車銑復合加工機床W軸進給機構設計【說明書+CAD】

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南京工程學院 工 業(yè) 中 心 本科畢業(yè)設計（論文）開題報告 題目：車銑復合加工機床W軸進給 機構設計 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： D機加工122 學 號：231120412 學生姓名： 耿成超 指導教師： 劉桂芝、卞榮 2016年 3月 11 日 本科畢業(yè)設計(論文)開題報告 學生姓名 耿成超 學 號 231120412 專 業(yè) 機械設計制造 及其自動化 指導教師姓名 劉桂芝、卞榮 職 稱 研究員級高級工程師、講師 所在院系 工業(yè)中心 課題來源 D、自擬課題 課題性質 A、工程設計 課題名稱 車銑復合加工機床W軸進給機構設計 畢業(yè)設計 內容和意義? 采用比較法，文獻分析法對車銑復合加工機床W軸進給機構課題進行分析與研究，畢業(yè)設計的具體內容：主要零件包括:副主軸本體安裝板、滾珠絲杠(W)副、軸承座、軸承、隔套、鎖緊螺母、聯軸器、聯接漲套、法蘭、限位擋塊等。 1、機械制圖 CAD繪制數控可編程尾架傳動機構設計裝配圖0號圖 1張，繪制其它零件CAD圖紙，CAD圖紙折合0號1.5張。 2、設計計算 傳動機構慣量匹配的計算，傳動機構進給力的計算。 3、技術經濟分析 各零件成本分析，課題成本計算。 本課題研究的意義： 1、車銑復合加工機床的意義：通過一次裝夾零件完成多種加工工序，縮短了加工時間，提高了加工精度，因而受到用戶的歡迎。數控車銑復合機床是復合加工機床的一種主要機型，通常是在數控車床上實現平面銑削、鉆孔攻絲、銑槽等銑削加工工序，具有車削以及鏜削等復合功能，能夠實現一次裝夾、全部完工的加工理念。 2、W軸進給機構的意義：車銑復合加工機床實現第二主軸軸向的運動執(zhí)行機構。該驅動伺服進給系統不僅要實現機床第二主軸的軸向進給，還要實現進給運動的速度自動控制，保證機床第二主軸的準確定位。 3、通過分析與研究使自己了解到W軸進給機構的重要性，W軸進給軸作為第二主軸的進給機構對于整個進給系統來講，是不可缺少的一個組成部分。 4、通過本次課題設計，提高了我的分析問題、解決問題的能力，在自己所研究的課題上有了較為深入的了解，對我自己四年專業(yè)學習是一個很大的提高。 英文期刊文章引用：作者. 題名. 期刊名, 出版年份，期號：起止頁碼 文獻綜述 數控機床的發(fā)展背景與趨勢： 現狀：我國數控機床的研制工作起步比較晚，于1958年由清華大學和北京第一機床廠合作研制了我國第一臺數控銑床，并于1958年開始試制成功第一臺電子管數控機床。1965 年開始研制晶體管數控系統，直到20 世紀60年代末至70年代初成功研制。從1980年起，我國加大改革開放的力度，先后從日、德、美、西班牙等西方國家引進CNC系統，對各種機、電、液、氣等基礎原件進行合作生產，極大地提高了產品的質量[1]?？傮w來說，從1958年研制出第一臺數控機床到現在，我國數控機床的發(fā)展大體可以分為三個階段：1958至1979年為第一階段，在這一階段內我國受到西方國家的封鎖和國內環(huán)境的影響，數控機床的發(fā)展采用的是封閉式摸索前進，數控機床的一些關鍵技術，如電、氣、液等核心技術達不到可靠性要求，故障常出；1980年至1995年為第二階段，我國提出了改革開放的政策，積極引進國外的先進數控技術，利用國外的先進產品配置和技術，期間我國的數控機床取得了長足的發(fā)展，逐漸縮小與國外先進國家的差距，但總體來說，這個階段屬于我國的仿制時期，自主研發(fā)的產品占少數；1996年至今為第三階段，我國實施產業(yè)化的戰(zhàn)略，控機床進入自主研發(fā)的時期，數控機床的產值比重也逐漸增大，數控機床無論從數量上還是在質量上都取得了較大的進步，某些核心的關鍵技術已經接近或者領先于世界水平[2]。 趨勢：20世紀90年代開始，我國數控機床系統完成了16位機向32機位轉變，伺服驅動從直流向交流全數字式轉化，系統體系結構從封閉向開放轉變，控制系統由專用計算機向通用計算機轉變，加快了數控機床技術前進的步伐，具體來說數控機床會朝著高速化、精密與超精密化、開放化、技術集成化與技術復合化、智能化幾個方向發(fā)展[3]。 本課題主要研究車銑復合加工機床W軸進給機構設計，進給系統的精度、靈敏度、穩(wěn)定性直接影響數控機床的定位和輪廓加工精度。從車銑復合加工機床的進給系統是由復合加工機床的C軸、拖板部件的X/Z兩軸驅動機構及第二主軸軸向進給W軸驅動機構組成，是車銑復合加工機床實現第二主軸軸向的運動執(zhí)行機構。該驅動伺服進給系統不僅要實現機床第二主軸的軸向進給，還要實現進給運動的速度自動控制，保證機床第二主軸的準確定位。從系統控制的角度看，決定進給系統性能的主要因素有系統的剛度、慣量、精度和動特性等[4]。傳動系統的剛度和慣量，直接影響到進給系統的切削能力和加減速性能；穩(wěn)定性和靈敏度；傳動部件的精度與系統的動態(tài)特性，決定了機床的輪廓加工和定位精度，在閉環(huán)控制系統中還影響系統的穩(wěn)定性。 英文期刊文章引用：作者. 題名. 期刊名, 出版年份，期號：起止頁碼 文獻綜述 剛度： 提高絲杠的剛度勢必可以提高系統的加工精度、穩(wěn)定性和加速性，當驅動電動機的加減速轉矩不變時，進給系統的慣量直接決定了系統的加速度；滾珠絲杠由于具有傳動效率高、磨損小、運動平穩(wěn)等特點，在機床中得到了廣泛的應用[5]。滾珠絲杠作為數控機床進給系統的重要元件，其性能直接影響了進給系統的定位精度。滾珠絲杠的剛度是造成進給系統失動的重要因素，因此需要對滾珠絲杠進行剛度分析，以獲得最大失動量，為進給系統的機構設計和定位精度提高提供依據。 慣量： 當驅動電動機的加減速轉矩不變時，進給系統的慣量直接決定了系統的加速度。數控機床是一種高效加工設備，它對進給系統的快速性要求較高，特別對于高速加工機床，為了在有限的行程內，使得運動軸達到每分鐘數十米、甚至上百米的高速，進給系統的加減速需要達到或超過1g（9.8m/s2），因此，在滿足系統剛度的前提下，其傳動部件應盡可能減輕重量、縮小直徑，以降低慣量、加高快速性。 間隙： 傳動部件的間隙會影響系統的系統的定位精度，因此必須采取有效措施以消除傳動系統的間隙。滾珠絲杠螺母副和支承軸承的預緊是消除傳動系統間隙的常用措施，大部分傳動部件的消隙措施都會增加系統的摩擦阻力、引發(fā)發(fā)熱、甚至影響傳動部件的使用壽命[6]。 摩擦： 進給系統的摩擦阻力不但會降低傳動效率、導致發(fā)熱；且還直接影響系統快速性。此外，由于動、靜摩擦系數的變化，可能會導致傳動部件的彈性變形而產生非線性的摩擦死區(qū)，從而影響系統的加工、定位精度，甚至引起低速爬行和動態(tài)不穩(wěn)定[7]。 通過對進給系統中出現的幾個問題進行分析與探討，并提出如下解決方法： 1、提高滾珠絲杠進給系統機械剛度的措施： 滾珠絲杠副的傳動剛度與滾珠絲杠副的結構和軸承的結構及布置、預緊力大小有關。因此，要提高滾珠絲杠進給系統的剛度主要從以下方面著手： （1）當減小滾珠直徑 ； （2）適當加大螺旋升角； （3）施加合適的預緊力； （4）改進滾珠循環(huán)； （5）進一步提高滾珠絲杠螺母副的加工精度； （6）從根本上改進機床進給系統的結構，合理布置支承形式，采用新型結構設計機床[8]。 