毕业设计（论文）-CK6132数控车床总体及进给驱动部件设计（全套图纸） .doc

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1、1 CK6132 数控车床总体及进给驱动部件设计 姓 名： 专 业：机械设计制造及其自动化 指导教师 摘摘要要 随着机械制造业的飞速发展，为进一步提高教学生产类中小型数控车床的 性价比，提高主轴转速，增加机床刚性，对原有的数控车床作了一定的结构改进 设计，使之不仅能满足教学用途外还能用于生产实际上半精、精加工。 设计的内容为主要介绍了数控机床的现状及发展趋势，数控机床的概述和分 类等，主要设计为 CK6132 车床总体及驱动部件设计，首先是主要动力参数的确 定，主运动功率确定和切削量的选择，切削功率的选择等，进给驱动部件的设计， 滚珠丝杠的选用，之后对其进行校核，介绍了导轨、导轨架及床身的设计

2、。对导轨 架的尺寸进行了估算。 完成了进给驱动的相关设计问题，能满足教学生产类中小型数控车床加工相 关零件的要求，同时该机床也有较好的性价比，有一定的应用价值 关关键键词词 数控车床 床身 滚珠丝杠 全全套套图图纸纸， ，加加 153893706 2 Ck6132 lathe to drive and the overall design of component Name：Lizilong Major：Mechanical Design E P 15 CM p切削功率，单位为 kW； 主传动链的总效率，一般在通用机床上可取0.700.85。当结构 简单，转速较低时取大值。 切削功率的确定应该

3、在加工工艺的基础上来进行分析。通用机床应该选择对 切削功率有决定性影响的若干加工情况；专用机床应该要按典型工件的加工情况 来考虑，然后根据选用的切削用量来计算切削功率。本次设计的 CK6132 数控车 床是通用型的小型数控车床，所以它的切削功率有决定性的影响着若干的加工情 况。 查阅机械制造技术公式（211）可得切削功率的计算公式： （公式 6）kW vF P cc c 3 1060 所以机床的切削功率为： （公式 7）kW vF P cc c 78 . 3 1060 5 . 1652 .1370 1060 33 由于本次设计的 CK6132 数控车床中主电机与主轴之间的连接是通过 V 带 传

4、动来实现的，通过查阅实用机床设计手册表 1.1-10 可以查得 V 带的传动效 率，因此主运动电机的功率为：96 . 0 （公式 8）kW kWP P c E 94 . 3 96 . 0 78 . 3 按照上面计算的结果，可以确定选择额定功率为 4kW 的三相变频电动机是 完全能够满足本次设计的 CK6132 数控车床的正常运行的。查阅网上资料，选用 上海森力玛 YPNC 系列主轴变频专用电机 YPNC-33.3-4-B。 3 3. .2 2 进给驱动部件传动功率的计算 进给系统机械传动结构是伺服进给系统的主要组成部分，主要由传动机构、 运动变换机构、导向机构、执行件组成，它是实现成形加工运动

5、所需的运动及动 力的执行机构。由于数控机床的进给运动是数字控制的直接对象，被加工工件的 最终位置精度和轮廓精度都与进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性有关。 3 3. .2 2. .1 1 数数控控机机床床进进给给传传动动系系统统要要求求 为了确保数控机床进给传动系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动 装置时，应注意以下要求。 （1） 提高传动精度和刚度。数控机床本身的精度，尤其是进给传动装置的传 动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性的作用，是数控机床的特征指标。 为此，首先要保证各个传动件的加工精度，尤其是提高滚珠丝杠螺母副(直线进给 系统)、蜗杆副(圆周进给系统)的传动精度。另外，

6、在进给传动链中加入减速齿轮 以减小脉冲当量(即伺服系统接收一个指令脉冲驱动工作台移动的距离)，从系统 16 设计的角度分析，也可以提高传动精度；通过预紧传动滚珠丝杠，消除齿轮、蜗轮 等传动件的间隙等办法，来提高传动精度和刚度。 （2）减少各运动零件的惯量。传动件的惯量对进给传动系统的启动和制动特 性都有影响，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，尽可能减小执行部件的质量，减小旋转零件的直径和质量，以减少 运动部件的惯量。 （3） 减少运动件的摩擦阻力。机械传动结构的摩擦阻力，主要来自丝杠螺母 副和导轨。在数控机床进给传动系统中，为了减小摩擦阻力，消除低速进给爬

