盘丝车床切入进给机构机构设计学士学位论文.doc

宁XX大学毕业设计(论文)盘丝车床切入进给机构机构设计 所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日摘 要盘丝车床用于加工三爪自定心卡盘的零件-盘丝,包括车平面螺纹、端面和镗孔等。该机床采用床身长度方向与主轴轴心线垂直的布局，有两个刀架。本文设计主要设计的切入进给机构机构，该进给机构主要用于上面。切入进给机构机构设计中需满足，可带动上拖板作切入运动，切入运动结束时丝杠须停转，当到达切入行程终点时，上拖板应退回原位。本文主要完成确定了切入进给机构总体设计方案, 进给机构由液压系统控制，带动活塞运动，通过齿条，带动齿轮，使丝杠转动，通过丝杠螺母副，把旋转运动转为直线运动，实现进给。对主要的零件设计进行设计计算,如齿轮齿条机构、滚珠丝杠机构、棘轮棘爪、摇杆、箱体等零部件的设计。关键词：盘丝车床，盘丝，平面车削33AbstractThreading lathe used for processing of three claw chuck parts - plate wire, including car plane thread, facing and boring. The machine adopts the bed length direction and the axis of spindle vertical layout, with two knife.In this paper the design of the main design entry feeding mechanism, the feeding mechanism is mainly used for the turret top. Design of cutting feed mechanism design needs to meet, can drive the upper carriage for cutting motion, starting at the end of the screw motion must stop, when arriving at the entry end of stroke, upper carriage should return in situ.This paper mainly completes the identified entry feed mechanism design, feeding mechanism is controlled by a hydraulic system, drive the piston, through the rack drives the gear, screw rod to rotate, so that, through the leading screw nut pair, the rotary motion into linear motion, realized the feed. On the main parts design calculation, such as gear and rack mechanism, the ball screw mechanism, a ratchet pawl, rocker, box and other parts of the design.Key Words: Threading lathe，plate wire，flat turning目 录摘 要3Abstract4目 录5第1章 绪论71.1车床简介71.2 数控车床的概念71.3车床的组成与各部件的安装注意事项81.4 盘丝车床91.5 本文主要研究内容和任务10第2章 切入进给机构总体设计102.1 液压系统设计112.1.1液压传动部分设计112.2盘丝车床的切入进给机构方案设计112.2.1 切入进给机构方案设计112.2.2切入进给机构方案拟定12第3章 切入进给机构工作原理13第4章 切入进给机构各零件设计144.1 齿条和齿轮设计计算144.2 蜗轮蜗杆副的设计计算164.3 滚珠丝杠副的设计204.3.1滚珠丝杠的特点214.3.2 