高精度丝杠车床设计毕业论文.doc

高精度丝杠车床设计毕业论文目 录摘 要IAbstractII第1章 概论12.1 加工范围12.2 设计任务1第2章 机床设计的论述22.1 车床整体设计22.2 电动机的选择和安装32.3 传动机构的分类42.4 本章小结4第3章 主轴箱传动的设计93.1 蜗轮蜗杆的概述93.2 蜗轮蜗杆的设计10 3.2.1 蜗杆传动的强度计算12 3.2.2 精度等级公差和表面粗糙度的确定143.3 本章小结14第4章 主轴组件的设计174.1 支承轴承的选择17 4.1.1 滑动轴承的类型和特性17 4.1.2 滚动轴承的类型和特性174.2 静压轴承的供油方式及特点的选择184.3 本章小结18第5章 主轴的设计265.1 轴的简介及其用途265.2 主轴的构造和选材265.3 主轴的设计275.4 主轴的强度校核30 5.4.1 按扭转强度计算30 5.4.2 按弯扭组合计算315.5 本章小结31第6章 精密床身导轨设计306.1 导轨结构分析306.2 材料和热处理316.3 导轨的分类326.4 本章小结33第7章 丝杠设计347.1 应用范围和特点347.2 丝杠的构造347.3 丝杠的支承347.4 丝杠的精度、材料和热处理347.5 本章小结35第8章 校正机构的设计368.1 机床在加工过程中存在的问题368.2 方案的提出368.3 方案的设计368.4 本章小结39第9章 车床总体设计的确定409.1 车床的技术性能及外形409.2 机床的传动系统419.3 本章小结42总 结39参考文献41致 谢43II第1章 概论2.1 车床加工范围车床类机床主要是用于进行车削加工，在车床上可以加工各种回转表面，如内外圆柱面、圆锥面以及成型回转面等，其中某些车床还能加工螺纹面。在车床上使用的刀具主要是车刀，有些车床还使用各种孔加工刀具（如钻头，扩孔钻，绞刀等）以及螺纹刀具等。2.2 设计任务我所设计的是“高精度丝杠车床设计”，该车床主要是用来车削高精度丝杠的专门化车床，它是在制造业中加工精密丝杠的主要机床，本设计主要介绍了车床的结构，各零部件的选取。依次对车床零部件的设计，以及为了提高车床在加工过程中的加工精度而采取的一系列措施，如电动机的装配、固定，传动机构中传动链的设计和确定，丝杠的选材，导轨的设计选材，主轴的设计，轴承的选择，校正尺等等。在本设计中都进行了说明。第2章 机床设计的论述2.1 车床整体设计我所设计的是高精度丝杠车床设计，如图2-1丝杠车床结构图所示，这类车床属于特种车床，在机床整体设计中，提出一下两种方案。图2-1 丝杠车床结构图方案一：在传动机构中，采用齿轮传动，电动机直接固定在机床床身，通过床身的手柄控制，在齿轮传动中，传动比较平稳、稳定。方案二：在传动机构中，不采用齿轮幅传动。而是通过两对挂轮将运动传递给丝杠，电动机也不直接安装在机床床身，而是安装在另外一固定板上，另外在丝杠传递上加上一校正机构。在以上两种方案中，方案一采用的是齿轮传动，传动链比较长，相应的传动过程中误差比较大，传动精度差。方案二与方案一相比较，首先在传动链上，只用两对高精密挂轮就完成了运动的传递，减少了在传递运动过程中的误差，提高了机床运动的准确性，其次，电动机不是直接安装在机床床身，而是安装在另一固定板上，这样，在电动机运转过程中，电动机的振动就不会带动机床的振动，从而可以起到减小误差的作用，最后，为了进一步提高机床的加工精度，减小丝杠本身在加工过程中的误差，采用校正机构，这样就更进一步的提高了机床的加工精度。主轴的变速和变向都是由主电动机来实现的。电动机选用可控无级变速，主轴的正转和反转的转速相同。刀架的运动是由主轴经过两个挂轮直接传动给丝杠，由螺母带动床鞍及刀架移动。 该机床主要是用来车削高精度丝杠的专门化车床，它加工的丝杠精度可以到6级，这是一般车床所不能达到的，为了能够让车床车削出这么高的精度，提出以下几个方案：（1） 提高丝杠的加工精度 提高车床本身丝杠的精度可以提高机床工作时加工出零件的精度。（2） 减少机床的振动 振动对一个机床来说，不仅可以影响机床的寿命，而且对机床本身的加工精度也有很大的影响。（3） 减少传动链 在机床传动过程中，传动链的长短直接会影响到机床本身的加工精度，所以在设计过程中，应当尽量减短机床进给传动中的传动链，以提高加工精度。