高速立式铣削加工中心横向进给机构设计说明书

PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANIV高速立式铣削加工中心横向进给机构摘要自高速切削概念被提出以后,高速切削技术的发展历经理论探索阶段,20世纪70年代后,各工业发达国家相继投入大量的人力、物力、财力研究开发高速切削技术及相关技术,发展日新月异,德国、美国、瑞典、瑞士、英国和日本等制造强国走在了世界前列。由于从切削机理上突破了在高速切削加工时切削力、切削热等难题,并且新刀具材料和工艺技术上也取得较大的进展,所以高速加工发展较快。我国对高速机床的研制虽然起步较晚,但是已经取得了一些的成果。与世界先进水平相比,我国在高速机床的生产研发等方面还存在很大差距。高速切削中关键技术的研究都与国外先进水平有较大的差距。本课题拟根据现代机械行业对高速钻铣加工的需求，针对立式高速铣削加工中心的设计功能需求，开展横向进给机构的设计工作。这次毕业设计的工作量主要电动机计算选择、丝杠校核确定、导轨的设计、底座设计。零件图通过在AUTOCAD上用平面的形式变现出来，更加清楚零件的结构形状，然后具体分析零件结构。关键字：立式高速铣削;滚珠丝杆副；轴承座；螺母座；电机；直线导轨副；底座ABSTRACTSincetheconceptofhighspeedcuttingisproposed,intheoreticalexplorationstagesofthedevelopmentofhighspeedcuttingtechnology,applicationofexplorationstage,thepreliminaryapplicationstageandmaturestage.Especiallyafterthe1970s,theindustrialdevelopedcountriessuccessivelyinvestedalotofmanpowerandmaterialresourcesandfinancialresourcesandrelatedtechnologyresearchandstagesofthedevelopmentofhighspeedcuttingtechnology,applicationofexplorationstage,thepreliminaryapplicationstageandmaturestage.Especiallyafterthe1970s,theindustrialdevelopedcountriessuccessivelyinvestedalotofmanpowerandmaterialresourcesandfinancialresourcesandrelatedtechnologyresearchanddevelopmentofhigh-speedcuttingtechnology,rapiddevelopmentandGermany,theUnitedStates,Sweden,Switzerland,BritainandJapanandothermanufacturingUnitedStates,Sweden,Switzerland,BritainandJapanandothermanufacturingpowerhouseinthetopintheworld. Inourcountryforthedevelopmentofhighspeedmachinetoolthoughstartedlate,buthasmadesomeachievements.Comparedwiththeadvancedworldlevel,intheproductionofhigh-speedmachinetoolresearchspeedmachinetoolthoughstartedlate,buthasmadesomeachievements.Comparedwiththeadvancedworldlevel,intheproductionofhigh-speedmachinetoolresearchanddevelopmentinourcountry,etc,alsothereisabiggap.Thestudyofthekeytechnologiesofthehighspeedcuttinghasbiggergapwithforeignadvancedlevel.Thistopicproposedaccordingtothemodernmachineryindustrydemandforhighspeeddrillingandmilling,designedforverticalhighspeedmillingmachiningcenterspeeddrillingandmilling,designedforverticalhighspeedmillingmachiningcenterfunctionalrequirements,thedesignoftransversefeedmechanismwork.Thegraduationdesignworkmainlyconsistsofeightparts::one,ballscrewtypeselection,2,andtheselectionofthebearing,three,nutdesign,four,screwlengthdetermination,five,themotorselectioncalculation,screwchecktodetermine,seven,thedesignoftheguiderail,eight,basedesign.OnthepartdrawinginAUTOCADrealizedintheformofaplane,moreclearlythestructureshapeofparts,andthenconcreteanalysisfunctionalrequirements,thedesignoftransversefeedmechanismwork.Thegraduationdesignworkmainlyconsistsofeightparts::one,ballscrewtypeselection,2,andtheselectionofthebearing,three,nutdesign,four,screwlengthdetermination,five,themotorselectioncalculation,screwchecktodetermine,seven,thedesignoftheguiderail,eight,basedesign.OnthepartdrawinginAUTOCADrealizedintheformofaplane,moreclearlythestructureshapeofparts,andthenconcreteanalysispartsstructure.Keywords:Keywords:machiningcenter;Ballscrew;Bearingseat;Nut;Themotor;Guiderail;Thebase目录摘要 