（机械工程专业论文）动梁式龙门镗铣加工中心设计.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 本课题是在振兴东北老工业基地，为大连船用柴油机厂的船用柴油机缸体、连杆 等大型工件的镗铣加工提供大型装备的背景下进行的新产品的开发研制，当年设计、当 年试制，实现了种高性价比的g m b w 2 5 0 6 0 动横梁式龙门镗铣加工中心。课题的顺利 完成不仅满足了用户的定货的性能要求，而且完善了我厂现有龙门产品的类型，并为此 类产品的开发提供了经验借鉴。本论文将着重论述动横梁式龙门镗铣加工中心的主要性 能参数的确定、机床总体结构和主要部件的结构设计，驱动部件的设计计算，较为详细 地介绍了试制过程中的相关技术难点。 该机床为动梁式龙门框架结构，工作台面积2 5 0 0 6 0 0 0 m m ，主轴最大扭矩2 0 5 0 n m ， 功率3 7 k w ，z 轴行程为1 5 0 0 硼，w 轴不参与进给但可用于调整，范围达到1 5 0 0 m m ，故工 件最大高度可达到2 0 0 0 m m ，同时根据工件加工部位配备三种角度头，因此工件一次装夹 后可进行多工序加工。加工可以实现程序化，从而缩短了生产周期，节省入力，减轻工 人的劳动强度，提高劳动生产率，可以使用户获得良好的经济效益的产品。 关键词：动梁式数控机床；扭矩；驱动；结构设计 动梁式龙门镗铣加工中心设计 d e s i g no fc r o s s r a i lm o v i n gg a n t r yb o r i n g & m i l l i n g m a c h i n i n gc e n t e r a b s t r a c t t h i sp a p e ri s d e s i g n e df o rb o r i n g & m i l l i n gb i gw o r k p i e c e ss u c h8 sc y l i n d e ra n d c o n n e c t i n gb a rf o rd a l i a n d i e s e le n g i n em a n u f a c t u r e rf o rs h i p p i n g i ti sb a s e do n b a c k g r o u n da p p l y i n gl a r g ee q u i p m e n tt od e v e l o pn o r t h e a s tf a c t o r yb a s e 。t h i sp r o d u c ti s d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e di nt h es a m ey e a ra n dr e a l i z e do n ep r o d u c tg m b w 2 5 0x6 0 ， c r o s s r a i lm o v i n gg a n t r yb o r i n g & m i l l i n gm a c h i n i n gc e n t e r w i t hh i g hc o s tp e r f o r m a n c e t h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fg m b wc m s s r a i lm o v i n gg a n t r yc n cm a c h i n et o o lm e e t sn o t o n l yc u s t o m e r o r d e r , b u ta l s oi n c r e a s e sg a n t r ym o d e l so fo u rf a c t o r ya n da c c u m u l a t e s e x p e r i e n c ef o ru s t h i sp a p e re m p h a s i z e so ni n t r o d u c t i o nc o n f i r m i n gp a r a m e t e r s ，c o n s t r u c t i o n ， m a i np a r t sd e s i g na n dd r i v i n gc o m p o n e n t sd e s i g nc a l c u l a t i o n a n da l s oi n t r o d u c e sr e l a t e d t e c h n i c a li s s u e sm e ti nm a n u f a c t u r i n gi nd e t a i l t h i sm a c h i n ea d o p t sg a n t r yf r a m ec o n s t r u c t i o n ，t a b l es i