主轴是一个机床的重要部件，它的性能是否稳定将直接影响到机床加工零件的精度，而我所设计的高精度丝杠车床属于精加工车床，所以应该减少主轴所受的力，减少主轴所受到的力，有利于减少轴的弯曲变形以及提高其传动的平稳性，这样在一定程度上减少了机床的颤动，从而可以提高机床的加工精度。在高精密车床中，零件本身的精度 ，是加工高精度零件的基础，只有高的精度，才能传递准确的传动比，才能有比较高的装配精度。2.2 电动机的选择和安装由于所设计的车床是精加工车床，要求的动力不大，所以选电动机功率为3kW电动机，且为无级调速电动机，选取电动机型号为JWBX05190D型。由表可查得该电动机极数为4。该车床属于高精度车床，所以提高加工精度是该车床的核心问题，电机在转动过程中，由于转动会产生机械振动，这样就会降低车床本身加工的精度，为了提高车床加工的精度要求，我们可以减少其振动。方案一： 选用转动时振动小的电动机型号；方案二： 将电动机不安装在车床床身；根据对两个方案的比较，方案二从减少振动来提高机床精度，更适合于此次所设计的丝杠车床，故选择方案二。2.3 传动机构的分类由于所设计的是“高精度丝杠车床设计”属于特种机床，这就要求尽可能的简化机床的传动链，简化机床，故采用交流异步电动机，该电动机可以使机床的机械机构简单化，使用方便，并且能在运转中变速。在车床的主轴箱传动中，一般的车床采用的是齿轮传动，齿轮传动由于传动链比较长，导致传动误差增大，从而降低了传动精度。由于我所设计的是精密车床，为了减少传动链，传动是由电动机经过皮带经过蜗轮蜗杆直接传递给主轴，而从主轴到丝杠只要经过两对高精度的挂轮的传动，传动元件的数量减少到了最少的程度，这样就可以减少传动元件误差对传动精度的影响，从而提高了传动链的传动精度。在传动设计中，由于设计的是精密车床，且要求转速变化大，所以选用无级变速，因为无级变速和有级变速相比较，有以下特点：分级变速机构在一定的变速范围内只能得到某几种转速（或者速度），而无级变速机构可以在一定范围内得到任意的切削速度，因而可以选择最合理，最经济，效果最好的转速，最有利于断削的切削用量。采用无级变速器，尤其是配合减速传动时进一步扩大其变速范围与输出转矩，能更好的适应各种机械的工况要求，使之得到最佳效能，提高产品的产量和质量，适应产品的变换需要，节约能源。在实现整个系统的机械化，自动化各方面都具有显著的效果。机械无级变速器的主要特点是：转速稳定，滑动率小，工作可靠，具有恒功率力学特性，传动效率较高，而且结构简单，维修方便，价格便宜。本车床加工精度高，它加工出来的丝杠很高，采用机械无级变速器，它可以使丝杠在运动过程中获得最佳的切削速度，从而保证了加工精度。其次，无级变速器能保证恒定的切削速度和切削力，而且在驱动力固定的情况下，因工作阻力变化而需要调节转速可以产生相应的驱动力矩，从而进一步保障了加工丝杠的精度。从以上的分析可以得出，机械无级变速器对本车床是最佳的选择，所以选用机械无级变速器。2.4 本章小结本章采用高精度挂轮的传动方式，选取无极调速电动机，且电动机不安装在车床床身，采用机械无极变速器完成机床变速，在丝杠传动中设置校正机构，从而达到高加工精度。4第3章 主轴箱传动的设计3.1 蜗轮蜗杆的概述蜗杆传动是由蜗杆和蜗轮组成，它用于传递空间的运动和动力。通常两轴的交错角为=90o。传动中一般蜗杆是主动件，蜗轮是从动件。蜗杆蜗轮的形成原理和传动特点蜗杆传动实际是螺旋齿轮传动的一种特例。在螺旋齿轮传动中，如传动比很大，小齿直径做的很小，轴向长度较长，而螺旋角度大，则轮齿将在援助面上饶成完整的螺旋齿，称为蜗杆。大齿轮称为蜗轮。为了改善啮合状况，将蜗轮分度圆柱面的母线做成圆弧形，使蜗杆部分被包住，并用于蜗杆形状和参数相同的滚刀范成加工蜗轮,这样齿廓间为线接触，可传递较大动力，如蜗轮蜗杆传动图3-1所示10。图3-1 蜗轮蜗杆传动图蜗杆和螺纹相似，也有左右旋之分，工程通常用右旋螺杆。按照螺旋线的头数又有单头螺杆和多头螺杆之分。蜗杆螺旋线与垂直于蜗杆轴线平面之间的夹角称为导程角。螺杆的导程角与蜗轮的螺旋角大小相等，方向也相同。蜗杆传动的主要优点是传动比大，结构紧凑，传动平稳和噪声较小等；当蜗杆的导程角小于啮合齿轮间的当量摩擦角时，机构具有自锁性。蜗杆传动的主要缺点是传动效率低。在蜗轮传动中，一般传动比都比较大，而且在传动过程中传动平稳，恒定，与齿轮传动相比较，它具有高的传动比和高的稳定性，而且选用它可以缩短传动链，提高了传动的精度，保障了机床的精度要求16。在蜗杆传动中，最主要的失效形式是疲劳点蚀、胶合、磨损和轮齿折断等，而在一般情况下，蜗杆的强度总是高于蜗轮的轮齿强度，因此，失效总是发生在蜗轮上的。