7、行 现象，提高整个伺服进给系统稳定性，广泛采用滚珠丝杠和滚动导轨以及塑料导 轨和静压导轨等。 （4）响应速度快。所谓快速响应特性是指进给传动系统对输入指令信号的响应 速度及瞬态过程结束的迅速程度。快速响应是伺服进给系统的动态性能，反映了 系统的跟踪精度。工件加工过程中，工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确 地跟踪指令，在运行时不出现丢步和多步现象。进给传动系统响应速度的大小不 仅影响到机床的加工效率，而且影响加工精度。设计中应使机床工作台及传动机 构的刚度、间隙、摩擦以及转动惯量尽可能达到最佳值，以提高伺服进给系统的 快速响应性。 （5） 较强的过载能力。由于电动机频繁换向，且加减速度很快，

8、电动机可能在 过载条件下工作，这就要求电动机有较强的过载能力，一般要求在数分钟内过载 46 倍而不损坏。 （6） 稳定性好，寿命长。稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本条件， 特别是在低速进给情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振。 稳定性与系统的惯性、刚度、阻尼及增益等都有关系，适当选择的各项参数，并能 达到最佳的工作性能，是伺服进给系统设计的目标。所谓伺服进给传动系统的寿 命，主要指其保持数控机床传动精度和定位精度的时间长短，即各传动部件保持 其原来制造精度的能力。为此，应合理选择各传动部件的材料、热处理方法及加 工工艺，并采用适当的润滑方式和防护措施，以延长其寿命。 （

9、7）使用维护方便。数控机床属于高精度自动控制机床，主要用于单件、中小 批量、高精度及复杂的生产加工，机床的开机率相应就高，因而进给传动系统的 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 3. .2 2. .2 2 计计算算进进给给部部件件传传动动功功率率的的相相关关公公式式及及原原理理 在进给传动和主传动共用一个电机的通用机床上，如普通车床和钻床，由于 进给传动所消耗的功率与主运动相比是很小的，因此在一般情况下是可以忽略进 给所需要的功率的。在进给运动与空行程传动共用一个电机的机床上，如升降台 17 铣床，也不必单独考虑进给所需要的功率，因为使升降台快速移动所

10、需要的空行 程传动功率比进给传动带来的功率要大的多。 对于进给方向的传动采用单独电动机驱动的机床，都需要确定进给传动所需 要的传动功率，因此在本次设计的 CK6132 数控车床中在进给驱动的 Z 轴和 X 轴 方向是通过采用两个单独的电机来驱动的，所以对于这次设计的进给传动系统是 需要进行传动功率的计算的。 通过实用机床设计手册10第 P497 页的内容可以知道，进给方向的传动功 率是由进给牵引力、进给速度和机械效率来决定，则三者之间 NQmin/mvf f 的关系为： （ 公式kW Qv P f f f 60000 9） 进给牵引力是与导轨有关系的，对于导轨的选择在这里不进行详细的叙述， 这

11、方面的内容会在后面进行详细的讲解，因此这里只使用现成的结果。 CK6132 数控车床采用滑动导轨，横向导轨采用矩形三角形导轨，径向导轨选 用燕尾槽形。 通过机床设计手册第三部 部件、机构及总体设计 表 6.2-34 水平导轨的 反力和牵引力计算可知： 矩形三角形导轨牵引力的计算公式为： （公式 10） NGFfkFQ cf 燕尾形导轨牵引力的计算公式为： （公式 11） NGFFfkFQ pcf 2 式中： G移动部件的重力，单位为 N; 当量摩擦系数； f 考虑倾覆力矩影响系数；k 、切削分力,单位为 N，其中为沿进给方向的分力； c F p F f F f F 在正常润滑的情况下，k 和

12、f可取如下的数值： 矩形三角形： k=1.11.15 ; f=0.150.18 ; 燕尾槽形： k=1.4 ; f=0.2 ; 18 3 3. .2 2. .3 3 进进给给驱驱动动部部件件的的功功率率和和扭扭矩矩的的计计算算 要计算出 Z 轴和 X 轴进给驱动功率，首先要初步估算出 Z 轴和 X 轴两方向 的步进电动机所需要带动的移动部件的重力，Z 轴和 X 轴两个方向需要带动的部 件主要分为四个部分：大拖板、小拖板、X 轴的步进电动机、电机的联接座以及转 塔刀架部分。 根据公式计算牵引力的时候，切削分力在前面一节中已经算出来了，当量摩 擦系数和倾覆力矩影响系数也已经在根据相关的资料查到了，

13、现在主要求的是各 移动部件的重力。在计算重力的时，要考虑到各移动部件的密度、体积 V、还有 计算重力时的一个惯用常数 g。 在机床上，大拖板和小拖板都是铸件，因此它们所使用的材料是灰铸铁；由于 转塔刀架、X 轴步进电动机和电动机联接座是装配件，其材料和构成的结构都是 比较复杂的，因此为了保险起见假设它们的材料是碳钢，因为碳钢具有较高的强 度、屈强比和足够的塑性、韧性；良好的焊接性和冷塑性加工性；具有一定的耐蚀 性。较低的冷脆转化温度和低的时效敏感性。 查阅实用机床设计手册10表 1.1-3 可知各材料的密度，灰铸铁的密度 ；碳钢的密度。 3 3 /100 . 7mkg 33 /1085. 7m