滚珠丝杠副结构224.3.3滚珠丝杠副的种类224.3.4滚珠丝杠副精度234.3.5 滚珠丝杠副性能234.3.6 导轨副设计与计算254.3.7滚珠丝杠副设计与计算264.3.8 棘轮机构设计294.3.9 棘爪零件设计304.3.10 手动进给摇杆的设计304.3.11 进给箱体的设计31总 结32参考文献33致 谢34第1章 绪论1.1车床简介车床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件，是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床。铣床和钻床等旋转加工的机械都是从车床引伸出来的。在我国香港等地也有人叫旋床。1.2 数控车床的概念机床是人类进行生产劳动的重要工具，也是社会生产力发展水平的重要标志。 普通机床经历了近两百年的历史。随着电子技术、计算机技术及自动化，精密机械与测量等技术的发展与综合应用，生产了机电一体化的新型机床一一数控机床。数控机床一经使用就显示出了它独特的优越性和强大生命力，使原来不能解决的许多问题，找到了科学解决的途径。 数控机床是一种通过数字信息，控制机床按给定的运动轨迹， 进行自动加工的机电一体化的加工装备，经过半个世纪的发展，数控机床已是现代制造业的重要标志之一，在我国制造业中，数控机床的应用也越来越广泛，是一个 企业综合实力的体现。 数控车床是数字程序控制车床的简称，它集通用性好的万能型车床、加工精度高的精密型车床和加工效率高的专用型车床的特点于一身，是国内使用量最大，覆盖面 最广的一种数控机床。要学好数控车床理论和操作，就必须勤学苦练，从平面几何，三角函数，机械制图，普通车床的工艺和操作等方面打好基础。 因此，必须首先具有普通车工工艺学知识然后才能从掌握人工控制转移到数字控制方面来，另一方面，若没有学好有关数学、电工学、公差与配合及机械制造等深内容，要学好数控原 理和程序编制等，也会感到十分困难。熟悉零件工艺要求，正确处理工艺问题。由于数控机床加工的特殊性，要求数控机床加工工人既是操作者，又是程序员，同时 具备初级技术人员的某些素质，因此，操作者必须熟悉被加工零件的各项工艺（技术）要求，如加工路线，刀具及其几何参数，切削用量，尺寸及形状位置公差。只 有熟悉了各项工艺要求，并对出现的问题正确进行处理后，才能减少工作盲目性，保证整个加工工作圆满完成。1.3车床的组成与各部件的安装注意事项1. 数控车床的刀具 （1）对刀具的要求 数控车床能兼作粗、精加工。为使粗加工能以较大切削深度、较大进给速度地加工，要求粗车刀具强 度高、耐用度好。精车首先是保证加工精度，所以要求刀具的精度高、耐用度好。为减少换刀时间和方便对刀，应可能多地采用机夹刀。 数控车床还要求刀片耐用度的一致性好，以便于使用刀具寿命管理功能。在使用刀具寿命管理时，刀片耐用度的设定原则是以该批刀片中耐用度最低的刀片作为依据 的。在这种情况下，刀片耐用度的一致性甚至比其平均寿命更重要。 （2）数控车床的刀具 数控车削用的车刀一般分为三类，即尖形车刀、圆弧形车刀和成型车刀。以直线形切削刃为特征的车 刀一般称为尖形车刀。这类车刀的刀尖(同时也为其刀位点)由直线形的主、副切削刃构成，如90?内、外圆车刀，左、右端面车刀，切槽(断)车刀及刀尖倒棱 很小的各种外圆和内孔车刀。用这类车刀加工零件时，其零件的轮廓形状主要由一个独立的刀尖或一条直线型主切削刃位移后得到，它与另两类车刀加工时所得到零 件轮廓形状的原理是截然不同的。 圆弧形车刀是较为特殊的数控加工用车刀。其特征是，构成主切削刃的刀刃形状为一圆度误差或线轮 廓度误差很小的圆弧；该圆弧刃每一点都是圆弧形车刀的刀尖，因此，刀位点不在圆弧上，而在该圆弧的圆心上；车刀圆弧半径理论上与被加工零件的形状无关，并 可按需要灵活确定或测定后确认。当某些尖形车刀或成型车刀(如螺纹车刀)的刀尖具有一定的圆弧形状时，也可作为这类车刀使用。圆弧形车刀可以用于车削内、 外表面，特别适宜于车削各种光滑连接(凹形)的成型面。 成型车刀俗称样板车刀，其加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形状和尺寸决定。数控车削加工 中，常见的成型车刀有小半径圆弧车刀、非矩形车槽刀和螺纹车刀等。