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畢業(yè)設(shè)計（論文）
設(shè)計（論文）題目： 專用鉆床進給系統(tǒng)及底座設(shè)計
學 院 名 稱： 機械工程學院
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
學 生 姓 名： 趙一雄 學號：09403010235
指 導 教 師： 遲 軍
2013年 月 日
摘 要
本論文主要說明專用鉆床設(shè)計的基本過程及要求。專用鉆床是按高度集中原則設(shè)計的，即在一臺機床上可以同時完成同一種工序或多種不同工序的加工。專用鉆床發(fā)展于工業(yè)生產(chǎn)末期，與傳統(tǒng)的機床相比：專用鉆床具有許多優(yōu)點：效率高、精度高、成本低。它由底座、立柱、工作臺、及電源一些基本部件及一些特殊部件，根據(jù)不同的工件加工所需而設(shè)計的。
在專用鉆床上可以完成很多工序，但就目前使用的大多數(shù)專用鉆床來說，則主要用于平面加工和孔加工兩大類工序。論文主要內(nèi)容包括四大部分：
（1）、制定工藝方案 通過了解被加工零件的加工特點、精度和技術(shù)要求、定位夾緊情況、生產(chǎn)效率及機床的結(jié)構(gòu)特點等，確定在專用鉆床上完成的工藝內(nèi)容及加工方法，并繪制被加工零件工序圖。
（2）、專用鉆床的總體設(shè)計 確定機床各部件之間的相互關(guān)系
（3）、專用鉆床部件設(shè)計 包括專用多軸箱的設(shè)計，傳動布局合理，軸與齒輪之間不發(fā)生干涉，保證傳動的平穩(wěn)性和精確性。專用主軸設(shè)計、軸承的選用及電機的選擇等。
本課題主要完成專用鉆床進給機構(gòu)及底座部分的設(shè)計與計算分析。
關(guān)鍵詞：專用鉆床；設(shè)計；過程；功能
II
Abstract
This thesis mainly elucidates the basic process and requirements that design of the combination machine. Combination machine is designed according the fundamental , which highly centralized ,or , more correctly it can process one working procedure or more different working procedures at one time . Combination machine was developed in the end of industrial production compared with traditional machine; combination machine has many advantages , such as high efficiency , high accuracy and low cost . It is composed of some general parts , such as bed ,column ,work able ,power unit ,and some special parts designed according to different work piece machining need.
The preface of a lot of works can be completed on the combination machine, but in regard to the majority current usage of combination machine, then and primarily used for the flat surface to process and the bore to process two big work preface. The main part including :(1) Formulating technological plan We,ve learned the characteristic of the part designed ,accuracy and specification ,locating and fixing ,productivity and machining structure by the practice .Then the technological operation and work order can be determined which can be finished in combination machine.(2) Combination machine frame design determines the interrelation of the different part in the machining tool ,select general parts and tool oriented .Then compute cut feed and productivity finally draw a sketch map of the machine .(3) Combination machine parts design including headstock、proper transmission layout 、shaft and gear move freely without interference which ensure the stability and accuracy during transmission ,then design dedicated select bearings and engine etc.(4) It adopts many hydraulic control valves ,which ensure the stability ,circulation and accuracy .
Keywords: combination machine ;design ;process ;function
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒論 1
1.1 課題研究意義 1
1.2鉆孔專用設(shè)備應(yīng)用 1
1.3國外進給系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展 2
1.4國內(nèi)進給系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展 2
1.5 專用鉆床設(shè)備發(fā)展趨勢 4
第2章 鉆床總體設(shè)計要求 5
2.1切削參數(shù)要求 5
2.2 軸向力、扭矩、功率參數(shù)要求 5
2.3 進給系統(tǒng)設(shè)計要求 6
第3章 專用鉆床進給系統(tǒng)設(shè)計 7
3.1常見絲杠支承方式 7
3.2 脈沖當量選擇 8
3.3滾珠絲杠設(shè)計計算 8
3.4滾珠絲杠副的載荷計算 8
3.5傳動效率計算 11
3.6穩(wěn)定性驗算 11
