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ca6140 数控 改装 设计

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CA6140数控化改装设计论文 CA6140数控化改装设计论文.doc 车床横向进给丝杠螺母1.dwg 车床横向进给丝杠螺母2.dwg 齿轮.dwg 带轮.dwg 调节盘.dwg 主轴.dwg 装配图68.dwg 自动刀架.dwg

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机电工程学院 毕业设计 1 CA6140 数控化改装 专业名称：机械制造与自动化 学生姓名： 导师姓名： 大学机电工程学院 2013 年 12 月 焦作大学 ca6140 CA6140 数控化改装 nts机电工 程学院 毕业设计 2 reformation of the design of CA6140 姓名 ： 学制 ： 专业 ： 机械制造 与自动化 导师： 职称：教授 论文提交日期： 2013 年 论文答辩日期 大学机电工程学院 nts机电工程学院 毕业设计 摘要 I 摘要 随着我国工业生产的发展 ,机械工业即将面临着一个十分重要的课题-设备改造。本设计就是对 CA6140 车床的机械部分，进行数控改造。数控改造主要是简化机械传动机构、缩短传动链、提高自动化程度，也是为了解决复杂的零件加工、精度控制及提高产品质量和生产率。在设计内容上，主要针对传动系统图和进给系统的改造设计、以及导轨和自动转位刀架的改造设计等。 目前 ,经济型数控机床 ,仍然是我国市场经济需要量最大、销售量最高。在利用我国现有的大量闲置旧机床 ，对旧机床进行数控化改造，研制出一种新型高效、多能的经济型数控机床，是一种推陈出新、盘活存量资金的有效方法和低成本自动必由之路。 关键词 : 创新设计、数控改装、主轴、刀架、导轨、数控装置、进给系统 nts机电工程学院 毕业设计 摘要 II Summary With the development of industrial production of our country, the mechanical industry will face a very important subject soon -the equipment transformation. It means simplify mechanical drove, control precision, and improve the product quality and productivity by shortening drive chain, raising automatic degree. At designing content, mainly, control and improve the product quality and productivity for solving complicated part processing, precision too. At designing content, mainly focus on the transformation of the system design and the transformation of the location of the knife and guide. At present, economy numerical control lathe is still the lather which is required most heavy and sold at the largest volume. Based on that utilize the large amount of unused old lathe, carry on the numerical control transformation to the old lathe , develop one new type high efficient , multi-functional economy numerical control lathe are the best and only way to low coat and stock of fund. Key word: Original design, Numerical control reformation, Main shaft, Knife