毕业设计（论文）-内圆弧曲面专用数控车床的工作台设计（全套图纸）.doc

第一章 绪论第一章 绪论1.1 内圆弧曲面类工件的日常应用内圆弧曲面类工件，在我国家电、模具、汽车制造及社会其它的各个领域，都广泛被应用。根据市场调查，仅仅是湛江地区，光是电饭煲这类家电，年产量达5000万个/年，可见该产品在国内的产量是相当大的。而电饭煲的其中主要元件发热盘，是典型的双内圆弧曲面工件。为了实现节能目的，该元件的使用要求要具备高的传热效率功能。则在产品外形设计方面，尽量和电饭煲胆外形一致；尺寸和表面精度方面，尺寸精度要求高，内圆弧曲面表面的几何精度和粗糙度要求严格，是重要的技术指标，其精度的优劣直接影响传热效果。因此对其加工工艺，提出了更高的要求，为了达到加工目的，所使用的工艺装备需具备高效率、高精度、高稳定性的特点。全套图纸，加1538937061.2 加工该类工件在国内外的发展概况及存在的问题对内圆弧曲面类工件的加工，国内传统的加工方法是专用普通车床结合靠模，但由于普通电机转速限制，已不能满足产品的切削效率和精度的要求。而采用数控车床，我国的数控机床产品主要还是以中、低端的低附加值产品为主，且存在加工精度不稳定和效率不高的缺点。当前专用的内圆弧曲面数控车床在国内外较为少见，一些进口的高精度数控车床，可以满足加工此类零件的需要，但需配套相应的工装装备。而且价格较高价格从几十万到一百多万不等。成本相当高，不适合我国国情。而目前我国自行开发研制的主要有普通专用液压车床，实现了多刀联动的功能，加工效率由原来通用的数控车床：件/2-3分钟，提高到:件/0.60.7分钟，加工效率提高了35倍，造价低。但由于全部依靠机械结构联动，液压传动定位，因而定位精度相对数控机床要低，且不稳定，又电机转速不够高，因而加工质量不稳定，可靠性较差。1.3 研发内圆弧曲面类专用数控机床目的与意义随着国内外制造业的不断发展，各种加工方法日新月异，尤其一些带内圆弧曲面工件的加工方法，由原来的传统方法到现代的数控制造，由普通车床到专用车床，多种多样，但目的是为了达到低成本、高效率和高精度。传统加工方法的特点是低成本；普通专用机床的加工特点是高效；数控机床加工方法的特点是高精度，各有其特点。目前，内圆弧曲面类工件的加工方法，以电饭煲的碗形发热盘为例，用数控车床车削，加工成本达二十元，而且加工效率低（每件加工时间要23分钟）。不能发挥数控设备高效、高精度的优点。因此通用数控车床加工不能提高生产效率。而用普通的专用车床，由于转速不能太高及机械控制定位精度的局限性，内圆弧面的加工精度不稳定。从上述看出内圆弧曲面工件的加工制造方法存在着不少的问题(精度和成本)，因此研制一种数控专用加工车床很有必要。该车床既能提高加工效率、又能满足加工精度。该工艺装备目前在国内还未见开发研究的实例。项目立项建设将填补国内内圆弧曲面类工件专用数控车床的空白，有效地提高国内自制专用数控机床的质量及性能，加强企业的国际市场竞争力，推动企业技术的不断进步，扩大国产内圆弧曲面类工件专用数控车床的销售量。随着数控技术的发展，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。而开发研制集普通专用机床和数控机床一体的针对加工内圆弧曲面工件的专用数控车床，具智能化、高速化、成本低、精度高等特点，适合我国现有以中、小型规模的企业为主的国情，市场前境广阔。开发内圆弧曲面数控专用车床根据中国的实际情况，消化吸收国外先进的技术和经验，为社会提供高精度、高效率、低消耗的生产设备。本项目开发的内圆弧曲面数控专用车床，先以电饭煲发热盘为试切工件，产品切削成功后，再通过调整安装刀具的位置，加工其它规格同类型的产品，具有专用性的同时也具备通用特点。该设备集普通专用车床和数控车床的优点，价格定位低，目标是8万元/台，并且产品质量和加工效率都能满足需要，符合国内加工内圆弧面曲面工件的要求。高精度高效率数控专用机床的研制是我国数控机床研制发展的一个重要方向。产品研制成功，投入使用，不但可解决部分人的就业情况，同时也为企业创造经济收益。将会产生较大的经济效益和社会效益。49第二章 工件工艺分析第二章 工件工艺分析2.1 工件的结构分析及技术要求2.1.1 工件的外形结构分析如图2.1所示，该电饭煲的发热盘属于旋转类外形内圆弧曲面类工件，一般可以通过车削加工或铣削加工的方式生产。发热盘的碗型托面由23个弧面组成，该曲面结构与电饭煲内胆的外形结构相似，可以大幅度的增加发热盘传热的接触面积，提高热能的传递效果和效率，节能的效果佳。