由于在传动中，蜗杆和蜗轮之间的滑动速度大，这就更容易产生磨损。基于蜗杆传动的特点，而且所设计的车床属于高精度要求的机床，所以蜗轮的材料应该首先具有良好的减磨，耐磨，易于跑合和抗胶合的能力；同时还要有足够的强度，因此在有些场合长用青铜材料做蜗轮的齿圈，并与淬硬磨削的钢制蜗杆相匹配。由于是精密车床，要求精密度高，蜗杆选用材料为40Cr钢，因为希望效率高些，耐磨性好点，所以蜗杆齿面要求用淬火，硬度为4555HRC，蜗轮用青铜，而轮芯用灰铸铁HT100制造。3.2 蜗轮蜗杆的设计由上述我们初选蜗杆模数为2，因为该设计的车床是高精度车床，传动有较高的传动精度和较高的传动效率，初选取蜗杆的头数为1，则由公式 （3-1）可得： （3-2）查表取分度圆直径mm (3-3)由公式 (3-4)可计算出蜗杆特性系数 (3-5)蜗杆的导程角为： (3-6)则可得由蜗杆头数可得，蜗杆公称导程为： (3-7)蜗杆的螺旋升角为： (3-8)查机械设计可得，蜗杆的螺旋升角小于12.6，上述计算符合要求，所以蜗杆设计符合使用要求。蜗轮模数的确定：由表3-2可以得出：表3-2 蜗杆头数与蜗轮齿数的荐用值6293171542961143022961298212982由上表可选用蜗轮齿数为42。则可算出：蜗轮分度圆直径 （3-9）蜗轮齿顶高 （3-10）蜗轮齿根高mm （3-11）蜗轮喉母圆半径mm （3-12）蜗轮喉圆直径mm （3-13）蜗杆齿顶高mm （3-14）蜗杆齿根高mm （3-15）蜗杆螺纹长度mm （3-16）蜗杆传动的标准中心距为 mm （3-17） 传动比i. （3-18）式中 蜗杆的转速r/min; 蜗轮的转速r/min.3.2.1 蜗杆传动的强度计算1.受力分析蜗杆传动中，作用在齿面上的发向作用力可分解为三个相互垂直的分力，即圆周力，径向力和轴向力。在本车床上，蜗杆为主动件，则蜗杆上的圆周力的方向与蜗杆齿啮合点的运动方向相反；蜗轮上的圆周力的方向与蜗轮在啮合点的运动方向相同；径向力的方向在蜗杆，蜗轮上都是由啮合点分别指向圆心。2.蜗轮强度计算蜗轮齿面接触疲劳强度计算：蜗轮齿面接触疲劳强度计算公式与斜齿轮相似，其公式为 （3-19）式中 蜗轮齿面许用接触应力；载荷系数，一般取=1.11.3。根据上式进行强度效核即 （3-20）确定作用在蜗轮上的转矩：查表得带传动效率：， 则传递到蜗杆的功率为kW （3-21）则可得传递到蜗轮的转矩 （3-22）确定载荷系数K因为工作载荷较为稳定，故去载荷分布不均系数： （3-23）由表3查得选取使用系数： （3-24）表3-3 使用系数工作类型载荷性质均匀无冲击不均匀小冲击不均匀大冲击每小时启动次数25255050启动载荷小较大大11.151.2由于转速不太高，冲击不大，可去动载荷系数 （3-25）则： （3-26）则由公式 （3-27）计算得： （3-28）故符合强度要求。3.2.2 精度等级公差和表面粗糙度的确定考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速器，从GB/T 100891988圆柱蜗杆，因为在传动过程中要求传动精度要高，所以根据蜗杆传动的等级规定选用蜗轮精度中选4级精度。该精度用于精密度高的传动中。3.3 本章小结本章对蜗轮蜗杆的选材、尺寸进行设计，并对蜗轮螺杆进行强度校核，最终选用的零部件符合此次设计的要求。 22第4章 主轴组件的设计4.1 支承轴承的选择轴承是机器中用来支撑轴的一种重要零件，其功用是支撑轴及轴上零件，并保持轴的旋转精度；同时减小转动的轴与支撑之间的摩擦。按轴承工作时的摩擦性质，分为滚动轴承和滑动轴承。4.1.1 滑动轴承的类型和特性1. 滑动轴承按照承受的载荷分为:（1）向心滑动轴承（径向滑动轴承）,主要承受径向载荷；（2）推力滑动轴承,主要承受轴向载荷。2. 滑动轴承适用于低速、高精度、重载和结构上要求剖分的场合。在低速而有冲击的场合也常采用。3. 向心滑动轴承（1）整体式、剖分式剖分式一般由轴承盖、轴承座、轴瓦和联接螺栓等组成。（2）轴瓦是轴承中的关键零件。轴瓦材料应有摩擦系数小、导热性好、热膨胀系数小、耐磨、耐蚀、抗胶合能力强、有足够的机械强度和可塑性等性能。（3）对轴瓦材料的要求：轴承合金（巴氏合金）、青铜、特殊性能的轴承材料等。4.推力滑动轴承（1）推力滑动轴承有固定式和可倾式。（2）推力滑动轴承的止推面可以利用轴的端面,也可以在轴的中段做出凸肩或装推力圆盘。