数控铣床X-Y工作台设计
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湖北工业大学 1 设计题目: 800×200(工作台工作面积 长×宽 mm) 经济型数控铣床x-y工作台设计。
表1-1 数控x-y工作台设计参数
规格 工作台行程(mm) 工作台、夹具及工件重力(N) 工作台快移速度(m/min) 最大进给速度(m/min) 走刀方向最大切削分力/垂向最大切削分力x,y向相同 启动加速时间ms 定位精度mm
x纵向 y纵向 x纵向 y纵向 x纵向 y纵向 x纵向 y纵向 800×200 600 160 2500 4000 18 18 0.6 0.6 1500/1000 30 +0.01 -0.01 湖北工业大学
2 设计计算
1.1确定脉冲当量
纵向:0.01mm/步 横向:0.01mm/步 2.1 计算切削分力
根据《数控技术课程设计》表2-1可得工作台纵向切削力F1,横向切削力Fc
和垂向切削力Fv分别为:
F1=1500N Fc=1500N FZ =1000N
2.2 导轨摩擦力的计算 (1)按《数控技术课程设计》公式计算在切削状态下的导轨摩擦FZ。此时导轨动摩擦系数μ=0.01 X纵向:Fμ=μ(W+Fg+Fc+Fv) =0.011000150002500 = 50N Y横向:Fμ=μ(W+Fg+Fc+Fv) =0.01 1000150004000 = 65 N
(2)按《数控技术课程设计》公式计算在不切削状态下的导轨摩擦力F0μ和导轨静摩擦力F0 X纵向: F0μ=μ(W+Fg)=0.01×(2500+0)N=25N F0=μ0(W+Fg)=0.01×(2500+0)N= 25 N 湖北工业大学 3 Y横向: F0μ=μ(W+Fg)=0.01×(4000+0)N = 40 N F0=μ0(W+Fg)=0.01×(400+0)N=40 N 2.3 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 (1)按《数控技术课程设计》公式计算最大轴向负载为 X纵向: Famax=F1+Fμ=(1500+50)N=1550N Y横向: Famax=F1+Fμ=1500+65N=1565N (2)按《数控技术课程设计》公式计算最小轴向负载力Fmina X纵向:Fmina= F0μ=25N Y横向:Fmina= F0μ=40N 2.4 滚珠丝杠的动载荷计算和直径估算。 2.4.1 确定滚珠丝杠的导程 根据已知条件,取电动机最高转速为nmax=1800r/min,则由式2-16得
L0= maxmaxinv=1800118000 =10mm 2.4.2 计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷
表2-1 数控铣床滚珠丝杠的计算 切削方式 轴向载荷/N 进给速度r/min 时间比例/(%) 备注
一般切削 X:1550 Y:1565 2v=0.6 80 1
F=axamF
快移和钻镗定位 X:25 Y:40 4v=18 20 2
F=minaF
(2)计算滚珠丝杠螺母副在各种切削条件下的转速ni
min/60min/10.106.03011rrLvn
min/1800min/10.10183022rrLvn 湖北工业大学 4 (3)按《数控技术课程设计》公式计算滚珠丝杠螺母副的平均速度mn
mn=
nnnqnqnqnq100100100100332211
min/408min/)36048(min/)1800100206010080(rrr
(4)按《数控技术课程设计》公式计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷Fm
X纵向:
Fm=3322321131100100100nmnnmmqnnFqnnFqnnF
=3331002040818002510080408601550 = 759 N
Y横向: Fm=3322321131100100100nmnnmmqnnFqnnFqnnF
=3331002040818004010080408601565 = 766.88N 2.4.3 确定滚珠丝杠预期的额定动载荷amC
(1)按预定工作时间估算。查《数控技术课程设计》2-28表得载荷系数wf=1.3.已知初步选择的滚珠丝杠的精度为1级,查《数控技术课程设计》2-29表得精度系数af=1,查《数控技术课程设计》2-30表得可靠性系数cf=0.44,则由《数控技术课程设计》公式2-19得 X纵向:
amC=cawmhmfffFLn100··603
=144.01003.175920000408603 = 17 674.46N 湖北工业大学 5 Y横向: amC=cawmhmfffFLn100··603