文獻綜述 2、減小慣量對進給系統的影響： 數控機床是以在自動加工中實現精確的運動精度和高性能穩(wěn)定性為其主要特征的，進給傳動系統的慣量，直接影響其固有頻率，從而影響到系統穩(wěn)定性。慣量越小，剛度越大，則固有頻率越高，所以應選擇較小的慣量[9]。實踐和經驗表明，在當今數控機床進給系統設計中，對于提高固有頻率、滿足穩(wěn)定性要求環(huán)節(jié)，主要是采取以下的方式： （1）通過慣量匹配和加速度校核環(huán)節(jié)，確保較小的機械傳動慣量，從而保證進給傳動系統具有較大的固有頻率。 （2）不再采用低固有頻率的傳動機構，而普遍采用高剛性、低摩擦系數的傳動機構。 （3）當今數控機床伺服系統，已普遍采用數字交流伺服形式，性能有了大幅度提高，一般系統本身設有自動測試共振點的功能，并設置有多個對應不同頻率的抑制共振的濾波器，通過電氣調節(jié)，消除共振[10]。 3、減小間隙的措施： 采用滾珠絲杠螺母副和支承螺母的預緊等方式。 4、減小摩擦的措施： 需要配套減少對部件之間的摩擦有助于提高系統的傳動精度和定位精度，進給系統部件必須有良好的防護措施，以避免灰塵或切屑、冷卻液的進入。 總結： 一個良好的進給系統需滿足剛度高、小慣量、無間隙、低摩擦等要素，剛度高會提高系統的加工精度、穩(wěn)定性和快速性；小的慣量減小系統的加速度，提高進給系統的加速精度；消除間隙會提高進給系統的定位精度和動態(tài)穩(wěn)定性；部件之間的潤滑可減少系統摩擦阻力，提高運動精度，避免低速爬行。 文獻總素 參考文獻： [1]廖朝洋,董大華.CKD6183數控車銑復合機床的設計.數控技術與應用[A].2011 [2]吳南星，胡如夫，孫慶鴻．數控車床絲杠進給系統剛度對定位精度的影響［Ｊ］．中國工程科學，２００４，９６（９）：４６－４８． [3] 徐灝主編.機械設計手冊 .北京：機械工業(yè)出版社 1992.1 [4]機床設計手冊編寫組主編 .機床設計手冊.第三卷部件機構及總體設計 [5]龔仲華.現代數控機床設計典例.機械工業(yè)出版社，2014.2：50-51 [6]吳南星，胡如夫，孫慶鴻．數控車床絲杠進給系統剛度對定位精度的影響[J]．中國工程科學，2004，6(9)：46—49． [7]黃祖堯．精密滾珠絲杠副實現高速化的前景[J]．制造技術與機床，2001(3)：5—7． [8]張伯霖，黃曉明，范夢吾．高速數控機床三種進給系統的分析與評價[J]．產品與技術，2003，2(4)：88—92． [9]黃祖堯．精密高速滾珠絲杠副的最新發(fā)展及其應用[J]．航空制造技術，2003(4)：36—40． [10]張政潑.數控機床進給傳動系統的慣量分析和校核[A].裝備制造技術，2010:37-38. 研究內容 解決車銑復合加工機床W軸進給機構存在的問題： 在剛度方面：如果進給傳動部件的剛度不足，必將會產生彈性變形，影響系統的加工精度、穩(wěn)定性和快速性。 在慣量方面：車銑復合加工機床是一種高效的加工設備，它對進給系統的快速性要求較高，特別對于高速加工機床，為了在有效的行程內，使得運動軸達到每分鐘數十米、甚至上百米的高速，進給系統的加減速需要達到要求。 在間隙方面：它直接影響系統的定位精度，而且還影響系統的動態(tài)穩(wěn)定性，因此，必須采取有效的措施以消除進給系統的間隙。 在摩擦方面：摩擦阻力不但會降低傳動效率、導致發(fā)熱；而且還直接影響系統快速性。 研究計劃 研究周期與時間安排 第1周 (2.22-2.26) 收集資料，學習有關書籍文獻，參觀工廠，搜集設計過程 中所要遵照的有關國家標準并進行學習 第2周 (2.29-3.04) 提出完成課題的基本思路和方法， 完成該課題所采用的技 路線、方案，要設計和完成的任務 第3周 (3.07-3.11） 完成開題報告及外文材料翻譯 第4周 (3.14-3.18) 完成裝配圖草圖設計，繪制進給系統運動簡圖 第5周 (3.21-3.25) 完成傳動機構慣量匹配的計算、完成傳動機構進給力的計算 第6周 (3.28-4.01) 完成裝配圖設計 第7周 (4.04-4.08） 設計畢業(yè)設計中期檢查 第8周 (4.11-4.15） 進行零件圖計算機繪圖 第9周 (4.18-4.22） 完成零件圖計算機繪圖 第10周 (4.25-4.29） 完成各零件及課題成本分析，完成各零件成本及課題成本 計算 第11周 (5.02-5.06) 遞交論文初稿 第12周 (5.09-5.13) 修改論文并定稿 第13周 (5.16-5.20) 論文評審及答辯資格確定 第14周（5.23-5.30）答辯 第15周 (5.30-6.03) 畢業(yè)設計（論文）答辯 第16周（6.06-6.10） 整理資料存檔 特色與創(chuàng)新 本文的特色與創(chuàng)新如下： 1、 進給傳動系統加大絲杠的直徑，對絲杠進行預拉伸，對絲杠螺母副、支承部件進行預緊，以提高剛度并消除間隙。 2、 經過慣量匹配計算，來降低慣量，提高了進給系統的快速響應性。 3、 由于滾動滾珠絲杠、軸承、導軌，良好的潤滑使本課題具有良好定位精度和高靈敏度。 指導教師 意 見 指導教師簽名： 2016年 月 日 分中心意見 中心意見 分中心主任簽名： 年 月 日 教學主任簽名： 年 月 日 南京工程學院 工 業(yè) 中 心 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 題 目： 車銑復合加工機床W軸進給機構 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： D機加工122 學 號： 231120412 學生姓名： 耿成超 指導教師：卞榮/劉桂芝（講師/教授級高工） 起迄日期： 2016.02.22--2016.06.03 設計地點： 工程實踐中心5號樓 畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要 摘要： 本課題是對車銑復合加工機床W軸進給機構設計，分析剛度、慣量、間隙、摩擦對進給系統的影響。通過采用比較法、文獻分析法對車銑復合加工機床W軸進給機構進行研究設計，以交流伺服電動機為動力源，通過直接剛性聯軸器使?jié)L珠絲杠和電機連接在一起，使用漲套消除間隙，通過漲套的軸向移動和徑向膨脹來傳遞運動和動力。采用背對背和串聯的角接觸球軸承來固定滾珠絲杠，滾珠絲杠的支撐方式兩端采用雙推的方式，并且使用墊板防止兩端軸承的中心高不一致，采用直線滾動導軌，使機構具有更高定位精度和高靈敏度，并對此次W軸進給機構零部件進行了經濟成本分析。 