弧齿锥齿轮数控铣齿机设计7

河南科技大学毕业设计说明书I弧齿锥齿轮数控铣齿机床鞍的设计摘要弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮具有重迭系数大，承载能力高，传动平稳，噪音低，对安装误差敏感性低等优点，被广泛应用于飞机、车辆、机床和各种机械产品中。而准双曲面齿轮普遍应用于汽车的驱动桥主减速传动汽车用准双曲面齿轮全球年需求量在几亿对左右，国内年需求量也十分可观，在千万对以上。因而弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮的设计与制造在机械行业中占有相当重要的地位。由于其齿面的复杂性，其设计和制造也具有较高的难度。但随着数控技术的发展，传统的机械式铣齿机将逐渐被数控铣齿机所取代，这将为弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮的制造提供更广阔的发展空间。近几年，国内对弧齿锥齿轮加工技术的研究取得了很大进展，尽管国内有多家企业研制开发了不同系列的弧齿锥齿轮数控加工机床，但是其控制系统都是采用SIEMENS、FANUC等国外高档数控系统，使得国内在弧齿锥齿轮设计、加工等方面仍然受制于国外少数垄断企业，严重制约着我国制造业水平的提高。本文通过对弧齿锥齿轮的齿面特征的研究，按照其齿面加工的原理及方法，结合国内外可以了解的铣齿机的机构特征，完成床鞍和滑台设计。关键词弧齿锥齿轮,铣齿机,床鞍,滑台河南科技大学毕业设计说明书IITHEHHHDESIGNGGGOFOOOSADDLEOFOOOSPIRALBEVELGEARGGGCNCMILLINGGGGMACHINEHHHTOOLOOOOOOABSTRACTSPIRALBEVELANDHYPOIDGEARSHAVEMANYADVANTAGESINTRANSMISSIONASHIGHCONTACTRATIONANDLOADCAPACITY,SMOOTHTRANSMITTING,LOWERSENSITIVITYTOERRORSOFINSTALLATION,LOWNOISYANDSOONTHEYAREWIDELYUSEDINAIRPLANES,AUTOMOTIVEVEHICLES,MACHINETOOLSANDALOTOFKINDSOFMACHINESALSOHYPOIDGEARSAREUSEDINTHETRUNKTRANSMISSIONOFAUTOMOBILESTHEIRREQUIREMENTSUSEDINAUTOMOBILESTRANSMISSIONEVERYYEARHAVESEVERALBILLIONSINTHEWORLD,ANDTHEDOMESTICREQUIREMENTSAREALSOMORETHANATENMILLIONASARESULT,THEDESIGNANDMANUFACTURINGOFSPIRALBEVELANDHYPOIDGEARSOCCUPYANIMPORTANTPOSITIONINTHEMACHINERYMANUFACTURINGAREAWITHCOMPLEXOFTOOTHSURFACEFORM,ITISVERYDIFFICULTYFORTHEDESIGNANDPRODUCTIONOFSPIRALBEVELANDHYPOIDGEARSWITHTHEDEVELOPMENTOFTHECOMPUTERCONTROLTECHNOLOGY,THECONVENTIONALMACHINETOOLSOFGEARMILLINGWITHCOMPLEXMECHANISMANDADJUSTMENTISTENDTOBEREPLACEDBYCNCMACHINETOOLS,WHICHWILLPROVIDETHEMOREFREEDEVELOPINGSPACEFORTHEMANUFACTURINGOFSPIRALBEVELANDHYPOIDGEARSINRECENTYEARS,THERESEARCHOFSPIRALBEVELGEARMANUFACTURINGTECHNOLOGYINOURCOUNTRYHASACHIEVEDGREATDEVELOPMENTWHILEDOMESTICENTERPRISESHAVEDEVELOPEDSEVERALDIFFERENTSERIESOFSPIRALBEVELGEARNCMACHINES,THECONTROLKERNELISTHEFOREIGNNCSYSTEMS,SUCHASSIEMENS,FANUCANDSOONITMAKESTHATTHEDOMESTICSPIRALBEVELGEARDESIGN,MANUFACTURINGANDOTHERAREASISSTILLSUBJECTTOFEWNUMBEROFFOREIGNMONOPOLIES,SERIOUSLYHINDERINGOURMANUFACTURINGDEVELOPMENTBASEDONTHERESEARCHABOUTTOOTHSURFACEOFSPIRALBEVELGEAR,ACCORDINGTO河南科技大学毕业设计说明书IIITHEPRINCIPLEANDMETHODOFTHETOOTHSURFACEMACHINING,COMBININGTHEINSTITUTIONALCHARACTERISTICSOFMILLINGMACHINEATHOMEANDABROADWHICHCANBEUNDERSTAND,COMPLETINGTHESADDLEANDSLIDEDESIGNKEYKKKWORDSSPIRALBEVELGEAR，MILLINGMACHINE，SADDLE，SLIPWAY河南科技大学毕业设计说明书IV目录前言1第1章绪论211弧齿锥齿轮加工机床国内外发展概况2111国外数控弧齿锥齿轮铣齿机发展概况2112国内数控弧齿锥齿轮铣齿机发展概况212研究的目的与意义413数控弧齿锥齿轮铣齿机加工原理与方法4131弧齿锥齿轮加工方法概述4132弧齿锥齿轮的加工原理6第2章数控铣齿机的总体结构821数控铣齿机总体布局8211数控铣齿机机械结构的组成922数控铣齿机机械结构要求9第3章滑鞍传动装置的设计计算1131滑鞍传动装置的总体设计11311数控铣齿机对进给装置的要求11312数控铣齿机进给装置的设计1132滚珠丝杠螺母副的设计12321滚珠丝杆副简介12322滚珠丝杠螺母副的设计1433滚珠丝杠螺母副的校核1734滚珠丝杠的支承方式及轴承的选择20341滚珠丝杠支承方式的选择20342轴承的选择20343滚珠丝杠使用的注意事项2135伺服电机的选择21河南科技大学毕业设计说明书V351交流伺服电动机的运行特点21352交流伺服电动机的型号选择2236联轴器的选择2437导轨的设计选择26371导轨的简介26372导轨的选用27第4章底座、滑鞍及回转板的设计3241底座的设计3242滑鞍的设计3243回转板的设计33结论35参考文献37致谢38河南科技大学毕业设计说明书1前言弧齿锥齿轮以其良好的动态性能，在机械行业中占有相当的地位，其设计和制造技术从问世以来一直是制造业的难点和热点。弧齿锥齿轮具有传动重合度大、承载能力高、传动效率高、传动平稳、噪声低等优点，广泛应用于各种高速重载的相交轴传动中，特别在车辆、航空、矿山机械、机床等机械行业应用十分广泛。弧齿锥齿轮实现高速、高效、高精度、数控化和柔性化加工，是其发展的方向。数控铣齿机是一种高自动化、高柔性、高精度及高效率的机械加工设备，但我国的高精度弧齿锥齿轮铣齿机主要依靠进口。并且国外公司对我国在这方面技术上的封锁也使我国的弧齿锥齿轮加工技术受制于人。因此我国齿面加工一直局限于专用机床，结构复杂，价格昂贵，调整困难，而国产铣齿机更是精度低、适应性差，加工出来的弧齿锥齿轮无法满足高速、低噪的使用要求。鉴于上述情况，研制开发具有自主知识产权的高精度弧齿锥齿轮数控铣齿机是机械产业的迫切需要和工业发展的必然要求。弧齿锥齿轮在机械领域的各个方面重要性从上述文献可以看出。且弧齿锥齿轮加工的数控化研究，特别是对通用数控设备的研究，在该类齿轮高精度及高效率生产制造方面具有重要意义。故我选择了这个课题。这次设计是在魏冰阳老师的指导下与同学共同完成，在此我负责机床床鞍部分的设计。本课题的总体思路是在满足基本传动的前提下，采用合理的传动方式，导轨采用合理的结构形式，实现交流伺服电机联轴器滚珠丝杠丝杠螺母座滑鞍。本设计要解决的主要问题是导轨的选型和设计，滚珠丝杠的计算选择与校核，伺服电动机型号的选择，联轴器、轴承的选择以及滑鞍的结构尺寸设计。河南科技大学毕业设计说明书2第1章绪论11弧齿锥齿轮加工机床国内外发展概况111国外数控弧齿锥齿轮铣齿机发展概况国外对弧齿锥齿轮的研究与制造均处于领先地位，特别是美国、德国和日本等工业发达国家。他们所加工的弧齿锥齿轮无论在精度、耐磨性还是抗疲劳强度上都处于世界领先地位。传统的弧齿锥齿轮制造方法一般采用固定安装法进行切齿加工，在专用机床上进行，切齿加工的弧齿锥齿轮由于精度高、易控制啮合质量等优点在弧齿锥齿轮的制造业中占主导地位。随着数控技术的发展，国外齿轮加工机床迅速地迈入了数控时代。20世纪80年代中期，格里森公司率先推出了凤凰系列数控锥齿轮铣齿机和磨齿机，开始了弧齿锥齿轮加工机床的一次重大革新。它可以加工两种齿制的齿轮，取消了传统机床上的摇台机构、刀倾机构以及复杂的传动链和调整环节，大大简化了齿轮加工机床的机械结构，而机床刚性却显著提高。格里森公司GLEASON率先推出的PHOENIXFREEFORM型锥齿轮铣齿机和磨齿机被誉为锥齿轮加工机床的一次革命性变革。目前格里森公司是弧齿锥齿轮加工机床的主要供应厂家。它研制的格里森六坐标数控铣齿机是近百年弧齿锥齿轮传动史上的重大突破，在理论与实践上都具有重要的意义。为了消除热后变形对齿轮齿面加工的影响，国外许多齿轮厂家在弧齿锥齿轮硬齿面加工方面也取得了很大成就。其中少数厂家采用先进的五坐标轴联动数控加工方法来加工弧齿锥齿轮以提高其加工精度。而韩国己经提出加工弧齿锥齿轮的新思想，既从底层做起，利用锥形铣刀在三轴带转台数控机床上完成弧齿锥齿轮的数控加工。112国内数控弧齿锥齿轮铣齿机发展概况弧齿锥齿轮在几何上非常复杂，其设计和制造方法密切相关，切齿调整技术直接影响着齿轮副的啮合质量。我国的弧齿锥齿轮加工技术远远落后于河南科技大学毕业设计说明书3美国、德国、日本等发达国家。早期的弧齿锥齿轮加工机床多为传统机床，此类机床的传动系统复杂，主要是通过齿轮间的啮合来传递运动，并且传动链较长，一旦产生误差，将会影响整个传动链，造成齿轮的制造误差，加工精度低。从上世纪70年代开始，我国开始引进美国格里森公司的齿轮机床，对格里森公司的计算公式进行了推导和改进。天津齿轮机床研究所、北京齿轮厂和西安交通大学联合将美国格里森公司的锥齿轮加工设备中附带的一些技术资料以及后来又提供的资料进行了有选择地翻译，并以译文集的形式出版，便于从事锥齿轮及锥齿轮机床的人员进行设计、制造和理论研究。虽说我国齿轮技术取得了很大的进步，但是与国外一些发达国家相比还存在很大的差距。