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机械机床毕业设计9CA6140横向进给系统及刀架的数控改造
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机械机床毕业设计9CA6140横向进给系统及刀架的数控改造,机械毕业设计论文
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CA6140 横向进给系统及刀架的数控改造 学 生： 学 号： 专 业：机械设计制造及其自动化 班 级：机电一体化 指导教师： 机电工程系 年六月 nts摘 要 摘要 所谓数字控制 机床 是按照含有机床 (刀具 )运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的过程。而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。它的优点很多 ,可以在同一机床上一次装夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的价格昂贵。由于我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低 ,要更新现有 机床需要很多资金。为了解决这个问题 ,也为了适应多品种中、小批量零件加工我们选择机床经济型数控改造。纵向进给机构的改造：拆去原机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座 ,配上滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的床尾 ,不占据丝杠空间。横向进给机构的改造：拆除横向丝杠换上滚珠丝杠 ,由步进电机带动。总体设计方案 :CA6140 车床主轴转速部分保留圆机床的手动变速功能。车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动。最后 ,根据已知条件对纵向横向伺服进给机构进行设计与计算。 关键词 :数控、车床、改造ntsAbtract ABSTRACT Numerical Control (NC) is any machining process in which the operations are executed automaticallu in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement .When Numerical Control is performed under computer supervision, it is called Computer Numerical Control (CNC).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite expensive. In our country conventional machine is used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. In order to agree with the development of our economy, we can reform the conventional machines. The reformation of the vertical mechanism: we demolish the current smooth leading, leading screw and installing stand. Then replace the ball leaking to the relevant position. The reformation of the horizontal mechanism: we make the horizontal ball lead screw instead of the conventional screw. And Stepper motor drives the screw. The overall master design: the spindles gearshift of the CA6140 mechanism controlled by the former operating lever. The moving of the vertical table and the horizontal table is drove by the ball screw, which is drove by the Stepper motors. The last, we design the vertical and horizontal mechanism on the basis of known numbers. Key word: Numerical Control、 machining、 information nts 目录 摘要 . ABSTRACT . 