【文章內(nèi)容簡介】 旋滾珠絲杠副，其公稱直徑為Φ40mm，導(dǎo)程為6mm，精度等級為4級(一般數(shù)控機(jī)床精度等級為4級)，額定動(dòng)載荷為28772N。,具體參數(shù)見表32所示。 CDM滾珠絲杠結(jié)構(gòu)簡圖表32 CDM40065P4型滾珠絲杠的具體參數(shù)公稱直徑基本導(dǎo)程鋼球直徑絲杠外徑螺紋底徑額定載荷（KN）剛度（N/181。m）d0PhDwdd1動(dòng)載荷Ca靜載荷C0a406402191螺母安裝連接尺寸DD3D4BD5D6hMACLL17111090159159M63713854 (4)滾珠絲杠的強(qiáng)度計(jì)算滾珠絲杠主要受切削工件時(shí)所產(chǎn)生的軸向力F和轉(zhuǎn)矩T，而彎矩主要分布在機(jī)床導(dǎo)軌上，作用到滾珠絲杠上的彎矩較小。按照第三強(qiáng)度理論有：(3—8)轉(zhuǎn)矩T根據(jù)滾珠絲杠步進(jìn)電機(jī)選擇計(jì)算(見后3)得，T=20 Nm。 所以，σ[σ]，即滾珠絲杠的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。 (5)縱向滾珠絲杠剛度計(jì)算滾珠絲杠受軸向負(fù)載F引起導(dǎo)程產(chǎn)生的變形量δF：(3—9)式中：Ph=6mm，E=200GPa。滾珠絲杠截面積：則：滾珠絲杠受扭矩T(Nm)引起的導(dǎo)程變化量δT：(3—10)式中：A —絲杠的截面積，A = mm2；Jc —絲杠的極慣性矩， m4；G —鋼的切變模量，對于鋼G= GPa；T —轉(zhuǎn)矩, Nm； 式中,ρ為當(dāng)量摩擦角，tanρ=00025，ρ=176。鋼球和螺紋滾道產(chǎn)生的軸向變形δa：式中，Kz —載荷分布不均勻系數(shù)，與制造精度有關(guān)，通常取Kz =～；Fao—螺母預(yù)緊力，F(xiàn)ao≈ ；ΣZ—Z圈內(nèi)的鋼球數(shù)，滾珠絲杠導(dǎo)程變形總量Σδ：縱向滾珠絲杠剛度KΣδ： 即縱向滾珠絲杠剛度足夠，其剛度可滿足要求。(6) 滾珠絲杠穩(wěn)定性計(jì)算 一端固定一端游動(dòng)結(jié)構(gòu)圖對于經(jīng)濟(jì)性數(shù)控機(jī)床，滾珠絲杠為長絲杠(長度為1500mm)，選用一端固定一端游動(dòng)作為支承，其費(fèi)用比較低廉。計(jì)算滾珠絲杠柔度λ：計(jì)算臨界載荷Fc：即縱向滾珠絲杠穩(wěn)定性足夠。經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)證，縱向進(jìn)給選用滾珠絲杠CDM4006—5—P4，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。3．縱向步進(jìn)電機(jī)選擇計(jì)算步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī), 利用其沒有積累誤差的特點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要是由步進(jìn)控制器、功率放大器及步進(jìn)電機(jī)組成。步進(jìn)控制器是由緩沖寄存器、環(huán)行分配器、控制邏輯及正、反轉(zhuǎn)控制門等組成。它的作用就是能把輸入的脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)行脈沖, 以便控制步進(jìn)電機(jī), 并能進(jìn)行正、反向控制。功率放大器的作用是把控制器輸出的環(huán)行脈沖加以放大, 以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。負(fù)載步進(jìn)電機(jī)功率放大器脈沖步進(jìn)控制器方向控制 步進(jìn)電機(jī)控制的組成參考同類機(jī)床,為了滿足最小步距及減速要求，通過綜合考慮轉(zhuǎn)矩與工作頻率，選用南京菁華數(shù)控工程有限公司生產(chǎn)的三相反應(yīng)式減速步進(jìn)電機(jī)JBF6,。，其主要參數(shù)見表33所示，外形尺寸及安裝尺寸見表34所示。而機(jī)床要求刀架快速移動(dòng)速度: 24m/min, 最大進(jìn)給速度: 3 m/min, 起動(dòng)加速時(shí)間: 30 ms。定位精度：177。計(jì)算與校驗(yàn)如下： JBF6步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu) JBF步進(jìn)電機(jī)表33 JBF6步進(jìn)電機(jī)參數(shù)電機(jī)型號減速比步距角（176。