机械机床毕业设计140龙门式家用数控铣床设计
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机械机床毕业设计140龙门式家用数控铣床设计,机械毕业设计论文
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1 绪 论 随着现代制造技术的发展，企业选用数控设备已是大势所趋。 并且随着生产的多元化，机械加工已走入实验教学及家用生产之中。 本次龙门式家用数控模拟铣床设计是结合教学实训要求，设计的简单易学，具有教学实验功能的简易数控铣床。其结构参考南京机械专科学校教学设备立柱式模拟数控铣床。 原产品为单立柱式结构，结构单一，切削范围较窄，稳定性和加工精度较差，现将原单立柱式结构改为龙门式结构，其机床刚度和精度比以前有所提高，工艺范围也大大提高。结构简图如下图 a。 对一个制造企业来说，提高生产能力往往从生产管理、制 造工艺、生产设备等方面入手进行技术改造，而这几部分内容又是互为影响和制约的。在技改中对生产设备、数控机床的更新、维修、采购等的选择上必须考虑到要在什么样环境下使用、如何管理、怎样能达到最好的经济效果等问题。 选择制造设备是要为制造某一些产品服务的，选择的设备可能用于产品零件的一部分工序加工、也可能用于全部工序加工。制造水平的高低首先取决于工艺过程的设计，它将决定用什么方法和手段来加工，从而也决定了对使用设备的基本要求，这也是对生产进行技术组织和管理的依据。设备选择的基本要求确定后还要根据市场上能提供什么样技 术水平的装备来选择，针对大部分中小批量生产的制造企业，选择数控机床来替代旧机床或增强生产能力已是发展趋势。 比较普通和数控两类机床的性能，数控机床具有加工复杂形面零件能力强、适应多种加工对象（柔性强）；加工质量、精度和加工效率高；适应 CAD/CAM 联网、适合制造加工信息集成管理；设备的利用率高、正常运行费用低等特点。 nts 2 图 a. 龙门式家用数控铣床简图 nts 3 1 机械结构概述 机床特征规格应包括机型、机床规格参数和机床主电机功率等。在确定工艺内容的前提下，机型选择就较明确了。 目前，数控机床已发展成品种繁多、可供广泛选择 的商品，在机型选择中应在满足加工工艺要求的前提下越简单越好。例如，车削中心和数控车床都可以加工轴类零件，但一台满足同样加工规格的车削中心价格要比数控车床贵几倍，如果没有进一步工艺要求，选数控车床应是合理的。在加工型腔模具零件中，同规格的数控铣床和加工中心都能满足基本加工要求，但两种机床价格相差 20% 50%，所以在模具加工中要采用常更换刀具的工艺可安排选用加工中心，而固定一把刀具长时间铣削的可选用数控铣床。 数控机床的最主要规格是几个数控轴的行程范围和主轴电机功率。选用工作台面比典型工件稍大一些是出于安装夹 具考虑的。机床工作台面尺寸和三个直线坐标行程都有一定的比例关系， 比 如工作台（ 80 mm 100 mm）的机床， x轴行程一般为（ 100 200）mm、 y 轴为（ 80 120） mm、 z 轴为（ 60 100） mm 左右。因此，工作台面的大小基本上确定了加工空间的大小。个别情况下也允许工件尺寸大于坐标行程，这时必须要求零件上的加工区域处在行程范围之内，而且要考虑机床工作台的允许承载能力，以及工件是否与机床交换刀刀具的空间干涉、与机床防护罩等附件发生干涉等系列问题。 数控机床的主电机功率在同类规格机床上也可以有各种不同的 配置，一般情况下反映了该机床的切削刚性和主轴高速性能。主轴电机功率反映了机床的切削效率，从另一个侧面也反映了切削刚性和机床整体刚度。在现代中小型数控机床中，主轴箱的机械变速已较少采用，往往都采用功率较大的交流可调速电机直联主轴，甚至采用电主轴结构。