CA6140数控改装设计

1 引 言 随着我国工业生产的需要，当前，设备改造是机械工业面临的一个十分重要的 课题，本次设计就是对 CA6140 车床的机械部分进行数控改造，主要是简化机械传动 机构缩短传动链，提高自动化程度与数控相适应，同时也解决复杂零件的加工精 度控制，提高产品质量和生产率，在这次设计内容上主要针对传动系统图和进给系 统改造设计，导轨的改造设计，自动转位刀架的改造设计等。为达到本设计的目的， 必须查阅相关资料以及向老师请教，同时也得到相关企业参观考查。 就目前，经济型数控机床，仍然是我国市场经济需要量最大、销售量最高。在 利用我国现有的大量闲置旧机床，对旧机床进行数控化改造，研制出一种新型高效、 多能的经济型数控机床，是一种推陈出新、盘活存量资金的有效方法和低成本自动 必由之路。 而随着科学技术和社会生产力的迅速发展，对机械产品的质量和生产率提出了 越来越高的要求，为使机械加工工艺过程自动化成为实现上述的最重要措施之一。 它不仅能够提高生产质量、提高年产率、降低生产率、降低成本，还能够极大地改 善生产者的劳动条件。 数控技术和数控机床的延生于二十世纪中叶，经过半个世纪来，数控系统经历 了从硬件到计算机数控两个阶段和从电子管数控到基于个人计算机数控平台六代的 发展，数控机床的控制轴数已由半轴的点位控制。两轴联动发展到五轴以上联动， 基本上已实现数控自动化。由于数控系统的优越性，目前，在工业发达国家中，数 控机床的应用几乎已扩展到所有加工领域。 现今，经济型数控机床，仍然是我国市场需要量最大，销售量最高的数控机床， 而利用我国现有大量闲置的旧机床，对其进行数控化改造，研制出一种推陈出新， 盘活存量资金的和低成本自动必由之路，而我们研制的 CA6130 小型数控车床正是这 个思路的探索与实践。 因此，为了提高产品质量提高产品精度，减少劳动强度，降低成本，实现自动 化，对我国原有普通车床进行经济型的数控改造，是当前机械工业的一个十分重要 的课题。 2 CA6140 数控车床主要技术参数 最大加工工件直径：400 毫米 最大加工工件长度：1000 毫米 主轴孔径：48 毫米 主轴前端孔锥度：莫氏 6 号 进给量和螺距范围 纵向：0.0120.48 毫米 横向：0.0210.24 毫米 快速进给速度 纵向：3 米/分钟 横向：1.5 米/分钟 主轴转速： 正转 12 级 101400 转/分钟 主电机 功率：7.5 千瓦 转速：1440 转/分钟 控制坐标数目：2 个 脉冲分配方式：逐点比较法 输入方式：绝对值或增量值输入 脉冲当量： Z 轴（纵向）：0.01 毫米/脉冲 X 轴（横向）：0.005 毫米/脉冲 车床外形尺寸：长宽高 266810001190 毫米 3 第 1 章 总体设计方案的确定 CA6140 车床主要用于中小型轴类。盘类以及螺纹零件的加工。这些零件的加工 工艺要求完成的主要任务是：控制主轴正反转和实现其不同切削速度；刀架能实现 纵向和横向的进给，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具、冷却泵、润 滑泵的合、停；加工螺纹时保证主轴转一致，刀架移动一个补加工螺纹的螺距或导 程。这些内容是数控改造系统控制的对象。根据 CA6140 车床的有关数据资料，确定 CA6140 车床的机械改造方案为： 1.传动系统的改造 将 CA6140 的正转 24 级和反转 12 级改为正转 12 级和反转 6 级的简易经济型数 控机床。在满足基本转速范围和工作性能要求同时，简化传动机构，缩短传动链， 并在主轴后端安装光电编码器，将 CA6140 车床的手动分级变速改造为自动分级变速， 使之具有操作方便，结构简单的特点。 2.进给系统的改造 Z 轴（纵向）进给系统。拆除原机床的进给箱。溜板箱。光杆和丝杠，将步进 电机布置在原丝杠左端，利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装减速齿轮箱，步 进电机采用 V 带轮减速。将滚珠丝杆代替原丝杠，仍安置原丝杠位置，滚珠丝杠采 用可预紧安装方式，安装方式以减少或消除丝杆产生的弯曲变形，使丝杆拉压刚度 有较大提高。工作时，步进电机经 V 带传动到主轴箱内，将拖动扭矩传给滚珠丝杠 副，带动大拖板连接沿纵向往复运动。 X 轴（横向）进给，将步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床 大拖扳连接，步进电机，齿轮箱体安装在中拖的后侧。 第一刀架的改造：拆除原刀架和小拖扳，换上数控刀架。 第二电动尾座改造：该改装可根据加工需要使刀具自动进给或手动进给，采用 链传动和牙嵌离合器，结构简单可靠。 