目录 . 第一章 绪论 . 1 1.1机床数控改造的意义 . 2 1.2数控机床的主要改造步骤 . 2 第二章 计的任务及要求 . 4 2.1 CA6140 横向进给系统及刀架数控改造设计的任务 . 4 2.2 CA6140 横向进给系统及刀架数控改造设计的要求 . 4 第三章 改造设计的总体方案 . 5 3.1设计参数的确定 . 5 3.2改造方案的确定 . 6 3.2.1系统的运动方式与伺服系统的选择 . 6 3.2.2机械传动方式 . 6 第四章 丝杠副的设计和计算 . 8 4.1选择脉冲当量 . 8 4.2计算切削力 . 8 4.2.1纵车外圆 . 8 4.2.2横切端面 . 8 4.3滚珠丝杆螺母副的计算和选型 . 9 4.3.1滚珠丝杠轴向进给切削力的计算 . 9 4.3.2滚珠丝杠的平均转速计算 . 10 4.3.3滚珠丝杠的寿命计算 . 10 4.3.4滚珠丝杠副在高速和定工作载荷的情况下的选用 . 10 4.3.5滚珠丝刚副在受动载荷的情况下的选用 . 12 4.3.6按额定静载荷选用滚珠丝杠副 . 13 4.3.7滚珠丝杠副的选型 . 13 4.3.8滚珠丝杠副的刚度验算 . 16 丝杠副的轴向变形量 . 16 滚珠与螺纹滚道间接接触变形 . 16 支承滚珠丝杠副轴承的轴向变形 . 17 4.3.9滚珠丝杠副的稳定性验算 . 19 第五章 减速器的设计计算 . 20 第六章 步进电机的选型及计算 . 22 6.1等效转动惯量的计算 . 22 6.2根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号 . 23 6.2.1步距角 . 23 6.2.2矩频特性 . 24 空载启动所需力矩 . 24nts 快速移动时所需力矩 . 26 最大切削 负载时所需力矩 . 26 6.3启动矩频特性和运行矩频特性校核 . 28 6.3.1启动矩频校核 . 28 突跳启动 . 28 升速启动 . 28 6.3.2运行矩频校核 . 29 快速进给运行矩频校核 . 29 工进运行矩频特性校核 . 30 6.4步进电机的安装尺寸 . 31 第七章 刀架的改造设计 . 32 7.1刀架改造的意义 . 32 7.2自动换刀装置形式的选择 . 32 7.3螺旋转位刀架的工作原理 . 34 7.4对自动换刀装置的要求 . 36 7.5自动换刀装置的主要部件设计计算及选择 . 36 7.5.1杆、蜗轮的设计计算 . 36 杆、蜗轮材料的选择 . 36 杆、蜗轮传动基本参数的选择 . 36 7.5.2电 机的选择 . 38 第八章 结论 . 39 参考文献 . 41 致 谢 . 42 nts四川理工学院毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效 应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业 化进程 。 我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过 “六五 ”期间引进数控技术， “七五 ”期间组织消化吸收“科技攻关 ”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速， “十五 ”期间，中国数控机床行业实现了超高速发展。其产量 2001 年为 17521 台， 2002 年 24803 台， 2003 年 36813 台， 2004 年 51861 台，是 2001年的 3.7 倍，平均年增长 39； 2005 年国产数控机床产量 59639 万台，接近 6 万台大关，是 “九五 ”末期的 424 倍 。