这样的结构在低速中扭矩受到限制，即调速电机在低转速时输出功率下降，为了确保低速输出扭矩，就得采用大功率电机，所以同规格机床数控机床主轴电机比普通机床大好几倍。当使用单位的一些典型工件上有大量的低速加工时，也必须对选择机床的低速输出扭矩进行校核。轻型机床在价格上肯定 便宜，要求用户根据自己的典型工件毛坯余量大小、切削能力（单位时间金属切除量）、要求达到的加工精度、实际能配置什么样刀具等因素综合选择机床。 在机床精度的选择中，要考虑典型零件的关键部位的加工精度要求，这就决定了选nts 4 择数控机床的精度等级。数控机床根据用途又分为简易型、全功能型、超精密型等，其能达到的精度也是各不一样的。简易型目前还用于一部分车床和铣床，其最小运动分辩率为 0.01mm，运动精度和加工精度都在 (0.03 0.05)mm以上。超精密型用于特殊加工，其精度可达 0.001mm以下。这里主要讨论应用最多的全 功能数控机床（以加工中心为主）。 按精度可分为普通型和精密型，一般数控机床精度检验项目都有 20 30 项，但其最有特征项目是：单轴定位精度、单轴重复定位精度和两轴以上联动加工出试件的圆度。 定位精度和重复定位精度综合反映了该轴各运动部件的综合精度。尤其是重复定位精度，它反映了该轴在行程内任意定位点的定位稳定性，这是衡量该轴能否稳定可靠工作的基本指标。目前数控系统中软件都有丰富的误差补偿功能，能对进给传动链上各环节系统误差进行稳定的补偿。 1.1 数控机床概述 1.1.1 数控机床的特点 (1)具有高度 柔性 在数控机床上加工零件，主要取决于加工程序，它与普通机床不同，不必制造、更换许多工具、夹具，不需要经常调整机床。因此，数控机床适用于零件频繁更换的场合。也就是适合单件、小批生产及新产品的开发，缩短了生产准备周期，节省了大量工艺设备的费用。 (2)加工精度高 数控机床的加工精度，一般可达到 0.005 0.1mm，数控机床是按数字信号形式控制的，数控装置每输出一个脉冲信号，则机床移动部件移动一个脉冲当量（一般为0.001mm），而且机床进给传动链的反向间隙与丝杠螺距平均误差可由数控装置进行补偿，因此， 数控机床定位精度比较高。 (3)加工质量稳定、可靠 加工同一批零件，在同一机床，在相同加工条件下，使用相同刀具和加工程序，刀具的走刀轨迹完全相同，零件的一致性好，质量稳定。 (4)生产率高 数控机床可有效地减少零件的加工时间和辅助时间，数控机床的主轴转速和进给量nts 5 的范围大，允许机床进行大切削量的强力切削，数控机床目前正进入高速加工时代，数控机床移动部件的快速移动和定位及高速切削加工，减少了半成品的工序间周转时间，提高了生产效率。 (5)改善劳动条件 数控机床加工前经调整好后，输入程序并启动，机床就 能自动连续的进行加工，直至加工结束。操作者主要是程序的输入、编辑、装卸零件、刀具准备、加工状态的观测，零件的检验等工作，劳动强度极大降低，机床操作者的劳动趋于智力型工作。另外，机床一般是封闭式加工，即清洁，又安全。 (6)利于生产管理现代化 数控机床的加工，可预先精确估计加工时间，所使用的刀具、夹具可进行规范化、现代化管理。数控机床使用数字信号与标准代码为控制信息，易于实现加工信息的标准化，目前已与计算机辅助设计与制造（ CAD/CAM）有机地结合起来，是现代集成制造技术的基础。 1.1.2 数控机床使用 中应注意的事项 使用数控机床之前，应仔细阅读机床使用说明书以及其他有关资料，以便正确操作使用机床，并注意以下几点： (1)机床操作、维修人员必须是掌握相应机床专业知识的专业人员或经过技术培训的人员，且必须按安全操作规程及安全操作规定操作机床； (2)非专业人员不得打开电柜门，打开电柜门前必须确认已经关掉了机床总电源开关。