/step）靜轉(zhuǎn)矩（Nm）配用絲杠mm脈沖當(dāng)量mm出軸130BC3100A1:1206長表34 JBF6步進(jìn)電機(jī)外形尺寸及安裝尺寸型號電機(jī)型號DD1D2D3L1L2L3L4H出軸JBF6130BC3100A1304080320250590190長（1） 計(jì)算降速比i:式中，α —步進(jìn)電機(jī)的步距角，176。/step； Ph —絲杠螺距，mm δ —脈沖當(dāng)量，mm/step。故步進(jìn)電機(jī)上安裝齒輪減速比1:1完全符合要求。（2） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J： (311)式中,Jl —負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Jl =J1 +Js 。 J1 —工作臺(tái)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, 式中，m —工作臺(tái)質(zhì)量，m≈80 kg。Js —滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, JM —步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,查廠家提供參數(shù),JM = 1000 kgmm2。所以，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J：考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配的問題，由即縱向步進(jìn)電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM與總的負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jl之比稍大于3，即縱向總的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電動(dòng)機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量基本相匹配，并且在快速進(jìn)給時(shí)能保證強(qiáng)的速度能力，滿足轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的要求。（3）電動(dòng)機(jī)力矩計(jì)算機(jī)床在不同的工況下, 所需轉(zhuǎn)矩不同, 下面分別按各階段計(jì)算:① 加速力矩Ma：② 摩擦力矩Mf： ；Fo為導(dǎo)軌靜摩擦力，F(xiàn)o =3000=600 N。③ 摩擦附加力矩Mo：④ 快速空載起動(dòng)力矩M：因此，選用20 Nm的步進(jìn)電機(jī)完全滿足要求。（4） 最小機(jī)械時(shí)間常數(shù)Tmin :( 312 ) ( 313 )式中， J —總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 ωmax —步進(jìn)電機(jī)的最大角速度，nmax為縱向絲杠最大轉(zhuǎn)速， Tdmax —電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩。電機(jī)輸出的最大電磁轉(zhuǎn)矩Tdmax，查《電機(jī)工程手冊》可知，在加速和減速過程中，按兩倍的額定轉(zhuǎn)矩計(jì)算，即即縱向最小機(jī)械時(shí)間常數(shù)滿足要求在lms1000ms之間(查車床數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù))。經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)證，縱向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選為：三相反應(yīng)式減速步進(jìn)電機(jī)JBF6，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。4. 縱向進(jìn)給軸承選擇計(jì)算滾珠絲杠副的正確安裝及支承，對結(jié)構(gòu)的剛度影響很大。螺母座及絲杠端部的軸承及其支承加工的不精確性和其受力后的過量變形，都會(huì)給進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度帶來影響。