弧齿锥齿轮数控铣齿机设计7.pdf

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1、河南科技大学毕业设计说明书 I 弧齿锥齿轮数控铣齿机床鞍的设计 摘 要 弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮具有重迭系数大，承载能力高，传动平稳， 噪音低，对安装误差敏感性低等优点，被广泛应用于飞机、车辆、机床和各 种机械产品中。 而准双曲面齿轮普遍应用于汽车的驱动桥主减速传动.汽车用 准双曲面齿轮全球年需求量在几亿对左右，国内年需求量也十分可观，在千 万对以上。因而弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮的设计与制造在机械行业中占有 相当重要的地位。由于其齿面的复杂性，其设计和制造也具有较高的难度。 但随着数控技术的发展，传统的机械式铣齿机将逐渐被数控铣齿机所取代， 这将为弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮的制造提供更广阔的发展

2、空间。 近几年，国内对弧齿锥齿轮加工技术的研究取得了很大进展，尽管国内 有多家企业研制开发了不同系列的弧齿锥齿轮数控加工机床，但是其控制系 统都是采用SIEMENS、FANUC 等国外高档数控系统，使得国内在弧齿锥齿 轮设计、加工等方面仍然受制于国外少数垄断企业，严重制约着我国制造业 水平的提高。 本文通过对弧齿锥齿轮的齿面特征的研究，按照其齿面加工的原理及方 法，结合国内外可以了解的铣齿机的机构特征，完成床鞍和滑台设计。 关 键 词：弧齿锥齿轮,铣齿机,床鞍,滑台 河南科技大学毕业设计说明书 II THETHETHETHE DESIGNDESIGNDESIGNDESIGN OFOFOFOF

3、S S S SADDLEADDLEADDLEADDLE OFOFOFOF SPIRALSPIRALSPIRALSPIRAL BEVELBEVELBEVELBEVEL GEARGEARGEARGEAR CNCCNCCNCCNC MILLINGMILLINGMILLINGMILLING MACHINEMACHINEMACHINEMACHINE-TOOL-TOOL-TOOL-TOOL ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT Spiral bevel and hypoid gears have many advantages in transmission as high c

4、ontact ration and load capacity, smooth transmitting, lower sensitivity to errors ofinstallation,low-noisyandsoon;theyarewidelyusedinairplanes, automotive vehicles, machine tools and a lot of kinds of machines. Also hypoid gears are used in the trunk transmission of automobiles. Their requirements u

5、sed in automobiles transmission every year have several billions in the world, and the domestic requirements are also more than a ten million. As a result, the design and manufacturing of spiral bevel and hypoid gears occupy an important position in the machinery manufacturing area. With complex of

6、tooth surface form, it is very difficulty for the design and production of spiral bevel and hypoid gears. With the development of the computer control technology, the conventionalmachinetoolsof gear millingwithcomplexmechanism and adjustment is tend to be replaced by CNC machine-tools, which will pr

7、ovide the more free developing space for the manufacturing of spiral bevel and hypoid gears. In recent years, the research of spiral bevel gear manufacturing technology in our country has achieved great development. While domestic enterprises have developed several different series of spiral bevel g

8、ear NC Machines, the control kernel is the foreign NC systems, such as SIEMENS, FANUC and so on. It makes that the domestic spiral bevel gear design, manufacturing and other areas is still subject to few number of foreign monopolies, seriously hindering our manufacturing development. Based on the re

9、search about tooth surface of spiral bevel gear, according to 河南科技大学毕业设计说明书 III the principle and method of the tooth surface machining, combining the Institutional characteristics of milling machine at home and abroad which can be understand, completing the saddle and slide design KEYKEYKEYKEY WORD

10、S:WORDS:WORDS:WORDS: spiral bevel gear，milling machine，Saddle，slipway 河南科技大学毕业设计说明书 IV 目 录 前 言.1 第 1 章 绪论.2 1.1 弧齿锥齿轮加工机床国内外发展概况2 1.1.1 国外数控弧齿锥齿轮铣齿机发展概况.2 1.1.2 国内数控弧齿锥齿轮铣齿机发展概况.2 1.2 研究的目的与意义4 1.3 数控弧齿锥齿轮铣齿机加工原理与方法4 1.3.1 弧齿锥齿轮加工方法概述.4 1.3.2 弧齿锥齿轮的加工原理6 第 2 章 数控铣齿机的总体结构.8 2.1 数控铣齿机总体布局8 2.1.1 数控铣齿机

