以看出截面 C 是轴的危险截面，所以只校核危险截面 C 的强度。按手册上表 6-1-22 中公式及上表中数据，以及轴的材料为 45钢，扭转切应力为脉动循环变应力，取 =0.6， =45，则的计算直径为：p1（4.24）3122)(68.21PTMd= 32245)906.( =84（mm）计算直径 84 mm 小于选择直径 98 mm，故安全。4.4 伺服电机的选型和计算4.4.1 等效转动伺服电机的计算根据计算，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 (kgcm2),可由下式计算：zJ(4.25)2()()021 LGWZJsM式中伺服电机转子转动惯量(kg cm2)MJ齿轮 Z1、Z 2 的转动惯量 (kg cm2),由于进给系统由伺服电机直接和21、丝杠联接，则=12Z滚珠丝杠转动惯量(kg cm2)sJ参考同类型机床，初选反应式伺服电机 150BF，其转子的转动惯量为10kg cm2。=0.7810-344150=29.952(kg cm2） (4.26)sJ带入上式： )2()()021 LGWJZJsM23)26.0(895.210=40.7(k

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