4.1.2 滚动轴承的类型和特性1.滚动轴承的形状分类：球轴承、滚子轴承2.滚动轴承的特性（1）优点滚动轴承与滑动轴承相比，具有摩擦阻力小、启动灵敏、效率高、润滑简便和易于更换等优点。（2）缺点抗冲击能力较差、高速时出现噪声、工作寿命不如液体润滑的滑动轴承。综上所选用滑动轴承。对于我所设计的“高精度丝杠车床”，轴承选用有轴向回油的液体静压轴承。通过比较可以知道，由于所设计的是高精度丝杠车床设计，故要求传动精度高，而轴承的选择对精度有很大的关系，液体静压轴承有以下特点（1）润滑油通过轴与轴承的间隙，从轴向、周向封油面流出 ；（2）流量较大；（3）相对于同一种固定节流器无周向回油槽的静压轴承，具有较大的静刚度；（4）高速转动时，若回油槽宽度和深度太大，容易将空气从回油槽卷入轴承油腔内。机床应用广泛。4.2 静压轴承的供油方式及特点的选择恒压供油的特点：轴承的各个油枪，采用一个泵，油泵输出的恒定压力的润滑油先通往节流器，然后进入轴承各油腔，利用节流器调节油腔压力。前面所述的液体静压轴承均属恒压供油方式，结构简单，调整方便。供油压力的选择原则是：保证满足轴承最大承载能力和足够油膜刚度的条件下，使供油系统中的油泵功率消耗最小，既有利于降低轴承系统温度，又能改善轴承的动态性能一般取供油压力大于等于十的六次方牛顿每平方米。恒流量供油的特点：轴承的每个油腔各有一个流量相同的油泵，油泵将恒流量的润滑油直接输送到轴承油腔，它的优点是：（1）工作可靠，不存在节流器堵塞的问题（2）轴承的油膜刚度大于固定节流静压轴承的油膜刚度（3）油泵功率损耗小，温升较低它的缺点是：（1）若用多个流量相同的油泵，则所需油泵的数量多；若用多供油点的油泵，则油泵制造精度要求高（2）油膜刚度、油膜厚度受温度的影响大综上所述我选用的供油方式为恒压供油。4.3 本章小结本章对主轴两端选用两个液体静压轴承，以及一个滑动轴承配合支承；液体静压轴承选用恒压供油方式。第5章 主轴的设计5.1 轴的简介及其用途轴是组成精密机械的重要零件之一，一切做回转运动的零件，都必须在轴上才能传递运动和动力。根据承受的载荷不同，轴可以分为转轴，心轴和传动轴。转轴既承受弯矩又承受扭矩，如齿轮减速器中支撑齿轮的轴；心轴只承受弯矩而不承受扭矩，如支撑滑轮的心轴。5.2 主轴的构造和选材机床的主轴和一般传动轴有一定的相同之处，就是都要传递动力和扭矩，都要保证轴上传动件和轴承的正常工作。因此，它必须满足一般传动轴的要求。但是主轴又是直接带着工件或者刀具旋转进行切削的，因此对主轴又有较高的要求。各种机床主轴的工作情况虽然各不相同，它们所要求的转速变化范围和承受的载荷等也相差很大，但是对主轴部件有一个共同的要求，就是主轴在工作载荷下，应能长期保持所需要的稳定的工作精度，以保证工件的加工精度和表面光洁度。主轴的构造主要取决于轴上所安装的传动件，轴承零件的类型、数量、位置和安装方法等，同时还应该考虑主轴的加工和装配的工艺性。为了便于装配，经常把主轴做成阶梯形。我所设计的是精密丝杠车床，属于精密机床，在精密机床中使用的轴，承受的负荷较小，制造精度要求高，因此，要求材料有足够的机械强度和良好的加工性能等，而常用材料主要是碳素钢和合金钢。碳素钢对应力集中敏感性小，价格低廉，因此应用也比较广泛。35、45和50等优质碳素钢具有较强的综合力学性能，常用于比较重要或承受载荷较大的轴。其中45钢应用最广。Q235、Q275等普通碳素结构钢用于不重要的或者承受载荷小的轴。合金钢比碳素钢具有更高的力学性能和更好的热处理性能，但对应力集中较为敏感。而且价格昂贵，所以多用于传递功率较大，并且尺寸要求小，重量轻或者耐磨性较高的重要轴。常用的合金钢有20Cr、40Cr和20CrMnTi等。在轴的设计中是根据轴上的零件的拆装、定位、固定和加工等因素，合理确定轴的各部分的形状和尺寸，包括各段轴的直径，长度等其它必要的尺寸。如轴的常用材料和主要性能表5-1所示，选用40Cr为轴的材料，经过调质处理。表5-1 轴的常用材料和主要力学性能材料牌号热处理 毛坯直径d/mm硬度/HBS/MPa/MPa/MPaQ23544022020045正火100170217600300275调质20021725565036030040Cr调质1002402867505503503Cr13调质10024583563539535CrMo调质100207269750550390 5.3 主轴的设计 由于所设计的是“高精度丝杠车床设计”，所以就要求传动精度要求高，提高主轴的传动精度，就可以提高机床的精度，使机床加工的零件更精密，提出以下两种方案， 方案一： 提高主轴的制造精度； 方案二： 降低主轴所受的力，以减少轴的弯曲变形，提高其运转的平稳性。