在数控加工中，应尽量少用或不用成型车刀，当确有必要选用时则应在工艺准备文件或加工程 序单上进行详细说明。 为了适应数控机床自动化加工的需要(如刀具的对刀或预调、自动换刀或转刀、自动检测及管理工作等)，并不断提高产品的加工质量和生产效率，节省刀具费用， 应多使用模块化和标准化刀具。 2. 数控车床的卡盘 液压卡盘是数控车削加工时夹紧工件的重要附件，对一般回转类零件可采用普通液压卡盘；对零件被夹持部位不是圆柱形的零件，则需要采用专用卡盘；用棒料直接加工零件时需要采用弹簧卡盘。 4. 数控车床的尾座 对轴向尺寸和径向尺寸的比值较大的零件，需要采用安装在液压尾架上的活顶尖对零件尾端进行支撑，才能保证对零件进行正确的加工。尾架有普通液压尾架和可编程液压尾座。 4. 数控车床的刀架 刀架是数控车床非常重要的部件。数控车床根据其功能，刀架上可安装的刀具数量般为8把、10 把、12把或16把，有些数控车床可以安装更多的刀具。 刀架的结构形式一般为回转式，刀具沿圆周方向安装在刀架上，可以安装径向车刀、轴向车刀、钻头、镗刀。车削加工中心还可安装轴向铣刀、径向铣刀。少数数控 车床的刀架为直排式，刀具沿一条直线安装。 托辊数控车床可以配备两种刀架： （1）专用刀架 由车床生产厂商自己开发，所使用的刀柄也是专用的。这种刀架的优点是制造成本低，但缺乏通用性。 （2）通用刀架 根据一定的通用标准而生产的刀架，数控车床生产厂商可以根据数控车床的功能要求进行选择配置。 5. 数控车床的铣削动力头 托辊数控车床刀架上安装铣削动力头可以大大扩展数控车床的加工能力。1.4 盘丝车床盘丝车床用于加工三爪自定心卡盘的零件-盘丝,包括车平面螺纹、端面和镗孔等。该机床采用床身长度方向与主轴轴心线垂直的布局，有两个刀架。其中左刀架为车丝刀架，右刀架为镗孔、车端面刀架。工件用液压卡盘夹紧；车丝刀架运动循环由液压控制。1.5 本文主要研究内容和任务1、切入进给机构机构设计中需满足，可带动上拖板作切入运动，切入运动结束时丝杠须停转，当到达切入行程终点时，上拖板应退回原位。2、 刀架还应具备手动进给功能。第2章 切入进给机构总体设计液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等；船舶用的甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。该机床的车丝刀架的运动循环是由液压控制的。车丝刀架横向让刀和进刀运动是用油缸传动带曲线槽的滑板及从动滚子实现的；切入运动由油缸中活塞齿条，进扇形齿轮和棘轮机构，传动丝杠获得，使丝杠复位靠油缸驱动。机床进给系统总示意图：图 2-1 进给系统示意图刀架是车床的重要组成部分，用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响到车床的切削性能和切削效率。而切入进给机构机构正是实现刀架前进后退的重要组成部分.2.1 液压系统设计液压系统成功而又广泛使用的秘密在于它的通用性和易操作性，液压动力传递不会像机械运动那样受机械几何形体的制约，为提高生产率，优化自动化生产，液压系统成为了自动化的重要组成部分。2.1.1液压传动部分设计机床的液压传动机床的车丝刀架的运动循环是由液压控制的。如图所示：图 2-2 液压控制示意图车丝刀架横向让刀和进刀运动是用油缸传动带曲线槽的滑板及从动滚子实现的；切入运动由油缸中活塞齿条，进扇形齿轮和棘轮机构，传动丝杠获得，使丝杠复位靠油缸驱动。液压阀控制油缸，驱动活塞齿条运动，通过齿轮齿条机构，将活塞的直线运动转换为齿轮的旋转运动，该机构中，将齿轮设计成扇形齿轮，目的是带动后面的棘轮棘爪机构，使丝杠获得间隙的传动，最后通过丝杠螺母副，将旋转运动转换为直线运动，实现刀架的进给。当刀架进给到其终点的时候，通过触动微电开关，控制液压阀，驱动活塞齿条运动，通过齿轮齿条机构实现快速退刀。2.2盘丝车床的切入进给机构方案设计2.2.1 切入进给机构方案设计一般来说，机床的切入进给机构主要有以下几种：1，液压（或气动）驱动的活塞齿条齿轮切入进给机构这种由液动机驱动的切入进给机构调速范围大、缓冲制动容易，转位速度可调，运动平稳，结构尺寸较小，制造容易，因而应用较广泛。而转位角度大小可由活塞杆上的限位档块来调整。