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摘 要
斜床身臥式數(shù)控車床在機(jī)床產(chǎn)品中是比較實用機(jī)床。其結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來很大的方便，保證工件質(zhì)量的同時提高了加工效率。目前，斜床身臥式數(shù)控車床在我們國家普遍使用。斜床身數(shù)控機(jī)床在我們國家普遍適應(yīng)，更多的是用于汽車、軍工等精密加工中。
該機(jī)床型主要適用在加工高精度的零部件。比如軸類、盤類、套類，以及各種類型各種型號的內(nèi)外螺紋，在加工外形和內(nèi)孔過程中間不必?fù)Q裝。該機(jī)床適用于多類型、批量不是很大的工件的加工，對于一些加工困難、要求高的零部件上能夠充分顯示出它的特點。以滿足不同用戶的加工需要，可以根據(jù)不同的需求，加工不同品種的工件，可以配置不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及加工方式。
在本文中進(jìn)行了對斜床身臥式數(shù)控車床的設(shè)計，其中包括機(jī)床的床身、傳動系統(tǒng)、刀架系統(tǒng)、尾座等，著重對傳動結(jié)構(gòu)中的主傳動結(jié)構(gòu)和進(jìn)給傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。主軸相連的伺服電機(jī)用皮帶把運(yùn)動傳到主軸上，帶輪及同步齒形帶與主軸用鍵聯(lián)接。而進(jìn)給運(yùn)動，即車床上X、Z向的運(yùn)動則通過絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)，絲杠都通過兩端固定的方式固定，一端都通過聯(lián)軸器與伺服電機(jī)相連。
關(guān)鍵詞：滾珠絲杠；伺服電機(jī)；臥式；數(shù)控車床；斜床身
ABSTRACT
Slant bed horizontal series CNC lathe is an economic and practical processing machine tools,mature product structure,quality stable and reliable performance. it sets the versatility and the characteristics of the special lathe, using inclined bed ball linear guide. The most widely coverage of a CNC machine tool, widely used in automobile, petroleum, military industry and many kinds of mechanical processing industry.
This series of machine varieties complete specifications, are mainly used for machining high precision of rotors type parts such as shaft, plate, set of classes, all kinds of internal and external thread and high precision. it can be finished once clamping appearance and inner hole machining.In order to meet the processing needs of different users;According to the needs of users, optional different numerical control system and accessories.
In this article has carried on the design of slant bed horizontal CNC lathe, including the machine tool bed, transmission system, tool post system, tailstock. Of the transmission system of main drive system and feed drive system design.The main servo motor through a belt drive the movement to the spindle, the spindle on the pulley and the synchronous cog belt wheel and spindle by linkage.And feed movement, namely lathe on X, Z to exercise by screw, screw fixed with both ends fixed way, end are connected to the servo motor through the coupling.
Key words：ball screw；servo motor；horizontal type；Distributed Numerical Control（DNC）；Slant bed
目 錄
