毕业设计（论文）-汽车缸套加工工艺及专用镗床夹具设计（全套图纸） .pdfVIP

天河学院 毕业设计(论文) 汽车缸套专用镗床设计 所 在 学 院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指 导 老 师 年 月 日 目 录 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题研究意义 1 1.2 课题任务及要求 2 第 2 章 缸套专用镗床设总体设计 . 3 2.1 设计适用对象 3 2.2 缸套的加工工艺 3 2.2.1 缸套类零件内孔加工 . 4 2.2.2 本课题缸套工艺路线的确定 7 2.3 缸套专用镗床总体设计方案 9 第 3 章 进给工作台设计 . 10 3.1 进给工作台总体方案 . 10 3.3 滚珠丝杠副的选择 10 3.3.1 滚珠丝杠副的特点 10 3.3.2 滚珠丝杠副的支承形式 . 11 3.3.3 滚珠丝杠副的设计计算 . 12 3.3.4 滚珠丝杠副的传动原理 . 12 3.3.5 滚珠丝杠副的传动特点 . 13 3.3.6 滚珠丝杠副的结构与调整 . 13 3.3.7 轴向间隙的调整和加预紧力的方法 . 15 3.4 滚珠丝杠的选择 . 16 3.4.1 滚珠丝杠的精度 16 3.4.2 滚珠丝杠参数的计算 . 16 3.5 伺服电机的选择 . 20 3.5.1 最大切削负载转矩的计算 20 3.5.2 负载惯量的计算 21 3.5.3 空载加速转矩计算 22 3.6 滑动导轨的选择计算 . 22 3.6.1 工作载荷的计算 23 3.6.2 额定工作寿命的计算 23 3.6.3 距离额定工作寿命的计算 23 3.6.4 额定动载荷计算及选型 24 3.7 联轴器的选择 . 24 3.8 轴承的选择 . 25 3.9 滚珠丝杠副的安全使用 26 第 4 章 床身的设计 . 27 第 5 章 镗杆传动部分的设计 . 29 5.1 镗杆传动部分功率计算 . 29 5.2 齿轮部分设计 30 5.3 轴的设计计算 34 第 6 章 缸套专用夹具设计 . 36 6.1 工件在夹具中的定位 36 6.2 缸套夹紧设计 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.3 装配图 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 结论 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致 谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 1 第 1 章 绪 论 1.1 课题研究意义 专用机床是一种专用高效自动化技术装备，目前，由于它仍是大批量机械产品实现 高效、高质量和经济性生产的关键装备，因而被广泛应用于汽车、拖拉机、内燃机和压 缩机等许多工业生产领域。特别是汽车工业，是专用机床和自动线最大的用户。如德国 大众汽车厂在 salzgitter 的发动机工厂，90 年代初所采用的金属切削机床主要是自动线 (60%)、专用机床(20%)和加工中心(20%)。显然，在大批量生产的机械工业部门，大量 采用的设备是专用机床和自动线。因此，专用机床及其自动线的技术性能和综合自动化 水平，在很大程度上决定了这些工业部门产品的生产效率、产品质量和企业生产组织的 结构，也在很大程度上决定了企业产品的竞争力。所以对专用机床的设计研究具有十分 重要的意义。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本设计主要是专用镗床的设计，此次设计所涉及的内容包括了缸套的加工工艺设计 夹具设计镗床的设计。专用机床及其自动线的技术性能和综合自动化水平，在很 大程度上决定了这些工业部门产品的生产效率、产品质量和企业生产组织的结构，也在 很大程度上决定了企业产品的竞争力。所以对专用机床的设计研究具有十分重要的意 义。 2 1.2 课题任务及要求 该课题首先对目前缸套类零件加工工艺与装备的国内外发展状况进行分析，展望缸 套类零件加工工艺与装备设计的方向和发展趋势，然后简述缸套类零件加工工艺与装备 设计的关键技术问题。最后提出自己的设计方案。 主要完成： 1、完成缸套零件加工工艺与装备设计的综述，外文资料的翻译（2000 字符） ； 2、完成缸套粗加工工艺路线的拟定（生产类型为大批） ；完成粗镗镗床的草图。 3、根据拟定的缸套粗镗镗床草图，完成所有参数、尺寸的计算、查表和确定。校核 主要零件的强度和刚度。 第 2 章 缸套专用镗床总体设计 3 第 2 章 缸套专用镗床设总体设计 2.1 设计适用对象 本课题拟定的是对如下图所示的一种代表性质的缸套进行专用镗床设计。 2.2 缸套的加工工艺 缸套类零件加工的主要工艺问题是如何保证其主要加工表面（内孔和外圆）之间的 相互位置精度，以及内孔本身的加工精度和表面粗糙度要求。尤其是薄壁、深孔的缸套 零件，由于受力后容易变形，加上深孔刀具的刚性及排屑与散热条件差，故其深孔加工 经常成为缸套零 件加工的技术关键。 