11、机械结构的组成.9 2.2 数控铣齿机机械结构要求9 第 3 章 滑鞍传动装置的设计计算11 3.1 滑鞍传动装置的总体设计11 3.1.1 数控铣齿机对进给装置的要求.11 3.1.2 数控铣齿机进给装置的设计.11 3.2 滚珠丝杠螺母副的设计：12 3.2.1 滚珠丝杆副简介 12 3.2.2 滚珠丝杠螺母副的设计.14 3.3 滚珠丝杠螺母副的校核17 3.4 滚珠丝杠的支承方式及轴承的选择20 3.4.1 滚珠丝杠支承方式的选择.20 3.4.2轴承的选择 20 3.4.3 滚珠丝杠使用的注意事项.21 3.5 伺服电机的选择21 河南科技大学毕业设计说明书 V 3.5.1 交流伺服

12、电动机的运行特点.21 3.5.2 交流伺服电动机的型号选择.22 3.6 联轴器的选择24 3.7 导轨的设计选择26 3.7.1 导轨的简介. 26 3.7.2 导轨的选用 27 第 4 章 底座、滑鞍及回转板的设计. 32 4.1 底座的设计32 4.2 滑鞍的设计32 4.3 回转板的设计33 结 论.35 参考文献.37 致 谢.38 河南科技大学毕业设计说明书 1 前 言 弧齿锥齿轮以其良好的动态性能，在机械行业中占有相当的地位，其设 计和制造技术从问世以来一直是制造业的难点和热点。弧齿锥齿轮具有传动 重合度大、承载能力高、传动效率高、传动平稳、噪声低等优点，广泛应用 于各种高速重

13、载的相交轴传动中，特别在车辆、航空、矿山机械、机床等机 械行业应用十分广泛。弧齿锥齿轮实现高速、高效、高精度、数控化和柔性 化加工，是其发展的方向。数控铣齿机是一种高自动化、高柔性、高精度及 高效率的机械加工设备，但我国的高精度弧齿锥齿轮铣齿机主要依靠进口。 并且国外公司对我国在这方面技术上的封锁也使我国的弧齿锥齿轮加工技术 受制于人。因此我国齿面加工一直局限于专用机床，结构复杂，价格昂贵， 调整困难，而国产铣齿机更是精度低、适应性差，加工出来的弧齿锥齿轮无 法满足高速、低噪的使用要求。鉴于上述情况，研制开发具有自主知识产权 的高精度弧齿锥齿轮数控铣齿机是机械产业的迫切需要和工业发展的必然要

14、求。 弧齿锥齿轮在机械领域的各个方面重要性从上述文献可以看出。且弧齿 锥齿轮加工的数控化研究，特别是对通用数控设备的研究，在该类齿轮高精 度及高效率生产制造方面具有重要意义。故我选择了这个课题。这次设计是 在魏冰阳老师的指导下与同学共同完成，在此我负责机床床鞍部分的设计。 本课题的总体思路是：在满足基本传动的前提下，采用合理的传动方式， 导轨采用合理的结构形式，实现交流伺服电机联轴器滚珠丝杠 丝杠螺母座滑鞍。本设计要解决的主要问题是导轨的选型和设计，滚珠 丝杠的计算选择与校核，伺服电动机型号的选择，联轴器、轴承的选择以及 滑鞍的结构尺寸设计。 河南科技大学毕业设计说明书 2 第 1 章 绪论

15、1.1 弧齿锥齿轮加工机床国内外发展概况 1.1.1 国外数控弧齿锥齿轮铣齿机发展概况 国外对弧齿锥齿轮的研究与制造均处于领先地位，特别是美国、德国和 日本等工业发达国家。他们所加工的弧齿锥齿轮无论在精度、耐磨性还是抗 疲劳强度上都处于世界领先地位。 传统的弧齿锥齿轮制造方法一般采用固定安装法进行切齿加工，在专用 机床上进行，切齿加工的弧齿锥齿轮由于精度高、易控制啮合质量等优点在 弧齿锥齿轮的制造业中占主导地位。 随着数控技术的发展，国外齿轮加工机床迅速地迈入了数控时代。20 世 纪 80 年代中期，格里森公司率先推出了凤凰系列数控锥齿轮铣齿机和磨齿 机，开始了弧齿锥齿轮加工机床的一次重大革新

