X716数控铣床X向进给系统设计

陕西理工学院毕业设计 论文 第 1 页 共 36 页 X716X716 数控铣床数控铣床 X X 向进给系统设计向进给系统设计 摘要 本文主要设计 X716 数控铣床 X 向进给系统设计部分 机械结构采用 交流伺服电机与滚珠丝杠直接相连的方式 其控制方式采用交流伺服驱动系统 半闭环控制 在对进给系统机械结构进行设计的过程中 主要对滚珠丝杠螺母副 和直线滚动导轨副进行了计算 校核 确保了机械传动部件的精度和刚度 通过 计算 选择了电气驱动部分 包括交流伺服电机和与之匹配的伺服单元 滚动直 线导轨 滚珠丝杠螺母副选取汉江机床厂提供的外循环双螺母凸出式双螺母对旋 预紧滚珠丝杠 关键词 半闭环控制 直线滚动导轨 滚珠丝杠螺母副 交流伺服电机 陕西理工学院毕业设计 论文 第 2 页 共 36 页 目目 录录 X716X716 数控铣床数控铣床 X X 向进给系统设计向进给系统设计 1 目目 录录 2 引引 言言 3 1 1 数控铣床概述数控铣床概述 4 1 11 1 数控机床的产生和发展数控机床的产生和发展 4 1 1 11 1 1 数控机床的产生数控机床的产生 4 1 1 21 1 2 数控系统的发展数控系统的发展 5 1 31 3 数控机床的发展趋势数控机床的发展趋势 9 1 41 4 数控铣床的主要功能及特点数控铣床的主要功能及特点 9 1 51 5 数控铣床的分类和应用 数控铣床的分类和应用 10 1 5 11 5 1 数控铣床的分类 数控铣床的分类 10 1 5 21 5 2 数控铣床的应用数控铣床的应用 10 2 2 数控铣床总体设计数控铣床总体设计 11 2 1 确定立式数控铣床的总体目标确定立式数控铣床的总体目标 11 2 2 确定机床的总体布局确定机床的总体布局 11 2 2 1 机床的运动分配机床的运动分配 11 2 2 2 机床结构布局机床结构布局 11 2 2 3 机械系统的传动 支承 导向方式机械系统的传动 支承 导向方式 12 3 X7163 X716 进给系统设计进给系统设计 12 3 1 铣削工件时铣削力的计算铣削工件时铣削力的计算 13 3 1 1 铣削抗力分析铣削抗力分析 13 3 1 2 进给工作台工作载荷计算进给工作台工作载荷计算 14 3 1 33 1 3 首先初步估算工作台的重量首先初步估算工作台的重量 15 3 1 43 1 4 铣削用量选择铣削用量选择 15 3 1 53 1 5 铣削力的计算铣削力的计算 16 3 2 导轨的设计与选型导轨的设计与选型 17 3 2 13 2 1 导轨概述导轨概述 17 3 2 23 2 2 滚动直线导轨副的计算滚动直线导轨副的计算 19 3 3 滚珠丝杠螺母副的选型与计算滚珠丝杠螺母副的选型与计算 21 3 3 13 3 1 滚珠丝杠螺母副概述滚珠丝杠螺母副概述 21 3 4 电机的设计选用电机的设计选用 27 3 5 进给传动系统的动态特性分析进给传动系统的动态特性分析 29 3 6 驱动电动机与滚珠丝杠的连接驱动电动机与滚珠丝杠的连接 31 陕西理工学院毕业设计 论文 第 3 页 共 36 页 参考文献参考文献 34 引引 言言 制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱 其发展水平标志着该国或 地区经济的实力 科技水平 生活水准和国防实力 国际市场的竞争归根到底 是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争 随着社会生产和科学技术的发展 机械产品的性能和质量的提高 产品的 更新换代也不断的加快 因此对机床不仅要求迅速适应产品零件的换代有教高 的精度和生产率 而且应有教高的精度和生产率 生产的需要促使数控机床的 产生 随着电子技术 特别是计算机技术的发展 数控机床迅速发展起来 数 控机床的进一步设计的必要性可以解决形状复杂小批零件的加工问题 稳定加 工质量和提高生产率 但是由于受其它条件的限制 例如价格 精度等问题 所以设计改造数控机床的进给系统是刻不容缓的 数控机床进给传动系统的设 计 其中包括进给系统的轴向负载计算 导轨的设计与选型 滚珠丝杠螺母副 的选型计算 进给传动系统的动态特性分析误差计算 驱动电动机的选型计算 驱动电动机与滚珠丝杠的连接等等 通过这次毕业设计 可以达到以下目的 1 培养综合运用专业基础知识和 专业技能来解决工程实际问题的能力 2 强化工程实践能力和意识 提高本人 综合素质和创新能力 3 使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基 本训练 提高工程绘图 计算 数据处理 使用计算机 使用文献资和手册 文 字表达等各方面的能力 4 培养正确的设计思想和工程经济观点 理论联系实 际的工作作风 严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神 陕西理工学院毕业设计 论文 第 4 页 共 36 页 1 1 数控铣床概述数控铣床概述 数控铣床是一种加工功能很强的数控机床 目前迅速发展起来的加工中心 柔性加工单元等都是在数控铣床 数控镗床的基础上产生的 两者都离不开铣 削方式 由于数控铣床工艺最复杂 需要解决的问题很多 因此 目前人们在 研究和开发数控系统及自动编程语言软件时 也一直把铣削加工作为重点 1 11 1 数控机床的产生和发展数控机床的产生和发展 随着社会生产和科学技术的迅速发展 机械产品日趋精密复杂 且要求频 繁改型 