缸套类零件的加工顺序一般有两种情况： 第一种情况为：粗加工外圆粗、精加工内孔最终精加工外圆。这种方案适 用于外圆表面是最重要表面的缸套类零件加工 4 第二种情况为：粗加工内孔粗、精加工外圆最终精加工内孔。这种方案适 用于内孔表面是 最重要表面的缸套类零件加工。 缸套类零件的外圆表面加工方法，根据精度要求可选择车削和磨削。内表面加工方 法的选择则需考虑零件的结构特点、孔径大小、长径比、材料、技术要求及生产类型等 多种因素。 2.2.1 缸套类零件内孔加工 内孔是缸套类零件的主要加工表面， 加工方法选择的原则具体根据孔的大小， 深度， 精度，结构形状等面定。 当孔径较小时（ 50mm宜采用钻扩，较方案 孔较大时采用钻孔后镗或直接镗孔 箱体上孔多采用精镗，浮动镗，缸筒件用精镗，珩磨，滚压 淬硬缸套，宜采用磨孔 精密孔用高精度磨削，研磨，珩磨或抛光等 孔的加工方法： 钻孔 扩孔 铰孔 镗孔 拉孔 磨孔、珩孔，研磨孔 （一） 、钻孔 钻孔是在实心材料上加工孔的第一道工序。它主要用于精度要求较高孔的预加工或 精度低于 it11 级的孔的终加工。 钻孔刀具常用麻花钻。由于麻花钻具有宽而深的容屑槽、钻头顶部有横刃及钻头只 有两条很窄的螺旋棱带与孔壁接触等结构特点，因而钻头的刚性差、导向性能差，钻孔 时容易引偏，易出现孔径扩大现象，孔壁加工质量较差。 措施：加工前先加工孔的端面，采用工件回转方式或先钻引导锥等 使用范围：孔径75mm，当孔径35mm 时分两次钻，第一次钻孔的直径为 所需孔径的 1/2- 7/10。第二次钻到所需孔径，这时横刃不参加切削，轴向抗力小，切削 第 2 章 缸套专用镗床总体设计 5 较轻小。 (二)、扩孔 扩孔是用扩孔钻对工件上已钻出、铸出或锻出孔作进一步加工的方法。 扩孔加工有如下特点： 1、加工精度比钻孔高：切深小，钻头无横刃，刀体刚度大，导向作用好 it1110，ra6.33.2 2、扩孔能纠正原孔轴线的歪斜 3、生产率高，由于余量小（1/8）扩孔齿数较多，f=0.4- 2mm/r 4、孔径100 的孔，多用镗孔而不用扩孔 （三） 、铰孔 铰孔是未淬硬的中小尺寸孔进行精加工的一种方法， 加工的孔径范围一般为3 80mm. 铰孔的工艺特点： 1、 铰孔精度主要取决于铰刀精度。 2、 铰孔比镗孔容易保证尺寸精度和形状精度，且生产率较高。一般 it7it8，手 铰达 it6。ra1.60.2。 3、 适应性差，一种铰刀只能加工一种尺寸和一种精度的孔。 4、 不能校正原孔轴线的偏斜。 （四） 、镗孔 镗孔是常用的孔的加工方法，可作为粗加工，也可以作精加工。 其主要工艺特点： 1、加工范围广，非标孔、大直径孔、短孔以及盲孔、有色金属孔及孔系等加工。 2、获得较高的精度与低表面粗糙度，it8it6，ra1.60.4 用金刚镗则更低 3、修正前道工序的孔轴线的偏斜和不直，生产率较低 4、可在车,铣,镗及数控机床上进行 （五） 、磨孔 磨孔是单件小批生间中常用的孔精加工方法，它特别适宜于加工淬硬的孔，表面精 度断续的孔和长度很短的精密孔。 对于中小型回转零件，磨孔在内圆磨床或万能磨床上进行对于大型薄零件，可采用 6 无心内圆磨削。 内圆磨削的工艺特点： 1、砂轮直径 d 受到工件孔径刀的限制（d=0.50.9d）,砂轮尺寸小,损耗快,经常要 更换影响效益 2、磨削速度低因此,磨削精度较难控制 3、砂轮轴受孔径与长度限制,刚性差,易弯曲,振动,影响加工精度与表面粗糙度 4、砂轮与工件内切,接触面积大,散热条件差,易烧伤,宜用较砂轮 5、切削液不易进入磨削区,排屑困难。 内孔磨削方法： 中心圆磨：用于中小型工件，在万能磨，内圆磨床上进行 磨削方法行星式内圆磨：用于重量大，形状不对称的内孔，用行星或磨床 无心内圆磨：用于直径短套孔。 （五） 、拉孔： 拉孔是拉刀在拉床上对已预加工的孔进行半精加工或精加工的方法拉孔方法的特 点： 1、尺寸精度高，表面质量好 it79，ra1.60.1 2、不能纠正轴线的偏斜 3、拉刀结构复杂，成本高，制造周期长 4、一把拉刀只拉一种规格尺寸的孔，要求工件材质均匀。 薄壁孔，盲孔，阶梯孔，深孔，大直径孔和很小的孔及淬硬孔不宜拉。 拉削范围为10100 三、孔的精密加工 当缸套类零件内孔的加工精度和表面粗糙度要求很高时，则精加工后还需进行精密 加工。 孔的精密加工方法 研磨，珩磨 （一） 、精细镗滚压 精细镗是由于最初使用金刚石作镗刀材料而得名。 精细镗的工艺特点： 1、用精度高，刚度大，高转速的金刚镗床（转速高达 500r/min） 第 2 章 缸套专用镗床总体设计 7 切铸铁 100m/min，钢 200 m/min，铝 300 m/min 2、削用量小，切削刀热小，加工精度高 3、生产率高加工范围广 （二） 、珩磨 珩磨是用若干细粒度磨条组成的珩磨头进行内孔光整加工的方法，通常在磨削或精 镗后进行。 1、珩磨工作原理 2、珩磨孔的工艺特点： （1）加工范围广 （2）磨头与主轴浮动联接 （3）精度高，it6，ra0.80.025 能修正几何误差交叉网纹有利于油膜形成。 