摘要………………………………………………..…….….…………….............................I
ABSTRACT…………….……………………..……………...............................................II
1 前言……….…………………………………………….…........................……………..1
1.1 斜床身臥式數(shù)控車床的設(shè)計背景...........................………….………….………..1
1.2 斜床身數(shù)控車床設(shè)計的國內(nèi)外背景..........……….........…….………….………..1
1.3 斜床身數(shù)控車床設(shè)計的目的.................................................................................1
1.4 斜床身數(shù)控車床設(shè)計的內(nèi)容.................................................................................2
2 機(jī)床總體方案設(shè)計........................……..….………………………….…..….………….3
3 機(jī)床各系統(tǒng)的設(shè)計….…..….………................................................................................4
3.1 床身………………....................…………………………………………………..4
3.2 傳動系統(tǒng)的設(shè)計……....……………………….………………...………………..5
3.2.1 主傳動系統(tǒng)設(shè)計………....…………………….…………………………...5
3.2.2 進(jìn)給傳動系統(tǒng)設(shè)計…………………………….…………………………...6
3.3 主軸的要求及結(jié)構(gòu)……....…………....……….………………...………………..8
3.4 刀架系統(tǒng).………………................…...............................................................................9
3.5 刀架系統(tǒng)..............................................................................................................................9
4 機(jī)床各系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計計算................................................................................................10
4.1 切削力計算……………………...................………………...………………….10
4.2 滾珠絲杠螺和選型…………………………...……………...………………….10
4.2.1 縱車外圓的計算…………………………….………………………....….10
4.2.2 橫向進(jìn)給的計算…………………………….………………………......13
4.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算…………………......…...……………...…………………...15
4.3.1 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度….......…………....…...15
4.3.2 軸上零件的周向定位…...................................................…………....…...16
4.3.3 確定軸上圓角和倒角尺寸…...........................................…………....…...16
4.3.4 帶立式座外深溝球軸承的校核…...................................…………....…...17
4.3.5 鍵的校核….......................................................................…………....…...20
4.3.6 軸的校核….......................................................................…………....…...21
4.3.7 校核軸的強(qiáng)度…...............................................................…………....…...21
4.4 伺服電機(jī)的選型和計算…………......……...……………...…………………...21
