数控旋压机床机械结构设计

QUOTEMg0.866伺服最高工作频率计算式：QUOTEVmax60δP第5章垂直进给结构设计5.1滚珠丝杠螺母副的计算和选型5.1.1最大动载荷的计算式子里：：寿命系数，单位为r；：丝杠寿命；本次数控用，确定T为15000h；：载荷系数；本设计选用1.2；：硬度系数；本设计选用1；：横向滚珠丝杠导程；本次确定。：横向最大进给速度；本次确定；：横向最大工进速度对应丝杠的转度，。计算得出得：。5.1.2滚珠丝杠螺母副的选型最大动载荷，确定本次用滚珠丝杠副的型号是FL4008-3型，属于内循环式，精度3级FL4008-3型滚珠丝杠相关参数5.1.3滚珠丝杠副的支承方式考虑到横向滚珠丝杠副水平球的大小、准确性和负载，以及基于双厚度的、高精度、高精度、高精度的调整成本。5.1.4机械设计传动结构效率的计算=式子里：：螺距升角，根据，算出；：摩擦角，按常理选。算得：=。5.1.5刚度的验算丝杠的拉伸计算式：=+：意思是拉伸，-：意思是压缩。根据前面的设计，确定的参数有：，，，，得出：==±0.0047=±4.7查表3-3可知，，所以刚度足够。5.1.6稳定性校核不失稳时的临界载荷Fk的条件满足式：=式子里：：丝杠支承系数，本参数只有在单推-单推时，选数值1；：滚珠丝杠稳定安全系数；按常理选2.5～4，本次取4；：滚珠丝杠两端支承间的距离，，本次确定500；：按丝杠底径确定的截面惯性矩，，。把代入式里，算出。最终算出：：==临界载荷比要求的大，所以丝杠安全。5.1.7临界转速的验证式子里：：丝杠支承系数，采用单推-单推，取值为12.1；：临界转速计算长度，，本次取720；：丝杠内径，；：安全系数，本次确定=0.8。经计算，得出：=5321，由已知，，得出，，小于丝杠临界转速，符合要求。5.2伺服电机的计算和选用5.2.1转动惯量的计算1.齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算（）对于钢材，计算式为：式子里：M：圆柱体质量（）D：圆柱体直径（）L：圆柱体长度（）：钢材的密度2.总传动惯量转动惯量式子：式子里：计算为：纵向：横向：5.2.2电机力矩的计算快速空载起动时所需力矩式子里：（2）快速进给时所需力矩因此对运动部件已起动，固不包含，显然。（3）最大切削负载时所需力矩式子里：在采用丝杠螺母副传动时，上述各种力矩可用下式计算式子里：；摩擦力矩式子里：附加摩擦力矩计算式：式子里：折算到电机轴上的切削负载力矩式子里：具体计算：横向：5.3伺服电机的选择先按最大静转距查书，得到当伺服电机为三相六拍时，纵向：110BYG3500型作为初选型号。伺服电机起动频率Hz最高工作频率Hz横向：同样的方法可查到，并确定选安川SGMAH-0.75A型电机。参数：最大静转矩转矩：2.39N.m。起动矩频特性和运行矩频特性需要进一步校核。第6章刀架设计计算6.1简易经济型数控刀架概述目前主要为立式四工位,通常采用双插销机构实现转位和预定位,电机采用右置式或转塔式。一般只能单向转位,采用齿轮,蜗杆传动,螺旋副加紧,多齿盘精定位。此种刀架价格便宜,适用于要求不高的数控机床,在我国应用最为广泛。但是,该刀架工位少,回转空间大,易发生干涉,所以正向工序长,回转空间小的卧式刀架过渡。高精度型数控刀架目前一般多为卧式八工位到十二工位。分为抬起式和不抬起式。抬起式仿意大利巴罗法蒂公司的TA刀架,其缺点是转阻塞度不能过高,只能单向回转；不抬起式仿意大利IOE型刀架,采用行星齿轮机构。或仿美国的三联分齿盘精定位,转位采用平行分度凸轮(又叫共辄凸轮)或槽轮机构此种刀架目前正逐渐推广。带动力刀具的数控刀架 此种刀架只有烟台机床附件厂生产,全套引进意大利的生产线和专利,一般用于车削加工中心。6.2减速传动机构的设计普通的三相异步电动机因转速太快，不能直接驱动刀架进行换刀，必须经过适当的减速。根据立式转位刀架的结构特点，采用蜗杆副减速是最佳选择。蜗杆副传动可以改变运动的方向，获得较大的传动比，保证传动精度和平稳性，并且具有自锁功能，还可以实现整个装置的小型化。（1）传动方案的拟定采用蜗轮蜗杆传动和螺旋副加紧、双插销预定位、端面多齿盘精定位、霍尔元件发讯。（2）传动方案简图图6.1传动方案简图（3）传动方案分析a.