特别是在宇航 造船 军事等领域所需的机械零件 精度要求高 形 状复杂 批量小 加工这类产品需要经常改装或调整设备 普通机床或专用化 程度高的自动化机床一般 不能适应这些要求 为了解决上述问题 一种新型的 机床 数控机床应运而生 这种新型机床具有适应性强 加工精度高 加工 质量稳定和生产效率高等优点 他综合应用电子计算机 自动控制 伺服驱动 精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果 1 1 11 1 1 数控机床的产生数控机床的产生 世界上第一台成功研制的数控机床是一台三坐标的数控铣床 于 1952 年由 美国帕森斯公司和麻省理工学院合作完成 早在 1948 年 美国在研制加工直升 机叶片轮廓检查用样板的技工机床任务时 就提出了研制数控机床的初始设想 陕西理工学院毕业设计 论文 第 5 页 共 36 页 1949 年 在美国空军部门的支持下 帕森斯公司正式接受委托 与麻省理工学 院伺服机构实验室合作 开始从事数控机床的研制工作 经过三年时间的研究 于 1952 年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机 这是一台采用脉冲乘 法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床 其控制装置由 2000 多个电子管组成 占用一个普通实验室那么大 这台数控铣床的诞生 标志着机械制造的数字控 制时代的开始 1 1 21 1 2 数控系统的发展数控系统的发展 数控机床的发展是随着数控技术的发展而发展的 数控系统的发展经历了 电子管 分立式晶体管 小规模集成电路 大规模集成电路 小型计算机 超 大规模集成电路 微机式的数控系统等几个发展阶段 20 世纪 90 年代以来 数控系统朝着以通用微机为基础 体系结构开放和 智能化方向发展 以上的三代数控系统是由计算机硬件和软件组成 利用存储 器里的软件控制系统工作 因此称为 CNC 系统或软件控制系统 这种系统容易 扩大功能 柔性好 可靠性高 1 21 2 我国数控技术的发展概况我国数控技术的发展概况 1 2 11 2 1 数控技术再国民经济中的重要地位数控技术再国民经济中的重要地位 数控技术是用数字信息对机械运动和过程进行控制的技术 是 20 世纪后半 叶最重要 发展最快的工业技术之一 它以制造过程为对象 以信息技术为手 段 以数字坐标方式对运动部件进行位置控制为主要特征 为单件小批量生产 的自动化开辟了可行的技术途径 也为现代柔性制造技术奠定了重要的技术基 础 数控机床是以数控技术为代表的新技术对传统制造业和新兴制造业的渗透 形成的机电一体化产品 其技术覆盖很多领域 其中 精密机械制造技术 信 息处理 加工 传输技术 自动控制技术 伺服驱动技术 传感器及检测技术 和计算机技术是数控技术涵盖的主要领域 数控机床还是运用高新技术对传统 产业进行改进和提升的重要载体 以信息化带动工业化 实现社会生产力的跨越式发展 将在一定程度上取 决于数控机床的技术进步 它代表着装备工业的技术水平和现代化程度 而装 备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 数 陕西理工学院毕业设计 论文 第 6 页 共 36 页 控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业 如信息技术及其产业 生 物技术及其产业 航空航天等国防工业产业 的使能技术和重要装备 数控技 术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术 现在世界各国制造业广泛采用 数控技术 以提高制造能力和水平 提高对动态多变市场的适应能力和竞争能 力 此外 世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物 资 不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业 而且在 高 精 尖 数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策 总之 大力发展以数控 技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展 提高综合国 力和国家地位的重要 途径 1 2 21 2 2 我国数控机床的发展历程与成就我国数控机床的发展历程与成就 我国从 1958 年开始研究数控机床 一直到 20 世纪 60 年代中期还处于研制 开发时期 当时 一些高校和科研单位研制出的试验性样机 是从电子管数控 系统起步的 1965 年开始研制晶体管数控系统 从 20 世纪 70 年代起 数控技 术在车 铣 锉 磨 齿轮加工 电加工等领域全面展开 加工中心在上海 北京研制成功 但是 由于元器件的质量差和产品的制造工艺水平低等原因 数控系统的可靠性 稳定性未得到解决 未能广泛推广 在这一时期 数控线 切割机由于结构简单 使用方便 价格低廉 在模具加工中得到推广 直线控制 点位控制的数控车床 数控铣床和加工中心开始在生产中应用 20 世纪 80 年代 我国从日本 FANUC 公司引进了 3 5 6 7 等系列的数控系统和直流 伺服电动机 直流主轴伺服电动机等的制造技术 还引进了美国 GE 公司的 MCI 系统和交流伺服系统 德国 SIEMENS 公司的 VS 系列晶闸管调速装置 