4.4.1 等效轉(zhuǎn)動伺服電機(jī)的計算…...........................................…………....…...21
4.4.2 電機(jī)力矩計算…...............................................................…………....…...22
5 結(jié)論......................……….………….……………………..….……...…..….………...25
參考文獻(xiàn)......................…………….…………………..….…..……………….………….26
致謝......................………………….……………………..…….…………...…………….27
27
1 前言
1.1 斜床身臥式數(shù)控車床的設(shè)計背景
現(xiàn)在一些精密的零件都會用機(jī)床來進(jìn)行加工，在工件的制造加工中，機(jī)床給我們的工作帶來很大方便。機(jī)床行業(yè)的發(fā)展方向很明確，越來越精密，越來越自動智能[1]。我們國家與一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國家比較而言，我們國家相對于他們還相差很多很多。我們國家機(jī)床發(fā)展起步晚，發(fā)展的速度慢，以及科技含量比較低，導(dǎo)致了與發(fā)達(dá)國家有一定的差距。在制造加工中，零件的尺寸變得很細(xì)致，一些精密程度變得很苛刻，迫使對加工工具進(jìn)行深入改革、創(chuàng)新。在工件加工中，尤其是對一些復(fù)雜精密的零件加工中，斜床身數(shù)控機(jī)床表現(xiàn)出了它的優(yōu)點，并得到了大家的認(rèn)可，在機(jī)床行業(yè)中普遍認(rèn)同，受到了各國加工行業(yè)的普遍認(rèn)可，在此基礎(chǔ)上它發(fā)展的很快，很好。
1.2 斜床身臥式數(shù)控車床的國內(nèi)外狀況
我們國家機(jī)床發(fā)展起步晚，發(fā)展的速度慢，以及科技含量比較低，導(dǎo)致了與發(fā)達(dá)國家有一定的差距。這種機(jī)床在我們國家比較低端，發(fā)展的不夠成熟，不夠完善。所以,我們國家應(yīng)極力著眼于這類機(jī)床的發(fā)展，從而帶動其他類型機(jī)床的發(fā)展。從我們國家目前機(jī)床行業(yè)發(fā)展來看，機(jī)床的造價太高，研究比較表面，沒有高科技的含量，沒有我們自己的東西。機(jī)床在出現(xiàn)一些小毛病的時候，整個機(jī)床都會停止工作，影響到工件的加工效率。這種情況使得我國數(shù)控車床在國際市場,和多樣化的今天是很難占據(jù)了重要的地位,因此拉大與發(fā)達(dá)國家的科研設(shè)計制造的差距。我們要正確面對我們國家目前所處的困境與問題，從主要問題出發(fā)，攻堅克難，逢山開路，遇河架橋，發(fā)揮不怕困難的精神，打造我們自主產(chǎn)品的優(yōu)點與特點[2]。將我們打國產(chǎn)機(jī)床在世界機(jī)床行業(yè)中打造成優(yōu)等產(chǎn)品，占據(jù)一席之地，敢于先進(jìn)發(fā)達(dá)國家的機(jī)床產(chǎn)品相媲美，相抗衡。
1.3 斜床身數(shù)控車床設(shè)計的目的
首先這是一次畢業(yè)設(shè)計，只有在這次設(shè)計過程，認(rèn)真學(xué)習(xí)，積極查閱資料。對自己的設(shè)計課題進(jìn)行深入的研究，并有自己的構(gòu)思，自己的想法，在機(jī)械設(shè)計手冊以及參考文獻(xiàn)的幫助下完成自己的這次設(shè)計才能夠順利的畢業(yè)。其次，我們在大學(xué)四年的時間里，對我們的專業(yè)課有了很好地熟悉與學(xué)習(xí)，通過這次設(shè)計，我們可以查缺補(bǔ)漏，對我們所學(xué)的只是進(jìn)一步鞏固，更好運(yùn)用在今后的工作與生活中。
1.4 斜床身數(shù)控車床設(shè)計的內(nèi)容
其設(shè)計內(nèi)容包括車床箱體、傳動零部件部分、主軸、工作臺、刀架系統(tǒng)、尾架等部分的設(shè)計工作。在傳動系統(tǒng)設(shè)計中主要是對滾珠絲杠的設(shè)計選型，安裝方式以及在傳動系統(tǒng)中的作用于安置。
2 機(jī)床總體方案設(shè)計
這次設(shè)計的任務(wù)是斜床身臥式數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)設(shè)計，整體方案采用45度（常見的傾斜角度有45°、60°、75°等）后置斜床身布置，這樣的設(shè)計方便工人師傅在加工過程裝夾零部件，當(dāng)然更有利于對加工屑進(jìn)行排除。在機(jī)床中都會包含以下幾部分，主軸、進(jìn)給系統(tǒng)、刀架、尾座等，結(jié)構(gòu)如圖2.1所示：
圖2.1 斜床身臥式數(shù)控車床結(jié)構(gòu)圖
設(shè)計要求和參數(shù)的擬定如表2.1所示：
表2.1 機(jī)床設(shè)計參數(shù)
機(jī)床名稱
斜床身臥式數(shù)控車床
床身
最大工件回轉(zhuǎn)直徑/mm
400
最大工件長度/mm
1000
最大切削長度/mm
930
最大切削直徑/mm
400
滑板上最大回轉(zhuǎn)直徑/mm
210
進(jìn)給
X軸坐標(biāo)進(jìn)給速度/（mm/min）