rest, Guide, Numerical control device, Enter to the system. nts焦作大学机电工程学院 毕业设计 目录 I 目 录 引言 1 CA6140 数控车床主要技术参数 2 第 1 章 总体设计方案的确定 3 第 2 章 传动系统的确定 4 2.1 节转速图的拟定 5 2.1.1绘出数控车床的传动原理图 5 2.1.2公比确定 6 2.1.3 结构式的拟定 6 2.1.4 验算传动组的变速范围 6 2.1.5 确定传动的各级转速 7 2.1.6 确定转速图 7 2.1.7各轴转速 7 2.2 节传动系统的确定 8 2.3节皮带轮的设计 9 2.3.1 确定 9 2.3.2 V带轮结构设计 10 2.4 节齿轮的设计 11 2.4.1、确定齿轮类型、材料、精度 11 2.5 节轴的结构的设计 13 2.6 节轴承的改造设计 14 2.7 节主轴脉冲发生器 14 2.8节主轴电机的选择 15 2.8.1、主轴的基本要求 15 nts机电工程学院 毕业设计 摘要 II 2.8.2、主轴电机的使用要求 15 2.8.3、电机工艺性经济性要求 15 2.9 节其它辅助设备的改造设计 16 2.9.1、减少热源的热量 16 2.9.2、各部件间的温差 16 2.9.3、 主轴箱的密封 16 第 3 章 进给系统改造设计 17 3.1 节概述 17 3.2 节传动系统改造设计与计 17 3.2.1纵向进给系统的设计与计算 21 3.2.2横向进给系统的设计与计算 25 3.3 节进给系统的安装与调整 25 第 4 章 导轨的改造设计算 26 第 5 章 自动转位刀架的改造设计 27 第 6 章 可控电动尾座设计 29 设计总结 30 参考文献 31 致谢 32 nts焦作大学机电工程学院 毕业设计 引言 1 引 言 随着我国工业生产的需要，当前，设备改造是机械工业面临的一个十分重要的课题，本次设计就是对 CA6140车床的机械部分进行数控改造，主要是简化机械传动机构缩短传动链，提高自动化程度 与数控相适应，同时也解决复杂零件的加工精度控制，提高产品质量和生产率，在这次设计内容上主要针对传动系统图和进给系统改造设计，导轨的改造设计，自动转位刀架的改造设计等。为达到本设计的目的， 必须查阅相关资料以及向老师请教，同时也得到相关企业参观考查。 就目前，经济型数控机床，仍然是我国市场经济需要量最大、销售量最高。在利用我国现有的大量闲置旧机床，对旧机床进行数控化改造，研制出一种新型高效、多能的经济型数控机床，是一种推陈出新、盘活存量资金的有效方法和低成本自动必由之路。 而随着科学技术和社会生产力的迅速发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求，为使机械加工工艺过程自动化成为实现上述的最重要措施之一。它不仅能够提高生产质量、提高年产率、降低生产率、降低成本，还能够极大地改善生产者的劳 动条件。 数控技术和数控机床的延生于二十世纪中叶，经过半个世纪来，数控系统经历了从硬件到计算机数控两个阶段和从电子管数控到基于个人计算机数控平台六代的发展，数控机床的控制轴数已由半轴的点位控制。两轴联动发展到五轴以上联动，基本上已实现数控自动化。由于数控系统的优越性，目前，在工业发达国家中，数控机床的应用几乎已扩展到所有加工领域。 现今，经济型数控机床，仍然是我国市场需要量最大，销售量最高的数控机床，而利用我国现有大量闲置的旧机床，对其进行数控化改造，研制出一种推陈出新，盘活存量资金的和低成本自动必由之路， 而我们研制的 CA6140小型数控车床正是这个思路的探索与实践。 因此，为了提高产品质量提高产品精度，减少劳动强度，降低成本，实现自动化，对我国原有普通车床进行经济型的数控改造，是当前机械工业的一个十分重要的课题。 nts机电工程学院 毕业设计 论文正文 2 技术参数 CA6140数控车床主要技术参数 最大加工工件直径： 400毫米 最大加工工件长度： 1000毫米 主轴孔径： 48毫米 主轴前端孔锥度：莫氏 6号 进给量和螺距范围 纵向： 0.01 20.48毫米 横向： 0.02 10.24毫米 快速进给速度 纵向： 3米 /分 钟 横向： 1.5米 /分钟 主轴转速： 正转 12级 10 1400转 /分钟 主电机 功率： 7.5千瓦 转速： 1440 转 /分钟 控制坐标数目： 2 个 脉冲分配方式：逐点比较法 输入方式：绝对值或增量值输入 脉冲当量： Z轴（纵向）： 0.01毫米 /脉冲 X轴（横向）： 0.005毫米 /脉冲 车床外形尺寸：长宽高 2668 1000 1190毫米 nts机电工程学院 毕业设计 第 1 章 总体设计方案的确定 3 第 1 章 总体设计方案的确定 CA6140车床主要用于中小型轴类。