IABSTRACT II第一章绪论 1课题研究的背景与意义 1课题研究内容 2本章小结 2第二章 横向进给机构总体方案设计 2总体设计方案 2横向进给机构原理图 3滚珠丝杠副 3丝杠全长的确定 4其他部件的设计 4第三章横向进给机构的设计 7参数和已知条件 7行程 7工作台 7主轴 7进给 7快速换刀 7已知条件 8滚珠丝杠副的发展 8滚珠丝杠螺母副的选型计算 9切削力计算 9滚珠丝杠螺母副选型 11确定当量荷载 11当量转速 12额定动载荷计算 12按精度要求确定允许的滚珠丝杠最小螺纹底径 13确定滚珠丝杠副的规格代号 15对预紧滚珠丝杠副确定其预紧力Fp 15对预拉伸的滚珠丝杠副计算行程补偿值C和预拉伸力15轴承座的选择 16确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号规格 16螺母座的选择 16滚珠丝杠副工作图设计 17电机的选择 18力矩的计算 18滚珠丝杠校核确定 20滚珠丝杠的抗压刚度 20支承轴承组合刚度 21刚度验算及精度选择 22验算临界压缩载荷 23验算临界转速 23第四章导轨及机座设计 24导轨的设计和选型 24基本动额定负荷 25工作负荷 25机座的设计 28第五章总结与展望 305.1总结 305.2 展望 315.3 设计体会 32致谢 33PAGEPAGE36第一章绪论课题研究的背景与意义近年来,随着计算机技术的快速发展,数字控制技术已经广泛应用于工业控制领域,特别是在机械制造、通用机械逐渐由高精度、高效率、高自动化的数控机械。件和配件,不断引入新的机床,以进一步提高水平的高速加工中心。针对高精度加工,一些制造商注意切割材料的发展是不容易让重切削加工模型。同时,为了减少工件的时间和浓度变化过程为目的的复合处理技术也在不断创新。由于要求加快适应环境保护新技术的发展,因此,更需要调整类型,数量可以形成一个灵活的结构线设备。为了提高生产效率,加快我们想要发展高速加工中心,在未来社会,高速加工中心也会带给我们更多的好处,提高社会进步得更快。20%,而一些发达国家的机械设备数控率90%,作为世界制造业加工中心位置在我国逐渐形成,数控机床的使用、维所以现有的数控技术人员不能满足生产的需要,人才市场对这种人才并不大,企业想要寻找合适的人才在人才市场更加困难,以至于导致模具设计、数控编程、工程师、CAD/CAM160000现数控技师”现象。报纸报道,高级技术人员在中国正面临一个严重的情况下,“时期”的大工业时代,中年的机械师,几个年轻的机械师尚未成熟。在制造业,可以熟练操作现代机床已成为稀缺人才,据统计,目前,我们的技术工人,高级4.0%,40%56%工人(38%)(50%)12%510成为社会供应不足,企业最急需的人才。课题研究内容计、底座设计。零件图通过在AUTOCAD件的结构形状，然后具体分析零件结构。本章小结工中心，努力创新。第二章 横向进给机构总体方案设计总体设计方案螺母座设计、丝杠全长确定、电动机计算选择、丝杠校核确定，七、导轨的设横向进给机构原理图图2-1横向进给机构原理图滚珠丝杠副理想的产品,因此,滚珠丝杆副不仅是最初的传动,还是直线运动和旋转运动部一个体育大国,直接或间接通过其他机构传递到最终运动部。母座打下了基础。丝杠全长的确定细的计算和验算，详细步骤见第四章。其中介绍下其中相关部件及名词。BKfkWBK,BFFF联轴器：LZ型弹性柱销齿式联轴器。销带动从动轴半联轴节转动，以传递扭距，工作温度－20～+70孔和键槽型式及尺寸，标记方法符合GB/T3852-1997盘)联。其他部件的设计工作台：机床工作台分为开槽工作台，焊接工作台，镗铣床工作台等。其他部件包括滚珠丝杠导轨GGB35BAL，工作台，底座等。T型槽平板的详细说明：耐潮，耐腐蚀、不用涂油、不生锈、不褪色。温度系数最低，基本不受温度影响。几乎不用保养，能迅速容易地清洁/擦拭，精度稳定性好。一律是最坚硬的面。光滑的“轴承”面，不着土，耐磨，无磁性。TJB/T7975－1999机床工作台用途：主要用于机床加工工作平面使用，上面有孔和T型槽用来固定工件，和清理加工时产生的铁屑。按JB/T7974-99标准制造，产品制成筋板式和箱体式，工作面采用刮研工艺，工作面上可加工V形、T型、U型槽和圆孔、长孔。机床工作台材质：高强度铸铁HT200-300工作面硬度为HB170-240（人工退火600度-700度和自然时效2-3年度稳定，耐磨性能好。性、耐蚀性,等。铸造机床底座的重量和尺寸范围很广,只有几克的重量轻,最重4000.51偏差的形状、重量偏差;内在质量主要是指化学成分、物理性能、机械性能铸件是铸铁底座，因此我们设计时选择的也是铸铁的底座。第三章横向进给机构的设计V-6件行程Y轴行程--400mm工作台工作台尺寸700x420mm最大负重300kgTT型槽数3型沟尺寸18mmT型槽（宽x槽数x间距）183125mm主轴主轴转速（标准）10000rpm主轴转速（特殊）12000—15000rpm主轴马力5.5kw主轴端规格BT40Y=48m/minY轴切削进给1-10000mm/minT-T:1.8秒已知条件工作台重量 =125.54KG=1255.4N≈1500N（材料选择工件及夹具最大重量=3500N工作台最大行程工作台导轨的摩擦系数为u=0.1快速进给速度，定位精度为20um/300mm,全行程25um,重复定位精度为10um，要求寿命为20000小时（两班制工作十年。滚珠丝杠副的发展传统机床的进给系统采用的传动部件是滑动丝杠螺母副，这种传动装置在低的发明为机床迈向高速、高精度路线打下了基础。滚珠丝杠螺母副的选型计算已知条件：V-6高速高精度零件加工中心工作台承载的工件及相关夹具最大重量为,加工中心自；工作台横向最大行程快速进给速;定位精度为20um/300mm;重复定位精度为10um;工作台导轨的摩擦系数为u=0.1;切削力计算式中：铣刀切向铣削力，N：主轴电机功率,kW