从“八五”期间开始，我国一些机床厂研制NC齿轮机床并取得了一定的进展，我国秦川机床厂与西安交通大学研制了YH2240型数控弧齿锥齿轮铣齿机，通过五轴联动数字控制器实现自由成形加工，能加工出各种齿制的空间任意齿面，取代了传统机械型弧齿锥齿轮铣齿机复杂的传动链和繁琐费时的调整试切。2002年10月，我国首台数控弧齿锥齿轮磨齿机在中南大学问世，该机属国内首创，达到国际先进水平。当前国内齿轮加工技术的理论也有了很大的发展，吴训成等人建立了五轴联动CNC锥齿轮机床的切齿加工基本理论，给出了根据齿面设计参数确定机床切齿加工参数的具体方法，推导出五轴联动CNC锥齿轮机床展成齿面的数学模型。王廷忠等人提出在通用五坐标数控机床上，实现了弧齿锥齿轮复杂矢量函数曲面加工通过运动转换，简化了弧齿锥齿轮加工调整问题，为弧齿锥齿轮加工提供一种新方法，魏冰阳等研究了传统机床与FREEFORM型机床运动的等效转换关系，给出了等效转换关系的显函数数学表达式。这些研究都为弧齿锥齿轮CNC制齿奠定了良好的基础。虽然我国在弧齿锥齿轮数控机床研究方面取得了很大的进展，但由于起步较晚，与美欧等发达国家还有一定的差距，存在的主要问题是制造精度和生产率低、使用寿命短、承载能力低、噪声大，远远不能满足用户的需要。因此加快我国弧齿锥齿轮数控加工设备及工艺的开发和研究具有重要的意义。河南科技大学毕业设计说明书412研究的目的与意义弧齿锥齿轮是机械上的关键零件，因其重合度高、传动平稳、噪声低广泛应用于汽车、拖拉机、工程机械、工业缝纫机、电动工具、机床等机械设备中。因此提高弧齿锥齿轮的制造技术有利于提高我国机械装备技术水平，其发展好坏密切关系着我国机械工业的发展。如果能有先进的弧齿锥齿轮制造技术，我国的机械工业将快速发展。长期以来，国际上首先研发出来的美国格里森公司在技术上对我国封锁，而且严禁向我国出口此类机床，进入九十年代国内市场又被美国、瑞士、德国垄断。因此，我国把弧齿锥齿轮数控铣齿机科研开发做为重要的项目实施科研开发。数控弧齿锥齿轮铣齿机是一种涉及多学科（自动控制、计算机技术、数学、齿轮啮合原理、机械设计与制造技术等）的高科技产品。不管是“格里森”齿制还是“奥利康”齿制弧齿锥齿轮，其齿面轮廓都是复杂的空间曲面，要通过刀具于工件的相对运动加工出复杂的曲面是相当困难的。机械型弧齿锥齿轮铣齿机是通过复杂的传动系统来实现刀具于工件的空间运动关系，由于传动链太长，增加了系统的不稳定性，齿轮的精度也就不容易保证。而数控型是依赖计算机技术能使软硬件相结合来实现刀具与工件的空间运动关系，可以减少传动系统复杂带来的误差，再加上现代计算机技术的高度发展可以实现很精确的空间运动。另外，市场对齿轮规格的多样化需求越来越大，而数控铣齿机的柔性更好。所以，对数控弧齿锥齿轮铣齿机的研究是有利于我国机械工业的发展，也是机械精密加工的代表。同时，这对于应用和推广具有我国自主知识产权的弧齿锥齿轮数控铣齿机，提高具有我国自主知识产权产品的国际竞争力，有着积极、重要的意义。13数控弧齿锥齿轮铣齿机加工原理与方法131弧齿锥齿轮加工方法概述事实上弧齿锥齿轮的加工方法就是两种，即成形法和展成法。齿轮的加工不论是何种机床（滚、插、铣等等），基本都可以归为两类一是成形法，就河南科技大学毕业设计说明书5是利用成型的刀具直接加工出齿轮的齿形的方法，其加工刀具的轴剖面齿形应与被加工齿轮齿槽的形状相同（图11）。另一个就是展成法（范成法），是目前齿轮加工中应用得最广泛的方法，它是利用一对齿轮啮合或齿轮与齿条啮合的原理来加工齿轮的，也就是利用包络法展成齿面的原理来加工齿轮齿廓（图12）。我们目前所遇到的主要是展成法。图11加工刀具的轴剖面齿形与被加工齿轮齿槽的形状图12包络法展成齿面法加工齿轮齿廓格里森弧齿锥齿轮有三种基本的加工方法。即单面法、双面法和固定安装法。单面法即在一次调整安装下，用单面刀盘切削一个齿面，而另一个齿面在另一次调整安装下切出。双面法则一个轮齿的两个齿面由一把双面刀盘一次切出。固定安装法是轮齿的粗切和凹凸面的精切分别由三台机床和三河南科技大学毕业设计说明书6把刀具（粗切刀、外切单面刀及内切单面刀）分别加工。这种方法通常用于大量生产中的小齿轮加工。一对齿轮副大、小轮的加工，通常是上述三种基本方法的组合。132弧齿锥齿轮的加工原理加工弧齿锥齿轮，通常是按照虚拟平顶铲形齿轮原理来进行的。所谓平顶铲形齿轮，也是一个锥齿轮，但其齿顶是在一个平面上，此平面垂直于平顶齿轮的轴线，也就是说，其顶锥角等于90；平顶齿轮的节面仍为锥面，即节锥。所谓按平顶齿轮原理加工齿轮，即在切齿过程中，假想有一个平顶齿轮和机床上的摇台同心，并随着摇台转动而与被切齿轮作无间隙的啮合。这个虚拟的平顶齿轮的牙齿表面，是由机床摇台上的铣刀盘切削刃在摇台上旋转的轨迹所代替的。即平顶齿轮的牙齿表面，是由刀盘上的刀刃绕刀盘轴线回转而形成的锥面的一部分。这样随着一对齿轮的啮合运动，而使得刀具在齿坯上加工出一个牙齿来，如图13。图13平顶齿轮原理加工齿轮数控式与机械式的区别在于实现上述功能的过程方法不同，机械式是通过复杂的传动系统控制摇台来实现模拟假想齿轮的运动。而数控式则不同，是通过数字技术控制几个轴一起联动实现模拟假想齿轮的运动。数控式以数控技术代替复杂的传动系统，使用简单的传动就可以实现应有的功能，主要河南科技大学毕业设计说明书7通过滚珠丝杠和滑台的使用实现几个轴的联动。由此使机床的精度、可靠性、稳定性大大提高。河南科技大学毕业设计说明书8第2章数控铣齿机的总体结构21数控铣齿机总体布局摇台式机床结构如图21。