4 第 2 章 主传动系统设计 CA6140 型车床，其主动链可使主轴获得 24 级正转（10-1400r/min）和 12 级反 转（14-1580r/min） 。首先分析一下 CA6140 的传动路线，运动由电机 （7.5kw，1450r/min）经 V 带轮传动副114mm220mm 传至主轴箱中的轴 I，在 轴 I 上装有双向多片摩察离合器 M1，使主轴正转反转或停止。当压紧离合器 M1 左 部的摩擦片时，轴 I 的运动经齿轮副 56/38 或者说 51/43 传动轴，使轴获得两 种转速。压紧右部摩擦片时，经齿轮 50 轴上的空套齿轮 34 传给轴上固齿轮 30，这时轴 I 至轴间多一个中间齿轮 34，使轴的转向与经 M1 左部传动时相反。 反转转速只有一种，当离合器处于中间位置时，左右摩擦片都没有被压紧，轴 I 的 运动不能传至轴，主轴停止。运动由轴传往主轴有两条路线： 1. 高速传动路线：主轴上的滑移齿轮 50 移至左端，使之与轴上右端的齿轮 63 啮合，运动由轴经齿轮副 63/50 直接传给主轴，得到 450r/min 至 1400r/min 的 6 种高速。 2. 低速传动路线：主轴上的滑移齿轮 Z50 移至右端使主轴上的齿式离合器 M2 齿合轴的运动经齿轮副 20/80 或 50/50 传给轴，又经齿轮副 20/80 或 51/50 传 给轴，再经齿轮副 26/58 和齿式离合器 M2 传至主轴，使主轴获得 10500r/min 的低速。 从 CA6140 车床传动路线分析可得出其还存在以下缺点： CA6140 传动路线矿长，传动机构较多，其中传动轴最少有 4 根，最多有 6 根，主轴正转，齿轮副数最少有 3 对，最多有 5 对，反转时，最少有 4 对，最多有 6 对，这不仅使箱体结构尺寸复杂，造价费用高，而且降低传动效率，降低加工精 度。 CA6140 车床主轴能够获得 12 级反转转速。作为普通车床，主轴反转不是用 切削加工，而且用于车削螺纹时，切削完一刀之后使车刀沿螺纹线退回，以便提高 加工精度，但实际应用中，通常使用的只是其中 2 至 3 种。 在传动路线上，滑移齿轮达 5 对之多，因滑移齿轮都是采用花键联接，这就 使得花键轴强度.刚度.材料比普通要高，成本显然也高。 当主轴正转时，轴 I 上 Z=56 齿轮带动轴上 Z=38 齿轮，轴转速很高，此 时轴 Z=39 齿轮带动齿轮 Z=41，使轴也高速旋转，也使轴右端齿轮 Z=63 高速 5 转动。即使空载线速度也很高，也是一个重要的噪声源。 此次 CA6140 数控改造设计机械设计部分，其设计任务的基本要求为：简化机 械传动机构，缩短传动链，提高传动精度。参照有关机床数控改造资料对 CA6140 改 造成主轴为 12 级的经济型数控机床。此改造方案有以下优点： 与 CA6140 车床相比，改造后减少了 2 根传动轴，而且只有 3 对齿轮传动， 简化了传动机构，缩短了传动链，减少制造成本费，提高了传动精度。 改造后，有 12 级正转（31.5r/min 至 1400r/min）和反转 6 级（31.5r/min 至 1350r/min）转速范围与 CA6140 基本相同，至于最低转速只有 31.5 转/分钟，但 进给机构及刀架都已自动化，所以这种转速能够满足使用要求。 经改造后，滑移齿轮由原来的 5 对减少到 3 对，不仅减少了轮齿数和齿轮传 动轴，而且总体结构得到简化，造价费用也可减少 1/4。 经改造后，改造了齿轮的加工工艺，同时也降低了齿在主轴上啮合线速度， 减少了噪声源。 价格便宜。仅数控系统与国外同类型系统相比，前者只要 12 万元，而国 外系统则要十几至几十万。 解决复杂零件的加工精度，提高生产率。 提高工人素质，减轻工人的劳动强度，促进技术进步和科技成果的普及应用。 第 2.1 节 转速图的拟定 2.1.1、绘出数控车床的传动原理图 数控车床的传动原理与卧式车床原则上相同，只是许多地用电联系代替了机械 联系。 根据普通车床原理图及有关资料1和设计要求，确定卧式数控车床原理图如下 图所示： 6 2.1.2、公比 确定 由于设计的车床是普通型，从使用性能方面考虑公比 最好选小些，以便减少 相对转速损失，但公比 太小，级数就多，将使机床的结构复杂，对于一般生产要 求较高的普通车床，减少相对转速损失是主要的，根据以上原因及资料1选定公比 =1.26 2.1.3、结构式的拟定 已知设计的车床类型为普通型，主轴的转速级数确定为 12 级，选定公比 =1.26 拟定该车床的结构式有以下几种： a.12=312326 b.12=312623 c.12=322126 d.12=342122 e.12=322621 f.12=342221 为了减少主传动件结构尺寸，根据三个基本原则：传动副数“前多后少”原则； 传动线“前密后疏”的原则；降速“前慢后快”的原则；同时也考虑安全可靠，需 在第一轴上装一个安全离合器。 