關鍵詞：數控機床 車銑 進給系統 W軸 結構設計 畢業(yè)設計說明書（論文）外文摘要 Title Lathe-milling machine tool X-axis feed mechanism Abstract This topic is of milling machine tool W-axis feed mechanism design, analysis, rigidity, inertia, backlash, friction influence on the feed system. By using the comparative method, document analysis of the milling machine tool W-axis feed mechanism study designed to AC servo motor as the power source, through direct rigid coupling ball screw and motor are connected together, use up the sleeve eliminate the gap, to transmit motion and power rose by axial movement and radial expansion of the sleeve. Back to back and adopt a series of angular contact ball bearings to fix the ball screw, ball screw support both ends of the double way push mode, and use the pad to prevent the bearings at both ends of the center high-inconsistent, using linear rolling guide, making mechanism has higher positioning accuracy and high sensitivity, and the W-axis feed mechanism components were economic cost analysis. Keywords CNC machine tools; Milling;Feeding System;W axis;Structural Design II 南京工程學院工業(yè)中心畢業(yè)設計說明書（論文） 目錄 前 言 1 第一章 緒 論 2 1.1 車銑復合加工機床的發(fā)展 2 1.1.1車銑復合加工技術概述 3 1.1.2車銑復合加工的發(fā)展趨勢 4 1.1.3車銑復合加工機床的優(yōu)勢 4 1.2 本次課題設計的內容 5 1.3 本次設計內容的分析方法 5 第二章 進給系統的總體設計 6 2.1 W軸進給系統的設計要求 6 2.2 W軸進給系統傳動方案的選擇與設計 6 2.2.1 W軸進給傳動方案的設計與布局 6 2.2.2 傳動類型的選擇 7 2.2.3 軸承的選擇 8 2.2.4 軸承的配置方式 9 2.2.5 軸承的潤滑與密封 12 2.2.6 軸承端蓋的設計 15 2.2.7 電機與滾珠絲杠副聯接方式的選擇 17 2.2.8 W軸進給傳動導軌類型的選擇 20 第三章 車銑復合機床W軸進給系統的結構設計與計算 22 3.1 伺服電動機型號的確定 22 3.2 W軸進給力的計算 23 3.3 W軸慣量匹配的計算 23 第四章 車銑復合機床W軸滾珠絲杠副的選型及校核 25 4.1 滾珠絲杠副工作原理 25 4.1.1 滾珠絲杠副的選型 25 4.1.2 滾珠絲杠副的間隙消除與預緊 26 4.2 W軸滾珠絲杠預拉伸量的計算 28 4.3 滾珠絲杠副的潤滑與密封 28 第5章 技術經濟分析 31 5.1 技術經濟分析的目的與意義 31 5.2 成本計算依據 31 5.3 成本材料構成 32 5.3.1 標準件外購費用 32 5.3.2 非標準件 33 總 結 34 致 謝 35 - IV - 前 言 車銑復合技術是在傳統機械與精密制造兩者的基礎上，融入了先進控制技術、精密測量技術與CAD/CAM應用技術，是在九十年代之后逐步發(fā)展起來的先進機械加工技術。車銑復合機床作為世界范圍內最先進的機械加工設備之一，現已成為各類加工機床之中的佼佼者，集銑削與車削于一身，可在一臺車銑復合加工機床上，只通過一次裝夾，便可完成全部車、銑、鉆、鏜、攻絲等多種加工，大大節(jié)省了非加工時間，提高加工效率。 本課題主要研究設計車銑復合機床W軸進給機構，W軸進給機構作為第二主軸軸向的運動執(zhí)行機構，該機構不僅要實現機床第二主軸的軸向進給，還要實現進給運動的速度自動控制，保證機床第二主軸的準確定位。通過分析與研究使自己了解到W軸進給機構的重要性，W軸進給軸作為第二主軸的進給機構對于整個進給系統來講，是不可缺少的一個組成部分。 設計W軸進給機構的傳動方案，綜合各方面因素，考慮采用滾珠絲杠進行傳動，分析軸承潤滑與密封對絲杠的影響，減小由摩擦引起的溫升對工作造成的故障。分析研究得出兩端固定軸承支承方式和直聯剛性伺服電動機與滾珠絲杠的連接方式對W軸的定位精度和加工精度影響較小，計算進給力和慣量匹配避免過大的負載對W軸進給機構造成故障。 由于時間和經驗等方面的因素，在本次設計中難有不當之處，敬請糾正。 第一章 緒 論 1.1 車銑復合加工機床的發(fā)展 我國數控機床的研制工作起步相對較晚，目前來說，數控機床發(fā)展歷程大致可以分為以下三個階段： 1958至1979年為第一階段，我國于1958年在清華大學和北京第一機床廠共同努力下，聯合研制成功了中國第一臺數控銑床，并于同年試制成功第一臺電子管數控機床[1]。從1965年開始，我國集合各方面的科技人才開始大力研制晶體管數控系統，終于在1960末期至19070初成功研制出第一臺晶體管數控系統。由于當時國內環(huán)境相對落后，西方國家對我國數控技術的封鎖，我國數控的研究工作迎來了巨大的挑戰(zhàn)，由于尚未掌握技術與參數，只能采取著封閉式摸索著前進。在數控機床的一些關鍵技術上仍然依靠著發(fā)達國家的支持，列如電、氣、液等核心技術，由于早期發(fā)展技術相對不太成熟，整個發(fā)展過程都處于初級階段，很大程度上要西方發(fā)達國家學習借鑒，遠遠達不到可靠性要求，因此故障頻出，大大影響了加工制造水平。 1980年至1995年為第二階段，鄧小平同志提出了改革開放的政策，國內響應號召，大力發(fā)展重工業(yè)，西方發(fā)達國家的先進數控技術迅速被我國引進，或通過購買實驗樣機，進行拆卸之后分析內部構造，大量科研前輩學習了國外的先進產品開發(fā)技術、操作技術與維修技術等，以提高我國本土的數控技術水平。從八十年代后，我國先后從日本、德國、美國、西班牙等西方發(fā)達國家引進先進的數控系統，合作開放研制生產各種機、電、液、氣等基本零部件，很大程度上提高了產品的整體質量，與之前的相比有了一個質的變化[2]。我國的數控機床在這一段時間內取得了長足的進步，國內一批機床生產廠家看到機床廣闊的發(fā)展前景，加強了與西方國家廠家的技術合作，數控機床的勢頭發(fā)展迅猛，努力縮短與國外先進國家的差距。但令人遺憾的是，我國數控機床技術在這一階段，借鑒與仿制仍占很大比重，依靠自主研發(fā)與自主生產的數控機床占相對少數一部分。 1996年至今為第三階段，我國工業(yè)化戰(zhàn)略全面打響，只有大力發(fā)展科技方可興國，數控機床技術進入自主研發(fā)的時期，國家的科學和技術正全面加速發(fā)展，科研技術人員的增加和科研資金的大量投入是我國數控機床水平得到了顯著的提高，數控機床的產值比重也逐漸增大，我國數控機床在數量上得到很大的增大，在質量方面更是取得了較大的進步，相對于發(fā)展早期，現在整個行業(yè)的良性競爭非常激烈，進步的腳步也正在加快，特別是在某些核心的關鍵技術上，我國的數控機床水平已經接近或者領先于世界水平，成為行業(yè)旗幟，離不開我國一代數控人的努力。 