小型鉆床設(shè)計(jì)中的機(jī)械部分計(jì)算與校核計(jì)算過程案例綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u19926小型鉆床設(shè)計(jì)中的機(jī)械部分計(jì)算與校核計(jì)算過程案例綜述 1163121.1切削參數(shù)的計(jì)算 1227541.1.1切削力的計(jì)算 162471.1.2切削功率的計(jì)算 2293101.2滾珠絲杠的選擇計(jì)算 2115691.2.1最大動(dòng)載荷Q的計(jì)算 2105911.2.2效率計(jì)算 4231501.2.3剛度的驗(yàn)算 459281.2.4穩(wěn)定性驗(yàn)算 5284701.3縱向步進(jìn)電機(jī)的選擇及計(jì)算 66491.1.1選擇步進(jìn)電機(jī) 6254841.1.2最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 6264351.1.3負(fù)載慣量計(jì)算 7165851.1.4空載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 7152051.4滾珠絲杠軸承的選擇及校核 8221371.4.1絲杠軸承的選擇 8172051.4.2滾珠絲杠軸承校核 9263781.5聯(lián)軸器的選擇 945161.6主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1048541.6.1確定軸的最小直徑 103321.6.2主軸電機(jī)的選擇 10159621.6.3主軸軸承的選用 1146591.6.4主軸軸承的疲勞壽命校核 11194701.6.5軸的強(qiáng)度校核 121.1切削參數(shù)的計(jì)算1.1.1切削力的計(jì)算工件加工時(shí)的切削應(yīng)力與工作時(shí)加工材料的硬度以及被吃刀量和需要加工的孔徑大小有關(guān)，可以按《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》中的計(jì)算公式來進(jìn)行計(jì)算。方向的切削力為：考慮到鉆床鉆削銅板或鋁板上的孔，所以工件材其中料以銅來設(shè)計(jì)，其中的最大孔徑為計(jì)算。查手冊(cè)中有關(guān)數(shù)據(jù)得，，，，進(jìn)給量查得，取。則1.1.2切削功率的計(jì)算切削扭矩：查表，可知：，，，，所以：切削速度：式中：為刀具耐用度，查表??；取，，，，，因此：切削功率：1.2滾珠絲杠的選擇計(jì)算1.2.1最大動(dòng)載荷Q的計(jì)算在選擇滾珠絲杠的具體參數(shù)時(shí)應(yīng)當(dāng)著重考慮其當(dāng)量動(dòng)載荷Q來選擇：式中的為工作時(shí)絲杠的最大載荷；為工作壽命；為載荷性質(zhì)系數(shù)，無沖擊，一般情況取，有較大的沖擊或震動(dòng)時(shí)取，本設(shè)計(jì)?。粸橛捕认禂?shù)取為。絲杠的工作時(shí)最大負(fù)載是指數(shù)控鉆床在加工工件時(shí)，施加在滾珠絲杠上的軸向載荷，由于加工時(shí)夾具穩(wěn)定理論上不會(huì)產(chǎn)生位移，所以加工工件時(shí)施加在滾珠絲杠上的力為：式中的為軸方向的切削應(yīng)力，由1.1.1計(jì)算結(jié)果得；為工作臺(tái)和工件質(zhì)量取極限下的重量，取。即絲杠的工作壽命為：其中，為工作壽命，以為一個(gè)單位，為絲杠使用壽命，對(duì)于數(shù)控機(jī)床可以取。為絲杠的轉(zhuǎn)速，這里取。計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷為：根據(jù)當(dāng)量動(dòng)載荷選擇滾珠絲杠副的型號(hào)，按滾珠絲杠的額定動(dòng)載荷大于等于的原則確定滾珠絲杠副的型號(hào)為，即內(nèi)循環(huán)方式，基本導(dǎo)程為，公稱直徑為，絲杠內(nèi)徑為，絲杠外徑為，螺紋為左旋，剛球直徑，負(fù)荷鋼球圈數(shù)為，4級(jí)精度的傳動(dòng)滾珠絲杠副。