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲 ，从 2002 年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国， 2004 年中国机床主机消费高达 94.6 亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显， 70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控 ,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大 技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之 间 的差距 。 为了弥补我国数控机床的严重不足，许多企业与厂家都对原有的普通机床改装成数控机床。 目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到 3。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率 。 但是 机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是 机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成（那些受资金等条件限制，而将传统机床改装成建议数控机床的另当别论）。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩nts第一章 绪论 2 擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整 体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近 。 1.1 机床数控改造的意义 一、节约成本。 机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省 60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的 1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床 60%的费用，并可以利用现有地基 。 二、改造时间短。 三、性能更稳定。在改造过程中可以对原机床的机械部 分重新装配加工，恢复到原有精度；采用数控软件控制 机床各部分，更加可靠。 四、设计风险小。 对普通的旧机床改造，即使改造失败，也不会造成较大损失。 五、可以更好的体现用户的愿望。在改造过程中，用户可以根据自己的需求对机床进行调整。 六、机械性能稳定可靠。原机床床身立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，改造后机床性能高、质量好，可以继续作为新设备使用多年。 七、采用最新的控制技术。可根据技术革新的发展速度，提高机床的自动化水平和工作效率，提升设备质量和档次，将旧机床改造成当今水平的机床。 八、 提高生产效率 。 机床经数 控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3 至 5 倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅 节 约了费用而且可以缩短生产准备周期 。 九、更有利于使用和维护。 1.2 数控机床的主要改造步骤 一、 作好改造的前期准备工作。对被改造机床进行结构、性能、精度等技术现状的全面分析。 二、 进行电气改造的机床一般均需进行机械修理。要确定修理的要 求、范围、内容，也要确定因改造而需进行机械结构改动的要求和内容。为配合电气改造而需进行的机械nts四川理工学院毕业设计（论文） 3 大修改造的测量、计算、设计、绘图、零件制作等应先期完成。停机后需拆、改、加工的部分等也应事先规划完毕，提出明确要求。机械性能完好是电气改造成功的基础。 三、 改造前应熟悉技术资料，做到思路清晰，层次分明。 四、 原系统的拆除必须对照原图纸进行，并及时作出标记，防止遗漏或过拆。 五、 根据设计图纸合理配置新系统，以确保连线工艺规范、线径合适、正确无误、可靠美观。 六、 调试必须按事先确定的步骤和要求进行。调试人员应头脑冷静，随时记录，以便发现和解决问题。调试中首先试安全保护、系统灵敏度，防止发生人身及设备事故。nts第二章 设计的任务及要求 4 第二章 设计的任务及要求 在本次改造中以 CA6140 普通车床为例，重点将放在车床的横向进给系统和刀架，下面将介绍改造的具体任务和要求。 2.1 CA6140 横向进给系统 及刀架 数控改造设计的任务 本次设计任务是将 CA6140型普通车床的横向进给系统 及刀架 数控改造与设计 ，根据工作量及时间要求完成以下内容 ： 1.数控改造总体方案 设计 2.横向进给系统机械部分改造设计， 刀架机械部分改造设计。