（3.1）（3.2）：机床主传动系统传动功率V：切削速度,m/mind：铣刀直径，mmn：主轴转速，r/min已知=0.8铣刀切向铣削力 与工作台载荷 , 和 有一定的经验比值见表只要求，即可求出工作台载荷 。表3-1 工作台载荷与切向铣削力的经验比值铣削条件比值不对称逆铣端铣/0.600.900.450.50工况1取n=500r/min代入公式3.1和3.2得V=3.14m/min,=140N根据表3-1 / =0.7 /=0.6 /代=981(N) =841(N) =771(N)工况2取n=1000r/min代入公式3.1和3.2得V=6.28m/min,=700N根据表3-1 / =0.7 /=0.6 /代=490(N) =420(N) =385(N)工况3取n=4000r/min代入公式3.1和3.2得V=25.1m/min,=110N根据表3-1 / =0.7 /=0.6 /代=77(N) =66(N) =60.5(N)工况4取n=10000r/min代入公式3.1和3.2得V=62.8m/min,=70N根据表3-1 / =0.7 /=0.6 /代=49(N) =42(N) =38.5(N)滚珠丝杠螺母副选型表3-2工作台切削力、进给速度和时间比例工作方式纵向切削力（N）垂直切削力(N)进给速度（m/min）时间百分比工况1841771120工况2420385320工况36660.5530工况44238.5825快速进给00485确定滚珠丝杠导程(mm) （3.3）式中:丝杠副最大移动速度（mm/min）:丝杠副最大移动速度（r/min）由表得：V=48m/min,n=2000r/min代入得=24mm查《机械设计手册》表12-1-15，=25mm确定当量荷载各种运动方式下，丝杠转速（r/min） （3.4）由表3-2知=48（m/min）代入得：=200=2400（r/min）各种工作方式下，丝杠轴向荷载(3.5)由以上计算知(i=1,2,3,4,5)分别为841N，420N，66N，42N，0(i=1,2,3,4,5)771N，385N，60.5N，38.5N，0(i=1,2,3,4,5)分别为981N，490N，77N，49N，51N已知=150KG=1500N, =3500N(i=1,2,3,4,5)分别为2200N，1265N，480N，425N，490N当量荷载计算式中， ，…：轴向变载荷，N， ，…：对， ，…时的转速（r/min），…：对，…时的时间将对应的数据代入820N当量转速=将对应的数据代入上式得=292（r/min）额定动载荷计算式中：精度系数：可靠性系数：载荷性质系数：预期工作寿命12-1-15=1.0，=0.53，=1.2已知 =2000h