图21摇台式机床通过对加工原理的描述我们再看铣齿机的结构，就会更清楚铣齿机各个功能部件的作用。传统结构铣齿机可把主要功能部件分为两部分。一部分包含有摇台支架、摇台鼓轮、偏心鼓轮和刀盘主轴。该部分用于模拟“产形轮”。而另一部分包含有床鞍、回转板、工件箱和工件主轴，其主要用于被加工工件的空间位置的确定和相应的运动。这上面有关确定被加工齿轮位置的参数有水平轮位、床位、安装角和垂直轮位。其中水平轮位是通过工件箱沿着工件轴线方向前进后退来进行调整的，床位是通过床鞍沿着摇台轴线前进后退来进行调整的，安装角目前来说就是齿轮的根锥角，它是通过回转板的摆动进行调整的。垂直轮位我们目前还用不到。平顶齿轮原理加工齿轮在魏老师的指导下，在对上述铣齿机床的结构充河南科技大学毕业设计说明书9分了解的情况下，完成数控机床床鞍部分的设计，其原理图如图22图22毕业设计总装图211数控铣齿机机械结构的组成数控铣齿机的机械结构主要有以下几部分组成（1）主传动系统，它包括动力源、传动件及主运动执行件（主轴）等，其功能是将驱动装置的运动及动力传给执行件，以实现主切削运动。（2）进给传动系统，它包括动力源、传动件及进给运动执行件（工作台、刀架）等，其功用是将伺服驱动装置的运动与动力传给执行件，以实现进给切削运动。（3）基础支撑件，它包括床身、立柱、导轨、滑台、工作台等，它支撑机床的各主要部件，并使它们在静止或运动中保持相对正确的位置。22数控铣齿机机械结构要求数控机床的结构要求1高刚度河南科技大学毕业设计说明书10机床刚度是指机床抵抗由切削力和其它力引起变形的能力。有标准规定数控机床的刚度应比类似的普通机床高50。本结构通过较粗的丝杠、肋板来保证较高的强度。2高抗振性强迫振动和自激振动是机床工作时可能产生的两种形式的振动。机床的抗振性指的是抵抗这两种震动的能力。本结构通过高精度以及采用优良的伺服电机来保证震动稳定性。3高的低速运动平稳性数控机床各坐标轴低速进给运动的平稳性极大的影响到零件的加工精度。数控机床的脉冲当量很小，一般为0010001MM。当低速时运动的不平稳现象称为爬行。本结构采用滚动导轨可以减少爬行。河南科技大学毕业设计说明书11第3章滑鞍传动装置的设计计算31滑鞍传动装置的总体设计311数控铣齿机对进给装置的要求为确保数控铣齿机进给装置的传动精度和工作平稳性，数控铣齿机进给传动装置要满足以下要求（1）摩擦阻力小。尤其是减少导轨与滑鞍之间的摩擦，消除低速进给爬行现象，提高进给装置的稳定性。（2）各运动零件的惯量小。进给装置中每个部件的惯量对进给装置的启动、制动特性等都有直接的影响，尤其是高速运转的零件，其惯量的影响更大。在满足传动强度和刚度的前提下，应尽可能使各零件的结构、配置合理，减小旋转零件的直径和质量，以减少运动部件的惯量。（3）传动精度与定位精度高。提高传动精度与定位精度，主要是提高进给系统中传动零件的精度和支承刚度。首先要保证各个零件的加工精度，尤其是提高滚珠丝杠螺母副的传动精度。（4）响应速度快。所谓快速响应特性是指进给装置对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的速度，工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令，进行单步或连续移动，在运动时不出现丢步或多步现象。（5）使用维修方便。进给装置的结构设计应便于维护和保养，最大限度地减少维修工作量，以提高机床的利用率。312数控铣齿机进给装置的设计数控铣齿机滑鞍传动装置主要包括伺服电机、联轴器、滚珠丝杠螺母副、丝杠轴承、滑鞍等。本文研究的数控铣齿机伺服电机与滚珠丝杠直接通过联轴器联结，省去了中间的减速机构，这样可使整个装置结构简单，同时减少产生误差的环节。图31为数控铣齿机滑鞍传动装置的结构简图。伺服电机通过联轴器带动滚珠丝杠回转，由滚珠丝杠螺母带动滑鞍沿底座上的导轨移动，从而实现河南科技大学毕业设计说明书12此方向的进给运动。滚珠丝杠的左右支撑各有两个60O的角接触球轴承组成，其配对方式为背靠背串联，两组角接触球轴承内圈安装在丝杠轴上，外圈安装在轴承座上。两轴承安装时，中间用一轴套对轴承进行预紧。安装轴承的轴径端盖处及轴承座处有密封圈对其进行密封。1伺服电机2联轴器3轴承4滚珠丝杠5底座6滚珠丝杠螺母7滑鞍8回转板图31数控铣齿机滑鞍传动装置的结构简图32滚珠丝杠螺母副的设计321滚珠丝杆副简介数控机床为了提高进给系统的灵敏度，定位精度和防止爬行，必须降低摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此，行程不太长的直线运动机构常用滚珠丝杆副。滚珠丝杆可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚度。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠河南科技大学毕业设计说明书13的进一步延伸发展。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。滚珠丝杠副具有以下特点（1）传动效率高，摩擦损失小滚珠丝杠副的传动效率092096，是普通丝杠螺母副的34倍020040，功率消耗只相当于普通丝杠螺母副的1/41/3。（2）定位精度高，刚度好。给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区。