7.第三章 数控铣床机械部分设计的一般过程

1、第三章 数控铣床机械部分设计的一般过程3.1 铣削力的计算现假设刀具材料为高速钢，工作材料为碳钢()。Z轴铣削工作时铣削力的计算：最大铣削直径，最小直径。由实用机床手册得：铣削功率铣削力铣削力修正系数其中工件材料系数高速钢铣刀,前角系数主偏角= =1.0 因此工件材料的抗拉强度；铣削深度；毎齿进给量；铣削宽度；铣削直径；Z铣刀齿数，现取=0.05mm/Z =4mm Z=4 =10mm =8mm n=400r/min ，=64240.0581040.9255=907.8N=3.1410400/1000=12.56mm/s=907.812.56/60000=0.193.2 主轴电机的选择选主轴电机

2、时按铣削计算，因为铣削时最大的铣削力为：=64240.058440.9255=1996.3N=3.1441600/1000=20.1m/s=1996.320.1/60000=0.68主轴功率P= =0.68/0.88=0.77所以选电动机为=1.1，型号：Y90S4型3.3 X、Y轴铣削力的计算主转动中主轴功率P=0.77KW，则=0.77/1.1=0.7电动机的额定功率=1.1KW。铣削力同样遇刀具材料、被铣削工件的材料、切削量等因素有关，现以刀具材料为高速钢，共建材料为碳钢进行计算。主传动功率P包括铣削功率，空载功率，附加功率三部分，即：P =+，对于一般轻载高速的中、小型机床，取=0.5

3、P，故总功率为：P=+0.5 P+（1），=0.5P/(2)，在进给传动中铣削功率，查机床设计手册得k=0.85那么=0.850.51.1/(20.7)=0.36切削时主轴上的扭矩为：则主轴上最大扭矩为：=974000.36/400=876.6（）铣刀的最大直径为：10mm。主切削力=876.6/1=876.6N。铣削加工时主切削力与铣削进给抗力之间的值由机床设计手册查得/=1.01.2，取/=1.2。则=1.2=1051.9N，垂直分力与的比值为0.750.8，取/=0.8，=0.8=841.5N。3.4 步进电机的选择步进电动机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其

4、输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量频率以及电动机绕组的通电顺序，电动机即可获得所需的转角转速及转向，很容易用微机实现数字控制。（1）应用中需要注意的几点：步进电机应用于低速场合每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，

5、其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。转动惯量大的负载应选择大机座号电机。电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少。电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。

6、电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。应遵循先选电机后选驱动的原则。（2）步进电机的选择步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。选用1.5度。静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定

7、电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来。电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）综上所述选择电机一般应遵循步骤如图3-1所示： 图3-1 选择电机的步骤力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡

8、量，力矩与功率换算如下：P=M=2n/60P=2nM/60其中P为功率，单位为瓦；为每秒角速度，单位为弧度；n为每分钟转速；M为力矩，单位为牛顿米。P=2fM/400(半步工作)其中f为每秒脉冲数（简称PPS）。（3）混合式步进电机控制系统优缺点混合式步进电机控制系统的优点正是由混合式步进电机特殊的结构所带来的，简而言之它具有稳定可靠、性能好、运行平稳等优点，以和最具有可比性的反应式步进电机系统相比为例。首先，混合式步进电机系统可靠性和稳定性较高，由于驱动器是系统中可靠性最薄弱的一个部分，所以系统可靠性和稳定性主要是由驱动器的可靠性来决定的。混合式电机转子上有永磁体，部分磁场已由转子上的磁钢产

9、生，所以混合式电机绕组电流可以设计得比较小，而反应式电机磁场完全由绕组电流产生，故欲和混合式电机产生相同的转矩，在电机体积相差不太大的情况下，反应式电机所需电流就要大得多。在当前电力电子器件水平限制下，混合式电机的驱动器就比反应式电机的驱动器要可靠得多，同时由于大的绕组电流，反应式电机本体的发热情况也要严重的多。实际上，为产生相同的转矩，反应式电机不仅线圈电流大，而且定子线圈匝数多，电机体积大，绕组电感也大。由于绕组电感大，反应式驱动器必须要以高压驱动才会有比较好的高频性能，但这样驱动器的可靠性会明显变差；如果反应式驱动器取和混合式驱动器一样的驱动电压时，电机的高频转矩明显要小，这也是反应式电