因此确定结构式为：2=212234 2.1.4、验算传动组的变速范围 检查传动组的变速范围，我们只需检查最后一个扩大组。因为其他传动组的变 3 4 7 速范围都比它小，根据公式 8-21求得 Rmax= Xn(p2-1)=6.35300mm 时采用轮副式。这里 D=220mm，d=24mm，可采用孔板式带轮结构，其各部分 尺寸由表 8-12 及公式2分别求得如下： bp=19mm hf=16mm ha=5mm e=25mm f=17mm =10mm B=(Z-1)e+2f=(3-1)25+217=84mm Dw=D+2ha=220+25=230mm d1=(1.8-2)d=(1.8-2)24=44mm D1=D-2(hf+)=220-2(16+10)=168mm D0=0.5(D1+d1)=84+22=102mm d0=(0.2-0.3)(D-d1)=(30-22)=26mm L=(1.5-2)d=36-48=42mm C=(1/7-1/4)B=12-21=16mm V 带带轮结构如图 2-1 所示： 11 图 2-1 V 带带轮结构图 第 2.4 节 齿轮的设计 2.4.1、确定齿轮类型、材料、精度 为了保证加工工件的精度，减少机床振动，在主轴上的齿轮应选斜齿轮，以减 少轴向力，径向力等因素的影响，其余的齿轮都选用直齿圆柱齿轮。考虑到车床的 功率较大，故各对齿轮都选用硬质齿面，由表 1012选用齿轮的材料均为 40cr， 调质及表面淬火。故初选 7 级精度。 初选小齿轮齿数为 Z=21，Z=87，螺旋角 =14 1按齿面接触强度设计 按式 1022，先确定公式内的各计算值： （1）试选 Kt=1.6 （2）由图 10302选取区域系数 ZH=2.433 （3）由图 10-262查得 a1=0.87， a2=0.87 则 a=a1+a2=1.65 12 （4）计算大齿轮传递的转矩 P3=7.50.960.992=7.057 N3j=125r/min 故 T1=95500007.057/125=5.39Nmm （5）许用接触应力H=(+ )/2=1041.5Mp，其他有关参数是参照例题 （1012） 。 试算小齿轮分度圆直径，由公式（1022）求得： d1t69.599770mm 计算圆周速度 V=d1tn1/601000=0.3297m/s 符合要求。 计算齿宽 b 及模数 mnt b=dd1t=0.970=63mm mnt=d1tcos/Z=70cos14/21=3.23mm h=2.25mnt=7.275mm b/h=8.65 计算纵向重合度 =0.31d8Z1tg14=1.713 计算载荷系数 K 已知使有系数 KA=1，根据 V=0.3505m/s，7 级精度，由图 1082查得动载系数 Kv=1.11；由表 1042查得 KHB=1.14，由图 10132查得 KFB=1.37，由表 1032 查得 KHA 1.2，故载荷系数为： K=KAKVKHAKHB=1.88 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式 1010a2得： d1=78.53mm 计算模数 mn=d1cos/Z=74.42cos14/21=3.43mm 故取 mn=3mm 5几何尺寸计算 计算中心距 13 a=(Z1+Z2)mnt/2cos=167.01mm 圆整后为 167mm 计算大小齿轮的分度圆直径 d1=Z1mn/cos=64.95mm d2=Z2mn/cos=269.07mm 计算齿宽 b=dd1=0.964.95=58.455mm 圆整后取 B2=58mmB1=64mm 其他结构尺寸根据图 10-392求得： 符号数值(mm)符号数值(mm) ha3D3144 hf3.75D1191.5 da275.07D228 df261.57r5 Do239C14 6齿轮结构图 根据齿轮结构尺寸要求，当齿顶直径 160da500mm 时，做成腹板式，如齿轮 零件图所示。 第 2.5 节 轴的 结构设计 此次改造技术采用的结构与原来的 CA6140 结构大部分相同。I 轴上有三个传动 副及摩擦离合器与 CA6140 相同； II 轴上有三个固定齿轮和一个二联滑移齿轮与 CA6140 相同；III 轴上左端采用的是二联滑移齿轮，右端采用的是三联滑移齿轮与 CA6140 的左端是三联滑移齿轮，右端是三个固定齿轮基本相似。