3.6 剛度驗算 11
3.7 滾珠絲杠精度等級確定 11
3.8 滾動導軌副的防護 14
3.9 直線滾動導軌副的計算、選擇 14
3.10電機至絲杠之間齒輪減速傳動設(shè)計 16
3.11等效轉(zhuǎn)動慣量計算(不計傳動效率) 19
3.12 電機的計算選型 19
3.13 聯(lián)軸器選擇 20
第4章 底座設(shè)計 21
4.1 對底座結(jié)構(gòu)的基本要求 21
4.2 底座的結(jié)構(gòu) 22
結(jié) 論 24
致 謝 25
參考文獻 26
26
第1章 緒論
1.1 課題研究意義
市場的開放性和全球化使產(chǎn)品的競爭日趨激烈。而決定產(chǎn)品競爭力的指標是產(chǎn)品的開發(fā)時間(Time ) ， 產(chǎn)品(Quality)，成本(Cost)，創(chuàng)新能力(Creation)和服務(wù)(Service)。用戶在追求高質(zhì)量產(chǎn)品的同時，會更多的追求較低的價格和較短的交貨周期。美國制造業(yè)在20世紀50至40年代主要以擴大生產(chǎn)規(guī)模作為企業(yè)競爭力的第一要素，而在70年代競爭力的第一要素為降低生產(chǎn)成本，80年代為提高產(chǎn)品質(zhì)量，90年代為市場響應(yīng)速度。所以現(xiàn)代企業(yè)都期望通過提高自身的科技含量，增強競爭力。
制造業(yè)是國家重要的基礎(chǔ)工業(yè)之一，制造業(yè)的基礎(chǔ)是。是眾多機械制造的母機，它的發(fā)展水平，與制造業(yè)的生產(chǎn)能力和制造精度有著直接關(guān)系，關(guān)系到國家機械工業(yè)以至整個制造業(yè)的發(fā)展水平.是先進制造技術(shù)的基本單元載體，機械產(chǎn)品的質(zhì)量、更新速度、對市場的應(yīng)變能力、生產(chǎn)效率等在很大程度上取決于的效能。因此，制造業(yè)對于一個國家經(jīng)濟發(fā)展起著舉足輕重的作用我國是世界上產(chǎn)量最多的國家.根據(jù)德國工業(yè)協(xié)會(VD W )2000年統(tǒng)計資料，在主要的生產(chǎn)國家中，中國排名為世界第五位。但是在國際市場競爭中仍處于較低水平:即使在國內(nèi)市場也面臨著嚴峻的形勢:一方面國內(nèi)市場對各類產(chǎn)品有著大量的需求，而另一方面卻有不少國產(chǎn)滯銷積壓，國外產(chǎn)品充斥市場。
1.2鉆孔專用設(shè)備應(yīng)用
據(jù)統(tǒng)計，一般在車間中普通機床的平均切削時間很少超過全部工作時間的15%。其余時間是看圖、裝卸工件、調(diào)換刀具、操作機床、測量以及清除鐵屑等等。使用數(shù)控機床雖然能提高85%，但購置費用大。某些情況下，即使生產(chǎn)率高，但加工相同的零件，其成本不一定比普通機床低。故必須更多地縮短加工時間。不同的加工方法有不同的特點，就鉆削加工而言，鉆孔專用設(shè)備是一種通過少量投資來提高生產(chǎn)率的有效措施。雖然不可調(diào)式多軸頭在自動線中早有應(yīng)用，但只局限于大批量生產(chǎn)。即使采用可調(diào)式多軸頭擴大了使用范圍，仍然遠不能滿足批量小、孔型復雜的要求。尤其隨著工業(yè)的發(fā)展，大型復雜的鉆孔專用設(shè)備更是引人注目。例如原子能發(fā)電站中大型冷凝器水冷壁管板有15000個ψ20孔，若以搖臂鉆床加工，單單鉆孔與锪沉頭孔就要843.5小時，另外還要劃線工時151.1小時。但若以數(shù)控八軸落地鉆床加工，鉆锪孔只要171.6小時，劃線也簡單，只要1.9小時。因此，利用數(shù)控控制的二個坐標軸，使刀具正確地對準加工位置，結(jié)合鉆孔專用設(shè)備不但可以擴大加工范圍，而且在提高精度的基礎(chǔ)上還能大大地提高工效，迅速地制造出原來不易加工的零件。有人分析大型高速柴油機30種箱形與桿形零件的2000多個鉆孔操作中，有40%可以在自動更換主軸箱機床中用二軸、三軸或四軸多軸頭加工，平均可減少20%的加工時間。1975年法國巴黎機床展覽會也反映了鉆孔專用設(shè)備的使用愈來愈多這一趨勢。
1.3國外進給系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展
鉆孔專用設(shè)備是在一次進給中同時加工許多孔或同時在許多相同或不同工件上各加工一個孔。這不僅縮短切削時間，提高精度，減少裝夾或定位時間，并且在數(shù)控機床中不必計算坐標，減少字塊數(shù)而簡化編程。它可以采用以下一些設(shè)備進行加工：立鉆或搖臂鉆上裝多軸頭、多軸鉆床、多軸專用鉆床心及自動更換主軸箱機床。甚至可以通過二個能自動調(diào)節(jié)軸距的主軸或多軸箱，結(jié)合數(shù)控工作臺縱橫二個方向的運動，加工各種圓形或橢圓形孔組的一個或幾個工序。現(xiàn)在就這方面的現(xiàn)狀作一簡介。
1.4國內(nèi)進給系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展
從傳動方式來說主要有帶傳動、齒輪傳動與萬向聯(lián)軸節(jié)傳動三種。這是大家所熟悉的。前者效率較高，結(jié)構(gòu)簡單，后者易于調(diào)整軸距。從結(jié)構(gòu)來說有不可調(diào)式與可調(diào)式二種。前者軸距不能改變，多采用齒輪傳動，僅適用于大批量生產(chǎn)。為了擴大其贊許適應(yīng)性，發(fā)展了可調(diào)式多軸頭，在一定范圍內(nèi)可調(diào)整軸距。它主要裝在有萬向.二種。（1）萬向軸式也有二種:具有對準裝置的主軸。主軸裝在可調(diào)支架中，而可調(diào)支架能在殼體的T形槽中移動，并能在對準的位置以螺栓固定。（2）具有公差的圓柱形主軸套。主軸套固定在與式件孔型相同的模板中。前一種適用于批量小且孔組是規(guī)則分布的工件（如孔組分布在不同直徑的圓周上）。后一種適用于批量較大式中小批量的輪番生產(chǎn)中，剛性較好，孔距精度亦高，但不同孔型需要不同的模板。多軸頭可以裝在立鉆式搖臂鉆床上，按鉆床本身所具有的各種功能進行工作。這種鉆孔專用設(shè)備方法，由于鉆孔效率、加工范圍及精度的關(guān)系，使用范圍有限。
也象多軸頭那樣作為標準部件生產(chǎn)。美國Secto公司標準齒輪箱、多軸箱等設(shè)計的不可調(diào)式多軸箱。有32種規(guī)格，加工面積從300Ｘ300毫米到600Ｘ1050毫米，工作軸達60根，動力達23.5千瓦。Romai工廠生產(chǎn)的可調(diào)多軸箱調(diào)整方便，只要先把齒輪調(diào)整到接近孔型的位置，然后把與它聯(lián)接的可調(diào)軸移動到正確的位置。因此，這種結(jié)構(gòu)只要改變模板，就能在一定范圍內(nèi)容易地改變孔型，并且可以達到比普通多軸箱更小的孔距。
根據(jù)成組加工原理使用多軸箱或多軸頭的專用鉆床很適用于大中批量生產(chǎn)。為了在加工中獲得良好的效果，必需考慮以下數(shù)點：（1）工件裝夾簡單，有足夠的冷卻液沖走鐵屑。（2）夾具剛性好，加工時不形變，分度定位正確。（3）使用二組刀具的可能性，以便一組使用，另一組刃磨與調(diào)整，從而縮短換刀停機時間。（4）使用優(yōu)質(zhì)刀具，監(jiān)視刀具是否變鈍，鉆頭要機磨。（5）尺寸超差時能立即發(fā)現(xiàn)。