只有专业维修人员才允许打开电柜门，进行通电检修； (3)除一些供用户使用并可以改动的参数外，其它系统参数、主轴参数、伺服参数等，用户不能私自修改，否则将给操作者带来设备、工件、人身等 伤害； (4)修改参数后，进行第一次加工时，机床在不装刀具和工件的情况下用机床锁住、单程序段等方式进行试运行，确认机床正常后再使用机床； (5)机床的 PLC 程序是机床制造商按机床需要设计的，不需要修改。不正确的修改，操作机床可能造成机床的损坏，甚至伤害操作者； (6)建议机床连续运行最多 24小时，如果连续运行时间太长会影响电气系统和部分机械器件的寿命，从而会影响机床的精度； (7)机床全部连接器、接头等，不允许带电拔、插操作，否则将引起严重的后果。 nts 6 1.1.3 数控机床的维护 科学技术的发展，对机 械产品提出了高精度、高复杂性的要求，而且产品的更新换代也在加快，这对机床设备不仅提出了精度和效率的要求，而且也对其提出了通用性和灵活性的要求。数控机床就是针对这种要求而产生的一种新型自动化机床。数控机床集微电子技术、计算机技术、自动控制技术及伺服驱动技术、精密机械技术于一体，是高度机电一体化的典型产品。它本身又是机电一体化的重要组成部分，是现代机床技术水平的重要标志。数控机床体现了当前世界机床技术进步的主流，是衡量机械制造工艺水平的重要指标，在柔性生产和计算机集成制造等先进制造技术中起着重要的基础核心作用。 而数控系统是数控机床的核心部件，因此，数控机床的维护主要是数控系统的维护。数控系统经过一段较长时间的使用，电子元器件性能要老化甚至损坏，有些机械部件更是如此，为了尽量地延长元器件的寿命和零部件的磨损周期，防止各种故障，特别是恶性事故的发生，就必须对数控系统进行日常的维护。概括起来，要注意以下几个方面。 1、 制订数控系统日常维护的规章制度 根据各种部件特点，确定各自保养条例。如明文规定哪些地方需要天天清理（如 CNC系统的输入输出单元 光电阅读机的清洁，检查机械结构部分是否润滑良好等），哪些部件要定 期检查或更换（如直流伺服电动机电刷和换向器应每月检查一次）。 2、 应尽量少开数控柜和强电柜的门 因为在机加工车间的空气中一般都含有油雾、灰尘甚至金属粉末。一旦它们落在数控系统内的印制线路或电器件上，容易引起元器件间绝缘电阻下降，甚至导致元器件及印制线路的损坏。有的用户在夏天为了使数控系统超负荷长期工作，打开数控柜的门来散热，这是种绝不可取的方法，最终会导致数控系统的加速损坏。正确的方法是降低数控系统的外部环境温度。因此，应该有一种严格的规定，除非进行必要的调整和维修，不允许随便开启柜门，更不允许在使用 时敞开柜门。 3、 定时清扫数控柜的散热通风系统 应每天检查数控系统柜上各个冷却风扇工作是否正常，应视工作环境状况，每半年或每季度检查一次风道过滤器是否有堵塞现象。如果过滤网上灰尘积聚过多，需及时清理，否则将会引起数控系统柜内温度高（一般不允许超过 55），造成过热报警或数控系统工作不可靠。 nts 7 4、 经常监视数控系统用的电网电压 本次毕业设计数控系统欲采用 FANUC公司生产的数控系统，允许电网电压在额定值的 85% 110%的范围内波动。如果超出此范围，就会造成系统不能正常工作，甚至会引起数控系统内部电 子部件损坏。 5、 定期更换存储器用电池 FANUC公司所生产的数控系统内的存储器有两种： (1)不需电池保持的磁泡存储器。 (2)需要用电池保持的 CMOS RAM器件，为了在数控系统不通电期间能保持存储的内容，内部设有可充电电池维持电路，在数控系统通电时，由 +5V电源经一个二极管向 CMOS RAM 供电，并对可充电电池进行充电；当数控系统切断电源时，则改为由电池供电来维持 CMOS RAM 内的信息，在一般情况下，即使电池尚未失效，也应每年更换一次电池，以便确保系统能正常工作。另外，一定要注意，电池的更 换应在数控系统供电状态下进行。 