故改造时只需把右 端轴的结构改为花键轴即可。从前三轴来看，结构，尺寸，基本相同，故前三轴不 作大改动，基本结构及轴承保持不变。这样为改造成本减少许多，提高了改造方案 14 的经济性，轴 IV 是将 CA6140 的固定齿轮 58 和内齿式离合器 50 去掉，将部分改造 设计成三对固定齿轮 87，64，40，将操作杆拆除掉，安装上主轴控制旋转开关，并 在主轴的后端安装脉冲发生器，它们之间用弹性联轴节联接安装，保持与主轴同步。 在加工螺纹时，使主轴转速与纵向滚珠丝杆的转速保持一定的数量关系，从而能按 数控加工指令加工出指定的螺纹，主轴上的其它部分均保留不变，不作改造设计。 根据 CA6140 的主轴结构及尺寸，将主轴改造为如主轴零件图所示。 第 2.6 节 轴承的改造设计 CA6140 机床原来的主轴支承为前后支承，经改造后改为前中后支承，以前中支 承为主支承，后支承为辅助支承，考虑到经济性，其前后支承不进行改造，只将中 间支承的轴承 E32216 拆除，在其位置上用加强筋加以支承，更换轴承 D3182120， 同时 I，II，III，IV 轴上各个支承均保留不变其原来的位置及型号。 将 IV，VII 的各个支承轴承拆除。 第 2.7 节 主轴脉冲发生器 主轴脉冲发生器也叫光电编码器。其作用是当数控机床加工螺纹时，用主轴脉 冲发生器作为车床主轴位置信号的反馈元件，它应与车床主轴同步转动，并发出主 轴角位置变化信号，输送给计算机。计算机按所需加工的螺距进行处理，控制机床 纵向或横向步进电动机运转，实现加工螺纹的目的。其加工螺距为： 6，5，3.5，3，2.5，2，1.75，1.5，1.25，1，0.75，0.6，0.5，0.4，0.3，0.25 共 18 种。 主轴脉冲发生器的安装，通常采用两种方式：一是同轴安装，二是采用异轴安 装。 同轴安装的结构简单，联接方便。但缺点是安装后不能加工穿出车床主轴孔的 零件，而异轴安装则没有这个缺陷，所以目前经济数控系统改造卧式车床，多采用 同轴方式。 主轴脉冲发生器从传动联接方面分为刚性联接和柔性联接。所谓刚性联接就是 常用的轴套方式联接，这种联接对联接件的制造精度和安装精度要求较高。因为同 轴度的差，会引起主轴脉冲发生器的偏扭，造成信号不准，甚至损坏内部光栅盘。 另一种联接方式为柔性联接，即车床主轴与主轴脉冲发生器之间用弹性元件联接， 15 常用的元件为波纹管和橡胶管。这是较为适用的授联接方式。须引起注意的是，主 轴脉冲发生器属精密光学元件，安装时应格外小心，以免损坏光栅盘。另外，在使 用中还应注意最高转速，使用时车床主轴不能超过此转速。最好能做到使用时可将 其装上，不使用时将其脱开，以延长其使用寿命。 第 2.8 节 主轴电动机的选择 电动机是机床的一个核心部件，它的选择直接影响到机床的工作性能及加工精 度，为了满足要求，选择合适的 主轴电机需从以下几个方面考虑: .8.1、主轴的基本要求. 机床主轴除了作高速回转外，还要承受径向，轴向的切削力，主轴在弯曲、扭 转、交变载荷下按照要求进行起动增速，减速和停止等，因此电机一般要求较高. .8.2、主轴电机的使用要求 与一般用途电机一样，主轴电机满足驱动的基本要求即:电机的输出功率，转速， 转距等机械负载相匹配.另外不要考虑使用环境，应用场合，工作和使用电源等.因 主轴经常起动、加速、切削、制动，停止这样循环，故机床主轴电机对其控制要求 是恒速运动时要求，平稳，转速波动小，抗干扰能力强，调速范围宽，并连续可调， 电机起动，制动安全可靠. .8.3、电机工艺性经济性要求 为适应市场经济需要，主轴电机制造必须具备下列条件: 1)主轴及电机的制造工艺性好. 2)主轴电机的装配，调试，维护性能要好. 3)主轴电面应具有效率高，寿命长，体积小，重量轻，可控制性好. 根据以上要求，我们选择步进电动机.其优点是: 一是在工作状态下对各种干扰因素不敏感。电压的波动，电流的数值，波形， 温度的变化等干扰因素在其大小未引起步进电机出现“失步”现象前，不影响其工 作状态； 二是误差不会长期积累。步进电机的步距角是有误差的，当转子转过一定步 数以后也出现积累误差，但转过 360以后，积累误差则为“零” 。 16 第 2.9 节 其他辅助设备的改造设计 .9.1、减少热源的热量 根据有关资料对 CA6140 机床的试验分析，床头箱的主要热源以主轴轴承的发 热为主，其前轴承就更为明显，而轴承的发热源于液体的动力摩擦，它随润滑油的 粘度降低而下降，前轴承的 AT 及主轴前端部提高量 DB 约与润滑油的动力粘度少 0.40.5 次方的关系。故改用 T2 高速机油代替原来 30#机油，便可使热量减少，使 DB 下降到 47%左右，同时，增大主轴前轴承侧的供油量至 1.52 公升/分，并用油 管将油从前中轴承侧面射进前中轴承的滚子部分，以减少前中支承的发热量。 .9.2、各部件间的温差 从 CA6140 机床的试验证明：主轴前部提高 DB 是由主轴箱的热变型（占 60%）及机床床身的热变（占 40%）两部分组成，床身的热变形对于主轴中心线相对 于床身导轨的不平行性 Aa 的影响尤为显著，约占 84%左右，其中 78%是和下部分的 变形导致的，6%是导轨部分变形产生的，将润滑油箱另外独立于机床，采用强制性 循环润滑，这样不仅消除了次生热源，同时使油和箱也起到了散热作用。 .9.3、 主轴箱的密封 箱体内拆除的零件所留下来的孔径，用塞子把其塞住，以防灰尘杂质进入主 轴箱内产生摩擦热变形及降低加工精度。 17 第 3 章 进给系统设计 第 3.1 节 概 述 进给传动系统的改装，应根据机床自身精度及性能来决定： 由于旧车床的改造，一般都是将原来的机床进给传动系统，即由主轴箱通过挂 轮架带动进给变速箱，将运动传给光杠或丝杠，再驱动床鞍或中滑板运动的传动过 程，改装为由功率步进电动机通过消隙减速传动齿轮，直接带动滚珠丝杠，使刀架 分别实现纵向运动和横向运动，进行两个坐标的控制。在机床改造过程中，必须拆 除机床上原有的溜板及主轴箱等保留部件进行修理，使精度能达到大修要求。 精度符合要求的卧式车床，进行数控化改造，一般对车床部件不做大的运动， 只是把床鞍的纵向滑动丝杠副改造为纵向滚珠丝杠副。在纵向滚珠丝杠的右端安装 一消隙减速箱和功率步进电动机。同时，也把中滑板的端向滑动丝杠副改为横向滚 珠丝杠。在横向滚珠丝杠的外端安装一消隙减速箱和功率步进电动机。从而，使车 床的纵向和横向运动既能用微机系统进行控制，又能由操作者进行普通操作。在机 床改造中，只要把溜板箱中的开合螺母及中滑板上的滑动螺母拆除，在合适位置上 安装好滚珠螺母座即可。在电气控制方面，为了避免数控操作与普通操作相干涉发 生操作失误现象，必须由电气连锁开关控制操作转换。 对于全新或较新车床来说，在进行简易数控改造时，一般都是全部保留车床的 零部件。直接把消隙减速箱和功率步进电机分别安装在纵向滑动丝杠的右端和横向 滑动丝杠的外端。从而也可以使车床同时具有普通操作功能和简易数控功能。这时， 要注意的问题同样是必须避免数控操作与普通操作相干涉，发生操作失误现象。在 普通操作与数控操作的转换中，必须由电气连锁开关控制，若要进行数控操作，必 须把连锁开关至“数控位置” ，合紧开合螺母方可进行。 第第 3.23.2 节节 进给系统设计与计算进给系统设计与计算 .、纵向进给系统的设计与计算 纵向进给系统的设计 经济型数控车床的改装一般是步进电动机经减速后驱动 丝杠转动，螺母固定在溜板箱上，带动床鞍运动。步进电动机要安装在丝杠的任意 18 一端，对于车床改造，外观不必像产品设计要求的那么高，而应从操作、改造方便、 实用等方面来考虑。 纵向传动滚珠丝杠改装，纵向传动滚珠丝杠，应采用三点支承的形式。若结构 中保留进给变速箱，可以使滚珠丝杠的左端通过联轴套直接连接在进给变速箱的原 丝杠联接轴上。若结构中拆除了进给变速箱，则滚珠丝杠的左端可以一个专用轴承 支座，采用轴套式滑动轴承作为径向支承，在滑动轴承的两侧分别布置一对推 动球轴承，进行轴向支承，并且使支承短轴与滚珠丝杠通过轴套联接起来。 滚珠丝杠的右端通过一个联轴套和消隙减速的输出轴联接起来，并且在三杠 托架上布置一个轴套式滑动轴承作为径向支承，对消隙减速箱的输出轴进 行支承，消隙减速箱固定在三杠托架上。滚珠丝杠的中间支承为滚珠螺母与 床鞍直接联接。因此。滚珠丝杠对脏物敏感，要加防护罩。 纵向进给系统的计算： 已知条件： 工作台重量：g=800N(根据图纸估算) 时间常数：T=25ms 滚珠丝杠导程：Lo=6mm 行程：=640mm 脉冲当量：p=0.01mm/p 步距角：=0.75/p 快速进给速度：V=5m/min （1）切削力计算 由可知，切削功率为 式中 p-切削功率(KW)； P电动机功率：查机床说明书，p=4kw 主传动系统总功率，一般为.，取 .； K进给系统功率系数，取 k.； 则 PC =4*0.65*0.96=2.496KW 又因为 Pc=FzV/6120 所以 Fz=6120P/V 19 如取切削速度 V=100M/MIN，则主切削力得 Fz=61202.469/100=152.76Kg=1527.6N 由6可知，主切削力 FZ=CFZ apxFzfYFZKFZ 查有关手册得 CFz=188Kg/mm2=1880MPa XFz=1 YFz=0.75 KFz=1 则在不同切削深度及进给量时主切削力计算结果如表所示： ap/m m 222333 f/mm0.20.30.40.20.30.4 Fz/N112515241891168722872837 当切削深度 a p =2mm，走刀量 f =0.3mm 时产生的主切削力与前面所计算出的主 切削力 Fz =1524N 相近，故以此参数做为下面计算的依据。 