這是一種能滿足鉆孔專用設(shè)備要求的鉆床。諸如導向、功率、進給、轉(zhuǎn)速與加工范圍等。巴黎展覽會中展出的多軸鉆床多具液壓進給。其整個工作循壞如快進、工進與清除鐵屑等都是自動進行。值得注意的是，多數(shù)具有單獨的變速機構(gòu)，這樣可以適應(yīng)某一組孔中不同孔徑的加工需要。
為了中小批量生產(chǎn)合理化的需要，最近幾年發(fā)展了自動更換主軸箱專用鉆床。
(1) 自動更換主軸機床
自動更換主軸機床頂部是回轉(zhuǎn)式主軸箱庫，掛有多個不可調(diào)主軸箱?？v橫配線盤予先編好工作程序，使相應(yīng)的主軸箱進入加工工位，定位緊并與動力聯(lián)接，然后裝有工件的工作臺轉(zhuǎn)動到主軸箱下面，向上移動進行加工。當變更加工對象時，只要調(diào)換懸掛的主軸箱，就能適應(yīng)不同孔型與不同工序的需要。
(2)多軸轉(zhuǎn)塔機床
轉(zhuǎn)塔上裝置多個不可調(diào)或萬向聯(lián)軸節(jié)主軸箱，轉(zhuǎn)塔能自動轉(zhuǎn)位，并對夾緊在回轉(zhuǎn)工作臺的工件作進給運動。通過工作臺回轉(zhuǎn)，可以加工工件的多個面。因為轉(zhuǎn)塔不宜過大，故它的工位數(shù)一般不超過4—6個。且主軸箱也不宜過大。當加工對象的工序較多、尺寸較大時，就不如自動更換主軸箱機床合適，但它的結(jié)構(gòu)簡單。
(3)自動更換主軸箱專用鉆床
它由自動線或?qū)Ｓ勉@床中的標準部件組成。不可調(diào)多軸箱與動力箱按置在水平底座上，主軸箱庫轉(zhuǎn)動時整個裝置緊固在進給系統(tǒng)的溜板上。主軸箱庫轉(zhuǎn)動與進給動作都按標準子程序工作。換主軸箱時間為幾秒鐘。工件夾緊于液壓分度回轉(zhuǎn)工作臺，以便加工工件的各個面。好果回轉(zhuǎn)工作臺配以卸料裝置，就能合流水生產(chǎn)自動化。在可變生產(chǎn)系統(tǒng)中采用這種裝置，并配以相應(yīng)的控制器可以獲得完整的加工系統(tǒng)。
(4) 數(shù)控八軸落地鉆床
大型冷凝器的水冷壁管板的孔多達15000個，它與支撐板聯(lián)接在一起加工?？讖綖?0毫米，孔深180毫米。采用具有內(nèi)冷卻管道的麻花鉆，5－7巴壓力的冷卻液可直接進入切削區(qū)，有利于排屑。鉆尖磨成90°供自動定心。它比普通麻花鉆耐用，且進給量大。為了縮短加工時間，以8軸數(shù)控落地加工。
1.5 專用鉆床設(shè)備發(fā)展趨勢
鉆孔專用設(shè)備生產(chǎn)效率高，投資少，生產(chǎn)準備周期短，產(chǎn)品改型時設(shè)備損失少。而且隨著我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，鉆孔專用設(shè)備的范圍一定會愈來愈廣，加工效率也會不斷提高。
第2章 鉆床總體設(shè)計要求
2.1切削參數(shù)要求
確定了在專用鉆床上完成的工藝內(nèi)容了，就可以著手選擇切削用量了。因為所設(shè)計的專用鉆床為多軸同步加工在大多數(shù)情況下，所選切削用量，根據(jù)經(jīng)驗比一般通用機床單刀加工低30%左右．多軸主軸箱上所有刀具共用一個進給系統(tǒng)，通常為標準動力滑臺，工作時，要求所有刀具的每分鐘進給量相同，且等于動力滑臺的每分鐘進給量（mm/min）應(yīng)是適合有刀具的平均值。因此，同一主軸箱上的刀具主軸可設(shè)計成同轉(zhuǎn)速和同的每轉(zhuǎn) 進給量（mm/r）與其適應(yīng)。以滿足直徑的加需要，即： …………………………………3.1
式中： … ——各主軸轉(zhuǎn)速（r/min）
——各主軸進給量（mm/r）
——動力滑臺每分鐘進給量（mm/min）
由于減速器箱體(三)鉆孔的加工精度、工件材料、工作條件、技術(shù)要求等，按照經(jīng)濟地選擇滿足加工要求的原則，采用查表的方法查得：進給量f=0.2mm/r、切削速度v=18m/min
2.2 軸向力、扭矩、功率參數(shù)要求
根據(jù)選定的切削用量（主要指切削速度v及進給量f）確定切削力，作為選擇動力部件（滑臺）；確定切削扭矩，用以確定主軸及其它傳動件（齒輪，傳動軸等）的尺寸；確定切削功率，用以選擇主傳動電動（一般指動力箱）功率，通過查表計算如下：
切削力： =26…………………………3.2
軸向力 1255N
切削扭矩： =10………………………3.3
扭矩 3.71 N .M
切削功率： =……………………………3.4
功率 0.28KW
式中： HB——布氏硬度
F——切削力（N）
D——鉆頭直徑（mm）
f——每轉(zhuǎn)進給量（mm/r）
T——切削扭矩(N·mm)
V——切削速度（m/min）
P——切削功率(kw)
2.3 進給系統(tǒng)設(shè)計要求
進給機構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足一下幾個條件首先就是必須保證工件定位可靠的可靠性，為了使工件、鉆頭保持準確的相對位置，必須根據(jù)要求的鉆頭，去選擇合適的定位機構(gòu)。再者就是要有足夠的強度和剛度除了受到工件、工具的重量，還要受到本身的重量，還受到焊接槍在運動過程中產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，沒有足夠的強度和剛度可能會發(fā)生折斷或者彎曲變形，所以對于受力較大的進行強度、剛度計算是非常必要的。最后要盡可能做到具有一定的通用性 如果可以，應(yīng)考慮到產(chǎn)品零件變換的問題。為適應(yīng)不同形狀和尺寸的零件，為滿足這些要求，可將制成組合式結(jié)構(gòu)，迅速更換不同的部件及附件來擴大機構(gòu)的使用范圍。
電動機—齒輪傳動—滾珠絲杠—主軸箱工作臺
第3章 專用鉆床進給系統(tǒng)設(shè)計
3.1常見絲杠支承方式
表 3-1滾珠絲桿副支承
支承方式
簡圖
特點
一端固定一端自由
結(jié)構(gòu)簡單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都較低設(shè)計時盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。
一端固定一端游動
需保證螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)較復雜，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式一般用在絲桿較長，轉(zhuǎn)速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸球軸承的數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時多用更經(jīng)濟的推力球軸承代替角接觸球軸承。
兩端固定
只有軸承無間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高?？梢灶A拉伸，預拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結(jié)構(gòu)和工藝都比較困難，這種裝置適用于對剛度和位移精度要求較高的場合。