3600
Y軸坐標(biāo)進(jìn)給進(jìn)度/（mm/min）
4500
主軸
主電機(jī)功率/kw
7.5
主軸最高轉(zhuǎn)速/（r/min）
1400
機(jī)床最小設(shè)定單位/mm
0.01
刀架
刀架形式
電動多工位立式刀架
重復(fù)定位精度/mm
≤0.01
尾架
最大行程/mm
150
精度
定位精度（X/Z）/mm
0.045/0.05
重復(fù)定位精度（X/Z）/mm
0.010/0.015
加工工件精度
IT6～I(xiàn)T7
3 機(jī)床各系統(tǒng)的設(shè)計
3.1 床身
在機(jī)床種最主要的也是最基礎(chǔ)的就是床身，是最基本的部分。在床身上將會放置機(jī)床中的各個組件以及組裝各個零部件。在構(gòu)思床身的結(jié)構(gòu)時候主要從兩方面考慮：一是機(jī)床各個零部件在床身上的安放位置以及方式，二是其本身的制造材料。
床身的結(jié)構(gòu)一般由放置其上面的組件位置來設(shè)計構(gòu)思的。在機(jī)床行業(yè)中，一般把車床劃分兩大類型--臥式的和立式的。在車床中臥式的又可由導(dǎo)軌的安置方向分為兩大類型:傾斜導(dǎo)軌的和水平導(dǎo)軌的[3]。在一些加工行業(yè)中大都采用的是傾斜導(dǎo)軌的機(jī)床，使用其的主要有以下原因：一是便于實現(xiàn)機(jī)電一體化；二是便于很好的排屑，并且便于自動排屑器的安裝；三是從工件上切下來的熾熱切屑很方便的排到了排屑箱里，不會積留在導(dǎo)軌上，保證了導(dǎo)軌的精度；四是人機(jī)設(shè)計好，工人方便操作等。床身的材料在選擇上一般采用普通鑄鐵。
圖3.1 斜床身結(jié)構(gòu)側(cè)視圖
另外，車床的導(dǎo)軌具有很多優(yōu)點，如接觸剛度大、結(jié)構(gòu)簡單、加工方便。我們之前采用的普通導(dǎo)軌有很多不足的地方：摩擦阻力較大，容易磨損。在追求高質(zhì)量，更好的表現(xiàn)，更高的加工效率，更好的加工表現(xiàn)，在條件許可的范圍內(nèi)，我們選用表現(xiàn)更好的滑動導(dǎo)軌，比傳統(tǒng)的導(dǎo)軌更優(yōu)秀[4]。選材上，因淬硬合金鋼耐磨性較高，所以制造導(dǎo)軌的材料使用淬硬合金鋼材料。綜合以上因素，將GCR15軸承鋼淬硬到HRC65-62加工導(dǎo)軌，再利用外在的約束把導(dǎo)軌安裝在它所在的位置，更好地增加其硬度。
3.2 傳動系統(tǒng)的設(shè)計
在機(jī)床中傳動系統(tǒng)都有很大的共同之處，無論是斜床身臥式數(shù)控車床還是普通的車床，都可以分為進(jìn)給傳動系統(tǒng)和主軸傳動系統(tǒng)。
3.2.1 主傳動系統(tǒng)設(shè)計
在目前的機(jī)床行業(yè)中大都采用較先進(jìn)的無極變速系統(tǒng)。無級變速自研發(fā)出來使用到現(xiàn)在，在使用的過程中不斷改進(jìn)，不端增加科技含量，如今技術(shù)已經(jīng)比較成熟。車床中的主軸電機(jī)一般采用伺服電機(jī)，這樣與編碼器相配合，更能來控制主軸的轉(zhuǎn)速，達(dá)到加工要求。伺服電機(jī)與主軸之間才有帶傳動，提高傳動效率[5]。如圖3.2（a）所示，或者通過帶傳動來帶動主軸旋轉(zhuǎn)，如圖3.2（b）所示。因為主軸電機(jī)采用的是伺服電機(jī)，所以速度很容易被控制和調(diào)節(jié)，這樣就會使主軸的速度以及主軸箱的結(jié)構(gòu)變得很簡單。斜床身臥式數(shù)控機(jī)床在加工零件的過程中，速度是很不固定，經(jīng)常會改變其主軸的轉(zhuǎn)速來加工不同的表面以及結(jié)構(gòu)，這樣才會發(fā)揮其加工復(fù)雜精度高的優(yōu)點以及特點。在加工零件之前都會先把加工程序編制好，輸入數(shù)控機(jī)床的微電腦中，來控制電機(jī)以及刀具來對材料進(jìn)行加工。在加工過程中就會按照程序來按部就班的進(jìn)行，所以無級變速更能適合此處的要求，發(fā)揮無級變速的優(yōu)點。如圖3.2（c）所示：
（a） 變速齒輪 （b） 帶傳動 （c） 電機(jī)直接驅(qū)動
圖3.2 電動機(jī)主軸傳動的方式
采用皮帶將主軸伺服電機(jī)和主軸連接起來進(jìn)行傳遞動力，這種傳動方式與其他傳動方式相比，這樣就會很大的提高了軸部件的剛度，是主軸轉(zhuǎn)動更平穩(wěn)，更能達(dá)到比較好的加工效果。根據(jù)設(shè)計要求以及設(shè)計任務(wù)，可以把主軸電機(jī)的型號進(jìn)行選擇出來。
據(jù)要求電動機(jī)的功率是7.5kw,根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》附表選,額定功率7.5kw,額定轉(zhuǎn)速1500r／min，額定轉(zhuǎn)矩5.0N/m。
3.2.2 進(jìn)給傳動系統(tǒng)設(shè)計
在進(jìn)給傳動的構(gòu)思以及方案制定時一定要充分照顧到本機(jī)器所要面對的工件尺寸以及運(yùn)動范圍。在設(shè)計時根據(jù)事前的調(diào)查以及分析計算合理地規(guī)劃和設(shè)計本部分。在對工件進(jìn)行車削的過程中，進(jìn)給系統(tǒng)對其所采用的方式以及車削的效果起著舉足輕重地作用[6]。所以這一部分一定要嚴(yán)格要用設(shè)計思想去規(guī)劃和設(shè)計。在加工過程中，刀架不但要延X向運(yùn)動，還要延Z向運(yùn)動，所以刀架的設(shè)計要考慮它的運(yùn)動方向以及幅度。