科學技術的發(fā)展離不開我們當代每一位科研人員的努力，正因為有你們不畏艱險的付出，我國的數控機床技術與國外發(fā)達國家的距離越來越短。 1.1.1車銑復合加工技術概述 車銑復合加工技術：是一種將現代先進控制技術、精密測量技術和CAD/CAM應用技術于三者集一體的先進機械加工技術，經過一次裝夾之后，可對零件多個表面或復雜形面加工,便可減少裝夾次數，很大程度上簡化刀具系統的復雜性，縮短非生產時間，提高生產效率。車銑復合加工技術不僅能夠在綠色節(jié)能減排的前提下，減少零件傳送和庫存與占地面積等方面的需求，同時也可保證較高的加工生產效率，以達到可持續(xù)發(fā)展的目的，并且具有較強的加工能力和較廣的工藝范圍，已然成為目前全球范圍內最為先進的機械加工設備之一。列如：在航空航天、軍工產業(yè)、遠洋船舶和醫(yī)療設備等制造領域的發(fā)展，車銑復合加工技術都在先進制造技術的舞臺上扮演著十分重要角色之一，特別對一些形狀復雜的異形零件更具有得天獨厚的優(yōu)勢。目前隨著航空航天、軍工、船舶等領域的產品更新換代速度愈加迅猛，工序分散的加工設備勢必將會被淘汰，工序集中優(yōu)勢由此更加凸顯，車銑復合加工機床將會迎來更為廣闊的發(fā)展的發(fā)展前景，應用方向也更為寬泛。舉例，車銑復合加工機床如圖1-1所示： 圖1-1車銑復合加工機床 1.1.2車銑復合加工的發(fā)展趨勢 隨我國國民經濟的迅猛發(fā)展，國防建設對數控機床技術也提出了較高的要求，因此我國的高端數控機床產生了較大的剛性需求，發(fā)展數控機床刻不容緩。經過科研前輩的艱難探索實踐，研究國外的先進技術并加以大力創(chuàng)新，我國數控機床產業(yè)終于在科研工作者的努力下取得了較大的成就。一些機床生產廠家在研究車銑復合加工機床方面取得了很大的突破，尤其是沈陽機床廠更是打破了外國對我國的核心技術的封鎖，取得了質的突破。但是，國內與國外相比，在數控機床總體制造技術差距仍然較為明顯，核心競爭力較弱，尤其是在進給速度、主軸轉速、加工精度等方面有著大約15年的差距?？偟膩碚f，數控機床會朝著高速化、精密與超精密化、開放化、技術集成化與技術復合化、智能化等方向，大型化和微小化兩個極端發(fā)展，機床配套裝置和功能也日益完善。 1.1.3車銑復合加工機床的優(yōu)勢 1、合理選擇產品制造工藝，縮短工藝鏈，提高生產效率。車銑復合加工可在刀庫中安裝各種專用工具和合理的刀具安排,大大縮短刀具更換時間,實現一次裝夾完成全部或者大部分加工工序，已提高加工效率，最大程度上增加客戶效益。 2、減少裝夾次數，從而提高機床的加工精度。過多的裝夾次數會產生定位基準轉化的誤差積累，易生產出不合格的零部件，增加了非加工時間。 3、減少占用空間，大大地降低了生產成本。車銑復合加工機床具有緊湊的外觀設計,能夠充分合理利用空間,機床在發(fā)生故障之后，保養(yǎng)維護修理較為方便。 1.2 本次課題設計的內容 1、W軸進給機構在車銑復合加工機床中，是第二主軸軸向的運動執(zhí)行機構。該驅動伺服進給系統不僅要實現機床第二主軸的軸向進給，還要實現進給運動的速度自動控制，保證機床第二主軸的準確定位。 2、通過分析與研究使自己了解到W軸進給機構的重要性，W軸進給軸作為第二主軸的進給機構對于整個進給系統來講，是不可缺少的一個組成部分。 3、了解滾珠絲杠副傳動的工作原理，減小慣量，提高進給機構的定位精度，研究軸承和滾珠絲杠摩擦發(fā)熱對機構的影響，考慮伺服電動機與滾珠絲杠的連接方式，計算進給力和滾珠絲杠的慣量匹配。 1.3 本次設計內容的分析方法 采用比較法，文獻分析法對車銑復合加工機床W軸進給機構課題進行分析與研究。在設計過程中，我一直與設計小組成員積極探討機構結構組成，相互學習，分析工作原理，選擇更為合理的傳動方式，上網查閱專業(yè)期刊、文獻保證以本次設計的內容的準確性。 第二章 進給系統的總體設計 2.1 W軸進給系統的設計要求 車銑復合機床在進給系統中位置調節(jié)提出了較高的要求，其中： 1、在靜態(tài)設計方面： 1）能夠克服摩擦力和負載，能夠在負載較大的工作場合中正常運轉； 2）較小的進給位移量，保證加工精度； 3）較高的靜態(tài)扭轉剛度； 4）足夠的調速范圍，滿足快進、工進和快退時的速度需要；? 5）進給速度均勻，工作平穩(wěn)，無低速爬行現象。? 2、在動態(tài)設計方面： 1）足夠的加速度和制動力矩，保證快速啟動與制動； 2）良好的動態(tài)傳遞性能，保證軌跡精度和較高的表面質量； 3）盡可能小的軌跡誤差，保證較高的加工精度； 3、對于數控機床機械中的傳動部件，則有如下要求： 1）加速過程中，運動部件產生較小的慣量； 2）高的剛度； 3）良好的阻尼； 4）在拉伸和壓縮剛度、扭轉剛度、摩擦阻尼和部件間隙等方面，傳動件應有較小的非線性要求[4]。 2.2 W軸進給系統傳動方案的選擇與設計 2.2.1 W軸進給傳動方案的設計與布局 W軸進給傳動如圖2-1所示： 圖 2-1 進給系統結構簡圖 2.2.2 傳動類型的選擇 在眾多數控機床的進給驅動系統中，使用頻率較高的機械傳動裝置如下： 1、 滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠螺母副傳動：減小運動件之間的摩擦以提高進給系統的快速響應性和運動精度。滾珠絲杠副具有較高的傳動效率，由于滾動摩擦的動靜摩擦系數相差較小，因此低速不易爬行，可以保證平穩(wěn)的高速運轉。為了提高滾珠絲杠的軸向剛度，并且機床具有較高的定位精度和加工精度，在機床加工零件之前，必須消除絲杠螺母的軸向間隙，使之無反向空行程，因此采用適當預緊方式來消除軸向間隙。 2、 靜壓蝸桿-蝸母條 靜壓蝸桿-蝸母條傳動：在蝸桿與蝸母條的嚙合齒面之間注入適量的壓力油，形成一層油膜之后，兩嚙合面產生了足夠的液體摩擦，由此達到減小摩擦阻力的目的。主要適用于重型數控機床。列如：龍門式銑床的工作臺進給驅動。 3、 預加載荷雙齒輪-齒條 雙齒輪-齒條傳動：大型數控機床因行程尺寸較大，為保證傳動精度，可考慮采用齒輪-齒條傳動，并且在使用過程中必須消除齒側間隙。消除間隙方式：采取兩個齒輪與齒條嚙合，使用特定預加載機構使兩齒輪以相反方向預轉過微小的角度，使每個齒輪與齒條的兩側齒面貼緊，以達到消除間隙的目的。 4、 雙導程蝸桿 雙導程蝸桿傳動：這種傳動方式應有較高的制造精度和裝配精度，由于渦輪與蝸桿之間存在間隙，還必須采取一定的措施，以消除蝸輪與蝸桿副之間的傳動間隙，通常的方法是雙導程蝸桿傳動。適用于追求較高生產率的場合。 將以上各種進給傳動方式的優(yōu)缺點進行對比，綜合各類因素考慮，在進給傳動中，滾珠絲杠傳動具有傳動精度高，具備快速響應能力和較高的傳動效率。因此我在W軸的進給傳動系統中，選擇滾珠絲杠螺母副傳動作為本機床進給系統的傳動方式。 2.2.3 軸承的選擇 各種不同類型的工作場合應選用不同的軸承，在選擇軸承類型時，就需充分考慮各類軸承的結構特性，且綜合考慮以下各主要因素： 1、載荷情況 在選用軸承時，第一應考慮載荷情況，載荷直接影響著軸承的使用壽命，應根據載荷的大小、方向和性質幾個方面進行初步選擇。 1） 載荷大小 在一般情況下，由于滾子軸承是線接觸，與球軸承相比，整個與軸承的內外圈接觸面積較大，因此承載能力也相對較大，適用于重載的工作場合；而球軸承是點接觸，接觸面積相對較小，所以承載能力也較小，只適用于輕、中載的工作場合。 