10、机系统性能比混合式电机系统差的一个重要原因。混合式步进电机一般步距角较小，再加上混合式步进电机共振区不明显，振荡较小，在控制步进电机升降频规律一致的情况下，运行要比反应式步进电机稳定。混合式步进电机系统的缺点在于混合式步进电机的制造比较复杂，电机的成本相对较高；其次是虽然混合式步进电机共振区不明显，振荡较小，但依然影响性能。脉冲当量应根据系统精度要求来确定，一般取为0.010.02mm。如取得太大，无法满足系统精度要求，如取得太小，或者机械系统难以实现，或者对其精度和动态性能提出过高要求，使经济性降低。所以根据数控钻铣床的精度要求，步进电动机脉冲当量：，步角距。由于无减速装置，所以由=/360

11、可知，滚珠丝杠螺距，即基本导程=4mm。一般来讲，反应式步进电机步距角较小，运行频率高，价格较低，但功耗较大，永磁式步进电机功耗较小，断电后仍有制动力矩，但步距角较大，启动和运行频率较低，混合式步进电机由上述两种电机的优点，但价格较高。考虑到该机床垂直进给方向需用自锁机构，所以选用具有自锁功能的混合式步进电机。（4）计算选择步进电机转轴上启动力矩的计算铣削时：=1051.9N, =841.5N，分别取=0.03，G=300N,=1.8mm/step=360.011051.9+0.03（300+841.5）/(21.80.7) =49.4由手册可知：/=0.866，步进电机最大静转矩=/0.86

12、6=49.4/0.866=57 确定步进电机最高工作频率，假定=0.025m/s=10000.025/0.02=1250根据以上参数，初选混合式步进电机。57BYGH6403采用两相四拍的通电方式。相数，3；步距角，；电流，2.5A；静力矩,110；转动惯量，280；引线数，4。3.5 滚珠丝杠的选择（一） 滚珠丝杠的特点滚珠丝杠螺母副（以下简称滚珠丝杠副）是回转运动与直线运动相互转话的一种新型传动机构，在数控铣床中得到了广泛的应用。它的结构特点是具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠，使丝杠和螺母之间的运动成为滚动，以减少摩擦。在数控机床的传动中，经常用于代替滑动丝杠，以提高传动精度。丝杠螺母副的特

13、点：（1）用较小的扭矩转动丝杠（或螺母），可使螺母（或丝杠）获得较大的轴向牵引力。（2）可达到很大的降速比，使降速机构大为简化，传动链的以缩短。（3）能达到较高的传动精。用于进给机构时,还可兼作测量元件，通过刻度盘读出直线位移的尺寸，最小数值可达0.0001mm。（4）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠的传动效率=0.920.96,而一般的常规（滑动）丝杠螺母副的=0.200.40。所以滚珠丝杠的传动效率比常规丝杠的传动效率提高了34倍。因此功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的1/31/4。（5）给予适当的预紧，可消除丝杠和螺母螺纹间隙，这样反向时就可以没有空程死区，反向定位精度高。与常规丝杠螺母副

14、比较有较高的轴向精度。（6）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。滚珠丝杠基本上是滚动摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小几乎和运动速度完全无关，这样就可以保证运动的平稳性。由于滚珠丝杠基本上是滚动摩擦，与常规丝杠螺母副比较不宜出现爬行现象，故传动精度高。（7）有可逆性，由于滚珠丝杠副摩擦系数小，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以由直线运动转换为旋转运动。丝杠和螺母都可以作为主动件，也可以作为从动件。（8）制造工艺复杂，滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求较高，光洁度要求也高，故制造成本高。例如丝杠和螺母上的螺旋槽滚道，一般都要求磨削成型表面的。（9）不能自锁，特别是垂直丝杠，由于自重惯性力的关系，下

15、降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需要添加制动装置。在设计滚珠丝杠时，首先要确定其名义直径、螺距及滚珠直径等。确定滚珠丝杠的上述参数时，目前采用的方法是，在防止疲劳点蚀的基础上，即滚性丝杠在工作过程中受轴向负载时，在滚珠和滚道型面间使产生接触应力。在这种交变接触应力的作用下，经过一定的应力循环次数后，就要使滚珠或滚道型面产生疲劳剥伤，而使滚珠副丧失其工作性能，这是滚球丝杠副的主要破坏形式。在设计滚珠丝杠副时，必须保证在一定的轴向负载作用下，这种名义直径D和螺距t的滚珠丝杠在回转一百万转后，在他的滚道上由于受滚珠的压力而不致有点蚀现象，这个负载的最大值称为这种滚珠丝杠能承受的最大动负载。（