并进行了 商品化生产 这些系统功能齐全 可靠性高 得到了推广应用 推动了我国数 控机床的稳定发展 使我国的数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃 在这期间 我国在引进 消化国外技术的基础上进行了大量的开发工作 我国 数控机床的品种有了较大发展 品种不断增多 规格齐全 许多技术复杂的大 型数控机床 重型数控机床都相继研制出来 为了跟踪国外现代制造技术的发 展 北京机床研究所还研制出了 JCS FMS 1 型和 JCS FMS 2 型柔性制造单元和 柔性制造系统 改革开放近 30 年来 我国的数控机床产业取得了举世瞩目的成就 特别是 十五 期间 数控机床发展进人了快车道 国家有关部门的统计数字表明 陕西理工学院毕业设计 论文 第 7 页 共 36 页 十五 是我国机床工具行业发展最快的五年 2004 年 我国机床工具行业产 品销售收人 1 032 亿元 大约是 2000 年 507 亿元的 2 倍 平均年增长约 19 2004 年 全国金属切削机床产量为 39 万台 大约是 2000 年 17 万台的 2 3 倍 平均年增长约 23 写 机床工具行业的主导产品 数控机床的发展速 度远高于机床工具全行业的平均发展速度 国产数控金属切削机床年产量从 九五 计划末期的几千台 增加到 2001 年的 17 521 台 2002 年的 24 803 台 2003 年的 36 813 台 2004 年的 51 861 台 其中 2004 年的产量大约是 2000 年 产量的 3 7 倍 平均年增长约 39 金属加工机床产值数控化率从 2001 年的 26 2 提高到 2004 年的 32 7 形成了一批数控机床生产的主导企业 2004 年数控机床年产量超千台的企业有 14 家 其产量合计占全行业数控机床 总产量的 50 以上 其中数控机床产量最高的一家企业年产量达 6 000 多台 连续几年来数控机床产量快速上升 也带动了出口 2004 年全行业数控金属加 工机床出口 14 404 台 数控机床的年产量已经突破原国家经贸委发布的到 2005 年全国数控机床产量达到 25 000 30 000 台的奋斗目标 数控机床的品 种也从 九五 期间的 128 种发展到目前的 1 500 多种 国产数控机床产品大 部分达到了国际 20 世纪 90 年代初期或中期水平 为国家重点建设提供了一批 高水平的数控机床 不仅如此 十五 期间 我国在高端数控机床关键技术研究方面取得重大 突破 目前 我国在普及型数控机床技术上已经成熟 还基本掌握了多 五 坐标联动的关键技术 这不仅打破了国外的技术封锁 而且使该技术进人实用 性阶段 北京机电研究院为东方汽轮机厂开发的五轴联动加工中心 已在东方 汽轮机厂实际应用 不仅完全满足了汽轮机叶片加工质量的要求 而且其加工 效率可与进口机床的媲美 但其价格仅为进口机床的三分之一 复合加工技术 的研究也取得很大成绩 我国研制成功的五轴联动车铣复合加工中心 五轴五 面加工中心 双主轴车削中心等均已实现商品化 我国高速加工技术的研究与应用取得重要进展 其中在直线电动机应用技 术的研究方面 基本掌握了负载变化扰动 热变形补偿 隔磁和防护等部分关 键技术 填补了我国在直线电动机应用技术领域的空白 进一步缩短了与国外 的差距 此外 我国还完成了 10 000 18 000 r min 高速主轴单元的产品开发 和加工制造工艺的研究 并在国产加工中心上应用 超精密加工 亚微米 技 术和装备的研究也取得突破 北京机床研究所研制的超精密加工和纳米加工技 陕西理工学院毕业设计 论文 第 8 页 共 36 页 术与装备已达到世界领先水平 打破了国外对我国的技术封锁 目前 数控机床在我国国民经济的各行各业发挥着越来越重要的作用 数 控机床已经成为企业技术改造的首先设备之一 我国已经成为数控机床的生产 大国 消费大国和进口大国 国民经济各个行业需要大量数控机床的开发人才 和应用人才 1 21 2 3 3 我国数控机床发展存在的问题与对策我国数控机床发展存在的问题与对策 当前 国外数控技术发展很快 呈现出高速度 高精度 高可靠性 多轴 控制 工艺复合 集成化 智能化 网络化和环保化发展的态势 与国外数控 技术的发展相比 我国数控技术的发展仍然存在着较大差距 主要体现在以下 四个方面 1 在技术水平上 国外对加工中心的研究已经转向高速 精密 多轴 复 合 智能和环保等技术的研究 我国加工中心的总体技术水平与国外同类产品 的先进水平相比大约落后 10 15 年 在 高 精 尖 技术方面则更大 2 在产品结构上 高端市场 即高速 精密 多轴 复合加工中心市场 基本上被美国 日本和欧洲发达工业国家所垄断 国内开发的五轴联动数控机 床 复合加工中心 高速加工中心等产品 虽然已经投人使用 但多数产品与 商品化尚有一段距离 而且在技术水平和性能参数上与欧 美 日等地的产品 还有较大差距 低端市场 即普及型数控机床市场 受到周边的日本 韩国和 我国台湾地区产品的冲击较大 形成激烈竞争 多年来 国产数控机床产量小 进口产品量大的局面一直存在 3 产品开发能力上 国内生产企业缺乏对产品竞争前数控技术的深人研 究与开发 特别是对加工中心应用领域的拓展力度不强 集中体现在 产品开 发能力较弱 对产品标准规范的研究 制定滞后 技术创新能力不强 导致开 发出的产品技术先进性不明显 市场针对性不强 缺乏市场竞争力 4 产业化水平上 市场占有率低 品种覆盖率小 从总体上看 加工中 心还没有形成规模生产 