工作臺的運(yùn)動方式以及運(yùn)動方式也是設(shè)計時必須要考慮的，因為在加工的過程中，它也要延X向和Z向不時的移動來帶動刀架來回運(yùn)動從而對零部件進(jìn)行車削加工。所以我在這兩個方向的進(jìn)給上采用的是滾珠絲杠，利用滾珠絲杠可以保證進(jìn)給的準(zhǔn)確性以及平穩(wěn)性。這樣才能夠使工件被加工的更好，得到令人滿意的效果[7]。利用滾珠絲杠來帶動這兩個方向的運(yùn)動就會變得更輕松，更靈活。在滾珠絲杠的安裝時可以對其先預(yù)緊，通過這種方式消除自重產(chǎn)生的變形。如下圖3.3（a）（b）和圖3.4所示：
（a） 橫向進(jìn)給系統(tǒng)
（b） 縱向進(jìn)給系統(tǒng)
圖3.3 橫向和縱向進(jìn)給系統(tǒng)
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1-絲杠 2-套筒聯(lián)軸器 3、7-錐銷 4-螺母 5-墊圈 6-支架 8-支架套 9-進(jìn)步電機(jī)
圖3.4 伺服電機(jī)與絲杠的聯(lián)接
滾珠絲杠在進(jìn)給系統(tǒng)中廣泛的運(yùn)用，是因為它能改變進(jìn)給的運(yùn)動方向，獲得多方向的進(jìn)給。
滾珠、螺桿和螺母是滾珠絲杠的三大組成部分[8]。利用滾珠絲杠可以把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，更好地運(yùn)用到機(jī)床結(jié)構(gòu)中，滾珠絲杠設(shè)計與運(yùn)用的重要意義是把軸承從滾動運(yùn)動轉(zhuǎn)變成了滑動運(yùn)動。現(xiàn)在滾珠絲杠在很多的精密設(shè)備中被應(yīng)用，是因為它具有摩擦阻力十分小的特點。
在一些精度要求高的機(jī)械中大都都會采用滾珠絲杠，因為它會滿足精度要求。除此之外，它還會改變進(jìn)給的運(yùn)動方向，獲得多方面的進(jìn)給，來滿足加工要求。
1）與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為1/3
在傳動系統(tǒng)中如果采用了滾珠絲杠，驅(qū)動力就會是其他傳動方式的三分之一，因為它有滾珠在滾動。相當(dāng)于是用了滑動絲杠副1/3的力矩達(dá)到了相同的效果[9]。
2）高精度的保證
滾珠絲杠副在制造加工過程中，無論是在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上還是在加工條件上都采用和執(zhí)行的是世界上最先進(jìn)最嚴(yán)格的技術(shù)要求。正是因為在這嚴(yán)格的條件下，使用目前最先進(jìn)的加工設(shè)備，才加工制造出了現(xiàn)在這種具有高精度的滾珠絲杠副。
3）微進(jìn)給
正是由于在滾珠在滾珠絲杠副中滾動,才使得滾珠絲杠在加工過程中能夠?qū)崿F(xiàn)精密的微進(jìn)給,避免了爬行現(xiàn)象的出現(xiàn)。
4）無側(cè)隙、剛性高
在滾珠絲杠副上加上預(yù)緊壓力,就可以大大的降低軸向間隙，從而變得無間隙無側(cè)隙,因而滾珠絲杠就可獲得很好的剛性。
3.3 主軸的要求及結(jié)構(gòu)
（1）主軸的要求
1）旋轉(zhuǎn)精度
在傳動系統(tǒng)中，主軸的旋轉(zhuǎn)精度要求很高，這就要求在主軸裝配完成后，對主軸的旋轉(zhuǎn)精度進(jìn)行檢測，保證無載荷的情況下的徑向跳動和軸向跳動。
2）靜剛度
在對工件進(jìn)行車削的過程中為了保證工件所被車削的精度，從而對主軸上地靜剛度規(guī)定很嚴(yán)格苛刻[10]。在主軸組件中很多原因可在運(yùn)轉(zhuǎn)中影響主軸的剛度，原因有很多，在眾多的原因中最主要的還是主軸的結(jié)構(gòu)尺寸，滾動軸承的型號、數(shù)量、配置形式。
3）抗振性
在加工過程中如果出現(xiàn)了震動的現(xiàn)象，就會產(chǎn)生很多對工件不利的影響。然而主軸的這種不良現(xiàn)象受到很多原因影響。比如其靜剛度、零部件的分布等一些因素。
4）溫升和熱變形
大家在學(xué)習(xí)物理知識是就學(xué)到了物體的形狀和尺寸受溫度的改變而改變。在加工過程中，在刀具與工件的摩擦中以及主軸的旋轉(zhuǎn)過程中會使部件的溫度上升，受熱膨脹，從而使得組件變形，偏離原本的位置，偏離加工軌跡，對零件的精度產(chǎn)生誤差，甚至加工的零件作廢。所以一定要考慮到這一點，保證材料在受熱的情況下變形最小，從而保證零部件的加工精度[11]。達(dá)到更好的加工效果。
5）耐磨性
機(jī)床在加工過程中很多時候是長時間的，不間斷的，所以這就要求其耐磨性一定要好。精度受很多因素影響，首先就是軸承對其產(chǎn)生很大的影響[12]。除此之外還有夾具對其產(chǎn)生的影響。為了避免上述問題的產(chǎn)生，要將主軸上的一些部位淬硬至HRC60左右，這樣才能有效地提高其耐磨性。
6）材料和熱處理