另外，在圆弧面上分别有3处工艺夹头位，适用于通用夹具装夹。图2.1 电饭煲发热盘工件2.1.2 工件的加工部位该工件的毛坯位精铸件，材料为硅铝合金。毛坯精加工的余量为0.40.5mm。根据其结构的分析，发热盘需要加工的部位如图2.2所示，分别有外圆柱面1、端面2、倒圆角3、双内圆弧曲面4、内孔倒角5、内孔面6。图2.2 工件的加工部位2.1.3 工件的加工精度要求各加工部位的表面要求：刀纹路细腻均匀，清晰美观，不留刀痕；尺寸精度控制在IT7级之内。对于内圆弧面，其表面粗糙度要求在Ra1.6以内，形状精度要求达到0.0010.01mm之间。2.2 工件加工工艺分析碗型发热盘选用的毛坯位硅铝合金的精铸铸件，且加工余量较小，故切削力较小，属于很容易切削的材料。所以，车削加工与铣削加工均可满足工件的加工要求。但是，该工件一般为大批量生产的产品，因此，从加工效率的角度上考虑，工件采用效率更高的车削加工方式。对于内圆弧曲面类工件的加工方法，通常由普通的专用车床和数控车床加工。采用普通的专用车床加工。虽然加工的效率较高（0.60.7分钟/件），但是由于普通的专用车床加工全部事依靠机械结构联动，液压传动定位，而且电机的转速较低，所以，加工工件，特别是内圆弧面的精度不稳定，可靠性较差。而使用普通的数控车床车削，加工的成本较高，而且加工效率较低（23分钟/件），不能发挥数控设备高效率、高精度的优点。而且在加工过程中，由于工件的外形结构，刀具容易产生过切现象。因此，针对该类内圆弧曲面的工件，应该设计一种集普通的专用车床与数控车床一体的专用数控车床，该车床兼有智能化、高速化、低成本、高精度等特点。加工内圆弧曲面类工件的专用数控车床的总体结构如图2.3所示，它是由机械系统、强电系统和数控系统3部分组成得几点一体化集成系统。其中强电系统和数控系统与一般的车床相类似。本次设计主要是针对机械系统中进给运动执行部件进行设计说明。图2.3 专用数控车床结构成框图第三章 加工方案的确定第三章 加工方案的确定3.1 数控车床刀架的功用1数控车床的刀架是机床的重要组成部分，刀架用于夹持切削用的刀具，因此其性能和结构直接影响机床的切削性能、切削效率和体现了机床的设计和制造技术。刀架是直接完成切削加工的执行部件，所以，刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受加工时的切削抗力。由于切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，所以要求数控车床选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证有较高的重复定位精度。此外，刀架的设计还应满足换刀时间短、结构紧凑和安全可靠等要求。 3.2 数控车床刀架的分类13.2.1 转塔式刀架转塔式刀架是数控车床最常用的一种典型刀架，如图3.1（a）所示。刀架通过旋转分度定位来实现机床的自动换到动作。根据刀架回旋轴与安装地面的相对位置，刀架一般分为立式刀架和卧式刀架；根据加工要求可设计成四方、六方刀架或者圆盘式刀架，并相应地安装4把、6把或者更多的刀具。转塔式刀架的转刀东为可分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤。它的动作时由数控系统发出指令完成的。（a） 转塔式刀架（b） 直排式刀架图3.1 数控车床刀架3.2.2 直排式刀架直排式刀架是数控车床用刀架的一种特殊形式。它一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。该刀架的结构形式为，夹持着各种不同用途刀具的小刀夹沿着机床X轴方向排列在横向滑板上。刀架的典型布置方式如图3.1（b）所示，这种刀架在刀具布置和机床换到都较方便、迅速。可以按照零件的车削工艺要求，任意组合成各种不同用途的刀具，并按机床形成的大小来确定刀具的安装数量。一把刀完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿X轴方向移动至预先设定的距离，第二把刀就准备到达加工位置。这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式快速省时，可以大大提高数控机床的生产效率。而且刀架也可以安装各种不同用途的动力刀具， 钻、铣、攻螺纹等加工工序，使零件在一次装夹中完全全部或大部分的工序。