(3.6)(3.7)(3.8)代入数据=12KN=式中：预期载荷系数：最大轴向荷载，N查《机械设计手册》表12-1-15,=4.5=2200N=99000N=9.9KN中较大者为预期=12KN按精度要求确定允许的滚珠丝杠最小螺纹底径到小排列的顺序依次a．滚珠丝杠本身的拉压刚；b．支承轴承的轴向刚；c．滚珠丝杠副中的滚珠与滚道的接触刚；d．折合到滚珠丝杠副上的伺服系统的刚e．联轴器的刚；f．滚珠丝杠副的扭转刚；g．螺母座和轴承座的刚度滚珠丝杠副传动系统的刚度K可按照下列的公式进行计算其中前三项最重要，而 占比重的（ ）规定滚珠丝杠副的许可最大轴向变形（）重复定位精度代入数据0.0015mm形变。滚珠丝杠副摩擦力矩的改变也会对滚珠丝杠的定位产生影响。一般的估算方法=（）定位精度算=0.00125mm取两种计算中的最小=0.00125mm=1.23d2m10F010F0LmELmd2m

10

(3.9)式中：

F0:导轨静摩擦力（N）L:滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支承的最大距离（mm）L1.05~1.行程10~14h代入公式

d2m

0.039

31mm100010007901.25选内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副DCM4020-2.5滚珠丝杠副的导程直径，循环圈数，滚珠螺母的规格代号及有关的安装连接尺寸。Fp当选择预紧力螺母形式的滚珠丝杠副时序确定预紧力Fp，当最大轴向工作载荷能确定时

F1F 12200733N

(3.10)p 3max 3CV-6对滚珠丝杠副进行预拉伸，规定目标行程补偿值为C，预拉伸力计算如下式中：C——形成补偿值m）t——温度变化值（2~5）（11.8106/度）——滚珠丝杠副的有效行程u8~14h行程1225400568mmC11.8106456826.8m2 2t 2mE1.95td2m4式中：Ft:滚珠丝杠的螺纹底径（mm）F:2.1106（N/mm2）t:温度变化值（2~5）d2m:滚珠丝杠螺纹底径（mm）代入数据得Ft1.955319369N2轴承座的选择确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号规格轴承所承受的最大的轴向载荷max9369220011569N

(3.11)轴承类型两端固定的支承形式，选背对背60角接触推力球轴承轴承内径1313FBP

FBmax取d=30（mm）代入得FBP3856N轴向预紧力轴承预紧力预加负载按样本选择轴承型号:FAGA7603040TVP螺母座的选择根据选择滚珠丝杠DCM3025－2.5可查阅相关尺寸图3-2螺母座表3-2螺母座尺寸滚珠丝杠副工作图设计滚珠丝杠副的螺纹长度LsLu2Le式中：