主軸在選材時一般不把強(qiáng)度作為依據(jù)。主軸上的尺寸以及主軸的直徑取決于零部件在其上安裝位置以及軸肩的位置、尺寸。當(dāng)這些尺寸都定下來以后，主軸的尺寸也就定了下來[13]。因此，在選擇材料是主要考慮到主軸的材料能夠在溫度影響下產(chǎn)生的形變最小，一定要滿足這個要求，才能使主軸在旋轉(zhuǎn)的過程中更穩(wěn)，達(dá)到更好的加工效果。目前，在主軸地加工制造中，常常采用45號或60號優(yōu)質(zhì)中碳鋼作為主軸上加工型號。然后材料在加工完畢之前，則應(yīng)該對材料進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理和淬火。
（2）主軸的結(jié)構(gòu)
在其材料確定后，其次就要要對它的主要的尺寸來構(gòu)思，來制定方案，來決定它的加工方式及方法。主軸通常制造成階梯形，還有軸肩，這樣更方便裝配。主軸上一些零部件根據(jù)主軸上的軸肩位置進(jìn)行裝配，再加上軸套以及定距環(huán)使得其他零部件在主軸的位置是固定的。在主軸加工時，通常是把主軸加工成中空的，這樣會通過頂錐或者是棒料。在車床的主軸中中空比其他的機(jī)床大一些，但由于剛度條件的影響和限制，在加工時孔徑應(yīng)該保持在外徑的70%以內(nèi)[14]。
3.4 刀架系統(tǒng)
刀具是放置在刀架結(jié)構(gòu)上的，而不是單獨裝夾在床身上的。因此，刀架的設(shè)計也要考慮到刀具的進(jìn)給活動所必須的要求。在某種程度上，一個車床的刀架設(shè)計的水平和先進(jìn)科技性可使機(jī)床的性能得到很好的提升。在車床加工過程中，刀架是直接對工件進(jìn)行車削加工的，正是因為它與工件進(jìn)行直接接觸，所以在加工過程中受到很大的切削抗力。因此，剛度和強(qiáng)度在設(shè)計和構(gòu)思前要充分的分析和研究[15]。因為刀具直接與工件接觸，直接對工件進(jìn)行去材料加工，所以對刀具位置的要求很嚴(yán)格。不僅要做到這些，還要在刀架的設(shè)計過程過程中做到以下幾點：不僅要考慮到刀架的材料與刀具的位置，還要考慮到安全性問題，在換刀的過程一定要保證刀具的轉(zhuǎn)換安全，不可對工人的安全造成威脅。
3.5 尾座
目前的機(jī)床的設(shè)計和使用中上一般都使用的是液壓型尾座。把尾座安裝在導(dǎo)軌上，通過導(dǎo)軌的滑動作用，在上面往返滑動，滑動的位置由工件的長度以及位置來確定。大家都知道，車床上尾座是用來裝夾住頂尖，從而能夠來頂住尺寸較長的工件。還有在工件要求鉆孔、攻絲的時候，也可以把鉆頭裝夾在尾座上，來進(jìn)行加工[16]。尾座的材料要用1級鑄鐵，并要經(jīng)過時效處理。
4 機(jī)床各系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計計算
4.1 切削力計算
縱車外圓時：
= =5360(N) （4.1）
——車床床身最大加工半徑，單位 mm。
求出主切削力后，由 = 1 : 0.25 : 0.4
可求出：走刀方向的切削力 = 1340 N
垂直走刀方向的切削力= 2144 N
橫切端面時：
主切削力：可以取縱切時的1/2。所以=1/2 = 2680 N
同理= 1 : 0.25 : 0.4
可得：走刀方向的切削力 = 670 N
垂直走刀方向的切削力 = 1072 N
4.2 滾珠絲杠螺母副選型
在設(shè)計滾珠絲杠螺母副的的時候應(yīng)該著重對一下幾方面進(jìn)行一下構(gòu)思：首先是滾珠循環(huán)的方式，其次再是其預(yù)緊方式。除此之外的要求就是考慮到：外徑、導(dǎo)程和精度等級等。
4.2.1 縱車外圓的計算
(1)計算進(jìn)給率引力
燕尾型導(dǎo)軌：
(4.2)
式中——切削力
G——移動部件的重量（N）
K——考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，此處K=1.4
——導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，此處= 0.2
帶人數(shù)據(jù)得 = 1.4 × 1340 + 0.2 × (5360 + 2 × 2144 + 800 ) =2272 N
(2)計算最大動載荷
最大動載荷：
(4.3)
式中——工作壽命，單位106r，
——絲杠轉(zhuǎn)速，
——最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min），此處取=0.6
——絲杠導(dǎo)程，（mm），=6mm
——使用壽命，（h），對數(shù)控車床取=15000h
——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，此處為一般運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》表6-2-34可知一般運(yùn)轉(zhuǎn)時取1.3。
帶入數(shù)據(jù)可得:絲杠轉(zhuǎn)速 =50r/min
工作壽命 =45
最大動載荷 =10505.6N
根據(jù)求出的條件查表可得：
采用外循環(huán)螺紋預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副,其額定動載荷為16400N,螺 距為40mm,精度等級為3級。
(3)傳動效率計算
傳動效率：
(4.4)
式中——絲杠螺旋長升角，型滾珠絲杠副為 2°44′。
——摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)=0.003-0.004，其摩擦角約等于10′。
代入數(shù)據(jù)可得
=
=0.94
(4)剛度校驗
①絲杠的拉伸或壓縮變形量