z ei s2 5 0 0 m m x6 0 0 0 m m ，m a x s p i n d l et o r q u ei s2 0 5 0 n m ，zt r a v e li s1 5 0 0 m m wa x i si sn o tu s e dt of e e d ，b u ti tc a nu s e dt o 删u s ta n da d j u s tr a n g ec a nr e a c h e d1 5 0 0 m m ，t h e r e f o r e ，t h em a x h e i g h to f w o r k p i e c ec a nb e 2 0 0 0 m m a tt h es a m et i m e ，t h em a c h i n ec a nb ee q u i p p e dt h r e ek i n d so fa n g u l a rh e a d s a c c o r d i n gt od i f f e r e n tm a c h i n i n gp o s i t i o n ，s oi tc a l lc o m p l e t e ds e v e r a lp r o c e s s e si no n es e t u p p r o g r a m m i n gm a c h i n i n gc a nr e d u c ep r o d u c t i o nc y c l e ，r e l i e v ew o r k i n gs t r e n g t h ，r a i s e w o r k i n gp r o d u c t i o nr a t ea n da l s om a k et h ec u s t o m e r sg e tg o o dp r o f i t k e y w o r d s ：c r o s s r a i lm o v i n gc n c m a c h i n et o o l ；t o r q u e ；d r i v e ；c o n s t r u c t i o nd e s i g n i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：业日期： j 功g fr - 动梁式龙门镗铣加工中心设计 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：主卫塑 导师签名凑幺喾 导师签名：盈丕竺 趔年j 生月l 同 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 g m b w 2 5 0 6 0 型动梁式龙门镗铣加工中心，是我厂受船舶行业核心企业委托针对船 用柴油发动机的关键零件：缸体、连杆类的加工，自行开发研制的大型横梁升降式龙门 数控机床；其中缸体类件有两种，如图1 1 、1 2 所示；连杆类件见图1 3 。 图1 1 柴油发动机缸体 f i g1 1c r u d e o i le n g i n eb o d y 图1 2 气缸体 f 谵1 2 b l o c k 动梁式龙门镗铣加工中心设计 上图l t1 中的缸体类工件主要加工部位是侧面的孔及端面，孔径最大约4 0 0 r a m ，径 向加工量约4 m m ，因机床主轴为立式，加工时需用直角头。 上图1 2 中的缸体类工件主要加工部位是上面的孔及端面，主轴即可完成孔径最大 约6 0 0 r a m ，径向加工量约4 r a m ；半圆孔面的加工需用延伸头，延伸长度在7 0 0 r a m 左右。 连杆类工件的加工部位如图1 3 ，加工工序主要是镗孔，最大直径为8 3 6 m m ，这个 工件是本台机床所要加工的关键件； 图】，3 连杆 f i g1 3c o n n e c t i n gr o d 上述是典型的3 种工件，加工面留量基本在4 m ，表面粗糙度r a 植1 6 ，孔的精度 h 7 即可：对整机要求刚性足够及运动精度稳定。 ，2 开发设计的意义 动梁式龙门镗铣加工中心对我厂来讲是第一次接触，通过本产品的设计开发，不 但进一步完善了我厂现有的龙门系列，并且增加了我厂龙门开发的经验积累：尤其针对 国内同类数控机床大部分依赖进口的局面，希望通过走自主研发之路不断扭转。 1 3 国内外同类型产品的技术综述、发展动向、技术水平介绍 目前，国内外生产动梁式龙门镗铣加工中心的大型企业很多，如日本的大畏、西 班牙的尼古拉斯、日本工机、德国西斯、瓦德利西科宝等，其中有些厂家具有生产这类 机床的百年历史，这些厂家不只在重型镗铣加工机床上采用动梁式龙门框架结构，在大 型数控磨床、车床上也广泛应用这种框架结构以扩大加工空间、提高刚性，可见动梁式 龙门框架结构的技术优势；在国内大型机床厂，也是把这种框架结构作为首选，如北京 2 大连理工大学专业学位硕士学位论文 一机床、江苏多棱、济南二机床等机床厂，拥有目前国内生产这类机床的较成熟技术， 但在机床的精度等级上与国际知名企业还有一定差距，在规格上还有待于进一步拓展。 