也有采用气动的，气动的优点是结构简单，速度可调，但运动不平稳，有冲击，结构尺寸大，驱动力小。故一般多用于非金属切削的自动化机械和自动线的切入进给机构中。2，圆柱凸轮步进式切入进给机构这种切入进给机构依靠凸轮轮廓强制作转位运动，运动规律完全取决于凸轮轮廓形状。圆柱凸轮是在圆周面上加工出一条两端有头的凸起=轮廓，从动回转盘（相当于体）端面有多个柱销，销子数量与工位数相等。当圆柱凸轮按固定的旋转方向运动时，有的柱销会进入凸轮轮廓的曲线段，使凸轮开始驱动回转盘转位，与此同时有的圆柱销会与凸轮轮廓脱离，当柱销接触的凸轮轮廓由曲线段过渡到直线段时，即使凸轮继续旋转，回转盘也不会转动，即完成了一次刀盘分度转位动作。如此反复下去，就能实现多次的换刀操作。由于凸轮是一个两端开口的非闭合曲线轮廓，所以当凸轮正反转进均可带动刀盘正反两个方向的旋转。这种切入进给机构转位速度高、精度较低，运动特性可以自由设计选取但制造较困难、成本较高、结构尺寸较大。这种切入进给机构可以通过控制系统中的逻辑电路或PC程序来自动选择回转方向，以缩短转位辅助时间。3，伺服电机驱动的转位 随着现代技术的发展，可以采用直流（或交流）伺服电机驱动蜗杆、蜗轮（消除间隙）实现转位，转位的速度和角位移均可通过半闭环反馈进行精确控制加以实现，因而这种切入进给机构转位速度可以进行精确控制、精度高，结构简单、实现容易。所以在现代数控机床中被广泛采用6。2.2.2切入进给机构方案拟定为了把旋转运动变为直线运动，常采用丝杠螺母机构、齿轮齿条机构、蜗杆齿条机构以及凸轮杠杆机构等。在需要周期进给时，常采用棘轮棘爪机构。进给机构由液压系统控制，带动活塞运动，通过齿条，带动齿轮，使丝杠转动，通过丝杠螺母副，把旋转运动转为直线运动，实现进给。第3章 切入进给机构工作原理该部分设计参考切入进给机构结构图。图 4-3 进给机构机构图当压力油接通油缸时，活塞齿条向左移动，通过齿轮齿条机构，带动装有棘爪的扇形齿轮旋转，则由棘爪、棘轮。使丝杠旋转，则丝杠通过丝杠螺母机构带动上拖板作切入运动。切入运动结束时，油缸接油箱，活塞在弹簧作用下，使扇形齿轮复位，棘爪在棘轮上打滑，丝杠停转。转动旋钮，经蜗杆副转动护板，则可改变活塞左移一次时棘轮转动的角度，从而调整切入量。按下按钮，压下杠杆，使棘爪抬起和棘轮脱开，然后再转动手柄，使丝杠旋转，刀架得到手动进给。丝杠顺时针转动时，挡铁由固定挡板限位；逆时针转动时，由活动挡块限位。调整挡块的位置，便可改变丝杠的转角而调整切入行程。转动螺母，细齿牙嵌式离合器在套中的弹簧作用下而脱开，再转动手柄，就可调整切入行程终点的位置。调整完毕，拧紧螺母，使细齿牙嵌式离合器接合。切入行程终点时，挡铁碰微动开关，压力油进入复位油缸，带齿条的活塞向右移动，经齿轮使齿轮使丝杠反转，则上拖板退回原为，以便加工下一个工件。 当车丝刀架纵向走刀完毕时，压力油进入油缸的左腔推动活塞，经活塞刚带动让刀滑板右移。由滑板上的曲线槽经滚子、销子带动上拖板作横向让刀运动。让刀行程为10毫米。弹簧用于消除丝杠与螺母之间的间隙。刀架上一次安装精车、半精车、次粗车、粗车、倒角等五把车刀，相邻两车刀的中心距离等于被加工的螺距；精车刀切削刃宽度等于被加工螺纹槽宽减去磨削余量。第4章 切入进给机构各零件设计4.1 齿条和齿轮设计计算齿轮齿条的传动计算齿轮与齿条传动特点齿轮作回转运动，齿条作直线运动，齿条可以看作一个齿数无穷多的齿轮的一部分，这时齿轮的各圆均变为直线，作为齿廓曲线的渐开线也变为直线。齿条直线的速度与齿轮分度圆直径、转速之间的关系为式中 d齿轮分度圆直径，； 齿轮转速，。其啮合线与齿轮的基圆相切，由于齿条的基圆为无穷大，所以啮合线与齿条基圆的切点在无穷远处。齿轮与齿条啮合时，不论是否标准安装（齿轮与齿条标准安装即为齿轮的分度圆与齿条的分度圆相切），其啮合角恒等于齿轮分度圆压力角，也等于齿条的齿形角；齿轮的节圆也恒与分度圆重合。只是在非标准安装时，齿条的节线与分度线不再重合。齿轮与齿条正确啮合条件是基圆齿距相等，齿条的基圆齿距是其两相邻齿廓同侧直线的垂直距离，即。齿轮与齿条的实际啮合线为，即齿条顶线及齿轮齿顶圆与啮合线的交点及之间的长度。