3.3 数控车床的刀架的选用转塔式刀架的结构比较复杂，制造成本较高，而且加工时，动作较多，效率较低。因为发热盘的外形结构简单，回转直径不大，且加工工序较小。故该数控专用车床的刀架采用直排式刀架。第四章 刀架运动分析第四章 刀架运动分析4.1 车刀的选用4.1.1 车刀的分类5车刀一般可以分为整体式车刀、焊接式车刀、机械夹固定式车刀、可转位式车刀四种。整体式车刀，如图4.1（a）所示，一般使用高速钢材料整刀制造，刀材比较浪费且切削的性能不理想。焊接式车刀，如图如图4.1（b）所示，是把一定形状的硬质合金刀片钎焊在普通碳钢刀杆上，再经刃磨制成。虽然结构简单，制造方便，但是焊接容易导致刀片强度下降，而且其换刀和对刀的时间较长，且一般都是整刀报废，与现代化生产理念不相符。故本次设计不采用上述两种车刀。（b） 焊接式车刀（a） 整体式车刀（d） 可转位式车刀（c） 机械夹固定式车刀图4.1 车刀的分类机械夹固定式车刀式将标准硬质合金刀片用机械夹固定的方法安装在刀杆上，如图4.1（c）所示，结构简单、可靠，有效避免焊接式车刀因焊接带来的缺陷。但是它仍然存在着重磨刀刃时可能引起的裂纹问题。而可转位式车刀可通过可转位刀片快速换刀，如图4.1（d）所示，避免了焊接、重磨带来的缺陷，生产效率和质量大大提高。综合上述，本次设计采用可转位式车刀。4.1.2 加工部位的车刀选择因为直排式刀架的结构特点，刀具的刀杆与机床主轴平行。因此，根据工件加工部位的特点，对于外圆柱面，采用装SN型刀片偏头外圆车车刀加工；对于端面，采用装TN型刀片的直头端面车刀加工；对于内孔面、内孔倒角、双内圆弧面、倒圆角，均可采用装DN型刀片的仿形车刀加工。4.1.3 刀杆尺寸确定5因为工件毛坯的加工余量很小，只有0.40.5mm，材料为硅铝合金，切削力很小，故可以可以采用截面面积较小的刀杆。根据可转位式车刀的标准尺寸（GB5343.2-85），采用刀杆截面为20X20的方形，长度为125mm的刀杆。4.2 直排式刀架的加工运动分析4.2.1 刀具的切削轨迹因为机床采用直排式刀架加工工件，所以刀架上的刀具的运动轨迹分别包括X轴方向的横向直线运动、Z轴方向的纵向直线运动和两周联动所作的圆弧运动。根据工件外形结构、加工部位分析以及直排式刀架的特点，工件可以一次加工成形。根据图4.2刀具的切削轨迹分析，可知刀具的切削轨迹，见表4.1。表4.1 刀具的切削轨迹加工部位图示位置加工部位图示位置外圆柱端面双内圆弧曲面端面内孔倒角倒圆角和内孔面X轴方向Z轴方向图4.2 刀具的切削轨迹分析图4.2.2 刀具的切削动作分析对于外圆柱面和内孔面，刀具的运动轨迹均属于Z轴方向的直线运动。因此，可以根据外圆柱面与内孔面之间的相对距离，设置好外圆车刀和仿形车刀的相对位置，直排式刀架一次的Z轴进给中就能同时加工外圆柱面和内孔面。对于内孔倒角，因为其尺寸很小（），所以只要注意仿形车刀刀片的切削角度，避免过切发生，可以与内孔面一并加工完成。对于端面，刀具的运动轨迹与直排式刀架的换刀动作一样均为X轴方向的直线运动。因此，只要设置好端面车刀与工件端面的垂直距离，在直排式刀架换刀的时候，端面可以一并加工完成。对于双内圆弧曲面和倒圆角和，仿形车刀是通过X轴和Z轴共同联动完成切削轨迹。因为该加工部位与内孔面采用同一把车刀，所以可以将内孔面与双圆弧曲面一并加工。但是需要注意的是，由于偏头仿形车刀刀杆的形状和刀片的角度，如果车刀加工圆角的时候，直接从点加工至点， 刀片不可避免的会发生过切的现象。因此，仿形车刀加工圆角时，应该先从工件的一端加工外圆角(或内圆角),然后再从工件的另一端加工内圆角（或外圆角）。4.2.3 刀具的切削步骤根据刀具的切削轨迹及其动作分析，并将其最优化，可得工件的加工步骤如图4.3所示：a）加工开始，直排式刀架运动，仿形车刀到达点，开始加工外圆角；b）外圆角加工完成，端面车刀到达加工位置，开始加工端面；c）刀架沿X轴方向运动，端面车刀加工端面完成，外圆车刀和仿形车刀同时到达加工位置；d）刀架沿Z轴方向进给，外圆车刀加工外圆柱面完成，仿形车刀加工内孔面完成；e）刀架沿Z轴方向进给反方向退刀，仿形车刀到达点，开始加工内孔倒角；f）刀架通过X轴和Z共同联动，仿形车刀加工内孔倒角完成，仿形车刀到达点，开始加工双内圆弧曲面；g）刀架通过X轴和Z共同联动，仿形车刀加工双内圆弧曲面完成，仿形车刀到达点，开始加工内圆角；h）刀架通过X轴和Z共同联动，仿形车刀加工内圆角完成，待直排式刀架退至原始位置，加工结束。