14、kg 在计算的过程中，数据都是参考车间里的数控机床的，因为车间里的数控机 床和我这次设计的数控机床都是同一种机床的类型数控车床，不一样的只是 我所设计的车床比车间里的小一个型号，下面我们来进行各移动部件的重力估算： 小拖板： 3 1 00186 . 0 04 . 0 3 . 015 . 0 mV NgVG 2 . 1301000186 . 0 100 . 7 3 11 大拖板： 3 2 00845 . 0 079 . 0 078. 0349 . 0 39 . 0 0935. 029. 0mV NgVG5 .5911000845 . 0 100 . 7 3 22 转塔刀架： 3 3 00461

15、. 0 180 . 0 16. 016 . 0 mV NgVG3621000461 . 0 1085 . 7 3 33 电动机及联接座： 32 4 00231 . 0 051 . 0 279 . 0 mV NgVG1811000231 . 0 1085. 7 3 44 式中： G移动部件的重力，单位为 N； 19 V移动部件的体积，单位为 3 m g常数，一般情况为了计算的方便，取 10； Z 轴方向的步进电机带动的是以上四个移动部件，故它的重力为以上四个移 动部件的重力之和，即： NGGGGGz 7 . 1264181362 5 . 591 2 . 130 4321 X 轴方向的步进电动机带

16、动的是两个移动部件，即刀架和小拖板，故它的重 力为两移动部件的重力之和，即： NGGGx 2 . 492362 2 . 130 31 3.2.3.1 Z 轴进给方向的牵引力及电动机所需要的转矩的计算 Z 轴方向是采用矩形三角形导轨的，由上面的计算公式得知 Z 轴方向的牵引 力，取 k1.15，0.18，则： f （公式 zcfz GFfkFQ 12） N7 .1197 7 . 1264 6 . 133818 . 0 63415. 1 Z 轴和 X 轴方向的丝杠为滚珠丝杠副，详细的选择在后面会说到的，这里应 用的是结果。通过实用机床设计手册10表 3.7-22 可知，由于数控车床在 Z 轴 和

17、X 轴方向上的丝杠精度等级分别推荐为 2、3、4 级和 3、4、5 级，所以在本次的 设计中 Z 轴和 X 轴方向的滚珠丝杠同时选用 3 级精度。 根据实用机床设计手册10表 1.1-10 可知，滚珠丝杠副的机械传动效率为 0.850.95，所以这里取一个中间数，即为。9 . 0 Z 轴方向的进给速度与进给量和主轴转速有关，则三者的关系为： （公式min/25 . 0 min/2505005 . 0mmmnfvf 13） 式中： n主轴转速，单位为 m/min; f进给量，单位为 mm/r; 根据上面传动功率的公式可以计算出 Z 轴的进给功率为： （公式 14） f fz f vQ P 600

18、00 kW0055. 0 9 . 060000 25 . 0 7 . 1197 根据实用机床设计手册第 P513 页可以知道转矩的公式为： （公式 15）mN n P T 9550 20 式中： T转矩，单位为；mN P传动功率，单位为 kW； n电动机的转速，单位为；min/r 按照典型工况中计算出来的转速和 Z 轴方向滚珠丝杠的导程，可以计算出 Z 轴方向步进电动机的转速为： （公式 16）min/67.41 6 250 r p v n f 式中： p滚珠丝杠的导程； 由此可以计算出步进电动机的转矩，为： （公式 17）mN n P T26 . 1 67.41 0055 . 0 95509

19、550 根据上面计算出来的转矩，Z 轴方向的电动机选用常州市宝成电机有限公司 提供的型号为：90BC340AH。这种类型的电动机的矩频特性，在电动机的工作范 围之内，矩频特性的曲线远大于所需要的转矩，因此所选用的电机完全符合这次 设计的要求。 3.2.3.2 X 轴进给方向的牵引力和电动机所需要的转矩的计算 X 轴方向采用的是燕尾形导轨，由上面的计算公式可以计算出 X 轴方向的牵 引力，取 k=1.4, f=0.2，则： （公式 18） xpcfx GFFfkFQ2 N92.1358 2 . 492 9 . 26226 .13382 . 06344 . 1 与上面一样，同理可得： X 轴进给方