16、。它可以加工两种齿制的齿 轮， 取消了传统机床上的摇台机构、刀倾机构以及复杂的传动链和调整环节， 大大简化了齿轮加工机床的机械结构，而机床刚性却显著提高。 格里森公司(Gleason )率先推出的 PHOENIX Free-form 型锥齿轮铣齿机 和磨齿机被誉为锥齿轮加工机床的一次革命性变革。目前格里森公司是弧齿 锥齿轮加工机床的主要供应厂家。它研制的格里森六坐标数控铣齿机是近百 年弧齿锥齿轮传动史上的重大突破，在理论与实践上都具有重要的意义。 为了消除热后变形对齿轮齿面加工的影响，国外许多齿轮厂家在弧齿锥 齿轮硬齿面加工方面也取得了很大成就。其中少数厂家采用先进的五坐标轴 联动数控加工方法

17、来加工弧齿锥齿轮以提高其加工精度。而韩国己经提出加 工弧齿锥齿轮的新思想，既从底层做起，利用锥形铣刀在三轴带转台数控机 床上完成弧齿锥齿轮的数控加工。 1.1.2 国内数控弧齿锥齿轮铣齿机发展概况 弧齿锥齿轮在几何上非常复杂，其设计和制造方法密切相关，切齿调整 技术直接影响着齿轮副的啮合质量。我国的弧齿锥齿轮加工技术远远落后于 河南科技大学毕业设计说明书 3 美国、德国、日本等发达国家。早期的弧齿锥齿轮加工机床多为传统机床， 此类机床的传动系统复杂，主要是通过齿轮间的啮合来传递运动，并且传动 链较长，一旦产生误差，将会影响整个传动链，造成齿轮的制造误差，加工 精度低。从上世纪 70 年代开始，

18、我国开始引进美国格里森公司的齿轮机床， 对格里森公司的计算公式进行了推导和改进。天津齿轮机床研究所、北京齿 轮厂和西安交通大学联合将美国格里森公司的锥齿轮加工设备中附带的一些 技术资料以及后来又提供的资料进行了有选择地翻译，并以译文集的形式出 版，便于从事锥齿轮及锥齿轮机床的人员进行设计、制造和理论研究。虽说 我国齿轮技术取得了很大的进步，但是与国外一些发达国家相比还存在很大 的差距。 从“八五”期间开始，我国一些机床厂研制 NC 齿轮机床并取得了一定 的进展，我国秦川机床厂与西安交通大学研制了 YH2240 型数控弧齿锥齿轮 铣齿机，通过五轴联动数字控制器实现自由成形加工，能加工出各种齿制的

19、 空间任意齿面，取代了传统机械型弧齿锥齿轮铣齿机复杂的传动链和繁琐费 时的调整试切。2002 年 10 月，我国首台数控弧齿锥齿轮磨齿机在中南大学 问世，该机属国内首创，达到国际先进水平。 当前国内齿轮加工技术的理论也有了很大的发展，吴训成等人建立了五 轴联动 CNC 锥齿轮机床的切齿加工基本理论，给出了根据齿面设计参数确 定机床切齿加工参数的具体方法，推导出五轴联动 CNC 锥齿轮机床展成齿 面的数学模型。王廷忠等人提出在通用五坐标数控机床上，实现了弧齿锥齿 轮复杂矢量函数曲面加工.通过运动转换，简化了弧齿锥齿轮加工调整问题， 为弧齿锥齿轮加工提供一种新方法，魏冰阳等研究了传统机床与 Fre

20、e-Form 型机床运动的等效转换关系，给出了等效转换关系的显函数数学表达式。这 些研究都为弧齿锥齿轮 CNC 制齿奠定了良好的基础。 虽然我国在弧齿锥齿轮数控机床研究方面取得了很大的进展，但由于起 步较晚，与美欧等发达国家还有一定的差距，存在的主要问题是制造精度和 生产率低、使用寿命短、承载能力低、噪声大，远远不能满足用户的需要。 因此加快我国弧齿锥齿轮数控加工设备及工艺的开发和研究具有重要的意 义。 河南科技大学毕业设计说明书 4 1.2 研究的目的与意义 弧齿锥齿轮是机械上的关键零件，因其重合度高、传动平稳、噪声低广 泛应用于汽车、拖拉机、工程机械、工业缝纫机、电动工具、机床等机械设 备