从1中可得知，在一般车削外圆时 Fx=(0.1-0.6) Fz Fy=(0.15-0.7)Fz 取 Fx=0.5Fz Fy=0.6Fz 则 Fx=0.51527.6=763.8N Fy=0.61527.6=916.5N （2）滚珠丝杠设计计算 综合导轨车床丝杠的轴向工作负载采用下面公式4计算 P=KFx+f(FZ+W) 式中 p-工作负载(N) k-考虑颠覆力矩影响的实验系数，取 K=1.15； Fx-进给抗力； -导轨上的磨擦因数，f=0.15-0.18，取 f=0.16； Fz-主切削力(N) W-移动部件的重量，根据已知条件得知 W=800N； 20 则 P=1，1763.8+0.16(1527.6+800)+1250.8N 1）强度计算（滚珠丝杠） 寿命值 L=60nT/1062 式中 L- 寿命（以 106r 为单位.则为4r） ； n-滚珠丝杠的转速(r/min) T-机器使用寿命时间(h) 丝杠转速 n 可根据下式求出： n =n主f/Lo=1000vf/D0L0 2 式中 n主-主轴转速(r/min)； f-走刀量(mm/r)； v-切削线速度，取=100m/min； D-工件直径(mm)； L0 -滚珠丝杠基本导程(mm)； 如取工件直径 D=80mm， 并查有关手册得 T=15000h， 则 n=10001000.3/3.14806=20r/min L=602015000/106=18106r 根据最大动负载公式得 C=L1/3fwfHP 2 查表 3-34和得运转系数=1.2， 硬度系数 fH=1， 则 C=(18) 1/31.211250.8=3933.6N 根据最大动负载 C 的值，可选择滚珠丝杠的型。例如，滚珠丝杠参照汉江机床 厂的产品样本选取 FC1B 系列，滚珠丝杠直径为 32mm， 型号为 FC1B32*6-5-E2， 其额定动载荷是 10689N ，与上面计算结果相比，强度足够。 2）效率计算 根据7的公式，丝杠螺母副的传动效率 为： tg/tg(+) 式中 -传动效率； -丝杠螺旋升角； -摩擦角，其中摩擦角=10 螺旋升角=，则 21 tg325/(325+10)=0.953 3）刚度验算 滚珠丝杠在工作负载作用下的变形量计算公式4， 得 L1=PL0/EF 其中 L0 =6mm=0.6cm，对于钢材其弹性模量 E=20.6106N/cm2 P=1250.8N(前面结果） ，滚珠丝杠截面积（按内径计算） ，滚珠丝杠内径根据 初选的丝杠参数可得 d=28.031mm=2.8031cm， 其面积 F=(d/2) 2 =(2.803/2) 23.14cm2 则 L=(1250.80.6)/20.6106(2.803/2) 23.145.910-6cm 滚珠丝杠工作负载 p 和扭矩 M 共同作用下，所引起每一导程变化量 L 为： L=L1+L，因滚珠丝杠受扭矩 M 引起的导程变化量 L2很小，可忽略，即： L=L1. 所以丝杠长度为 100cm 时，导程变形总误差 为： =100L/L0=1005.910-6/0.6=9.8um/m 查有关手册得知 E 级精度丝杠允许的螺距误差为 15um/m，故刚度足够。 4）稳定性验算 由于机床原丝杠直径为 30 mm，现选用的滚珠丝杠直径为 32mm，支承方式不变，所以稳定不存在问题。 5）齿轮计算 根据传动比及公式得 i=360p/L0 故取 Z1=32 Z2=40 =20 m=2mm b=20mm d1=mz1=232=64mm d2=mz2=240=80mm da1=d1+2ha=68mm da2=d2+2ha*=84mm a=(da1+da2)/2=(64+84)/2=72mm .、横向进给系统的设计与计算 （1） 横向进给系统的设计 经济型数控改造的横向进给系统，一般是步进电 动机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。具体结构改造方法是： 横向传动珠丝杠改造 横向滚珠丝杠也采用三点支承形式，靠近操作者一端应 布置一根支承短轴 9，通过联轴套 8 与滚珠丝杠联接起来。可利用车床原横向进给 22 丝杠的滑动轴套 11 作为径向支承，并对原支承处进行适当改装，布置一对推力球轴 承 10，以实现轴向支承。在远离操作者的一端，用联轴套 5 和联接短轴 4，把滚珠 丝杠 6 与消隙减速箱 2 的输出轴联接起来。