针对以上两个方案：在方案一中，提高主轴的精度，可以在一定程度上提高主轴运动的平稳性，进一步提高机床的精度，但主轴在制造过程中，精度的提高是有限的；第2种方案中，减少轴所受到的颈向载荷，就可以提高其旋转精度，具体方法如下：在主轴传动中，传动主轴的蜗轮及其轴套2不是直接安装在主轴上的，而是通过装在箱体中间壁的滚动轴承1上，在轴套2的右端面有端齿，与轴圈3的端齿相啮合，蜗轮的运动是经过端面齿及其轴套3传给主轴的。所以，应用卸载结构时，传动件上的径向作用力由箱体承受，而主轴只受到扭转力，不承受此径向力，也就是从主轴上卸去了径向载荷，即就是所说的卸载结构，卸载结构有利于减少轴的弯曲变形及提高其运动的平稳性，所以选用卸载结构3。（1）求出主轴上上的功率，转速和转矩 查表得带的传动效率为0.99，蜗轮蜗杆传动效率为0.8，轴承的传动效率为0.99则可得 =30.990.990.8=2.35kW （5-1）1轴承 2轴套 3轴圈图5-1主轴卸载图车床传动是无级调速，由表查得主轴的计算转速为 （5-2）式中 最低转速调速范围；因为设计车床的主轴转速为440r/min，所以则计算得： （5-3）则主轴在转速为740r/min时为恒扭矩传动，转速为47r/min时为恒功率传动。车床花盘转速的恒扭矩部分可以利用电动机的恒扭矩调速范围。而恒功率部分的变速范围为 ： （5-4）扭矩的计算： （5-5）初步估算轴的直径，如表5-2所示，表5-2轴常用几种材料的及C值材料Q235,20354540Cr,35SiMn1220203030404052C15813513511811810710798根据表5-2选取C=106，于是得 （5-6）查表可取直径为100mm。由于是中空轴，由公式=(0.50.6) (5-7)取系数为0.6则可以得到=60mm。(2)轴的结构设计轴的外形设计和各段长度，估算的轴径作为轴外伸端的直径，装有挂轮，由表查出轴承的宽度分别为96mm和115mm，为了保证两轴承中心间的距离528 mm，在两轴承之间应该有轴肩，挂轮的宽度为60m(已定)，轴前端伸长量由于要安装转盘，查手册得前端伸长为19mm。（3）主轴最佳跨距计算：计算主轴的转动惯量 （5-7）查轴承手册，查得前后轴承的许用刚度为 （5-8） （5-9）则可得 （5-10）则 （5-11）查表得 （5-12）故 （5-13）所以主轴的最佳跨距为528mm。5.4 主轴的强度校核5.4.1 按扭转强度计算由于所设计的车床是属于特种车床，精密度要求高，对主轴的要求也就高，所以主轴在安装中用的是卸载式结构，如图5-1主轴卸载图；3208Nm由上述可知，该主轴只受到扭矩作用，做扭矩图，如主轴弯矩图5-3所示。图5-3主轴弯矩图 （5-14）式中 扭转切应力，单位为MPa; T轴所受的扭矩，单位为Nm Wt轴的抗扭截面系数，单位为mm3； n主轴的转速，单位为r/min; P轴传递的功率，单位为kW； d计算截面处的直径，单位为mm; 许用扭转切应力，单位为MPa;故按扭转强度计算符合要求。5.4.2 按弯扭组合计算在上述中我们可以看出，主轴在传递力的过程中，采用卸载结构，不受到径向作用力，所以所受到的弯矩为0。由校核公式 （5-15）式中 轴的计算应力，单位为MPa； M 轴所受的弯矩，单位为Nmm； T 轴所受扭矩，单位为Nmm； 对称循环变应力时轴的许用弯曲应力；当扭转切应力为静应力时，取=0.3，当扭转切应力为脉动循环变应力时，=0.6；若扭转切应力为对称循环变应力时，取=1；由于主轴是变速运动，且为脉动循环变应力，所以取=0.6。带入式可计算得 （5-16）故按弯扭组合校核也符合要求。5.5 本章小结本章进行主轴材料的选择，经过分析选40Cr，设计主轴的尺寸，最后对主轴的弯扭强度进行校核。第6章 精密床身导轨设计6.1 导轨结构分析在工作台中，导轨是用来保证各种运动部件的相对位置和相对运动精度，以及用来承受载荷（包括工作台，滑板部件的重量）。对导轨性能的基本要求是导向精度高，刚度大，耐磨性好，精度保持性好，运动灵活而平稳，结构简单和工艺性好。1.导向精度导向精度是导轨副的重要精度指标，所谓导向精度就是指动导轨运动轨迹的精度。