16、二） 滚珠丝杠的选择计算（1）动载荷C的计算其中载荷系数取为1.0，硬度系数取为1.2，最大的工作负载L使用寿命工作负载F是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力，他的数据可用进给牵引力的实验公式计算：对于类似燕尾型寻轨的机床=X方向的切削力Y方向的切削力Z方向的切削力G移动部件的重量导轨上的摩擦系数k考虑颠复力矩影响的实验系数选用滚动导轨，在正常润滑情况下，对于类似燕尾型寻轨k=1.4 ，=0.03在铣削过程中，=841.5N ，=0， =1051.9N ，G=300N =1.40+0.03(841.5+21051.9+300)=97.4N而L=60nT/10式中n滚珠丝杠的转速（

17、r/min）T使用寿命（小时）对于数控机床，n一般取1250 r/min，T一般取15000h，因为L=60125015000/10=1125C=1.01.294.7=1181.9N查表初步选用的型号为N系列1604-3，3列Q=4612N较为合适，这是一种内循环垫片调隙单螺母的滚珠丝杠副，其主要参数如下：名义直径：=20mm，基本导程t=5mm，钢球直径：=3.725 mm ，丝杠内径=17.96mm，丝杠外径=19.4mm ，循环列数3，额定动负载=6367 N ，螺母外径D=72 mm，螺母内径=32 mm，螺母长度L=40 mm。（2）校核效率计算： 从机械原理中得知，滚珠丝杠螺母副的

18、传动效率式中：螺纹的螺旋升角；=摩擦角；滚珠丝杠副的滚动摩擦系数=0.0030.004，其摩擦角约等于(=0.0030.004)。0.965刚度的验算数控机床的滚珠丝杠是一种精密的传动元件，它在工作负载P的作用下，将伸长或缩短，在扭矩M的作用下，将向一方或另一方扭转，这样，滚珠丝杠的螺距就要产生变化，从而影响其传动精度和定位精度，因此，滚珠丝杠应验算其满载时的变形量。从材料力学中得知，滚珠丝杠受工作负载（轴向力）P的作用而引起一个螺距t的变化量,可按下式计算： (cm)其中：P工作负载；t滚珠丝杠螺距；E弹性模数，对钢而言（E=20.1）；F滚珠丝杠的横截面积（按内径而定）； =1.4cm滚珠

19、丝杠受扭矩M作用而引起一个螺距t的变化量，可以按下式计算： (cm) 其中在扭矩M的作用下，滚珠丝杠每一螺距长度两截面上的相对扭转角； 其中，M扭矩（）,=6.43G扭转弹性；对钢而言，G=滚珠丝杠载面积的极惯性矩（其中d滚珠丝杠的内径，cm） =2889.8=1.06 =6.75cm(可忽略不计)如果Y方向的滚珠丝杠的长度为100cm,则整个工作长度上的螺距变形总误差： =100/0.4=3.5cm/m查表得对E级丝杠，允许误差=15，故该滚珠丝杠满足要求。稳定性验算机床的进给丝杠通常是一种受轴向力的压杆，如果轴向力过大，可使丝杠失去稳定性而产生翘曲。机床上的进给丝杠一般均为长柱。长柱压杆失

20、稳时的临界负载，可用材料力学中的欧拉公式计算（N）E丝杠材料的弹性模数，对钢而言E=2.1；J截面惯性矩，对实心圆杆而言，=1445；l丝杠的工作长度，l=20cm；u丝杠的轴端系数，由支撑条件决定，本设计是两端向心轴承，u=1=7.5N 临界负载与工作负载P之比成为稳定性安全系数。如果稳定性安全系数大于许用稳定性安全系数，则该压杆安全不致失稳。7.7=4故此滚珠丝杠不致失稳。由于钻、铣工作时，滚珠丝杠的转速比较低，滚珠丝杠传动时的振动就会非常小，所以临界转速就不用校核了。3.6 轴承的选择机床传动轴的滚动轴承的失效形式，主要是在循环接触应力下的作用，滚动体和滚道表面上出现疲劳破环。即通常所说

