【正文】 根據(jù)軸承的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、工作溫度、周圍環(huán)境等項(xiàng)條件，以及考慮到軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)材料、操作狀況等因素，綜合選用。因?yàn)楸緯性O(shè)計(jì)的機(jī)床，各軸轉(zhuǎn)速普遍都很小，負(fù)荷也不太大，而且根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以及加工材料怕油的特點(diǎn)，決定選用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。對(duì)于X軸方向進(jìn)給上的軸承，因其成倍的縮短換脂期，故要求選用粘附性好，稠度較大，具有良好的機(jī)械安定性的潤(rùn)滑脂。為防止?jié)櫥瑒┑男钩?，防止灰塵、切屑微粒等其它雜物和水分的侵入，軸承必須進(jìn)行必要的密封，以保持良好的潤(rùn)滑條件和工作環(huán)境，使軸承達(dá)到預(yù)期的工作壽命。由于設(shè)計(jì)的機(jī)床不要求經(jīng)常填充潤(rùn)滑脂，所以要求密封要良好，故所有需要密封的部分均采用毛氈密封，而且在位于軸承座孔的箱體內(nèi)壁處設(shè)擋油盤，既可起到軸向固定的作用，又可以防止灰塵進(jìn)入和潤(rùn)滑脂泄漏。 Y軸傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)計(jì)算負(fù)載扭矩的計(jì)算 負(fù)載扭矩是由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的摩擦力和切削力所引起。即 2M＝FL 其中M為負(fù)載扭矩，F(xiàn)為摩擦力，L為架體移動(dòng)距離F=+f , 為滑動(dòng)摩擦系數(shù) = ，f為刮油片阻力 f==G為刀架總重量 , m=46kg 故F=+=由于存在傳動(dòng)效率和摩擦系數(shù)因素，所以 M= 其中為同步帶的效率＝，為支撐軸承的摩擦力矩 查手冊(cè)得＝30N所以M==考慮到和X軸傳動(dòng)一致， 1. 求計(jì)算功率 查表1039得＝ （以下所用的表和圖均源自《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》）2. 選擇帶型根據(jù)= 應(yīng)選用L型同步帶，3. 選取帶輪齒數(shù),由表1040查得 ＝18，取＝194. 帶輪節(jié)徑5. 帶速 6. 初定中心距7. 選用帶長(zhǎng)及齒數(shù)按表1036選用 ，代號(hào)12008. 求理論中心距采用中心距可調(diào)，9. 齒輪嚙合齒數(shù)10. 基本額定功率查表1041得, =, m=11. 帶寬查表1037選取標(biāo)準(zhǔn)帶寬 ＝ 代號(hào)07512. 作用于軸上的力本書考慮滿足機(jī)床傳動(dòng)的精度要求，故初步?jīng)Q定選用精度很高的HIWIN線性滑動(dòng)導(dǎo)軌，此種線性滑軌為一種滾動(dòng)導(dǎo)引，藉由鋼珠在滑塊與滑軌之間作無限滾動(dòng)循環(huán)，負(fù)載平臺(tái)能沿著滑軌輕易地以高精度作線性運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)的滑動(dòng)導(dǎo)引相比較，滾動(dòng)導(dǎo)引的摩擦系數(shù)可降低至原來的1/50，由于起動(dòng)的摩擦力大大減少，相對(duì)的較少無效運(yùn)動(dòng)發(fā)生，故能輕易達(dá)到μm級(jí)進(jìn)給及定位。再加上滑塊與滑軌間的束制單元設(shè)計(jì)，使得線性滑軌可同時(shí)承受上下左右等各方向的負(fù)荷，上述所列特點(diǎn)并非傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)引所能比擬，因此采用此導(dǎo)軌能大幅提高設(shè)計(jì)機(jī)器的精度和機(jī)械效能。