运动件的实际运动轨迹与给定方向之间的偏差越小，则导向精度越高。影响导向精度的主要因素有导轨的结构类型，导轨的几何精度和接触精度，导轨和机座的刚度，导轨的油膜厚度和油膜刚度及导轨和机座的热变形等。2.刚度导轨受力产生变形，其中有自身变形，局部变形和接触变形。导轨自身变形是由于作用在导轨面上的零部件重量造成的。这种变形通常会影响加工精度。为了减小这类变形量，常需要在结构尺寸及筋板布置上采取措施，或者将导轨面预先加工成中凸的形状，用以补偿受力后的弯曲变形。有时候还要设置补偿装置。导轨局部变形发生在载荷集中的地方，如立柱与导轨接触部位。接触变形是由于平面微观不平度造成实际接触面积仅是名义接触面积的很小一部分。当压强很小时，两个接触面间只有少数高点接触，接触变形较大，接触刚度较小，当压强增大时，这些接触点进一步变形，也可能又有一些新的接触点，使的接触面积扩大了，从而接触刚度有所提高。因此，接触刚度不是一个固定值。3.耐磨性工作台滑板运动一段时间后，将会产生不同程度的不均匀磨损，就会影响导轨的精度，从而影响机床的精度。导轨耐磨性与摩擦性质，导轨材料，加工工艺方法以及受力情况有关。提高导轨的耐磨性是提高仪器使用寿命的重要途径。为了提高导轨耐磨性可以采取降低导轨面的比压的措施。导轨面比压： （5-1）式中 W载荷，单位为N； A承载面积，单位mm2; L动导轨长度，cm；a导轨宽度，cm。大中型仪器的导轨面允许比压最大值为0.07MPa，平均比压为0.04MPa。若适当加大导轨宽度仍不能满足要求时，则可采取卸荷措施。4.良好的防护与润滑在导轨上安装防护罩可以防止灰尘和污物进入，有利于延长其使用寿命和保护导轨精度。良好的润滑能改善磨损状况。润滑油应具有良好的润滑性和足够的油膜刚性，温度变化时黏度变化要小，不腐蚀机体，杂质要少。6.2 材料和热处理正确选择导轨材料及其热处理工艺。为了提高导轨耐磨性，固定导轨与运动件导轨一般不要硬度相同。固定导轨的硬度比运动导轨的硬度大1.11.2倍最好。常用以下不同硬度材料配合。铸铁铸铁导轨。铸铁淬硬铸铁导轨。铸铁淬硬钢导轨。铜合金钢导轨。淬火钢淬火钢导轨。塑料（聚四氟乙烯）铸铁导轨有较好的抗振性和耐摩性，且温度适应性广（-200280），摩擦因素小。对于长导轨，很难各处均匀磨损。不均匀的磨损会影响精度，因此，长导轨应采用耐磨和硬度高的材料。导轨经过热处理以后，耐磨性明显提高。常用的热处理方法有电接触表面淬火，中频淬火以及高频淬火等。电接触表面淬火采用大直流，低电压，通过滚轮接触导轨面，使表面形成封闭的花纹。淬火后，硬度可以达到HRC50以上，淬火变形小，淬火深度为0.20.3mm，无需再进行加工，耐磨性提高12倍。这种方法简单，成本低且变形小。淬硬钢制成的“镶钢导轨”耐磨性比铸铁导轨高510倍。40Cr、T8、T10和GCr15钢淬火后硬度可以达到HRC5258。20Cr、20CrMnTi渗碳淬火后硬度达HRC5662。导轨运动的不平稳性主要表现在低速运动时出现速度不均匀，即所谓爬行现象。通常是在电机接受低速运转指令作匀速旋转时，带动丝杠也随着作等速转动，而此时工作台却出现一快一慢或一跳一停的爬行现象。爬行现象不仅影响工作台稳定移动，同时也影响工作台的定位精度，因此必须采取措施消除。我所设计的是“精密丝杠车床”，这就要求车床加工的精度要求要高，我所选用的是滑动摩擦导轨，滑动摩擦导轨是支承件和运动件直接接触的导轨。这种导轨的优点是结构简单，制造容易且接触刚度大。缺点是摩擦阻力大，磨损快，动，静摩擦因素差别大，低速度时容易产生爬行运动。综上选导轨材料为40Cr。6.3 导轨的分类1.滑动导轨的截面形状（1）三角形导轨 导向精度随着顶角的大小而不同，顶角越小倒向性越高。顶角一般取90度，两侧面磨损后，能自动补偿间隙。凸形导轨有利于排除污物，但不易保存油液。（2）矩形导轨导向精度低于三角形导轨，但因摩擦系数低，刚度高，加工维修简便。承载能力大，但磨损后不能自动补偿，可能会降低导向精度。（3）圆柱形导轨制造简单，可达到精密配合，对温度变化比较敏感，间隙小很容易卡住，间隙大会使精度降低，磨损后不易调整间隙。（4）燕尾形导轨尺寸紧凑，高度小，调整间隙方便，能承受倾覆力矩。但制造，检修复杂，刚度较差，摩擦力大。2.滑动摩擦导轨的组合形式（1）三角形和平面组合导轨。这种导轨保持了三角形导轨的导向性好，平导轨制造简单和刚性好的优点，缺点是导轨磨损不均匀，一般是三角导轨比平导轨磨损快，采用这种导轨组合时，必须合理安排牵引力的位置，使导轨的摩擦力组成的合力与牵引力在同一直线上，否则就会产生力矩，造成V形导轨对角接触，影响运动件的导向精度。