該滾珠絲杠的額定動(dòng)載荷為，而，符合設(shè)計(jì)要求。軸向剛度。預(yù)緊力，三個(gè)方向的進(jìn)給系選用同一型號(hào)滾珠絲杠，因?yàn)閅向負(fù)載最大，所以只需對(duì)Y向的絲杠進(jìn)行校核，如圖為Y向的絲杠。圖1.1滾珠絲杠零件圖圖1.2Y向滾珠絲杠截面圖1.2.2效率計(jì)算滾珠絲杠的傳動(dòng)效率：式中的為螺紋的螺旋升角，；為絲杠上螺紋的摩擦角，其摩擦系數(shù)。由式得知摩擦角約等于；為滾珠絲杠的導(dǎo)程。所以該滾珠絲杠的傳動(dòng)效率為。1.2.3剛度的驗(yàn)算數(shù)控鉆床傳動(dòng)系統(tǒng)中的滾珠絲杠具有很高的精密度，在工作載荷P的壓力下，它會(huì)伸長或縮短，同時(shí)對(duì)于力矩M也會(huì)對(duì)其有較大的影響，會(huì)使其彎向一邊或另一邊，同時(shí)滾珠絲杠的螺距也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，使其傳動(dòng)精度和定位精度變差。所以滾珠絲杠應(yīng)該計(jì)算其在滿負(fù)荷工作情況下的形變情況以及對(duì)精度的影響?！恫牧狭W(xué)》中指出，絲杠在因承受工作載荷的作用而發(fā)生一個(gè)螺距的變化量,可按下式計(jì)算：式中的為絲杠軸向的工作負(fù)載；為滾珠絲杠的螺距；為材料的彈性模量，本設(shè)計(jì)中絲杠的材料為，取其；A為滾珠絲杠的橫截面積。所以變化量為：絲杠因承受扭矩作用而引起一個(gè)螺距的變化量，因?yàn)樵趯?shí)際的傳動(dòng)過程中扭矩不大，因此該變化量忽略不計(jì)。導(dǎo)程變化總誤差為：查《機(jī)械設(shè)計(jì)》得絲杠在4級(jí)精度下允許的誤差，所以滾珠絲杠的選用符合要求。1.2.4穩(wěn)定性驗(yàn)算滾珠絲杠在工作時(shí)主要承受的力是軸向力，當(dāng)時(shí)如果軸向力的大小一旦超過該絲杠所能承受的極限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生彎曲形變，并且失去固有的穩(wěn)定性，所以應(yīng)當(dāng)驗(yàn)算其壓桿穩(wěn)定性。絲杠失穩(wěn)時(shí)的臨界負(fù)載，可用歐拉公式計(jì)算：其中：為材料的彈性模量，本設(shè)計(jì)中絲杠的材料為，取；為截面的慣性力矩，本設(shè)計(jì)中絲杠為實(shí)心桿，因此其截面慣性力矩為；為滾珠絲杠的總長，對(duì)Y向絲杠校核，；為絲杠的軸端系數(shù)，根據(jù)固定的方式有關(guān)，該部分采取的是兩段固定的方式，取.臨界負(fù)載與工作負(fù)載之比稱為為穩(wěn)定性安全系數(shù)。如果穩(wěn)定性安全系數(shù)大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，則該壓桿安全不致失穩(wěn)。故此滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。較長的滾珠絲杠在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)有共振現(xiàn)象產(chǎn)生，因此需要檢驗(yàn)滾珠絲杠的臨界轉(zhuǎn)速即不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象的最高轉(zhuǎn)速。而由于本傳動(dòng)系統(tǒng)中，滾珠絲杠轉(zhuǎn)速不高且相較普通鉆床絲杠長度更短，因此，臨界轉(zhuǎn)速就不需校核。本鉆床使用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)有一定范圍轉(zhuǎn)速內(nèi)的自鎖的能力，所以該系統(tǒng)不需要加裝機(jī)械制動(dòng)裝置。