3.2 脈沖當量選擇
由已知設(shè)計參數(shù)：進給量f=0.2mm/r、切削速度v=18m/min功率 0.28KW
初選三相電機，按三相六拍工作時，步矩角α=0.75°,初定脈沖當量
δ=0.005mm/p
3.3滾珠絲杠設(shè)計計算
（1）.滾珠循環(huán)方式
由樓應(yīng)侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國、胡利永等編.《機械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導樓應(yīng)侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國、胡利永等編.《機械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導書》》表5-1查得,選擇外循環(huán)插管式
（2）.軸向間隙預緊方式
預緊目的在于消除滾珠螺旋傳動的間隙,避免間隙引起的空程,從而提高傳動精度.
由樓應(yīng)侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國、胡利永等編.《機械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導樓應(yīng)侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國、胡利永等編.《機械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導書》》表5-2查得,采用雙螺母墊片預緊方式。
2）滾珠絲杠副直徑和基本導程系列
由樓應(yīng)侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國、胡利永等編.《機械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導樓應(yīng)侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國、胡利永等編.《機械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導書》》表5-3查得,
3.4滾珠絲杠副的載荷計算
工作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數(shù)值用進給牽引力的實驗公式計算。選定導軌為滑動導軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為
其等效載荷按下式計算（式中取，）
fw-------負載性質(zhì)系數(shù)，（查表：取fw =1.2）
ft--------溫度系數(shù)（查表：取ft=1）
fh-------硬度系數(shù)（查表：取fh =1）
fa-------精度系數(shù)（查表：取fa =1）
fk-------可靠性系數(shù)（（查表：取fk =1）
Fm------等效負載
nz-------等效轉(zhuǎn)速
Th ----------工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h
由上式計算得Car=17300N
采用絲杠直徑40mm,導程為5mm
計算得出Ca=Car=17.3KN,
則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN
公稱直徑Ph=12mm
則選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)預緊滾珠絲桿副，絲桿的型號為FFZD4010—3。
滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計算如下表
名稱
計算公式
結(jié)果
公稱直徑
――
40mm
螺距
――
５mm
接觸角
――
鋼球直徑
――
4.175mm
螺紋滾道法向半徑
1.651mm
偏心距
0.04489mm
螺紋升角
螺桿外徑
39.365mm
螺桿內(nèi)徑
36.788mm
螺桿接觸直徑
37.755mm
螺母螺紋外徑
34.212mm
螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）
30.7mm
3.5傳動效率計算
絲杠螺母副的傳動效率為：
式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。
3.6穩(wěn)定性驗算
絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(wěn)定性驗算。
3.6 剛度驗算
滾珠絲杠受工作負載引起的導程變化量為：(cm)
Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計算
絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略不計。導程變形總誤差Δ為
E級精度絲杠允許的螺距誤差[ Δ]=15μm/m。
3.7 滾珠絲杠精度等級確定
（1）.絲杠有效行程 由樓應(yīng)侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國、胡利永等編.《機械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導樓應(yīng)侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國、胡利永等編.《機械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導書》》表5-4查得le=20 mm
導軌總長Lu =210+120+20=350mm 所以絲杠總長Lv =350-20=330mm
（2）.精度等級 根據(jù)有效行程內(nèi)的平均行程允許偏差
ep=0.01/300×350×103=11.7查樓應(yīng)侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國、胡利永等編.《機械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導書》表5-5得
精度等級為T3
4）滾珠絲杠副支承形式選擇
滾珠絲杠主要承受軸向載荷,應(yīng)選用運轉(zhuǎn)精度高,軸向剛度高、摩擦力距小的滾動軸承.滾珠絲杠副的支承主要約束絲杠的軸向串動,其次才是徑向約束。
由樓應(yīng)侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國、胡利永等編.《機械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導書》表5-6查得,采用一端固定一端游動(F-S)支承形式.
