横纵向进给机构的设计要点

1、横纵向进给机构的设计要点三、横纵向进给机构设计纵向进给机构的设计纵向进给机构的改造： 拆去原机床的溜板箱、 光杆与丝杠以及安装装置， 纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的床尾， 并不占丝杠的空间由于采用了滚珠丝杠可提高系统的精度和纵向进给的刚度。纵向进给系统设计参数已知参数纵向脉冲当量y0.01mm /脉冲。纵向最高进给速度Vfymax 2m / min 。CA6140 车床工作台质量 W 根据图形尺寸忽略计算 W=20kg.纵向进给切削切削力 Fy 的确定有参考文献查得Pdf / Pa3% 5%式中： Pdf 进给系统所需电机功率； Pa 主动传动电机的功率 ;已知 Pa 为 7.5kw，

2、取比例系数为4% ，则PdfPa * 4%0.3kwF6120fPdf / V f式中：f进给系统效率，其范围为0.150.20，取f0.175 ；V f进给速度查得 V f (1/ 2 1/ 3)Vfy max ，取V f(1/ 2)Vfy max1m/ min得出 fy3149 N为安全起见，取安全系数为1.5 则 fy 4724 N 。滚珠丝杠副的设计滚珠丝杠副已经标准化。 因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。一般情况下设计滚珠丝杠时， 丝杠的长度（或螺母的有效行程），丝杠的转速（或平均转速），滚道的硬度及丝杠运转的情况。滚珠丝杠副的计算1 滚珠丝杠的最大动负载寿命值：60n

3、iTiLi106其中nin主 f1000vfLhDL0取工件直径 D=80mm， Ti 1500h ，得：10001000.3ni8020r / min3.146602015000Li10618最大动负载：Q3 Li pf w f H得：运转系数f w 1.2 硬度系数 f H1 ，则：Q 3181.22621.68245N根据最大动负载 Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。得此最大动负载下丝杠型号为 FFB5006 内循环浮动反相器单螺母变位导程预紧。 滚珠丝杠直径选择 50mm，其额定动载荷是 15KN ，所以其结构强度足够。2.支撑方式选用“单推单推”的支撑方式。临界转速的校核丝杠的名义直径

4、D0 50mm, N max Vmax / L0 200r / min 。支撑为“固定固定”支撑长度 L=1788mm.L与 n 的交点线在 D0 50mm左侧，所以安全。效率计算tan/ tan()式中：螺纹的螺旋升角，可查参考文献，取 3摩擦角，tan0.003 0.004 ，所以1345 ，则tan 3 3/ tan(3 3 1345 ) 93%4.刚度计算滚珠丝杠受工作负载P 引起的导程变化量：PL0L1EF式中：L0 6mmE20.6106 N / cm22.06105 N / mm2滚珠丝杠的截面积F ( d ) 2( 3.89 )23.14 11.88cm21188mm222则L

5、12621.60.66.4 10 6 cm 6.4 10 5 mm20.610611.88滚珠丝杠受扭矩引起的导程的变化量L2 小，可以忽略，即：LL1 ，所以100L1006.4 10 610.66 m / mL00.6差参考文献知E 级精度丝杠允许的螺距误差1m 长）为 15 m/ m ，故强度足够。由于选用滚珠丝杠的直径为 50mm，支撑方式“单推带推”，所以稳定性完全可以保证。齿轮的设计齿轮的初选传动比：0.7565iL0 / 360 P1.253600.01式中：步进电机的步距角， 选 0.75 ，计算出 i=5 ，因此可以一级传动。大小齿轮均采用45 钢调质，选小齿轮硬度为260H

6、B 290HB ，大齿轮硬度为220HB 250HB ，精度选六级，模数 m=2,齿数 Z1 32, Z 2 40, b 20mm,20 ，则a (1 / 2)m(Z1 Z2 ) 72mm齿轮的疲劳强度校核弯曲疲劳强度校核公式为FF 0YsaKF t YFa Ysa F bm式中： YsaYFaKFtF 为载荷作用于齿顶的应力校正系数；为齿形系数；为载荷系数；为圆周力弯曲疲劳许用应力。载荷系数 K：K K AKVK FaK FKA 1,KV1.12, K Fa1.2, K F1.35则 KK AKVK FaK F1 1.12 1.2 1.35 1.814齿轮1 弯曲疲劳强度校核Fr12T1d1

7、圆周力计算d1mz123264mmP1P2100.9328.649kwn1n1500r / minT19550000 P15.506 10 4 N mmn1Ft12T1250506104所以d1641720N得齿轮 1YSa 1.625,YFa 2.54则FF 0YsaKF t YFa Ysa F bm1.184 1720 1.6252.54202180.2MPa弯曲疲劳许用力计算：KFNFES差参考文献得K FN 0.85, FE 500MPa 。取弯曲疲劳安全系数S=1.4，KFN FE0.85 500 F1303.57MPaS1.4根据以上结果得F1F 1 ，所以齿轮1 满足弯曲疲劳强度

8、。齿轮 2 弯曲疲劳强度校核圆周力计算：Ft 22T2d 2d2mz224080mmP2P2100.9328.649kwn2115001n1200r / mini1.25T29550000P26.256 104 Nmmn22T226.256104所以Ft 2801564 Nd 2齿轮 2YSa1.67,YFa2.40，则FF 0 YsaKF t YFa Y sa F bm1.184 1564 1.672.40202156.7MPa弯曲疲劳许用力计算：KFNFES查参考文献得K FN 0.85, FE 380MPa 。取弯曲疲劳安全系数S=1.4，KFN FE0.85 380F 2230.71M