（3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。（4）有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即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。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当传动切断后，不能立即停止运动，故常需附加制动装置。滚珠丝杠副可以消除反向间隙。为了提高刚度，还可使它在过盈的条件下工作，即可以预加载荷，或称预紧。消除问隙和预加载荷有很多方法。在机床上常用的是双螺母法。常见的消除间隙和预加载荷的方式有双螺母式和齿差式。本设计采用的是双螺母垫片预紧的方式。采用预加载荷预紧的方法可以减少弹性变形所带来的轴向误差，保证反向传动精度和轴向刚度。但过大的预加载荷会增大摩擦阻力，降低传动效率，缩短使用寿命。所以，一般需要经过多次调整，以保证既消除间隙又能灵活运转。滚珠丝杠副的预加载荷的值，应不低于丝杆最大轴向载荷的1/3。故预紧力的计算公式为MAX13PFF31式中PF丝杠的预紧力（N）；MAXF丝杠的最大工作载荷（N）；河南科技大学毕业设计说明书14322滚珠丝杠螺母副的设计（1）滚珠丝杠导程的确定丝杠导程的选择应根据机床传动要求，负荷大小和传动效率等因素综考虑确定。一般选择时，先按机床传动要求，确定丝杠导程应满足下式MAXMAXHVPN32伺服电机的最高转速MAXN1500R/MIN,伺服电机通过联轴器与丝杠直接连接，即I1,则丝杠最高转速为MAXN1500R/MIN。本次设计滑鞍的最快进给速度为MAXV15M/MIN，所以丝杠导程MAXMAX100015101500HVPMMMMN查丝杆导程表，得10HPMM（2）精度级别的选择滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度，在滚珠丝杠精度参数中，其导程误差对机床定位精度影响最明显。滚珠丝杠精度等级共分七个等级，即1,2,3,4,5,7,10级，1级精度最高，依次降低。数控机床主要采用14级。本系统定位精度为0012/300MM,一般在初步设计时设定丝杠的任意300MM行程变动量300V为定位精度的1/31/2，即00040006MM，对于二级精度的滚珠丝杠，任意300MM内导程允许误差为0008MM，因此可取滚珠丝杠精度为2级。（3）滚珠丝杠副型号的选择滚珠丝杠的公称直径、滚珠的列数和工作圈数，应按当量动载荷MC选择。额定载荷可以从样本或手册中查得。滚珠丝杠的当量动载荷MC为3MWMAFLFCF33式中MF轴向平均载荷（N），若载荷是变化的且其时间分配明显是周期性的，则MAXMIN23MFFF；河南科技大学毕业设计说明书15L工作寿命，单位为610R,66010MNTL；MN平均转速，MAXMIN/MIN2MNNNR；T以小时为单位的使用寿命（H），数控机床可取T15000H；AF精度影响系数，对于1、2、3级滚珠丝杠取1AF，对于4、5级滚珠丝杠取09AF；WF运动状态系数。无冲击取112，一般情况取1215，有冲击振动取1525。所选的丝杠副，其额定动载荷AC不得小于此值AMCC。丝杠的最大载荷为切削时的最大进给力加上摩擦力，而最小载荷为摩擦力。最大进给力已知为FF3000N，主切削力取CF4000N。工作台质量120KG，工件及夹具的最大质量为300KG。则移动部件的总重量为G98300120N4116N丝杆的最大载荷为MAXCFFKFFFG34式中K考虑颠覆力矩影响的实验系数K11F导轨上的摩擦系数F004G移动部件的重量4116GN所以丝杆的最大载荷MAXF1130000004400041163624N丝杠的最小载荷为摩擦力MIN0044116164FFGNN35轴向工作载荷（平均载荷）为MAXMIN223624164247033MFFFN36丝杠最高转速为MAXN1500R/MIN，滑鞍最小进给速度MINV为1MM/MIN，则丝杠最低速度为MINMIN1/MIN01/MIN10HVNRRP37河南科技大学毕业设计说明书16可取MIN0N，则丝杠平均转速为MAXMIN15000/MIN750/MIN22MNNNRR38故丝杠工作寿命为666060750150006751010MNTL39式中工作寿命L单位为610R，MN为平均转速，T为丝杠使用寿命，对数控机床可取T15000H。当量动载荷MC为332470675153251MWMAFLFCKNF根据以上计算，查滚珠丝杠副样本中与MC相近的额定动载荷AC，使得AMCC，然后由此确定滚珠丝杠副型号与尺寸。故本系统选择内循环双螺母式滚珠丝杠副，型号为FDG40103P1。其主要尺寸参数如图32查滚珠丝杠副样本可得公称直径0D40MM，丝杠外径1D395MM，丝杠底径2D343MM,钢球直径WD7144MM，螺纹升角0433，导程为10HPMM，螺母滚珠有3列，螺母的长度L146MM，滚珠丝杠副精度等级为1级，额定动载荷AC为374KN。由滑鞍传动系统的结构图确定滚珠丝杠副的有效行程LU604MM，螺纹长度LS644MM，两固定支撑距离L743MM。