1、影响珩磨质量和生产率的因素 （1）珩磨的圆周速度 vp 和往复速度 vw 的因素 vp 、vw质量好效率高，但磨损、热、易堵塞 vp/ vw 的比值影响网纹交叉角 =4060 （2）珩磨头行程 l 与越程量 a l=lk+2a- ls 式中 lk：被加工表面长度 ls：磨条长度但磨条不宜过长 （3）珩磨压力。ff磨损切削能力 （4）冷却与润滑。 （三）研磨略 （四）滚压 2.2.2 本课题缸套工艺路线的确定 经过上节介绍进行比较，得出综合考虑缸套内孔加工的工艺性和经济性，内孔采用 镗孔加工。 套筒类零件由于其功用、结构形状、尺寸、材料及热处理等的不同，其工艺差别很 大。就结构形状而言，可分为短套筒与长套筒两类，这两类套筒在装夹与加工方法上有 很大的差别。下面分别分析其工艺特点。 8 如图为某气缸零件图，由于 l/d3，属短套。内孔 g 是重要表面，其加工工艺过程 如下： 气缸套零件加工工艺 工序号 工序名称 工 序 内 容 定位夹紧 010 铸造毛坯 020 人工时效 030 粗镗内孔 镗内孔至118mm。 外圆 040 粗车外圆 粗车各级外圆 内孔 气压胀胎夹具 050 热处理 正火 060 半精车 半精车法兰凸台端面及外圆 内孔气压胀胎夹具 070 半精镗 半精镗内孔119mm 及总长 270mm。 外圆法兰凸台端面及外圆 第 2 章 缸套专用镗床总体设计 9 080 精 车 精车法兰凸台端面，外圆割槽 内孔气压胀胎夹具 090 去氧化皮 用圆弧车刀 r10 车外圆并用靠模样板 100 半精车 半精车密封槽 外圆法兰凸台端面及外圆 110 精 镗 镗精内孔120mm 外圆法兰凸台端面及外圆 120 精 车 精车外圆141.5mm，140mm 内孔气压胀胎夹具 130 粗 珩 粗珩磨内孔120 外圆法兰凸台端面及外圆 140 精珩 精珩磨内孔120 外圆法兰凸台端面及外圆 (公差加上) 2.3 缸套专用镗床总体设计方案 1、动力头通过齿轮传导给丝杠然后通过丝杠带动工作台(或另外动力机)。 2、通过动力头把转速传导给镗杆，注意进给和速度相互配合和各方面的数据参数。 3、缸套装夹部分的设计.。 10 第 3 章 进给工作台设计 3.1 进给工作台总体方案 由于本课题设计的镗床只需要单方向进给运动，故本课题只讨论一个方向的进给工 作台设计。系统控制框图如下： 图 31 工作台系统控制框图 1 电机 2 减速装置 3 支承装置 4 丝杠 5 托板 图 32 工作台结构示意图 3.3 滚珠丝杠副的选择 3.3.1 滚珠丝杠副的特点 1.传动效率高 效率高达 90%95%,耗费的能量仅为滑动丝杠的 1/3。 2.运动具有可逆性 即可将回转运动变为直线运动,又可将直线运动变为回转运动,且 11 逆传动效率几乎与正传动效率相同。 3.系统刚度好 通过给螺母组件内施加预压来获得较高的系统刚度,可满足各种机械 传动要求,无爬行现象,始终保持运动的平稳性和灵敏性。 4.传动精度高 经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具有和高的制造精 度,又由于摩擦小,丝杆副工作时温升和热变形小,容易获得较高的传动精度。 5.使用寿命长 滚珠是在淬硬的滚道上作滚动运动,磨损极小,长期使用后仍能保持其 精度,因而寿命长,且具有很高的可靠性。其寿命一般比滑动丝杠高 56 倍。 6.不能自锁 特别是垂直安装的丝杠，当运动停止后，螺母将在重力作用下下滑，故 常需设置制动装置。 7.制造工艺复杂 滚珠丝杠和螺母等零件加工精度、 表面粗糙度要求高， 制造成本高。 由于滚珠丝杠副独特的性能而受到极高的评价,因而已成为数控机床,精密机械,各种 省力机械设备及各种机电一体化产品中不可缺少的传动机构。 3.3.2 滚珠丝杠副的支承形式 支承应限制丝杠的轴向窜动.较短的丝杠或垂直安装的丝杠,可以一端固定,一端无 支承.水平安装丝杠较长时, 可以一端固定,一端游动;对于精密和高精度机床的滚珠丝 杠副,为了提高丝杠的拉压刚度,可以两端固定.为了补偿热膨胀和减少丝杠下垂,两端 固定丝杠时还可以进行预拉伸。 一般情况下,应以固定端作为轴向定位基准,从固定端起计算丝杆杠副的长度误差. 此外,应尽可能固定端作为驱动端。 考虑到本设计的结构与要求,我们决定采用一端固定一端游动(f-s)的支承形式, 如图 1.1 所示。 一端固定一端游动（fs） 。固定端采用深沟球轴承 2 和双向推力球轴承 4，可分别 承受径向和轴向负载，螺母 1、挡圈 3、轴肩、支撑座 5 台肩、端盖 7 提供轴向限位， 垫圈 6 可调节推力轴承 4 的轴向预紧力。游动端需径向约束，轴向无约束。采用深沟球 轴承 8，其内圈由挡圈 9 限位，外圈不限位，以保证丝杠在受热变形后可在游动端自由 伸缩。 12 滚珠丝杠固定方式图（一端固定一端游动支承） 这种支承形势有以下一些特点： 1.需保持螺母与两端支撑同轴,故结构较复杂,工艺较困难。 2.丝杠的轴向刚度较高。 3.压杆稳定性和临界转速较高。 4.丝杠有热膨胀的余地。 5.适用于较长的卧式安装丝杠。 3.3.3 滚珠丝杠副的设计计算 机床进给机构的进给运动，由进电机的转动，然后带动机床丝杠传动。在数控机床 上的丝杠传动，可以用普通的丝杠传动，也还有应用滚珠丝杠来转动。原因是普通丝杠 传动摩，但总是不太稳定。 