盘类以及螺纹零件的加工。这些零件的加工工艺要求完成的主要任务是：控制主轴正反转和实现其不同切 削速度；刀架能实现纵向和横向的进给，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具、冷却泵、润滑泵的合、停；加工螺纹时保证主轴转一致，刀架移动一个补加工螺纹的螺距或导程。这些内容是数控改造系统控制的对象。根据 CA6140 车床的有关数据资料，确定 CA6140 车床的机械改造方案为： 1.传动系统的改造 将 CA6140的正转 24级和反转 12级改为正转 12级和反转 6级的简易经济型数控机床。在满足基本转速范围和工作性能要求同时，简化传动机构，缩短传动链，并在主轴后端安装光电编码器，将 CA6140 车床的手动分级变速改造为自 动分级变速，使之具有操作方便，结构简单的特点。 2.进给系统的改造 Z轴（纵向）进给系统。拆除原机床的进给箱。溜板箱。光杆和丝杠，将步进电机布置在原丝杠左端，利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装减速齿轮箱，步进电机采用 V带轮减速。将滚珠丝杆代替原丝杠，仍安置原丝杠位置，滚珠丝杠采用可预紧安装方式，安装方式以减少或消除丝杆产生的弯曲变形，使丝杆拉压刚度有较大提高。工作时，步进电机经 V带传动到主轴箱内，将拖动扭矩传给滚珠丝杠副，带动大拖板连接沿纵向往复运动。 X轴（横向）进给，将步进电机安装在大拖板上，用法兰盘 将步进电机和机床大拖扳连接，步进电机，齿轮箱体安装在中拖的后侧。 第一刀架的改造：拆除原刀架和小拖扳，换上数控刀架。 第二电动尾座改造：该改装可根据加工需要使刀具自动进给或手动进给，采用链传动和牙嵌离合器，结构简单可靠。 nts焦作大学机电工程学院 毕业设计 第 2 章 主传动系统设计 - 4 - 第 2 章 主传动系统设计 CA6140型车床，其主动链可使主轴获得 24级正转（ 10-1400r/min）和 12级反转（ 14-1580r/min）。首先分析一下 CA6140 的传动路线，运动由电机（ 7.5kw，1450r/min）经 V 带轮传动副 114mm 220mm传至主轴箱中的轴 I，在轴 I上装有双向多片摩察离合器 M1，使主轴正转反转或停止。当压紧离合器 M1左部的摩擦片时，轴 I的运动经齿轮副 56/38或者说 51/43传动轴，使轴获得两种转速。压紧右部摩擦片时，经齿轮 50轴上的空套齿轮 34传给轴上固齿轮 30，这时轴 I至轴间多一个中间齿轮 34，使轴的转向与经 M1左部传动时相反。反转转速只有一种，当离合器处于中间位置时，左右摩擦片都没有被压紧，轴 I的运动不能传至轴，主轴停止。运动由轴传往主轴有两条路线： 1. 高速传动路线 ： 主轴上的滑移齿轮 50移至左端，使之与轴上右端的齿轮 63啮合，运动由轴经齿轮副 63/50直接传给主轴，得到 450r/min至 1400r/min的 6种高速。 2. 低速传动路线： 主轴上的滑移齿轮 Z50移至右端使主轴上的齿式离合器 M2齿合轴的运动经齿轮副 20/80或 50/50 传给轴，又经齿轮副 20/80或 51/50传给轴，再经齿轮副 26/58和齿式离合器 M2传至主轴，使主轴获得 10 500r/min的低速。 从 CA6140车床传动路线分析可得出其还存在以下缺点： CA6140传动路线矿长，传动机构较多，其中传动轴最少有 4根，最多有 6根，主轴正转，齿 轮副数最少有 3对，最多有 5对，反转时，最少有 4对，最多有 6对，这不仅使箱体结构尺寸复杂，造价费用高，而且降低传动效率，降低加工精度。 CA6140车床主轴能够获得 12级反转转速。作为普通车床，主轴反转不是用切削加工，而且用于车削螺纹时，切削完一刀之后使车刀沿螺纹线退回，以便提高加工精度，但实际应用中，通常使用的只是其中 2至 3种。 在传动路线上，滑移齿轮达 5对之多，因滑移齿轮都是采用花键联接，这就使得花键轴强度 .刚度 .材料比普通要高，成本显然也高。 nts机电工程学院 毕业设计 第 2 章 主传动系统设计 - 5 - 当主轴正转时，轴 I上 Z=56齿轮带动轴上 Z=38齿轮，轴转速很高，此时轴 Z=39齿轮带动齿轮 Z=41，使轴也高速旋转，也使轴右端齿轮 Z=63高速转动。即使空载线速度也很高，也是一个重要的噪声源。 