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1、第四章 实验型数控铣床机械部分设计- 23 -第四章 实验型数控铣床机械部分设计由于所设计的实验型 数控铣床不同于一般实用加工型数控铣床，它主要用来教学实验，加工材料主要是石蜡或塑料，机床设计手册中没有针对此种材料列出铣削力的计算公式，即使套用软的材料来估算铣削力，也难免引起大的误差， 因此，不能完全按照前一章的设计计算方法来进行设计，必须综合考虑， 下面就来介绍实验型数控铣床的 主要设计过程 。4.1 步进电机的选择铣削力由刀具的材料、铣削工件的材料、切削用量等很多因素决定。对于本次铣床的设计，有特殊性，可采用三相异步电动机的电机功率和主轴上传动的功率反估算出工作台进给时的铣削力。这里可以根
2、据经验选用型号为三相异步电动机即可满足实验型数控铣床主轴驱动的要求，其56242AO功率为 90W，。min/1400rn %58该铣床的主传动和进给传动均用电机驱动，进给传动的功率较小，可在主传动功率上乘以一个系数，有机床设计手册查的铣床=0.85。kk主传动功率 P 包括铣削功率，空载功率，附加功率三部分，mPmoPmcP即：P =+，空载功率是当机床无切削负载时主传动系统所消mPmoPmcPmoP耗的功率， 对于一般轻载高速的中、小型机床 ，可达总功率的，现%50取=0.5P，附加功率是指有了切削载荷后所增加的传动件的摩擦功率，moPmcP它直接与载荷大小有关， 可以用下面的式子计算：=
3、，mcPmP)1 (故总功率为：P=+0.5 P+，=0.5P/(2)，mPmP)1 (mP在进给传动中铣削功率)2/(5 . 0PkPct26.9W)58. 02/(905 . 085. 0kW3109 .26切削时主轴上的扭矩为：nPMct n974000第四章 实验型数控铣床机械部分设计- 24 -现用代入得=131.0min/200rn 200109 .269740003nMcmN 设铣刀的最大直径为 8mm，铣削力NFc75.1638 . 00 .131铣削加工时铣削进给抗力与铣削力之间的比值由机床设计手册查得sFcF/=1.01.2，取/=1.0，则=163.75N。sFcFsFc
4、FsF垂直分力与的比值为 0.750.8，取/=0.75，则=122.8N。zFcFzFcFzF（1） 脉冲当量、步距角和丝杠导程的选择脉冲当量、步距角、丝杠导程和降速比 之间的关系为：pboLiiLob p360其中，；stepmmp/01. 0stepb/9 . 0 又由于无减速装置，所以取 1，可得=4 mm。ioL（2） 步进电机转轴上启动力矩的计算)2/()(36bzspqFGFT式中：脉冲当量；p铣削进给 抗力（N）；sF垂直分力 （N）；zFG移动部件的总重量 G=250N；摩擦系数 设=0.2；则=360.01163.75+0.2（250+122.8）/(20.90.58) q
5、T=26.2cmN 由手册可知：/=0.866，qTjmT步进电机最大静转矩=/0.866=26.2/0.866=30.25 jmTqTcmN （3） 确定步进电机最高工作频率，假定=0.02m/spVf/1000maxmaxmaxV第四章 实验型数控铣床机械部分设计- 25 -=10000.02/0.01=2000maxfzH（4）选择步进电机根据以上参数，初选混合式步进电机。 57BYG250E 采用两相四拍的通电方式。相数 :2；步距角；电流 3A；静力矩 110；转动8 . 1/9 . 0cmN 惯量: 330。2gcm4.2 滚珠丝杠的选择（1）进给率引力的估算mF作用在滚珠丝杠上的
6、进给率引力主要包括 切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。本次实验型数控铣床采用圆柱形导轨，其相应的计算公式为：mFzzmdMfFfF2)5 . 01 (式中 、切削分力；xFyFzF主轴上的扭矩；M主轴直径；zd轴套和轴架以及主轴的键上摩擦系数；f由经验取=10 ，zdcm15. 0f已知=122.8 则zFN91.135100 .130215. 08 .122)15. 05 . 01 (mFN（2）最大动负载的计算C选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定的轴向负载作用下，丝杠在回转 100 万转后，在一定的滚道上不产生点蚀现象，这个