重型机床是每个国家加速工业化进程的支柱，在国防、航空航天、造船、汽车、 矿山、能源等等国家重点行业里不可或缺，但我们国家自主研发制造的这类机床远没有 满足自己的要求，提高精度、加强刚性、提高可靠性、拓展规格范围是国内各大机床厂 的发展方向，也是振兴民族工业的必由之路，主要途径就是逐渐提高支柱产业加工母机 自给自足，降低大型数控机床进口率。 针对船舶业的具体加工需求，我们厂决定自主研发这台机床，在结构方面采用国 际上成熟结构，外购件选用精度高、可靠性好的国际知名品牌，基础件设计精确、动静 态分析细致、严格控制材料、冷热工艺，力求早目达到同类机床国际水平。该产品也适 用于航空、航天、汽车、军工、能源等行业的零件加工，以加工大中型黑色和有色金属 零件为对象，具有高精度、高性能、高柔性、自动化程度高等特点。并通过配置不同形 式的角度铣头，实现对工件一次装夹后可进行镗、铣、钻、攻丝等多工序的加工、五面 加工及深腔加工。 1 4 开发设计的指导原则 ( 1 ) 满足用户提出的性能参数和精度要求； ( 2 ) 选用先进、可靠的通用零部件和控制系统，有利于保证精度和可靠性，又可大大 缩短开发周期； ( 3 ) 重点把握总体设计和关键部件设计 ( 4 ) 着重解决试制过程中的难点 1 5 本课题的主要工作内容 ( 1 ) 机床总体参数的确定 ( 2 ) 机床总体结构设计 ( 3 ) 外构件选择的设计计算 ( 4 ) 关键零部件的结构设计 ( 5 ) 试制的关键技术 垫銎塞垄! ! 丝垦塑王! ：堂堡生 2 技术参数 2 1 国内外同类产品参数分析与确定 根据用户典型工件最大外形尺寸2 6 0 0 x1 2 0 0 x1 8 0 0 m m ，考虑加工效率，初拟台面 放两个工件，台面要在2 5 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 ，现将尼古拉斯、济南二机床、江苏多棱三 家相同规格的机床的主要参数列表进行分析，以确定我厂此次开发机床的主要规格参 数。 表2 1 参数对比表 t a b2 1c o r r e l a t i o np 甜a m e m rr u b l e 厂家型号 济南二机床 江苏多棱西班牙尼古拉斯 主要技术参数xk2125 x k 2 1 2 5f p y l w t 侄工作台尺寸( 宽x 长) ( m m ：2 5 0 0 8 0 0 0 2 5 0 0 5 0 0 0 2 5 0 0 1 0 0 0 0 苜 允许最大荷重 ( t )1 0 4 0 龙门宽度 ( m ) 工作台最大行程x 轴 ( 咖) 加t 滑鞍最大行程一y 轴 ( m ) 范围 主轴箱最大行程z 轴( m ) 主 轴 进 给 横梁最大行程胃轴 ( 咖) 主轴端面至工作台面距离( 衄) 锥孔( 7 ：2 4 ) 转数范围( r m i n ) 最大输出扭矩 ( n m ) 主轴电机功率 ( k 瞢 切削进给速度范围( m m i n ) x 轴( m m i n ) y 轴( a m i n ) 快速移动 z 轴( m m i n ) 3 1 0 0 8 5 0 0 4 1 0 0 1 2 5 0 1 5 0 0 2 0 0 0 i s 0 5 0 1 0 3 2 0 0 2 0 5 0 2 8 3 0 3 2 l 3 0 0 0 1 0 1 0 1 0 3 5 0 0 5 0 0 0 1 0 0 0 0 4 0 0 0 + 5 2 0 4 5 0 0 ( 换头行程) 1 0 0 0 1 2 5 0 1 8 5 0 1 5 0 0 3 0 0 03 2 5 0 i s 0 5 0i s 0 5 0 1 0 - 1 5 0 0 4 0 5 0 0 0 2 0 0 0 7 1 8 3 0 4 53 7 l 5 0 0 0 1 5 0 0 0 1 0 8 1 0 1 2 1 0 1 2 w 轴( m a i n ) 6 5 8 _ - _ _ - - 一- 一 4 大连理工大学专业学位硕士学位论文 通过上表的参数对比，综合用户工件加工所需，工作台长为6 0 0 0 r a m ；其他具体参数 也确定，如下表2 2 表2 2g m b w 2 5 0 6 0 0 0 参数表 t a b2 2g m b w 2 5 0 x 6 0 0 0p a r a m e t e rl i s t 5 垫墨塞垄塑丝垡塑旦王：堂堡生 2 2 国内外同类产品结构功能分析与确定 在上述几个厂家的机床中，动梁式龙门镗铣类机床的典型结构，数控系统及主要功能 都有不同体现，现将其中两家的结构型式主要功能列表如下，然后确定我们此次开发 将采用的典型结构及系统等。 表2 3 主要结构及功能对比表 t a b2 , 3p r i m a r ys t r u c t u r ea n dc o r r e l a t i o nf u n c t i o nc o m p a r i s o nt a b l e 型号 主要结构 主要功能 1 ，龙门框架移动结构和升降粱动梁结构，工作台采用座地固定式。 