所以，在机床上要擦系数大，效率低，传动中有间隙。虽然传动中的间隙可以用一 些办法来补偿，修正采用滚珠丝杠传动。滚珠丝杠传动有一系列的优点，但制造工艺较 为复杂，成本高，在某些应用上受到一定的限制，但随着数控机床的发展，它的使用将 会更加广泛。 滚珠丝杠传动都使用防护罩，以防止空气中的尘土和其它杂物等进入。 滚珠丝杠和滚珠螺母组成滚珠丝杠螺母副，它是把步进电机的转动角位移，变换 成数控机床进给机构的的直线位移。 滚珠丝杠螺母副，也简称为滚珠丝杠副，是一种新的传动机构，它是在丝杠和螺母 的螺旋槽之间装有滚珠，以此作为中间元件的一种传动机构。 3.3.4 滚珠丝杠副的传动原理 丝杠和螺母上都有圆弧形的螺旋槽,这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线 的滚道,在滚道内装有许多滚珠.当丝杠旋转时,滚珠相对于螺母上的滚道滚动,因此丝 13 杠与螺母之间滚道的摩擦为滚动摩擦.为防止滚珠从螺母中吊出来,在螺母的螺旋槽两 端应用挡住器挡住,并设有回路滚道是他的两端连接起来.使滚珠从滚道的一端滚出后, 沿着这个回路滚道从新返回到滚道的另一端,可以循环进行不断地滚动。 3.3.5 滚珠丝杠副的传动特点 滚珠丝杠副的优点是:传动效率高,因为它是滚动摩擦,传动效率可达 0.920.96,比 普通的丝杠传动提高34倍.由此带来了一系列的优点,如功率损耗小,传动平稳,磨损小, 无爬行现象等等.除此而外还有两个特点,一是:一般的丝杠传动总是有间隙,而滚珠丝 杠可以消除间隙,所以当丝杠转动反向时,可以没有空程,提高了反向的定位精度,也增 强了传动刚度.二是:一般的丝杠传动只能使旋转运动转变为直线运动,而滚珠丝杠副由 于传动的摩擦系数小,所以既能把旋转运动转变为直线运动,也可以从直线运动转变为 螺旋运动,具有传动的可逆性,因此可以作为主动件,也可以作为从动件. 它也有缺点,主要是元件的精度要求高,光洁度要求也高,所以制造工艺很复杂,成 本也高.对于丝杠和螺母上的螺旋槽,一般要求磨削成型,因而制造困难,也限制了使用. 又由于传动的可逆性,所以不能自锁,当应用在垂直传动装置时,由于自重和惯性的 关系,在下降过程中不能立刻停止,因此还需要备有制动装置. 3.3.6 滚珠丝杠副的结构与调整 滚珠丝杠副的结构尽管在形式上有很多类型，但其主要区别是在螺纹滚到的型面形 状，滚珠循环的方式，轴向间隙的调整和加预紧力的方法等三个方面。 （1）螺纹滚道型面的形状 螺纹滚道型面的形状有很多种，目前国内正式投产的，仅有单圆弧型面和双圆弧型面两 种，如图所示。滚珠与滚道型面接触点法线与丝杠轴线的垂线之间的夹角，称为接触角 （） 。 （a）单圆弧 (b) 双圆弧 14 图 4-1 滚珠丝杠副螺纹滚道型面的截形 （2）单圆弧型面 一般滚道的圆弧半径要比滚柱的半径稍大一些。对于单圆弧型面的螺纹滚道，接触 角是随着轴向负载大小而变化的， 当轴向负载为零时， 接触角也为零； 当负载逐渐增大， 接触角也逐渐增大。实验证明：当接触角增大时，传动效率，轴向刚度，承载能力都随 之增大。 （3）双圆弧型面 双圆弧型面螺纹滚道的接触角是不变的。在偏心距（e）决定后，滚珠与滚道的圆弧 角接处，会有很小的空隙。这些空隙虽然能容纳一些脏物，但不至于堵塞，反而对滚柱 的滚动有利。从传动效率，轴向刚度，承载能力等要求出发，接触角大一些好，但接触 角过大制造就会困难。一般接触角为 45 ，滚道的圆弧半径也同样比滚柱的半径稍大一 些。 滚珠的循环方式 目前国内常用的滚珠循环方式由外循环和内循环两种。 （1）外循环方式 如图所示为外循环方式，滚柱在循环过程中与丝杠脱离接触，通过外面的循环回路 称为外循环（w 系列） 。这种外循环是直接在螺母的外圆上铣出螺旋槽，用挡珠器从螺 母内部切断螺纹滚道，挡珠滚珠的去路，迫使滚珠导入通向外圆螺旋槽中，构成了外面 的旋环回路。外循环的结构和制造较为简单容易，因此应用较广，他可以制成单列或式 双列两种的结构形式。 （2）内循环方式 滚柱在循环过程中与丝杠始终保持接触的称为内循环（n 系列） ，如图所示。这种内 循环是在螺母外侧孔中装了一个接通相邻滚道的反向器，借助这个反向器迫使滚珠翻过 丝杠的牙顶，而进入相邻的滚道。内循环滚珠丝杠副回路短，工作滚珠数目少，结构尺 寸紧凑，流畅性好，摩擦磨损小，传动效率高，轴向刚度和承载能力都较高，具有一系 列优点，但制造困难，结构复杂，所以不及外循环方式应用的广泛。 15 图 4-2 外循环的滚珠丝杠 图 4-3 内循环的滚珠丝杠 3.3.7 轴向间隙的调整和加预紧力的方法 对于滚珠丝杠副，除了单一方向的进给传动精度有一定的要求外，对它的轴向间隙 也有严格的要求，以保证反向传动的精度。要把轴向间隙完全消除，也是相当困难的。 通常采用双螺母，并加预紧力的方法来消除其轴向间隙。双螺母经加预紧力调整后，能 基本上消除轴向间隙。单螺母的滚珠丝杠副是不能调整轴向间隙和预紧力的，其轴向间 隙只能依靠滚珠丝杠副本的精度和安装时丝杠和螺母的连接精度来保证。 双螺母加预紧力消除轴向间隙必须注意两点，一是：通过预紧后产生的力，可促使 预拉变形， 以减少弹性变形所引起的位移。 