20、向的进给速度与切削深度和丝杠转速有关，则三者之间的关系为： mimmmmnav pf /1min/10005002 式中： n主轴转速，单位为；min/r 切削深度或背吃刀量，单位为 mm； p a 根据上面的传动功率的计算公式，可以计算出 X 轴方向的进给功率为： f fx f vQ P 60000 kW025. 0 9 . 060000 192.1358 根据金属切削手册10第 P513 页可以知道转矩的计算公式为： 21 mN n P T9550 式中： T转矩，单位为；mN P传动功率，单位为 kW； n电动机的转速，单位为；min/r 按照典型工况中计算出来的转速和 X 轴方向滚珠丝

21、杠的导程，可以计算出 X 轴方向步进电动机的转速为： min/250 4 1000 r p v n f 式中： p滚珠丝杠的导程； 由此可以计算出步进电动机的转矩，为： mN n P T955 . 0 250 025 . 0 95509550 根据上面计算出来的转矩，X 轴方向的电动机选用常州市宝成电机有限公司 提供的型号为：75BF380。这种类型的电动机的矩频特性，在电动机的工作范围之 内，矩频特性的曲线远大于所需要的转矩，因此所选用的电机完全符合这次设计 的要求。 4 滚珠丝杠的选用及校核 4.1 滚珠丝杠福传动的概述 在丝杠螺母的传动中，它四种类型的丝杠螺母传动，即：滑动丝杠螺母传动、

22、 滚珠丝杠螺母传动、滚动丝杠螺母传动和液体静压丝杠螺母传动。在现在的机床 应用中用的最多的是滑动丝杠螺母传动和滚珠丝杠螺母传动。 滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床 伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。其工作原理如图 5-1 所示。在丝杠和 螺母上分别加工出圆弧形旋槽，这两个圆弧形旋槽合起来便形成了螺旋滚道，在 滚道内加入滚珠。当丝杠相对螺母旋转时，滚珠在螺旋滚道内滚动，迫使二者发 生轴向相对位移。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程 引导装置，使滚珠能返回丝杠螺母之间构成一个闭合回路。由于滚珠的存在，丝 杠与螺母之间是滚动摩擦，仅在滚珠之间

23、存在滑动摩擦。 22 图 4-1 滚珠丝杠螺母机构 Figure 4-1 ball screw nut 滚珠丝杠螺母副与滑动丝杠螺母副相比有以下的优点： （1） 摩擦小，效率高。一般情况下，它的机械效率在 90以上，约比滑动丝 杠传动的机械效率高 24 倍。因此，在同样负荷下，驱动扭矩较滑动丝杠减少 2/33/4。同时它的逆传动效率也很高，接近于正传动效率，因此它可以比较容易 地把直线运动转换成旋转运动。 （2） 由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小，无论是静止还是高、低速时， 摩擦扭矩几乎不变，因此灵敏度高，传动平稳。 （3）磨损少，寿命长。滚珠丝杠副中的主要零件，如丝杠、螺母、滚珠和滚珠

24、循 环返回装置中部分零件，均经热处理，并有很高的表面光洁度，再加上滚动摩擦 的磨损很少，因此具有很好的耐磨性。 （4） 可消除轴向间隙，提高轴向刚度。滚珠丝杠副因其摩擦小、效率高，预紧 后仍能轻快的传动，因此它能通过预紧完全消除间隙，使反向时没有空行程，且 可通过预紧给予一定的预变形来提高轴向刚度。 （5） 使用可靠、润滑简单、维修方便。 （6）有专业厂生产，使用配套方便 上面是滚珠丝杠螺母传动的优点，任何的事物都是有两面性的，有优点就必 然也有缺点，因此滚珠丝杠螺母传动的缺点为： （1） 不自锁。因其逆传动效率很高，滚珠丝杠副一般不能自锁。因此在不允 许产生逆传动的地方，如横梁的升降系统等，

25、必须增设制动或自锁机构。 （2） 结构较复杂，工艺性差，成本高。 23 4 4. .2 2 滚珠丝杠的结构形式、型号 及支承形式的选用 4 4. .2 2. .1 1 滚滚珠珠丝丝杠杠副副的的结结构构形形式式 滚珠丝杠副的滚珠循环类型分为：外循环滚珠丝杠和内循环滚珠丝杠两种。 外循环滚珠丝杠又可以分为螺旋槽式和插管式两种。 图 4-2 内、外循环滚珠丝杠 Figure4-2 internal and external circular ball screw 外循环滚珠丝杠又可以分为螺旋槽式和插管式两种。 它们的特点分别为： 螺旋槽式外循环滚珠丝杠的优点：工艺简单，螺母外径较小；缺点：螺旋槽同