d）c）b）a）h）g）f）e）图4.3 工件的加工步骤图4.3 刀具的安装位置直排式刀架上各刀具的安装位置取决刀具刀尖的相对位置，根据上述刀具的运动分析可以计算出各刀具刀尖的相对位置。4.3.1 外圆车刀和仿形车刀a）轴向距离当仿形车刀到达内孔面的加工位置时，外圆车刀也要到达外圆柱面加工位置，因为内孔面比外圆柱面的加工距离要长，所以，两刀的轴向距离要大于或者等于点与的水平距离，即，故取。b）径向距离因为外圆车刀和仿形车刀同时加工外圆柱面和内孔面，因此，两刀的的径向距离等于与的垂直距离，即。4.3.2 端面车刀和仿形车刀a）轴向距离当仿形车刀加工外圆角完成后，此时，端面车刀应该到达加工位置，即与工件的端面平齐，因此，两刀的轴向距离等于点与的的轴向距离，即。b）径向距离当仿形车刀加工外圆角时，端面车刀位于工件之内，但不能与工件内圆弧面发生接触，因此，两刀的径向距离要大于点到双内圆弧面而的径向距离，即，但是考虑刀片的形状以及小刀夹的安装位置，故取。4.3.3 刀具的安装位置a）仿形车刀的伸出距离当仿形车刀完成加工内孔面完成时，直排式刀架沿Z轴方向进给距离最大，此时，刀架不能工件发生接触，因此，仿形车刀刀尖与刀架的轴向距离要大于点与的水平距离，即，故取。b）各刀具的安装位置如图4.4所示。图4.4 刀具的安装位置图4.3.4 刀具与卡盘的安全距离a）卡盘的选择从图2.1工件的外形尺寸图可以看出，发热盘的碗型托面有3处工艺夹头位，因此装夹可以选用通用的短圆柱三爪自定心卡盘。卡盘的外形尺寸根据工件的内孔大小和工艺夹头位确定。工件的内孔直径为，工艺夹头位直径为，因此选择直径为，内孔直径为的短圆柱三爪自定心卡盘，其具体结构尺寸如图4.5所示。图4.5 短圆柱三爪自定心卡盘基本结构尺寸b）刀具的安全距离当刀架加工工件，刀具不能与卡盘发生接触，这样会损坏刀具和卡盘。根据刀具安装位置和卡盘尺寸，通过作图，如图4.6所示，当仿形车刀加工内孔面完成时，刀架进给距离最大，外圆车刀与端面车刀与卡盘均没有发生接触，即刀具和卡盘的安全距离足够，所以，刀具的安装位置符合安全要求，不需要调整。图4.6 刀架进给最大时刀具与卡盘的相对位置第五章 小刀夹设计第五章 小刀夹设计因为刀具加工工件需要的切削力很小，因为刀具的固定可以采用常用的螺旋夹紧方式固定。因为直排式刀架是用过横向滑板沿X轴方向运动实现换刀的动作，因此每把的刀具均采用单刀夹装夹。装夹刀具，可以通过刀具的悬伸长度调整刀尖的轴向距离。而调整刀具的径向距离，可在横向滑板上加工T型槽，通过小刀夹在横向滑板上的安装位置，即可实现调节。小刀夹的结构尺寸如图5.1所示。图5.1 小刀夹结构尺寸小刀夹的安装如图5.2所示。图5.2 小刀夹的安装第六章 工作台的结构设计第六章 工作台的结构设计6.1 工作台的结构数控机床的工作台的的机械结构包括传动机构和执行机构两大部分，其中，传动机构包括滚珠丝杠副、滚动轴承、伺服电机等部件，而执行机构包括滑板和滑板座，两者之间用导轨连接。因为刀架的运动轨迹分别有X轴、Z轴的直线运动以及两轴联动所作的曲线运动，因此，工作台根据其运动方向分为两部分，一部分对应X轴方向，X轴向的滚动丝杠置于横向滑板底座之中，通过伺服电机传动，滚动丝杠带动横向滑板沿X轴方向运动，横向滑板上固定各种刀具；另一部分是对应Z轴方向，其结构基本一样，只是该部分置于X轴向部分的下方，横向滑板底座固定在纵向滑板上，纵向滑板运动时，带动整个X轴向部分作沿Z轴运动，从而实现两轴联动。工作台的滑板和滑板底座均采用铸造制成，材料为灰铸铁HT200。铸造出来的毛坯再经过机床精加工轨道和底座内腔。综合考虑工作台的加工性能，初步取横向滑板的长度为1500mm，宽度为350mm，X轴向丝杠的有效行程为750mm，Z轴向丝杠的有效行程为450mm。6.2 导轨设计6.2.1 导轨的功用和分类2导轨主要用来支承和引导运动部件沿着一定的轨迹运动，两相对运动部件的配合面组成一队导轨副。导轨是机床的关键部件之一，其性能好坏，将直接影响机床的加工精度、承载能力和使用寿命。常用的导轨分别有滑动导轨、滚动导轨、塑料导轨、静压导轨、动压导轨和镶金属导轨等等。6.2.2 导轨的选用一般的机床或者数控机床应用最广泛的导轨分别有滑动导轨和滚动导轨。滑动导轨结构结构简单，使用维修方便，但是磨损较大、寿命低、运动精度不稳定；而滚动导轨的运动灵敏度高、定位精度高、磨损少，但是结构复杂，刚醒和抗振性差，导向精度低，成本较高。