（2）双三角组合导轨两条三角导轨，能同时起着支承和导向作用。并且能够承受一定的倾覆力矩，磨损比较均匀，使用寿命长；能同时研磨两条导轨的基准研具；驱动元件可对称地放在两导轨中间，该定位是过定位，需要较高地技术和精密地基准研具进行刮研。机身导轨与工作台导轨地热变形量不同时，很难保证良好地接触。（3）双矩形组合导轨双矩形组合导轨的承载面和导向面都是平面，因而制造和检验都比V形导轨和燕尾形导轨容易且承载能力大。其缺点是导向面是在量对导轨的外侧，受热膨胀时的变形量较大。因此影响导向精度。由上面三种组合可以看出，双三角导轨加工精度最高，与一般车床比较，它的丝杠是放在两导轨中间的，这样就会消除倾覆力矩，使在传动过程中能够保持高的传动精度。6.4 本章小结本章对导轨机构分析，导轨的选材为40Cr，选择双三角组合导轨，保证车床的加工精度。 第7章 丝杠设计7.1 应用范围和特点丝杠螺母传动副可分为滑动的，滚珠的，滚柱的和静压的四种。在本次设计中，所选用的是滑动的。它的特点是：（1）传动比小，适用于低速进给传动机构；（2）传动精度高，传动平稳；（3）能自锁。通常单头丝杠的螺旋角小于摩擦角，因而具有自锁能力；（4）传递效率低；（5）在本设计中加入了丝杠校正装置可以弥补滑动丝杠的不足。7.2 丝杠的构造机床上用的螺纹牙形有30梯形和矩形两种，梯形螺纹由于加工方便，可以铣和磨，闭合对开螺母也较容易，故应用较多。但是，梯形螺纹丝杠的径向振动会使螺母产生附加的 轴向移动，从而影响被加工螺纹的螺距精度，因此，在精密机床中齿形半角为7.5的梯形螺纹。丝杠的直径通常为10mm到200mm。但最常用的是20mm到60mm。一般丝杠的直径和长度之比为0.020.05。7.3 丝杠的支承工作台或者刀架的传动精度不仅决定于丝杠本身的制造精度，而且与丝杠支承的制造和安装精度有关。如果轴承的制造精度或安装精度不高，会使丝杠发生轴向窜动和径向跳动，这就降低了工作台或刀架的传动精度，有时还会发生扭转振动。7.4 丝杠的精度、材料和热处理按照GC10160的规定，螺纹的精度分为10级，目前14级尚未规定公差，其它各级精度的应用范围见下表。表7-1 丝杠精度等级精度等级应用范围和举例5 6高精度传动。如螺纹磨床，坐标镗床，高精度丝杠车床，磨齿机以及无校正装置的分度机构和测量仪器等。7精确传动。如精密螺纹车床，铲齿车床，外圆磨床，平面磨床的进给机构等。8一般传动。如普通车床和螺纹铣床。9低精度传动。如机床的辅助机构。丝杠和螺母的材料是根据它的用途，精度等级和热处理方面选择的。通常，要求丝杠的材料具有良好的加工性和尺寸稳定性加工后能很快地消除内应力，以免在使用中变形。此外还要有较高的耐磨性，以保证有足够的使用期限15。丝杠的材料和热处理为：6级以上的高精度丝杠，如果要淬硬。例如螺纹磨床的进给丝杠，可用9Mn2V及CrWMn合金工具钢制造，表面淬硬至HRC=5458。不淬硬的丝杠，可用T10A或者T12A碳素工具钢制造，调质处理到HB=220250。由上述选择丝杠材料为CrWMn合金工具钢。选择丝杠等级为IT6。在一般的机床传动中，丝杠是放在导轨侧面，这样加工方便，容易加工，但精度低，在传动过程中会产生倾覆力矩，降低了精度要求，为了提高丝杠在传递过程中的精度要求，丝杠位置放在两导轨中间，这样在传动过程中，就会减少有于受力不均而引起的倾覆力，从而提高了机床的加工精度要求。7.5 本章小结本章进行丝杠尺寸的设计，丝杠的选材为CrWMn合金工具钢，丝杠等级为IT6，丝杠的位置放在两导轨中间，可以有效提高加工精度。 31第8章 校正机构的设计8.1 机床在加工过程中存在的问题在加工过程中，由于丝杠在制造过程中，虽然要求有很高的精度，但在机床加工过程中，难免会产生误差，而这种误差在装入车床后，由于这个误差会造成在车床加工过程中，对车床加工的零件精密度造成了很大的影响，导致机床加工精度的降低。8.2 方案的提出为了解决这个问题，提出了在车床上安装一个机构可以弥补此精度不足而造成的影响：第一种方案：提高丝杠的精度，但是这种方法只能在有限范围内提高，任何机器在生产过程中都存在着误差，而且在加工过程中也有很多不定因素的干扰，如温度等。第二种方案：在机床上安装一个可以弥补丝杠在加工过程中的精度的不足，即校正机构。