2 、主轴箱采用矩形导轨形式。 3 、y 、z 轴导轨采用镶钢材料，结合面上采用耐磨贴合材料。 4 、x 轴采用无间隙齿条双齿轮传动。 5 、三轴上装有直线光栅尺反馈系统。 f p j d w 6 、具有刀具外冷和主轴组冷却功能，保持主轴的运动精度。 7 、液压一机械式刀具夹紧系统。 8 、垂向轴液压平衡装置。 9 、3 0 或6 0 把导库( 立卧双位) 自动换到系统。 1 0 、铣头库及换头装置。 1 1 、数控系统( 全闭环控制) 。 1 、动梁式龙门框架结构 2 、主轴箱采用方滑枕形式。 3 、x 、y 轴采用t h k 自润滑直线滚动导轨；z 、w 轴导轨副采用聚四 氟乙烯贴塑。 4 、可以配置光栅尺反馈系统。 x k 2 1 2 5 5 、机床导轨x 、y 、_ 轴设有防护装置。 6 、具有刀具外冷和主轴组冷却功能。保持主轴的运动精度。 7 、可以外接角度头，实现五面加工。 8 、可以配置立、卧式数控旋转工作台。 9 、主要大件均采用高强度优质铸铁件。结构稳定，精度保持性好。 1 0 、数控系统采用德国西门子8 4 0 d 。 6 镗、铣、钻、 攻丝等，程序 化加工；数 控系统控制， 实现三轴联 动。 毽、铣，钻、 攻丝绞等程 序化加工； 数控系统控 制四轴实现 三轴联动；具 有主轴定向 和主轴吹气 功能 大连理工大学专业学位硕士学位论文 通过以上对比，重点考虑整机刚度，机床性能，装配调整，精度稳定，加工效率等方面 明显高于其它同类产品，g m b w 2 5 0 x 6 0 动梁式龙门镗铣加工中心的主要结构、系统及功能 确定如下表2 4 ， 表2 4 主要结构、系统及功能 t a b2 4p r i m a r ys t r u c t u r e 、s y s t e ma n df u n c t i o n 1 、动粱式龙门框架结构。镗、铣、钴，攻丝等， 2 、主轴箱采用方滑枕形式，并带有液压平衡系统， 程序化加工；数控系 保证z 轴的运动精度。统控制四轴实现三轴 3 ，主轴采用z f 减速箱变速，可获得低速大扭矩，高联动：具有主轴定向 速恒功率。 和主轴吹气功能。 4 、x 、y 、z 、w 轴采用滚珠丝杠拖动；x 轴采用德国 s t a r 直线导轨其它三轴采用镶钢导轨 g m b w 2 5 0 x 6 05 、可以配置光栅尺反馈系统。 6 、具有刀具外冷和主轴组冷却功能，保持主辅的运 动精度。 7 、主要大件均采用高强度优质铸铁件，结构稳定， 糖度保持性好。 8 、机床导轨x 、y ，w 轴有防护拉板。 9 、可以外接角度头。实现五面加工。 l o 、数控系统采用德国西门子8 4 0 d 。 2 3 精度确定 本机床按照g b 标准设计制造，并制定机床验收技术要求，对加工装配各环节进 行规范并检验，现将机床最终几何精度、运动精度、工作精度检验内容列出，分别见表 2 5 、2 6 、2 7 。 7 动梁式龙门镗铣加工中心设计 工作台面 1 的平面度 x 轴线运动 在x “y 平 2 面内的直 线度 y 轴线水平 运动的直 线度 a ) 在) 。 水平面内 b ) 在y z 垂直平面 内 y 1 y 2 y n 0 x 1x 2 y x 0 0 7 0 任意1 0 0 0 测 量长度内为 0 0 1 0 0 0 6 0 任意1 0 0 0 测 量长度内为 0 0 1 0 0 0 4 0 任意5 0 0 测 量长度内为 0 0 1 0 b 芬 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 z 轴线运 动对： a ) x 轴线运 d 动阀的垂 1 直度 b ) y 轴线运 动间的垂 直度 y 轴线运动 。 对x 轴线 。 运动间的 一垂直度 w 轴线运动 对： a ) x 轴线运 动问的垂 6 直度 b ) y 轴线运 动间的垂 直度 i ) 蕊 型 1 【 薹 挚 州 【 昏蜜薹 0 0 2 0 3 0 0 0 0 3 0 1 0 0 0 0 0 2 0 5 0 0 动粱式龙门镗铣加工中心设计 续表2 5 霉检验貅 检验和 允髫湎萎测值 厂r 1 l 的径向跳 f i 动： a ) 靠近主lj a ) 0 0 1 0 。 轴端部 ：强 b ) 0 0 2 0 m 距主轴 上i 端部 l 一 3 0 0 m m 处 径跳动l ：j f f、 。勰譬。出始a ， 嬲： 笺筑：引宅 。0 0 1 。 c ) 周期性n o j 。篙三萎釜 0 0 4 0 1 0 0 0 度6 山 b 10 大连理工大学专业学位硕士学位论文 主轴轴线 ，。 和y 轴线 问的垂直 度 工作台面 对： a ) 工作台 移动( x 轴 ， 线) 的平行 1 1 度 ”滑鞍移 动( y 轴 线) 的平行 度 中央基准t 型槽和工 ，。 