本次设计的工作台导轨的精度要求如下：导轨纵向的直线度，横向平行度。虽然滑动导轨的精度没有滚动导轨高，但是滑动导轨也能满足工作台设计的精度要求，因此，从成本化与结构简单化考虑，工作台采用滑动导轨6.2.3 滑动导轨的截面形状2滑动导轨截面的基本形状主要有4种：三角形、矩形、燕尾形和圆柱形，每种之中还有凸凹之分，如图6.1所示。图6.1 导轨的截面形状图6.1（a）是三角形导轨，它的导向性能随顶角的大小而不同，越小导向性越好。但是当减少时导轨面的当量摩擦系数加大。通常去三角形导轨取三角形导轨的顶角为。对于大型或重型机床，由于载荷大，常取较大的顶角，如，不仅保证了必要的导向性，而且在一定的压强下使导轨高度最低。当导轨面有了磨损时，三角形导轨的工作台会自动下沉补偿磨损量。支承导轨为凸三角（山）形时，不易寄存较大的铁屑，但也不易存留润滑油，因此，适合于不易防护、速度较低的进给运动轨迹。支承导轨为凹三角（V）形时，由于能得到较充足的润滑，可用于主运动导轨，但是必须很好地防护，以免落入铁屑和灰尘。图6.1（b）是矩形导轨，与三角型导轨相比，摩擦系数低，刚性高，加工、检验和维修都较方便。但是矩形导轨不可避免地存在侧面间隙，因而导向性差，需要有间隙调整装置。矩形导轨适合于载荷较大、而导向性要求略低的机床。图6.1（c）是燕尾形导轨，它的高度较小，间隙调整方便，可以承受颠覆力矩；但刚性较差，加工、检验和维修都不大方便。这种导轨适用于手里小、层次多、要求间隙调整方便的地方，例如车床刀架。图6.1（d）是圆柱形导轨，它制造方便，不易积存较大的铁屑，但磨损后很难调整和补偿间隙。与上述几种形状相比，应用最少。6.2.4 滑动导轨的组合2滑动通常由两条导轨组合而成，如图6.2所示图6.2 滑动导轨的形状和组合图6.2（a）为双三角形导轨，它的导向性和精度保持性都高，但是由于超定位，加工、检验和维修都比较困难。因此它多用于精度要求较高的机床，例如丝杠车床、单柱坐标镗床和齿轮加工机床等，顶角常取为。图6.2（b）为双矩形导轨，它的刚度高，承载能力高，加工、检验和维修都方便，多用于普通精度的机床和重型机床，例如组合机床、龙门铣床、卧式镗床、拉床和重型车床的床身导轨。矩形导轨存在侧向间隙，必须用镶条进行调整。图6.2（c）是三角形和矩形导轨的组合，它兼有导向性好、制造方便和刚度高的优点，应用最为广泛。例如，车床溜板、磨床、龙门刨床、龙门铣床、滚齿机、坐标镗床的工作台轨道。图6.2（d）是燕尾形导轨，它是闭式导轨中接触面最少的一种结构，间隙调整方便，用一根镶条就可以调节各接触面的间隙。常用于牛头刨床和插床得滑枕导轨，升降台铣床的刀架导轨以及仪表机床等。图6.2（e）是矩形和燕尾形导轨的组合，它兼有调整方便和能承受较大力矩的优点。多用于横梁、立柱和摇臂等的导轨，以及多刀车床的刀架导轨等。图6.2（f）是双圆柱导轨，常用于只受轴向力的场合。如推床、攻丝机和机械手等。因为刀架的切削力很小，故选择导轨优先考虑导轨精度和制造的方便性。因此，根据上述各轨道组合的特点，横向滑板与其底座之间采用燕尾形导轨，图6.2（d）所示；纵向滑板与其底座之间采用双三角形导轨，如图图6.2（a）所示。6.3 工作台的表面粗糙度和润滑1因为工作台选用滑动导轨，所以机床直接从滑板和底座加工而成。为了保证轨道精度，滑板上的动轨道，表面粗糙度要求为；底座上的固定轨道，表面粗糙度要求为，两轨道之间用轨道油做润滑剂。而工作台中的传动机构，采用润滑脂（黄油）作润滑剂。第七章 工作台的传动设计第七章 工作台的传动机构设计7.1 电机的选择7.1.1 切削力分析a）切削合力分解11切削合力是切削加工过程中的重要问题之一。它直接影响切削热的产生和刀具磨损，进一步影响工件的加工质量和生产率。在生产中切削合力又是计算切削功率、设计和使用机床、刀具、夹具的必要依据。切削合力是一个非常复杂的空间里，其大小和方向不易直接测定，也无测定的必要。为了适应设计和工艺分析的需要，而将切削合力分解为三个相互垂直的切削分离，如图7.1所示图7.1 切削合力的分解1）切削力（切向力）是切削合力在切削速度方向上的分力，垂直于基面，其大小约占总切削合力的85%90%。消耗的功率最多，约占车削90%以上。2）背向力（径向力）是切削合力在切削深度方向上的分力。它在基面内与切深方向相反。3）进给力（轴向力）是切削合力在进给方向上的分力。它在基面内，与进给方向平行，但方向相反。做功很小，只占总功的1%5%。