=144.01003.1766.8820000408603 =17 857.96N (2)因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧,所以按公式2-21估算最大轴向载荷。查表2-31得:预加载荷系数ef=4.5,则 X纵向: amC=efmaxaF
=4.5×1550 = 6975 N
Y横向: amC=efmaxaF
=4.5×1565 =7042.5 N
(3)确定滚珠丝杠预期的额定动载荷amC。 取以上两种结果的最大值,即 X纵向:amC= 17 674.46N Y横向: amC=17 857.96N 2.4.4 按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径md2 (1)根据定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。 已知工作台的定位精度为10μm,根据公式以及定位精度的要求得:
max=(1/5~1/4)×10μm=(2~2.5)μm
取上述计算结果的较小值,即max=2.5μm (2)估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径md2。 本机床工作台滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用两端固定方式 滚珠丝杠螺母副的两个固定支撑之间的距离为 L=行程+安全行程+2×余程+螺母长度+支承长度 ≈(1.2~1.4)行程+(25~30)0L 取L=1.4×行程+30 0L X纵向: 0L=(1.4×600+30×10)mm=1140mm 湖北工业大学 6 又∵0F=25N,由公式得,md2≥0.039·max0LF ≥0.0395.2114025 ≥4.16mm Y横向: 0L=(1.4×160+30×10)mm=524mm
又∵0F=40N,由公式得,md2≥0.039·max0LF
≥0.0395.252440 ≥3.57mm
2.4.5 初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 X纵向: 根据计算所得的0L,amC,md2初步选择FF型内循环垫片预紧螺母丝滚珠丝杠螺母副FF 3210-3,其共称直径0d,基本导程0L,额定动载荷aC和丝杠底径2d如下:
0L=10mm,0d=32mm,aC=25700N>amC=17 674.46N
2d=27.3mm>md2=4.16mm
故满足要求。 Y横向: 根据计算所得的0L,amC,md2初步选择FFZD型内循环垫片预紧螺母丝滚珠丝杠螺母副FF 3210-3,其共称直径0d,基本导程0L,额定动载荷aC和丝杠底径2d如下:
0L=10mm,0d=32mm,aC=25700N>amC=17 857.96N
2d=27.3mm>md2=3.57mm
故满足要求 2.4.6 由公式确定滚珠丝杠螺母副的预紧力PF
X纵向:PF=max31aF=31×1550=516.67N 湖北工业大学 7 Y横向:PF=max31aF=31×1565=521.67N 2.4.7.计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值与预拉伸力 (1)按《数控技术课程设计》式2-31计算目标行程补偿值t。 已知温度变化值△t=2℃,丝杠的线膨胀系数α=11×106μm/℃,滚珠丝杠螺母副的有效行程。
uL=工作台行程+安全行程+2×余程+螺母长度
安全行程(mm)=eL=50L X纵向:uL=600+5×10+2×10+74=744mm Y横向: uL=160+5×10+2×10+74=304mm 故:X: t=11×△t×uL×106=11×2×744×106=0.016mm Y: t=11×△t×uL×106=11×2×304×106=0.007mm (2)按公式计算滚珠丝杠的预拉伸力tF。 已知滚珠丝杠螺纹底径2d=27.3mm,滚珠丝杠温升变化值△t=2℃。 则X:tF=1.81×△t×22d=1.81×2×227.3=2697.95N Y:tF=1.81×△t×22d=1.81×2×227.3=2697.95N 2.4.8 确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号 (1)按《数控技术课程设计》公式2-33计算轴承所受的最大轴向载荷maxBF
X纵向:maxBF=tF+max21aF= 2697.95+21×1550=3472.95N Y横向:maxBF=tF+max21aF=2697.95+21×1565=3480.45N (2)计算轴承的预紧力BPF X纵向: BPF=31maxBF=31×3472.95=1157.65N
Y横向: BPF=31maxBF=31×3480.45=1160.15N (3)计算轴承的当量轴向载荷 X纵向:BamF=BPF+mF=1157.65+759=1916.65N