根據(jù)龍門架的傳動(dòng)要求及設(shè)計(jì)尺寸，初步選用LGW 25CA型號(hào)，查表得：基本動(dòng)額定負(fù)荷C=2410kgf＝23618N，基本靜額定負(fù)荷 =38024N，容許靜力矩 (1) 基本靜額定負(fù)荷計(jì)算導(dǎo)軌的受力N1和N2, N1=N2= 式中，F(xiàn)—刀架部件的總重量； L1—刀架中心到滑塊的距離； L2—為兩滑軌中心的距離；代入數(shù)據(jù)得N1=N2=靜安全系數(shù)為：故靜強(qiáng)度安全(2) 基本動(dòng)額定負(fù)荷計(jì)算(a) 壽命的計(jì)算考慮線性滑軌使用的環(huán)境因素，其壽命會(huì)隨運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)、珠道表面硬度及系統(tǒng)溫度而有所變化，所以滑軌壽命為：其中：L為壽命，C為基本動(dòng)額定負(fù)荷，為最大工作負(fù)荷，為硬度系數(shù)，為溫度系數(shù)，為負(fù)荷系數(shù) HIWIN的線性滑軌硬度都為HRC58以上，故查表得， 為預(yù)壓力，初選預(yù)壓形式為Z1，所以(b) 壽命時(shí)間的計(jì)算依使用速度及頻率將壽命距離換算成壽命時(shí)間： 其中：為壽命時(shí)間，為壽命，S為運(yùn)行速率，取S=10m/min故其壽命年限為15年。 主動(dòng)軸的強(qiáng)度校核及設(shè)計(jì)計(jì)算作用于蝸輪的圓周力、徑向力、軸向力為圓周力Ft=2T1/d1=徑向力Fr=Fttan20o=軸向力Fa=G=由圖可知L1=43mm，L2=39mm圖33 軸的受力分析圖 繪軸的受力簡(jiǎn)圖，求支座反力Y方向支反力：由∑MB=0，得－RAY(L1+L2)+FtL2=0RAY=FtL2/(L1+L2)=39/(43+39)=由∑Y=0，得RBY=Ft－RAY==Z方向支反力：由∑MB =0，得－RAZ(L1+L2)－Fad/2+FrL2=0RAZ=(FrL2Fad/2)/(L1+L2)=(20)/(43+39)=由∑Y=0，得RBZ=Fr－RAZ== 作彎矩圖(1) 垂直面彎矩MY圖： C點(diǎn)MCY=RAYL1=43=103Nmm(2) 水平面彎矩MZ圖： C點(diǎn)左邊MCZ=RAZL1=43=103Nmm C點(diǎn)右邊MCZ’=RBZL2=39=104Nmm(3) 合成彎矩M圖： C點(diǎn)左邊MC=（MCY2+MCZ2）1/2=103Nmm C點(diǎn)右邊MC’=（MCY2+MCZ2）1/2=104Nmm 作轉(zhuǎn)矩T圖T=Ftd/2=20/2＝103Nmm 作計(jì)算彎矩Mca圖該軸單向工作，轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力考慮，取a=C點(diǎn)左邊McaC=（MC2+（αTC）2）1/2=（（103）2+（103）2）1/2=103NmmC點(diǎn)右邊McaC’=（MC2+（αTC’）2）1/2= MC =104NmmD點(diǎn)McaD=（MD2+（αTD）2）1/2=αT=103=103Nmm 校核軸的強(qiáng)度（以下所用的表和圖均源自《機(jī)械設(shè)計(jì)》教材）由圖可知，C點(diǎn)彎矩值最大，D點(diǎn)軸徑最小，所以該軸的危險(xiǎn)斷面是C點(diǎn)和D點(diǎn)所在剖面，由45鋼調(diào)質(zhì)處理查表81得σB=650N/mm2，再由表83查得[σb] =60N/mm2則C點(diǎn)軸徑dc≥（McaC/([σb])）1/3=考慮鍵槽影響，軸徑加大5%dc =（1+）=該值小于原設(shè)計(jì)該點(diǎn)處軸徑20mm，安全。D點(diǎn)軸徑dD≥（McaD/([σb])）1/3=考慮鍵槽影響，軸徑加大5%dD=（1+）=該值小于原設(shè)計(jì)該點(diǎn)處軸徑14mm，安全。 精確校核軸的疲勞強(qiáng)度由圖可知，Ⅱ~Ⅸ剖面均為有應(yīng)力集中的剖面，均有可能是危險(xiǎn)剖面。其中 Ⅱ~Ⅸ剖面計(jì)算彎矩相同。Ⅱ剖面與Ⅲ剖面相比較，只是應(yīng)力集中影響不同，可取應(yīng)力集中系數(shù)值較大者計(jì)算即可。同理，Ⅵ、Ⅶ剖面承載情況也相近，可取應(yīng)力集中系數(shù)值較大者計(jì)算。（1）校核Ⅱ、Ⅲ剖面的疲勞強(qiáng)度Ⅱ剖面因配合引起的應(yīng)力集中系數(shù)由副表11查得：kσ=, kτ=Ⅱ剖面因過度圓角引起的應(yīng)力集中系數(shù)由副表11查得：（Dd）/r=（1614）/1=2，r/d=1/14=，kσ=，kτ=因ⅠⅡ剖面主要受轉(zhuǎn)矩作用，故校核Ⅱ剖面。Ⅱ剖面產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力、應(yīng)力幅、平均應(yīng)力為τmax=T/WT=T/(d 3)=τa=τm=τmax/2=45鋼機(jī)械性能查表81得 ：σ1=268N/mm2，τ1=155N/mm2；絕對(duì)尺寸影響系數(shù)由副表14查得：εσ=，ετ= ；表面質(zhì)量系數(shù)由副表15查得 ：βσ=，βτ=；查表15得 ψσ=，ψτ=。