作台移动 “ ( x 轴线) 闻的平行 度 ) 二 孓 l o - e 三刍 e 虱 掣型，l e 三| 0 0 4 0 1 0 0 0 a ) 0 0 4 0 b ) 0 0 2 5 0 0 7 0 在任意1 0 0 0 测量长度上 为0 0 2 动梁式龙门镗铣加工中心设计 直线运动坐标 l 的定位精度a 。 直线运动坐标 2的重复定位精 度r 。 直线运动坐标 3 的反向差值b j = 1j f f i 2 j f m 同上 同上 x ：0 0 2 5 y ：o 0 2 0 z ：0 0 1 5 w ：0 0 1 5 x ：0 0 2 0 y ：0 0 1 4 z ：0 0 1 0 w ：0 0 1 0 x ：o 0 1 2 y ：0 0 1 0 z ：o 0 0 8 胃：0 0 0 8 1z - 大连理工大学专业学位硕士学位论文 表2 7 工作精度检验： t a b2 7w o r k i n ga c c u r a c yt e s t 霉检验名称 检验示圉 允髫佃实测值 篇芎黪2 _ ：黧 1 的平面度。 = p c = c ) 兹b 表面粗糙度： b ) 试件的 ： 易 r a 舭6 帅 等高度 匕) = c l ， 。焱直度8 蛐a c 1 夕乃砌c 2 姗3 7 b ) ：o 。0 2 0 3 0 0 - 试件材抖： i 口p 皿 1 6 p m d 面的垂 引 c = h ( = = 丁_ 直度 n f 。寸 b 为工作台面宽度 l i 为工作台面长度 。， b 为试件安装蓐长度 1 i 13 动粱式龙门镗铣加工中心设计 3 整机设计 3 1 机床的总体结构布局 本机床采用横梁升降式框架结构，双立柱与床身两侧固定联接的布局形式。机床 共有四个进给轴，一个旋转轴( 主轴) ，其中工作台在床身上前后移动为x 轴，滑枕在 滑鞍上沿横梁左右移动为y 轴，滑枕在滑鞍上下移动为z 轴，横梁在立柱上下移动为w 轴。见图3 1 x 图3 1 动梁式龙门镗铣加工中心坐标示意图 f i g3 ic r o s sr a i lm o v i n gg a n u yt y p em 圳i n ga i l db o d n gm a c h i n i n gt e n o rc o o r d i n a t e ss c h e m a t i cd i a g r a m 整体结构由床身、工作台、立柱、横梁、滑鞍、滑枕及传动系统、拖动系统、液 压系统、冷却系统、气动系统等组成。床身、工作台、立柱、橱鞍、横梁、滑枕等大件 均采用高强度的优质铸铁件和树脂砂工艺铸造。这些大件采用三维计算机软件辅助优 化设计，筋板布置合理，提高大件的刚度和强度。，保证了机床几何精度的稳定性和刚 性。半封闭防护间。如图3 2 大连理工大学专业学位硕士学位论文 主要零件： 1 角度头 2 右立柱 3 床身 4 左立柱 5 滑枕 6 滑鞍 7 w 轴防护拉板 8 y 轴防护拉板 9 顶梁 l o 防护栏 1 1 吊挂 1 2 w 轴拖线 图3 2 机床布局图 r i g3 2 m a c h i n et o o ll a y o u tm a p 1 3 z 轴拖线 1 4 y 轴拖线 1 5 工作台 1 6 x 轴防护拉板 1 7 链式排屑器 1 8 水箱 1 9 横梁 2 0 小横粱 2 1 平衡重锤 2 2 液压泵站 2 3 油冷却机 2 4 电气柜 垫墨塞垄! ! 丝丝垫三! ：堂望生 4 主要外购件选择及设计计算 4 1 主要外购件选择 本机床主要外购件选择原则是：继承我厂现有数控产品的主要外购件品牌，比较 安全、调整、可靠性能选用国际知名品牌，满足用户具体要求；依据这三点原则，本机 床的外构件如下表4 1 表4 1 主要外购什明细 t a b 4 1m a i nb o u g h t i nc o m p o n e n t sl i s t 品名剐号 产地和制造弼名称 主轴组 定货号3 0 1 ( 2 5 0 0 n m )台湾旭泰剐 丝杠轴承 n s k 5 0 t a c i o o b d t d c i o p n 7 b日本n s k “1 日本t b k 德国 直线导轨 c k 一1 0 0 7 0 一1 6 0 0 n 0 0 8 s t a r t , , 3 滚珠丝杠d i k 6 3 1 0 8 r r 6 0 + 2 1 6 8 l c 3 日本t h k “ 冷却泵s p k 4 1 9 1 9 a w a c v b v 丹麦格兰富 制冷机 e o c a 一1 8 0 p 2 t s a台湾嚎亮”1 润滑泵肌d - l l - 1 5 0 s 4 0 b i i p 永嘉流遍。