b）切削力及切削功率计算1假如机床适用于通用材料工件的切削加工，假定有盘类工件直径为，材料为调质结构钢（40Cr），硬度HBS为229；现用该机床进行外圆粗加工，刀具为硬质合金，切削深度，工作台进给量，根据工件材料、切削深度和进给量，选择车刀的切削速度。1）车削时切削力 式（7.1）式中，、为系数，对于刀具材料为硬质合金，加工形式为纵车或者横车的情况下，、；为使用条件改变时切削力的修正系数，对于刀具材料为硬质合金，工件为硬度HBS为229的结构钢，。2）切削力消耗的功率 式（7.2）3）车削合力消耗的总功率 式（7.3）4）进给传动消耗的总功率 式（7.4）5）电机所需要的总功电机与滚珠丝杠用联轴器相连，所以， 式（7.5）式中，、分别为联轴器和丝杠的传动效率。7.1.2 电机的选择a）根据电机所需要的功率，初步选择伺服电机EDSMT-2T130-040B，其额定功率为，额定转速为，额定力矩为，峰值力矩为。因为该专用机床一般用于精加工材料为硅铝合金，直径小于的盘类铸件，加工余量很小，所有条件均远小于上述假设条件，因此，电机的功率条件完全满足机床工作台实际的工作条件。b）校核伺服电机的力矩对于数控机床而言，因为动态性能要求较高，所以用电动机力矩主要是用不断产生加速度的，而负载力矩占的比重很小，一般小于电动机力矩的10%30%，所以可以先计算快速空载启动力矩，据此校核电机。横向滑板的长度，宽度，因为上表面要加工T型槽，因此取厚度。1）横向滑板的质量 式（7.6）式中，为灰铸铁的密度，。2）工作台折算到丝杠上的转动惯量假设横向滑板底座和纵向滑板的总质量为横向滑板质量的两倍，对于Z轴向的滚珠丝杠，所以， 式（7.7）式中，为丝杠螺距，初选丝杠。3）丝杠折算到电机轴上的转动惯量因为滚珠丝杠与电机用联轴器连接，所以，4）电机的最大加速力矩 式（7.8）式中，为电机的转速；为进给系统的时间常数，这里取。工作台对电机的最大的加速力矩加速力小于伺服电机EDSMT-2T130-040B的峰值力矩（），因此，改用伺服电机EDSMT-2T130-077B，该电机的具体参数见表7.1。表7.1 伺服电机参数表伺服电机EDSMT-2T130-077B额定功率（）反电势()额定线电压（） 力矩系数（）额定线电流（）转子惯量（）额定转速（）线组（线间）电阻（）额定力矩（）线组（线间）电感（）峰值力矩（）电气时间常数（）7.2 滚珠丝杠副的选择17.2.1 机床的日常使用条件假如数控车床的的可靠性为，各种切削方式的进给力，进给速度和时间比例如见表7.2。表7.2 机床日常使用条件切削方式进给力（）进给速度（）时间比例（）强力切削20000.610一般切削10000.825精细切削500170快速定位01057.2.2 滚珠丝杠副计算设计因为Z轴向的丝杠负荷较大，所以先对Z轴向丝杠计算设计。如果Z轴向丝杠可以满足机床传动要求，X轴向丝杠肯定满足。a）丝杠的导程和转速电动额定转速为。电动机与丝杠直连，工作台最大的速度，故选择丝杠导程为。丝杠转速：强力切削，一般切削，精细切削，快速定位。b）导轨的摩擦力和丝杠工作负荷 式（7.9）式中，为滑动导轨的摩擦系数，对于双三角形导轨，。工作载荷：强力切削：, 一般切削：, 精细切削：,快速定位。c）当量转速和当量载荷 式（7.10） 式（7.11）d）初选滚珠丝杠副假定该数控机床的滚珠丝杠使用寿命。由，可得 式（7.12）初选丝杠为内循环、浮动返向器、双螺母垫片预紧。，3列。型号为FFZD401010-3，额定动负荷，大于算出的值（）。预紧力,大于最大轴向载荷的,这种丝杠是可用的。e）校核极限转速 式（7.13）式中，为滚珠丝杠支承系数，当丝杠支承结构为两端固定式时，；为丝杠安装距离，考虑丝杠行程与底座的结构，这里取。f）压杆稳定性验算因为丝杠两端固定，丝杠一般不会受压，故不需进行压杆稳定性验算。型号为FFZD401010-3的滚珠丝杠副具体结构尺寸如图所示。因为X轴向丝杠所需要的工作载荷没有Z轴向的丝杠大，因此，X轴向丝杠可选取与Z轴向丝杠一样的型号为FFZD4010X10-3的滚珠丝杠副。具体结构尺寸如图7.2所示图7.2 FFZD4010X10-3滚珠丝杠副结构尺寸图7.3 轴承的选择17.3.1 滚珠丝杠的轴端形式根据丝杠的的安装与应用，其轴端形式如图7.3所示（b）连接电机端（a）无电机端图7.3 丝杠轴端形式7.3.2 轴承的选择轴承采用60接触角推力角接触球轴承，型号7602030TVP，内径，外径，宽度，额定动负荷，加负荷，具体结构尺寸如图7.4所示图7.3 7602030TVP轴承结构尺寸图轴承采用面对面组配，这种组配方式的受力作用线内向收敛，所以轴承间的有效支点距离缩小，这种组配方式也可承受双向的轴向载荷和径向载荷，但承受倾斜力矩的能力较差，并较多地降低轴承的极限转速，一般适用于需要精密调心的场合。