此次 CA6140 数控改造设计 机械设计部分，其设计任务的基本要求为：简化机械传动机构，缩短传动链，提高传动精度。参照有关机床数控改造资料对 CA6140改造成主轴为 12 级的经济型数控机床。此改造方案有以下优点： 与 CA6140 车床相比，改造后减少了 2根传动轴，而且只有 3对齿轮传动，简化了传动机构，缩短了传动链，减少制造成本费，提高了传动精度。 改 造后，有 12级正转（ 31.5r/min 至 1400r/min）和反转 6级（ 31.5r/min至 1350r/min）转速范围与 CA6140基本相同，至于最低转速只有 31.5转 /分钟，但进给机构及刀架都已自动化，所以这种转速能够满足使用要求。 经改造后，滑移齿轮由原来的 5对减少到 3对，不仅减少了轮齿数和齿轮传动轴，而且总体结构得到简化，造价费用也可减少 1/4。 经改造后，改造了齿轮的加工工艺，同时也降低了齿在主轴上啮合线速度，减少了噪声源。 价格便宜。仅数控系统与国外同类型系统相比，前者只要 1 2万元 ，而国外系统则要十几至几十万。 解决复杂零件的加工精度，提高生产率。 提高工人素质，减轻工人的劳动强度，促进技术进步和科技成果的普及应用。 第 2.1 节 转速图的拟定 2.1.1、绘出数控车床的传动原理图 数控车床的传动原理与卧式车床原则上相同，只是许多地用电联系代替了机械联系。 根据普通车床原理图及有关资料 1和设计要求，确定卧式数控车床原理图如下图所示： nts机电工程学院 毕业设计 第 2 章 主传动系统设计 - 6 - 2.1.2、公比确定 于设计的车床是普通型，从使用性能方面考虑公 由 比最好选小些，以便减少相对转速损失，但公比太小，级数就多，将使机床的结构复杂，对于一般生产要求较高的普通车床，减少相对转速损失是主要的，根据以上原因及资料 1选定公比 =1.26 2.1.3、结构式的拟定 已知设计的车床类型为普通型，主轴的转速级数确定为 12级，选定公比=1.26 拟定该车床的结构式有以下几种： a.12=31 23 26 b.12=31 26 23 c.12=32 21 26 d.12=34 21 22 e.12=32 26 21 f.12=34 22 21 为了减少主传动件结构尺寸，根据三个基本原则：传动副数“前多后少”原则；传动线“前密后疏”的原则；降速“前慢后快”的原则；同时也考虑安全可靠，需在第一轴上装一个安全离合器。 因此确定结构式为： 2=21 22 34 2.1.4、验算传动组的变速范围 检查传动组的变速范围，我们只需检查最后一个扩大组。因为其他传动组的3 4 nts机电工程学院 毕业设计 第 2 章 主传动系统设计 - 7 - 变速范围都比它小，根据公式 8-21求得 Rmax= Xn(p2-1)=6.35300mm时采用轮副式。这里 D=220mm， d=24mm，可采用孔板式带轮结构，其各部分尺寸由表 8-12及公式 2分别求得如下： bp=19mm hf=16mm ha=5mm e=25mm f=17mm =10mm B=(Z-1)e+2f=(3-1) 25+2 17=84mm nts机电工程学院 毕业设计 第 2 章 主传动系统设计 - 11 - 图 2-1 V带带轮结构图 第 2.4 节 齿轮的设计 2.4.1、确定齿轮类型、材料、精度 为了保证加工工件的精度，减少机床振动，在主轴上的齿轮应选斜齿轮，以减少轴向力，径向力等因素的影响，其余的齿轮都选 由 用直齿圆柱齿轮。考虑到车床的功率较大，故各对齿轮都选用硬质齿面，表 10 12选用齿轮的材料均为40cr，调质及表面淬火。故初选 7级精度。 初选小齿轮齿数为 Z=21， Z=87，螺旋角 =14 1按齿面接触强度设计 按式 10 22，先确定公式内的各计算值： （ 1）试选 Kt=1.6 （ 2）由图 10 302选取区域系数 ZH=2.433 （ 3）由图 10- 262查得 a1=0.87， a2=0.87 则 a= a1+ a2=1.65 （ 4）计算大齿轮传递的转矩 P3=7.5 0.96 0.992=7.057 nts机电工程学院 毕业设计 第 2 章 主传动系统设计 - 12 - N3j=125r/min 故 T1=9550000 7.057/125=5.39N mm （ 5）许用接触应力 H=( + )/2=1041.5Mp，其他有关参数是参照例题（ 10 12）。 试算小齿轮分度圆直径，由公式（ 10 22）求得： d1t 69.5997 70mm 计算圆周速度 V= d1tn1/60 1000=0.3297m/s 符合要求。 