公称直径公称直径公称直径公称直径丝杠大径丝杠大径丝杠大径丝杠大径丝杠小径丝杠小径丝杠小径丝杠小径滚珠直径滚珠直径滚珠直径滚珠直径螺母小径螺母小径螺母小径螺母小径图32滚珠丝杠尺寸参数滚珠丝杠螺母副安装结构见图33，具体尺寸见表31河南科技大学毕业设计说明书17图33滚珠丝杠螺母副安装结构表31滚珠丝杠螺母副安装尺寸型号螺母安装连接尺寸/MMD1D2D3D4D5D6D7L2BHNL1FDG40103636310885111880201811M814633滚珠丝杠螺母副的校核（1）传动效率的计算TANTAN310式中丝杠螺旋升角,0433；摩擦角,滚珠丝杠副的滚动摩擦系数F00030004,其摩擦角约等于10；TAN433TAN43310OO09609满足要求（2）刚度验算滚珠丝杠副丝杠的变形量包括丝杠的拉伸或压缩变形量1。滚珠与螺纹滚道间接触变形2。支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形3。滚珠丝杠的扭转变形引起的导程的变化量4。螺母座及轴承支座的变形5。河南科技大学毕业设计说明书18滚珠丝杠的扭转变形引起的导程的变化量4一般占的比重较小，常忽略不计。螺母座及轴承支座只要设计机合理，其变形5也可忽略不计。故总变形量123丝杠的拉伸或压缩在总变形量中的比重较大，可按下式计算MAX1FLES311式中MAXF丝杠的最大工作载荷，MAX3642FN；E钢的弹性模量为52110MPA；S丝杠的最小截面积，即丝杠底径截面积S22292354DMM；L丝杠两端支承间的距离，L743MM，则MAX100138FLMMES滚珠丝杠滚道间的接触变形量2，在有预紧时的计算公式如下MAX232000131010WPFDFZ312FDG40103型滚珠丝杠螺母副单圈滚03144033157144WDZD，Z为滚珠总数，ZZ圈数列153145。丝杆预紧时，取轴向预紧力MAX12083PFFN。因此，MAX2320001300001131010WPFMMDFZ支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形3采用角接触球轴承查表得300016MM。总变形量1230013800001130001600155，当有效行程500MM到620MM时，2级精度的允许行程变量为0018MM，总变形量满足设计要求。（3）稳定性校验对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应河南科技大学毕业设计说明书19算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险。产生失稳的临界负载KF可用下式计算22ZKFEIFL313式中E丝杠材料的弹性模量，E6106202CMNI截面惯性矩4CM，对于丝杠为4264ID2D为丝杠内径L丝杠两支承端距离，L743MMZF丝杠的支承方式系数，由于丝杠的支承方式为两端固定，则选取ZF426210210ZKFEIFNL因此，临界负载KF与最大工作负载MAXF之比称为稳定性安全系数KN。MAXKKKFNNF当时，丝杠满足稳定性要求。KN为许用稳定性安全系数，一般取254KN。故62MAX1021028103624KKFNFKN254314所以丝杠不会产生失稳。（4）滚珠丝杠螺母副临界转速CN的校验对于数控机床来说，滚珠丝杠最高转速不超过临界转速就可以了，为安全起见，取最高允许转速MAXN08CN。滚珠丝杠螺母副转动时不产生共振的最高转速称为临界转速CN，临界转速一般以丝杠的转速与丝杠自身的振动频率是否接近来进行校核，其计算公式为212602CEINKLA315式中L支承间距离，取L743MM；E弹性模量，取52110EMPA；丝杠密度，取5217810/NMMG，G329810/MMS；河南科技大学毕业设计说明书20I丝杠底径的惯性矩，4264ID；A丝杠底径的截面积，取224AD；1K安全系数，取1K08；与支承方式有关的系数，可见下表32，取473。则带入参数后上式计算得212602CEINKLA43056R/MIN则08CN34445R/MINMAXN1500R/MIN，故安全。表32与支承方式有关系数支承方式简图K2F二端固定4473021934滚珠丝杠的支承方式及轴承的选择341滚珠丝杠支承方式的选择滚珠丝杠常用的支承方式主要有一端轴向固定一端自由常用于短丝杠，一端固定一端简支常用于较长的卧式安装丝杠，两端固定常用于长丝杠或高转速、要求高精度、高刚度的地方。由于本次设计的是数控铣床滑鞍，设计精度较高，为了提高滚珠丝杠的拉压刚度，因此选用两端固定的“双推一双推式”支承，虽然其结构复杂，工艺困难，但丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍，刚度和精度都很高，特别适用于数控机床。342轴承的选择实践证明，丝杠的轴承组合及轴承座以及其他零件的连接刚性不足，将严重影响滚珠丝杠副的传动精度和刚度，因此在设计安装时应认真考虑。为了提高轴向刚度，因此本次设计采用以角接触球轴承组合来支承丝杠。河南科技大学毕业设计说明书21因为滚珠丝杠螺母副拟采用预拉伸措施，所以选用四个60O角接触球轴承，两个同向、背对背安装并预紧，以组成滚珠丝杠两端固定的支承形式角接触球轴承组合的载荷方向是主要承受径向和少量轴向双向载荷。能限制轴的双向轴向移动在轴承的游隙范围内。由于安装轴承的丝杠直径为30MM，选用7206C型角接触球轴承。其具体参数如下表33表33轴承参数型号内径D外径D宽度B7206C30MM62MM16MM343滚珠丝杠使用的注意事项（1）滚珠螺母应在有效行程内运动，必要时要在行程两端配置限位，以避免螺母越程脱离丝杆轴而使滚珠脱落。