21、中。因此提高弧齿锥齿轮的制造技术有利于提高我国机械装备技术水平， 其发展好坏密切关系着我国机械工业的发展。如果能有先进的弧齿锥齿轮制 造技术，我国的机械工业将快速发展。长期以来，国际上首先研发出来的美 国格里森公司在技术上对我国封锁，而且严禁向我国出口此类机床，进入九 十年代国内市场又被美国、瑞士、德国垄断。因此，我国把弧齿锥齿轮数控 铣齿机科研开发做为重要的项目实施科研开发。 数控弧齿锥齿轮铣齿机是一种涉及多学科（自动控制、计算机技术、数 学、齿轮啮合原理、机械设计与制造技术等）的高科技产品。不管是“格里 森”齿制还是“奥利康”齿制弧齿锥齿轮，其齿面轮廓都是复杂的空间曲面， 要通过刀具于工件

22、的相对运动加工出复杂的曲面是相当困难的。机械型弧齿 锥齿轮铣齿机是通过复杂的传动系统来实现刀具于工件的空间运动关系，由 于传动链太长，增加了系统的不稳定性，齿轮的精度也就不容易保证。而数 控型是依赖计算机技术能使软硬件相结合来实现刀具与工件的空间运动关 系，可以减少传动系统复杂带来的误差，再加上现代计算机技术的高度发展 可以实现很精确的空间运动。另外，市场对齿轮规格的多样化需求越来越大， 而数控铣齿机的柔性更好。所以，对数控弧齿锥齿轮铣齿机的研究是有利于 我国机械工业的发展，也是机械精密加工的代表。同时，这对于应用和推广 具有我国自主知识产权的弧齿锥齿轮数控铣齿机，提高具有我国自主知识产 权产

23、品的国际竞争力，有着积极、重要的意义。 1.3 数控弧齿锥齿轮铣齿机加工原理与方法 1.3.1 弧齿锥齿轮加工方法概述 事实上弧齿锥齿轮的加工方法就是两种，即成形法和展成法。齿轮的加 工不论是何种机床（滚、插、铣等等） ，基本都可以归为两类一是成形法， 就 河南科技大学毕业设计说明书 5 是利用成型的刀具直接加工出齿轮的齿形的方法，其加工刀具的轴剖面齿形 应与被加工齿轮齿槽的形状相同（图 1-1） 。另一个就是展成法（范成法） ， 是目前齿轮加工中应用得最广泛的方法，它是利用一对齿轮啮合或齿轮与齿 条啮合的原理来加工齿轮的，也就是利用包络法展成齿面的原理来加工齿轮 齿廓（图 1-2） 。我们目

24、前所遇到的主要是展成法。 图 1-1 加工刀具的轴剖面齿形与被加工齿轮齿槽的形状 图 1-2 包络法展成齿面法加工齿轮齿廓 格里森弧齿锥齿轮有三种基本的加工方法。即：单面法、双面法和固定 安装法。单面法即在一次调整安装下，用单面刀盘切削一个齿面，而另一个 齿面在另一次调整安装下切出。双面法则一个轮齿的两个齿面由一把双面刀 盘一次切出。固定安装法是轮齿的粗切和凹凸面的精切分别由三台机床和三 河南科技大学毕业设计说明书 6 把刀具（粗切刀、外切单面刀及内切单面刀）分别加工。这种方法通常用于 大量生产中的小齿轮加工。一对齿轮副大、小轮的加工，通常是上述三种基 本方法的组合。 1.3.2 弧齿锥齿轮的

25、加工原理 加工弧齿锥齿轮，通常是按照虚拟平顶铲形齿轮原理来进行的。所谓平 顶铲形齿轮，也是一个锥齿轮，但其齿顶是在一个平面上，此平面垂直于平 顶齿轮的轴线，也就是说，其顶锥角等于 90；平顶齿轮的节面仍为锥面， 即节锥。所谓按平顶齿轮原理加工齿轮，即在切齿过程中，假想有一个平顶 齿轮和机床上的摇台同心，并随着摇台转动而与被切齿轮作无间隙的啮合。 这个虚拟的平顶齿轮的牙齿表面，是由机床摇台上的铣刀盘切削刃在摇台上 旋转的轨迹所代替的。即平顶齿轮的牙齿表面，是由刀盘上的刀刃绕刀盘轴 线回转而形成的锥面的一部分。这样随着一对齿轮的啮合运动，而使得刀具 在齿坯上加工出一个牙齿来，如图 1-3。 图 1