传动机构①采用蜗轮蜗杆传动的主要优点：降速比大,结构紧凑,工作平稳无噪声。能阻滞扭转振动。当蜗杆螺旋升角小于摩擦角时,有反向自锁作用。其主要缺点是:发热大,加工复杂,需要有与蜗杆参数相同的涡轮滚刀,对装配误差较为敏感。②螺旋副加紧采用丝杠螺母机构传动,其特点是：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。可达到很大的降速传动比,使降速机构大为简化,传动链得以缩短。能达到较高的传动精度。传动平稳,无噪声。在一定条件下能自锁,即丝杠螺母不能进钉逆向传动。此特点特别适用于作部件升降传动。由于蜗杆传动和丝杠螺母传动均能自锁,即夹紧机构双重自锁，不必再配置制动器。6.3刀架抬起机构设计要想使上，下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计合适的机构使上刀体抬起。本设计选用螺杆-螺母副，在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆-蜗轮带动蜗杆绕中心轴转动时，作为螺母的上刀体要么转动，要么上下移动。当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互咬合，因为这时上刀体不能与螺杆一起转动，所以螺杆的转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离咬合时，上刀体就与螺杆一同转动。6.4上刀体锁紧与精定位机构的设计由于刀具直接安装在上刀体上，所以上刀体要承受全部的切削力，其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。本设计上刀体的锁紧与定位机构选用端面齿盘，将上刀体和下刀体的配合面加工成梯形端面齿。当刀架处于锁紧状态时，上下端面齿相互咬合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动；换刀时电动机正传，抬起机构使上刀体抬起，等上下端面齿脱开后，上刀体才可以绕刀架中心轴转动，完成转位动作。①双差销预定位双差销定位,一般称为反靠定位。具有较高的定位精度和可靠性,并能在有冲击和振动的情况下稳定工作。磨损少,定位附加冲击小。定位精度保持性强。②端面齿盘精定位优点:由于采用了多齿结构,所以定位精度高,一般可达，最高可达；能自动定心,定位精度不受轴承间隙和正反转的影响(也称自由定心)；齿面磨损对定位精度影响不大,随着不断使用磨合,定位精度有可能改善,精度保持性好； 承载能力强,定位刚性好。其齿面啮合长度一般不小于60%,齿数啮合率一般不低于90%；适应性强,齿数的所有因数都可作为分度工位数,容易得到不等的分度；重复定位精度稳定。缺点:齿形加工较为复杂,转位、定位时动齿盘需要升降,并要有夹紧装置,成本高。c.数控转塔式四工位自动回转刀架传动方案的确定:采用蜗轮-蜗杆传动:螺旋副加紧；电磁离合器制动:双插销机构预定位；端面齿盘精定位:霍尔元件发讯。6.5蜗杆副的设计计算6.5.1蜗杆的选型根据GB/T10085-1988的推荐，采用渐开线（ZI）蜗杆，这种蜗杆的端面齿廓是渐开线，所以相当于少一个齿数。6.5.2蜗杆副的材料由于蜗杆传动效率不高，速度也只是中等,故蜗杆用45钢;因希望效率高些,耐磨性好些,故蜗杆螺旋要求淬火硬度为45-55HRC且心部调制蜗轮用铸锡青铜ZcusnlOP1,金属模铸造。为了节约贵重的有色金属,仅齿圈用青铜制造,而轮芯用灰铸铁HT100制造。6.5.3按齿面接触疲劳强度进行设计根据工作要求和条件:功率小,起动转矩低,运转平稳等,无需调速、长期反复工作，异步电动机取转速为1400r/min。由要求:自锁力Q=1000kgf—500kgf,此处取Q=1000kgf。螺旋副传动的牙型为梯形螺纹,可通过较小的扭矩获得较大的轴向力,并要求自锁。梯形螺纹的牙型角α=,则牙型半角P=,且有f=0.08～0.10。由于本刀架锁紧系统中的摩擦是由封闭系统弹性变形力所引起的,压力通常超过3,其摩擦系数比一般2～3倍,取螺杆中径d=85mm. a.求当量摩擦角:，为保证电机驱动力矩消失后刀盘仍处于锁紧状态,丝杠螺母传动必须满足自锁条件:,所以λmax=11.7-1=10.7，由实验表明λ=4～6有满意效果,故取λ=5。