计算齿宽 b及模数 mnt b= dd1t=0.9 70=63mm mnt=d1tcos /Z=70 cos14 /21=3.23mm h=2.25mnt=7.275mm b/h=8.65 计算纵向重合度 =0.31 d8Z1tg 14 =1.713 计算载荷系数 K 已知使有系数 KA=1，根据 V=0.3505m/s， 7级精度，由图 10 82查得动载系数 Kv=1.11；由表 10 42查得 KHB=1.14，由图 10 132查得 KFB=1.37，由表 1032查得 KHA 1.2，故载荷系数为： K=KAKVKHAKHB=1.88 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式 10 10a2得： d1=78.53mm 计算模数 mn=d1cos /Z=74.42 cos14 /21=3.43mm 故取 mn=3mm 5 几何尺寸计算 计算中心距 a=(Z1+Z2)mnt/2cos =167.01mm nts机电工程学院 毕业设计 第 2 章 主传动系统设计 - 13 - 圆整后为 167mm 计算大小齿轮的分度圆直径 d1=Z1mn/cos =64.95mm d2=Z2mn/cos =269.07mm 计算齿宽 b= dd1=0.9 64.95=58.455mm 圆整后取 B2=58mm B1=64mm 其他结构尺寸根据图 10-392求得： 符号 数值 (mm) 符号 数值 (mm) ha 3 D3 144 hf 3.75 D1 191.5 da 275.07 D2 28 df 261.57 r 5 Do 239 C 14 6 齿轮结构图 根据齿轮结构尺寸要求，当齿顶直径 160 da 500mm时，做成腹板式，如齿轮零件图所示。 第 2.5 节 轴的结构设计 此次改造技术采用的结构与原来的 CA6140 结构大部分相同。 I 轴上有三个传动副及摩擦离合器与 CA6140 相同； II 轴上有三个固定齿轮和一个二联滑移齿轮与 CA6140 相同； III 轴上左端采用的是二联滑移齿轮，右端采用的是三联滑移齿轮与 CA6140的左端是三联滑移齿轮，右端是三 个固定齿轮基本相似。故改造时只需把右端轴的结构改为花键轴即可。从前三轴来看，结构，尺寸，基本相同，故前三轴不作大改动，基本结构及轴承保持不变。这样为改造成本减少许多，提高了改造方案的经济性，轴 IV是将 CA6140 的固定齿轮 58和内齿式离合器 50去掉，将部分改造设计成三对固定齿轮 87， 64， 40，将操作杆拆除掉，安装上主轴控制nts机电工程学院 毕业设计 第 2 章 主传动系统设计 - 14 - 旋转开关，并在主轴的后端安装脉冲发生器，它们之间用弹性联轴节联接安装，保持与主轴同步。在加工螺纹时，使主轴转速与纵向滚珠丝杆的转速保持一定的数量关系，从而能按数控加工指令加工出指定的螺纹 ，主轴上的其它部分均保留不变，不作改造设计。 根据 CA6140 的主轴结构及尺寸，将主轴改造为如主轴零件图所示。 第 2.6 节 轴承的改造设计 CA6140机床原来的主轴支承为前后支承，经改造后改为前中后支承，以前中支承为主支承，后支承为辅助支承，考虑到经济性，其前后支承不进行改造，只将中间支承的轴承 E32216拆除，在其位置上用加强筋加以支承，更换轴承D3182120，同时 I， II， III， IV轴上各个支承均保留不变其原来的位置及型号。 将 IV， VII的各个支承轴承拆除。 第 2.7 节 主轴脉冲发生 器 主轴脉冲发生器也叫光电编码器。其作用是当数控机床加工螺纹时，用主轴脉冲发生器作为车床主轴位置信号的反馈元件，它应与车床主轴同步转动，并发出主轴角位置变化信号，输送给计算机。计算机按所需加工的螺距进行处理，控制机床纵向或横向步进电动机运转，实现加工螺纹的目的。其加工螺距为： 6， 5，3.5， 3， 2.5， 2， 1.75， 1.5， 1.25， 1， 0.75， 0.6， 0.5， 0.4， 0.3， 0.25共 18种。 主轴脉冲发生器的安装，通常采用两种方式：一是同轴安装，二是采用异轴安装。 同轴安装的结构简单，联接方便。但缺点 是安装后不能加工穿出车床主轴孔的零件，而异轴安装则没有这个缺陷，所以目前经济数控系统改造卧式车床，多采用同轴方式。 主轴脉冲发生器从传动联接方面分为刚性联接和柔性联接。所谓刚性联接就是常用的轴套方式联接，这种联接对联接件的制造精度和安装精度要求较高。因为同轴度的差，会引起主轴脉冲发生器的偏扭，造成信号不准，甚至损坏内部光栅盘。