26、通孔不易连接准确，挡珠器刚性差，耐磨性差。 插管式外循环滚珠丝杠的优点：弯管有两半合成，采用工压件，工艺性好；缺 点：螺母径向尺寸较大，如用弯管端部作挡珠器，则刚性差，易磨损。 内循环式滚珠丝杠的优点：一列只有一圈滚珠，因而工作的滚珠数目少，流畅 性好，摩擦损失少，效率高，螺母径向尺寸小；缺点：制造较困难，在大螺距的情况 下，螺母的轴向尺寸偏大。 经过上面三种滚珠丝杠的优点和缺点的比较，决定本次设计中 Z 轴和 X 轴方 向的滚珠丝杠采用内循环式的滚珠丝杠。 数控机床中，一般都是采用双螺母来进行预紧的。在双螺母的预紧中又可以 分为：垫片式、螺纹式和齿差式三种。 它们的特点分别为： 双螺母垫片式

27、的特点：结构简单，刚性好，装卸方便，但是调整不便，当滚道 有磨损时，不能随时消除间隙和进行预紧。如图 4-3 所。示 24 图 4-3 双螺母垫片调隙式滚珠丝杠螺母副 Figure 4-3 double nut gaskets adjustable gap type ball screw nut pair 双螺母螺纹式的特点：结构较紧凑，工作可靠，滚道磨损是可随时调整，但是 预紧量不很准确，应用较普遍。如图 4-4 所示。 图 4-4 双螺母螺纹调隙式滚珠丝杠螺母副 Figure4-4 double nut threaded adjustable gap type ball screw nut

28、 pair 双螺母齿差式的特点：能精确调整预紧量，但是结构尺寸较大，装配调整比较 复杂。多用于高精度的传动。如图 4-5 所示。 25 图 4-5 齿差调隙式滚珠丝杠螺母副 Figure4-5 tooth differenced adjustable gap type ball screw nut pair 1、5螺母 2滚珠 3套筒 4丝杠 6内齿圈 1, 5-2-3 - nuts screw sleeve screw 6-4 - in gear 通过上面三种预紧方式的特点，然后再结合使用中的调查，在本次的设计中 Z 轴和 X 轴的滚珠丝杠决定采用双螺母垫片式的预紧方式。 由于螺母内的各圈滚

29、珠所承受的载荷是不等，第一圈滚珠约承受轴向载荷的 3045，第五圈以后，承载已极小，所以多于五圈的结构是不合理的。为了提 高滚珠的流畅性，在一列循环回路内，滚珠数应小于 150 个，且不得超过 3.5 全， 否则应该改成双列或多列结构。 在本次的设计的中参考机械设计手册12第二部 零件设计 上册 表 5.719，在内循环双螺母一栏中采用 1 圈 x3 列的形式。 4 4. .2 2. .2 2 滚滚珠珠丝丝杠杠副副的的型型号号 把上面采用到的滚珠丝杠的各部分的结构结合起来，Z 轴和 X 轴的滚珠丝杠 采用启东市华森丝杠制造有限公司提供的滚珠丝杠。按照他们公司提高的精密滚 珠丝杠副手册，决定：

30、Z 轴方向的滚珠丝杠的代号为：FND25063P3 FN滚珠丝杠的循环方式为内循环； D 滚珠丝杠采用的预紧方式为双螺母垫片式预紧； 25滚珠丝杠的公称直径为 25mm； 06滚珠丝杠的导程为 6mm； 3 滚珠丝杠负荷钢球圈数为 3 圈 P3定位滚珠丝杠，且滚珠丝杠的精度等级为 3 级； X 轴方向的滚珠丝杠的代号为：FND14043P3 FN滚珠丝杠的循环方式为内循环； D 滚珠丝杠采用的预紧方式为双螺母垫片式预紧； 14滚珠丝杠的公称直径为 14mm； 04滚珠丝杠的导程为 4mm； 3 滚珠丝杠负荷钢球圈数为 3 圈； P3定位滚珠丝杠，且滚珠丝杠的精度等级为 3 级； 26 4 4.

31、 .2 2. .3 3 滚滚珠珠丝丝杠杠副副支支承承的的选选择择 丝杠的轴承组合及轴承座以及其它零件的连接刚性不足，将严重影响到滚珠 丝杠副的传动精度和刚度，因此，在设计安装时应该认真考虑到这个问题。为了 提高轴向刚度，常用以止推轴承为主的轴承组合来支承丝杠，当轴向载荷较小时， 也可用角接触球轴承来支承丝杠。 常用的丝杠安装有以下几种： 图 4-6 珠丝杠在机床上的支承形式 Figure4-6 bead wire poles in the form of bearing on the machine 第一种支承方式：一端固定，一端自由。如图 4-6（a）所示，这种支撑结构简单， 丝杠的轴向刚度

