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1、 数控铣床纵向进给轴设计The Design of the Longitudinal Axis CNC Milling Machine 目录课程设计任务规定3设计计算4工作台部件的装配图设计10滚珠丝杠螺母副的承载能力校验10计算机械传动系统的刚度11驱动电动机的选型与计算13机械传动系统的动态分析17机械传动系统的误差计算与分析18拟定滚珠丝杠螺母副的精度级别和规格型号19设计总结成员分工参照文献道谢词课程设计任务规定1.技术规定工作台、工作和夹具的总质量m=840kg，其中，工作台的质量m0=440kg；工作台最大行程LP=550mm；工作台迅速移动速度Vmax=15000mm/min；工
2、作台采用滚动直线导轨，导轨的动摩擦系数=0.01、静摩擦系数0.01；工作台的定位精度为25m,反复定位精度为18m；机床的工作寿命为0h（即工作时间为）。机床采用主轴电动机，额定功率PE=5kw，机床采用端面铣刀进行强力切削，铣刀直径D=100mm，主轴转速n=300r/min，切削状况如下表所示：切削方式进给速度（m/min）时间比例（%）备 注强力切削0.610主电动机满功率条件下切削一般切削0.830粗加工精加工切削150精加工迅速进给1510空载条件下工作台迅速进给2.总体方案设计为了满足以上技术规定，采用如下技术方案。（1）工作台工作面尺寸（宽度长度）拟定为400mm1200mm。
3、（2）工作台导轨采用滚动直线导轨。（3）对滚珠丝杠螺母副进行预紧。（4）采用伺服电动机驱动。（5）采用锥环套筒联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠直连。设计计算1主切削力及其切削分力计算（1）计算主切削力FZ。根据已知条件，采用端面铣刀在主轴计算转速下进行强力切削（铣刀直径D=100mm），主轴具有最大扭矩并能传递主电动机的所有功率，此时铣刀的切削速度为：V=m/s=1.57m/s若机械效率m=0.8，则可以计算主切削力FZ：FZ=103=103N=2547.77N（2）计算各切削分力。工作台纵向切削力Fl、横向切削力Fc和垂直切削力Fv分别为：Fl=0.4FZ=0.42547.77N=1019.11
4、NFc=0.95FZ=0.952547.77N=2420.38NFv=0.55FZ=0.552547.77N=1401.27N2.导轨摩擦力的计算（1）在切削状态下的导轨摩擦力F，此时导轨摩擦系数=0.01，查得导轨紧固力fg=75N，则F=（W+fg+Fc+Fv）=0.01(8200+75+2420.38+1401.27)=120.27N（2）计算在不切削状态下的导轨摩擦力F0和导轨静摩擦力F0。F0=（W+fg）=0.01(8200+75)N=82.75NF0=F0=82.75N3.计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力（1）计算最大轴向负载力Famax。Famax=Fl +F=(1019.11+
5、120.97)N=1140.08N（2）计算最小轴向负载力Famin。Famin= F0=82.75N4.滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算1）拟定滚珠丝杠的导程L0根据已知条件，取电动机的最高转速nmax=1500 4000r/min得：L0=mm=10mm2)计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷（1）估算在多种切削方式下滚珠丝杠的轴向载荷，见下表：立式加工中心滚珠丝杠的计算切削方式轴向载荷/N进给速度/（m/min）时间比例（%）备注强力切削1140.08v1=0.610F1=Famax一般切削（粗加工）310.77v2=0.830F2=Famin+20%Famax精细切削（精加工）139.
6、75v3=150F3=Famin+5%Famax快移和钻镗定位82.75v4= 1510F4=Famin（2）计算滚珠丝杠螺母副在多种切削方式下的转速ni。n1=r/min=60r/minn2=r/min=80/ r/min n3=r/min=100r/minn4=r/min=1500r/min（3）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速nm。（4）计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷Fm。3）拟定滚珠丝杠预期的额定动载荷Cam（1）由预定工作时间计算。根据载荷性质，有轻微冲击，取载荷系数fw=1.4根据初步选择滚珠丝杠的精度级别为2级精度，取精度系数fa=1；一般状况下可靠性应达到97%，故可靠性系数fc=0
7、.44。Cam=N=7235.78N2）因对滚珠丝杠螺母副将实行预紧，因此可以估算最大轴向载荷。按预载选用预加载荷系数fe=4.5，则Cam=feFamax=4.51140.08N=5130.36N（3）拟定滚珠丝杠预期的额定动载荷Cam。取以上两种成果的最大值，即Cam=7235.78N。4）按精度规定拟定容许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m（1）估算容许的滚珠丝杠的最大轴向变形。已知工作台的定位精度为25m，反复定位精度为18m，根据公式及定位精度和反复定位精度的规定得=（1/31/2）18m =（69）m=（1/51/4）25m=（56.25）m取上述计算成果的较小值，即=5m（2）估算容