另一种联接方式为柔性联接，即车床主轴与主轴脉冲发生器之间用弹性元nts机电工程学院 毕业设计 第 2 章 主传动系统设计 - 15 - 件联接，常用的元件为波纹管和橡胶管。这是较为适用的授联接方式。须引起注意的是，主轴脉冲发生器属精密光学元件，安装时应格外 小心，以免损坏光栅盘。另外，在使用中还应注意最高转速，使用时车床主轴不能超过此转速。最好能做到使用时可将其装上，不使用时将其脱开，以延长其使用寿命。 第 2.8 节 主轴电动机的选择 电动机是机床的一个核心部件，它的选择直接影响到机床的工作性能及加工精度，为了满足要求，选择合适的 主轴电机需从以下几个方面考虑 : .8.1、主轴的基本要求 . 机床主轴除了作高速回转外，还要承受径向，轴向的切削力，主轴在弯曲、扭转、交变载荷下按照要求进行起动增速，减速和停止等，因此电机一般要求较高 . .8.2、主轴电机的 使用要求 与一般用途电机一样，主轴电机满足驱动的基本要求即 :电机的输出功率，转速，转距等机械负载相匹配 .另外不要考虑使用环境，应用场合，工作和使用电源等 .因主轴经常起动、加速、切削、制动，停止这样循环，故机床主轴电机对其控制要求是恒速运动时要求，平稳，转速波动小，抗干扰能力强，调速范围宽，并连续可调，电机起动，制动安全可靠 . .8.3、电机工艺性经济性要求 为适应市场经济需要，主轴电机制造必须具备下列条件 : 1)主轴及电机的制造工艺性好 . 2)主轴电机的装配，调试，维护性能要好 . 3)主轴电面应具有效率高，寿命长，体积小，重量轻，可控制性好 . 根据以上要求，我们选择步进电动机 .其优点是 : 一是在工作状态下对各种干扰因素不敏感。电压的波动，电流的数值，波形，温度的变化等干扰因素在其大小未引起步进电机出现“失步 ” 现象前，不影响其工作状态； nts机电工程学院 毕业设计 第 2 章 主传动系统设计 - 16 - 二是误差不会长期积累。步进电机的步距角是有误差的，当转子转过一定步数以后也出现积累误差，但转过 360以后，积累误差则为“零”。 第 2.9 节 其他辅助设备的改造设计 .9.1、减少热源的热量 根据有关资料对 CA6140机床的试验分析，床头箱 的主要热源以主轴轴承的发热为主，其前轴承就更为明显，而轴承的发热源于液体的动力摩擦，它随润滑油的粘度降低而下降，前轴承的 AT及主轴前端部提高量 DB约与润滑油的动力粘度少 0.4 0.5次方的关系。故改用 T2高速机油代替原来 30#机油，便可使热量减少，使 DB下降到 47%左右，同时，增大主轴前轴承侧的供油量至 1.5 2公升 /分，并用油管将油从前中轴承侧面射进前中轴承的滚子部分，以减少前中支承的发热量。 .9.2、各部件间的温差 从 CA6140 机床的试验证明：主轴前部提高 DB是由主轴箱的热变型（占 60%）及机 床床身的热变（占 40%）两部分组成，床身的热变形对于主轴中心线相对于床身导轨的不平行性 Aa的影响尤为显著，约占 84%左右，其中 78%是和下部分的变形导致的， 6%是导轨部分变形产生的，将润滑油箱另外独立于机床，采用强制性循环润滑，这样不仅消除了次生热源，同时使油和箱也起到了散热作用。 .9.3、 主轴箱的密封 箱体内拆除的零件所留下来的孔径，用塞子把其塞住，以防灰尘杂质进入主轴箱内产生摩擦热变形及降低加工精度。 nts机电工程学院 毕业设计 第 3 章 进给系统设计 17 第 3 章 进给系统设计 第 3.1 节 概 述 进给传动系统的改装，应根 据机床自身精度及性能来决定： 由于旧车床改造， 是将原来的机床进给传动系统，即由主轴箱通过挂轮架带动进给变速箱，将运动传给光杠或丝杠，再驱动床鞍或中滑板运动的传动过程，改装为由功率步进电动机通过消隙减速传动齿轮，直接带动滚珠丝杠，使刀架分别实现纵向运动和横向运动，进行两个坐标的控制。在机床改造过程中，必须拆除机床上原有的溜板及主轴箱等保留部件进行修理，使精度能达到大修要求。 精度符合要求的卧式车床，进行数控化改造，一般对车床部件不做大的运动，只是把床鞍的纵向滑动丝杠副改造为纵向滚珠丝杠副。在纵向滚珠丝杠的右端 安装一消隙减速箱和功率步进电动机。同时，也把中滑板的端向滑动丝杠副改为横向滚珠丝杠。在横向滚珠丝杠的外端安装一消隙减速箱和功率步进电动机。从而，使车床的纵向和横向运动既能用微机系统进行控制，又能由操作者进行普通操作。在机床改造中，只要把溜板箱中的开合螺母及中滑板上的滑动螺母拆除，在合适位置上安装好滚珠螺母座即可。在电气控制方面，为了避免数控操作与普通操作相干涉发生操作失误现象，必须由电气连锁开关控制操作转换。 对于全新或较新车床来说，在进行简易数控改造时，一般都是全部保留车床的零部件。