b.螺杆的转速n1=28r/min（设计任务书给出）可得出传动比：（7-1）计算电机容量：（7-2） 其中,Pd为电机所需功率:Pw为工作机所需工作功率；是由电动机至工作机主动端的总效率： （7-3）（7-4） 其中分别为轴承、蜗轮蜗杆、联轴器、滑动丝杠的传动效率。取=0.98,=0.45(自锁时传动效率),,（设计任务书给出）W（7-5）c.计算螺杆上的扭矩:（7-6）d.，选取150BF002电机，其技术参数如下：表7.1150BF002电机技术参数电压输出功率转速输入功率质量380V120w1400r/min150w3.0kg额定电流起动转矩/:额定转矩最大转矩/额定转矩起动电流0.47(A)〉2.2>2.4〈6e.各轴的运动动力参数 ①各轴转速I轴(蜗杆轴)=1400(r/min)II轴(丝杠螺母、刀盘)=1400/28=50(r/min)②各轴输入功率I轴（7-7）II轴w（7-8）输出功率I轴（7-9）II轴（7-10）根据闭式蜗杆传动的设计准则,先根据齿面接触疲劳强度进行设计,再校核齿根弯曲强度应有:（7-11）a.用在蜗轮上的转矩：按，取效率则（7-1SEQ(4—\*ARABIC2)b.确定载荷系数K：因工作载荷较稳定,所以取齿向载荷分布系数由表11-5(机械设计第七版)中选取使用系数=1.15由于转速不高,冲击不大,取动载荷系数则（7-13）c.确定弹性影响系数：由选用铸锡磷青铜涡轮和钢蜗杆相配合,故（7-14）d.确定接触系数:先假设蜗杆分度圆直径为和中心距a的比值从图11-18(机械设计第七版)中可查得=2.75e.确定许用接触应力：根据蜗杆材料为铸锡磷青铜ZCuSn10Pi金属模铸造,蜗杆硬度大于45HRC可以从11-7(机械设计第六版)中查得涡轮的基本许用应力=268应力循环次数设计要求寿命为12000h则(涡轮每转一转,每个轮齿啮合的次数)（7-15)寿命系数：则（7-16)f.计算中心距:19（7-17)所以取中心距为20mm；因i=50，故从表11-12中取模数m=1mm6.5.4蜗杆和蜗轮的主要计算参数和几何尺寸图7.2蜗杆尺寸图6.5.5校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度（7-18)当量齿数：（7-19)根据从图11-19中(机械设计第七版)可查得齿形系数螺旋角系数许用弯曲应力从表11-8(机械设计第七版)查得ZcuSn10Pi制造的蜗轮的基本许用弯曲应力。寿命系数：（7-20)（7-21)（7-22)故弯曲强度不满足要求。改用铸铝铁青铜(ZcuAl10Fe3)砂模铸造，其许用应力：（7-23）则（7-24）所以强度满足。6.6螺杆的设计计算6.6.1螺距的确定a.选用T55梯形螺纹丝杆，螺距t=12mm;b.丝杆螺母尺寸：大径：d=46mm小径：=40mm中径：螺母外径：螺母小径：螺母中径：线速n=1。由于连接螺纹要求自锁性。故多用单线螺纹，若要求传动效率高则采用双线或三线螺纹。导程：S=P=12mm螺纹升角：当量摩擦角：，由于选用的是的梯形螺纹，因而。当f=0.1时，，，此丝杆能自锁。c.丝杆螺母的传动效率和驱动扭矩的计算：①效率：②驱动扭矩M：设所受的轴向力P,则螺纹中径的圆周力为，驱动扭矩，，（kgfcm）（7-25)d.校核滑动螺旋传动：滑动螺旋工作时，主要承受转矩及轴向拉力（或压力）的作用，同时在螺旋和螺母的旋合纹间较大的相对滑动。主要的失效形式是螺纹磨损。因此滑动螺旋的基本尺寸(即螺杆直径和螺母高度)，通常是根据耐磨性条件确定的。对于受力较大的传动螺旋，还应校核螺杆的危险截面以及螺母纹牙的强度，以防止发生塑性变形和断裂。对于精密传动螺纹还应该校核螺杆的刚度。耐磨性校核：图7.3刀盘齿形图作用于螺杆的轴向力主要是刀盘重力。螺纹的承压面积（指螺纹工作投影到垂直于轴向力的平面上的面积）为A(),螺纹中径（mm）螺纹工作高度h，螺纹螺距为P(mm),螺母高度H(mm),螺纹的工作圈数n=H/p.=43mmh=25mmP=12mmH=64mmn=H/P=5则螺纹工作面的耐磨性条件为：（7-26）e.强度计算：空心轴工作时，承受轴向力Q和扭矩T的作用，螺杆切应力的作用。