齿轮齿条传动的几何尺寸计算齿轮与齿条传动的尺寸计算见表表 齿轮齿条传动的几何尺寸计算项目名称计算公式及代号转齿轮齿条数值转齿轮齿条数值齿轮齿数4832模数22螺旋角基本齿廓压力角齿顶高系数11顶隙系数0.250.25齿轮变位系数0.4180.418尺宽齿轮1010齿条3030齿条长度75300主要几何参数计算项目名称计算公式及代号转齿轮齿条数值转齿轮齿条数值齿轮分度圆直径9664齿顶高齿轮2.8362.836齿条22齿根高齿轮1.6641.664齿条2.52.5齿高齿轮4.54.5齿条齿轮中心到齿条中心距4.54.5齿距6.2386.238齿条齿数1232齿条的主要特点：（1） 由于齿条齿廓为直线，所以齿廓上各点具有相同的压力角，且等于齿廓的倾斜角，此角称为齿形角，标准值为20。（2） 与齿顶线平行的任一条直线上具有相同的齿距和模数。（3） 与齿顶线平行且齿厚等于齿槽宽的直线称为分度线（中线），它是计算齿条尺寸的基准线。4.2 蜗轮蜗杆副的设计计算设计的普通圆柱蜗杆传动比为，传动反向，工作载荷稳定，但有不大的冲击，要求设计寿命为。对蜗轮蜗杆的设计计算如下；(1).选择蜗杆传动类型根据的推荐，采用渐开线蜗杆（）。(2).选择材料根据库存材料的情况，并考虑到蜗杆传递的功率不大，速度只是中等，故蜗杆用45钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为40-45 HRC。蜗轮用铸锡磷青铜，金属模铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT100制造。(3).按齿面接触疲劳强度进行设计根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。 1) 确定作用在蜗轮上的转矩按，估取效率，则 =2) 确定载荷系数 因为工作载荷稳定，故取载荷分布不均系数为；由西北工业大学机械原理及机械零件教研室编著的机械设计教材表11-5选取使用系数；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数；则 =3) 确定弹性影响系数因选用的是铸锡青铜轮和钢蜗杆相配，故。4) 确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距a的比值，从图11-18中可查得=。5) 确定许用接触应力根据蜗轮材料为铸锡磷青铜，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC，可从表11-7中查得蜗轮的基本许用应力为。应力循环次数 寿命系数 则 6) 计算中心距 取中心距a=80mm，因故从表11-2中取模数为m=2mm，蜗杆分度圆直径。这时，从图11-18中可查得接触系数，因为，因此以上计算的结果可用。(2) 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸1) 蜗杆 轴向齿距 直径系数 齿顶圆直径 齿根圆直径 分度圆导程角 蜗杆轴向齿厚 图2.3 蜗杆的结构图1) 蜗轮 蜗轮齿数 ；变位系数 验算传动比，这时传动比误差为，是允许的。蜗轮分度圆直径 蜗轮喉圆直径 蜗轮齿根圆直 蜗轮咽喉母圆半径 图2.4 蜗轮的结构图(4) 校核齿根弯曲疲劳强度 当量齿数 根据，从图11-19中可查得齿形系数。螺旋角系数 许用弯曲应力 从表11-8中查得由制造的蜗轮的基本许用弯曲应力寿命系数 弯曲强度满足要求。(6) 精度等级公差和表面粗糙度的确定考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速器，从GB/T100891988圆柱蜗杆、蜗轮精度中选择8级精度，侧隙种类为f，标注为8f GB/T100891988。然后由有关手册查得要求的公差项目及表面粗糙度，此处从略9。4.3 滚珠丝杠副的设计滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。早在19世纪末就发明了滚珠丝杠副，但很长一段时间未能实际应用，因制造难度太大。世界上第一个使用滚珠丝杠副的是美国通用汽车公司萨吉诺分厂，它将滚珠丝杠副用于汽车的转向机构上。1940年，美国开始成批生产用于汽车转向机构的滚珠丝杠副，1943年，滚珠丝杠副开始用于飞机上。