1 气动系统 a c 3 0 - 0 3 d g - s r 日本s m c ”1 液压主要元件变量泵；v 3 8 一卜3 - r - 德国力士乐阳1 z f 变速箱 2 k 3 0 0 2 l g 4 3 2 0 3 m c l 3 德国州 数控系统8 4 0 d 西门子8 4 0 d 脚3 行程开关 s n 0 3 r 1 2 5 0 2德国何其能恤1 光栅尺l g 3 8 2 ；l c l 8 1 德国海德汉1 拖链 r 1 9 8 4 0 2 5 0 0 易格斯 16 大连理工大学专业学位硕士学位论文 4 2 外购件的计算 4 2 1 主轴电机的选择 主电机选择主要依据用户工件最大的铣、镗要求，参考s a n d v i k 旋转刀具样本的计 算方法旧1 下面分别计算 铣削讨算：切削功率p c = a e x a e x f x k 1 0 0 0 0 0 ( 4 1 ) 主轴功率p = p c n ( 4 2 ) 刀盘直径d c = 3 1 5 m m 刀片数1 2 切削宽度a e = 2 5 5 m 切削深度a p = s m m 主轴转数1 2 0 进给量齿f z = o 2 咖 进给量分钟f = 3 0 0 m m 切削系数：宽度为刀具8 0 9 6 ，材料4 5 钢k = 5 8 功率效率h = o 8 p c = a e a e f k 1 0 0 0 0 = 2 5 5 x 5 3 0 0 5 8 1 0 0 0 0 0 = 2 2k w p = p c n = 2 2 0 8 = 2 7 5k w 镗削计算：切削扭矩m = k c x a p x f z x d 2 x 1 0 。( 4 3 ) k c 单位面积切削力n i m 2 3 0 0 0 a p 半径方向切削深度咖 5 f z 每转进给量m r 0 ，3 d 镗削直径 啪836 m = k c x a p f z d 2 x1 0 ” = 3 0 0 0 x 5 0 3 x 8 3 6 2 1 0 1 = 1 8 6 8 n n l 结论：1 ) 根据工件切削计算，及主轴电机的功率作适当能力储备 查西门子电机样本细1 ，主电机选为 1 p h 7 1 6 73 7 k w 2 3 5 5 n m 1 5 0 0 r p m 3 7 k w 2 7 5k w 2 ) 根据工件切削扭矩计算，主轴扭矩要达到2 0 0 0n m 放需增加降速装置 降速比ib = 2 0 0 0 2 3 5 5 = 8 5 查意大利z f 减速箱样本砷1 确定选用z f 减速箱 动梁式龙门镗铣加工中心设计 降速比i ，= 4i 。= l 自制齿轮箱降速比i ，= 2 1 8 i = i i 3 = 4 2 1 8 = 8 7 2 8 5 可见，选定电机的功率、扭矩均满足要求；因z f 减速箱两档降速，以满 足高速恒功率、低速恒扭矩要求，详见【割4 1 主轴电机的功率、扭矩图。 j 珏矩( n m ) 2 8 3 0 2 0 5 0 功率曲线 扣矩魏线 01 7 25 t 66 8 8 功翠( k w ) 5 l 一+ 一i 挡。l i 。8 7 2 1 一一t l 档! i 曼：1 8 1 一一 主轴转速( r p m ) 图4 1 主电机的功翠，扭矩图 f i 9 4 1m a i n a r b o r p o w e r - t o r q u e d i a g r a m 4 2 2 滚珠丝杠的计算与进给电机的选择 ( 1 ) y 轴滚珠丝杠与进给电机的选择计算 滚珠丝杠计算及选择：参考日本啪【滚珠丝杠样本1 电机选择；参考西门子电机样本瞄们 基本条件 滑鞍质量：m l = 4 0 0 0 ( k g ) 滑枕质量；m 2 = 3 0 0 0 ( k g ) 。z ” 一- - 1 7 6 7 2 0 0 0 ，一一一- - 一一一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 行程长度：l = 3 2 0 0 ( m m ) 快移速度：v = 8 ( m r a i n ) 卸1 3 3 ( m s ) 加、减速时间：t = 0 2 5 ( s )( 参考西门子电机样本渤3 ) 加速度：a = v r = 0 5 3 ( m s 2 ) 重力加速度：g = 9 8 ( m s 2 ) 使用寿命：2 0 0 0 0 0 ( h ) 导向面阻力：f = 2 0 n 滚珠丝杠的初步选择 导程精度的选择 为了满足定位精度o 0 2 3 0 0 必须选择0 ，0 2 3 0 0 以上的导程精度。 丝杠的导程精度选择c 5 级4 4 3 根据纂本条件和机床的定位精度，选择滚珠丝杠选为： 由8 0 ( n u n ) ：导程为1 2 ( m m ) 。 滚珠丝祖轴支撑方式的选择3 因为行程大、承载大，所以滚珠丝杠轴的支撑方式选择为： 固定一固定安装方式 ( 缈允许轴向负荷计算 贴塑导轨副的摩擦系数：= o 0 4 去路加速时的轴向负荷 f a l = i l ( m l + m 2 ) g + f + ( m l + m 2 ) a = o 0 4 x ( 4 0 0 0 + 3 0 0 0 ) x 9 8 + 2 0 + ( 4 0 0 0 + 3 0 0 0 ) x 0 5 3 = 6 4 7 4 ( n ) 去路等速时的轴向负荷 f a 产( m l 1 啦) g + f ：0 0 4 x ( 4 0 0 0 + 3 0 0 0 ) x 9 8 + 2 0 = 2 7 6 4 ( n ) 去路减速时的轴向负荷 f 8 3 - u ( m t + m 