5）滾珠絲杠副的選擇
高速或較高轉(zhuǎn)速情況 按額定動負荷Cα≥Cαj選擇滾珠絲杠副
Cαj=[(Fefw)/(fhftfafk)]×[(60Lhne)/(106)]1/3
式中 Cαj--滾珠絲杠副的計算軸向動負荷(N)
Fe--絲杠軸向當量負荷(N)，取進給抗力和摩擦力之和的一半. Fe=(120+0.06×120)/2=63.6N
ne--絲杠當量轉(zhuǎn)速(r/min). ne=250r/min.
Lh--絲杠工作壽命(h). 查考樓應(yīng)侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國、胡利永等編.《機械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導樓應(yīng)侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國、胡利永等編.《機械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導書》》表5-7得Lh=15000 h.
ft--溫度系數(shù). 查樓應(yīng)侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國、胡利永等編.《機械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導樓應(yīng)侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國、胡利永等編.《機械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導書》》表5-8,得ft=0.70.
fa--精度系數(shù). 查樓應(yīng)侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國、胡利永等編.《機械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導樓應(yīng)侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國、胡利永等編.《機械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導書》》表5-9得fa=1.0
fw--負載性質(zhì)系數(shù). 查[2]表5-10得fw=0.95
fh--硬度系數(shù).查[2]表5-11得fh=1.0
fk--可靠性系數(shù).查[2]表5-12得fk=0.21.
計算得Caj=2.5N
表3-1-1各類機械預期工作時間Lh
表3-1-2精度系數(shù)fa
表3-1-3可靠性系數(shù)fk
表3-1-4負載性質(zhì)系數(shù)fw
6）滾珠絲杠副校核
（1）.臨界壓縮負荷 對于一端軸向固定受壓縮的滾珠絲杠,應(yīng)進行壓杠穩(wěn)定性校核計算.
不發(fā)生失穩(wěn)的最大壓縮負荷稱為臨界壓縮負荷,用Fn表示
Fn=3.4×1010(f1d24)÷(L02) ×K1
式中 L0–--最長受壓長度.取400 mm
f1--絲杠支承方式系數(shù), F-S取2
d2--絲杠螺紋底徑,查[4]3-32取17.6 mm
k1 安全系數(shù)，取1/3
Fn=13593N>Fmax
（2）.臨界轉(zhuǎn)速
ncr=9910(f22d2)/Lc2
式中 f2--絲杠支承方式系數(shù),F-S取3.927.
Lc --臨時轉(zhuǎn)速計算長度. Lc =0.5m. d2--絲杠螺紋底徑,取17.6mm
ncr= 10758.9r/min > nmax取,同時驗算絲杠另一個臨界值d0n=20×833=7500 < 70000
（3）.軸承選擇校核
由[2]表6-1選擇深溝球軸承6201,由[2]表6-6選角接觸球軸承7001AC.
校核(略)
3.8 滾動導軌副的防護
（1）.滾珠絲杠副的防護裝置 ,采用專業(yè)生產(chǎn)的伸縮式螺旋彈簧鋼套管。
（2）.滾珠絲杠副的密封 滾珠絲杠副兩端的密封圈如裝配圖所示.材料為四氟乙烯,這種接觸式密封須防止松動而產(chǎn)生附加阻力。
（3）.滾珠絲杠副的潤滑 潤滑劑用鋰基潤滑劑。
3.9 直線滾動導軌副的計算、選擇
根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計算導軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運行狀況)，3.0~5.0（運動時受沖擊、振動）。根據(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導軌：
（1）選BR直線滾動導軌導軌,E級精度.查得,fh=1,ft=1,fc=0.81,fα=1,fw=1.
（2）壽命按每年工作300天,每天兩班,每班8h,開機率0.8計,額定壽命為:
Lh=10×300×2×8×0.8=38400 h ,每分鐘往復次數(shù)nz=8
L=(2lsnz60Lh)/(103)=(2×0.31×8×60×38400)/ (103)=11428Km
計算四滑塊的載荷,工作臺及其物重約為110N
計算需要的動載荷Cα
P=110/4=27.5N
Cα=( fwP)÷(fh ft fc fα)×(L/50)1/3=208N
由樓應(yīng)侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國、胡利永等編.《機械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導書》表3-20中選用LY15AL直線滾動導軌副,其Cα=606N, C0α=745N.
基本參數(shù)如下:
導軌的額定動載荷N
依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導軌的基本動額定載荷 (kN)驗算導軌的工作壽命Ln：
額定行程長度壽命:
導軌的額定工作時間壽命:
導軌的工作壽命足夠.