查《機(jī)械設(shè)計手冊》表6-3-23，據(jù)=2272N，=40mm，知:=1.2×10-5(mm)則
=1.2×10-5×1000=1.2×10-2(mm) （4.5)
由于兩端用角接觸軸承和深溝球軸承，對絲杠螺母進(jìn)行了拉伸，剛度可提高四倍，則變形量縮小為：=0.3×10-2。
②滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量
查《機(jī)械設(shè)計手冊》表5-3-55知，W系列2.5圈1列型絲杠副和螺紋滾道間的接觸變形量：=6.4,由于預(yù)緊,=3.2。
③撐滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形
用7304C角接觸軸承，=35mm ,滾動體直徑 =5.35mm,滾動體得數(shù)量Z=18,所以
=0.0077(mm) (4.6)
由于預(yù)緊的存在，= 0.00386 mm
綜上可得，變形量 = 0.003 + 0.0032 + 0.00386 = 0.01006 mm
故選用 型滾珠絲杠副符合要求。
(5)穩(wěn)定性校驗
滾珠絲杠在安裝的時候采用的是推力軸承，在其轉(zhuǎn)動的過程很穩(wěn)，所以不用進(jìn)行穩(wěn)定性的校驗。
4.2.2 橫向進(jìn)給的計算
(1) 計算牽引力之
=1.4×670+0.2×(2680+2×1072+600)=2022.8(N)
(4.7)
(2) 計算最大負(fù)荷C
絲杠轉(zhuǎn)速：
=30(r/min) (4.8)
工作壽命：
=27 (4.9)
最大負(fù)載：
=3×1.2×2022.8=7282.08(N) (4.10)
根據(jù)求出的條件查《機(jī)械設(shè)計手冊》表6-7-58可得：
采用外循環(huán)螺紋預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副型1列2.5圈，其額定動載荷為8800N,螺距 為40mm,精度等級為3級。
(3) 傳動效率計算
傳動效率:
型滾珠絲杠副絲杠螺旋長升角 為4°33′，摩擦角 為10′。
故 =0.965
(4) 剛度校驗
由橫向進(jìn)給的支撐方式，如圖4.1所示:
圖4.1 橫向進(jìn)給支撐方式
由最大牽引力為2022.8N,支撐間距為450mm，絲杠長度較長，需母及軸承預(yù)緊，
①絲杠的拉伸或壓縮變形量
查表，據(jù) =2202.8N，=20mm，知：=4.2×10-5 則
=4.2×10-5×450=1.9×10-2(mm) （4.11）
②滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量
查表知，W系列2.5圈1列型絲杠副和螺紋滾道間的接觸變形量:=6.4μm
由于預(yù)緊，=3.2μm。
③撐滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形
用7319C角接觸軸承，=l5mm ,滾動體直徑=4.74 mm ,滾動體得數(shù)量Z=12,
所以：
=0.0094（mm）（4.12）
由于預(yù)緊的存在：
=0.0047（mm） （4.13）
綜上可得，變形量=0.019+0.0032+0.0047=0.0269mm>定位精度
變形量：
δ=0.019+0.0032+0.0047=0.0083mm<定位精度
由此可知，將滾珠絲杠進(jìn)行拉伸之后，使用型1列2.5圈絲杠副符合要求。
（5）穩(wěn)定性校驗
首先計算產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負(fù)載用下列公式：
（4.14）
式中:
E——絲杠材料彈性模量，鋼材量N/cm2
I——截面慣性矩（單位：cm4），絲杠截面慣性矩,(d1為絲杠螺紋的底徑)
——絲杠兩支撐端距離，(cm)
?z——絲杠的長度支撐系數(shù)，如表4.1所示：
表4.1 絲杠長度支撐系數(shù)
方式
一端固定一段自由
兩端簡支
一端固定一段簡支
兩端固定
0.25
1.00
2.00
4.00
本設(shè)計，絲杠采用兩端固定，故取4.00。
則：截面慣性矩：
=0.3899(cm4) （4.15）
臨界負(fù)載：
=6429.8(N) （4.16）
臨界負(fù)載與最大負(fù)載之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果，則絲杠不致失穩(wěn)，為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取2.5~4。則根據(jù)以求得數(shù)據(jù)，=2.83，故橫向進(jìn)給絲杠選用W1L2005型絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。
4.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.3.1 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
1）為了滿足從動端半聯(lián)軸器的軸向定位要求，A軸段上端需制出一軸肩，又因為在B段上需要安裝軸承及軸承座，故取初步取B段的直徑=40 mm；下端用軸端擋圈定位，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 891-1986，按軸端直徑取擋圈直徑D=45mm。