2 ) g + f 一( m i + m z ) a = 0 0 4 ( 4 0 0 0 + 3 0 0 0 ) x 9 8 + 2 0 一( 4 0 0 0 + 3 0 0 0 ) x 0 5 3 = - 9 4 6 ( n ) 回程加速时的轴向负荷 f 幽= 一u( m t + m 2 ) g f 一( m l + m 2 ) a ( 4 4 ) ( 4 5 ) ( 4 8 ) ( 4 7 ) 动粱式龙门镗铣加工中心设计 = 一o 0 1 ( 4 0 0 0 + 3 0 0 0 ) x 9 8 2 0 一( 4 0 0 0 + 3 0 0 0 ) x 0 8 9 = - 6 4 7 4 ( n ) 回程等速时的轴向负荷 f a 5 ：“( m i + m 2 ) g f ( 4 8 ) = - 0 0 1 ( 4 0 0 0 + 3 0 0 0 ) 9 8 = - 2 7 6 4 ( n ) 回程减速时的轴向负荷 f a 6 = 一p( m i + i n 2 ) g f + ( m i + m 2 ) a ( 4 9 ) = - 0 0 1 x ( 4 0 0 0 + 3 0 0 0 ) x 9 8 + ( 4 0 0 0 + 3 0 0 0 ) 0 5 3 = 9 4 6 ( n ) 由上所述，作用于滚珠丝杠的最大轴向负荷力f a “x = f a = 1 3 0 9 0n 滚珠丝杠轴的压曲负荷 只= 鲁1 0 4 ：2 0 坐1 0 4 ( 4 1 0 ) 4 7 0 0 = 2 7 2 9 6 5 ( n ) i l 。：固定一固定安装方式的棉关系数 d ，：滚珠丝杠轴的沟槽直径咖 l a ：安装日j 距( 推算) 啪 滚珠丝杠轴的允许压缩拉伸负荷h 1 最= 1 1 6 x 砰 = 1 1 6 7 4 1 2 ( 4 1 1 ) = 6 3 6 9 3 3 ( n ) 由此可见，滚珠丝杠轴的压曲负荷、允许压缩拉伸负荷比最大轴向负荷大，所 以在使用上没有问题。 滚珠丝杠的允许转速的计算r 4 4 ：1 滚珠丝杠的允许转速： i = 如x 寺x 1 0 7 ：2 1 9 二坚1 0 7 ( 4 1 2 ) 4 7 0 0 = 7 3 5 ( r p m ) 九。：固定一固定安装方式的相关系数 大连理工大学专业学位硕士学位论文 滚珠丝杠工作情况下的最大转速h 1 ： m a x ：v x l 0 0 0 s 8 1 0 0 0 1 2 = 6 6 7 ( r p m ) s ：滚珠丝札的导程 n m a x n ，所以滚珠丝杠可以使用 丝母的选择计算4 4 3 根据机床的各项指标，丝母选择b n f n 型 丝母的允许轴向负荷： f a m a x = c o a f s 3 5 3 8 2 5 = 1 4 1 5 2 ( k n ) = 1 4 1 5 2 0 ( n ) c i a ：型号为b n f n 8 0 1 2 a - - 5 的滚珠丝杠的基本额定静负荷 f s ：静的安全系数 与最大轴向负荷相比，容许轴向负荷大，所以不存在问题。 各工作状况下的行程距离 加速时的行程距离c 4 4 ： 。：掣1 0 ， ：! ：! ! ! ：! ：堡x 10 3 = 一l l ， 2 = 1 6 6 ( r a m ) 减速时的行程距离棚： 厶。：堕x 1 0 1 0 3 1 3 62 _ x ；o 1 3 3 x 0 2 5 1 0 3 ( 4 1 4 ) 2 = 1 6 6 ( r a m ) 匀速时的行程距离“3 ： ( 4 1 3 ) ( 4 1 4 ) ( 4 1 5 ) ( 4 1 6 ) 塾墨茎垄旦丝塑垫三! ：垒堡生 ，2 5 = 三一i i4 1 3 6 = 3 2 0 0 1 6 6 1 6 6 = 3 1 6 7 ( m m ) 如上所述，轴向负荷与行程距离关系如下所示 表4 2 轴向负荷上孑行科距离艾系 t a b4 2t h er e l a t i o n s h i po f a x i a ll o a da n dd i s t a n c eo f r u n ( 4 1 7 ) 平均轴向负荷堋： f m =鱼i 些丝i ：生丝i ! 生 i t + 1 2 + l l + 1 4 + l s + 1 6 ，j 6 4 7 4 3 1 6 6 + 2 7 6 4 3 3 1 6 7 + 9 4 6 3 1 6 6 2 | 1 而可面面i 面万面i 矿一 = = 2 2 3 4 ( n ) 额定寿命的计算4 4 1 耻( 志 3 枷6 ：f 竺箜! ! 丫x 1 0 6 1 ：= l 一 l 1 2 2 2 3 4 ) = 4 6 6 x 1 0 ”( r p m ) f w = - i 2 ：负荷系数 c a ：基本额定动载荷n 2 2 ( 4 1 8 ) ( 4 1 9 ) 大连里三奎堂主、业堂堡堕主兰垡堡奎 一 k l h 2 n x 6 0 4 6 6 1 0 1 0 6 0 x 6 6 7 = 11 6 4 4 t t ( h ) n ：滚珠丝杠工作时的最大转速 根据以上的计算结果，选定滚珠丝杠的型号为b n f n 8 0 1 2 a 一5 y 轴进给电机的选择计算“们 丝杠转动惯量： i s ；o ，7 8 d 4 l 1 0 。