立式加工中心工作台设计

目录

1.概述········································································1 1.1技术要求 ............................................................... 1 1.2总体设计方案 ........................................................... 1 2.滚珠丝杠螺母副的选型和计算 .................................................. 1

2.1主切削力及其切削分力计算 ............................................... 1 2.2导轨摩擦力的计算 ....................................................... 2 2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 ......................................... 2 2.4滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 ......................................... 3 3.工作台部件的装配图设计 ...................................................... 7 4.滚珠丝杠螺母副的承载能力校验 ................................................ 7

4.1滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验 ....................................... 7 4.2滚珠丝杆螺母副临界转速的校验 ........................................... 7 4.3滚珠丝杆螺母副额定寿命的校验 ........................................... 8 5.计算机械传动系统的刚度 ...................................................... 8

5.1机械传动系统的刚度计算 ................................................. 8 5.2滚珠丝杠螺母副扭转刚度的计算 ........................................... 9 6.驱动电动机的选型与计算 ..................................................... 10

6.1计算折算到电动机轴上的负载惯量。 ...................................... 10 6.2计算折算到电动机轴上的负载力矩 ........................................ 10 6.3 计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需力矩 .............................. 11 6.4选择驱动电动机的型号 .................................................. 12 7.确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 ..................................... 14

7.1确定滚珠丝杠螺母副的精度等级 .......................................... 14 7.2滚珠丝杠螺母副的规格型号 .............................................. 14 7.3机械转动系统的误差计算与分析··········································14 8.机械传动系统的动态分析······················································15 9.课程设计总结 ............................................................... 15 10.参考文献 .................................................................. 15

立式加工中心工作台设计

1.概述 1.1技术要求

工作台、工件和夹具总质量m=833kg(重力W=8500N)，工作台行程900mm，工作台快进速度20000mm/min,工作台采用滚动摩擦导轨，动摩擦系数为0.01，静摩擦系数为0.01，工作台定位精度为0.04mm，重复定位精度为0.01mm，机床的工作寿命为20000h。采用伺服电机，额定功率7.5kw，强力切削时铣刀直径125mm，主轴转速300r/min 切削方式 强力切削 一般切削 精加工切削 快速进给 进给速度（m/min） 时间比例(%) 0.6 0.8 1 20 10 30 50 10 备注 主电机满功率 粗加工 精加工 空载

1.2总体设计方案

为了满足以上技术要求，采取以下技术方案：

（1） 工作台工作面尺寸（宽度×长度）确定为400mm×1200mm。

（2） 工作台导轨采用矩形导轨，在与之相配的动导轨滑动画面上贴聚四氟乙烯导轨板。同

时采用斜镶条消除导轨导向面的间隙，在背板上通过设计偏心轮结构来消除导轨背面与背板的间隙，并在与工作台导轨相接触的斜镶条接触面上和背板接触面上贴膜。

（3） 对滚珠丝杠螺母副采用预紧，并对滚珠丝杠进行拉伸预。 （4） 采用伺服电动机驱动。

（5） 采用膜片弹性联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠连接。

2.滚珠丝杠螺母副的选型和计算 2.1主切削力及其切削分力计算 （1）计算主切削力Fz。

根据已知条件，采用端面铣刀在主轴计算转速下进行强力切削（铣刀直径D=125mm），主轴具有最大扭矩，并能传递主电动机的全部功率，此时铣刀的切削速度为：（已知机床主电动

机的额定功率Pm为7.5kw，主轴计算转速n=300r/min。） 根据公式得刀具的切削速度为：

3.14?125?10?3?300v??m/s?1.96m/s

6060?Dn取机床的机械效率为：?m?0.8，则由式得主切削力：

Fz??mPEv?103?0.8?7.5?103N?3061.22N

1.96（2）计算各切削分力

工作台的纵向切削力、横向切削力和垂向切削力分别为

F1?0.4Fz?0.4?3061.22?1224.49NFC?0.95Fz?0.95?3061.22?2908.16NFV?0.55Fz?0.55?3061.22?1683.67N

2.2导轨摩擦力的计算

在切削状态下坐标轴导轨摩擦力F?的计算可以查课程设计指导书：

（1）根据式（2-8a）计算在切削状态下的导轨摩擦力F?。此时导轨动摩擦系数??0.01，查表2-3得镶条紧固力fg?2000N,则

F????W?fg?Fv?Fc??0.01??8500?2000?1683.67?2908.16?N?150.92N

（2）按式（2-9a）计算在不切削状态下的导轨摩擦力F?0和F0

F?0?F0???W?fg??0.01??8500?2000??105NF0??0(W?fg)?0.01?（8500?2000）?105N

2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 （1）按式（2-10a）计算最大轴向负载力Famax

Famax?F1?F??(1224.49?150.92)N?1375.41N

（2）按式（2-11a）计算最小轴向负载力Fmin

Famin?F?0?105N

2.4滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 1）确定滚珠丝杠的导程

根据已知条件取电动机的最高转速nmax?2000r/min得：

L0?vmax20000?mm?10mm inmax1?20002）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷 （1）各种切削方式下滚珠丝杠的轴向载荷。

强力切削时的轴向载荷定为最大轴向载荷，快速移动和钻镗定位时的轴向载荷定为最小轴向载荷。一般切削（粗加工）和精细切削（精加工）时，滚珠丝杠螺母副的轴向载荷分别可按下式计算：

FZ?Famin?20úmax,F3?Famin?5úmin

并将计算结果填入表2

表2 数控机床滚珠丝杠的计算

切削方式 强力切削 一般切削（粗加工） 精细切削（精加工） 快移和镗钻加工 轴向载荷/N 1375.41 380.08 110.25 105 进给速度/(m/min) v1?0.6 时间比例/(%) 10 30 50 10 备注 F1?Famax F2?Famin?20úmax v2?0.8 v3?1 v4?20 F3?Famin?5úmax F4?Famax （2）计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速ni。

n1?n2?v10.6?r/min?60r/min?3L010?10v20.8?r/min?80r/minL010?10?3v1n3?3?r/min?100r/minL010?10?3n4?v420?r/min?2000r/min?3L010?10

（3）按式（2-17）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速nm。

qq1qn1?2n2???nnm100100100 10305010?(?60??80??100??2000)r/min?280r/min100100100100nm?（4）按式（2-18）计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷Fm

Fm?3F13nqn1q1n?F232???Fn3nnnm100nmnm1006010803010050200010??380.083???110.253???1053??N 280100280100280100280100?31375.413??394.78N3)确定滚珠丝杠预期的额定动载荷Cam

（1）按预定工作时间估算。查表2-28得载荷性质系数fw=1.3。已知初步选择的滚珠丝杠的精度等级为2级，查表2-29得精度系数fa=1，查表2-30得可靠性系数fc=0.44，则由式（2-19）得

Cam=360nmLhFmfw 100fafc?360?280?20000?394.78?1.3?8108.84N

100?1?0.44（2）因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以可按式（2-21）估算最大轴向载荷。查表2-31得预加载荷系数fe=4.5，则

Cam?fe?Famax?4.5?1375.41N?6189.35N

（3）确定滚珠丝杠预期的额定动载荷Cam。 取以上两种结果的最大值，Cam＝8108.84N。 4）按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m

（1）根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。 已知工作台的定位精度为40?m，重复定位精度为10?m，根据式（2-23）、式（2-24）以及定位精度和重复定位精度的要求，得

113211?max2?（~）?40?m＝（8~10）?m

54?max1=（~）?10?m＝（3.3~5）?m

取上述计算结果的较小值，即?max=3.3?m。