1.3縱向步進(jìn)電機(jī)的選擇及計(jì)算1.1.1選擇步進(jìn)電機(jī)在進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)選擇時(shí)有以下幾點(diǎn)需要滿足：工件加工過程中，步進(jìn)電機(jī)上最大的負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須小于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩；電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配；空載進(jìn)行快速定位時(shí)絲杠電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩也需要小于選擇步進(jìn)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。1.1.2最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算在選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)加工工件時(shí)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于等于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩T可根據(jù)下式計(jì)算，即:由前文數(shù)據(jù)得知鉆床最大進(jìn)給力，為工作臺(tái)和工件的最大質(zhì)量，??；鉆削時(shí)工作臺(tái)停止移動(dòng)，故；為脈沖當(dāng)量，這里??；絲杠導(dǎo)程，預(yù)緊力，總機(jī)械效率取，因此由于滾珠絲杠上施加的預(yù)緊力而產(chǎn)生的摩擦力矩為：查《角接觸推力球軸承組配技術(shù)手冊(cè)》可知單個(gè)角接觸軸承的摩擦力矩為，故一對(duì)軸承的摩擦力矩。其摩擦力可忽略不計(jì)。電機(jī)與絲杠直連，其傳動(dòng)比。1.1.3負(fù)載慣量計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負(fù)載慣量有關(guān)，而負(fù)載慣量的計(jì)算方式如下。（1）工件和工作臺(tái)折算到電機(jī)軸上的慣量，工件與工作臺(tái)的最大質(zhì)量，可按下式計(jì)算，即：其中，v為工作臺(tái)的移動(dòng)速度（m/s），絲杠導(dǎo)程，w為步進(jìn)電機(jī)的角速度（rad/s），m為加工時(shí)工件和工作臺(tái)的總重量（kg）。（2）絲杠加在電機(jī)軸上的慣量，絲杠名義直徑為，，絲杠材料鋼的密度。根據(jù)下式公式，絲杠加在電機(jī)軸上的慣量為：（3）聯(lián)軸器加在鎖緊螺母等的慣量可以查閱資料得到：（4）負(fù)載總慣量為：按照數(shù)控機(jī)床慣量匹配條件，，所選步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)在范圍內(nèi)。根據(jù)以上計(jì)算公式，根據(jù)參數(shù)選擇滿足要求的型反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如下：相數(shù)為；步距角；相電流；最大靜轉(zhuǎn)矩；電壓；電阻；尺寸外形；重量0.65kg；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，額定轉(zhuǎn)矩；最大轉(zhuǎn)矩，機(jī)械時(shí)間常數(shù)。1.1.4空載轉(zhuǎn)矩計(jì)算當(dāng)運(yùn)動(dòng)單元空載時(shí)從靜止轉(zhuǎn)變?yōu)榭煲苿?dòng)速度模式時(shí)，需要施加的轉(zhuǎn)矩為：（1）空載加速時(shí)，主要克服的是慣量。選用該步進(jìn)電機(jī)總慣量為：（2）加速時(shí)間經(jīng)常取的倍，取所以：空載加速轉(zhuǎn)矩不得超過電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩，型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的，滿足設(shè)計(jì)要求。