（2）在安装滚珠丝杠副的时候两端支承座孔与螺母支承座孔要调整到“三点同心”的最佳状态，不能在不同心的情况下强迫安装。（3）为了使滚珠丝杠副灵活运转，延长使用寿命，必须考虑充足的润滑条件。（4）除滚珠丝杠副本身防尘圈外，外露的丝杠轴上也应安装防护装置，以免灰尘，杂物进入丝杠副。35伺服电机的选择351交流伺服电动机的运行特点（1）调速范围宽，伺服电动机的转速随着控制电压改变，能在宽的范围内连续调节；（2）转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转；（3）控制功率小，过载能力强，可靠性好；（4）可控。河南科技大学毕业设计说明书22352交流伺服电动机的型号选择伺服电动机的选择，应考虑三个要求最大切削负载转矩，不得超过电动机的额定转矩；电动机的转子惯量MJ应与负载惯量RJ相匹配；快速移动时，转矩不得超过伺服电动机的最大转矩。1计算折算到电机轴上的负载力矩（1）计算切削负载力矩CTMAX2HCFPT316其中MAXF为丝杠最大工作载荷为3624N；HP为丝杠导程为10MM；为滚珠丝杠的机械效率，取09。则MAX36240016412231409HCFPTNM（2）计算摩擦负载力矩FT2FHFFPT317其中FF为空载时导轨摩擦力，FF164N。则1640010292231409FHFFPTNM（3）计算由滚珠丝杠的预紧力产生的附加摩擦负载负矩PT212PHPFPT318其中PF为预紧力，1208PFN。则221208001110904022231409PHPFPTNM电机轴上的负载力矩为64102904027102CFPTTTTNM3192计算折算到电动机轴上的负载惯量（1）计算丝杠加在电动机轴上的惯量1J410132JLD320河南科技大学毕业设计说明书23其中为钢的密度，337810/KGM；L为丝杠长度，L0920M；0D为丝杠公称直径，0D004M。则434210113147810092004000183232JLDKGM（2）工作台折算到电动机轴上的惯量2J2222HPNVJMMN321其中V为工作台移动速度；伺服电动机的角速度；M为移动件M420KG。则2222200142000010622314HPNVJMMKGMN电动机轴上总的负载惯量RJ为21200018000106000286RJJJKGM322按照小型数控铣床惯量匹配条件1MRJJ4，所选伺服电机的转子惯量MJ应在0002860011442KGM范围内。根据上述计算可选定伺服电机。3选择伺服电机的型号根据以上计算查表，选择SM13015015LFB型交流伺服电机。其主要技术参数如下表34表34交流伺服电机技术参数输出功率23KW额定转矩15NM额定转速1500R/MIN转子惯量3243102KGM伺服电机尺寸如图34河南科技大学毕业设计说明书24图34伺服电机尺寸36联轴器的选择本系统用联轴器直接连接伺服电机和滚珠丝杠。这是一种最简单的连接，这种形式扭转刚度高，传动机构本身无间隙，传动精度高而且结构简单，安装方便。在输出扭矩要求在1540NM左右的中小型机床或高速加工机床中非常普遍。并且由于数控平台有冲击，且电动机工作时经常变速，故选用挠性联轴器。（1）计算名义转矩T23955095501461500PTNNM323（2）确定计算转矩CAT13146189CAATKTNM324式中AK工作情况系数为12515,取31AK。（3）选择联轴器型号查得LK632022联轴器许用转矩33TNM，CATT；允许最高转速为2400R/MIN，大于工作速度N1500R/MIN；轴径在1625MM之间，而滚珠丝杠连接轴120DMM和伺服电机连接轴224DMM，故选用LK632024联轴器满足要求。LK632024联轴器如图35河南科技大学毕业设计说明书25图35LK632024联轴器河南科技大学毕业设计说明书2637导轨的设计选择371导轨的简介导轨在机床中十分重要，机床导轨的功用是起导向及支承作用，即保证运动部件在外力的作用下运动部件本身的重量、工件重量、切削力及牵引力等能准确地沿着一定方向的运动。在导轨副中，与运动部件联成一体的运动一方叫做动导轨，与支承件联成一体固定不动的一方为支承导轨，动导轨对于支承导轨通常是只有一个自由度的直线运动或回转运动。1导轨的分类导轨按运动性质可分为主运动导轨、进给运动异轨和移置异轨。主运动导轨的动导轨和支承异轨之间，相对运动速度较高。进给运动导轨的动导轨和支承导轨之间，相对运动速度较低。机床中多数导轨属于进给导轨。例如车床的溜板和床身导轨。移置导轨只用于调整部件之间的相对位置，移置后固定，在加工时没有相对运动，例如卧式镗床的后立柱和床身导轨，车床的尾座导轨等。按摩擦性质分为滑动导轨和滚动导轨。在滑动导轨中有静压导轨、动压导轨和普通滑动导轨，滚动导轨又可分为滚珠导轨和滚柱导轨。滚动导轨在进给运动异轨中使用较多。2导轨应满足的基本要求（1）导向精度导向精度是指运动导轨沿支承导轨运动时直线运动导轨的直线度及圆周运动导轨的圆度，以及导轨同其它运动件之间相互位置的准确性，影响导向精度的主要因素有导轨的几何精度，导轨的接触精度及导轨的结构形式，导轨其支承件的刚度和热变形以及导轨的装配质量等等。（2）刚度导轨的刚度是机床工作质量的重要指标，它表示导轨在承受动静载荷下抵抗变形的能力。若刚度不足，则直接影响部件之间的相对位置精度和导向精度，另外还使得导轨面上的比压分布不均，加重导轨的磨损，因此导轨必须具有足够的刚度。