装配图两 张，零件图两张 。 3.横向进给伺服系统改造设计及计算， 选择 伺服电机 。 刀架机械部分改造设计及计算，选择伺服电机。 2.2 CA6140 横向进给系统 及刀架 数控改造设计的要求 本次设计要求是将 CA6140型普通数控车床的横向进给系统改造成由步进电机驱动，丝杠螺母副传动，开环控制的进给系统。要求改造后的车床横向进给系统具有以下功能 ： 1.保证原机床横向进给系统的功能不变； 2.横向直线，圆弧插补； 3.螺纹切削； 4.软件自动变速驱动步进电机； 5.掉电保护、越位报警、急停、复位等辅助功能。 刀架部分是拆除原刀架，换上设计好的自动换刀装置。要求改造后具有以下功能： 1.能一次装夹多把刀具； 2.通过指令能快速的自动换刀。nts四川理工学院毕业设计（论文） 5 第三章 改造设计的总体 方案 3.1 设计 参数 的确定 并不是所有的旧机床都可以进行数控改造，机床的改造主要应具备两个条件：第一，机床基础件必须有足够的刚性。第二，改造的费用要合适，经济性好。在改装车床前，要对机床的性能指标做出决定。改装后的车床能加工工件的最大回转直径以及最大长度、主电动机功率等一般都不会改变。加工工件的平面度、直 线度、圆柱度以及粗糙度等基本上仍决定于机床本身原有水平。主要有下述性能和精度的选择需要在改装前确定。 最大加工直径： 车床身上： 400mm 车床鞍上： 210mm 最大加工长度： 1000mm 快进速度： 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min 最大切削进给速度： 纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min 脉冲当量： 纵向 0.01mm/step 横向 0.005mm/step 脉冲分配方式： 逐点比较法 控制坐标数： 2 机床定位精度： 0.015 溜板及刀架重力： 纵向： 800N 横向： 600nts第三章 横向进给系统数控改造的总体要求 6 自动生降速性能： 有 起动加速时间： 30ms 主电机功率： 7.5Kw 当数控车床的性能和精度等内容基本选定后，可根据此来确定改造方案。目前机床数控改造技术已经日趋成熟，专用化的机床数控改造系统所具备的性能和功能一般均能满足车床的常规加工要求。因此，较典型的车床数控改造方案可选择为：配置专用车床数控改造系统，更换进给运动 的滑动丝杠传动为滚珠丝杠传动、采用步进电机驱动进给运动、配置脉冲发生器实现螺纹加工功能、配置自动转位刀架实现自动换刀功能。 3.2 改造 方案的确定 由于被改装的机床本身的机械结构不是按数控机床的要求设计的，其精度和刚度等性能指标往往不能满足数控机床的要求，因此将普通机床改造为全功能的数控机床，一味追求先进指标则会得不偿失，所以确定总体方案的原则应当是在满足生产需要的前提下，对原机床尽可能减少机械部分的改动量，选择简单易用的数控系统，达到合理的性价比。本次改 造设计要求就是根据这一原则提出的。根据设计要求、依据设 计参数及 床数控改造的理解，总体方案确定如下： 3.2.1 系统的运动方式与伺服系统的选择 由于改造后的经济型数控机床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。 3.2.2 机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，为保证一定的传动精度和平稳度，尽量减少摩擦量力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结 构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。 横向进给机械结构改造方案： 拆除原中拖板丝杆，安装滚珠丝杆副，为提高横向进给系统刚度，支承方式采用两端装止推轴承。步进电机、齿轮箱安装于机床后侧，为了使减速机构不影响走刀，同时nts四川理工学院毕业设计（论文） 7 消除传动过程的冲击，减速机构采用 一级传动，从动轮采用双薄片错位消除间隙 。 刀架部分机械结构改造方案： 刀架部分则是拆除原车床上的 普通 刀架，换上设计的 自动换刀装置 。 nts第四章 滚珠丝杠副的设计和计算 8 第四章 滚珠丝杠副 的设计和计算 4.1 选择脉冲当量 步进电机是一种把电脉冲信号转变成直线位移 或角位移的执行元件。对于每一个电脉冲步进电机都会产生一个恒定的步进角位移。每一个脉冲或每步的转角称为步进电机的步距角 ( / )b 脉 冲，每脉冲代表电机一定的转角。这个转角经齿轮副和滚珠丝杠使工作台移动一定的距离。每个脉冲所对应的执行元件的移动距离，就称为脉冲当量或分辨率。