Ⅰ剖面的安全系數(shù)為S=Sτ=τ1/（Kττa/（βτετ）+ψττm）=取[S]=~，S＞[S]，所以Ⅱ剖面安全。（2）校核Ⅵ、Ⅶ剖面的疲勞強(qiáng)度Ⅵ剖面因配合引起的應(yīng)力集中系數(shù)由副表11查得：kσ= , kτ=Ⅵ剖面因過度圓角引起的應(yīng)力集中系數(shù)由副表11查得：（Dd）/r=（2520）/2=，r/d=1/20=，kσ=，kτ=剖面因鍵槽引起的應(yīng)力集中系數(shù)由副表11查得：kσ=，kτ=故應(yīng)按過度圓角引起的應(yīng)力集中系數(shù)校核Ⅵ剖面。Ⅵ剖面承受的彎矩和轉(zhuǎn)矩分別為MⅥ=MC（L1B/2）/L1=104（4332/2）/43＝104NmmTⅥ=T=104NmmⅥ剖面產(chǎn)生的正應(yīng)力及其應(yīng)力幅、平均應(yīng)力為σmax=MⅥ/W=104/（203）＝σa=σmax=，σm=0Ⅵ剖面產(chǎn)生的扭剪應(yīng)力及其應(yīng)力幅、平均應(yīng)力為τmax=TⅥ/WT=104/（203）＝τa=τm=τmax/2=絕對(duì)尺寸影響系數(shù)由副表14查得：εσ=，ετ=，表面質(zhì)量系數(shù)同上βσ=，βτ=。Ⅵ剖面的安全系數(shù)為Sσ=σ1/（Kσσa/（βσεσ）+ψσσm）=　.　　Sτ=τ1/（Kττa/（βτετ）+ψττm）=S=SσSτ/（Sσ2+Sτ2）1/2=S＞[S]=~，所以Ⅵ剖面安全。 滾動(dòng)軸承的選擇主動(dòng)軸兩端軸承為向心推力球軸承36303號(hào)查表得： 額定工作壽命 壽命驗(yàn)算(1)受力分析：圓周力軸向力徑向力圖34軸承支撐受力分析圖圖35 軸承受力分析圖(2)設(shè)軸承所受支反力合力為Y方向支反力 R1Y=FtL2/(L1+L2)=39/(43+39)=R2Y=Ft－R1Y==Z方向支反力 R1Z=(FrL2Fad/2)/(L1+L2)=(20)/(43+39)=R2Z=Fr－R1Z==l 計(jì)算派生軸向力查表得7000C型軸承得派生軸向力為： ，則可求得軸承I、II的派生軸向力分別為：l 計(jì)算軸承所受的軸向負(fù)荷 因?yàn)椴⒂蓤D分析知，軸承II被壓緊，軸承I被放松。由此得NNl 計(jì)算當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷軸承I：查表由線性插值法可得：查表得：在稍有波動(dòng)的情況下 由此可求得： 軸承II:查表由線性插值法可得： 在稍有波動(dòng)的情況下 由此可求得： l 軸承壽命計(jì)算：由于，故按軸承II計(jì)算軸承的壽命：所選軸承合格。帶輪軸上的鍵選擇:已知：軸徑D=20mm，查GB109579，GB109679可選，鍵寬b=6mm，鍵高h(yuǎn)=6mm，鍵槽深t=。傳動(dòng)扭矩為T=1960Nmm。根據(jù)輪轂長(zhǎng)度選鍵長(zhǎng)L=25mm，校核擠壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。假設(shè)工作條件有輕微沖擊，可查得許用擠壓應(yīng)力許用剪應(yīng)力，據(jù)校核公式： 及 ，又知鍵的有效工作長(zhǎng)度，鍵與輪轂的接觸高度。 所以該鍵的強(qiáng)度足夠。 在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)中，同步帶傳動(dòng)由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸并通過同步帶實(shí)現(xiàn)各個(gè)坐標(biāo)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。而連接電機(jī)輸出軸和同步帶軸的器件便是聯(lián)軸器。為保證傳動(dòng)精度，消除回轉(zhuǎn)誤差，應(yīng)采取措施消除扭轉(zhuǎn)方向上聯(lián)軸器的連接間隙。由結(jié)構(gòu)選擇本機(jī)床的聯(lián)軸器均為伺服撓性聯(lián)軸器。伺服撓性聯(lián)軸器，無背間隙，遲滯小，最適合于高精度定位使用，元件要素是由螺栓聯(lián)結(jié)，對(duì)于正反運(yùn)轉(zhuǎn)可以發(fā)揮其優(yōu)秀的耐久性。此聯(lián)軸器采用夾緊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，安裝極為簡(jiǎn)單，聯(lián)結(jié)確實(shí)。