直接把消隙减速箱和功率 步进电机分别安装在纵向滑动丝杠的右端和横向滑动丝杠的外端。从而也可以使车床同时具有普通操作功能和简易数控功能。这时，要注意的问题同样是必须避免数控操作与普通操作相干涉，发生操作失误现象。在普通操作与数控操作的转换中，必须由电气连锁开关控制，若要进行数控操作，必须把连锁开关至“数控位置”，合紧开合螺母方可进行。 3.2 进给系统设计与计算 . .、纵向进给系统的设计与计算 纵向进给系统的设计 经济型数控车床的改装一般是步进电动机经减速后驱动丝杠转动，螺母固定在溜板箱上，带动床鞍运动。步进电动机要安装 在丝杠的nts机电工程学院 毕业设计 第 3 章 进给系统设计 18 任意一端，对于车床改造，外观不必像产品设计要求的那么高，而应从操作、改造方便、实用等方面来考虑。 纵向传动滚珠丝杠改装，纵向传动滚珠丝杠，应采用三点支承的形式。若结构中保留进给变速箱，可以使滚珠丝杠的左端通过联轴套直接连接在进给变速箱的原丝杠联接轴上。若结构中拆除了进给变速箱，则滚珠丝杠的左端可以一个专用轴承支座，采用轴套式滑动轴承作为径向支承，在滑动轴承的两侧分别布置一对推动球轴承，进行轴向支承，并且使支承短轴与滚珠丝杠通过轴套联接起来。滚珠丝杠的右端通过一个联轴套和消隙减速的输出轴 联接起来，并且在三杠托架上布置一个轴套式滑动轴承作为径向支承，对消隙减速箱的输出轴进行支承，消隙减速箱固定在三杠托架上。滚珠丝杠的中间支承为滚珠螺母与床鞍直接联接。因此。滚珠丝杠对脏物敏感，要加防护罩。 纵向进给系统的计算： 已知条件： 工作台重量： g=800N(根据图纸估算 ) 时间常数： T=25ms 滚珠丝杠导程： Lo=6mm 行程： =640mm 脉冲当量： p=0.01mm/p 步距角： =0.75 /p 快速进给速度： V=5m/min （ 1）切削力计算 由 可知， 切削功率为 式中 p-切削功率 (KW)； P电动机功率：查机床说明书， p=4kw 主传动系统总功率，一般为 . .，取 .； K进给系统功率系数，取 k .； 则 PC =4*0.65*0.96=2.496KW 又因为 Pc=FzV/6120 nts机电工程学院 毕业设计 第 3 章 进给系统设计 19 所以 Fz=6120P /V 如取切削速度 V=100M/MIN，则主切削力得 Fz=6120 2.469/100=152.76Kg=1527.6N 由 6可知，主切削力 FZ=CFZ apxFzfYFZKFZ 查有关手册得 CFz=188Kg/mm2=1880MPa XFz=1 YFz=0.75 KFz=1 则在不同切削深度及进给量时主切削力计算结果如表所示： ap/mm 2 2 2 3 3 3 f/mm 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4 Fz/N 1125 1524 1891 1687 2287 2837 当切削深度 a p =2mm，走刀量 f =0.3mm 时产生的主切削力与前面所计算出的主切削力 Fz =1524N 相近，故以此参数做为 下面计算的依据。 从 1中可得知，在一般车削外圆时 Fx=(0.1-0.6) Fz Fy=(0.15-0.7)Fz 取 Fx=0.5Fz Fy=0.6Fz 则 Fx=0.5 1527.6=763.8N Fy=0.61 527.6=916.5N （ 2）滚珠丝杠设计计算 综合导轨车床丝杠的轴向工作负载采用下面公式 4计算 P=KFx+f (FZ+W) 式中 p-工作负载 (N) k-考虑颠覆力矩影响的实验系数，取 K=1.15； Fx-进给抗力； -导轨上的磨擦因数， f=0.15-0.18，取 f =0.16； Fz-主切削力 (N) W-移动部件的重量，根据已知条件得知 W=800N； nts机电工程学院 毕业设计 第 3 章 进给系统设计 20 则 P=1， 1 763.8+0.16 (1527.6+800)+1250.8N 1）强度计算（滚珠丝杠 ） 寿命值 L=60nT/1062 式中 L- 寿命（以 106r为单位 .则为 4r）； n-滚珠丝杠的转速 (r/min) T-机器使用寿命时间 (h) 丝杠转速 n可根据下式求出： n =n 主 f/Lo=1000vf/ D0L0 2 式中 n 主 -主轴转速 (r/min)； f-走刀量 (mm/r)； v-切削线速度，取 =100m/min； D-工件直径 (mm)； L0 -滚珠丝杠基本导程 (mm)； 如取工件直径 D=80mm， 并查有关手册得 T=15000h， 则 n=1000 100 0.3/3.14 80 6=20r/min L=60 20 15000/106=18 106r 根据最大动负载公式得 C=L1/3fwfHP 2 查表 3-34和 得运转系数 =1.2， 硬度系数 fH=1， 则 C=(18) 1/3 1.2 1 1250.8=3933.6N 根据最大动负载 C的值， 可选择滚珠丝杠的型。