6、 数控系统长期不用时的维护 为提高数控系统的利用率和减少数控系统的故障，数控机床应满负荷使用，而不要长期闲置不用，由于某种原因，造成数控系统长期闲置不用时，为了避免数控系统损坏，需注意以下两点： (1)要经常给数控系统通电，特别是在环境湿度较大的梅雨季节更应如此，在机床锁住不动的情况下（即伺服电动机不转时），让数控系统空运行。利用电器元件本身的发热来驱散数控系统内的潮气，保证电子器件性能稳定可靠，实践证明，在空气湿度较大的地区，经常通电是降低故障率的一个有效措施。 (2)数控机床采用直流进给伺服驱动和直流主轴伺服驱动的，应将电刷从直流电动机中取出，以免由于化学腐蚀作用，使换向器表面腐蚀，造成换向性能变坏，甚至使整台电动机损坏。 nts 8 1.2 家用铣床机械零件的失效形式及设计计算准则 机械零件丧失预定功能或预定功能指标减低至许用值以下的现象，称为机械零件的失效。机械零件设计时必须根据零件的失效形式分析其失效原因，提出防止或减轻失效的措施，根据不同的失效形式得出不同的设计计算准则。 1.2.1 失效形式 主要的失效形式大致上有以下几种： 1、 断裂 机械零件的 断裂通常有以下两种情况： （ 1） 、零件在外载荷的作用下，某一危险截面上的应力超过零件的强度极限时将发生断裂。 （ 2）、 零件在循环交变应力的作用下，危险截面上的应力超过零件的疲劳强度而发生疲劳断裂。 2、 过大的变形 当零件的应力超过材料屈服极限时，零件将发生塑性变形，使零件的尺寸和形状改变，破坏各零件的相对位置和配合，使机器不能正常工作。 3、 表面失效 （ 1）、 在过大的表面接触应力作用下，可能造成零件的表面失效，有如下几种形式： 1） 、胶合失效（又称粘着磨损 ） 2）、 点蚀失效（又称疲劳磨损） 3）、 磨损失效（又称磨粒磨损） 4）、 塑性变形 （ 2） 、压溃 面接触的零件，在外载荷作用下，接触表面因互相挤压作用将产生挤压应力。 （ 3）、 腐蚀失效 多产生在化学腐蚀物质的接触和作用下而造成表面腐蚀失效。 （ 4）、 破坏正常工作条件引起的失效 有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作，否则就会引起失效，如带传动因过载发生打滑，使传动不能正常工作，但带本身未发生疲劳失效等。 nts 9 1.2.2 设计计算准则 同一零件对于不同失效形式的承载能力也各不相同。根据不同的失效原因建立起来的工作能力的判定条件，称为设计计算准则。零件设计时的主要计算准则有： 1、强度准则 强度是零件必须首先满足的基本计算准则。强度是指零件在载荷作用下抵抗断裂，塑性变形及表面失效（磨粒磨损、腐蚀除外）的能力。强度可分为整体强度和表面强度（接触和挤压强度）两种。 整体强度的计算准则为：零件在危险截面处的最大应力、不应超过零件的许用应力 ，即 另一种表达形式为：危险截面处的实际安全系数 S应大于或等于许用安全系数S，即 S S （ 1）、 许用应力 1）、静压力下， = B/S 或 = s/S,式中 B为强度极限， s为屈服极限， S为安全系数。根据不同的工况，选用 B或 s。 2)、变应力下，当零件中应力为变应力时，由于其失效除与材料性质、热处理和使用条件等因素有关外，还与零件形状（不同形状的应力集中不同）、尺寸、表面状态、要求的寿命以及工作的重要性等因素有关 ，故在计算其许用应力时，应在其计算公式中考虑。 对许用切应力 ，上述关系式概念上亦适用。 （ 2）、 强度计算内容 在强度计算中，一般有两种计算形式：设计计算，可求出零件的主要几何参数；校核计算，判断是否符合强度条件。 2、刚度准则 刚度是指零件受载后抵抗弹性变形的能力，其设计计算准则为：零件在载荷作用下产生弹性变形量应小于或等于机器工作性能允许的极限值，其表nts 10 达式为 挠度 Y Y 偏转角 扭转角 3、耐磨性标准 耐磨性是指零件抗磨损的能力。设计时应使零件的磨损量在预定限度内，并部超过允许量。