2）載荷方向 在純徑向力單獨作用時，應考慮選用圓柱滾子軸承、深溝球軸承和滾針軸承等；在純軸向載荷單獨作用時，可考慮選用推力球軸承、推力滾子軸承；在徑向載荷和軸向載荷聯合作用時，通?？紤]選用角接觸球軸承、圓錐滾子軸承[5]。在徑向載荷較大而軸向載荷較小的場合中，可選用深溝球軸承。則在軸向載荷較大，并且徑向載荷較小的工作場合中，可考慮選用推力角接觸球軸承或是推力圓錐滾子軸承。 3）載荷性質 當工作場合中產生沖擊載荷時，應考慮選用滾子軸承。 2、高速性能 一般來講，摩擦力矩和發(fā)熱量兩個因素直接影響著軸承高速性能，保證小的摩擦力矩和發(fā)熱量可提高軸承的高速性能。球軸承比滾子軸承有較高的極限轉速，所以在高速運轉下應優(yōu)先考慮選用球軸承。在相同內徑時，運轉時滾動體作用在外圈上的離心力與外徑、滾動體成正比，在高速重載場合中，必須驗算軸承的極限轉速。 3、軸向游動性能 通常機械工作運轉時，軸會由于摩擦和工作介質而引起發(fā)熱，從而會發(fā)生熱脹冷縮的情況。軸有軸向游動可避免產生熱脹冷縮影響機械的正常運轉。方法：選用內圈或是外圈無擋邊的圓柱滾子軸承配置在軸的兩端，可產生微量軸向位移并留有熱脹冷縮的空間。 4、調心性能 良好的軸承調心性可避免由制造誤差或安裝誤差所致的同軸性，應考慮選用調心球軸承、調心滾子軸承。 5、允許的空間 設計人員在產品設計之初，一般先根據負載的大小來確定軸的大小，然后根據軸的尺寸來確定軸承的尺寸。小軸采用球軸承，大軸則采用滾子軸承。 6、安裝與拆卸方便 由于軸承使用壽命較短，在工作場合中軸承作為易損件，需要經常進行裝拆更換。具有良好的裝拆方便性能軸承有：可分離型的角接觸球軸承、推力軸承和調心球軸承等。 根據機床實際情況，由于在工作運轉中，滾珠絲杠同時承受軸向和徑向兩個方向的載荷，應采用角接觸球軸承。背靠背組配的角接觸球軸承可以產生一個較大的抗彎強度，具有較大的支承剛度，且可補償徑向膨脹。因此在進給系統中分別在滾珠絲杠的左右兩端采用一組串聯和背對背的角接觸球軸承進行支撐。 2.2.4 軸承的配置方式 一般來講，對軸進行支撐主要是在徑向和軸向的兩個方向。為提高傳動剛度，一個很重要的步驟就是如何選擇支承結構以及正確安裝滾珠絲杠，下面介紹幾種軸承的配置方式。 1、固定—自由式 當一端裝止推軸承時，軸承承載能力較小，軸向剛度較低，僅適用于短絲杠、精度較低，輕載的場合。配置方式如圖2-2所示： 圖 2-2 “固定—自由”型的軸承配置方式 2、固定-游動式?? 在軸一端裝止推軸承，則軸另一端同時裝深溝球軸承。止推軸承與深溝球軸承配合使用，軸承的安裝位置必須遠離熱源，以避免絲杠受溫度過高熱變形的影響，主要適用于中轉速、精度較高的場合。配置方式如圖2-3所示： 圖 2-3 “固定—游動”型的軸承配置方式 3、支承-支承式???? 兩端裝止推軸承，并對滾珠絲杠施加預緊拉力以提高傳動剛度。但此安裝方式對溫升較為敏感，適用于中速中精度的場合。配置方式如圖2-4所示： 圖 2-4 “支承—支承”型的軸承配置方式 4、固定-固定式?? 這種結構形式可以很大程度上提高傳動剛度，使?jié)L珠絲杠的熱變形轉化為止推軸承的預緊力，普遍適用于高速、高精度的場合。配置方式如圖2-5所示： 圖 2-5 “固定—固定”型的軸承配置方式 綜合車銑復合加工機床實際情況，兩端固定的支承方式可以提高機構中的傳動剛度，通過絲杠的熱變形轉為成軸承的預緊力。我在設計過程中采取的軸承配置方式如圖2-6所示。 圖2-6 本次課題軸承所采用配置方式 2.2.5 軸承的潤滑與密封 2.2.5.1 軸承的潤滑 對軸承來而言，采取合理的潤滑是提高其綜合性能的重要方式之一。合適的潤滑劑和良好的潤滑方式直接影響軸承的使用壽命和機床的工作穩(wěn)定性，采用合理的潤滑可更利于運動部件工作運轉。 潤滑的作用：在兩者摩擦面之間，加入適量潤滑劑，使兩者相對運動體形成液體或半液體摩擦，降低摩擦系數，以降低對運動部件的磨損。由于在相對運動體的油膜形成，避免了兩摩擦表面的長時間接觸，減少了兩摩擦表面的摩擦和軸承的過量發(fā)熱；同時，當潤滑油流經潤滑表面時，一部分熱量被帶走，減小因摩擦發(fā)熱對運動件的影響，有利于運動部件的正常運行。 滾動軸承潤滑的潤滑劑種類一般可分為油潤滑、脂潤滑和和固體潤滑三大類[6]。其中油潤滑相對于其他潤滑方式而言，油潤滑可以在更大的溫度范圍內使用，主要適用于高速和高負荷條件下工作的軸承，并且能在設備保養(yǎng)和更換潤滑劑的過程中同時潤滑的優(yōu)點，就目前而言，滾動軸承使用油潤滑最為普遍。油潤滑與脂潤滑性能對比如表2-1所示，脂潤滑具有密封裝置簡單、維修費用低、低成本等優(yōu)點，通常應用低速、中溫操作的工作場合中。當使用油潤滑和脂潤滑達不到工作條件的時，例如不允許污染的食品、紡織、醫(yī)療等機械，可以考慮采用固體潤滑劑。 表 2-1 油潤滑與脂潤滑性能對比表 （續(xù)表2-1 油潤滑與脂潤滑對比表） 循環(huán)工作原理：潤滑油通過油泵從油箱吸出后，經過油路輸送到需要潤滑的工作部位，再由回油口返回油箱經濾網過濾后，達到重復使用和經濟環(huán)保的目的。循環(huán)潤滑具有充分潤滑、油量易控、散熱和去除雜質能力強等特點，使用可靠性較高。但必須具有一套獨立的供油系統，整體制造成本較高。循環(huán)油潤滑廣泛適用于高速高溫、重載的場合。 綜合分析：在高速、高精度、高負荷的車銑復合加工機床的工作場合中，應對滾珠絲杠的運動部件采用循環(huán)油潤滑，車銑復合加工機床作為一臺高端高精度設備，具有獨立的供油系統，可以滿足潤滑條件。 2.2.5.2 軸承的密封 軸承的密封形式可分為三種類型：接觸式密封、非接觸式密封和組合式密封。 1、 接觸式密封 接觸式密封可分為：氈圈密封和橡膠油封。 1） 氈圈密封：在軸承蓋上梯形槽內，放置矩形剖面細毛氈，適用于V<4～5m/s的工作場合。密封方式如圖2-7所示： 圖 2-7 氈圈密封 2）橡膠油封（較為常用)：將油橡膠制唇形密封圈緊緊貼合彈簧壓緊在軸上，唇口向里以防止油流失，唇口向外防灰塵、雜質，組合放置時具有綜合作用，起到良好的密封效果。密封方式如圖2-8所示： 圖2-8 圖（a)開口向內和圖（b）開口向外橡膠油封圖 2、 非接觸式密封可分為油溝密封、甩油密封和曲路密封。 1） 油溝密封（間隙密封）：在軸與蓋之間留有大約0.1～0.3mm間隙，軸承蓋上車出溝槽，并在槽內填滿潤滑脂，油溝密封的整體結構相對簡單，適用于v<5～6m/s的工作場合，密封方式如圖2-9所示。 圖2-9 非接觸式密封圖 2）甩油密封：在軸上開出一個溝槽，沿徑向油液通過慣性甩開，最終再經軸承蓋上集油腔及油孔流回軸承，以達到潤滑工作部件的效果。 3）曲路密封：曲路將旋轉與固定密封零件之間間隙做成密封結構，在縫隙中間填入適量潤滑脂，整體密封效果相對較好，適用于v<30m/s的工作場合。 3、 組合式密封 采用兩種以上的密封形式組合在一起，具有更好的密封效果。密封方式如圖2-10所示： 圖 2-10 組合式密封圖 綜合分析：在進給系統工作運轉時，如果密封件直接接觸配合件，產生的摩擦將會引起發(fā)熱量增大，容易造成潤滑不良，加快磨損，縮短運動部件的使用壽命。因此，在密封件與配合件應留有適當的間隙，選用非接觸式的橡膠油封。