功能部件专业化生产水平及配套能力较低 产品质量 不高 主要体现在可靠性不高 商品化程度不足 关键功能部件没有自己配套 的主渠道 数控系统的推广应用还不够等等 这些问题已经引起了国家有关部门的高度重视 并正在采取措施加以改进 2006 年 6 月 国务院发布了 关于加快振兴装备制造业的若干意见 以下简 称 意见 装备制造业得到了国家前所未有的重视 意见 将在三个方面重 陕西理工学院毕业设计 论文 第 9 页 共 36 页 点下四点 第一 加快开发高档数控机床品种 缩短与世界先进水平的差距 提升我 国机床工具行业整体水平 对市场急需的高档数控机床品种 要集中力量 重 点突破 加大科技投人 加强基础研究和开发研究 提高原始创新和集成创新 能力 掌握一批高档数控关键产品开发的核心技术 推出一批高档数控机床品 种 满足重点用户急需 精心培育高档数控机床市场 第二 积极促进功能部件产业化 培育一批功能部件的龙头企业 加大政 策支持力度 重点发展高档数控系统 高速主轴单元 精密滚动功能部件 动 力刀架 精密转台 高速导轨防护装置等高水平的功能部件 加快产业化进程 培育国产品牌 实现功能部件与数控机床同步发展 第三 进一步发展普及型数控机床 我国普及型数控机床技术已经成熟 产业化迫在眉捷 急需进一步提高可靠性和质量 及时供应市场 提高产业集 中度 实现稳定 可靠 快速地满足市场 以提高制造能力和生产集中度为重 点 支持骨干企业快速发展 第四 努力提高国产数控机床市场占有率 是 十一五 期间行业发展的 重中之重 要从质量 可靠性 服务等方面入手 创品牌 扩市场 挡进口 争出口 争取在五年内使国产数控机床国内市场占有率有较大提高 意见 切中了我国数控机床发展中的关键问题 为发展国产数控机床提 供了良好的政策环境 毫无疑问 随着 意见 的贯彻实施 多年来困扰我国 机床工具行业发展的数控机床产业化和自主开发能力偏低的问题 将得到一定 程度的解决 国产数控机床在国内市场占有率长期不高的局面将被扭转 高等 学校作为国家各类人才的培养基地 为装备制造业培养急需的数控机床开发与 应用人才 是义不容辞的责任 1 31 3 数控机床的发展趋势数控机床的发展趋势 随着科学技术的发展 制造技术的进步 以及社会对产品质量和品种多样 化的要求越来越强烈 中 小批量生产的比例明显增加 要求现代数控机床成 为一种精密 高效 复合 集成功能和低成本的自动化加工设备 同时 为了 满足制造业向更高层次发展 为柔性制造单元 柔性制造系统 以及计算机集 成制造系统提供基础设备 也要求数控机床向更高水平发展 当前 数控机床 技术呈现如下发展趋势 1 高精度化 2 运动高速化 3 柔性化 陕西理工学院毕业设计 论文 第 10 页 共 36 页 4 高自动化 5 高可靠性 6 智能化 7 复合化 8 网络化 9 开放式体系结构 1 41 4 数控铣床的主要功能数控铣床的主要功能及特点及特点 数控铣床的可分为立式 卧式和立卧两用式数控铣床 各种铣床适用的数 控系统不同 其功能也不尽相同 除各有其特点之外 常具有下列主要功能 点位控制功能 连续轮廓控制功能 刀具半径自动补偿功能 刀 具长度补偿功能 镜像加工功能 固定循环功能 特殊功能 具备自适应功能的数控铣床可以在加工过程中把感受到的切削状况的变化 通过适应性控制系统及时控制机床改变切削用量 使铣床及刀具始终保持最佳 状态 从而可获得较高的切削效率和加工质量 延长刀具使用寿命 数控铣床的主要特点 1 高柔性及工序复合化 2 加工精度高 3 生产效率高 4 减轻操作者的劳动强度 1 51 5 数控铣床的分类和应用 数控铣床的分类和应用 1 5 11 5 1 数控铣床的分类 数控铣床的分类 按运动方式分 1 点位控制数控铣床 2 直线控制数控铣床 3 轮 廓控制数控铣床 按控制方式分 1 开环控制数控铣床 2 闭环控制数控铣床 3 半闭环 控制数控铣床 按主轴的布局形式分 1 立式数控铣床 2 卧式数控铣床 3 立卧 两用式数控铣床等等 1 5 21 5 2 数控铣床的应用数控铣床的应用 数控铣床主要用于加工平面和曲面轮廓的零件 还可以加工复杂型面的零 件 样板 模具 螺旋槽等 同时也可以进行钻 扩 铰 锪和镗孔的加工 但因数控铣床不具自动换刀功能 所以不能完成复杂孔的加工 数控铣床主要 应用于汽车制造业 模具制造业 机床制造业 航空航天业 造船业 军事工 业及其他行业 陕西理工学院毕业设计 论文 第 11 页 共 36 页 2 2 数控铣床总体设计数控铣床总体设计 2 1 确定立式数控铣床的总体目标确定立式数控铣床的总体目标 本课题设计的立式数控铣床可以铣削平面和沟槽 也可加工空间曲面 若 将铣刀换成钻头或绞刀 则可加工光孔或螺纹孔 铣床主要技术参数如下 工作台工作面尺寸 长 宽 900mm 600mm 工作台 X 向最大行程 630mm 工作台 Y 向最大行程 400mm 工作台 T 型槽数 3 工作台 T 型槽宽 18mm 工作台 T 型槽间距 90mm 快速移动速度 X Y 轴 20m min 最小分辨率 0 001mm 定位精度 0 015mm 重复定位精度 0 006mm 2 2 确定机床的总体布局确定机床的总体布局 陕西理工学院毕业设计 论文 第 12 页 共 36 页 2 2 1 机床的运动分配机床的运动分配 本课题拟解决问题的思路是参照 XK7132 型立式铣床和 TH5632C 型立式加工 中心机床的总体布局 机械传动部分 进行优化组合 设计出精度高 灵活性 强的立式数控铣床 由于工作台尺寸较大 