因此，螺母座的孔與螺母之間必須保持良好的配合，并保證孔對端面的垂直度，螺母座應(yīng)增加適當(dāng)?shù)睦甙澹哟舐菽缸蜋C(jī)床結(jié)合的面積，以提高螺母座的局部剛度和接觸剛度[12]。常用的支承方式見表34所示。設(shè)計(jì)所選縱向滾珠絲杠的支承形式為一端固定一端游動(dòng)，左端是兩個(gè)角接觸球軸承，右端是一個(gè)調(diào)心球軸承組成的支承結(jié)構(gòu)，可滿足支承要求。與常見的支承方式不同，這種支承更能保證滾珠絲杠的回轉(zhuǎn)剛度，滾珠絲杠的熱變形也較小，結(jié)構(gòu)簡單，投資少，但能保證加工精度。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，縱向絲杠的左端軸承初選兩個(gè)成對的角接觸軸承，輕系列，內(nèi)徑35mm，公稱接觸角250，代號為7207AC，右端軸承初選為調(diào)心球軸承，輕系列，內(nèi)徑20mm，代號為1204。為了保證軸承正常工作，向心角接觸軸承通常成對使用，對稱安裝，本設(shè)計(jì)按外圈窄邊相對安裝(正裝)，簡化計(jì)算時(shí)可近似認(rèn)為支點(diǎn)在軸承寬度的中心處。(1) 縱向滾珠絲杠軸承的受力分析將螺母視為滑塊，其上有軸向載荷，假定集中作用于中徑圓周上。根據(jù)螺旋形成原理，將螺桿沿中徑展開，可以得到一個(gè)斜面。當(dāng)螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)，可視為滑塊沿斜面上升或下降，由力學(xué)受力分析可知，滑塊承受載荷F(軸向力)并沿斜面旋轉(zhuǎn)時(shí)，所需要的水平推力Fh(圓周力)的大小為：根據(jù)力學(xué)知識(shí)，對此支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析， N， N。(2) 縱向軸承的壽命計(jì)算1) 軸承的軸向力計(jì)算向心角接觸球軸承在承受徑向載荷Fr的作用下，將產(chǎn)生使軸承內(nèi)、外圈分離的附加派生軸向力Fd，對于α=25176。的角接觸球軸承Fd = Fr，其方向由軸承外圈端面的寬邊指向窄邊。表34 滾珠絲杠副的支承結(jié)構(gòu)序號支承方式支承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)應(yīng)用1一端裝止推軸承（固定自由式）承載能力小，軸向剛度低短絲杠，調(diào)整環(huán)節(jié)或升降臺(tái)的垂直坐標(biāo)2一端裝止推軸承一端裝深溝球軸承（固定支承式）滾珠絲杠較長時(shí)，為減小絲杠熱變形影響，止推軸承的安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離熱源3兩端裝止推軸承止推軸承再施加預(yù)緊拉力，有助于提高傳動(dòng)剛度。此方式對熱伸長較敏感4兩端裝雙重止推軸承及深溝球軸承（固定固定式）此方式可將絲杠的熱變形轉(zhuǎn)化為止推軸承的預(yù)緊力 左端軸承的附加的軸向力FdA：左端軸承的軸向載荷FaA：右端軸承的軸向載荷FaB：2) 軸承的當(dāng)量載荷計(jì)算①左端軸承的當(dāng)量載荷計(jì)算查《機(jī)械工程手冊》第二版“機(jī)械零部件設(shè)計(jì):動(dòng)載荷Cr = KN，靜載荷C0r = KN。得：X=1，Y=。左端軸承的當(dāng)量載荷，②右端軸承的當(dāng)量載荷計(jì)算查《機(jī)械工程手冊》第二版“機(jī)械零部件設(shè)計(jì)：動(dòng)載荷Cr = KN，靜載荷Cor= KN。得：X=1，Y=。右端軸承的當(dāng)量載荷3) 軸承壽命的計(jì)算①左端軸承壽命的計(jì)算LhA:查《機(jī)械工程手冊》第二版,對于球軸承 ε=3。如果按一天工作16小時(shí)，一年工作300天，此軸承可以使用11年，故所選軸承合適。②右端軸承壽命的計(jì)算LhB:如果按一天工作16小時(shí)，一年工作300天，此軸承可以使用19年，故所選軸承合適。根據(jù)以上設(shè)計(jì)，繪出縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的裝配圖見圖JB07201103。 橫向進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相對縱向進(jìn)給系統(tǒng)較簡單，也是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，使刀架橫向運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來，并要保證其同軸度，提高傳動(dòng)精度。