（3）耐磨性河南科技大学毕业设计说明书27导轨的不均匀磨损，破坏导轨的导向精度和寿命从而影响机床的加工精度和寿命。影响导轨耐磨性的主要因素有导轨的材料、导轨面的摩擦性质、导轨受力情况及润滑保护。（4）低速平稳性当运动导轨作低速运动或微量移动时，应保证导轨运动平稳，不产生爬行现象，机床的爬行现象将影响被加工零件粗糙度和加工精度，特别是对高精度机床来说，必须引起足够的重视。低速运动平稳性与导轨的动、静摩擦系数的差值，传动系统的刚度以及导轨的结构和润滑等有关。（5）结构工艺性在可能的情况下，设计时应尽量使导轨结构简单，便于制造、调整和维护。应尽量减少刮研量，对于镶装导轨，应做到更换容易，力求工艺性及经济性好。372导轨的选用本文设计的弧齿锥齿轮铣齿机，摩擦力矩小，进给速度很低，灵敏度要求高，导轨受的载荷较大，要求载荷均匀，且导轨用于低速的进给运动，根据设计要求及导轨的分类和功用的表述，本设计选用四方等载荷型滚动直线导轨副，其额定载荷大，刚度高，适用于重载。1滚动直线导轨副的结构及优点（1）滚动直线导轨副的结构以GGB型为例，滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成如下图。当导轨与滑块相对运动时，钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向器进入返向孔后再进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动运动。返向器两端装有防尘密封圈，可以有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。油杯可以用来注入润滑脂来进行润滑。其结构图如图36所示。河南科技大学毕业设计说明书28图36滚动直线导轨副的结构（2）滚动直线导轨副的优点滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低了两这之间的运动摩擦阻力，从而获得如下优点A动、静摩擦力之差很小，摩擦阻力小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后时间极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。驱动功率小只相当于普通机械的十分之一B承载能力大，刚度高。导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承载能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高。C能实现高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高10倍。D采用滚动直线导轨副可简化设计、制造和装配工作、保证质量、降低成本。导轨副具有“误差均化效应”从而降低基础件异轨安装面的加工精度要求。2滚动直线导轨副的设计（1）滚动直线导轨副的精度选择由于直线导轨副具有“均化误差效应”，故可以选用较低的安装精度达到较高的运动精度，由各类机床和机械推荐采用的精度等级表查得弧齿锥齿轮铣齿机精度等级为4级精度。（2）滚动直线导轨副的选型及尺寸的确定由于滚动直线导轨副的特殊结构，使其具有上下左右四方向额定载荷相河南科技大学毕业设计说明书29等，且额定载荷大，刚度高，三个方向抗颠覆能力高，适用于各种载荷机床。移动部件重量M420KG，负载F4KN，有效行程AL0604M。毎分钟往复次数2N4，移动速度015VM/MIN，目标寿命为10年。由于导轨水平安装，卧式导轨，滑块座移动，工作台重量均匀分布，重心在中间，且外力作用点和工作台重心重合。由此可得滑块所受载荷P为14PGF2029KN325寿命时间HL按每年工作300天，每天两班，每班8H，开机率08计算，则10300280838400HLH。额定寿命L为2332602600604384004111331010AHLLNLKM326额定动载荷计算公式为350WAHTCAFPLCFFFF327式中查表得当量动载荷P2029KN；额定寿命L11133KM；硬度系数HF1；温度系数TF1；接触系数CF066；精度系数AF09；载荷系数WF15。因此335350WAHTCAFPLCKNFFFF。查滚动直线导轨副表，得滚动直线导轨副GGB45AAL的AC425KN，故选用GGB45AAL21P29924型滚动直线导轨。滚动直线导轨副的尺寸结构图见图37所示。河南科技大学毕业设计说明书30图37滚动直线导轨副结构其具体尺寸如表35，表36表35滚动直线导轨副尺寸型号导轨副尺寸滑块尺寸HWB1B2B3KTT1M1L1L2L3GGB45AAL6237512010100511525M1213510280表36滚动直线导轨副尺寸油杯尺寸导轨尺寸额定动载额定静载额定力矩L4GNB4H1DDHFAC0CAMBMCM11M612453814201610042563548548996（3）导轨副连接基准面的结构形式在同一平面内平行安装两条导轨时，如果精度要求较高，则两条导轨侧面都定位。本设计导轨副就采用双导轨定位，导轨副连接基准面的结构形式采用紧固螺钉固定方式如图38所示河南科技大学毕业设计说明书31图38紧固螺钉固定方式河南科技大学毕业设计说明书32第4章底座、滑鞍及回转板的设计41底座的设计弧齿锥齿轮数控铣