通过对接触表面的正压力 p 与 pv 值等参数的计算，使其小于许用值，即零件的耐磨性合格，用公式表示为 p p pv pv 4、热平衡准则 零件工作时因摩擦产生过多的热量导致润滑剂失去作用，从而使零件不能正常工作。热平衡准则是：根据热平衡条件，工作温度 t不应超过许用工作温度 t,即 t t 5、可靠性准则 可靠性用可靠度表示。零件的可靠度用零件在规定的使用条件下，在规定的时间内能正常工作的概率来表示，即用在规定的寿命时间内能连续工作的件数占总件数的百分比表示。如有 NT个零件，在预期寿命内只有 NS个零件能连续正常工作，则其系统的可靠度为 R=NT/NS nts 11 1.3 轴的基本设计 通常现场对于一般轴的设计方法有类比法和设计计算法两种。 1.3.1 类比法 这种方法是根据 轴的工作条件，选择与其相似的轴进行类比及结构设计，画出轴的零件图。用类比法设计轴一般不进行强度计算。由于完全依靠现有资料及设计者的经验进行轴的设计，设计结果比较可靠、稳妥，同时又可加快设计进程，因此类比法较为常用，但有时这种方法也会带有一定的盲目性。 1.3.2 设计计算法 用设计计算法设计轴的一般步骤为： (1)根据轴的工作条件选择材料，确定许用应力。 (2)按扭转强度估算出轴的最小直径。 (3)设计轴的结构，绘制出轴的结构草图。具体内容包括以下几点： 1)根据工作要求确定轴上零件的 位置和固定方式； 2)确定各轴段的直径； 3)确定各轴段的长度； 4)根据有关设计手册确定轴的结构细节，如圆角、倒角、退刀槽等的尺寸。 (4)按弯扭合成进行轴的强度校核。一般在轴上选取 2 3 个危险截面进行强度校核。若危险截面强度不够或强度裕度太大，则必须重新修改轴的结构。 (5)修改轴的结构后再进行校核计算。这样反复交替地进行校核和修改，直至设计出较为合理的轴的结构。 （ 6)绘制轴的零件图。 需要指出的是： (1) 一般情况下设计轴时不必进行轴的刚度、振动、稳定性等校核。如需进行轴的刚度校核时， 也只作轴的弯曲刚度校核。 (2) 对用于重要场合的轴、高速转动的轴应采用疲劳强度校核计算方法进行轴的强度校核。具体内容可查阅机械设计方面的有关资料。 nts 12 1.4 轴的强度计算 1.4.1 轴的扭转强度计算 开始设计轴时，通常还不知道轴上零件的位置及支点位置，无法确定轴的受力情况，只有待轴的结构设计基本完成后，才能对轴进行受力分析及强度、刚度等校核计算。因此，一般在进行轴的结构设计前先按纯扭转受力情况对轴的直径进行估算。 设轴在转矩 T的作用下，产生剪应力 。对于圆截面的实心轴，其抗扭强度条件为 639 . 5 50 . 210TTnW d （ 1.1） 式中 T 轴所传递的转矩，单位为 Nmm； WT 为轴的抗扭截面系数，单位为 mm3 P 为轴所传递的功率，单位为 kW； n 为轴的转速，单位为 r min； r， r分别为轴的剪应力、许用剪应力，单位为 MPa;d 为轴的估算值径，单位为 mm 6333 9 . 5 50 . 2 0 . 2 10 PTPdCnn （ 1.2） 常用材料 r值、 c 值。 r值、 c 值的大小与轴的材料及受载情况有关。当作用在轴上的弯矩比转矩小，或轴只受转矩时 : 值取较大值 、 C值 取 较小值 ;否则相反 。 表 1.1 常用材料的 值和 C 值 由式 (1 2)求出的直径值，需圆整成标准直径，并作为轴的最小直径。如轴上有一个键槽。 可将算得的最小直径增大 3 5 ，如有两个键槽可增大 7 10 。 1.4.2 轴的弯扭合成强度计算 完成轴的结构设计后，作用在轴上外载荷 (转矩和弯矩 )的大小、方向、作用点、载荷种类 及支点反力等就已确定，可按弯扭合成的理论进行轴危险截面的强度校核。 进行强度计算时通常把轴当作置于铰链支座上的梁，作用于轴上零件的力作为集中力，其作用点取为零件轮毂宽度的中点。支点反力的作用点一般可近似地取在轴承宽度nts 13 的中点上。