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取 FC1B系列，滚珠丝杠直径为 32mm， 型号为 FC1B32*6-5-E2，其额定动载荷是 10689N ，与上面计算结果相比，强度足够。 2）效率计算 根据 7的公式，丝杠螺母副的传动效率为： tg /tg( + ) 式中 -传动效率； -丝杠螺旋升角； nts机电工程学院 毕业设计 第 3 章 进给系统设计 21 -摩擦角，其中摩擦角 =10 螺旋升角 =，则 tg3 25 /(3 25 +10 )=0.953 3）刚度验算 滚珠丝杠在工作负载作用下的变形量计算公式 4， 得 L1= PL0/EF 其中 L0 =6mm=0.6cm，对于钢材其弹性模量 E=20.6 106N/cm2 P=1250.8N(前面结果），滚珠丝杠截面积（按内径计算），滚珠丝杠内径根据初选的丝杠参数可得 d=28.031mm=2.8031cm， 其面积 F=(d/2) 2 =(2.803/2) 2 3.14cm2 则 L= (1250.8 0.6)/20.6 106 (2.803/2) 2 3.14 5.9 10-6cm 滚珠丝杠工作负载 p和扭矩 M共同作用下，所引起每一导程变化量 L 为： L= L1+ L，因滚珠丝杠受扭矩 M引起的导程变化量 L2很小，可忽略，即：L= L1. 所以丝杠长度为 100cm时，导程变形总误差为： =100 L/L0=100 5.9 10-6/0.6=9.8um/m 查有关手册得知 E级精度丝杠允许的螺距误差为 15um/m，故刚度足够。 4）稳定性验算 由于机床原丝杠直径为 30 mm，现选用的滚珠丝杠直径为 32mm，支承方式不变，所以稳定不存在问题。 5）齿轮计算 根据传动比及公式得 i=360 p/ L0 故取 Z1=32 Z2=40 =20 m=2mm b=20mm d1=mz1=2 32=64mm d2=mz2=2 40=80mm da1=d1+2ha=68mm da2=d2+2ha*=84mm a=(da1+da2)/2=(64+84)/2=72mm . .、横向进给系统的设计与计算 （ 1） 横向进给系统的设计 经济型数控改造的横向进给系统，一般是步进电动机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。具体结构改造方法是： 横向传动珠丝杠改造 横向滚珠丝杠也采用三点支承形式 ，靠近操作者一端nts机电工程学院 毕业设计 第 3 章 进给系统设计 22 应布置一根支承短轴 9，通过联轴套 8与滚珠丝杠联接起来。可利用车床原横向进给丝杠的滑动轴套 11作为径向支承，并对原支承处进行适当改装，布置一对推力球轴承 10，以实现轴向支承。在远离操作者的一端，用联轴套 5 和联接短轴 4，把滚珠丝杠 6与消隙减速箱 2的输出轴联接起来。从而，就可以利用消隙减速箱 2上的轴承实现对滚珠丝杠另一端的支承。滚珠螺母 7直接固定在中滑板上。 （ 2）横向进给系统的设计计算 由于横向进给系统的设计计算同纵向类似，所用到的公式不再详细说明，只计算结果，由已知求得： 切削力计算 横向 进给量为纵向的 1/2 1/3， 取 1/2， 则切削力约为纵向的 1/2。 Fz=1/2 152.76=76.38Kg=763.8N 在切断工件时： Fy=0.5Fz=0.5 76.38=38.19Kg=381.9N 2）滚珠丝杠设计计算 （ 1）强度计算 对于燕尾型导轨： P=Kfy+f (Fz+W) 取 K=1.4 f =0.2 则 P=1.4 38.19+0.2 (76.38+30)=74.74Kg=747.4N 寿命值为： L=60nT/106=(60 15 15000)/106=13.5 106r 最大动荷负载 C=L1/3fWfHP=(13.5) 1/3 1.2 1 74.74=213.55Kg=2135.5N 根据最大动荷负载 C的值，可选择滚珠丝杠的型号，例如：滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本取 FC1B系列，滚珠丝杠公称直径 20mm