因為絲杠在運轉過程中將產生壓力，應采取圖（a）的碗式開口向內的橡膠密封，內部壓力越大，密封效果越好。 2.2.6 軸承端蓋的設計 軸承端蓋用于固定軸承、調整軸承間隙并承受軸向力，還具有防塵與密封的作用。 軸承端蓋的結構主要分為：嵌入式和凸緣式兩種。 嵌入式軸承端蓋具有外形結構簡單、緊湊，外伸軸結構尺寸較小，整體重量較小的優(yōu)勢。但裝卸端蓋過程相對復雜，調整軸承間隙困難，整體密封性能較差，固定時須在座孔上開槽，加工制造較難。嵌入式軸承端蓋更適合重量輕、結構緊湊的工作場合。其結構和尺寸圖2-11所示： 圖 2-11 嵌入式軸承端蓋的結構尺寸 凸緣式軸承端蓋易調整軸承間隙，部件裝卸簡單方便，密封性能良好，目前應用廣泛。但缺點是外形輪廓尺寸較大，又需一組螺釘來聯接。其結構和尺寸圖2-12所示。 圖 2-12 凸緣式軸承端蓋的結構和尺寸 綜合分析：在車銑復合W軸進給機構中，采用的軸承端蓋如下圖（a)平板式軸承端蓋和圖（b）凸緣式軸承端蓋。 圖 2-13 圖（a)平板式端蓋與圖(b)凸緣式端蓋 2.2.7 電機與滾珠絲杠副聯接方式的選擇 電動機與絲杠的聯接的三種方式的特點 : （1） 通過齒輪聯接； 齒輪傳動在伺服進給系統中，起改變運動方向，降低從動件轉速，增大轉矩等作用，還可適應不同螺距、脈沖當量比。當在伺服電動機和絲杠之間安裝齒輪時，兩個齒輪相互嚙合，齒側間隙易造成反向運動死區(qū)，運動精度得不到保障。目前普遍采取雙片齒輪結構消除齒輪中的間隙，如2-14圖（a）和(b)所示。圖（c）為斜齒輪傳動消隙結構，薄片結構將齒輪左、右兩側面緊緊貼合，消除了間隙[7]。這種消除間隙的方法整體結構雖然簡單，但是調整費時費力，沒有自動補償間隙功能，應用并不普遍。圖（c）所示錐齒輪消除間隙的原理也與圖（a）的直齒圓柱齒輪相同。當錐齒輪與軸聯接時，其措施如圖（a）所示，并采用緊定螺釘頂緊；圖（b）在其中一個鍵灌環(huán)氧樹脂，但是不易拆卸維修。 1、2—齒輪；3、4—螺釘；5—彈簧 圖2-14 齒輪間隙的消除 1、采用齒輪傳動副來達到一定的降速比要求； ? 2、齒側間隙會影響系統的穩(wěn)定性； ? 3、整體結構復雜，用于電動機與絲杠不能直接聯接，負載轉矩大、需放大伺服電動機輸出轉矩的場合。 （2） 通過同步齒形帶聯接 同步帶兼具帶傳動和鏈傳動的共同優(yōu)點，是一種靠嚙合齒輪傳動新型帶傳動方式。 同步齒形帶以鋼絲繩為強力層，外面包裹著氯丁橡膠或聚氨酯。[8]由于鋼絲繩在強力層中承受載荷，整體皮帶結構產生的變形相對較小，并能保持傳動比恒定的齒形帶。故此帶與帶輪之間無相對滑，亦可做無滑差同步傳動。這種齒形帶薄而輕，慣性效應較小，因而可應用于高速傳動，其圓周速度v可達到40m/s。由于齒形帶不是靠帶與帶輪之間的摩擦傳動，沒有摩擦損失，傳動比i可達到10，傳動效率可高達98%~99%。齒形帶輪的制造復雜、制造成本相對高是目前齒形帶的不足之處。 如圖2-15所示，同步齒形有梯形和圓弧齒兩類： 圖2-15 同步帶梯形齒和圓弧齒 其中，模數制梯形齒是我國最先開發(fā)的同步帶，現仍有使用，但不推薦用于新設計。周節(jié)制梯形齒按照國家標準（CB11616-89）執(zhí)行。圓弧齒同步帶只有行業(yè)標準，在機電行業(yè)中已有廣泛的應用。 同步齒形帶傳動兼具了帶傳動與鏈傳動的優(yōu)點，運動平穩(wěn)，吸振好，噪聲小。缺點是中心距位置要求較高，帶和帶輪制造工藝制造復雜，安裝過程中的技術要求較高。選擇同步齒形帶時，首先根據要求傳遞的功率和小帶輪的轉速選擇同步齒形帶的帶型和節(jié)距，然后根據要求傳遞的變速比確定小帶輪和大帶輪的直徑。通常在帶速和安裝尺寸條件允許時，小帶輪直徑盡量取大一些，根據原軸的主軸線的長度，選擇標準的同步齒帶，最后確定的帶寬和帶輪的結構和大小 。 同步齒形帶傳動中的主要失效形式是：同步齒形帶疲勞斷裂，帶齒剪切、壓饋以及同步齒形帶兩側和帶齒的磨損。[9]為確保傳動過程中的工作平穩(wěn)性，必須對單元齒寬的拉力進行校核，在特定情況下，還校對工作齒面的壓力 。 1、同步帶傳動具有帶傳動和鏈傳動的共同優(yōu)點； 2、機械結構簡單，制造成本低，安裝調整方便； 3、傳動不打滑，傳動效率高。 （3） 絲杠、聯軸器直接聯接 ： 就目前的形勢而言，在很多工作場合中由于伺服電動機綜合性能的提升都采用伺服電動機與絲杠直接相連的方式。 1、 傳動精度高； 2、 結構簡單，安裝調整方便； 3、 適用于中、小型機床或高速加工機床。 方案一： 通過伺服電動機與聯軸器相連，傳動件由齒輪來驅動，降低轉速。方案如圖2-16所示： 圖 2-16 利用齒輪降比傳動進給系統簡圖 方案優(yōu)缺點：在設計過程中，可以根據本方案可放大轉矩的特點采用較小功率的電動機，從而降低經濟成本，但是齒輪間隙直接影響著機構的傳動精度。 方案二： 通過采用聯軸器將伺服電動機與滾珠絲杠直接相連，傳動比為1。方案如圖2-17所示： 圖 2-17 利用聯軸器直接傳動進給系統簡圖 方案優(yōu)缺點：直接驅動，驅動精度由電機直接保證，但是需要電機扭矩較大。 當前，很大一部分的伺服電動機和滾珠絲杠的連接方式是采用聯軸器直連，優(yōu)勢主要體現在：一是大大節(jié)約了機床的內部空間，不占橫向空間但必須確保足夠的直向空間，二是能夠保持傳動比恒定，與其他傳動方式相比，傳動效率相對較高。對于齒輪連接而言，齒輪連接結構相對比較緊湊，但是結構復雜，成本也相對比較高，適用于有加、減速比的位置場合；在橫向空間較大，傳動效率和精度要求不高的場合時，可采用鏈條和皮帶連接。 綜合情況考慮，采用聯軸器直接剛性聯接，驅動精度可以由伺服電動機直接保證，以保證車銑復合機床W軸傳動精度相對較高。 2.2.8 W軸進給傳動導軌類型的選擇 工作臺導軌是影響數控機床的加工精度與運動平穩(wěn)性的重要因素，工作臺導軌的摩擦特性直接影響了工作臺的定位精度和低速進給的工作平穩(wěn)性，制造導軌的制造誤差直接影響了工作臺運動的幾何精度，在設計制造工作臺導軌的過程中，應盡量減少制造誤差和摩擦力，以提高機床的加工精度[10]。導軌是用來支撐和引導部件在機床上沿著固定運行軌跡具有準確運動或夾緊定位作用的軌道。保證良好的軌道準確度和移動精度，可提高機床加工精度，減少因軌道誤差而造成不良產品零件。 數控機床導軌共分為：滾動導軌、滑動導軌和靜壓導軌等。滾動導軌、滑動導軌與靜壓導軌的性能對比如表2-2所示： 表2-2 導軌性能對比表 機床導軌的整體行程相對長，采用滾動導軌時，滾動體必須循環(huán)，并且應采取合適的潤滑，減少因摩擦發(fā)熱影響工作精度。常用的有直線導軌副和滾動導軌塊。滾動導軌如圖2-18所示： 1. 導軌條 2.端面擋板 3.密封墊 4.滑塊 5.滾珠 圖 2-18 直線滾珠導軌副 綜合分析，在車銑復合加工機床W軸進給機構中，滾動導軌與滑動導軌相比，具有較小的摩擦，對溫度的影響較小。為減少摩擦對滾珠絲杠定位精度的影響，并控制溫升，應選用滾動導軌作為機床導軌。  第三章 車銑復合機床W軸進給系統的結構設計與計算 3.1 伺服電動機型號的確定 轉矩和轉速可由伺服電動機的電壓信號轉化而成，從而驅動控制對象，伺服電動機具有控制速度快，位置精度精確等優(yōu)勢[11]。在控制系統中，伺服電動機的輸入信號控制轉子轉速，在最短時間內做出響應，通常用作執(zhí)行元件。電動機軸上的角位移或角速度可以由伺服電動機系統接收到電信號直接轉化而成。 伺服電動機一般可分為：直流與交流伺服電動機兩大類。 