（3）滾動導軌間隙調(diào)整
預緊可以明顯提高滾動導軌的剛度,預緊采用過盈配合,裝配時,滾動體、滾道及導軌之間有一定的過盈量。
（4）潤滑與防護
潤滑:采用脂潤滑,使用方便,但應(yīng)注意防塵。
防護裝置的功能主要是防止灰塵、切屑、冷卻液進入導軌,以提高導軌壽命。
防護方式用蓋板式。
3.10電機至絲杠之間齒輪減速傳動設(shè)計
絲杠導程tsP=5 mm,中間齒輪傳動比i為:
i=(αtsP)／(360δ)=0.75×5／(360×0.005)=2.1
由i確定齒輪齒數(shù)為Z1=52,Z2=62,模數(shù)m=2mm,大齒輪齒寬b2=26mm ，則b1=32mm
(1）.選精度為7級
(2）.選小齒輪為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)）,硬度為240HBS，兩者硬度差為40HBS
(3）.選擇齒數(shù)Z1=52,Z2＝62
齒輪強度計算
（1）按齒面接觸疲勞強度設(shè)計d1t>={2Kt×T1×（u＋1）×(ZHZE)2/[Φd×εa×u×[σH]2]}(1/3)
1).試選Kt=1.6, 查表可得材料彈性影響系數(shù)ZE＝189.8MPa
2).查機械設(shè)計教材，選取區(qū)域系數(shù)ZH=2.433, 選取齒寬系數(shù)Φd＝0.3，
3). 查表得εa1＝0.78，εa2 ＝0.85，則εa＝εa1+εa2 ＝1.63
4).應(yīng)力循環(huán)系數(shù)取j=1， 所以：
N1=60n2jLh=60×1500×1×(2×8×300×15)＝6.480×109
N2=N1/u=6.480×109/2.1＝3.08×109
5）.查表得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.85,KHN2=0.89,
6).查表得小齒輪接觸疲勞強度極限σHlim1=600MPa,大齒輪的接觸疲勞強度極限σHlim2=550MPa,
7).計算接觸疲勞強度許用應(yīng)力：取失效概率為1%，取安全系數(shù)S=1,
[σH]1＝KHN1×σHlim1/S=0.85×600/1＝510MPa
[σH]2＝KHN2×σHlim2/S=0.87×550/1＝489.5MPa
[σH]=[σH]1+[σH]2)/2=499.75 MPa
8) 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩：
T1=95.5×105Px/nx=95.5×105×0.00594/1500=37.82N.mm
（2） 計算
1）.試算小齒輪分度圓直徑
d1t≥{2×1.6×44.121×3.083/（0.3×1.630×1.25）×（2.433×189.8/494.25）2）}（1/3）＝6.94mm ，取d1t=7.0mm
2).計算圓周速度 v=лd1tn1/(60×1000)＝0.55m/s
3).計算齒數(shù)b及模數(shù)mnt： b=Φdd1t=0.3×7＝2.1mm
mnt=d1tcosβ/Z1=7×/20=0.34
h=2.25mnt=2.25×0.34mm =0.76 mm
b/h=2.1/0.76=2.8
4).縱向重合度εβ＝0.318×Φd×Z1×tanβ=0.318×0.3×20×tan14o=0.48
5).計算載荷系數(shù)K,查課本得使用系數(shù)KA=1.25,根據(jù)v=0.033 m/s ,7級精度，查得動載系數(shù)Kv=1.01,由b/h=2.8,查得KHα=KFα=1.2,故載荷系數(shù)K=KAKvKHαKFα=1.25×1.01×1.2×1.2＝1.69
6）.分度圓直徑d1=d1t(K/Kt)(1/3)=7×（1.69/1.6）（1/3）=7.13 mm
7).計算模數(shù)mn=d1×cosβ/Z1=7.13×cos14o/20=0.35 mm
(3）按齒輪彎曲強度設(shè)計
mn>={(2KT2YβCOS2β/ΦdZ12εα)×(YFαYSα/[σF])}(1/3)
1）計算載荷系數(shù)，K=KA×Kv×KFα×KFβ=1.25×1.01×1.2×1.2＝1.69
2）根據(jù)縱向重合度εβ＝0.48，查表得螺旋角影響系數(shù)Yβ=0.91
3）計算當量齒數(shù)Zv1=Z1/cos3β=20/cos314o=21.2
4）查得,YFa1=2.763,YSa1=1.592,YFa2=2.375,YSa2=1.672
因為小齒輪彎曲極限強度σFE1=500MPa,大齒輪σFE2＝380MPa,查得彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.85,KFN2=0.87,取安全系數(shù)S=1.1，則
[σF]1＝KHN1×σFE1/S=386MPa
[σF]2＝KHN2×σFE1/S＝304MPa
5）計算大、小齒輪YFa1 YSa1/[σF]1并加以比較
YFa1 YSa1/[σF]1＝2.763×1.562/386=0.0112
YFa2YSa2/[σF]2=2.375×1.672/304＝0.013
比較后取大齒輪數(shù)據(jù)
6）設(shè)計計算mn>={2×1.69×37.82×0.91×0.013×(cos14°)2/（0.3×202×1.63）}（1/3）＝0.187m
對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算得法面模數(shù)mn大于齒根彎曲疲勞強度計算得法面模數(shù)，取mn＝2 mm，已可滿足彎曲強度，但為了同時滿足接觸疲勞強度
齒輪幾何尺寸計算
①中心距 a=( Z1+Z2)mn/(2×cosβ)=(52+62)×2/（2×cos14o）＝63.9 mm 所以圓整為64 mm