7、轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠能承受的最大动负载，可用下式计算：CmwFfLC3第四章 实验型数控铣床机械部分设计- 26 -式中 L使用寿命 以转为一单位，；61061060nTL 丝杠转速（），用下式计算；nmin/r os LVn1000最大铣削力条件下的进给速度（），可取最高进给速度的sVmin/m1/21/3；丝杠导程，（）；oLmm运转系数，见表 4-1：wf表 4-1 运转系数运转状态运转系数无冲击运转1.01.2一般运转1.21.5有冲击运转1.52.5因此 1260；61015000140060Lh；min/6 . 5100041400 1000mnLVo s5 .17619
8、1.1352 . 112603CN（3）滚珠丝杠的选择查表初步选用的型号为，这是一种内循环浮动反向器单螺母2004FFB变位导程预紧滚珠丝杠副， 其主要参数如下： 名义直径：=20mm；基本导程=4mm；钢球直径：=3mm ；oDoLod丝杠内径，此处取 16mm ；丝杠外径=19.2mm ；循环列数 2 2d161d；额定动负载 =4；螺母外径 =60mm；螺母长度 L=48 mm。aCkND（4）传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率)(/tgtg式中 丝杠螺旋长升角，=；tg oo DL 摩擦角， 约为；01 第四章 实验型数控铣床机械部分设计- 27 -丝杠导程；oL丝杠公称直径；oD则
9、 957. 0)60/1020/4(20/4arctgtg（5）刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，故应考虑以下引起轴向变形的因素。 丝杠的拉伸或压缩变形量1在总的变形量中占的比重较大，先计算滚珠丝杠受工作负载mF的作用引起的导程的变形量( mm)oLL=LEFLFom式中：E弹性模数，对钢而言（E=20.1）；610F滚珠丝杠的横截面积（按内径而定）；得 = Lmm5 4103 . 164106 .20491.135 又因丝杠的拉伸或压缩变形量=1LLLo式中 滚珠丝杠在支承间的受力长度（ mm），假设=200 mmLL那么 =1mm45 105 . 6200
10、4103 . 1 滚珠与螺纹滚道间接触变形2当滚珠丝杠加有预紧力，且预紧力为轴向最大负载的1/3 时， 2可减少一半，无预紧力时 ：= 23210038.0ZF dmo式中 一圈的滚珠数，=18；Z33203oo dDZ滚珠数量，=圈数列数=18 2 2=72；那么： ZZZ 第四章 实验型数控铣床机械部分设计- 28 -=。2mm332 1002. 47291.135 310038. 0 其它变形量其它变形量对精度影响不大。 总变形量4.67。34211002. 4105 . 6310mm（6）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
11、床上的进给丝杠一般均为长柱。产生失稳的临界负载22lEIfFz k式中 I截面惯性矩（），；4cm丝杠的支承方式系数，（当一端固定，一端自由时，zf为 0.25）；zfl丝杠两支承端的距离，取 20；cm则 =262222036.3215106 .202 lEIfFz kN91026. 3临界负载与最大工作负载之比称为稳定性安全系数，如kFmFkn果=则丝杠不失稳。一般取=2.54，kn k mknFF kn=2.4 91.1351026. 39 mk kFFn710 kn所以所选丝杠不失稳。（7）滚珠丝杠支承选择本传动系统的丝杠采用一端固定一端自由的结构形式，固定端采用一对型号为 7001C 的角接触球轴承背对背组配。第四章 实验型数控铣床机械部分设计- 29 -4.3 导轨的选择导轨按接触面的摩擦性质可以分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨三种。滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点，是机床上使用最广泛的导轨形式。通过选用合适的导轨材料和采用相应的热处理及加工方法，可以提高滑动导轨的耐磨性及改善其摩擦特性。本次实验型数控铣床的 设计选用滑动导轨中的圆柱形导轨。圆柱形导轨 其优点为 制造简单，内孔可珩磨，与磨削后的外圆可以精密配合。