但预紧力不能太大， 否则会使驱动力矩增大， 传动效率反而降低，使用寿命也随之缩短。二是：轴向间隙的消除，不能忽视丝杠的安 装部分和驱动部分的轴向间隙，应同时调整是它减少到最小。目前常用的双螺母预紧力 调整方法有下面三种。 （1）垫片调隙式 如图所示为垫片调隙式，一般用螺钉来连接滚珠丝杠上的两个螺母的凸缘处，在中间加 垫片。垫片的厚度是螺母间产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预紧力的目的。 这种结构特点是结构简单，可靠，装拆方便。但缺点是调整很费时，在工作状态下 不能随意调整，因为要更换不同厚度的垫片才能消除间隙，所以是用于一般精度的机构 中使用。 （2）螺纹调隙式 如图所示为螺纹调隙式。它是一个螺母的外端有凸缘，而另一个螺母的外端没有凸 缘，车有螺纹，它伸出在套筒外，并用两个圆螺母调整好间隙后，再用一圆螺母锁紧螺 母锁紧就可以了。 这种结构的特点是结构紧凑， 调整方便， 所以应用广泛， 但调整的位移量不太精确。 16 图 4-4 垫片调隙式 图 4-5 螺纹调隙式 齿差调隙式 如图所示为齿差调隙式。它是在两个螺母的凸缘上各有圆齿轮 2，两者的齿数值相 差一个齿，装入内齿圆 3 中，内齿圆 3 是用螺钉 1 和定位销 4 固定在套筒 5 上的。调整 是先取下内齿圆 3，转动圆柱齿轮 2，在两个滚柱螺母相对于滚筒 5 转动时，可以使两 个螺母相互产生角位移，这样滚柱螺母对于滚珠丝杠的螺旋滚道也相对移动是两个螺母 中的滚柱分别贴近在螺旋滚到的两个相反的侧面上。消除间隙并产生预紧力后，把内齿 圆 3 套上用定位销 4 固定。 这种结构的特点是调整精确可靠，定位精度高，但结构复杂，仅在高精度的数控机 床有所应用。 1螺钉； 2圆柱齿轮； 3内齿圆； 4定位销； 5套筒。 图 4-6 齿差调隙式 3.4 滚珠丝杠的选择 3.4.1 滚珠丝杠的精度 工作台工作行程为：300； （工件长度为 270，进给行程要略微大点） 3.4.2 滚珠丝杠参数的计算 （1）最大工作载荷的计算 17 丝杠的最大载荷为工作时的最大进给力加摩擦力，最小载荷即为摩擦力。设此台 z 向的最大进给力f f =5000n，导轨上面移动部件的重量约为 500 ，贴塑导轨的摩擦系 数为 0.04，故丝杠的最小载荷（即摩擦力） 1968 . 950004. 0 min = f g f （n） (4.3) 丝杠最大载荷是： = fmax 50001965196（n） (4.4) 平均载荷是： fm=( ) ff minmax 2+ 3 1 =() 3 1 19651962+3529（n） (4.5) （2）当量动载荷的计算 滚珠丝杠副类型的选择主要是根据导程和动载荷两个参数,其选择的原则为:滚珠 丝杠的静载荷coa不能大于额定静载荷coam,即coacoam;滚珠丝杠的动载荷ca不 能大于额定动载荷 cam,即 cacam。 驱动电机最高转速 2000 r/min 丝杠最高转速为 2000r/min，工作台最小进给速度为 0.5m/min，故丝杠的最低转速 为 0.1r/min，可取为 0，则平均转速 n=1000r/min。丝杠使用寿命 t=15000h，故丝杠的 工作寿命 106 60nt l = 106=675（ 106 r） (4.6) 当量动载荷值： ka l kpfm cm 3 = (4.7) 式中： kp载荷性质系数，无冲击取 1- 1.2，一般情况取 1.2- 1.5，有较大冲击振动 时取 1.5- 2.5； ka精度影响系数，对 1、2、3 级精度的滚珠丝杠取ka=1.0，对 4、5 级 精度的丝杠取ka=0.9。 根据要求去kp=1.5，ka=0.9，代入数据得 9 . 0 3 6755 . 13529 = cm 51.59（kn） (4.8) 根据计算所得最大动载荷和初选的丝杠导程，查滚珠丝杠样本，选择 ff6310- 5 型 内循环浮动返回器双螺母对旋预紧滚珠丝杠副，其公称直径为 63mm，导程为 10mm， 18 循环滚珠为 5 圈2 列，精度等级取 5 级，额定动载荷为 55600n，大于最大计算动载荷 cm=51590n，符合设计要求。 表 4.1 滚珠丝杠螺母副的几何参数 名 称 符 号 计算公式和结果 公 称 直 径 （mm） 0 d 63 螺距(mm) p 10 接触角 6 . 3 0 钢球直径(mm) w d 7.144 螺纹滚道法面半 径(mm) r 715. 352 . 0 = dw r 偏心距(mm) e 0.009 螺纹升角(mm) d ph arctg = 6 . 3 0 丝杠外径(mm) 1 d 62.5 丝杠底径(mm) 2 d 57.3 螺 杆 接 触 直 径 (mm) z d 55.87 螺 母 螺 纹 外 径 (mm) d 412.7022 0 =+=re d d 螺 母 内 径 (mm) （内循环） 1 d 62.64 （3）传动效率的计算 将公称直径d0=63mm，导程 p =10mm，代入=arctan d p 0 ，的丝杠螺旋升角 = 6 . 3 0。将摩擦角 10 =，代入=()+tantan，得传动效率=94.7%。 （4）刚度的验算 本传动系统的丝杠采用一端轴向固定，一端浮动的结构形式。固定端采用一对面对 面角接触球轴承和一个角接触球轴承，另一端也采用角接触球轴承，这种安装适应于较 高精度、中等载荷的丝杠。 滚珠丝杠螺母的刚度的验算可以用接触量来校核。 a、滚珠丝杠滚道间的接触变1 根据公式 z= dwd0 ，求得单圈滚珠数 z=22，改型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数 列数为 52，代入公式= z z 圈数列数，得滚珠总数量z=220。丝杠预紧时， 取轴向预紧力3 max ffy= =1732（n） 。查相关公式得滚珠丝杠与螺纹滚道间接触变形 19 3 3 0013 . 0 1 zfydwpa = (4.9) 式中pa= cm 51590n。代入数据得； 3 3 0013 . 0 1 zfydwpa = = 33 220 1732144. 7515900013 . 0 = 0.013(mm) 因为丝杠有预紧力，且为轴向负载31，所以实际变形量可以减少一半，取 1=0.0065mm。 b、丝杠在工作载荷fmax作用下的抗压变形2 丝杠采用的是两端都为角接触球轴承，轴承的中心距 a=1100mm，钢的弹性模量 e= 105 1 . 2 pa m,由表 2.1 中可知，滚珠直径dw=7.144mm，丝杠底径d2=44.3mm，则 丝杠的截面积： 4 2 2 d s=1540.6(mm2) 根据公式es feq = 2 代入数据得： 6 . 1540 105 1 . 2 12005196 2 = =0.018(mm) c、总的变形总 总= 21+ =0.0065+0.018=0.0245mm,丝杠的有效行程为 600， 丝杠在有效行程 500630mm 时，行程偏差允许达到 30m,，可见丝杠刚度足够。 （5）稳定性的验算 k l eif k pa 2 2 = (4.10) 公式中取支撑系数 f k =2， 由丝杠底径d2=44.3mm 求的截面惯性矩64 4 2 d i=188957.7(mm4)，压杆稳定安 全系数 k 取 3（丝杠卧式水平安装） ，滚珠螺母至轴向固定处的距离al =取最大值 1200mm，代入公式得： 3 12002 7 . 188957 105 1 . 2 14 . 3 2 2 = pa =181129.6() 则 f=181129.6n 大于cm=51590n，故不会失稳，满足使用要求。 （6）临界转速的验算 对于滚珠丝杠还有可能发生共振，需要验算其临界转速，设不会发生共振的最高转 20 速为临界转速nc。 查资料得公式 ： lc d f nc 2 2 2 2 9910= (4.11) 其中： 43.54144 . 7 2 . 1632 . 1 02 = dwdd (mm)； lc为临界转速计算长度lc=1200(mm)； f 2 为丝杠支承方式系数927 . 3 2 =f（一端固定，一端游动） 代入数据得： nc 4397(r/min),临界速度远大于丝杠所需转速，故不会发生共振。 （7）滚珠丝杠选型和安装尺寸的确定 由以上验算可以知道，丝杠型号为 ff63105，完全符合所需要求，故确定选用该 型号，安装尺寸查表可知。 （8）丝杠支承的选择 滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的 轴向精度和轴向刚度应有较高要求。其两端支承的配置情况为轴向固定方式。本次设计 丝杠支承选用一端固定，另一端浮动。 3.5 伺服电机的选择 3.5.1 最大切削负载转矩的计算 所选伺服电机的额定转矩应大于最大切削负载转矩。最大切削负载转矩 t 可根据 以下公式计算，即 i tftp phf t += 00 2 max (4.12) 从前面的计算可以知道，最大载荷5196 max= f n，丝杠导程ph=10mm=0.01m，预紧力 cafp 4 1 =1390055600 4 1 =n，根据计算的滚珠螺母丝杠的机械效率=0.947，因为 滚珠丝杠预加载荷引起的附加摩擦力矩： 7 . 4 8 . 29 01 . 0 13900 8 . 29 0 = phfp tp（nm） (4.13) 查手册得单个轴承的摩擦力矩为 0.32n m， 故一对轴承的摩擦力矩t f 0=0.64n m。 简支端轴承步预紧， 其摩擦力矩可忽略不计。 伺服电动机与丝杠直接相连， 其传动比i=1， 则最大切削负载转矩： 21 7 . 1464 . 0 7 . 4 947 . 0 2 01 . 0 5196 + = t(nm) 所选的伺服电机额定转矩应该大于此值。 3.5.2 负载惯量的计算 伺服电机的转动惯量jm应与负载惯量jl相匹配。 负载惯量可以按一下次序计算。立柱与主轴箱的质量为 500 ，折算到电动机轴上 的惯量j1可按下式计算， ( )()0025 . 0 2 01 . 0 2 800 2 2 2 1 = = ph m v m j (kg) (4.14) 丝杠名义直径d0=63mm=0.063m，长度 l=1.2m 丝杠材料（钢）的密度=7.8 103 m3。根据公式计算丝杠加在电动机轴上的惯量 0057 . 