8、许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m。本工作台（纵向进给轴）滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用两端固定的支承方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为L=行程+安全行程+2余程+螺母长度+支承长度（1.21.4）行程+（2530）L0取：L=1.4行程+30L0=（1.4550+3010）mm=1070mm又F0=F0=82.75N,d2mmm=5.19mm5）初步拟定滚珠丝杠螺母副的规格型号根据计算所行的L0、Cam、d2m和构造的需要，初步选择南京工艺装备公司生产的FFZD型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副，型号为：FFZD4010-3，其公称直径d0、基本导程L0、额定动载荷Ca和丝杠底径
9、d2如下：d0=40mm，L0=10mmCa=30000NCam=7235.78Nd2=34.3mmd2m=5.19mm故满足规定。6）拟定滚珠丝杠螺母副的预紧力Fp得：Fp=Famax=1140.08N=380.03N7） 计算滚珠丝杠螺母副的目的行程补偿值与预紧拉伸力（1）计算目的行程补偿值 已知温度变化值t=2,丝杠的线膨胀系数a=,滚珠丝杠螺母副的有效行程。 Lu=工作行程+安全行程+2余程+螺母长度 =550+50+220+146 =786mm故=11Lu=（2） 计算滚珠丝杠的预紧拉伸力压 已知滚珠丝杠螺母底径 滚珠丝杠的温升变化值 则8)拟定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号（1
10、）计算轴承所承受的最大轴向载荷FBmax。FBmax=（2）计算轴承的预紧力FBpFBp=（3）计算轴承的当量轴向载荷FBam。FBam=FBp+Fm=（1609,。64+349.28）N=1958.92N（4）计算轴承的基本额定动载荷C。已知轴承的工作转速与滚珠丝杠的当量转速nm相似，取n=nm=230r/min；轴承的基本额定寿命L=0h，轴承所承受的轴向载荷FBa =FBam=1958.92N。轴承的径向载荷Fr和轴向载荷Fa分别为Fr=FBamcos60=1958.920.5N=979.46NFa=FBamsin60=1958.920.87N=1704.26N由于=1.732.17,查
11、得径向系数X、轴向系数Y分别为X=1.9，Y=0.54。故P=XFr+YFa=（1.9979.46+0.541704.26）N=2781.27NC=N=18108.38N（5）拟定轴承的规格型号。由于滚珠丝杠螺母副拟采用预紧拉伸措施，因此将在固定端选用60角接触球轴承组背对背安装构成滚珠丝杠两端固定的支撑方式。由于滚珠丝杠的螺纹底径d2为34.3mm，因此选择轴承的内径d为30mm，以满足滚珠丝杠构造的需要。选择国产60角接触球轴承两件一组背对背安装，型号为760306TNI/P4DFB，尺寸（内径外径宽度）为30mm72mm19mm，选用油脂润滑。该轴承的预载荷能力FBp为4300N，不小于
12、计算所得的轴承预紧力FBp =1609.64N在油脂润滑状态下的极限转速为1900r/min，高于本机床滚珠丝杠的最高转速nmax=1500r/min，故满足规定。该轴承的额定动载荷为=34500N，而该轴承在0h工作寿命下的基本额定动载荷C=18108.38N，故也满足规定。工作台部件的装配图设计将以上计算成果用于工作台（X轴）部件的装配图设计，其计算简图见附图。滚珠丝杠螺母副的承载能力校验1. 滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷Fc的校验 本工作台得滚珠丝杠支撑方式采用预紧拉伸构造，丝杠始终受拉不受压。因此不存在鸭肝不稳定问题。2.滚珠丝杠螺母副临界转速nc的校验由数控铣床工作台计算简图得滚珠丝杠
13、螺母副临界转速的计算长度L2=810mm，其弹性模量E=2.1105MPa，已知材料密度=7.8105N/mm3，重力加速度g=9.8103mm/s2，安全系数K1=0.8，查表得与支承有关的系数=4.73。滚珠丝杠的最小惯性矩为：I=34.34mm4=67909mm4滚珠丝杠的最小载面积为：A= 34.32mm2=923.54mm2因此得：nc=0.8r/min=11480.08r/min本工作台滚珠丝杠螺母副的最高转速为1500r/min，远不不小于其临界转速，故满足规定。3.滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验滚珠丝杠螺母的寿命，重要指疲劳寿命，它是指一批尺寸，规格，精度相似的滚珠丝杠在相似的状
14、况下回转时，其中90%不发生疲劳剥落的状况运转的总转速。 查表得滚珠丝杠的额定动载荷Ca=30000N，轴向载荷Fa=1140.08N，运转条件系数=1.2，滚珠丝杠的转速n=1500r/min，则得：L=106=106r=10.54109rLh=h=117111.11h一般来讲，在设计数控机床时，应保证滚珠丝杠螺母副的总工作寿命Lh0h，故满足规定。计算机械传动系统的刚度1.机械传动系统的刚度计算（1）计算滚珠丝杠的拉压刚度Ks。本机床工作台的丝杠支承方式为两端固定，由数控铣床工作台计算简图可知，滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离a=时，滚珠丝杠具有最小拉压刚度Ksmin，得当a=LJ=260mm时，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度Ksmax，得（2）计算滚珠丝杠螺母