可加工较重或尺寸较高的工件 故 机床运动分配如下 主运动 刀具的旋转运动 进给运动 工作台 X Y 方向的 进给运动和铣刀头带着刀具 Z 方向的垂直进给运动 2 2 2 机床结构布局机床结构布局 本机床采用床身框式立柱的 L 型结构形式 主轴箱装在框式立柱中间 设计成对称形结构 框式立柱布局要比单立柱少承受一个扭转力矩和一个弯曲 力矩 因而受力后变形较小 有利于提高加工精度 框式立柱布局的受热与热 变形是对称的 因此 热变形对加工精度的影响小 Y 向滑座相对于机床床身作进给运动 X 向座相对于 Y 向作进给运动 工作 台固定在 X 向座上 工作台不做垂直方向运动 主轴箱沿框式立柱在沿垂直 导轨上下移动 由于机床尺寸较大 为了方便操作者的操作与观察 将人机 界面设置为吊挂按钮站 2 2 3 机械系统的传动 支承 导向方式机械系统的传动 支承 导向方式 1 机床进给系统传动方案 机床 X Y 方向进给系统分别采用交流伺服电机驱动 通过电机与滚珠丝杠 直接相连 将旋转运动转化为直线进给运动其传动的机械装置如图 2 1 所示 这种传动方案采用负载能力强的交流伺服电机 直接通过丝杠带动工作台进给 传动链短 刚度大 传动精度高 是现代数控机床进给传动的主要组成形式 图 2 1 进给传动的机械装置 2 机床进给系统的支承 导向方式 陕西理工学院毕业设计 论文 第 13 页 共 36 页 X 方向进给系统由 Y 方向进给系统支承 采用一端固定 一端支撑的方式 支承 固定端选用一对背对背安装的角接触球轴承 支撑端选用一对深沟球轴 承 本机床属于中型机床 导向方式采用矩形导轨 矩形导轨承载能力高 制 造方便 本设计选用线性滚动导轨 3 3 X716X716 进给系统设计进给系统设计 在现代数控机床中 为得到高速下的平稳运行 并具有较高的定位精度且 防止爬行 要求进给系统中的机械传动装置和元件具有较高的灵敏度 低摩擦 阻力和动 静摩擦系数之差以及高寿命等特点 而滚动导轨和滚珠丝杠螺母副 能较好的满足这些要求 因此本工作台的设计采用了滚动导轨加滚珠丝杠螺母 副的组合 3 1 铣削工件时铣削力的计算铣削工件时铣削力的计算 3 1 1 铣削抗力分析铣削抗力分析 铣削运动的特征 主运动为铣刀绕自身轴线高速旋转 进给运动为工作台 带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给 铣键槽时 可使键槽铣刀沿轴线进 给 铣刀的类型很多 但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式 圆柱铣刀和端铣刀 的切削部分都可以看做车刀刀头的演变 铣刀的每一个刀齿相当于一把车刀 它的切削基本规律与车削相似 所不同的是铣刀回转 刀齿数多 通常假定铣削时铣刀受到的铣削抗力是作用在刀齿某点上 如图 1 所示 设刀齿上受到铣削抗力的合力为 F 将 F 沿铣刀轴线 径向和切向进行分解 则 分别为轴向铣削力 F 径向铣削力 F 和切向铣削力 F 二 切向铣削力 F 二是 沿铣刀主运动方向的分力 它消耗铣床主电动机功率 即铣削功率 最多 因 此 切向铣削力 F 二可按铣削功率 kW 或主电动机功率 kw 算出 PEPE N v N v m E z m z P F P F 10 10 3 3 陕西理工学院毕业设计 论文 第 14 页 共 36 页 式中 v 机床主轴的计算转速 主轴传递全部功率时的最低切削速度 m s m 机床主传动系统的传动效率 一般取 m 0 8 图 3 1 铣削抗力及工作台上的载荷 3 1 2 进给工作台工作载荷计算进给工作台工作载荷计算 作用在进给工作台上的合力 F 与铣刀刀齿受到的铣削抗力 F 的合力大小 相同 方向相反 如图所示 合力 F 就是设计和校核工作台进给系统时要考 虑的工作载荷可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力 工作台纵向进给方 向载荷 F1 工作台横向进给方向载荷 Fc 工作台垂直进给方向载荷 Fv 进给工作台的工作载荷 F1 Fc 和 Fv 与切向铣削力 Fz 之间有一定的经验 比值 见表 1 因此 计算出 Fz 后 即可计算出进给工作台的工作载荷 F1 Fc 和 Fv 表 3 1 工作台工作载荷与切向铁削力的经验比值 从图 2 3 可知 圆柱铣削时 为待加工表面与已加工表面之间的垂直距离 ae 陕西理工学院毕业设计 论文 第 15 页 共 36 页 端铣时 恰为工件宽度 不是待加工表面与已加工表面之间离 ae 图 3 2 顺铣与逆铣 图 3 2 表示圆柱铣的顺铣和逆铣的不同方式 顺铣时 纵向进给方向载荷 F1 与进给方向一致 垂直进给方向载荷 Fv 向下 逆铣时方向相反 图 3 2 表示对称端铣和不对称端铣 对称端铣分有顺铣和逆铣之分 在表 1 中 d 表示圆柱铣刀直径或端铣刀直径 mm 表示每齿进给量 af mm 齿 即铣刀每转一个齿间角时工件与铣刀的相对移动量 每齿进给量 af 每转进给量 f 和工作台的进给速度 三者之间的关系为 vf mm minZn av ff 式中 Z 铣刀齿数 n 铣刀转速 r min 3 1 33 1 3 首先初步估算工作台的重量首先初步估算工作台的重量 首先要初步估算工作台的重量及铣削工件的最大切削力才能进行设计 X 轴方向移动的工作台尺寸 长 宽 高为 80 重量约为 3 mm 3302 2N 最大行程 630mm Y 轴方向移动的工作台尺寸 长 宽 高为 300 300 80 重量约 3 mm 为 550 