26、-3 平顶齿轮原理加工齿轮 数控式与机械式的区别在于实现上述功能的过程方法不同，机械式是通 过复杂的传动系统控制摇台来实现模拟假想齿轮的运动。而数控式则不同， 是通过数字技术控制几个轴一起联动实现模拟假想齿轮的运动。数控式以数 控技术代替复杂的传动系统，使用简单的传动就可以实现应有的功能，主要 河南科技大学毕业设计说明书 7 通过滚珠丝杠和滑台的使用实现几个轴的联动。由此使机床的精度、可靠性、 稳定性大大提高。 河南科技大学毕业设计说明书 8 第 2 章 数控铣齿机的总体结构 2.1 数控铣齿机总体布局 摇台式机床结构如图 2-1。 图 2-1 摇台式机床 通过对加工原理的描述我们再看铣齿机的

27、结构，就会更清楚铣齿机各个 功能部件的作用。传统结构铣齿机可把主要功能部件分为两部分。一部分包 含有摇台支架、摇台鼓轮、偏心鼓轮和刀盘主轴。该部分用于模拟“产形轮”。 而另一部分包含有床鞍、回转板、工件箱和工件主轴，其主要用于被加工工 件的空间位置的确定和相应的运动。这上面有关确定被加工齿轮位置的参数 有水平轮位、床位、安装角和垂直轮位。其中水平轮位是通过工件箱沿着工 件轴线方向前进后退来进行调整的，床位是通过床鞍沿着摇台轴线前进后退 来进行调整的，安装角目前来说就是齿轮的根锥角，它是通过回转板的摆动 进行调整的。垂直轮位我们目前还用不到。 平顶齿轮原理加工齿轮在魏老师的指导下，在对上述铣齿机

28、床的结构充 河南科技大学毕业设计说明书 9 分了解的情况下，完成数控机床床鞍部分的设计，其原理图如图 2-2 图 2-2 毕业设计总装图 2.1.1 数控铣齿机机械结构的组成 数控铣齿机的机械结构主要有以下几部分组成： （1）主传动系统， 它包括动力源、传动件及主运动执行件（主轴）等， 其功能是将驱动装置的运动及动力传给执行件，以实现主切削运动。 （2）进给传动系统，它包括动力源、传动件及进给运动执行件（工作台、 刀架）等，其功用是将伺服驱动装置的运动与动力传给执行件，以实现进给 切削运动。 （3）基础支撑件， 它包括床身、立柱、导轨、滑台、工作台等，它支 撑机床的各主要部件，并使它们在静止或

29、运动中保持相对正确的位置。 2.2 数控铣齿机机械结构要求 数控机床的结构要求： 1. 高刚度 河南科技大学毕业设计说明书 10 机床刚度是指机床抵抗由切削力和其它力引起变形的能力。有标准规定 数控机床的刚度应比类似的普通机床高 50。本结构通过较粗的丝杠、肋板 来保证较高的强度。 2. 高抗振性 强迫振动和自激振动是机床工作时可能产生的两种形式的振动。机床的 抗振性指的是抵抗这两种震动的能力。本结构通过高精度以及采用优良的伺 服电机来保证震动稳定性。 3. 高的低速运动平稳性 数控机床各坐标轴低速进给运动的平稳性极大的影响到零件的加工精 度。数控机床的脉冲当量很小，一般为 0.010.001

30、mm。当低速时运动的不 平稳现象称为爬行。本结构采用滚动导轨可以减少爬行。 河南科技大学毕业设计说明书 11 第 3 章 滑鞍传动装置的设计计算 3.1 滑鞍传动装置的总体设计 3.1.1 数控铣齿机对进给装置的要求 为确保数控铣齿机进给装置的传动精度和工作平稳性，数控铣齿机进给 传动装置要满足以下要求： （1）摩擦阻力小。尤其是减少导轨与滑鞍之间的摩擦，消除低速进给爬 行现象，提高进给装置的稳定性。 （2）各运动零件的惯量小。进给装置中每个部件的惯量对进给装置的启 动、制动特性等都有直接的影响，尤其是高速运转的零件，其惯量的影响更 大。在满足传动强度和刚度的前提下，应尽可能使各零件的结构、配