精密螺纹磨床的出现使滚珠丝杠副在精度和性能上产生了较大的飞跃，随着数控机床和各种自动化设备的发展，促进了滚珠丝杠副的研究和生产。从50年代开始，在工业发达的国家中，滚珠丝杠副生产厂家如雨后春笋般迅速出现，例如：美国的WARNER-BEAVER公司、GM-SAGINAW公司；英国的ROTAX公司；日本的NSK公司、TSUBAKI公司等。我国早在50年代末期开始研制用于程控机床、数控机床的滚珠丝杠副。40多年来，由于滚珠丝杠副具有高效率、高精度、高刚度等特点，被广泛应用于机械、航天、航空、核工业等领域。现在，滚珠丝杠副已成为机械传动与定位的首选部件。由于滚珠丝杠副的使用不断普及，使用领域不断扩大，对滚珠丝杠副的要求也越来越多，普通规格的滚珠丝杠副已远远满足不了使用要求，如航天航空领域、小型精密测试装置、电子仪器以及半导体装置等基本上都需要公称直径d012mm，导程Ph=0.52.5 mm的微型滚珠丝杠副。日本NSK公司已开发出公称直径d0=4mm，导程Ph=0.5mm的世界最小导程微型滚珠丝杠副。半导体插件装置、小型机器人等需要微型大导程滚珠丝杠副，以满足高速驱动要求。随着机械产品向高速、高效、自动化方向发展，工业机器人、数控锻压机械、加工中心以及机电一体化自动机械等，其进给驱动速度不断提高，大导程滚珠丝杠副的出现，满足了高速化的要求。日本NSK公司已开发出公称直径导程为：15mm40mm、16mm50mm、20mm60mm、25mm80mm超大导程滚珠丝杠副，快速进给速度达180m/min。4.3.1滚珠丝杠的特点1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动，所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下，即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。2、高精度的保证采用歌德式（Gothic arch）沟槽形状、轴向间隙可调整得很小，也能轻便地传动。若加入适当的预紧载荷，消除轴向间隙，可使丝杠具有更佳的刚性，在承载时减少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，达到更高的精度。3、微进给可能滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象，能保证实现精确的微进给。3、 无侧隙、刚性高滚珠丝杠副可以加予压，由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性（滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力，在实际用于机械装置等时，由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强）。5、高速进给可能滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。6、高可靠性与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作。7、高耐用性钢球滚动接触处均经硬化（HRC5863）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。4.3.2 滚珠丝杠副结构滚珠丝杠副的结构传统分为内循环结构(以圆形反向器和椭圆形反向器为代表)和外循环结构(以插管为代表)两种。这两种结构也是最常用的结构。这两种结构性能没有本质区别，只是内循环结构安装连接尺寸小；外循环结构安装连接尺寸大。目前，滚珠丝杠副的结构已有10多种，但比较常用的主要有：内循环结构；外循环结构；端盖结构；盖板结构。内循环结构反向器的形状有多种多样，但是，常用的外形就是圆形和椭圆形。由于圆形滚珠反向通道较短，因此，在流畅性上不如椭圆形结构。现在，最好的反向器结构为椭圆形内通道结构，由于滚珠反向不通过丝杠齿顶，类似外循环结构，因此，消除了丝杠齿顶倒角误差给滚珠反向带来的影响。但由于制造工艺较复杂，影响了这种结构的推广。