螺杆危险截面上既有压缩应力，又有切应力。在校核时根据第四强度理论，求出危险截面的应力。（7-27）（7-28)（7-29)（7-30)，（7-31)，Q=216.86NT=216.86(5.08+8.82)43/2=1153.85Nmm（7-32)（7-33),故强度满足要求。6.6.2其它参数的确定由于机床丝杆螺母的主要失效形式是磨损，以及切削细长螺纹时时刀具磨损使丝杠产生表面缺陷和较大的内应力，所以选择丝杆材料及热处理，应从高的耐磨性，良好的加工性能及长期的尺寸稳定性来进行考虑。选择合金钢40Cr,8级精度，淬硬，热处理使之具有相当的耐磨性。螺母材料选用铸锌铅青铜ZQSn6-6-3,虽然ZQSn10-1非常耐磨，但成本太高ZQSn6-6-3已经能满足要求。6.6.3自锁性能校核根据要求，要求具有自锁能力，所以必须对蜗轮蜗杆的自锁情况进行验算。所需用到的公式式中表示螺旋升角，表示导程，表示牙型角，，代入数据计算得到螺纹升角约为3.312°，通常使用值小于这个度数。式中表示当量摩擦角，表示螺旋副的摩擦系数，查表，取结论我认为这是一个测试，一个对我所学知识的掌握多少的测试。要完成这次的设计，需要我查阅一系列和专业知识相关的书籍，通过查阅资料，可以对以前所学习的知识进行巩固和复习。我的各种能力也在这次设计中得到了锻炼。本次设计不仅仅需要课本上的理论知识，还需要来自实际的工作经验。要想完成就要将两者进行完美的结合，因此不仅仅可以提高我的理论，还可以提高我的实际操作经验。这次设计对我的提高也有很多，其中之一就是我可以将我所学的知识运用起来，让知识不在仅仅是一些文字，更是一些情景，我想我以后在遇到这些一定会想起这次的毕业设计。说得跟具体一点就是这次的毕业设计让我深刻的认识到了将所学变成所会是何等的重要，从此以后，我不在是只会说而不会做的“书呆子”了。现在想想刚开始做毕业设计的时候，总是会在这里那里有所困惑，而每当这时候，都会努力的查找相关资料和寻求李老师的帮助。这些事情至今任在眼前，感慨颇多。是的，从最开始的对夹具的半知半解，到最后通过学习完成设计，这中间所经历的重重事情让我学到了跟多的知识，在用这些知识来对我进行武装升级。通过我的不懈努力，最后终于对我的大学生活做出了一个完美的答卷，不仅如此还让我的人生都得到了完美的成长。以前总以为自己掌握了足够多的知识的我，通过这次的毕业设计终于认清了自己，并且得到了提升。不仅仅如此，我想这次的毕业设计也会对我的人生产生更加深刻的影响。参考文献[1]叶邦彦，陈统坚.MechanicalEngineeringEnglish北京:机械工业出版社[2]濮良贵，纪名刚.机械设计（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2001.[3]文怀兴，夏田.数控机床系统设计[M].北京:化学工业出版社，2005.5[4]夏田.数控加工中心设计[M].北京:化学工业出版社，2006.4[5]陈立德.机械制造装备设计[M].北京：高等教育出版社，2006.4[6]王爱玲.现代数控机床结构与设计[M].北京：兵器工业出版社，1999.9[7]华楚生.机械制造技术基础[M].重庆：重庆大学出版社，2003.[8].甘永立.几何量公差与检测[M].上海：上海科学技术出版社，2005.[9]WilliamOrthwein.MachineComponentDesign.WestPublishingCompany，St.Paul，MN，USA.1990；[10]T.A.Harrisetc.RollingElementBearingsDynamics[J].JournalofBasicEngineering，1959.[11]A.B.Janes.BallMotionandslidingFrictioninBallBearings[J].JournalofBasicEngineering，1959.致谢四年的大学生活是一种短暂的生活，在那里，酸甜苦辣是无法形容的，不能用原话来表达。当论文即将完成时，我要真诚地感谢我所有关心和支持我的朋友，正是因为有了他们，我才能将学业支撑到现在。这篇文章是在导师的指导下完成的。在完成论文的过程中，当我问自己这个问题的时候，是他耐心向我解释了困难的问题。这就是