31、置合理， 减小旋转零件的直径和质量，以减少运动部件的惯量。 （3）传动精度与定位精度高。提高传动精度与定位精度，主要是提高进 给系统中传动零件的精度和支承刚度。首先要保证各个零件的加工精度，尤 其是提高滚珠丝杠螺母副的传动精度。 （4）响应速度快。所谓快速响应特性是指进给装置对指令输入信号的响 应速度及瞬态过程结束的速度，工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确 地跟踪指令，进行单步或连续移动，在运动时不出现丢步或多步现象。 （5）使用维修方便。进给装置的结构设计应便于维护和保养，最大限度 地减少维修工作量，以提高机床的利用率。 3.1.2 数控铣齿机进给装置的设计 数控铣齿机滑鞍传动装置主要包

32、括伺服电机、联轴器、滚珠丝杠螺母副、 丝杠轴承、滑鞍等。本文研究的数控铣齿机伺服电机与滚珠丝杠直接通过联 轴器联结，省去了中间的减速机构，这样可使整个装置结构简单，同时减少 产生误差的环节。 图 3-1 为数控铣齿机滑鞍传动装置的结构简图。伺服电机通过联轴器带 动滚珠丝杠回转，由滚珠丝杠螺母带动滑鞍沿底座上的导轨移动，从而实现 河南科技大学毕业设计说明书 12 此方向的进给运动。滚珠丝杠的左右支撑各有两个60o的角接触球轴承组成， 其配对方式为背靠背串联，两组角接触球轴承内圈安装在丝杠轴上，外圈安 装在轴承座上。两轴承安装时，中间用一轴套对轴承进行预紧。安装轴承的 轴径端盖处及轴承座处有密封圈

33、对其进行密封。 1伺服电机2联轴器3轴承4滚珠丝杠 5底座6滚珠丝杠螺母7滑鞍8回转板 图 3-1 数控铣齿机滑鞍传动装置的结构简图 3.2 滚珠丝杠螺母副的设计： 3.2.1 滚珠丝杆副简介 数控机床为了提高进给系统的灵敏度，定位精度和防止爬行，必须降低 摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此，行程不太长的直线运动机构常用滚 珠丝杆副。滚珠丝杆可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和 刚度。 滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将 旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠 河南科技大学毕业设计说明书 13 的进一步延伸发展。滚珠丝杠副因优

34、良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工 业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机 床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的 数控化发展。 滚珠丝杠副具有以下特点： （1）传动效率高，摩擦损失小.滚珠丝杠副的传动效率=0.920.96， 是普通丝杠螺母副的 34 倍(=0.200.40)，功率消耗只相当于普通丝杠螺 母副的 1/41/3。 （2）定位精度高，刚度好。给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间 隙，反向时就可以消除空程死区。 （3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。 （4）有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转 换为旋

35、转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。 （5）磨损小，使用寿命长。 （6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗 糙度也要求高，故制造成本高。 （7）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于自重惯力的作用，下降时当 传动切断后，不能立即停止运动，故常需附加制动装置。 滚珠丝杠副可以消除反向间隙。为了提高刚度，还可使它在过盈的条件 下工作，即可以预加载荷，或称预紧。消除问隙和预加载荷有很多方法。在 机床上常用的是双螺母法。常见的消除间隙和预加载荷的方式有双螺母式和 齿差式。本设计采用的是双螺母垫片预紧的方式。采用预加载荷(预紧)的方 法可以减少弹性变形所带来的轴向误差，保证反向传动

36、精度和轴向刚度。但 过大的预加载荷会增大摩擦阻力，降低传动效率，缩短使用寿命。所以，一 般需要经过多次调整，以保证既消除间隙又能灵活运转。滚珠丝杠副的预加 载荷的值，应不低于丝杆最大轴向载荷的 1/3。故预紧力的计算公式为： max 1 3 p FF=(3-1) 式中： p F丝杠的预紧力（N） ； max F丝杠的最大工作载荷（N） ； 河南科技大学毕业设计说明书 14 3.2.2 滚珠丝杠螺母副的设计 （1）滚珠丝杠导程的确定 丝杠导程的选择应根据机床传动要求， 负荷大小和传动效率等因素综 考 虑确定。一般选择时，先按机床传动要求，确定丝杠导程应满足下式： max max h v P n

37、(3-2) 伺服电机的最高转速 max n=1500r/min,伺服电机通过联轴器与丝杠直接连 接，即i=1, 则丝杠最高转速为 max n=1500r/min。本次设计滑鞍的最快进给速 度为 max v=15m/min，所以丝杠导程 max max 1000 15 10 1500 h v Pmmmm n =. 查丝杆导程表，得10 h Pmm= （2）精度级别的选择 滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度， 在滚珠丝杠精度参数中， 其导程误差对机床定位精度影响最明显。滚珠丝杠精度等级共分七个等级， 即 1,2, 3, 4, 5, 7, 10 级，1 级精度最高，依次降低。数控机床主要采用