②按圓整后的中心距修正螺旋角β＝arccos[(Z1+Z2)mn/2a]=arcos[(52+62)×2/(2×64) =14.36 o
3.11等效轉(zhuǎn)動慣量計算(不計傳動效率)
小齒輪轉(zhuǎn)動慣量Jg1=(πd14b1ρ)／32=[π44×1.4×7.85×10-3]／32 =0.276×10-4 kg.m2
式中 鋼密度ρ=7.85×10-3 kg/cm3
同理,大齒輪轉(zhuǎn)動慣量 Jg2=0.498×10-4 kg.m2
查設(shè)計手冊初選滾珠絲杠 CDM2005-3, 得到 d0=20 mm ,l=430 mm
滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 Js=(πd04lρ)／32={[π(2)4×43×7.85×10-3]／32}×10-4 kg.m2 =0.53×10-4 kg.m2
工作重物為12kg
Jw=(w/g)×(tsP／2π) 2 ÷i2 =12×(0.5／2π) 2 ÷2.12×10-4 kg.m2 =1.71×10-6 kg.m2
因此,折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量Je
Je= Jg1+ Jw+( Jg2+Js) ÷i2 =0.807×10-4 kg.m2
3.12 電機的計算選型
查設(shè)計指導書(4-7)~(4-9)可知:
Mt=[(Fx+μFy) tsP]/(2πηi)= [(180+0.06×140)×0.005]/(2π×0.8×2.1)=0.089N.m
Mf= (Ff tsP)/(2πηi)= (μW tsP)/(2πηi)=(0.06×12×10×0.005)/ (2π×0.8×2.1)=0.00341N.m
上述式中 η—絲杠預緊時的傳動效率取 η=0.8
μ——為摩擦系數(shù)取0.06
nmax=(vmax/δ)×(α/360°)=(2000/0.005) ×(0.75/360)=833 r/min
取起動加速時間tα=0.03 s
初選60BYG350DL-SASSML-0451 的電動機
M0=(Fp0tsp)÷(2πηi) ×(1-η02)= (1/3Fxtsp)÷(2πηi) ×(1-η02) =[(1/3) ×180×0.006]÷(2π×0.8×2.1) ×[1-0.92]=0.054 N.m
式中 Fp0—滾珠絲杠預加負荷,一般取Fy/3
Fy—進給牽引力(N)
η0—滾珠絲杠未預緊時的傳動效率,取0.9
J=( Je +Jm)= 0.807×10-4 kg．m2+0.3×10-4 kg.m2 =1.107×10-4 kg.m2
Ma=( Je +Jm)( 2πnmax)/(60tα)= 0.2926N.m
Mq= Ma+ Mf+ M0=0.2926+0.00341+0.054=0.35N.m
Mc= Mt+ Mf+ M0=0.089+0.00341+0.054=0.1464N.m
Mk= Mf+ M0=0.00341+0.054=0.05741N.m
從計算可知, Mq最大,作為初選電動機的依據(jù).
Mq/ Mjmax=0.446<0.9 滿足所需轉(zhuǎn)矩要求.
4)步進電機動態(tài)特性校驗Je /Jm<4 說明慣量可以匹配
綜上所述,可選60BYG350DL-SASSML-0451 的電機
3.13 聯(lián)軸器選擇
聯(lián)軸器除聯(lián)接兩軸并傳遞轉(zhuǎn)矩外，有些還有補償兩軸因制造和安裝誤差而造成的軸線偏移的功能，以及具有緩沖、吸振、安全保護等功能。因此要根據(jù)傳動裝置工作要求來選定聯(lián)軸器類型。本方案選擇套筒聯(lián)軸器。
第4章 底座設(shè)計
4.1 對底座結(jié)構(gòu)的基本要求
機床的底座是整個機床的基礎(chǔ)支持件，一般用來放置導軌，主軸箱等重要部件。為了滿足數(shù)控機床高速度、高精度、高生產(chǎn)率、高可靠性和高自動化程度的要求，與普通機床相比，數(shù)控機床應(yīng)有高的靜、動剛度，更好的抗振性。
一、對數(shù)控機床的底座主要在以下3 個方面提出了更高的要求：
1．很高的精度和精度保持性
在底座上有很多安裝零部件的加工面和運動部件的導軌面，這些面本身的精度和相互位置精度要求都很高，而且要長時間保持。另外，機床在切削加工時，所有的靜、動載荷最后往往都傳到底座上，所以，底座受力很復雜。為此，為保證零部件之間的相互位置或相對運動精度，除了滿足幾何尺寸位置等精度要求外，還需要滿足靜、動剛度和抗振性、熱穩(wěn)定性、工藝性等方面的技術(shù)要求。
2．應(yīng)具有足夠的靜、動剛度
靜剛度包括：底座的自身結(jié)構(gòu)剛度、局部剛度和接觸剛度，都應(yīng)該采取相應(yīng)的措施，最后達到有較高的剛度-質(zhì)量比。動剛度直接反映機床的動態(tài)性能，為了保證機床在交變載荷作用下具有較高的抵抗變形的能力和抵抗受迫振動及自激振動的能力，可以通過適當?shù)脑黾幼枘帷⑻岣吖逃蓄l率等措施避免共振及因薄壁振動而產(chǎn)生噪音。
3．較好的熱穩(wěn)定性
對數(shù)控機床來說，尤其是高精度數(shù)控機床，熱穩(wěn)定性已經(jīng)成了一個突出問題，必須在設(shè)計上要做到使整機的熱變形小，或使熱變形對加工精度的影響小。熱變形將直接影響機架的原有的精度，從而是產(chǎn)品精度下降，如立軸矩臺平面磨床，立柱前臂的溫度高于后臂，是立柱后傾，其結(jié)果磨出的零件工作表面與安裝基面不平行；有導軌的機架，由于導軌面與底面存在溫差，在垂直平面內(nèi)導軌將產(chǎn)生中凸或中凹熱變形。因此，底座結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)使熱變形盡量小。
二、底座機架設(shè)計的一般要求 ：