6 ：0 7 8 8 4 4 7 0 1 0 6 = 1 5 ( 珂c m s 2 ) 滑鞍及滑枕折算到丝杠上的转动惯量： ， = 2 掣 = ( 去) 2 掣 。= ( 翔2 百g 0 0 0 + 4 0 0 0 ) = 0 2 6 1 ( k g f 册s 2 ) 丝杠传动时传动系统折算到马达轴上的总转动惯量 j = ，s + ，i = 1 5 + 0 2 6 1 = 1 7 6 1 ( 财c m s ) 马达力矩计算钉 快速启动时折算到马达轴上的加速力矩： m a = 等舢。2 摩擦力矩； 9 6 0 2 5 = 4 9 ( 矿历) = 4 9 ( 珊) 1 0 一2 ( 4 2 0 ) ( 4 2 1 ) ( 4 2 2 ) ( 4 2 3 ) ( 4 2 4 ) 垫墨茎垄! ! 堂塾塑三! 尘堡生 m ，：f a x _ _ _ _ f x1 0 2 。 2 ，r r i ；坐! 鲤! 竺21 11 。l o 一： = 一x l u 2 n - r ：004x(3000+4000)x1 2x1 0 。 ：一 2 n 0 9 = 5 9 5 ( n m 、 f a ：导轨摩擦力 i l ：传动链总效率 附加摩擦力矩： 峨= 百p ox s ( 1 一前) 6 4 7 4 x0 0 1 2 2 万0 9 = 2 6 ( n m 1 - 0 9 2 ) p o ：最大轴向负载( n ) r io = 0 9 ：滚珠丝杠未预紧时的效率 最大力矩： m 。= m a + m s + m o = 4 9 + 5 9 5 + 2 6 = 5 7 5 5 ( n 州1 马达额定扭矩： 材，：氅一 5 7 5 5 1 5 3 8 4 ( l r t l ) 查电机样本d o 选y 轴电机型号为： 1 f t 6 1 0 51 3 ( k w )4 2 ( n m ) ( 2 ) x 轴滚珠丝杠与进给电机的选择计算 基本条件 工作台质量：m l - - 1 4 0 0 ( k g ) 工件质量：m 2 - - - 2 0 0 0 0 ( k g ) 2 4 ( 4 2 5 ) ( 4 2 6 ) ( 4 2 7 ) ( 4 2 8 ) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 行程长度：l = 6 2 0 0 ( r a m ) 快移速度：v = 8 ( m r a i n ) = 0 1 3 3 ( m s ) 加、减速时间：t = o 3 ( s ) 加速度：a = v t = o 4 4 3 ( m s 2 ) 重力加速度：g = 9 8 ( m s 2 ) 使用寿命：2 0 0 0 0 0 ( h ) 导向面阻力：f - - 6 2 n 滚珠丝杠的初步选择 导程精度的选择 为了满足定位精度0 0 2 3 0 0 必须选择o 0 2 ，3 0 0 以上的导程精度。 因此丝杠的导程精度选择c 5 级。 根据基本条件和机床的定位精度，选择滚珠丝杠直径为 由1 0 0 ( n u n ) ；导程为2 0 ( r a m ) 。 滚珠丝杠轴支撑方式的选择 因为行程大、承载大，所以滚珠丝杠轴的支撑方式选择为： 固定一固定安装方式 允许轴向负荷计算 滚动真线导轨的摩擦系数：i l = 0 0 0 3 去路加速时的轴向负荷 f a l = p ( m l + m 2 ) g + f + ( m l + 恤2 ) a 卸0 0 3 ( 1 1 4 0 0 + 2 0 0 0 0 ) 9 8 + 6 2 + ( 1 1 4 0 0 + 2 0 0 0 0 ) 0 4 4 3 = 1 4 8 9 5 ( n ) 去路等速时的轴向负荷 f a 产i l ( 埘l + m 2 ) g + f - - 0 0 0 3 ( 1 1 4 0 0 + 2 0 0 0 0 ) 9 8 + 6 2 = 9 8 5 ( n ) 去路减速时的轴向负荷 f a 3 = t t ( m l + m 2 ) g + f 一( m i + m 2 ) a - - 0 0 0 3 ( 1 1 4 0 0 + 2 0 0 0 0 ) 9 8 + 6 2 一( 1 1 4 0 0 + 2 0 0 0 0 ) 0 4 4 3 = 一1 2 9 2 5 ( n ) 回程加速时的轴向负荷 f 幽= 一l l ( m l + m 2 ) g f 一( 砺l + m 2 ) a 动梁式龙门镗铣加工中心设计 = 一0 0 1x ( 4 0 0 0 + 3 0 0 0 ) x 9 8 - 2 0 - ( 4 0 0 0 + 3 0 0 0 ) 0 8 9 = - 1 4 8 9 5 ( n ) 回程等速时的轴向负荷 f a s = 一p ( m l + m 2 ) g f = 一0 0 1x ( 4 0 0 0 + 3 0 0 0 ) x