32、比两端的低，丝杠的压杆稳定性和临界转速都较低，设计时尽量 使丝杠受拉伸。对于行程小、转速较低的短丝杠和竖直的丝杠可采用悬臂支承结 构。 第二种支承方式：两端游动。如图 4-6（b）所示，两端支承的安装方式属于一 般的安装方式，适合于中等转速的场合。 第三种支承方式：一端固定，一端游动。如图 4-6（c）所示，即一端安装推力轴 承与深沟球轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，使用时应 注意减少丝杠热变形的影响。特点是：双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命 较高，适用于中速、传动精度高的长丝杠传动系统。 第四种支承方式：两端固定。如图 4-6（d）所示，即两端分别安装推力轴承与 深

33、沟球轴承的组合，并施加预紧力，其轴向刚度最高。特点是：适合于高刚度、高 转速、高精度的精密丝杠传动系统，但随温度的升高会使丝杠的预紧力增大，易 造成两端支承的预紧力的不对称。 在本次的设计中，Z 轴方向的滚珠丝杠采用的是长丝杠，它的左端既要承受 27 轴向力又要承受径向力，而它的右端就只要承受一个径向力；再通过上面滚珠丝 杠的四种支承方式及它们各自的特点的比较，故 Z 轴方向的滚珠丝杠采用第三种 支承方式，即“一端固定，一端游动”式。 X 轴方向的滚珠丝杠，它的前端是悬空的，通过联接套直接与电机连接的，而 它的后端承受轴向力和径向力，和通过上面滚珠丝杠的四种支承方式及它们各自 的特点的比较，故

34、 X 轴方向的滚珠丝杠采用第一种支承方式，即“一端固定，一端 自由”式。由于 X 轴方向的丝杠是垂直安装的，为了防止因驱动力中断而发生逆 传动，因此要安装自锁、制动或重力平衡的装置。一般常用的装置是体积小、重量 轻、易于安装的超越离合器。 4 4. .3 3 滚珠丝杠副轴承的选用 滚动轴承与滑动轴承相比，具有摩擦阻力小、效率高、起动容易、润滑简便等， 同时滚动轴承绝大多数已经标准化，并由专业厂家生产，选用和更换都很方便， 因此本次的设计中，Z 轴和 X 轴方向的滚珠丝杠副选用滚动轴承。 选择滚动轴承的型号时，一般主要从以下几个方面因素来考虑： （1）载荷的大小、方向和性质 （2）轴承的转速 （

35、3）调心性能要求 （4）装配的空间 （5）安装与装卸要方便 （6）具有经济性 在本次的设计中，在考虑过了以上因素以后，Z轴方向滚珠丝杠的左端采用 深沟球轴承与双向推力球轴承组合的形式，而右端只用了一个深沟球轴承；X 轴 方向滚珠丝杠的后端也采用深沟球轴承与推力球轴承组合的形式。以上各轴承的 型号见 CK6132 数控车床进给驱动部件的装配图。 4 4. .4 4 滚珠丝杠的计算和校核 滚珠丝杠的计算除强度计算外，刚度和稳定性计算与滑动丝杠计算相同。滚 动丝杠不需要进行耐磨性计算。它的强度计算的原则与滚珠轴承相同。 参考金属切削机床设计第四章第九节，来进行滚珠丝杠的计算和校核。 4 4. .4

36、4. .1 1 静静载载强强度度的的计计算算 当滚珠丝杠副在低速运转时（转速10 转/分），其破坏形式主要是在滚珠接n 触面上产生塑性变形，规定其塑性变形量不得超过滚珠直径的万分之一，产生这 个塑性变形量的载荷称为滚珠丝杠副的最大静载荷。最大静载荷根据丝杠的 c p 直径、一圈内的钢球数、圈数、列数和接触角而定的。 28 按静载计算时，应满足下列计算式： （公式 19） cd PPf 式中： P滚珠丝杠的轴向工作载荷，单位为 N； 动载荷系数； d f Z 轴和 X 轴方向滚珠丝杠的轴向工作载荷也就是 Z 轴和 X 轴方向移动所需 要的牵引力，则 Z 轴和 X 轴方向滚珠丝杠的牵引力在前面的第

37、三章中已经计算 出来了。即： Z 轴方向滚珠丝杠的轴向工作载荷为： NQP zz 7 . 1197 X 轴方向滚珠丝杠的轴向工作载荷为： NQP xx 92.1358 动载荷系数查金属切削机床设计表 421 可知，但是为了安全起见，选用 载荷性质选中等冲击，则取。5 . 12 . 1 d f3 . 1 d f 查阅启东市华森丝杠制造有限公司提供的精密滚珠丝杠副可知，Z 轴和 X 轴的滚珠丝杠的额定静载荷分别为：26.69KN 和 13.35KN。 ； ； KNPcz69.26 KNPcx62.10 下面分别进行 Z 轴和 X 轴方向滚珠丝杠的静载荷强度的计算： Z 轴方向滚珠丝杠静载荷强度的计