38、14 级。 本系统定位精度为0.012/300mm, 一般在初步设计时设定丝杠的任意 300mm 行程变动量300V为定位精度的 1/31/2，即 0.0040.006mm，对于二 级精度的滚珠丝杠，任意 300mm 内导程允许误差为 0.008mm，因此可取滚 珠丝杠精度为 2 级。 （3）滚珠丝杠副型号的选择 滚珠丝杠的公称直径、 滚珠的列数和工作圈数， 应按当量动载荷mC选择。 额定载荷可以从样本或手册中查得。滚珠丝杠的当量动载荷 m C为 3 mw m a FLf C f =(3-3) 式中： m F轴向平均载荷（N） ，若载荷是变化的且其时间分配明显是周 期性的，则 maxmin 2

39、 3 m FF F + = ； 河南科技大学毕业设计说明书 15 L工作寿命，单位为 6 10 r, 6 60 10 m n T L=； m n平均转速， maxmin ( / min) 2 m nn nr + =； T以小时为单位的使用寿命（h） ，数控机床可取T=15000h； a f精度影响系数，对于 1、2、3 级滚珠丝杠取1 a f= ，对于 4、 5 级滚珠丝杠取0.9 a f=； w f运动状态系数。无冲击取 11.2，一般情况取 1.21.5，有冲 击振动取 1.52.5。 所选的丝杠副，其额定动载荷 a C不得小于此值： am CC。 丝杠的最大载荷为切削时的最大进给力加上摩

40、擦力，而最小载荷为摩擦 力。最大进给力已知为 f F=3000N ，主切削力取 c F=4000N。工作台质量 120 kg，工件及夹具的最大质量为 300 kg。则移动部件的总重量为 G=9.8 300+120N=4116N 丝杆的最大载荷为 max () cf FKFfFG=+ (3-4) 式中： K考虑颠覆力矩影响的实验系数 K=1.1 f导轨上的摩擦系数 f=0.04 G移动部件的重量 4116GN= 所以丝杆的最大载荷 max F=1.13000+0.004(4000+4116)3624N 丝杠的最小载荷为摩擦力 min 0.044116164FfGNN=(3-5) 轴向工作载荷（平

41、均载荷）为 maxmin 22 3624164 2470 33 m FF FN + =(3-6) 丝杠最高转速为 max n=1500r/min，滑鞍最小进给速度 min v 为 1mm/min，则丝杠 最低速度为 min min 1 / min0.1 / min 10h v nrr P =(3-7) 河南科技大学毕业设计说明书 16 可取 min 0n=，则丝杠平均转速为 maxmin 15000 / min750 / min 22 m nn nrr + =(3-8) 故丝杠工作寿命为 66 6060 750 15000 675 1010 m n T L =(3-9) 式中：工作寿命 L 单

42、位为 6 10r， m n为平均转速，T 为丝杠使用寿命，对数控 机床可取 T=15000h。 当量动载荷 m C为 3 3 2470675 1.5 32.5 1 mw m a FLf CkN f = 根据以上计算，查滚珠丝杠副样本中与 m C相近的额定动载荷 a C，使得 am CC，然后由此确定滚珠丝杠副型号与尺寸。故本系统选择内循环双螺母 式滚珠丝杠副，型号为 FDG4010-3-P1。其主要尺寸参数如图 3-2 查滚珠丝杠副样本可得：公称直径0d=40mm，丝杠外径1d=39.5mm，丝 杠底 径2d=34.3mm, 钢球 直径wD=7.144mm ，螺 纹升 角 0 = 4 33 ，

43、 导程 为 10 h P=mm，螺母滚珠有 3 列，螺母的长度 L=146mm，滚珠丝杠副精度等级 为 1 级，额定动载荷 a C为 37.4kN。 由滑鞍传动系统的结构图确定滚珠丝杠副的有效行程Lu=604mm，螺纹 长度Ls=644mm，两固定支撑距离l=743mm。 公 称 直 径公 称 直 径公 称 直 径公 称 直 径 丝 杠 大 径丝 杠 大 径丝 杠 大 径丝 杠 大 径丝 杠 小 径丝 杠 小 径丝 杠 小 径丝 杠 小 径 滚 珠 直 径滚 珠 直 径滚 珠 直 径滚 珠 直 径 螺 母 小 径螺 母 小 径螺 母 小 径螺 母 小 径 图 3-2 滚珠丝杠尺寸参数 滚珠丝杠