三個(gè)方向進(jìn)給系選擇相同的步進(jìn)電機(jī)。1.4滾珠絲杠軸承的選擇及校核1.4.1絲杠軸承的選擇軸承的類型與滾珠絲杠副的固定方式以及應(yīng)力狀態(tài)等有著密切的聯(lián)系。為了使該數(shù)控鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度保持在較高水平，需要加強(qiáng)滾珠絲杠螺母的剛度的同時(shí)，也要正確安裝滾珠絲杠并選擇合適的支承結(jié)構(gòu)以保證其具有較高的剛度，提高螺母座和支撐座的剛度和精度也是保證系統(tǒng)擁有高傳動(dòng)剛度的有效方法。提高螺母座的接觸強(qiáng)度和剛度的方法，一般為加大機(jī)床與連接件的接觸面，設(shè)計(jì)鉆床時(shí)在加工工藝允許的情況下，往往將機(jī)床本體與螺母座和支承座制做成一個(gè)整體以獲取較高的剛度。滾珠絲杠上的軸承往往需要有一定的軸向剛度，因此滾動(dòng)軸承的選擇也很重要。目前來說，我國軸承組合的方式有兩種。一種是徑向軸承與圓錐軸承相組合，結(jié)構(gòu)簡單，但不具有良好的軸向剛度。另一種是推力軸承或徑向推力軸承與徑向軸承的組合，在軸向剛度方面有了一定的提升，但就其缺點(diǎn)而言軸承的在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量和與軸之間的摩擦力都有所增加，軸承支架的基本尺寸也有所增加。最近幾年，各個(gè)地區(qū)的軸承制造商紛紛產(chǎn)出專用于滾珠絲杠的滾珠軸承，它是在實(shí)際的工作中能經(jīng)受的起較大軸向力的。與普通此類軸承相比，它的接觸角能夠達(dá)到，軸承內(nèi)小球的個(gè)數(shù)更多，從而使軸承的直徑比普通的此類軸承更小。相較一般的滾珠軸承向心推力球軸承的軸向剛度最少翻了一倍，使用起來很便捷，產(chǎn)品在出廠時(shí)一般都為一對(duì)，并在工廠中選用與內(nèi)外圈厚度相匹配的內(nèi)外圈來組裝，內(nèi)圈與外圈可與螺母和端蓋緊密壓合，出廠時(shí)可獲得預(yù)緊力。為了增加滾珠絲杠的剛度，絲杠選用兩端固定的方式，固定的軸承都為的角接觸軸承，主要有以下的優(yōu)點(diǎn)：（1）剛度高，承載能力強(qiáng)；（2）鋼球多，接觸角大；（3）能夠經(jīng)受來自徑向和軸向載荷，且可以使絲杠框架更加簡潔。（4）因?yàn)闈L珠存在降低了滾珠軸承的啟動(dòng)力矩，從而降低電機(jī)的啟動(dòng)壓力，從而提升了整個(gè)系統(tǒng)的靈敏性。所以依據(jù)上述的描述，選擇軸承的型號(hào)為，內(nèi)徑，外徑，寬度，基本額定動(dòng)載荷，基本額定靜載荷，極限轉(zhuǎn)速（脂潤滑）為。1.4.2滾珠絲杠軸承校核軸承的基本額定壽命可由《機(jī)械設(shè)計(jì)》上的公式確定：式中：為絲杠工作時(shí)的最大載荷；為基本額定壽命；為壽命指數(shù)，對(duì)于球軸承；n為軸承的工作轉(zhuǎn)速，??；C為基本額定動(dòng)載荷，。故所選軸承合格。1.5聯(lián)軸器的選擇由于電機(jī)軸和絲杠要求軸線始終在一條線上，在工作中不會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，所以選用剛性聯(lián)軸器，又由于支架內(nèi)空間小，而這種設(shè)計(jì)要求傳遞扭矩不大，所以選用簡單的套筒聯(lián)軸器，并用兩個(gè)垂直銷傳遞扭矩。因?yàn)閮蓚€(gè)不同的軸頸連接，所以特定尺寸要設(shè)計(jì)，在工廠定制。結(jié)合絲杠和電機(jī)軸的尺寸確定聯(lián)軸器的尺寸為，圓錐銷從GB117-86標(biāo)準(zhǔn)中選取，其中電機(jī)端圓錐銷為，絲杠端圓錐銷為。1.6主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.6.1確定軸的最小直徑主軸結(jié)構(gòu)形式要根據(jù)零件加工工藝決定，并應(yīng)考慮主軸的工作條件和受力情況，軸的材料選為45鋼，并對(duì)其調(diào)制處理：由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第四版式16-2可知，傳動(dòng)以轉(zhuǎn)矩為主的軸，按許用切應(yīng)力計(jì)算，軸的最小直徑：式中：P為軸傳遞的功率，這里按切削功率來計(jì)算，由1.1.2可知：；n為軸的轉(zhuǎn)速，這里?。