记为 p ，单位 mm/脉冲。 脉冲当量应根据机床或工作台进给系统所要求的定位精度来确定。考虑到机械系统存在传动误差，脉冲当量必须小于定位精度值。在此改造中， 机床定位精度的设计要求是 0.015mm,根据该精度要求可以确定纵向传动系统的脉冲当量为 0.01mm。又因为横向进给系统的脉冲当量一般为纵向进给系统的一半，所以横向进给系统的脉冲当量为 0.005mm。 4.2 计算切削力 4.2.1 纵车外圆 主切削力zF（ N） 按经验公式估算： 1 . 5 1 . 5m a x0 . 6 7 0 . 6 7 4 0 05 3 6 0zFDN （ 4 1） 按切削力各分力比例 : : 1 : 0 . 2 5 : 0 . 4z x yF F F 可得： 5 3 6 0 0 . 2 5 1 3 4 0xFN （ 4 2） 5 3 6 0 0 . 4 2 1 4 4y （ 4 3） 4.2.2 横切端面 主切削力 zF根据 经验比较为纵车的 0.5， 所以nts四川理工学院毕业设计（论文） 9 0 . 5 2 6 8 0zZFNF （ 4 4） 此时走刀力 yF，吃刀抗力 xF，仍按上述方法 : : 1 : 0 . 2 5 : 0 . 4z x yF F F 计算，则： 2 6 8 0 0 . 2 5 6 7 0y NF （ 4 5） 2 6 8 0 0 . 4 1 0 7 2x NF （ 4 6） 4.3 滚珠丝杆螺母副的计算和选型 由于我国现在已经有了生产滚珠丝杠副的专业工厂，因此，这次在改造中需要的滚珠丝杠就完全没有必要自己从头到来研制它，只应根据它的使用条件，承载能力和寿命等合理地选用符合需要的滚珠丝杠副就可以了。 现在选用滚珠丝杠副的方法 比较多，但是通过比较和参考同类选用经验，如果还采用经验法或类比法来选用滚珠丝刚副，就容易出现选用不合理的现象，造成结构尺寸过大，增加驱动装置的负荷等缺陷。目前人们认为教合理的选用方法是按照滚珠丝杠的额定静载荷0aC(其转速 10 / m innr )和额定动载荷aC(其转速 10 / m innr )及传动速比的要求来确定所需选用的滚珠丝杠副的公称直径cd和基本导程0L。如今各滚珠丝杠生产厂家都在他们所制定的结构系列表中列出了其各型号滚珠丝刚副的的额定静载荷和额定动载荷值。 从实际应用中可知，滚珠丝杠副的螺纹滚道在一定的轴向载荷作用下，经历一定的应力循环之后，就要产生疲劳点蚀现象。因此，当滚珠丝杠副在较高转速（一般转速1 0 0 0 / m innr ）下工作时，应按其使用寿命选则基本尺寸，并校核其载荷能力是否超过额定动载荷。当滚珠死杠 副在低速（一般转速 30 / m innr ）下工作时，应按其使用寿命和额定静载荷两种方法来确定其基本尺寸，并选择其中较大的。当滚珠丝杠副在静载荷下工作时，则只需按额定静载荷选择其结构尺寸。 4.3.1 滚珠丝杠轴向进给切削力的计算 因为横向导轨为燕尾形导轨，所以可用下公式计算： ( ) ( )1 . 1 5 6 7 0 0 . 1 7 ( 2 6 8 0 6 0 0 )1 3 2 8 . 1m z y zK F f F G K F f F GNF （ 4 7）nts第四章 滚珠丝杠副的设计和计算 10 试中 K 考虑颠覆力矩影响的实验系数，燕尾形导轨取 K=1.15 f 滑动导轨摩擦系数， f =0.15 0.18。在此设计中取 0.17。 G 溜板及刀架重力， G=600N 4.3.2 滚珠丝杠的平均转速计算 最大切削力下的进给速度sV(r/min),可取最高进给速度的 1/2 1/3(取为 1/2),横向最大进给速度为 0.3m/min,丝杠导程选 6h mmp ,则滚珠丝杠的平均速度为 ： / 1 0 0 0 0 . 3 0 . 5 / 62 5 / m i n1000 sh prnV （ 4 8） 4.3.3 滚珠丝杠的寿命计算 滚珠丝杠的使用寿命取 20000Th ，则滚珠丝杠的寿命 为： 6666 0 2 5 2 0 0 0 0 / 1 03 0 (1 0 )6 0 / 1 0rL n T （ 4 9） 4.3.4 滚珠丝杠副在高速和定工作载荷的情况下的选用 如前所诉，滚珠死杠副在高速或较高速的情况下工作时，它的失效形式主要是螺纹滚道或滚珠表面的疲劳点蚀。滚珠丝杠副抵抗疲劳点蚀的能力用额定动载荷表 示。实验研究表明，滚珠丝杠副的额定动载荷与使用寿命的关系为： 3aCLF （ 4 10） 式中 aC 额定 动载荷， N F 滚珠丝杠副的轴向载荷， N gL 滚珠丝杠副的额定寿命 ， 610 转 由上式可见，对于选定的滚珠丝杠副而言，它的使用寿命与其所承受的轴向载荷的三次方成反比，即它所承受的轴向载荷越大则其使用寿命越短。 