標(biāo)記為：GB/T 892 B45
從動端半聯(lián)軸器孔長度=50mm,為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上，故A段長度應(yīng)比略短一些，現(xiàn)取=58mm。
2）初步選擇滾動軸承。因軸承同時承受較大的徑向力和較小的軸向力的作用，故選用深溝球軸承。同時考慮實際工作情況及安裝的方便性，選擇帶座外球面球軸承。參照B段直徑、支架套筒內(nèi)徑及帶立式座外球面球軸承標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7810-1995（表7-2-101），初步選取型號為UCP208的帶座軸承。
參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7810-1995（表7-2-101）知，該帶座軸承總寬B=49.2 mm，為了安裝方便，取B段長度=60 mm。
3）由于支架套筒需要從立軸上方裝入，故支架套筒下方需要軸肩定位。又因支架套筒內(nèi)徑為d=50 mm，且主要承受徑向力，故取=70 mm，=15 mm。
4）已知支架套筒內(nèi)徑為d=50 mm，高度為150 mm，為了便于安裝上軸承座，取 =50 mm，=155 mm。
5）由于E段軸上只安裝帶座軸承，故E段軸尺寸同B段軸，即=40 mm，=60 mm。
4.3.2 軸上零件的周向定位
1）從動端半聯(lián)軸器與軸的周向定位。由于工作時需承受一定的沖擊及變載荷，而且在軸端處，所以采用單圓頭普通平鍵連接。按=35 mm、=58mm，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1095-2003（表5-3-18），選擇鍵的截面尺寸為：寬度b=10mm，高度h=8mm。鍵槽用鍵槽銑刀加工，由 長度并參考鍵的長度系列（表5-3-19），取鍵長為L=56 mm（比長度小些）。從動端半聯(lián)軸器與軸的配合為。
2）支架套筒與軸的周向定位。同樣由于工作時需承受一定的沖擊及變載荷，所以采用圓頭普通平鍵連接。根據(jù)立軸連接支架套筒處尺寸d=98 mm，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1095-2003（表5-3-18），選擇鍵的截面尺寸為：寬度b=14mm，高度h=9 mm。鍵槽用鍵槽銑刀加工，由支架寬度并參考鍵的長度系列（表5-3-19），取鍵長L=140 mm（比支架套筒高度小些）。支架套筒與軸的配合為。
3）滾動軸承與軸的周向定位是由過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。
4.3.3 確定軸上圓角和倒角尺寸
參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6403.1-2008（表1-5-10），取軸端倒角為1.645°，各軸肩處圓角半徑參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6403.4-2008（表1-5-12）選取。
4.3.4 帶立式座外深溝球軸承的校核
參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 276-1994（表7-2-66）知，對于深溝球軸承6208，基本額定動載荷=29500N，基本額定靜載荷=18000 N（參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7810-1995（表7-2-101），對于軸承UCP208，基本額定動載荷=22800N，基本額定靜載荷=8200 N），球數(shù)z=9，球徑=12 mm。
（1）受力分析
列平面任意力系的平衡方程，即
=0， =0
=0， =0
=0， =0 （4.17）
求解以上方程，得
= 550+700=1250（N）
=-5565.22（N）
=5565.22（N）
為負(fù)值，說明他的方向與假設(shè)的方向相反，即應(yīng)指向左。
則軸承所受徑向載荷 =5565.22 N
軸向載荷 =1250 N
（2）校核動載荷
按照手冊公式7-2-1計算：
（4.18）
式中：——壽命因數(shù)，軸承預(yù)期壽命=5000 h，查表7-2-23，取 =2.71
——力矩載荷因數(shù)，力矩載荷較小，取=1.5
——沖擊載荷因數(shù)，中等沖擊，查表7-2-25，取=1.2
——速度因數(shù)，轉(zhuǎn)速取15 r/min，查表7-2-24，取=1.305
——溫度因數(shù)，查表7-2-26，取=1
P——當(dāng)量動載荷，按式7-2-2計算
計算當(dāng)量動載荷P。
（4.19）
式中：——徑向載荷，由受力分析知=5565.22 N
——軸向載荷，由受力分析知=1250 N
X——徑向動載荷系數(shù)，查表7-2-65，按下面計算取值
Y——軸向動載荷系數(shù)，查表7-2-65，按下面計算取值
1）計算
==0.965 （4.20）
2）取e的值
查《機(jī)械設(shè)計手冊》表7-2-65，根據(jù)=0.965，取e=0.28
3）計算
=0.225 （4.21）
4）取X、Y的值
查《機(jī)械設(shè)計手冊》表7-2-65，單列軸承，且0.225
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