第八章 工作台的总装第八章 工作台的总装8.1 工作台的总装配图经过上述一系列的设计与计算，工作台的总装配图如图8.1所示。图8.1 工作台的总装配图8.2 工作台在机床的安装该工作台的机床上的安装如图8.2所示。1.床身机架；2.Z轴进给伺服电机；3.纵向滑板；4. 横向滑板；5.小刀夹；6.主轴驱动部件；7.数控显示器；8.卸荷大皮带轮；9.小皮带轮；10.电动机；11.X轴进给伺服电机；12.电器柜图8.2 数控机床的总装配图第九章 机床精度检验第九章 机床精度检验9.1 机床精度内容1机床精度能够反映机床本身误差的大小，包括下列内容：（a）几何精度几何精度是指机床在无负载不运动或低速运转下的精度，如主轴的轴向窜动，定心轴颈的径向跳动等。几何精度高低主要取决于加工和装配质量。（b）运动精度运动精度是指机床主要零部件在以工作状态速度运动时的精度。包括回转精度和直线运动不均匀精度，这对于加工精度要求较高的机床尤为重要。运动精度取决于机床传动链设计、元件制造与装配质量、运动速度及其它特性的影响。（c）传动精度传动精度是指机床内联系传动链两端件之间相对运动的准确性。它主要取决于传动链各元件，特别是末端件（如母蜗轮或母丝杠）的加工、装配精度以及传动链设计的合理性。（d）定位精度定位精度是指机床有关部件在所有坐标（直线和回转坐标）中定位的准确性，它取决于机床测量系统、进给系统、伺服系统以及有关特性的影响。（e）工作精度工作精度是指机床在有负载和正常工作速度时的精度。它主要取决于机床的刚度、抗振性和热变形。9.2 机床精度保持性1精度保持形是指机床长期保持其原始精度的能力。该项指标是由机床某些关键零件的首次大修期所决定。为提高零件耐磨性，需注意选材、热处理、润滑与防护等。中型机床的首次大修期应保持在810年以上。9.3 机床精度检验方法19机床的精度检验方法见表9.1。表9.1 机床精度检验方法序号简图检验项目公差检验工具检验方法G1A-床身导轨调平a.纵向导轨在垂直平面内的直线度精密水平仪或光学仪器在溜板上靠近前导轨处，纵向放一水平仪。等距离（近似等于规定的局部误差的测量长度）移动溜板检验。将水平仪的读数一次排列。画出导轨误差曲线，曲线相对其两端点连线的最大坐标值就是导轨全长的直线度误差，曲线上任意局部测量长度的两端点相对曲线两端点连线的坐标差值，就是导轨的局部误差。也可将水平仪直接放在导轨上进行检验。(凸)(凸)(凸)(凸)局部公差在任意250测量长度上为最大工件长度每增加1000公差增加：局部公差在任意500测量长度上为b.横向导轨的平行度精密水平仪在溜板上横向放一水平仪，等距离移动溜板检验（移动距离同a）。水平仪在全部测量长度上读数的最大代数差值就是导轨的平行度误差。 也可将水平仪放在专用桥板上，在导轨上进行检验。序号简图检验项目公差检验工具检验方法G2B-溜板溜板移动在水平面内的直线度（尽可能在两顶尖轴线和刀尖所确定的平面内检验）a指示器和检验棒或指示器和平尺b钢丝和显微镜或光学仪器a.将指示器固定在溜板上，使其测头触及主轴和尾座的顶尖间的检验棒表面上，调整尾座，使指示器在检验棒两端的读数相等。移动溜板在全部行程上检验。指示器读数的最大代数差值就是直线度误差。b.用钢丝和显微镜检验。在机床中心高的位置上绷紧一根钢丝，显微镜固定在溜板上，调整钢丝，使显微镜在钢丝两端的读数相等。等距离（移动距离同G1移动溜板，在全部行程上检验。显微镜读数的最大代数差值就是直线度误差。最大工件长度每增加1000公差增加：最大公差G3尾座移动对溜板的平行度：a.在垂直平面内；b在水平面内a和b0.03/a和d0.04局部公差在任意500测量长度上为0.02指示器将指示器固定在溜板上，使其测头触及尾底体端面的顶尖套上；a.在垂直平面内；b在水平面内。锁紧顶尖套，使尾座与溜板仪器移动，在溜板全部行程上检验。 a、b的误差分别计算，指示器在任意500mm行程上和全部行程上的最大差值就是局部长度和全长上的平行度误差。a和b0.04局部公差在任意500测量长度上为0.03序号简图检验项目公差检验工具检验方法G4C-主轴a主轴的轴向窜动；b主轴轴肩支承面的跳动aa指示器和专用检具固定指示器，使其测头触及，a.插入主轴锥孔的检验棒端部的钢球上；b.