对于在转速，和工作寿命时间 T 一定的条件下，滚珠丝杠副的总转速 N 为 ：nts四川理工学院毕业设计（论文） 11 606 0 2 5 2 0 0 0 03 0 0 0 0 0 0 0N n T （ 4 11） 式中 n 平均转速 ， /minr T 使用寿命时间 ， h 对应的工作 寿命gL为： 6666601 0 1 0300000003 0 1 010gn T NLr（ 4 12） 在生产实际中常以小时数表示额定的工作寿命，则得以小时计算的滚珠丝杠副的寿命为： 6 610 1 0 3 06 0 6 0 2 52 0 0 0 0ghLLnh（ 4 13） 式中 hL 工作寿命， h。各类机械对滚珠丝杠副的寿命要求，可以参照下表 4 1 gL 额定寿命 ， 610 转 表 4 1 各类机械对滚珠丝杠副的寿命要求及寿命系数 机械类别 寿命 L（ h） 寿命系数 K 普通机械 5000 10000 2.15 2.71 普通金属切削机床 10000 2.71 数控和精密机械 15000 3.11 测试机械和仪器 15000 3.11 航空机械 1000 1.26 由上表和知选中的滚珠丝杠的寿命是合乎要求的。 在高速或定载荷的情况下滚珠丝杠的工作寿命gL所对应的计算动载荷值ajC为：nts第四章 滚珠丝 杠副的设计和计算 12 3 36360/103 0 1 3 2 8 . 1 1 . 2 / 14 9 5 2 . 0 6a j g w a m w anTC L F f f F f fN （ 4 14） 式 中 mF 滚珠 丝杠副轴向进给切削力， N wf 运转系数，此处取 1.2 af 精度 系数，丝杠副精度等级选 3 级，则精度系数为 1 对于选用的滚珠丝杠副，其计算动载荷应满足下列条件： a ajCC（ 4 15） 4.3.5 滚珠丝刚副在受动载荷的情况下的选用 车床在运行过程中，难免存在一定的冲击振动，温度等因数也会引起硬度的变化，这些都会对滚珠丝杠副的寿命产生影响 ，所以应对其进行计算。 在此情况下 滚珠丝杠副的计算动载荷值ajC可按下式计算 ： 3 . 1 1 1 . 2 1 . 5 6 1 3 2 8 . 11 . 17 0 3 0ha j F H mnKC K K FKN （ 4 16） 式中 hK 寿命 系数，参照表 4 1 选取。此处选hK=3.11 nK 转速系数，取nK=1.1 FK 载荷性质系数，参照表 4 2 选取。此处 选FK=1.2 HK 动载荷硬度影响系数 ，参照表 5 3 选取。此处选 1.56HK F 轴向工作载荷， N 表 4 2 载荷性质系数 载荷性质 系数 K 平稳或轻微冲击 1.0 1.2 中等冲击 1.2 1.5 教大冲击或振动 1.5 2.5 表 5 3 硬度影响系数nts四川理工学院毕业设计（论文） 13 硬度（ HRC） 58 55 52.5 50 47.5 45 40 动载荷硬度影响系数 1.0 1.11 1.35 1.56 1.92 2.4 3.85 静载荷硬度影响系数 1.0 1.11 1.40 1.67 2.1 2.65 4.5 同 在高速和定工作载荷情况一样，按使用寿命选用选用滚珠丝杠副尺寸系列时，其额定动载荷值aC应等于或大于计算动载荷值ajC， 即应满足下列条件： ()ha a j F H mnKC C K K FK（ 4 17） 4.3.6 按额定静载荷选用滚珠丝杠副 滚珠丝杠副在低速（ 1 0 / m i nnr ）下工作时，其主要失效形 式螺纹滚道或滚珠表面产生 较 大的塑性变形。而滚珠丝杠副 抵抗塑性变形的能力用额定静载荷aoC表示 。当滚珠丝杠副的工作载荷是静载荷或其转速小于 10r/min 时，则应按额定静载荷选用滚珠丝杠副的尺寸系列。其计算静载荷值aojC应按下式计算 ： 1 . 2 1 . 6 7 1 3 2 8 . 12 6 6 2a o j F H mC K K FN （ 4 18） 对于按额定静载荷所选用的滚珠丝杠副，应使其额定静载荷值aoC大于或等于 计算静载荷值aojC。即应满足下式： a o a o j F H mC C K K F （ 4 19） 式中 aoC 额定静载荷值， N aojC 计算 静载荷值， N FK 载荷性质系数，可从表 4 2 中查出 HK 静载荷硬度影响系数，可从表 5 3 中查出 mF 轴向工作载荷， N 4.3.7 滚珠丝杠副的选型 应该指出的是按上述 3 种情况选用的滚珠丝杠副的主要尺寸和预紧力pF对滚珠丝nts第四章 滚珠丝杠副的设计和计算 14 杠副的传动特性是有一定影响的。 从滚珠丝杠副的尺寸系列表中可见，滚珠丝杠副的主要 尺寸参数是公称直径0d和基本 导程0L。