368N 最大行程 400mm 设夹具及工件的质量约为 200Kg 重量约为 1960N 则 XY 工作台总质量约为 480 83kg 总重量约为 5812 573N 包括夹具及工 件 陕西理工学院毕业设计 论文 第 16 页 共 36 页 3 1 43 1 4 铣削用量选择铣削用量选择 铣削用量选择原则 首先应尽可能取较大的切削深度及切削宽度然后 p a e a 尽可能取较大的每齿进给量 最后才尽可能取较大的铣削速度 粗铣时余 f av 量大 加工要求低 主要考虑铣刀的耐用度及铣削力的影响 而精铣时余量小 加工要求高 主要考虑加工质量的提高 1 铣削深度的选择 p a 1 当工件表面要求的光洁度为时 通常铣削无硬皮的钢料时 3 铣削铸钢或铸铁时 3 5 p amm 5 7 p amm 2 当工件表面要求的光洁度为时 可分粗铣 半精铣 两步铣削 4 5 粗铣后留余量 0 5 1 0mm 3 当工件表面要求的光洁度为时 可分粗铣 半精铣 精铣三步6 7 铣削 半精铣 精铣左右 1 5 2 0 p amm 0 5 p amm 2 每齿进给量的选择 f a 当铣削深度选定后 尽可能取较大的每齿进给量 粗铣时限制每齿进 p a f a 给量的是铣削力及铣刀容屑空间的大小 当工艺系统刚性俞好及铣刀齿数愈 f a 少时 可取得愈大 半精铣及精铣时限制每齿进给量的是工件表面光洁度 f a f a 光洁度要求愈高 应俞小 f a 3 1 53 1 5 铣削力的计算铣削力的计算 铣床通常用于铣削平面和沟槽 铣刀又分为圆柱铣刀 立铣刀 盘形铣刀 端铣刀 半圆弧铣刀 T 形槽铣刀 其中用立铣刀铣削沟槽时的铣削力最大 故 按用立铣刀铣削沟槽时计算铣削力 铣削力与铣刀材料 铣刀类型 工件材料的硬度 铣削宽度 铣削深度 每齿 进给量 铣刀直径 铣刀齿数有关 可按 金属切削原理及应用 中的公式进 行计算 2 012 0 3 1 0 0 175 0 1 1 6082581 9 nZdaaaF pfez 铣削沟槽时采用粗齿高速钢立铣刀 按工件材料为的 2 75 b 公斤力毫米 碳钢来设计 查 金属切削手册 选择铣削用量为铣刀直径 铣刀mmd100 0 齿数 铣削宽度 每齿进给量 铣削深度6 Zmmae60 mmaf18 0 铣刀的切削速度 zmmap 18 0 smmv 7 3min 222 陕西理工学院毕业设计 论文 第 17 页 共 36 页 采用端面铣刀在主轴上的计算转速下进行强力切削 主轴具有最大扭矩 并能 传递主电动机的全部功率 由得 Dnv sr D v n 121010014 3 7 3 3 故NFz498360121006518 0 6082581 9 2 012 0 3 10 175 0 1 1 主切削力分解到 Y 方向上的分力是 NFF zc 4734489395 0 95 0 3 2 导轨的设计与选型导轨的设计与选型 3 2 13 2 1 导轨概述导轨概述 导轨主要用来支撑和引导运动部件沿一定的轨道运动 在导轨副中 运动 的一方称为动导轨 不动的一方称为支承导轨 动导轨相对于支承导轨运动 通常作直线运动和回转运动 1 对导轨的要求 1 导向精度高 导向精度主要是指导轨沿支承导轨运动的直线度和圆度 影响导向精度的 主要因素有导轨的几何精度 导轨的接触精度 导轨的结构形式 动导轨及支 承导轨的刚度和热变形 还有装配质量 导轨的几何精度综合反映在静止或低速下导轨的导向精度 直线运动导轨 的检验内容主要是 导轨在垂直平面内的直线度 导轨在水平平面内的直线度 在水平面内两条导轨的平行度 例如 导轨全长为 20 m 的龙门刨床 其直线度 误差为 0 02 1 000 在导轨全长范围内为 0 08 mm 圆周运动导轨几何精度的 检验内容与主轴回转精度的检验方法相类似 用导轨回转时端面跳动和径向跳 动表示 例如 最大切削直为 4m 的立车 其允差规定为 0 05 mm 2 耐磨性好及寿命长 导轨的耐磨性决定了导轨的精度保持性 动导轨沿支承导轨长期运行会引 起导轨的不均匀磨损 破坏导轨的导向精度 从而影响机床的加工精度 例如 卧式车床的铸铁导轨 若结构欠佳 润滑不良或维修不及时 贝 靠近床头箱 一段的前导轨 每年磨损量达 0 2 0 3mm 这样就降低了刀架移动的直线度及 陕西理工学院毕业设计 论文 第 18 页 共 36 页 对主轴的平行度 加工精度也就下降了 与此同时 也增加了溜板箱中开合螺 母与丝杠的同轴度误差 加剧了螺母与丝杠的磨损 3 足够的刚度 导轨要有足够的刚度 保证在载荷作用下不产生过大的变形 从而保证各 部件间的相对位置和导向精度 4 低速运动的平稳性 在低速运动时 作为运动部件的动导轨易产生爬行 进给运动的爬行将提 高被加工表面的表面粗糙度值 故要求导轨低速运动平稳 不产生爬行 这对 于高精度的机床尤其重要 5 工艺性好 设计导轨时 要注意到制造 调整和维护的方便 力求结构简单 工艺性 和经济性好 2 对导轨的技术要求 1 导轨的精度要求 滑动导轨 不管是 V 一平型还是平一平型 导轨面的平面度通常取 0 01 0 015 mm 长度方向的直线度通常取 0 005 0 01 mm 侧导向面的直线度取 0 01 0 015 mm 侧导向面之间的平行度取 0 01 0 015mm 侧导向面对导轨底 面的垂直度取 0 005 0 01mm 镶钢导轨的平面度必须控制在 0 005 0 01 mm 以下 其平行度和垂直度控制在 0 01mm 以下 2 导轨的热处理 数控机床的开动率普遍都很高 这就要求导轨具有较高的耐磨性 以提高 