具体的计算步骤如下： (1)画出轴的空间力系图。将轴上作用力分解为水平面分力和垂直面分力，并求出水平面和垂直面上的支点反力。 (2)分别作出水平面上的弯矩 (MH)图和垂直面上的弯矩 (MV)图。 (3)计算出合成弯矩 22HVM M M，绘出合成弯矩图。 (4)作出转矩 T 图。 (5)计算当量弯矩 22M M a T。，绘出当量弯矩图。 式中 a为考虑弯曲应力与扭转剪应力循环特性的不同而引入的修正系数。通常弯曲应力为对称循环变化应力，而扭转剪应力随工作情况的变化而变化。对于不变转矩取a=-1b +1bO 3； 对于脉动循环转矩取 a=-1b +1b0 6；对于对称循环转矩取a=1。 其中 -1b、 0b、 +1b分别为对称循环、脉动环及静应力状态下的许用弯曲应力，其值列于表 1. 2 中。对正反转频繁的轴，可将转矩 r看成是对称循环变化 =当不能确切知道载荷的性质时，一般轴的转矩可按脉动循环处理： (6)校核危险截面的强度。 根据当量弯矩图技出危险截面，进行轴的强度校核，其公式如下 ： 23 120 . 1()eebWTMMd （ 1.3） 式中 W 为轴的抗弯截面系数 单位为 mm3； M、 T、 Me的单位均为 Nmm； d 的单位为 mm； e为当量弯曲应力，单位为 MPa。 表 1.2 轴的许用应力 nts 14 1.4.3 轴的刚度计算 轴受载荷的作用后会发生弯曲、扭转变形，如变形过大会影响轴上零件的正常工作，例如爱有齿轮的轴，如果变形过大会使啮合状态恶化。因此对于有刚度要求的轴必须要进行轴的刚 i 校核计算。轴的刚度有弯曲刚度和扭转刚度两种， n 面分别讨论这两种刚度的计算方法。 1、 轴的弯曲刚度校核计算 应用材料力学的计算公式和方法算出轴的挠度 y或转角自，并使其满足 下式 yy 式中 y、 分别为许用挠度和许用转角，其值列于表 1. 3 中。 2、 轴的扭转刚度计算 应用材料力学的计算公式和方法算出轴每米的扭转角 ，并使其满足下式 式中 为轴每米长的许用扭转角。一般传动的 值列表 1.3 中 表 1.3 轴的许用应力变形量 nts 15 图 1.1 轴的弯矩图 3、 轴的校核： 轴的剪应力为： =T/WT=9.55106P/(0.2d3n) 式中 P=0.3kw d=12mm n=200r/min =(9.551060.3)/(0.2123200) = 41.45Pa 根据经验数据，满足使用强度。 1.5 轴的材料及选择 轴的材料主要采用碳素钢和合金钢：轴的毛坯一毁采用碾压件和锻件，很少采用铸件。由于碳素钢比合金钢成本低，且对于应力集中的敏感性较小， 所 以得到广泛的应用。常用的碳素钢有 30、 40、 45 钢等，其中最常用的为 45钢 ：为保证轴材料的机械性能，应对轴材料进行 调质或正火处理。轴受载荷较小或用于不重要 的 场 合 时可用普通碳素钢 (如 Q235A、 Q275 等 )作为轴的材料。合金钢具有较高的机械性能，可淬火性也较好可以 于 传递大动 力 、要求减轻轴的重量和提高轴颈耐磨性时采用，如 20Cr、 40Cr等 ,轴也可以采用合金铸铁或球墨铸铁制造其毛坯是铸造型的 所 以易于得到更合理的形状。合金铸铁和球墨铸铁的吸振性高，可用热处理方法提高材料的耐 蚀 性材料对应力集中的敏感性也较低。但是铸造轴的质量不易控制，可靠性较差。 nts 16 轴的常用材料及其部分机械性能见表 1 4。 表 1.4 轴的常用材料及部分 机械性能 经查表可确定，本次设计所需主轴材料为 45 钢。 nts 17 2 结构 设计 计算 2.1 切削力的计算 在铣削过程中，铣刀上所有参与切削的各切削部分所产生的总切削力的合力，称为切削力，用符号 F 表示。 通常把切削力分解成三个分力： 主切削力 Fc 总切削力在主运动方向上的正投影。 背向力 Fp 总切削力在垂直于工作平面上的分力。 进给力 Ff 总切削力在进给运动方向上的正投影。 