：余程 查表得=100mmLu行程+螺母长度=400+104=504mmLsLu2Le704mm744mm,:980mm则是独立的电动机和负载特性,和示意图的形式,检查的可行性表示方法使驱动查电机驱动特定的负载。电机和负载之间的比率将会改变电动机提供了电力负荷参数。大的传动比,例如,可以减少外部力矩电动机运行的影响,而且,出于同样的输出运动,电机将nM力矩的计算）在已知切削的条件下，V-6立式高速铣削加工中心Y轴的轴向载荷FaFmax2200N,其中伺服电机每转一周，加工中心工作台在轴向移动的距离Ph25mm0.025m，进给系统的总效率0.9。外加载荷产生的毛擦力矩TF（Nm）0TFaPh103F

（3.12）代入数据得：

T2200259.73NmF 0.9滚珠丝杠副预加载荷产生的预紧力矩TPNmFP13 3P h 2

10

（3.13） FPP

13

3

代入数据得：TP 2

2 10

0.684 N m式中：Ph：滚珠丝杠副导程0.90.85计算负载转动惯量a.V-6高速高精度零件加工中心工作台最大负载w1300kg,工作台自重w2200kg,伺服电机每转一圈，工作台在轴向移动的距离为25mm。P2 0.0252Jmh

500

0.0079kgm2L 23.14滚珠丝杠转动惯量滚珠丝杠转动惯量Jr的计算lD4Jr032

3.147.81030.950.04432

0.0045kgm2J0的J00J0.000134kgm20

mD21068

（3.14）电机的总转动惯量l r 总J JJJ0.00790.00450.0001340.012534kgl r 总由以上计算可初步选定伺服 机，选择松下交流伺服电机MDMA252P1G电主要技术参数：最大转速:3000r/min最大转矩:35.5NmmJ:0.00192kgm2m额定转矩:11.8Nm机械时间常数:5.76ms伺服电机空载启动时，折算到电机轴上的加速力矩Tamax

Jx5Nm9.6t

(3.15)Tfmax1.7730.450.68432.9Nm

(3.16)TmTcTuTf

9.731.770.68412.18Nm

(3.17)其中，松下MDMA252P1G伺服电机各项参数符合设计要求。滚珠丝杠校核确定滚珠丝杠的抗压刚度滚珠丝杠最小抗压刚度d2d2kamin6.62102L1

(3.18)kaminN/d2：丝杠底径mm为32.3mmL1：固定支承距离mm为734mmd2d2kamin6.62102L1

=941N/m丝杠最大抗压刚度

d2L 2kamax6.6

21 10

(3.19)kamax：最大抗压刚度

4L0

L1L2L1：固定支承距离mm为734mmL0：行程起点离固定端距离20mm32.2 73432.2 734 kamax6.64207342110

8848N/m支承轴承组合刚度一对预紧轴承的组合刚度KBO

22.343dQ

sin5

(3.20)KON/mdQmmZ：13Famax：最大轴向工作载荷N为8848N（允许是1694N）：轴承接触角KBO22.34311138848sin560398N/mm支承轴承组合刚度两端固定：Kb2KBOKb2398796N/m表3-3支承轴承组合刚度关系一端固定一段支承KbKBO两端支承预紧KbKBO未预紧KbKa一段支承一端游动固定端预紧KbKBO两端固定固定端预紧Kb2KBO滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度1KcK0.CK1017N/m

3ac

(3.21)Kc：滚珠和滚道的接触刚度N/mN

1P 3

a

440NCaNKc730N

1Kmin

1Ka

11Kb Kc

(3.22)代入数据求得：

1Kmin

1 2701

1 11

(3.23)代入数据求得：

Kmax1

Ka

Kb KcKmax

4401300N,00.0600NF0:静摩擦力N0：静摩擦系数w1：正压力N验算传动系统刚度

Kmin

1.6F0反向差值

(3.9.7)式中:Kmin:传动系统刚度N/m10Kmin48N/m Kmin39748传动系统变化引起的定位误差k0.22m确定精度V300p300mmV300p0.8,定位精度20mmV300p15.78确定滚珠丝杠副的规格代号已知确定型号公称直径d0：40mm导程Ph：25mm螺纹长度：704mm丝杠全长：704+40+38+144+54=980mm其中54mm为联轴器长度的一半图4-3LZ型弹性柱销齿式联轴器P级为3级精度所以滚珠丝杠的的规格代号为FFZD4006-3-P3/800·544验算临界压缩载荷丝杠所受最大轴向载荷Fmax小于丝杠预拉伸力F不用验算验算临界转速r/min

ncf

d2107cLc2

(3.24)f：与支撑轴相关系数 21.9d2:丝杠底径32.3mmcL：临界转速计算长度 970-136=834mmc2所以：n21.932.310710169n