21、的疲劳剥落。而丝杠轴承的载荷主要是轴向载荷，径向除丝杠和工作台的重量外，一般无外载荷，对丝杠轴承的要求主要是轴向精度和刚度较高，摩擦力矩要小。所以选用角接触球轴承，该轴承是与滚珠丝杠配合的专用轴承，其主要特点如下：（1）接触角大，钢球数多，承载能力高，刚度高。（2）既能承受轴向载荷，也能承受径向载荷，支撑结构可以简化。（3）轴承启动摩擦力矩小，降低丝杠副的驱动功率，提高进给系统的灵敏度。现选用7000C型号，基本尺寸为:d=10mm，外径D=26mm，宽度B=8mm，基本额定动负荷=4.29KN，基本额定静载荷=2.25KN，极限转速（油润滑）为28000。 对轴承的疲劳寿命进行校核：由机械设

22、计可知，轴承的基本额定寿命为： 式中：P当量动载荷； 基本额定寿命； 寿命指数，一般球轴承=3；n轴承工作转速，n=1250；C基本额定动载荷，C=2250N；其中：冲击载荷系数，取1.1；径向载荷；X、Y径向动载荷系数和轴向动载荷系数。X=0.44,Y=1；P=1.1(0.440+97.4)=107.1N123628.3h15000h所以该轴承的选用也是合格的。3.7 导轨的选择铣床上的直线运动部件都是沿着它的床身、立柱、横梁等支承件上的导轨进行运动的，导轨的作用概括地说是对运动部件起导向和支承作用。在导轨副（如工作台和床身导轨）中，运动的另一方（如工作台导轨）叫作动导轨，不动的另一方（如床

23、身导轨）叫做支承导轨。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、静压导轨和普通滑动导轨。静压导轨的原理和静压滑动轴承相同，该导轨多用于进给运动导轨。动压倒轨，当导轨面间的相对滑动速度达到一定值后，液体的动压效应是导轨的油腔处出现压力油楔，把两导轨面分开，从而形成以液体摩擦，这种导轨只能用于高速的场合，故仅用作主运动导轨，例如立式铣床导轨。普通滑动导轨的摩擦状态有的为混合摩擦。按受力状态可分为开式导轨和闭式导轨。在部件自重和外载作用下，导轨面在导轨全长上可以始终贴合的称为开式导轨，如龙门铣床的工作台和床身导轨。部件的自重不能使主导轨面始终贴合，就必须增加压板，形成辅助导轨面，称为

24、闭式导轨。（一）导轨选择考虑的因素：（1）导向精度导轨在空载下运动和在切削条件下运动时，都应具有足够的导向精度。保证轴承运动的准确性，是保证导轨工作质量的前提。（2）几何精度直线运动导轨的几何精度一般包括：导轨在竖直平面内的直线度（简称A项精度）；导轨在水平平面内的直线度（简称B项精度）；两导轨面间的平行度，也叫作扭曲（简称C项精度）。在A、B两项精度中，都规定了导轨在每米长度上和导轨全长上，两导轨面间在横向每米长度上的扭曲值。（3）接触精度磨削和刮研的导轨表面，接触精度按的规定，采用着色法进行检查。用接触面所占的百分比或面积内接触点数衡量。（4）精度保持性影响精度保持性的主要因素是磨损。提高

25、耐磨性以保持精度，是提高机床质量的主要内容之一，也是科学研究的一大课题。常见的磨损形式有磨料（硬粒）磨损、粘着磨损（或咬焊）和接触疲劳。磨料磨损经常发生在边界摩擦和混合摩擦状态。磨粒夹在导轨面间随之相对运动，形成对导轨面的切削，使导轨面产生划伤。磨料的硬度越高，相对滑动速度越大，压强越大，对摩擦副的危害也越大。磨料磨损很难避免，是导轨防护的重点。粘着磨损也称为分子机械磨损。当两个摩擦表面相互接触时，在高压强下材料产生塑性变形，相对运动时的摩擦，又使表面层的氧化膜破坏，在新暴露出来的金属表面之间，就会产生分子间的相互吸引和渗透，使接触点粘结而发生咬焊。接触面的相对运动又要将咬焊点拉开，就造成撕裂性破坏。咬焊是不允许发生的。接触疲劳发生在滚动摩擦副中，也是无法避免的。（5）低速运动平稳性当导轨作低速运动或微量位移时，应保证导轨运动的平稳性，即不出现滑移现象。低速运动平稳性与导轨的结构、材料和润滑，与动、静摩擦系数的差值，与传动导轨运动的传动链的刚度有关。（6）结构简单平稳性好大多数机床的导轨都要淬硬，因此导轨的精加工，不能淬硬。设计时要注意使导轨的制造和维修方便，刮研量少。如果采用镶装导轨，则应尽量做到更换容易。（二）导轨的润滑（1）润滑的目的、要求及方法润滑的目的是为了降低摩擦力、减少磨损、