4.3.3滚珠丝杠副的种类现国内外文献上对滚珠丝杠副还没有统一的分类，但各国一般是按以下原则进行分类的：普通滚珠丝杠副一般指公称直径d0=16100mm，导程Ph=420mm，螺旋升角9。微型滚珠丝杠副指公称直径d012mm的滚珠丝杠副。对于导程Ph3mm的滚珠丝杠副称为微型小导程滚珠丝杠副，螺旋升角9的滚珠丝杠副称为微型大导程滚珠丝杠副。大导程滚珠丝杠副指公称直径d016mm，螺旋升角179或导程d0Phd0的滚珠丝杠副，对于螺旋升角17称为超大导程滚珠丝杠副。重型滚珠丝杠副指公称直径d0125mm的滚珠丝杠副。4.3.4滚珠丝杠副精度过去，为了获得高的定位精度，主要通过提高滚珠丝杠副本身的精度来实现，因此，对滚珠丝杠的导程累积误差要求很高，给滚珠丝杠副的制造带来困难，使滚珠丝杠副的生产成本加大。特别是高精度滚珠丝杠副，只有通过数控螺纹磨床或激光反馈螺纹磨床加工才能达到。随着科学技术的不断发展，人们掌握了数控补偿技术，因而，不需要很高精度的滚珠丝杠副，也能获得高的定位精度。为了适应数控补偿技术的要求，国际标准ISO3408-3-1992以及部颁标准JB3162.2-92都对滚珠丝杠副的行程变动量作了要求，如有效行程内行程变动量、任意300mm行程内行程变动量、2弧度内行程变动量。其目的就是要控制滚珠丝杠副行程误差的直线性，也即滚珠丝杠副行程误差线性化。为数控误差补偿创造条件。4.3.5 滚珠丝杠副性能随着科学技术的不断发展，人们对滚珠丝杠副的要求也越来越高，为了使机械产品能实现高的定位精度且能平稳运行，这就要求滚珠丝杠副不但有高的精度，而且运转平稳，无阻滞现象。滚珠丝杠副运转是否平稳，主要取决于滚珠丝杠副预紧转矩的变动量，不同转速下滚珠丝杠副的滚珠链运动的流畅性不同，因此，滚珠丝杠副的预紧转矩也不相同。国际标准ISO340831992以及部颁标准JB3162.292规定了在转速为100r/min时，滚珠丝杠副预紧转矩的允差。由于存在加工误差，如：滚珠丝杠中径尺寸全长不一致，丝杠、螺母的导程误差，丝杠与螺母的滚道齿形误差以及螺纹滚道的粗糙度等，使滚珠丝杠副的动态预紧转矩在丝杠螺纹全长上是不恒定的，这直接影响驱动系统的平稳性，因而也影响滚珠丝杠副的定位精度。因此，滚珠丝杠副预紧转矩变动量的大小是反映滚珠丝杠副性能好坏的重要指标。近几年来，人们对滚珠丝杠副的预紧转矩变动量的大小开始重视起来，以前人们只重视滚珠丝杠副综合行程误差曲线，现在也开始重视滚珠丝杠副预紧转矩的曲线。因为有了这两条曲线，滚珠丝杠副的性能就能很好地反映出来。为了满足上述要求，北京机床研究所先后研制了滚珠丝杠副综合行程误差测量仪和预紧转矩测量仪。应用现代化的测量手段和高精度的传感器，在测量过程中能实时显示行程误差曲线和预紧转矩曲线，并打印出完整的测量报告，为衡量滚珠丝杠副的总成质量，提供了可靠的检测手段。随着数控机床的发展，“高速、高效”成为各厂家追求的目标，对于高速驱动与定位部件，国外已有直线电动机问世，开始用于加工中心，快速进给速度达到160m/min以上，加速度达4g以上，向滚珠丝杠副提出严峻的挑战。但由于直线电动机存在价格昂贵、控制系统复杂、需采取措施解决磁铁吸引金属切屑、强磁对人身危害以及发热等缺点，在近一段时间很难得到普及。滚珠丝杠副仍是现在高速驱动的最优先选择，国外大部分高速加工中心仍使用滚珠丝杠副。为了达到高速驱动目的，设计时在提高电动机转速(电动机最高转速可达4000r/min)的同时，使用大导程滚珠丝杠副，导程可达32mm。如日本马扎克公司在FF660机床上使用滚珠丝杠副，机床快速移动速度达90m/min，加速度达1.5g。 滚珠丝杠副在高速驱动时主要存在的问题是：噪声、温升、精度。滚珠丝杠副噪声产生的原因主要有：滚珠在循环回路中的流畅性、滚珠之间的碰撞、滚道的粗糙度、丝杠的弯曲等。滚珠丝杠副的温升主要是由滚珠与丝杠、螺母、反向器之间的摩擦及滚珠之间的摩擦产生的。要解决上述问题首先应从滚珠丝杠副的结构设计开始，对存在的问题采取措施；另一方面，从工艺上解决，通过合理的工艺流程，提高产品的内在质量；选取适当的滚珠丝杠副预紧转矩；减小滚珠丝杠副的预紧转矩的变动量，使滚珠丝杠副适应高速驱动的要求。世界主要滚珠丝杠生产制造商：日本黑田精工(KURODA)滚珠丝杠，日本THK滚珠丝杠、台湾上银HIWIN滚珠丝杠、台湾ABBA滚珠丝杠、韩国SBC滚珠丝杠、日本NSK滚珠丝杠等。