其精度保持性 为此 导轨大多需淬火处理 导轨淬火的方式有中频淬火 超 音频淬火 火焰淬火等 其中用的较多的是前两种方式 铸铁导轨的淬火硬度 一般为 50 55 HRC 个别要求 57 HRC 淬火层深度 规定经磨削后应保留 1 0 1 5 mm 镶钢导轨 一般采用中频淬火或渗氮淬火方式 淬火硬度为 58 62 HRC 渗氮层厚度为 0 5 mm 2 导轨的类型和特点 导轨的分类方法有多种 按运动轨迹可以分为直线导轨和圆导轨 按工作 性质可分为主运动导轨 进给导轨和调整导轨 按受力情况可以分为开式导轨 和闭式导轨 按摩擦性质可以分为滑动导轨和滚动导轨 下面首先介绍直线滑 陕西理工学院毕业设计 论文 第 19 页 共 36 页 动导轨的有关内容 1 直线滑动导执的截面形状 直线滑动导轨有若干个平面 从制造 装配和检验来说 平面的数量应尽 可能少 常用的直线滑动导轨的截面形状有矩形 三角形 燕尾形和圆形 各个 平面所起的作用也各不相同 在矩形导轨和三角形导轨中 M 面主要起支承作用 N 面是保证直线移动精度的导向面 J 面是防止运动附件抬起的压板面 在燕尾 形导轨中 M 面起导向和压板作用 J 面起支承作用 根据支承导轨的凹凸状态 又可以将导轨分成凸形导轨和凹形导轨 其中 凸三角形导轨称为山形导轨 凹三角形导轨称为 v 形导轨 凸形导轨不易存储 润滑油 但易清除导轨面的切屑等杂物 凹形导轨易存储润滑油 但易落人切 屑和杂物 必须设防护装置 3 2 23 2 2 滚动直线导轨副的计算滚动直线导轨副的计算 1 作用于滚动直线导轨副的载荷计算 由于滚动直线导轨副的特殊结构 使其具有垂直向上 向下 左右和水平 四个方向额定载荷相等 且额定载荷大 刚性好 三个方向抗颠覆力矩能力大 的特点 滚动导轨受力分析见图 3 3 下层工作台的承载重约为5812 573N w 0123 180 300 50 95Lmm Lmm Lmm Lmm 2 L 3 L 1 L 0 L 3 L W 12CC PP 34CC PP 4 1 3 陕西理工学院毕业设计 论文 第 20 页 共 36 页 图 3 3 滚动导轨受力分析图 3 6 32 1 01 422 c LLWWW p LL 3 7 32 2 01 422 c LLWWW p LL 3 8 32 3 01 422 c LLWWW p LL 3 9 32 4 01 422 c LLWWW p LL 将已知数据代入上式得 1 1150195 5812 5731340 1 421802300 c pN 2 1150195 5812 573274 5 421802300 c pN 3 1150195 5812 5731566 16 421802300 c pN 4 1150195 5812 5733180 77 421802300 c pN 载荷成分段变化 其计算载荷 c p 3 10 333 1122 3 nn c p Lp Lp L p L 式中 对应行程内的载荷 n p 分段行程 n L 全行程等于 L n L 3 333 3 1340 1274 51566 163180 77400 1600 3375 193 375 c p NKN 陕西理工学院毕业设计 论文 第 21 页 共 36 页 2 滚动直线导轨副的额定寿命 1 额定寿命的计算公式为 3 1 3 50 htca c ffffC L fp 式中 L 额定寿命 C 额定动载荷 计算载荷 c p 温度系数 取 1 0 t f 接触系数 取 0 81 c f 精度系数 取 1 0 a f 载荷系数 取 1 5 f 硬度系数 取 1 0 h f 2 寿命时间的计算 当行程的长度一定 以小时为单位的额定寿命 3 12 3 10 260 h L L nl 式中 行程长度 l L 额定寿命 每分钟往复次数 n 3 13 3 20 50 min 400 10 v n l 次 一般情况下 滚动直线导轨副预期寿命取 20000 小时 则 3 14 333 260102 50 0 4 60 20 101048 h LnlLkm 由 3 50 htca c ffffC L fp 得 3 15 3 50 t c hac fpL C ffff 取 则 1 0 0 81 1 0 1 5 1 0 tcah fffff 33 481 5 3 375 6 25 50501 0 1 0 0 81 1 0 t c hac fpL CKN ffff 陕西理工学院毕业设计 论文 第 22 页 共 36 页 查汉江机床公司生产的 HJ D 系列线性滚动导轨产品样本 其 HJ D 系 列中 DA20A 型滚动导轨 C 1260kgf 12 348KN 满足要求 3 3 滚珠丝杠螺母副的选型与计算滚珠丝杠螺母副的选型与计算 3 3 13 3 1 滚珠丝杠螺母副概述滚珠丝杠螺母副概述 数控机床给传动系统中 将旋转运动转化为直线运动的方法很多 采用滚 珠丝杠螺母副是常用的方法之一 1 滚珠丝杠螺母副及工作原理及特点 1 滚珠丝杠螺母副工作原理 滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置其结构 如图 3 4 所示 在丝杠 3 和螺母 1 上都有半圆弧半圆弧形的螺旋槽 当它们套 装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道 螺母上有滚珠的回路管道 4 将几圈螺旋 滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道 