从而，就可以利用消隙减速箱 2 上的轴 承实现对滚珠丝杠另一端的支承。滚珠螺母 7 直接固定在中滑板上。 （2）横向进给系统的设计计算 由于横向进给系统的设计计算同纵向类似，所用到 的公式不再详细说明，只计算结果，由已知求得： 切削力计算 横向进给量为纵向的 1/21/3， 取 1/2， 则切削力约为纵向的 1/2。 Fz=1/2152.76=76.38Kg=763.8N 在切断工件时： Fy=0.5Fz=0.576.38=38.19Kg=381.9N 2）滚珠丝杠设计计算 （1）强度计算 对于燕尾型导轨： P=Kfy+f (Fz+W) 取 K=1.4 f=0.2 则 P=1.438.19+0.2(76.38+30)=74.74Kg=747.4N 寿命值为： L=60nT/106=(601515000)/106=13.5106r 最大动荷负载 C=L1/3fWfHP=(13.5) 1/31.2174.74=213.55Kg=2135.5N 根据最大动荷负载 C 的值，可选择滚珠丝杠的型号，例如：滚珠丝杠参照汉江机床 厂的产品样本取 FC1B 系列，滚珠丝杠公称直径 20mm，型号为 FC1B20*45E2 左， 其额定动负载为 5393N，所以，强度足够用。 效率计算 螺旋升角 =338，摩擦角 。则传动效率 tg/tg(+) tg338/tg(338+10)=0.956 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量 L1=PL/EF 23 =(74.740.44)/(3.1420.61061.76992) =5.9610-6cm 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 L2很小，可忽略，即 L=L1， 所以， 导程变形总误差为： 稳定性验算 由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，而支承方式由原来的 一端固定，一端悬空，变为一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故应为再 验算。 （3）齿轮设计及计算 传动比 i=360 p/L=(360.005)/0.754=0.6 故取 Z1=18 Z=30 =20 m=2mm b=20mm（齿轮厚度） d1=36m d=60mm da1=40mm da2=64mm a=48mm（中心距） 1.车床横向进给丝杠螺母结构的改进 原车床横向进给丝杠螺母结构图如图 3-1 所示： 图 3-1 原车床横向进给丝杠螺母结构图 1-调整螺母 2-调整螺钉 3-楔块 4-螺钉 5-固定螺母 6-固定螺钉 7-中滑块 8-丝杠 24 图 3-1 原车床横向进给丝杠螺母结构图 因在装配过程中，由于螺母的制造工艺性能差，工艺复杂，制造时需要成套加 工，在装配调整及维修中存在以下缺点 装配使用中调整丝杠与螺母的间隙困难。 维修性差，螺母磨损后必须成套更换，维修期长，装配调整不便。 针对以上存在的问题，对车床横进给丝杠螺母结构可作以下改进，见图 3-2 所示： 图 3-2 车床横进给丝杠螺母结构图 1-调整螺母 2-螺钉 3-螺钉 4-滑板 5-压向丝樾 6-主螺母 7-螺母体 8-安装弹簧 9-调整螺母 10-键 螺母体 7 为刚件，用螺钉 2 和 3 固定在中滑板 4 上，主螺母 6 用螺钉固定在螺 母体 7 上，调整螺母 9 外径与螺母体 7 孔的配合，选用h6，主螺母 6 与调整 螺母 9 材料均用青铜，用键 10 做导向联接。在主螺母 6 与调整螺母之间安装弹簧 8，弹簧成受压状态。通过螺钉 1 将螺母紧固在中滑板 4 上，当机床因使用丝杠与螺 母磨损造成配合间隙过大而影响工件的精度时，可做如下调整： 先松开螺母 9 弹簧 8 力的作用下沿着导向键 10 向左产生微量移动，压向丝杠 5，这样就消除丝杠与螺母之间的间隙，然后将调整螺钉 1 紧固即可， （在调整时丝 25 杠往返摇两次，保证间隙最合适。 ） 这种改进由以下优点： 装配，使用，维修时，调整丝杠与螺母的间隙简单方便。 机械加工工艺性好，主螺母 6 与调整螺母 9 分别加工，因它们都是圆柱外形， 加工工艺简单方便。 维修性好，当螺母磨损严重影响工件精度需要更换时，可根据两种螺母的磨 损情况，可以换一种或两种都换。 采用改进后的螺母结构，不但能消除磨损后产生的间隙所造成误差，提高工件 的加工精度，而且可使装配调整及使用维修简单方便，提高了工效。 第 3.3 节 进给系统的安装调整 安装调整是设备改装的一个重要环节。采用滚珠丝杠对车床改装。