上述的0d，0L的确定和所加预紧力pF的大小对该丝杠副的传动特性，如刚度、传动精度、驱动力矩和使用寿命等均有密切的关系。因此，在选择 滚珠丝杠副的系列尺寸时，需要加以全面的考虑。现就滚珠丝杠副的主要尺寸参数0d，0L和所加预紧力pF对其刚度、传动精度、驱动力矩和使用寿命等的影响情况列表 4 4 中比较说明： 表 4 4 滚珠丝杠副的主要尺寸对其传动精度的影响 主要尺寸参数 刚度 位移 精度 惯量 驱动 力矩 寿命 公称 直径 增大 增大 增大 增大 减小 减小 增大 减小 基本 导程 增大 增大 降低 减小 增大 延长 减小 减小 增高 增大 减小 降低 预紧力 增大 增大 增大 增大 降低 减小 减小 降低 减 小 增高 根据上述的计算和分析结合滚珠丝杠副的尺寸系列或产品样本就可以初选 滚珠丝杠副 的型号了。在此次的改造中选用江汉丝杠厂的 HJG S 系列滚珠丝杠副。该 系列丝杠结构先进，性能良好。与老结构相比，轴向、径向尺寸都有明显的缩小，机械效率可达 90% 95%，比梯形丝杠的效率提高了 3 倍左右。下表 4 5 就是截选自江汉丝杠厂的滚珠丝杠副的产品样本。 表 4 5 HJG S 系列滚珠丝杠副的尺寸系nts四川理工学院毕业设计（论文） 15 结合上表综合考虑， 2506 3内循环单螺母滚珠丝杠副，额定动载荷为 12945N（满足式 4 15和式 4 17），额定静载荷 29026N（满足 式 4 19） 。nts第四章 滚珠死杠副的设计和计算 16 4.3.8 滚珠丝杠副的刚度验算 对于 精密传动的滚珠丝杠副通常要进行刚度验算。而滚珠丝杠副的刚度主要取决于该滚珠丝杠副在载荷的情况下，丝杠的轴向变形1，滚珠与滚道间的接触变形2和支撑丝杠的轴承的轴向接触变形3的大小。 丝杠副的轴向变形量 滚珠丝杠副的轴向变形1，当丝杠长度 L 较大时，它在滚珠丝杠副总的轴向变形量中所占的比重较大。其轴向变形量的大小与滚珠丝杠副的支承方式有很大关系。在此次改造中选用一端固定，一端浮动，三点支承的形式。 所以滚珠丝杠副的轴向变形量为： 10 . 0 0 0 0 5 31060 . 0 0 2 6hhp lp （ 4 20） 式中 hp 轴向进给切削力mF引起导程的变化量 61 3 2 8 . 1 67 8 . 5 2 . 1 1 00 . 0 0 0 0 5mhhFppEA （ 4 21） mF 轴向进给切削力， N E 滚珠丝杠 材料的弹性模量，对于钢 622 . 1 1 0 /E N m m A 滚珠丝杠的横截面积 由于滚珠丝杠一端采用推力球轴承支承，又因滚珠丝杠进行了预紧，故丝杠的刚度可比一端固定的丝杠提高 4 倍左右。所以其实际变形量为： 1111 0 . 0 0 2 6 0 . 0 0 0 6 544 （ 4 22） 滚珠与螺纹滚道间接接触变形 对于滚珠丝杠副，其滚珠与螺纹滚道在工作过程中会产生接触变形2， 该变形量在nts四川理工学院毕业设计（论文） 17 总的 变形量中也占有较大的比重。应该注意的是滚珠与螺纹滚道间接接触变形在有无预紧时的变形量是有很大区别的，在本次改造中因为滚珠丝杠要进行预紧，所以应按下式计算 ： 220 . 0 0 1 31 3 2 8 . 10 . 0 0 1 33 . 6 4 4 2 . 7 2 9 2 4 10 . 0 0 0 3mbPFd F Z（ 4 23） 式中 mF 轴向进给切削力， N PF 预紧力， N（一般取mF的 1/3） bd 滚珠直径， mm 0 . 6 0 0 . 6 0 63 . 6bodLmm （ 4 24） Z 工作螺母的滚珠数目。 1 9 3 31 7 1Z Z j k （ 4 25） j 圈数 k 列数 Z 一圈的滚珠数目 0 3 . 1 4 2 5333 . 61 8 . 8 1bdZd （ 4 26） 其中一圈的滚珠数目不可能为小数，所以取整为 19。 0d 滚珠丝杠的公称直径 支承滚珠丝杠副 轴承的轴向变形 由于滚珠丝杠副大都采用滚动轴承支承，次改造也不例外。在实际应用中，如果支承 滚珠丝杠副的轴承刚度不足，将会影响到整个传动系统的精度。为了保证丝杠副的工nts第四章 滚珠丝杠副的设计和计算 18 作性能，必须提高支承滚珠丝杠副轴承的刚度。在众多轴承系列中，推力球轴承能较大提高轴向刚度，所以在此改造中选用推力球轴承。但是，支承滚珠丝杠副的推力球轴承仍会产生一定的变形量3， 此变形量对整个刚度还是有较大影响 。其变形量的计算过程：如下： 233 0 . 0 0 2 4 0 . 0 0 4 8QFdZ （ 4 27） 式中 F 轴承的轴向载荷， N Z 轴承的滚动体数目 Qd 轴承的滚动体直径 因为传动
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