0 32 05 . 0 4 2 . 1 103 8 . 7 4 0 32 1 2 = = dl j () (4.15) 联轴器加上锁紧螺母等的惯量j3可直接查手册得到，即001. 0 3= j () 故负载总的惯量为 0092. 0001. 00057. 00025. 0 3213 =+=+= jjjj () 电动机的转子惯量jm应与负载惯量jl相匹配。通常要求jm不小于jl，但jm 也不是越大越好。因jm越大，总的惯量j就越大，加速度性能受影响。为了保证足够 的角加速度，以满足系统反应的灵敏的，将采用转矩较大的伺服电动机和它的伺服控制 系统。根据有关资料的推荐，匹配条件为： 41 jl jm (4.16) 则所选交流伺服电动机的转子惯量jm应在 0.00920.036 范围之内。 根据上述计算可选用表 4.2 中的交流伺服电机 22/3000i 型， 其额定转矩为 22nm， 最高 min 3000 max r n =，转动惯量 j=0.012 。 表 4.2 fanuc(hv)i 系列交流伺服电机 型号 1/ 5000i 2/ 5000i 4/ 4000i 8/ 3000i 12/ 3000i 22/30 00i 22 输出功率 /kw 0.5 0.75 1.4 1.6 3 4 额定转矩 (nm) 1 2 4 8 12 22 最高转速 min 1 5000 5000 4000 3000 3000 3000 转动惯量 () 0.00031 0.00053 0.0014 0.0026 0.0026 0.012 质量 3 4 8 12 18 29 伺服放大 器规格 20i 20i 20i 40i 80i 80i 3.5.3 空载加速转矩计算 当执行件从静止以阶跃指令加速到最大移动（快速）速度时，所需要的空载加速转 矩ta按下式求， tac n j ta 60 max 2 = (4.17) 空载加速时，主要克服的是惯性，选用的 22/3000i 型交流伺服电动机,总惯量 =+= jljm j0.0120+0.0092=0.0212() 加速度时间tac通常取tm的 34 倍，故tac=(34)tm=(34)6=1824(ms)，则 173130 60 150014 . 3 2 0212 . 0 = = tac ta (nm) 3.6 滑动导轨的选择计算 常用的导轨截面有矩形、三角形、燕尾形和圆形的。如图 4.2 所示。根据支承导轨 的凸凹状 4态，又可分为凸形和凹形两类导轨。凹形容易存油，但也容易积存切屑和尘 粒，因此适用于具有良好的防护环境。凸形需要有良好的润滑条件。目前数控机床使用 的导轨主要有三种：塑料导轨、静压导轨和滚动导轨。 23 图 4.4 3.6.1 工作载荷的计算 影响导轨副寿命的重要因素是工作载荷，假设立柱所有重量加在贴塑滑动导轨的一 根导轨上，则导轨所承受的最大垂直方向上的载荷是： 2 max g f = (4.18) 上式中 g 是重量，即 g=50010=5000(n)，代入上式得： fmax=2500(n) 3.6.2 额定工作寿命的计算 预计机床的工作寿命是 10 年，一年是 365 天，工作时间是 350 天，每天工作 8 小 时，因此得到小时额定工作寿命=835010 lh 28000(h)。 3.6.3 距离额定工作寿命的计算 根据公式 602 10 3 ns l lh =得： 103 602 = ns lh l (4.19) 公式中：lh为小时额定工作寿命； n 为移动部件每分钟往返次数(4- 6)取 5： s 为移动部件的行程，即 s=600mm。 代入数据得：l=10080km 。 24 3.6.4 额定动载荷计算及选型 由公式( ) f ca l 3 25 . 6 =得： 3 25 . 6 lf ca= (4.20) 公式中：ca为额定动载荷； l 为距离工作寿命，由上面的计算可以知道为 10080km； f 为导轨的工作载荷，即 f=2500n。 代入数据得：ca=29318n。 由计算的动载荷值本次设计选用的是贴塑滑动导轨， 它是在数控机床的动导轨 4面， 是塑料导轨的一种。导轨副的另一固定导轨面为淬火磨削面。软带是以聚四氟乙烯为基 材，添加合金粉（青铜粉、二硫化钼） 、玻璃纤维和氧化物的高分子复合材料。其厚度 有 0.8、1.1、1.4、1.7、2mm，宽 150mm、300mm 等几种。塑料滑动导轨与其他导轨相 比，具有以下特点： （1）动静摩擦系数相近：运动平稳性和爬行性能较铸铁导轨副好。 （2）吸收振动：具有良好的阻尼性，优于接触刚度较低的滚动导轨和易漂浮的静 压导轨。 （3）摩擦系数低而稳定：比铸铁导轨副低一个数量级。 （4）化学稳定性好：耐磨、耐低温、耐强酸、强碱、强氧化性剂及各种有机溶剂。 （5）耐磨性好：有自身润滑作用，无润滑油也能工作，灰尘磨粒的嵌入性好。 （6）维护修理方便：软带耐磨，损坏后更换容易。 （7）经济型好：结构简单，成本低，约为滚动导轨的 1/20，为三层复合材料 du 导轨成本的 1/4。 其中导轨贴塑板选用扬中市天一高分子新材料有限公司生产的 ty 导轨贴塑板。 