在以 上三个分力中，主切削力 Fc消耗动力最多，是计算切削功率和零件强度的主要依据。 主切削力常用金属材料的单位切削力来近似计算。在实际生产中，为了方便起见，常用下列计算式近似计算主切削力 Fc ()cpF Pfa N 2.1 式中 P 单位切削力 （ N/mm2） f 每转进给量 （ mm/r） ap 背吃刀量 （ mm） 摘取机械设计手册可得： 表 2.1 常用金属材料的单位切削力（ N/ mm2） 类别 材料 牌号 单位切削力 P 铸造合金 铸造锡青铜 ZCuSn5Pb5Zn5 700 铸造铝合金 ZAlCu5Mn 720 根据设计要求 ap=5mm，每转进给量 f=1.0mm/r，铣床材料为铝合金，取 P=720 N/ mm2 则，主切削力 ()cpF Pfa N 2.2 Fc =720*1*5（ N） = 3600 （ N） nts 18 2.2 切削功率的计算 同一瞬间切削刃基点上的主切削力与切削速度的乘积，称为切削功率，用符号 Pc表示，单位为： Kw。 切削功率 Pc 的计算公式如下： ()6 0 1 0 0 0ccc FvP k W 2.3 式中 Fc 主切削力 （ N） Vc 切削速度 （ m/min） 因为切削时，在 Fp 方向上的运动速度等于零，在 Ff 方向上的运动速度也很小，故Fp 和 Ff 消耗功率很少，约占总功率的 1%2%，所以在上式（ 2.3）中可略去不计。 根据设计要求， vc=5m/min， Fc=3600N， 则 切削功率： 5 3 6 0 0()6 0 1 0 0 0cP k W = 0.3 kW 2.3 高速钢立铣刀铣削用量及功率 根据龙门式家 用数控铣床设计要求： 铣削深度 ap 5mm、刀具直径 d0=ae 8mm、刀具齿数 Z取 3。 查机械加工工艺手册选取其中部分表格 2.2。可知： nts 19 表 2.2 V(m/s) Pm(Kw) 耐用度T*103 (S)Do/zAe(mm)Af(mm/z)Ap(mm) 5 10 15 20 30 v pm v pm v pm v pm v pm 2.7 8/3 8 0.008 0.78 0.23 0.73 0.44 - - - - - - V=0.78m/s, Pm=0.23Kw 故，选择电动机功率应 P 0.23Kw。 又，根据切削要求，刀具直径 d0=8mm，铣削速度 vc=5m/min，查新编铣工计算手册刘承启编著，有： 01000 ( / m i n )cvnrd 2.4 代入数值，则有： 1000*5*8n =199.045r/min 取 n=200r/min 2.4 丝杠选择 2.4.1 螺距的确定 根据机床设计要求，铣床其切削 进给 速度为 500mm/min，丝杠转速选择为100r/min。 则根据螺距计算公式 ： P=v/n 2.5 有： P=v/n=500/100=5mm/r 2.4.2 根据螺距选择直径 计算出丝杠螺距 P=5mm,根据强度要求，选择丝 杠直径为 12mm。 nts 20 2.5 导轨 设计 计算 及 选择 2.5.1 导轨挠度 的计算 1、龙门式家用数控铣床的 Y 方向导轨起承重作用，故只需计算并校核 Y 方向导轨挠度变形是否符合设计要求。 假设龙门式家用数控铣床 Y方向导轨的自重是集度为 q的均布载荷，主轴电机和主轴头块重力 P为作用于跨度中点的集中力（当重力集中于中心位置时挠度变形量最大）。分析可知，导轨挠度变形是由于均布载荷 q 和集中力 P共同引起的。在均布载荷 q单独作用下，导轨跨度中点 C的挠度可由简明材料力学中表 7.1的第 7栏查出为： 2.6 在集中力 P单独作用下，导轨跨度中点 C的挠度由表 7.1的第 5 栏查出为： 2.7 叠加以上结果，求得在 q、 P两种载荷共同作用下，导轨跨度中点的挠度是： 2.8 其中： l为简支梁跨距，设计中 l=0.18m，查表得 45钢 EI=210GPa，均布载荷 q= 112N/m,集中力 P=50N。