并在滚道内装满滚珠 2 当丝杠旋转 时 滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动 因而迫使螺母 或滚珠丝杠 轴向 移动 2 滚珠丝杠螺母副的特点 1 传动效率高 摩擦损失小 滚珠丝杠图 4 滚珠丝杠螺母副的结构原理 螺母副的传动效率为 0 92 0 96 比普通丝杠 梯形丝杠 高 3 4 倍 因此 功率消耗只相当于普通丝杠的 1 4 1 3 2 若给予适当预紧 可以消除丝杠和螺母之间的螺纹间隙 反向时还 陕西理工学院毕业设计 论文 第 23 页 共 36 页 可以消除空载死区 从而使丝杠的定位精度高 刚度好 3 运动平稳 无爬行现象 传动精度高 4 具有可逆性 既可以从旋转运动转换成直线运动 也可以从直线运 动转换成旋转运动 也就是说 丝杠和螺母都可以作为主动件 5 磨损小 使用寿命长 6 制造工艺复杂 滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高 表面粗 糙度也要求高 故制造成本高 7 不能自锁 特别是垂直安装的丝杠 由于其自重和惯性力的作用 下降时当传动吻断后 不能立即停止运动 故需要增加制动装置 3 3 23 3 2 滚珠丝杠螺母副的选型与计算滚珠丝杠螺母副的选型与计算 1 滚珠丝杠精度选择 1 滚珠丝杠的精度等级 国家标准 GB T 17587 3 1998 将滚珠丝杠分为定位滚珠丝杠副 P 型 和 传动滚珠丝杠副 T 型 两大类 滚珠丝杠的精度等级分为 7 个等级 即 1 2 3 4 5 7 10 级 1 级精度最高 依次降低 1 滚珠丝杠副的精度指标如下 2二行程内允许的行程变动量 V p 2 300mm 行程内允许的行程变动量 V p300 有效行程内的目标行程公差 Luep 有效行程内允许的行程变动量 LuVup 有效行程内的补偿值 C 滚珠丝杠副各项精度指标的关系如图 3 5 Lu 所示 陕西理工学院毕业设计 论文 第 24 页 共 36 页 图 3 5 滚珠丝杠副各项精度指标的关系 2 2 弧度内行程变动量和任意行程内行程变动量参见表 3 V p 2Vp300 表 2 2弧度内行程变动量和任意 300mm 行程内行程变动量 单位 V p 2Vp300 m 3 有效行程内的目标行程公差 e 和允许的行程变动量 V up 参见表 2 Lu 表 3 有效行程内的目标行程公差 和允许的行程变动 单位 LuepVup m 2 滚珠丝杠的精度选择 根据 JB GQ 1140 1989 的规定 坐标轴的反向值主要取决于该坐标轴的摩 擦死区误差乙值的大小 而定位误差一是取决于滚珠丝杠自身的螺距误差的影 响 二是取决于由传动系统刚度变化产生弹性变形而引起的定位误差 6k 的影响 因此 坐标轴的摩擦死区误差公值 滚珠丝杠自身的螺距误差和由传动系统刚 度变化产生弹性变形而引起的定位误差 始终是滚珠丝杠的精度选择的依据 而对滚珠丝杠精度进行的种种计算都是为了求出 值而展开的 一般情况下 滚珠丝杠的精度选择按以下公式计算 陕西理工学院毕业设计 论文 第 25 页 共 36 页 1 对于在开环系统中使用的滚珠丝杠 有 8 0 300 e V pp 8 0 V e upp 2 对于在半闭环系统或可以进行行程补偿的开环系统中使用的滚珠丝杠 有 0 8 V p300 0 8 ep 式中的定位精度是指机床各坐标轴的定位精度值 为已知条件 根据上述 两式可以计算出滚珠丝杠的和 值 然后可以根据表 2 20 和表 2 V p300epVup 21 来确定滚珠丝杠的精度等级 2 滚珠丝杠螺母副支承方式及轴承的选择 为了满足数控机床进给系统高精度 高刚度的需要 除了应该采用高精度 高刚度热 滚珠丝杠螺母副外 还必须充分重视支承的设计 应注意选用轴向 刚度高 摩擦力矩小 运转精度高的轴承 同时选用合适的支承方式 并保证 支承座有足够的刚度 1 滚珠丝杠螺母副支承方式的选择 支承的作用是限制两端固定轴的轴向窜动 较短的滚珠丝杠或竖直安装的 滚珠丝杠 可以一端固定一端自由 无支承 水平安装的滚珠丝杠较长时 可 以一端固定一端游动 用于精密和高精度机床 包括数控机床 的滚珠丝杠副 为了提高滚珠丝杠的拉压刚度 可以两端固定 为了减少滚珠丝杠因自重下垂 和补偿热膨胀 两端固定的滚珠丝杠还可以进行预拉伸 滚珠丝杠的支承结构形式可以分为三种类型 见表 3 4 表 3 4 中 自 由 代号 O 指的是无支承 游动 代号 S 指的是径向有约束 轴向无 约束 例如装有深沟球轴承 圆柱滚子轴承 固定 代号 F 指的是 径向和轴向都有约束 例如装有双向推力球轴承与深沟球轴承的组合轴承 角 接触球轴承和圆锥滚子轴承 一般情况下 应将固定端作为轴向位置的基准 尺寸链和误差计算都由此 开始 并尽可能以固定端为驱动端 表 3 4 滚珠丝杠的支承结构形式 陕西理工学院毕业设计 论文 第 26 页 共 36 页 2 所用轴承的选择 由于滚珠丝杠轴承所受载荷主要是轴向载荷 径向除丝杠的自重外 一般 无外载荷 因此 对滚珠丝杠轴承的要求是轴向精度和轴向刚度要高 另外 丝杠转速一般不会很高 或高速运转的时间很短 因此发热不是主要问题 数 控 机床进给系统要求运动灵活 对微小的位移 丝杠微小的转角 要响应灵 敏 因此所用轴承的摩擦力矩要尽量低 陕西理工学院毕业设计 论文 第 27 页 共 36 页 滚珠丝杠所用轴承的类型根据滚珠丝杠螺母副支承方式的不同而不同 一 般情况下 游动轴承多用深沟球轴承 表 3 5 是一些轴承的特点比较 表 3