进行安装调 整时应注意以下问题： 安装中必须注意滚珠螺母内的滚珠数量不能 随意增减。滚珠数量过多，会影响 滚珠丝杠的正常运动；生产滚珠数量少，会使滚珠数量少，会使滚珠丝杠的承载能 力下降。当滚珠出于安装不慎丢失时，若重新安放滚珠，要尽量保持原有数。如果 数目搞不清楚，必须使滚珠在滚道中放满后，仍留有 46 个滚珠在空隙。安放前， 一定在对新装滚珠进行认真推选，保证新用滚珠的直径大致与原装滚珠一致，保持 在原装滚珠的最大直径与最小直径之间，表面粗糙度达到原装滚珠的等级要求。 在利于用螺母的间隙调整装置调整丝杠螺母副的间隙时，应使调紧后产生的预 紧力为丝杠副最大负载量的 1/3 为宜。在实际调整中，可以把车床处于最大工作负 地载，使丝杠螺母副内部仍不产生间隙，或者间障量小于 0.01mm，而且动转灵活， 以此作为螺母间隙调整装置预紧量的判断标准。 传动丝杠轴线上各联轴套上的锥销孔，应按十字分配方式进行配作，这是因为 一联轴套上分布的锥销孔，都由同一方向加工时往往会使轴心线度误差增大。从而 会使安装在传动丝杠轴线上各零件间的同轴度 误差增大，产生传动附加载荷 ，影 响丝杠螺母的传动性能。 26 第 4 章 机床导轨的改造 卧式车床上的运动部件，如刀架，工作台都是沿着机床的导轨运动的。导轨的 作用就是支承和导向，导轨的导向达式精度过，精度保持性能和低速运动平稳性， 直接影响机床的加工期精度，承载能力和 使用性能。 数控机床上，常使用滑动导轨或滚动导轨。滚动导轨摩擦系数小，动、静磨擦 系数数控接近，因而运动灵活轻便，低速运行时不易产生爬行现象，精度高，但价 格昂贵，经济型数控机床一般不使用滚动导轨。尤其是数控改造，若使用滚动导轨， 将大大增加机床床身的改造工作量和改造成本。因此，数控改造一般仍使用滑动导 轨。 滑动导轨具有结构简单，刚性好，抗振性强等优点。普通机床的导轨一般是铸 铁铸铁或铸铁淬火钢导轨。这种导轨的缺点是静摩擦系数大，且动摩擦系数随 速度的变化而变化，低速时产生爬行现象，影响运动平稳和定位精度。为克服滑动 导轨的上述缺点。数控改造一般是将原机床导轨进行修整后贴塑导轨。贴塑导轨摩 擦系数小，且动、静摩擦系数差很小，能防止低速爬行现象；耐摩性、抗咬伤性能 强、加工性和化学性能稳定，具有良好的自润滑性和抗振性；工艺简单，成本低。 目前应用较多的是聚四氟乙稀（PTEE）贴塑软带，如美国生产的 Turcite-B 和我国 生产的 TSF 软带材料。考虑承载变形宜选用厚度小的规格，如果同时考虑到加工余 量，选作厚度为 1.6mm 的为宜。 贴塑软带粘结工艺非常简单，可直接粘结在原有滑动导轨面上，不受到形式的 限制，各种组合形式的滑动导轨均可粘结。粘结前按导轨的精度要求对金属导轨面 的表面，根据需要可进行加工修整。根据尺寸的长、宽放大4mm，切下贴塑软带。 金属粘结面与软带粘结面应清洗干净，用特殊配制的粘合剂粘结，加压固化，等其 完全固化时进行修整加工。作为导轨面的表面，根据需要可进行磨、铣、刮研，开 油槽、钻孔等，加以满足装配要求。 27 第 5 章 自动转位刀架改造设计 刀架是车床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，其结构直接影响机 床的切削性能和效率。卧式车床数控改造应将原机床普通手动转位刀架替换自动转 位刀架。自动转位刀架由数控系统制，效率高，工艺性能可靠。 自动工刀架的工作原理： 当微机发出信号后，刀架控制箱中继电器动作， 电动机正转驱蜗轮蜗杆减速 机构，螺杆升降机构使上刀体升。当上刀体上升到一定高度时， 离合转盘起作用， 带动上刀体旋转。刀架上端的发信盘中对每个刀位都安装有一个霍尔元件，当上刀 体旋转到某一刀位时，该刀位上霍尔元件向数控系统输出低电平，而其它刀位霍尔 元件输出高电平。在上刀体旋转过程中，发信盘不断向数控系统反馈刀位信号。数 控系统将反馈刀位信号与指令刀位信号相比较，当两信号同时，说明上刀体已旋转 到所选刀位。此时，数控系统立刻控制刀架控制箱继电器使电动机反转，活动销反 靠在反靠盘上初定位。在活动销反靠作用下，螺杆带动上刀体下降，直至齿牙盘啮 合，完成精定位，并通过蜗杆锁紧螺母，使刀架紧固。向数控系统发出转位完成信 号，切断电源，电动机停转，完成选刀过程。 自动转位刀架的安装： 在进行卧式车床数控改造安装自动刀架时，拆除小滑板，置刀架于中滑板上。 此时，刀架高度应使车床前刀面基本通地车床主轴心线，否则要在刀架下面加垫板， 调整其高度，然后，卸掉电动机风扇，逆时针方向转动电动机，使上刀体相对下刀 体转动 45左右。打装螺孔，将刀架固定于中滑板上即可。 电动刀子架结构图 5-1 所示： 28 图 5-1 电动刀子架结