1） 在滿足強度和剛度的前提下，機架的重量應(yīng)要求輕、成本低；
2） 抗振性好。把受迫振動振幅限制在允許范圍內(nèi)；
3） 躁聲小；
4） 溫度場分布合理，熱變形對精度的影響??；
5） 結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，工藝性良好，便于鑄造、焊接和機械加工；
6） 結(jié)構(gòu)力求便于安裝與調(diào)整，方便修理和更換零部件；
7） 有導軌的機架要求導軌面受力合理、耐磨性良好；
8） 造型好。使之既適用經(jīng)濟，有美觀大方。
4.2 底座的結(jié)構(gòu)
根據(jù)數(shù)控機床的類型不同，底座的結(jié)構(gòu)形式有各種各樣的形式。例如數(shù)控車床底座的結(jié)構(gòu)形式有平底座、斜底座、平底座斜導軌和直立底座等四種類型。
另外，斜底座結(jié)構(gòu)還能設(shè)計成封閉式斷面，這樣大大提高了底座的剛度。數(shù)控鉆高精度數(shù)控立式萬能磨床、加工中心等這一類數(shù)控機床的底座結(jié)構(gòu)與數(shù)控車床有所不同。例如加工中心的底座有固定立柱式和移動立柱式兩種。前者一般使用于中小型立式和臥式加工中心，而后者又分為整體T形底座和前后底座分開組裝的T形底座。所謂T形底座是指底座是由橫置的前底座和與它垂直的后底座組成。整體式底座，剛性和精度保持性都比較好，但是卻給鑄造和加工帶來很大不便，尤其是大中型機床的整體底座，制造時需要大型設(shè)備。而分離式T形底座，鑄造工藝性和加工工藝性都大大改善。前后底座聯(lián)接處要刮研，聯(lián)接時用定位鍵和專用定位銷定位，然后再沿截面四周， 用大螺栓固緊。這樣聯(lián)接成的底座，再剛度和精度保持性方面，基本能滿足使用要求。這種分離式T形底座適用于大中型臥式加工中心。 由于底座導軌的跨距比較窄，致使工作臺在橫溜板上移動到達行程的兩端時容易出現(xiàn)翹曲，將會影響加工精度，為了避免工作臺翹曲，有的立式加工中心增設(shè)了輔助導軌。
2．底座的截面形狀
數(shù)控機床的底座通常為箱體結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計底座的截面形狀及尺寸，采用合理布置的肋板結(jié)構(gòu)可以在較小質(zhì)量下獲得較高的靜剛度和適當?shù)墓逃蓄l率。底座肋板一般根據(jù)底座結(jié)構(gòu)和載荷分布情況，驚醒設(shè)計，滿足底座剛度和抗振性要求，V形肋板有利于加強導軌支承部分的剛度；斜方肋和對角肋結(jié)構(gòu)可明顯增強底座的扭轉(zhuǎn)剛度，并且便于設(shè)計成全封閉的箱形結(jié)構(gòu)。
此外，還有縱向肋板和橫向肋板，分別對抗彎剛度和抗扭剛度有明顯效果；米字形肋板和井字形肋板的抗彎剛度也較高，尤其是米字形肋板更高。
3．底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計
底座結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)盡量避免薄壁結(jié)構(gòu)并簡化表面形狀。根據(jù)本設(shè)計的具體情況及要求，底座的結(jié)構(gòu)設(shè)如下：
4.底座的設(shè)計步驟
⑴根據(jù)底座上的零件、部件情況和設(shè)計要求初步確定底座及機架的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，以保證機架內(nèi)外的零件能正常運動
⑵根據(jù)產(chǎn)品批量和結(jié)構(gòu)形式初步確定制造方法，合理選擇材料，單件小批量的非標準設(shè)備機架可以采用焊接和鍛喊結(jié)合的機架
⑶分析承載情況，根據(jù)承載情況合理的選擇截面形式，確定主要設(shè)計參數(shù)
⑷畫出結(jié)構(gòu)草圖，進行必要的強度和剛度計算和尺寸修改
⑸對重要設(shè)備的底座，還應(yīng)該進行模擬實驗設(shè)計和模擬實驗，并根據(jù)實驗結(jié)果對設(shè)計進行修改。
結(jié) 論
本課題開發(fā)研制的專用鉆床。在開發(fā)過程中，針對加工過程中存在的難點進行了攻關(guān)。在鉆床的設(shè)計上采取了一系列的措施，保證了被加工孔的加工精度。主要完成了以下工作：設(shè)計的專用鉆床，保證了加工孔的生產(chǎn)質(zhì)量，提高工效3倍以上，加工成本大幅下降。
本項工作還有許多值得完善的地方，例如：裝夾、定位由人工完成，效率較低；自動化程度有待提高等問題。這些問題通過改進設(shè)計、完善工藝、現(xiàn)場的不斷實踐、總結(jié)，必將會得到進步的提高。
致 謝
本次畢業(yè)設(shè)計涉及的全部內(nèi)容是在指導老師XX老師的悉心指導下完成的。感謝XX老師給我提供了良好的課題條件，讓我從這次設(shè)計中得到了很好的鍛煉。同時也為我講解了不少難題，在此特別感謝。XX老師淵博的學識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、平易近人的作風和認真負責的工作態(tài)度讓我們受益非淺。從XX老師處我們學到了許多的專業(yè)知識和相關(guān)的設(shè)計方法。在此，謹向恩師表示最真誠的感謝。感謝他在百忙中給予我們的指導。當然還有本院其他老師的指導。在此我向各位給予我指導的老師表示忠心的感謝和致敬。
最后還要感謝的，也是最應(yīng)該感謝的是XX學院，學院讓我們有這么好的學習條件。通過四年的學習，讓我們成為有用之才；也是學院給我們了這次畢業(yè)設(shè)計機會，讓我們在走上工作崗位之前好好的鍛煉一下自己。
參考文獻
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