10000r/mmcDnDpwnmax

8422

max式中：Dpw：滚珠丝杠副的节圆直径mm为44mmnmax：滚珠丝杠副最高转速r/minDpw44mm,nmax5000r/min所以：Dn220000第四章导轨及机座设计导轨的设计和选型基本静额定负荷直线导轨在静态或者太多的负载下,或有很大的冲击载荷,会导致珠接触面荷。载。容许静力矩的定义之力矩为静额定力矩。在直线导轨运动中是以这三个方向来定义：图5-1导轨运动三个方向静安全系数当直线导轨用慢动作或驱动频率不高,静态安全系数的条件下应考虑。根据不同的使用条件下,必须考虑不同的静态负荷计算的安全系数,特别是当冲击载荷的导轨,需要使用一个更大的安全系数。基本动额定负荷C:基本动态负载评级直线导轨的负载,使生活滚动计算。其定义方向的荷载作用下,相同大小的条件下,直线导轨的指定生活了50工作负荷（1）上层工作台的载荷约重w5000N动导轨的长度l0200mm俩导轨纵向中心距l1350mm动导轨的宽度l260mm两动导轨横向中心距l3500mmPwwl2wl3

(4.1)c1 4

2

2 Pwwl2wl3

(4.2)c2 4

2

2 Pwwl2wl3

(4.3)c3 4

2

2 Pwwl2wl3

(4.4)c4 4

2

2 代入数据得：Pc11570N,Pc23070N,Pc34070N,Pc45570N载荷成分段变化，其计算载荷Pc：3311 22 nnP3lP3lP3lL

(4.5)式中：Pn：对应行程内的载荷ln：分段行程L：全程量等于ln代入数据得：（2 滚动直线导轨副的额定寿命）①额定寿命的计算

ffff C3L50h t c a

(4.6)式中：L：额定寿命C：额定动载荷：计算载荷

Pcft：温度系数 取1.0fa：精度系数 取1.0fw：载荷系数 取1.5fh：硬度系数 取1.0②寿命时间的计算当行程长度时间一定，以小时为单位的额定寿命L1032nl60式中：l：行程长度mmL：额定寿命n：

nvl

48800103

60次/分一般情况下。滚动直线导轨副预期寿命取2000小时，则：L2nl60

1032600.86020103103115.2kmffff C3由：L50h t c a fw L fw得：C3 50

faftfcfh取 ft1.0,fcfa1.0,fw1.5,fh1.0代入数据得：C1.46kN图4-1直线滚动导轨主视图4-24-3查阅台湾HIWIN公司直线导轨选型样本表，根据计算结果易知该公司HGH35CA型号四方形直线滚动导轨副符合设计要求。机座的设计V-6器质量、节约金属材料、提高工作精度、增强机器刚度和耐磨性的重要途径。根据V-6高速高精度零件加工中心的外形尺寸，查阅机械设计手册，确定V-6高速加工中心的机座的外轮廓为四方台形，外轮廓的基本尺寸为：长：1330mm；宽：1020mm；高：560mm箱体厚度为：15mm；筋板厚度15mm；机座使用材料：HT150；机座加工工艺：铸造。图4-4机座左视图4-54-5第五章总结与展望总结V-6高速高精度零件加工中心横向进给机构的设计工作在经历了重重困难后终于完成了，经过这次设计任务的历练，关于V-6高速高精度零件加工中心的工作原理及整体结构我有了前所未有的清晰了解。并且掌握了机械设计的一般