主轴轴肩支承面上。沿主轴轴线加一力F，旋转主轴检验。a、b误差分别计算。指示器读数的最大差值就是轴向窜动误差和轴肩支承面的跳动误差。bb（包括轴向窜动）G5主轴定心轴颈的径向跳动指示器固定指示器使其测头垂直触及轴颈（包括圆锥轴颈）的表面。沿主轴轴线加一力F。旋转主轴检验。指示器读数的最大差值就是径向跳动误差。G6主轴锥孔轴线的径向跳动：a.靠近主轴端面；b.距主轴端面L处ab.在300测量长度上为ab.在500测量长度上为指示器和检验棒将指示器固定在溜板上，使其测头触及尾底体端面的顶尖套上；a.在垂直平面内；b在水平面内。锁紧顶尖套，使尾座与溜板仪器移动，在溜板全部行程上检验。 a、b的误差分别计算，指示器在任意500mm行程上和全部行程上的最大差值就是局部长度和全长上的平行度误差。序号简图检验项目公差检验工具检验方法G7主轴轴线对溜板移动的平行度：a在垂直平面内；b.在水平面内a在300测量长度上为0.02 a在500测量长度上为0.04 指示器和检验棒指示器固定在溜板上，使其测头触及检验棒的表面：a.在垂直平面内b.在水平面内。移动溜板检验。 将主轴旋转180，再同样检验一次， a、b误差分别计算。两次测量结果的代数和之半，就是平行度误差。（只许向上轴）b在300测量长度上为0.015 b在500测量长度上为0.03 （只许向前偏）G8顶尖的跳动指示器和专用顶尖顶尖插入主轴孔内，固定指示器。使其测头垂直触及顶尖锥面上。沿主轴轴线加一力F，旋转主轴检验。指示器读数除以COS（为锥体半角）后，就是顶尖跳动误差。G9D-尾座尾座套简轴线对溜板移动的平行度：a.在垂直平面内；b.在水平面内a在100测量长度上为0.015a在100测量长度上为0.02指示器尾座的位置同G11。尾座顶尖套伸出量约为最大伸出长度的一般，并锁紧。将指示器固定在溜板上，使其测头触及尾座套简的表面：a.在垂直平面内；b.在水平面内。移动溜板检验。a、b误差分别计算。指示器读数的最大差值，就是平行度误差。（只许向上偏）b在100测量长度上为0.01b在100测量长度上为0.015（只许向前偏）序号简图检验项目公差检验工具检验方法G10尾座套简锥孔轴线对溜板移动的平行度：a.在垂直平面内；b.在水平面内a.在300测量长度为0.03a.在500测量长度为0.05指示器和检验棒尾座的位置同G11。顶尖套简退入尾座孔内，并锁紧。在尾座套简锥孔中，插入检验棒。将指示器固定在溜板上，使其测头触及检验棒表面：a.在垂直平面内。b.在水平面内。移动溜板检验。拔出检验棒，旋转180重新插入尾座顶尖套锥孔中，重复检验一次。 a、b误差分别计算。两次测量结果的代数和之半，就是平行度误差。（只许向上偏）b.在300测量长度为0.03b.在500测量长度为0.05（只许向前偏）G11E-两顶尖床头和尾座两顶尖的等高度指示器和检验棒在主轴与尾座顶尖间装入检验棒，将指示器固定在溜板上，使其测头在垂直平面内触及检验棒。移动溜板在检验棒的两极限位置上检验。指示器在检验棒两端读数的差值，就是等高度误差。当DC小于或等于500mm时，尾座应紧固在床身导轨的末端。当DC大于500mm时，尾座坚固在DC/2处，但最小不于200mm。检验时，尾座顶尖套应退入尾座孔内，并锁紧。（只许尾座高）序号简图检验项目公差检验工具检验方法G12F-横刀架横刀架横向移动对主轴轴线的垂直度（偏差方向）指示器和平盘或平尺 将平盘固定在主轴上，指示器固定在横刀架上，使其测头触及平盘。移动横刀架进行检验。 将主轴旋转180再同样检验一次。 两次测量结果的代数和之半，就是垂直度误差。G13刀盘工具孔轴线与主轴轴线的重合度:a.在垂直平面内；d.在水平面内（只适用于刀盘有工具孔的车床)a和d指示器和专用检具指示器装在主轴端部的专用检具上，使其侧头触及刀盘工具孔表面或触及紧密插入工具孔中的检验棒表面。旋转主轴，分别在a垂直平面内及b.水平面内检验（刀盘依次转位）。a、b误差分别计算，误差以指示器读数差值之半计。检验时刀盘尽量接近主轴端部，触头尽量靠近刀盘，每个工具孔均检验。序号简图检验项目公差检验工具检验方法G14刀盘工具孔轴线对溜板移动的平行度a在垂直平面内b在水平面内a和b指示器和检验棒检验棒紧密装在工具孔中，固定指示器使其测头触及检验棒表面，a.在垂直平面内，b.在水平面内。移动溜板检验。 将检验棒转180再检验一次。 a、b误差分别计算，误差以指示器两次读数代数和之半计。 每个工具孔均检验。G15刀盘的定位精度（只适用于有刀