44、螺母副安装结构见图 3-3，具体尺寸见表 3-1 河南科技大学毕业设计说明书 17 图 3-3 滚珠丝杠螺母副安装结构 表 3-1 滚珠丝杠螺母副安装尺寸 型号 螺母安装连接尺寸/mm D1D2D3D4D5D6D7L2BhNL1 FDG4010-3636310885111880201811M8146 3.3 滚珠丝杠螺母副的校核 （1）传动效率的计算 tan = tan(+) (3-10) 式中：丝杠螺旋升角, 0 = 4 33； 摩擦角,滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.0030.004,其摩擦角 约等于 10； () tan 4 33 tan(4 33 10) o o = + 0.96 0.

45、9 满足要求 （2）刚度验算 滚珠丝杠副丝杠的变形量包括：丝杠的拉伸或压缩变形量 1 。滚 珠与螺纹滚道间接触变形 2 。支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 3 。 滚珠丝杠的扭转变形引起的导程的变化量 4 。螺母座及轴承支座的 变形 5 。 河南科技大学毕业设计说明书 18 滚珠丝杠的扭转变形引起的导程的变化量 4 一般占的比重较小，常忽略 不计。螺母座及轴承支座只要设计机合理，其变形 5 也可忽略不计。故总变 形量 123 =+ 丝杠的拉伸或压缩在总变形量中的比重较大，可按下式计算： max 1 Fl ES =(3-11) 式中： max F丝杠的最大工作载荷， max 3642FN=； E

46、钢的弹性模量为 5 2.1 10MPa； S丝杠的最小截面积，即丝杠底径截面积 S= 2 2 2 923.5 4 d mm =； l丝杠两端支承间的距离，l=743mm，则 max 1 0.0138 Fl mm ES = 滚珠丝杠滚道间的接触变形量2，在有预紧时的计算公式如下： max 2 32 0.0013 1010 wp F D F Z =(3-12) FDG4010-3 型滚珠丝杠螺母副单圈滚 0 3.1440 3315 7.144 w d Z D =，Z为 滚珠总数，Z=Z圈数列=1531=45。丝杆预紧时，取轴向预紧力 max 1208 3 p F FN=。 因此， max 2 32

47、 0.00130.000113 1010 wp F mm D F Z = 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 3 采用角接触球轴承查表得： 3 =0.0016mm 。 总变形量 123 =+ =0.0138+0.000113+0.0016=0.0155，当有效行程 500mm 到 620mm 时，2 级精度的允许行程变量为 0.018mm，总变形量满足 设计要求。 （3）稳定性校验 对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应 河南科技大学毕业设计说明书 19 算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险。 产生失稳的临界负载 k F可用下式计算： 2 2 Z k fEI F l =(3

48、-13) 式中： E丝杠材料的弹性模量，E= 6 10 6 . 20 2 cmN I截面惯性矩( 4 cm)，对于丝杠为 4 2 64 Id=( 2 d为丝杠内径) l丝杠两支承端距离，l=743mm Z f丝杠的支承方式系数，由于丝杠的支承方式为两端固定，则 选取 Z f=4 2 6 2 1.02 10 Z k fEI FN l =因此， 临界负载 k F与最大工作负载 max F之比称为稳定性安全系数 k n。 max k kk F nn F =当时，丝杠满足稳定性要求。 k n为许用稳定性安全系数， 一般取： 2.54 k n=。 故 6 2 max 1.02 10 2.8 10 362

49、4 K K F n F = K n=2.54(3-14) 所以丝杠不会产生失稳。 （4）滚珠丝杠螺母副临界转速 c n的校验 对于数控机床来说，滚珠丝杠最高转速不超过临界转速就可以了，为安 全起见，取最高允许转速 max n0.8 c n。滚珠丝杠螺母副转动时不产生共振的 最高转速称为临界转速 c n，临界转速一般以丝杠的转速与丝杠自身的振动频 率是否接近来进行校核，其计算公式为 2 1 2 60 2 c EI nK lA =(3-15) 式中：l支承间距离，取l=743mm； E弹性模量，取 5 2.1 10EMPa=； 丝杠密度，取 52 1 7.8 10/N mm g =，g= 32 9.8