直流伺服電動機：可以準確控制轉矩速度特性的硬速度，工作原理相對簡單，但是電機的換向裝置對轉速有很大的局限性，并且還存在附加阻力，工作運轉時，散熱能力較差。 交流伺服電動機：可實現大功率、大慣量，最大轉動速度隨著功率增大而減小，因而適合做低速平穩(wěn)運行的工作場合。 目前常用的伺服電動機型號如下表3-1所示，本課題已知條件交流伺服電動機siemens　 1FK7060-5。 表3-1 伺服電動機型號表 3.2 W軸進給力的計算 電機最大扭矩，機械效率0.9； （3-1） x的最大值主要在機床進行粗切端面時出現，假設下列切削條件： 刀具材料：YT5車刀，Kr=90° 切削用量：t=2m，f=0.3，Cpy=141 工件材料：結構鋼，sb=65kg/mm2 Fgw==1050N （3-2） ，故電機滿足要求。 3.3 W軸慣量匹配的計算 移動部件的慣量轉化到絲杠的慣量： （3-3） 滾珠絲杠的轉動慣量： （3-4） 其它零件的轉動慣量（聯軸器）： （3-5） （3-6） 折算到電機軸上的負載慣量： （3-7） 負載慣量與電機慣量Jm之比： （3-8） 負載慣量與電機慣量Jm之比： ；，滿足設計要求。 本章節(jié)公式來源于《現代數控機床》、《機床設計手冊》。 第四章 車銑復合機床W軸滾珠絲杠副的選型及校核 4.1 滾珠絲杠副工作原理 在適量的滾珠放入絲杠與螺母兩者之間，并采取合理的潤滑方式使絲杠與螺母之間由滑動摩擦轉為滾動摩擦，減少摩擦造成的能量損失，以達到控制滾珠絲杠溫度的目的。在現代機械傳動中，使用滾珠絲杠副可將直線往復運動轉為旋轉運動，也將旋轉運動轉為直線往復運動。 4.1.1 滾珠絲杠副的選型 目前，常用的數控機床滾珠絲杠副結構可分為：外循環(huán)插管式與內循環(huán)反向器式，簡稱外環(huán)與內環(huán)。內循環(huán)結構式反向器整體尺寸較長，承載的鋼球數較少，且鋼球高速時流暢性差；而外循環(huán)插管式結構簡單，承載能力大，不受導程的限制[12]。外循環(huán)插管式滾珠絲杠副結構常被采用在高速滾珠絲杠副的導程的較大的場合。 滾珠絲杠具有以下特點： 1、傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠螺母副的傳動效率較高，與普通絲杠相比傳動效率高達3-4倍，效率達到92%-96%，并且功率消耗較低。 2、適當預緊，采取適當的預緊方式在反向工作運轉時消除空載死區(qū)，從而提高絲杠的定位精度和絲杠剛度。 3、運動平穩(wěn)，無爬行現象，傳動精度高。 4、具有良好的可逆性能，既可將螺旋回轉運動轉換成直線往復運動，又可將直線往復運動轉換成螺旋回轉運動。 5、磨損小，使用壽命長。 6、整體制造工藝比較復雜，滾珠絲杠與螺母等組件的加工精度較高，故此制造成本也較高，在選用滾珠絲杠傳動時應考慮經濟成本等因素。 7、不能自鎖。特別是垂直安裝的絲杠，因此需增加制動裝置。 根據已知條件，滾珠絲杠選用FF滾珠絲杠副,規(guī)格代號為2505-3。FF滾珠絲杠部分代號與參數表格如下所示： 表4-1 FF滾珠絲杠副部分代號與參數表 4.1.2 滾珠絲杠副的間隙消除與預緊 4.1.2.1滾珠絲杠副的間隙消除 消除滾珠絲杠螺母副的軸向間隙可以保證滾珠絲杠的反向傳動精度與軸向剛度。常用的消隙方式一般分為：墊片消隙式、螺紋消隙式和齒差消隙式。 1、墊片消隙：通常情況，通過調整墊片的厚度來改變螺母的軸向位移，以達到消除間隙和提高預緊力的目的。結構優(yōu)勢是構造簡單、可靠性好、剛度高以及裝卸方便。不足之處：由于采用不同厚度的墊片，調整耗時。 2、 螺紋消隙：一個螺母的外端結構設有凸緣，而另一個螺母的外端結構車制螺紋。通過旋轉圓螺母的方式，即可消除兩者間隙，并且能夠產生一定的預拉緊力，以達到鎖緊并減小間隙的目的。 3、 齒差消隙：在螺母凸緣表面制造外圓柱齒輪，并分別與固緊在套筒兩端的內齒圈相嚙合,齒數差數為1。消隙過程中，兩螺母的齒輪同時轉動一個齒數，則兩螺母便產生相對角位移，以達到消隙目的。 綜合分析:在對本進給系統中的滾珠絲杠采取墊片消隙方式，具體方式如圖4-1所示。 1、墊板 2、滾珠絲杠 3、軸承 圖 4-1 墊片式調隙方式 4.1.2.2滾珠絲杠螺母副預緊?? 在滾珠絲杠傳動中，首先應保證傳動精度及傳動剛度，必須消除傳動間隙之外，還必須要求預緊。預緊力計算公式為: Fv=1/3Fmax式中,?Fmax為軸向最大工作載荷。 （4-1） 增大鋼球直徑、變位導程和墊片方式三種預緊方式特點對比如下表4-2所示，可通過表格清楚地看到各自特點與優(yōu)勢。 表4-2 預緊方式類型表 綜合分析：在車銑復合加工機床工作中，由于要求定位精度較高，負載較大，應采取墊片的預緊方式。 4.2 W軸滾珠絲杠預拉伸量的計算 通過對機床絲杠進行預拉伸，來消除加工過程中由于絲杠的熱變形對加工精度的影響，并進一步提高絲杠的剛度。 a.W軸絲杠方向目標值的確定： 絲杠的熱膨脹變形： a:絲杠的熱膨脹系數，a=/℃ Dt:絲杠與床身之間的溫升，Dt=3℃ L:絲杠兩鎖緊螺母之間的距離 DL= (4-2) 根據以往經驗，考慮到絲杠除環(huán)境溫度的變化而引起絲杠變形外，還有其它因素的影響，取絲杠的預拉伸量為0.035mm。因絲杠螺紋整個絲杠部分全長為67.35%，則絲杠的方向目標值為-0.0235mm。 4.3 滾珠絲杠副的潤滑與密封 4.3.1滾珠絲杠副的潤滑： 在滾珠絲杠的使用過程中，工作部件必須要有足夠的潤滑，采用合理的潤滑將會給機床帶來良好的接觸，如果潤滑不夠，將會導致摩擦和磨損的增加，造成滾珠絲杠副使用壽命縮短，更嚴重的后果直接影響設備的損壞等。 4.3.1.1油潤滑 通常情況下，礦物油都適用于滾動軸承。在高轉運轉的情況下，油潤滑比脂潤滑具有更佳潤滑效果，并且溫升較小。油潤滑的補充潤滑量和間隔，按下表4-3所示，可以達到大約8小時的補充潤滑時間。 表4-3 滾珠絲杠油潤滑量表 公稱直徑 首次潤滑量 補充潤滑量 16 0.3 0.05 20 0.6 0.08 續(xù)表4-3滾動絲杠油潤滑量表 25 0.8 0.1 32 1.0 0.2 40 2.0 0.5 50 2.0 1.0 63 4.0 1.0 80 6.0 1.5 100 10.0 2.0 4.3.1.2脂潤滑 脂潤滑的優(yōu)點：不必經常補充填充，間隔時間較久，滾珠絲杠傳動系統在一段很長時間后才需進行補充。補充潤滑脂的最大限量僅為填入螺母內空間容積的一半。 綜合分析：在車銑復合機床運轉過程中，油潤滑相對于脂潤滑具有更好的潤滑性能，且產生的溫升較小，因此在W軸進給機構中的滾珠絲杠副潤滑采用油潤滑。 4.3.2滾珠絲杠副的密封： 隨著數控機床進給伺服系統的高速化發(fā)展，對滾珠絲杠副密封是數控機床伺服系統的重要設計環(huán)節(jié)之一。接觸產生的摩擦使得滾珠絲杠的溫度持續(xù)上升，直接影響整個伺服系統的傳動精度，因此高速數控機床廣泛采取非接觸式密封方式。高端數控機床的加工環(huán)境就要求該密封結構具有長期有效密封和防塵作用，且具有較小的摩擦阻力和安裝誤差，來保證數控機床進給伺服精度，并要求密封結構易裝卸、維護保養(yǎng)便捷。 車銑復合機床W軸進給機構密封結構是采用主動稀油連續(xù)潤滑的方式，適合于水平或垂直方向安裝的伺服軸，通過多種組合密封結構的運用，有效地阻止了絲杠上流淌的廢油和環(huán)境中灰塵對絲杠的影響，提高了機床的使用壽命。