9、PaS1.4根据以上结果得F2F 2 ，所以齿轮2 满足弯曲疲劳强度。齿面接触疲劳强度校核齿轮 1 齿面疲劳强度计算齿面接触疲劳强度校核公式为：KFtu1HZHZEHbd1u式中：u 轮齿在节点啮合时， 两齿轮齿数的比值；Zu区域系数；Z E弹性影响系数；载荷系数 K：KK AK VK HaK H得，K Ha 1.2, K H1.423则 KK A K V K Ha K H 1 1.12 1.2 1.4231.913得，Z E 189.8MPa1 / 220时，Z H2.5，标准知齿轮uz2 / z140 / 321.25所以KF tu1HuZH ZEbd 11.91317201.251189

10、.820641.252.5256.3MPa计算齿轮 1 接触疲劳许用应力：K HNH lim H SK HN 0.90,H lim 500MPa 。取安全系数 S=1，K HNH lim0.9 500 450MPa H1S所以 H H 1 满足接触疲劳强度。齿轮 1 的齿面疲劳强度计算查参考文献得，Z E 189.8MPa1 / 2标准知齿轮20 时，ZH2.5，u z2 / z140/ 32 1.25所以KF t u1HZH ZEbd 1u1.91317201.251189.820641.252.5256.3MPa计算齿轮 2 接触疲劳许用应力：K HNH limH S查参考文献 12 得，

11、 K HN0.90,H lim450MPa取安全系数 S=1，K HNH lim0.9 450 427.5MPa H1S所以 H H 2 满足接触疲劳强度。步进电机的确定步进电机步距角的选择360( P / i )L00.75转动惯量的计算惯量对运动特性有很大的影响， 对加速能力、 加速时驱动力矩及动态的快速反应有直接关系， 因此核算转动惯量很有必要。工作台质量折算到电机上的转动惯量：J1(180 P ) 2 w(1800.001) 2503.140.7529.2kgmm2丝杠转动惯量：Js7.810 4DL其中 L 为螺纹长度：Ll02l el螺母800224104952mml e 4L0

12、4 6 24mm则Js 7.8 10 46.42201.910 3 kgmm2齿轮的转动惯量：J z17.810 46.4220261.7kgmm2J z27.810 48220639kgmm2由于电机的转动惯量很小，所以可以忽略。因此，总的转动惯量：J12 ( J sJ z2 ) J z1J1i1(1.9103639)267.129.21.2521877.5kgmm2所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩MM a maxM f M 0最大切削负载时所需的力矩MM atM fM 0M t快速进给时所需力矩MM fM 0式中：M a max _ 空载启动时折算到电机轴时的加速度力矩；M f_ 折

13、算到电机轴时的摩擦力矩；M 0 _ 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴时的附加摩擦力矩；M at _ 切削时折算到电机轴上的加速度力矩；M t _ 折算到电机轴上的切削负载力矩；M aJn10 2 N mm9.6T当 nnmax 时， M a max M anmaxVmax i2000 1.25则L0416.6r / min6M a max19.159 416.710 43326N mm9.60.025当 nnt 时， M a maxM atn主 fi1000vf i1000 1000.31.25Dn1L03.148024.88r / minL06M at19.15924.88 10 4194.

14、6N mm9.60.025M fF0 L0f wL02 i2 i当0.8; f 0.16 时，M f0.16800.6.3.140.8122.3N mm21.251当0.9 时，预加载荷P0 3 FXFX L0 (12172.88 0.6(1 0.92 )0 )M 0i104.6N mm则66 3.14 0.8 1.25FXL0172.88 0.6M t1651N mm2 i2 3.14 0.8 1.25所以快速空载启动所需的力矩：MM a maxM fM 03394122.3104.63620Nmm切削时所需要力矩：MM atM fM 0M t194.6122.3104.616512070N

15、mm快速进给时所需的力矩：MM fM 0122.3104.6226.9 Nmm由以上计算可知：所需最大力矩M a max 发生在快速启动时，M a max3620Nmm步进电机最高的工作频率fmax vmax /( 602000b )3334 Hz600.01启动频率步进电机通常是带负载启动运行，而步进电机有空载启动频率f q 参数，步进电机的负载频率f 0 有经验公式进行估算，也可以按f q(1/ 2) f q 0 估算。经综合考虑来选择步进电机若f q不合要求，还可以采取升降速环节加以解决。综合考虑，选用 130BF001 型直流步进电机，能满足使用要求。横向进给机构的设计横向进给机构的改

16、造： 由于原横向进给丝杠的空间有限，一种方法是拆除横向丝杠换是滚珠丝杠，但现有的滚珠丝杠系列中选出合适的丝杠副比较难，需特制丝杠副； 另一种方法是仍采用原丝杠，这样就避免了特质滚珠丝杠副的麻烦， 减少了成本，但需要采用电器补偿丝杠精度和反向间隙的措施。 而本方案采用前者， 并且保留横向原手动机构，横向步进电机和减速箱安装在机床后侧。横向进给系统设计参数已知条件：横向脉冲当量y0.005mm/ 脉冲横向最高进给速度Vfy max 2m / min 。溜板箱的重量W30kg横向进给切削切削力Fy 的确定横向进给量为纵向进给量的 1/ 2 1/ 3 , 取1/ 2 ，安全系数为 1.5 ，则切削力 Fy 约为：Fy0.547242362 N滚珠丝杠副的设计滚珠丝杠副已经标准化。 因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。一般情况下设计滚珠丝杠时， 丝杠的长度（或螺母的有效行程），丝杠的转速（或平均转速），滚道的硬度及丝杠运转的情况。滚珠丝杠副的计算滚珠丝杠上的最大动负载PkF yf (Fzw)取 k 1; f 0.16则 P 1 88.2 0.16(176.4 30) 121.