根據(jù)同步帶軸的尺寸選擇聯(lián)軸器的型號(hào)為SFC030SA 。根據(jù)軸承的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、工作溫度、周圍環(huán)境等項(xiàng)條件，以及考慮到軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)材料、操作狀況等因素，綜合選用。因?yàn)楸緯性O(shè)計(jì)的機(jī)床，各軸轉(zhuǎn)速普遍都很小，負(fù)荷也不太大，而且根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以及加工材料怕油的特點(diǎn)，決定選用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。對(duì)于垂直軸上的軸承，因其成倍的縮短換脂期，故要求選用粘附性好，稠度較大，具有良好的機(jī)械安定性的潤(rùn)滑脂。為防止?jié)櫥瑒┑男钩?，防止灰塵、切屑微粒等其它雜物和水分的侵入，軸承必須進(jìn)行必要的密封，以保持良好的潤(rùn)滑條件和工作環(huán)境，使軸承達(dá)到預(yù)期的工作壽命。由于設(shè)計(jì)的機(jī)床不要求經(jīng)常填充潤(rùn)滑脂，所以要求密封要良好，故所有需要密封的部分均采用皮碗密封，而且在位于軸承座孔的箱體內(nèi)壁處設(shè)擋油盤，既可起到軸向固定的作用，又可以防止灰塵進(jìn)入和潤(rùn)滑脂泄漏。 Z方向傳動(dòng)裝置（刀架）設(shè)計(jì)計(jì)算 Z方向傳動(dòng)裝置（刀架）總體設(shè)計(jì)我們?cè)谠O(shè)計(jì)Z方向傳動(dòng)裝置時(shí)，主要基于以下兩點(diǎn)考慮：一是必須達(dá)到設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)的傳動(dòng)裝置能達(dá)到預(yù)期的功能和作用；二是在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，盡最大可能使傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊，加工方便，成本低廉和使用維護(hù)方便等。本產(chǎn)品的X和Y方向的傳動(dòng)裝置都采用齒形帶傳動(dòng)，但是Z方向與X和Y方向相比較而言，要求能達(dá)到更高的精度，~，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，選用運(yùn)動(dòng)精度很高的滾珠絲桿螺母副和精密定位導(dǎo)軌作為主要的傳動(dòng)元件。由于本產(chǎn)品為單臺(tái)生產(chǎn)，故在Z方向機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，整體采用焊接結(jié)構(gòu)，從而降低成本，生產(chǎn)方便。 選擇電動(dòng)機(jī)：設(shè)計(jì)刀架快進(jìn)速度為100mm/秒。則電機(jī)轉(zhuǎn)速nM應(yīng)為：nM≥v快/Lsp (r/min)式中，v快—工作臺(tái)快進(jìn)速度（mm/min） Lsp—絲桿導(dǎo)程 （mm）即，nM≥=1200（轉(zhuǎn)/分）：電機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是用來克服導(dǎo)軌摩擦，刀架重力作用，傳動(dòng)摩擦，機(jī)械切削力作用，預(yù)緊力作用，支撐軸承的摩擦力矩。Mst=+MMc+Mz式中，Mst—靜態(tài)轉(zhuǎn)矩； —作用于滑塊上的摩擦力矩的總和； MMc—切削力矩； Mz—重力矩，預(yù)緊力作用和支撐軸承的摩擦力矩之和； 圖36是Z方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)單示意圖，圖37為以螺母為研究對(duì)象的受力分析。 X方向：N3sinθ+F1=F2， Y方向：N3cosθ=G, =M1+M2, M1=M2 Z方向：N1=N2重力G=150N, 由于導(dǎo)軌的滑動(dòng)摩擦系數(shù)很小，可忽略作用于滑塊上的f1和f2，同時(shí)切削力產(chǎn)生的力矩也忽略不計(jì)，預(yù)緊力Fao取最大軸向工作載荷Fmax的1/3，即Fao=1/3150=50N。軸承由于預(yù)緊而產(chǎn)生的摩擦力矩MB，可查表得到，M