密封機構如圖4-2所示： 1. 碰撞緩沖墊2.滾珠絲杠專用60°角接觸球軸承3.軸承壓蓋4.精密鎖緊螺母5.聯軸器6.交流伺服電動機7.電動機安裝座8.滾珠絲杠螺母 9.碰撞緩沖墊10.軸承座11.60°角接觸球軸承12.法蘭蓋13.精密鎖緊螺母 圖 4-2 非接觸式密封圖 綜合分析：在W軸進給系統中，非接觸式密封的摩擦阻力相對較小，由此產生的溫升也比較小，可以獲得較高的定位精度。綜合考慮，滾珠絲杠副采用非接觸式密封。 本章節(jié)來源于《現代數控機床》、《機床設計手冊》。 第5章 技術經濟分析 5.1 技術經濟分析的目的與意義 技術經濟分析與提高經濟效益、推動技術進步息息相關，技術科學與經濟科學密不可分，兩者相輔相成，相對較高的經濟成本勢必能夠支持更為前沿先進的科學技術。經濟是決定一切科學技術研發(fā)的基礎，控制經濟成本方可在最大程度上合理利用資源。 通過查閱相關資料，進行對整個W軸進給機構進行成本核算，分析人力、物力和財力三者之間的關系，研究對經濟成本影響的各類因素。在本次設計的過程中，通過對整體零部件的材料、熱處理、加工工藝等進行成本計算，合理的選擇材料、熱處理、加工工藝改善經濟效益，提高效率。在企業(yè)的生產過程中，由于大批量的生產，成本分析是企業(yè)成本管理的重要組成部分。通過前期對整期產品的成本分析，能夠洞察該類產品是否能為企業(yè)帶來經濟效益，從而避免不必要的經濟損失。 一名合格的設計人員必須在設計相關零件的同時，也必須充分考慮到經濟成本等因素，成本分析直接影響著企業(yè)的經濟效益，一個合格的零件也包含有一個合理的經濟成本。 5.2 成本計算依據 本次設計的總成本就是購置零件所花費的費用和加工費用。 依據計算公式： 零件成本=材料費用+加工工時費用 材料費用=材料的單價×材料的毛坯重量 毛坯的重量=凈重/材料的利用率 材料的利用率：45鋼為0.6-0.7，合金鋼為0.6-0.7，尼龍1010為0.6-0.7， LY12鋁棒為0.6-0.7。 工時費：主要件=材料費×8 一般件=材料費×（4-5） （1）材料費的計算 由計算公式可得： 45鋼毛坯重量=15.23/0.65=23.43Kg 尼龍1010件=0.001/0.65=0.002Kg LY12鋁棒=4.13/0.65=6.35Kg （2）工時費的計算 主要的零件：主要的工時費用=257.61×8=2060.88元 一般的零件：一般的工時費用=9.13×4.5=41.09元 （3）熱處理工時的費用 熱處理零件統計如表 5-1 所示： 表 5-1 熱處理零件統計 序號 名稱 材料 熱處理要求 凈重（Kg） 1 法蘭 LY12 涂灰色油漆 0.93 2 夾緊塊 45 發(fā)藍 2.43 3 聯軸套 45 表面鍍鋅 2.87 4 滑套 45 調質 4.32 5 墊板 45 調質 1.37 熱處理的價格如下表 5-2 所示。 表 5-2 目前熱處理的價格 序號 名稱 單價（元/Kg） 1 鍍鋅 1.1 2 涂油漆 1.5 3 發(fā)藍 1.0 4 調質 1.5 因此熱處理加工費用為16.267元。 5.3 成本材料構成 5.3.1 標準件外購費用 裝配圖中標準件的統計，如表5-3所示。 表5-3 標準件外購費用統計 序號 名稱 規(guī)格 數量 單價（元/件） 1 螺釘 M6X20 M4X20 M5X30 M8X50 M12X20 9 4 2 2 2 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 2 圓柱銷 M6X35 1 0.5 3 圓錐銷 M6X35 1 0.5 4 密封圈 45×3.5 4 2.16 標準件的外購件費用為9.83元。 5.3.2 非標準件 裝配圖中非標準件的統計，如表5-4所示；非標準件外購費用統計，如表6-2所示。 表 5-4 非標準件統計 序號 名稱 材料 數量 凈重（Kg） 1 法蘭 LY12 6 0.93 2 隔圈 45 1 0.78 3 軸套 45 5 0.45 4 緊定螺釘 45 1 0.01 5 限位塊 45 4 1.00 6 密封環(huán) 尼龍1010 1 0.01 45剛總凈重：G1=15.23kg， 尼龍1010件的總凈重：G2=0.01kg， LY12鋁棒總凈重G3=4.13kg 目前， 45鋼的價格為3400元/噸， 尼龍1010的價格75000元/噸， LY12鋁棒的價格28000元/噸。 非標準件采購費用為257.61元。 綜合分析：在本次設計中，對整體進給機構進行經濟成本分析： 經濟成本=材料費用+工時費用+熱處理費用+標準件外購費用+非標準件采購費用 材料費用=257.161+9.13=266.291元 工時費用=257.61×8+9.13×4.5=2060.88+41.09=2101.97元 熱處理加工費用=16.267元 標準件的外購件費用=9.83元 非標準件購費=257.61元 經濟成本=266.291+2101.97+16.267+9.83+257.61=2642.138元 通過對零部件的經濟成本計算，使我們可以更合理地進行選型，以提高性價比。一個合格的設計人員，應具有良好的經濟成本計算能力，以避免不合理的經濟成本對企業(yè)效益造成損失。合理的成本計算是衡量企業(yè)管理水平的重要指標之一，通過前期對整期產品的成本分析，能夠洞察該類產品是否能為企業(yè)帶來經濟效益，從而避免不必要的經濟損失。  總 結 經過近3個月的工作，相關工作總結如下: 本次設計的題目是車銑復合機床W軸進給系統結構設計，一開始通過了解、熟悉課題，查閱相關資料，完成了開題報告以及外文翻譯。然后通過原始數據，完成進給力的計算、慣量匹配的計算、滾珠絲杠預拉伸量的計算。繪制W軸進給系統裝配圖及零件圖，最后并撰寫了畢業(yè)設計說明書。 一、主要工作及結論 1、通過寫開題報告、外文翻譯提高了自己的收集能力和整理能力。 2、通過設計計算，提高了自己的計算能力和對比能力。 3、通過繪制裝配圖、零件圖提高了自己的繪圖能力和對進給系統的了解。 4、通過編寫論文提高了自己的語言組織能力和對本次課題的了解。 二、存在問題 對于個人來說，自己的繪圖能力和計算能力有待提高。 對于機床來說，應提高車銑復合W軸進給機構的定位精度，以提高機床的加工精度。 三、發(fā)展展望 車銑復合加工機床正向著高速度、高精度、高可靠性的方向發(fā)展，技術創(chuàng)新日新月異，我們通過大學四年的專業(yè)知識學習，在數控機床方面上奉獻一份屬于自己的力量。  致 謝 經過三個月的時間，整個畢業(yè)設計工作也即將畫上一個圓滿的句號。在這段時間內，我完成了資料收集、開題報告、外文翻譯、設計計算、零件圖、裝配圖和畢業(yè)設計說明書等內容。這是一段值得自己深深牢記的時光，每一天都過得非常充實，按照著設計進度一步一步地完成這些設計工作。劉桂芝老師每周都會對我們的設計工作進行監(jiān)督與答疑解難，在開題報告期間，劉老師就幫助我充分理解自己的W軸進給的設計內容及其工作原理，萬事開頭難，良好的開頭是成功的一半，充分了解自己設計的具體內容方可更好的完成設計任務。 通過三個月與劉老師的接觸，劉老師平易近人與認真負責的工作態(tài)度給我留下了深刻的印象。一開始，我在理論計算就遇到了難題，完全不知道如何下手，由于對設計公式沒有過多的了解，所以工作遲遲沒有進展。劉老師在發(fā)