3.7 联轴器的选择 金属弹性元件挠性联轴器是由各种片状、圆柱状、卷板状等形状的金属弹簧，利 用金属弹簧的弱性变形以达到补偿两轴相对偏移 和减振、缓冲功能，构成不同结构、 性能的挠性联轴器。金属弹性元件比非金属弹性元件强度高，使用寿命长，传递载荷能 力大，,适用于高温工况，弹性模最大且稳定。 如图 4.5 所示膜片联轴器是由几组膜片（不锈钢薄板）用螺栓交错地与两半联轴器 联接，每组膜片由数片叠集而成，膜片分为连杆式和不同形状的整片式。膜片联轴吕靠 膜片的弹性变形来补偿报联两轴的相对位移，是一种高性能的金属弱性元件挠性联轴 器，结构较紧凑，强度高，不用润滑，使用寿命长，无旋转间隙，不受温度和油污影响， 具有耐酸、耐碱、防腐蚀的特点，适用于高速、高温、有腐蚀介质工况环境的轴系传动， 25 广泛用于各种机械装置的轴系传动 。 图 4.5 djm5 金属膜片挠性联轴器 3.8 轴承的选择 滚珠丝杠中经常使用的滚动轴承有以下两类。 （1）接触角为600的角接触球轴承 这是目前国内外广泛采用的滚珠丝杠轴承，这种轴承可以组合配置。一种为面对面 方式，另一种为背靠背组合方式。这两种方式都可承受双向轴向推力，还有一种是通向 组合方式， 其承受能力较高， 但只承受一个方向的轴向力， 同向组合时的额定动载荷ca 等于单个轴承的ca乘下列系数：2 个为 1.63;3 个为 2.16；4 个为 2.64。由于螺母与丝杠 的同轴度在制造安装的过程中难免有误差，而且采用面对面组合方式时两接触线与轴线 交点间的距离 a 比背对背的小，故容易实现自动调整。因此在进给传动中面对面组合用 的较多。 （2）滚针推力圆柱滚子组合轴承 外圈与箱体固定不转，内圈和隔套内圈随轴转动，滚针承受径向载荷，圆柱滚子分 别承受两个方向的轴向载荷，修磨隔套内圈的宽度可调整轴承的轴向预紧量。 本次设计选用角接触球轴承，根据轴的直径选用型号为表 4.3 中的 7009 gb/t 292 1994。 表 4.3 角接触球轴承 26 3.9 滚珠丝杠副的安全使用 3.9.1 润滑 为使滚珠丝杠副充分发挥机能，在其工作状态下，必须润滑，润滑的方式主要有以 下两种： 1润滑脂 润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的 13， 滚珠丝杠副出厂时在螺母内部已 经加注 gb7324942#锂基润滑脂。 2润滑油 运动粘度 28574cst(400t)的润滑油，给油量随使用条件等的不同而有所变化。 3.9.2 防尘 滚珠丝杠与滚动轴承一样，如果污物及异物进入就很快使它磨损，成为破损的原因。因 此，考虑有污物异物进入时，必须采用防尘装置，将丝杠轴完全保护起来。另外，如没 有异物，但有浮沉时可以在滚珠螺母两端增加防尘圈。 3.9.3 使用 滚珠丝杠副在使用时应注意以下事项： 1滚珠螺母应在有效行程内运动，必要时在行程两端配置限位，以免螺母约程脱 离丝杠轴而使滚珠脱落。 2滚珠丝杠副由于传动效率高，不能自锁，在用于垂直方向传动使，如部件重量 未加平衡，必须防止传动停止或电机失电后，因部件自重而产生的逆传动。 3滚珠丝杠副正常工作环境温度为60c。 27 3.9.4 安装 滚珠丝杠副在安装时应注意以下事项： 1.滚珠丝杠副仅用于承受轴向载荷。径向载荷、弯矩会使滚珠丝杠副产生附加表面 接触应力等负荷，从而造成丝杠的永久性破坏。因此，滚珠丝杠副安装到机床时，应注 意： 1）丝杠的轴线必须和其配套导轨的轴线平行，机床的两端轴承座与螺母座必须三 点成一线； 2）安装螺母时，应尽量靠近支撑轴承； 3）同时，安装支撑轴承时，应尽量靠近螺母安装部位。 2.滚珠丝杠安装到机床时，尽量不要把螺母从丝杠上卸下来，如 必须卸下来时要使用辅助套，否则装卸时滚珠有可能脱落。螺母装卸时应注意以下 几点： 1）辅助套外径应小于丝杠底径 0.1-0.2 mm 2）辅助套早使用中必须靠紧丝杠螺纹轴肩； 3）装卸时，不可使用过大力以免螺母损坏； 4）装入安装孔时要避免撞击和偏心。 第 4 章 床身的设计 床身是铸造而成的，因此就与铸造工艺有关，对于一些相关的数据可以从表 5.1， 表 5.2，表 5.3 中看出。比如根据床身的尺寸可以知道铸件的最小壁厚、筋厚的选择和加 强筋的高度选择。通过图中的数据进行比较厚，床身的设计如图 5.4 所示，床身的最小 壁厚为 30mm。 表 4.1 砂型铸造铸铁件的最小厚壁 （mm） 28 表 5.2 灰铸铁件的壁厚与筋厚 (mm) 表 5.3 铸铁平板加强筋的高度 (mm) 第 4 章 镗杆传动部分的设计 29 第 5 章 镗杆传动部分的设计 本课题传动部分拟定通过镗床主轴箱提供动力，带动一对外啮合齿轮传动，齿轮带 动轴传动，而镗杆就是固定在这根轴上实现旋转运动。 5.1 镗杆传动部分功率计算 （1）加工条件 工件材料：灰铸铁 加工要求：粗镗缸套 110mm 内孔，留加工余量 0.3mm，加工 2.2mm 机床：专用镗床 刀具：yt30 镗刀 量具：塞规 （2）计算镗削用量 粗镗孔至 109.4mm，单边余量 z=0.3mm, 切削深度 ap=2.2mm,走刀长度分别为 l1=270mm, 确定进给量 f： 根据工艺手册 ，表 2.460,确定 fz=0.37mm/z 切削速度： 参考有关手册，确定 v=3