4.3.6 导轨副设计与计算根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.04.0(一般运行状况)，4.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：因系统受中等冲击,因此取根据计算额定静载荷初选导轨:选择汉机江机床厂HJG-D系列滚动直线导轨,其型号为:HJG-D25基本参数如下:额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重量导轨重量导轨长度动载荷静载荷L(mm)17500260001981982880.604.1760滑座个数单向行程长度每分钟往复次数M40.64导轨的额定动载荷N依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作寿命Ln：额定行程长度寿命: 导轨的额定工作时间寿命: 导轨的工作寿命足够.4.3.7滚珠丝杠副设计与计算初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC5860，导程：l0=5mm（1） 强度计算丝杠轴向力：(N)其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.0030005；在车床车削外圆时：Fx=(0.10.6)Fz，Fy=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。取f=0.004,则:寿命值：，其中丝杠转速(r/min)最大动载荷：式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.21.5；fH为硬度系数，HRC58时为1.0。查表得中等冲击时则:根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为: CM系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。其基本参数如下:其额定动载荷为14205N 足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式.滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表名称计算公式结果公称直径20mm螺距mm接触角钢球直径4.175mm螺纹滚道法向半径1.651mm偏心距0.04489mm螺纹升角螺杆外径19.365mm螺杆内径16.788mm螺杆接触直径17.755mm螺母螺纹外径24.212mm螺母内径（外循环）20.7mm（2） 传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为：式中：=10，为摩擦角；为丝杠螺旋升角。（3） 稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。（4） 刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：(cm)Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差为E级精度丝杠允许的螺距误差 =15m/m。4.3.8 棘轮机构设计在许多机器中，除广泛采用常用机构外，还经常用到其他类型的一些机构，如各类间歇运动机构。本次设计中选用棘轮机构来实现丝杠的间歇运动实现进给。棘轮机构的设计： 棘轮机构的结构简单、制造方便、运动可靠；而且棘轮轴每次转过角度的大小可以在较大的范围内调节，这些都是它的优点。棘轮机构常用于各种设备中，以实现进给、转位或分度的功能。本课题中，选择棘轮机构，来使得丝杠做间歇转动，从而实现横向间歇进给。通过改变棘轮每次转过的角度的大小，可以改变丝杠转动的速度，从而改变进给量。棘轮机构的设计要点：在设计棘轮机构时，为了保证棘轮机构工作的可靠性，在工作行程，棘爪应能顺利地滑入齿底。即棘齿的切斜角应大于摩擦角。本次设计的棘轮零件图，如图3-4 所示： 图 3-4