代入 公 式 （ 2.4） 求得（ fc）： （ fc） = 0.000028928571429+0.00000729 = 0.0000289 +0.00000729 = 0.00003619 满足设计要求 f l/500=0.00036 。 2.5.2 导轨的选择 根据设计计算要求，滑动导轨满足其使用要求。如图 2.1例导轨 ， 选用 直线滑动导轨 。 nts 21 图 2.1 直线 滑动导轨 2.6 步进电机的计算和选用 选用步进电机时，必须首先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上 的等效转动惯量，分别计算各种工况下所需的等效力矩，再根据步进电机最大静转矩和启动、运行矩频特性选择合适的步进电机。 2.6.1 转动惯量计算 1）、轴、丝杠等圆柱体惯量计算。 圆柱体转动惯量： 2 2()8MDJ k g c m 2.9 对于钢材： 4 3 4 3 21 0 0 . 7 8 1 0 ( )32DLJ D L N c m sg 2.10 式中： M 圆柱体质量 （ Kg） D 圆柱体直径 （ cm） L 圆柱体长度或厚度 （ cm） R 材料比重（ N/cm3） ,r=PG P 材料密度（ kg/cm3） ,钢材的密度 =7.8 g 重力加速度 g=980cm/s 2.6.2 电动机力矩的计算 电动机的负载力矩再各种情况下时不同的，下面分快速空载起动时所需力矩，快速进给时所需力矩，最大切削负载时所需力矩等几部分列出其计算方法。 （ 1）、快速空载启动时所需力矩 Mq。 nts 22 Mq=Mamax+Mf+Mo 2.11 式中： Mq 快速空载起动力矩（ N cm）； Mamax 空载起动时折算到电机轴上的加速力矩（ N cm）； Mf 折算到电机轴上的摩擦力矩（ N cm）； Mo 由于四缸预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩（ N cm）。 （ 2）、快速进给时所需力矩 Mk。 Mk=Mf+Mo 2.12 因此时运动部件已启动，故不包含 Mamax，显然 Mk Mq。 （ 3）、最大且学负载时所需力矩 Mj。 Mj=Mf+Mo+Mt 2.13 式中： Mt 折算到电机轴上的切削负载力矩（ N cm）。 2.6.3 步进电机的选择 目前，经济型数控机床中多采用反应式步进电机，其技术参数可见机电一体化设计手册相关图表。 本次设计采用南京机械专科学院 教学 设备立柱式模拟数控铣床。在原有设备基础上进行创新设计，使新设计设备比原有设备精度和刚度都有大幅提高。 因其只进行了结构改动，故采用原有步进电机型号。 其具体数据为： 主轴电机选用稀土宽调速直流伺服测速机组，该电机参数为： 型 号： 60syr 额定转矩： 9.1N M 最高电压： 30V 最高转速： 5000r/min 工作电流： 1.12A X轴、 Y轴、 Z轴丝杠进给驱动电机选择同组电机，以方便安装数控系统。该电机参数有： TYPE 57BYG 060-01 2.6V/ PHASE(相 ) 2.0A/ PHASE nts 23 1.3 / PHASE 1.8DEG(度 )/STEP（步） nts 24 结 论 本设计说明书介绍了龙门式数控铣 床机械结构的设计简介，从铣床结构的确定、零部件的设计、电动机的选型以及导轨的强度计算等，简明扼要地叙述了设计过程。龙门结构被广泛应用于工程机械和起重传输设备中，具有较高的强度、稳定性和工作精度。因其良好的工作性能，设计制造出龙门式家用数控铣床保证了加工精度，为工程和实验
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