粸樵S用切應(yīng)力；為與軸的材料有關(guān)的系數(shù)，該主軸系統(tǒng)中軸的材料選擇為45號(hào)鋼。查表得：，，所以綜合安全因素和圓錐銷對(duì)主軸強(qiáng)度的影響考慮，這里取最小直徑主軸的具體直徑情況與設(shè)計(jì)方案如圖：圖1.3主軸零件圖主軸與聯(lián)軸器通過圓錐銷進(jìn)行連接固定，根據(jù)連聯(lián)軸器部分，由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》可以查得圓錐銷的尺寸取。1.6.2主軸電機(jī)的選擇主軸電動(dòng)機(jī)是數(shù)控鉆床主傳動(dòng)部分的主要部件之一，它的型號(hào)與功能直接影響后續(xù)的調(diào)速以及進(jìn)行加工的方式。伺服電機(jī)和脈沖步進(jìn)電機(jī)都是恒轉(zhuǎn)矩的，而且功率并不會(huì)很大，所以他們的適用范圍僅限于直線進(jìn)給等簡單運(yùn)動(dòng)上。直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且價(jià)格高不經(jīng)濟(jì)實(shí)用，其內(nèi)部的換向器和電刷很容易在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)故障，所以也很難擔(dān)起主傳動(dòng)系統(tǒng)中的重任。所以本數(shù)控鉆床主軸電機(jī)采用交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)，因?yàn)榻涣髡{(diào)速電動(dòng)機(jī)的體積相對(duì)較小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更加迅捷，沒有電刷，而且能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速比同功率的直流電動(dòng)機(jī)還要高，磨損和故障也相對(duì)較少。目前來說適用于本鉆床的系列交流主軸電機(jī)，它們的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)額定功率分別為7.5kw、11kw、15kw、18.5kw、22kw五種規(guī)格，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，額定轉(zhuǎn)速，最低轉(zhuǎn)速。在絲杠螺母副部分已經(jīng)算出主軸傳遞全部功率時(shí)的最低切削速度n，即電機(jī)的額定轉(zhuǎn)數(shù)，為。所以電機(jī)所需最大功率由于所需切削功率并不是很高所以選擇電機(jī)功率即可，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為額定最高轉(zhuǎn)速為最低轉(zhuǎn)速1.6.3主軸軸承的選用主軸軸承主要承受得的載荷是軸向載荷、徑向載荷，其中軸向載荷是主要的，所以選用角接觸軸承，同時(shí)可以承受軸向和徑向載荷。其主要選擇如下：現(xiàn)選用型號(hào)，基本尺寸為：，外徑，寬度，基本額定動(dòng)負(fù)荷，基本額定動(dòng)載荷，極限轉(zhuǎn)速為（在正常潤滑下）。1.6.4主軸軸承的疲勞壽命校核由公式可知，軸承的基本額定壽命為：式中的P為當(dāng)量動(dòng)載荷，由公式可計(jì)算得，其中為沖擊載荷系數(shù)，取1.1；為徑向載荷，因鉆削時(shí)主要受軸向力，徑向力很小，在次計(jì)算中忽略這部分；為軸向載荷，為；X、Y為徑向動(dòng)載荷系數(shù)和軸向動(dòng)載荷系數(shù)，，；所以；為基本額定壽命；為壽命指數(shù)，球軸承；滾子軸承；n為軸承工作轉(zhuǎn)速，；C為