8.3 方案的设计为了提高机床的加工精度要求，一方面我们提高了零件本身的精度，另一方面选用精度高的零件和耐磨性高，刚度好的材料，但在零件的制造过程中，始终会存在误差，这是不可避免的，为了提高机床的加工精度，在设计过程中，应用螺距校正装置，用来修正丝杠误差，进一步提高传动丝杠的传动精度。螺距校正装置的工作原理，如图8-1所示。将校正尺1固定在床身上。螺母8与一般螺母不相同，它的轴向固定在床鞍中，所以可以带动床鞍做纵向运动，但它又可在床鞍中作周向摆动。弹簧5的弹力力图使螺母8向顺时针方向转动，使件10的杠杆壁将杆2顶压在校正尺1的尺面上，所以螺母8的周向位置决定于校正尺尺面的凹凸程度。在螺母及床鞍纵向移动过程中，杆2的前端沿校正尺尺面滑动，由于校正尺尺面凹凸不平，使杆2在孔中往复移动，于是就使螺母8作相应方向的摆动，因此使床鞍得到一个附加的纵向运动，所以床鞍的实际位移是丝杠传来的运动（相当于螺母固定时）和附加运动合成的结果。因此，我们就可利用此运动来抵消传动丝杠螺距误差的影响，从而达到传动精度的目的14。在此次设计中，校正尺尺面上的凹凸量，就是根据传动丝杠各处的实际误差专门制造出来的。在机床制造时，要精确的测量出每台机床传动丝杠各处的螺距误差，然后，按此误差逐点地修正尺面相应点的凹凸程度。所以在床鞍移动过程中，校正尺尺面的凹下和凸起部分将使床鞍产生附加的运动，以抵消传动丝杠的螺距误差，这样，丝杠在传动过程中就好象是由极精确的丝杠传动一样，从而在很大程度上提高了机床的加工精度4。校正尺齿面的修正量（凸起或凹下）为： （8-1）式中 t 传动丝杠的螺距； 传动丝杠的螺距误差；及件10及螺母8上齿轮的齿数。的正负（凸起或凹下）由和具体结构确定。值表示修正量与误差量之间的比值，通常称为放大比或校正比。对每一种型号来说，K值是一个常数。所设计的机床的K=200，意思是，如传动丝杠某处的螺距误差值为10微米时，则校正尺的相应点的修正量应为校正尺除了可用来修正螺距误差外，还可以修正积累误差。产生积累误差的原因是由于工件在加工过程中的热变形、传动丝杠的积累误差及温室不符合标准温度。标准温度是指机床在制造厂的恒温车床装配和调正时的温度（）。使用车床时，如不符合这个温度，传动丝杠和工件相对标准温度而言都要产生变形。当它们的热膨胀系数不一定时，变形的大小也是不一样的，这时也会引起工件的积累误差。修正积累误差的方法将校正尺偏转一个角度。这时，在长度L内所引起的螺母附加转动量将为： （8-2）式中，是距离校正尺偏转中心点为L处的附加位移量。1校正尺；2推杆；5弹簧；6丝杠；8螺母；10杠杆图8-1 丝杠螺距校正装置原理图这时螺母的附加移动为此值应为在长度L内的积累误差相抵消，即应使 (8-3)在实际应用中，由于值不易准确的测量，而h值则可很容易地用千分表测量出来。所以，通常是用h值来准确地确定校正尺的偏转位置。如图8-2是所设计丝杠车床螺距校正装置所示，图中，1是校正尺，2是推杆，3是杠杆，10是和杠杆3连在一起的轴齿轮，它的轴装在床鞍4上，9是和轴齿轮10相啮合的一小段扇形齿圈，它固定在螺母8的端面上。校正尺1固定在校正尺座12上，校正尺座12固定在床身上，如松开紧固螺钉，校正尺座12可绕销11调整至一定的角度位置。6是传动丝杠。1校正尺；2推杆；3杠杆；4床鞍；5弹簧；6传动丝杠；7深沟球轴承；8螺母；9扇形齿圈；10轴齿轮；11销；12校正尺座图8-2 丝杠车床的螺距校正装置8.4 本章小结本章对校正机构进行设计，并校正机构工作原理和产生误差的分析。第9章 车床总体设计的确定9.1 车床的技术性能及外形所设计车床是用于车削高精度丝杠的专门化车床。它的加工精度可达6级，表面光洁度8级（Ra 0.8）。机床的外形如图9-1所示。机床由床身3、主轴箱2、刀架4、尾架5、进给挂轮1和传动丝杠等主要部件组成。为了减少传动件误差对工件导程精度的影响，机床中没有进给箱和溜板箱，刀架和主轴之间的传动比是用挂轮保证的。刀架的横向切入运动及小刀架的移动都是手动的。1进给挂轮；2主轴箱；3床身；4刀架；5尾架图9-1高精度丝杠丝杠车床外形机床的主要技术性能为：最大加工工件长度 1500mm最大加工工件直径 70mm主轴转速 无级变速 440r/min能加工的公制螺纹螺距 3、4、5、6、8、10、12mm能加工的英制螺纹螺距 2种，4和2扣/英寸主电动机 3kW 1501500r/min机床尺寸（长宽高） 35006001300mm 9.2 机床的传动系统由上可以初步设计机床的传动路线表达式和结构示