38、算： （公式 KNPKNNPf czzd 69.26557 . 1 01.15577 .11973 . 1 20） Z 轴方向所选用的滚珠丝杠的静载荷强度满足要求。 X 轴方向滚珠丝杠静载荷强度的计算： （公式 21） KNPKNNPf cxxd 62.1077 . 1 6 . 176692.13583 . 1 X 轴方向所选用的滚珠丝杠的静载荷强度满足要求。 4 4. .4 4. .2 2 疲疲劳劳强强度度的的计计算算 当转速10 转/分时，主要的破坏形式是疲劳点蚀。这时，应按疲劳强度计n 算，计算原则与滚珠轴承相同。 根据机械设计中的滚动轴承计算公式可以求出当量动载荷。 d P （公式 2

39、2） NPLPd 3 式中： P滚珠丝杠副的轴向工作载荷，单位为 N； L滚珠丝杠的寿命，以转为 1 单位； 6 10 29 （公式 23） 66 1010 60CnT L C循环次数，C=60nT； T滚珠丝杠的适用寿命，单位为 h； n滚珠丝杠的转速，单位为 mm/min; 由于轴向工作载荷 P 和要求的寿命 L 计算出的当量动载荷应小于丝杠最 d P 大额定动载荷。 d P （公式 24） dd PP 查阅启东市华森丝杠制造有限公司提供的精密滚珠丝杠副13可知，Z 轴和 X 轴方向的滚珠丝杠的额定动载荷分别为： ； ； KNPdz2 .12 KNPdx88 . 4 首先应计算 Z 轴方向

40、滚珠丝杠的当量动载荷，用第三章里面已经计算出来 的 n41.67r/min 代入公式。查阅现代数控机床表 512 可知，数控机床滚珠丝 杠副的预期工作寿命为 15000h。则： （公式 25） 7 . 1197 10 1500067.4160 10 60 3 6 3 6 3 P nT PLPdz KNPKNN dz 2 . 12009 . 4 4009 再计算 X 轴方向滚珠丝杠的当量动载荷，用第三章里面已经计算出来的 n250r/min 代入公式。查阅现代数控机床表 512 可知，数控机床滚珠丝杠副 的预期工作寿命为 15000h。则： （公式 26）92.1358 10 150002506

41、0 10 60 3 6 3 6 3 P nT PLPdx KNPKN dx 88 . 4 55. 4 经过计算可以知道，两根滚珠丝杠的疲劳强度都是满足要求的，所以，初选 的滚珠丝杠的型号就没有必要去改变了。Z 轴方向滚珠丝杠选用 FND2506 型；X 轴方向滚珠丝杠选用 FND1404 型14。 5 导轨、导轨架及床身的设计 5.1 导轨的设计 机床上的运动部件必须沿着床身或立柱或横梁上的导轨运动。导轨的主要功 能是导向和承载作用。导轨使运动部件沿一定轨迹运动，从而保证各部件的相对 位置和相对位置精度。导轨承受部件及工件的重量和切削力。导轨在很大程度上 30 决定数控机床的刚度、精度与精度保

42、持性。 导轨简单的可以分为两类：滑动导轨和滚动导轨。滑动导轨和滚动导轨相比： 结构简单、制造方便、接触刚度大的优点；当然在相比之下，摩擦阻力大，磨损快， 动、精摩擦系数差别大，低速时易产生爬行等缺点也是很显而易见的。 虽然是如此，但是考虑到本次设计的 CK6132 数控车床精度要求不是很高， 而且还要考虑到经济问题，所以本次设计的数控车床采用普通滑动导轨。 5.1.1 滑滑动动导导轨轨的的类类型型 导轨导向精度的高低，刚度的大小，减振能力的好坏，摩擦损失的大小，磨损 对加工精度影响的大小和受力的情况，在很大程度上取决于导轨的截面形状。下 面就来介绍一下滑动导轨的几种基本类型： （1） 矩形导轨

43、 制造简单，刚度和承载能力大，水平方向和垂直方向上的 位移互不影响，因此安装调试都很方便。矩形导轨中起导向作用的导轨面磨损后 不能自动补偿间隙，所以需要有间隙调整装置。 （2） 双三角形导轨 这种导轨同时起支撑、导向作用，磨损后相对位置不 变，能自行补偿垂直方向和水平方向的磨损，导向精度高，但要求四个表面的刮 削或磨削后接触，工艺性较差，床身与运动部件热变形不一样时，不易保证四个 面同时接触。 （3） 燕尾导轨 其磨损后不能自动补偿间隙，需用镶条调整。两燕尾面起 压板作用，用一根镶条就可以调整水平、垂直方向的间隙。导轨制造、检验和修理 较复杂、摩擦阻力大。当承受垂直作用力时，它以支撑平面为主要