根據(jù)廠家提供CA6140的參數(shù)，然后以Q235鋼為加工材料，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。加工零件的最大直徑d=400mm，主軸最大轉(zhuǎn)速n=1400r/min，刀具選擇YT5和YTl5硬質(zhì)合金焊接式車刀。1. 橫向切削力的計(jì)算和主傳動(dòng)電機(jī)功率的校核同樣是選取粗車時(shí)的切削力為計(jì)算力，刀具選擇YT5，對于長徑比小于200:1背吃刀量ap =1mm，進(jìn)給量f =～，切削速度Vc =60～75m/min。查《機(jī)械工程手冊》第二版“機(jī)械制造工藝設(shè)備(二)：CFc=3600； XFc=；YFc=；nFc=0；KFc=1；CFp=1390； XFp=； YFp=； nFp=0； KFp=1。機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速：取工件毛坯直徑d=410mm，切削速度Vc =70m/min，則主軸轉(zhuǎn)速n：查CA6140機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速系列，可選主軸轉(zhuǎn)速n為63r/min。則可計(jì)算出切削力Fc、進(jìn)給力Ff、背向力Fp 的值切削力Fc： 進(jìn)給力Ff：背向力Fp：切削功率Pm ：主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率PE ：。2. 橫向滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算同縱向滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)相同，滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)即為滾珠絲杠副型號的選擇。(1)計(jì)算橫向滾珠絲杠軸向力綜合車床導(dǎo)軌對滾珠絲杠的作用可計(jì)算縱向滾珠絲杠軸向力F : (2)壽命計(jì)算壽命系數(shù)Kh：式中Lh—滾動(dòng)螺旋副的壽命，從《機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)手冊》～25查得，Lh =l5000h。轉(zhuǎn)速系數(shù)Kn：基本額定載荷Ca: (3)選擇滾珠絲杠的型號根據(jù)計(jì)算的基本額定載荷Ca≥，查表《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》表G18—4，選擇滾珠絲杠的型號CDM2004—5—P4，即外循環(huán)端蓋式雙螺母墊片預(yù)緊右旋滾珠絲杠副，其公稱直徑為Φ20mm，導(dǎo)程為4mm，精度等級為4級(一般數(shù)控機(jī)床精度等級為4級)，額定動(dòng)載荷為10639N[9]。具體參數(shù)見表35所示。表35 CDM20045P4型滾珠絲杠的具體參數(shù)公稱直徑基本導(dǎo)程鋼球直徑絲杠外徑螺紋底徑額定載荷（KN）剛度（N/181。m）d0PhDwdd1動(dòng)載荷Ca靜載荷C0a2041178螺母安裝連接尺寸DD3D4BD5D6hMACLL140665311109M63410047 (4) 滾珠絲杠的強(qiáng)度計(jì)算滾珠絲杠主要受工件切削時(shí)產(chǎn)生的軸向力F和轉(zhuǎn)矩T，而產(chǎn)生的彎矩主要分布在機(jī)床導(dǎo)軌上，作用到滾珠絲杠上的彎矩較小。按照第三強(qiáng)度理論有，轉(zhuǎn)矩T根據(jù)縱向滾珠絲杠軸的步進(jìn)電機(jī)選擇計(jì)算()得，T =16 Nm 。 所以，σ[σ]，即滾珠絲杠的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。 (5) 橫向滾珠絲杠剛度計(jì)算滾珠絲杠受軸向負(fù)載F引起導(dǎo)程產(chǎn)生的變形量δF：滾珠絲杠受扭矩T(Nm)引起的導(dǎo)程變化量δT：鋼球和螺紋滾道產(chǎn)生的軸向變形δa：式中，Kz —載荷分布不均勻系數(shù)，與制造精度有關(guān)，通常取Kz =～；Fao—螺母預(yù)緊力，F(xiàn)ao≈ ；ΣZ—Z圈內(nèi)的鋼球數(shù)，滾珠絲杠導(dǎo)程變形