44、工作面，它的刚 度与矩形导轨相似；当承受颠簸力矩时，其斜面为主要工作面。刚度较低。燕尾导 轨一般用于要求高度小的多层移动部件，两个导轨面间的夹角为。 55 （4） 矩形三角形导轨 不需要镶条调整间隙，导向精度好，加工装配比较 方便，温度变化不会改变导轨面的接触情况，但热变形会使移动部件水平偏移， 两条导轨磨损不同，对位置精度有影响。 （5） 圆柱导轨 制造简单，主要用于受轴向负荷的导轨（抗弯刚对小），适 用于同时作直线运动和转动的场合。 滑动导轨具有结果简单、制造方便、刚度好、抗震性高等优点，但普通滑动导 轨存在静摩擦系数大，且动摩擦系数随速度的变化而变化。近年来，由于新型工 程材料的出现，出

45、现了贴塑导轨，其摩擦性能好，耐磨性好，减震性好、工艺性好。 综上所述，在本次的设计中，对导轨的要求没有很高的要求，通过参考类似 数控车床的导轨，所以床身上的导轨采用矩形三角形，小拖板采用燕尾形导轨， 尾座上的导轨采用矩形三角形导轨，可贴塑处理。 5.1.2 滑滑动动导导轨轨的的间间隙隙调调整整机机构构 31 为保证导轨的正常运行，运动件与承载件之间应保持适当的间隙。间隙如果 过小，就会增加摩擦力，使运动不灵活，会使导向精度降低。所以调整方法如下： （1） 采用磨、刮相应的接合面或加垫片的方法，以获取适当的间隙。 （2） 镶条的调整，这是侧向间隙常用的调整方法，镶条有直镶条和斜镶条两 种。 在本

46、次设计中，为了调整床身上的矩形三角形导轨的间隙，采用了在导轨两 侧各放置一套镶条及压板，这样能保证导轨间隙调整后，中心位置不变。而在拖 板上的燕尾形导轨采用了燕尾导轨常用的平头斜镶条调整间隙，平头斜镶条由两 个特制的螺钉固定，避免了镶条随导轨一起滑动而丧失了调整间隙的效果。 5.1.3 滑滑动动导导轨轨的的润润滑滑 为了减小摩擦，提高机械效率；为了延长寿命，降低温度；为了改善工作条件 和防止生锈，导轨必须要进行润滑。在本次的设计中，导轨采用润滑油的润滑，通 过用手的润滑泵，使润滑油经过油管通过各个部件进行润滑。这种方法的润滑效 果最好，润滑可靠，经济又方便。 5 5. .2 2 导轨架的设计

47、5 5. .2 2. .1 1 导导轨轨架架结结构构的的基基本本要要求求 机床的导轨架是整个机床的机床支承件，一般用来加工出导轨、放置主轴箱、 大小拖板等主要部件的。为了满足数控车床的高速度、高精度、高生产率、高可靠 性和高自动化程度的要求，与普通机床相比，数控机床应有更高的静、动刚度，更 好的抗振性。对数控车床导轨架主要在以下三个方面提出了更高的要求，即： 5.2.1.1 具有很高的精度和精度保持性 在导轨架上有很多安装零部件的加工面和运动部件的导轨面，这些面本身的 精度和相互位置精度要求都很高，而且要能长时间保持。另外，机床在切削加工 时，所有的静、动载荷最后往往都传到导轨架上，所以导轨架

48、上的受力很复杂。为 此，为保持零部件之间的相互位置关系或相对运动精度，除满足几何尺寸位置精 度等要求外，还需要满足静、动刚度和抗振性、热稳定性、工艺性等方面的技术要 求。 5.2.1.2 具有足够的静、动刚度 静刚度包括：导轨架自身的结构刚度、局部刚度、接触刚度，都应该采取相应 的措施，最后达到有较高的刚度质量比。 动刚度直接反映机床的动态特征，为了保证机床在交变载荷作用下具有较高 的抵抗变形的能力和抵抗受迫振动及自激振动的能力，可以通过适当增加阻尼、 提高固有频率等措施来避免共振及因薄壁振动而产生的噪声。 5.2.1.3 较好的热稳定性 对数控机床来说，尤其是高精度数控机床，热稳定性已经成为一个突变的问 32 题，必须在设计上要做到使整机的热变形变小，是热变形对加工精度的影响较小。 5 5. .2 2. .2 2 C CK