潘金茹

X6132型數(shù)控銑床改造設(shè)計(jì)

潘金茹

介紹了X6132型數(shù)控銑床進(jìn)給工作臺(tái)的改造設(shè)計(jì)，包括機(jī)械部分的設(shè)計(jì)、導(dǎo)軌的選用以及進(jìn)給工作臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

數(shù)控銑床；X6132型數(shù)控銑床；滾珠絲杠；步進(jìn)電機(jī)

1 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇

將原機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)全部拆除，X，Y向選用滾珠絲杠與步進(jìn)電機(jī)控制，Z向用原機(jī)床的燕尾導(dǎo)軌與步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。

由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床具有定位、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、螺紋加工等功能，所以選用連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。

X，Y，Z方向的移動(dòng)，可采取螺旋機(jī)構(gòu)或齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。這兩種機(jī)構(gòu)均可把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。因?yàn)榇藱C(jī)構(gòu)以傳遞運(yùn)動(dòng)為主，要求有較高的傳動(dòng)精度且結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用螺旋機(jī)構(gòu)。但常用的螺旋機(jī)構(gòu)中絲杠和螺母之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是滑動(dòng)，磨損較嚴(yán)重，影響傳動(dòng)精度，壽命短，效率低，不能滿足高速度、高效率和高精度等傳動(dòng)要求。為了使運(yùn)動(dòng)靈敏又能滿足精度要求，選用滾珠螺旋機(jī)構(gòu)，也就是采用了間隙可調(diào)的滾珠絲杠傳動(dòng)。

要使傳動(dòng)穩(wěn)定可靠，采用絲杠傳動(dòng)、螺母帶著工作臺(tái)作移動(dòng)的傳動(dòng)方式。

螺母帶著工作臺(tái)在底臺(tái)的導(dǎo)軌上移動(dòng)，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)部件重量不大，切削力較大，行程較大，所以采用滾珠導(dǎo)軌。

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲杠。為了保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時(shí)，為了提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)載荷的結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)齒輪也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。

伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負(fù)載，確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣量計(jì)算，空載啟動(dòng)及切削力矩計(jì)算，確定伺服電機(jī)，繪制機(jī)械部分裝配圖及零件工作圖等。

2 系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的確定

一個(gè)進(jìn)給脈沖使機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的位移量稱為脈沖當(dāng)量，也稱為機(jī)床的最小設(shè)定單位。脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當(dāng)量是0.01 mm/脈沖~ 0.005 mm/脈沖。根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量：縱向0.01 mm/步，橫向0.01 mm/步。

3 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)計(jì)算和選型

3.1 縱向進(jìn)給絲杠

3.1.1 計(jì)算進(jìn)給牽引力

作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給牽引力Fm主要包括切削時(shí)的走刀抗力以及移動(dòng)件的重量和切屑分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力，因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的型式有關(guān)。縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌，

式中:K——考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合型導(dǎo)軌取K=1.15；

Fx——Fx=2 098 N；

FZ——FZ=2 424 N；

f——滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取0.005；

G——工作臺(tái)重，取2 500 N。

3.1.2 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C

選用滾珠絲杠副的直徑時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠回轉(zhuǎn)100萬(wàn)轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值稱為該滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載C。

式中：L0——滾珠絲杠導(dǎo)程，查滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量表，初選L0=6 mm；

vs——最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn) 給 速 度 的 1/2～1/3， 此 處 取0.6 m/min；

T——使用壽命，按15 000 h；

fw——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取fw=1.2～1.5，這里取fw=1.2；

L——壽命，以轉(zhuǎn)106為1單位。

C=18 113 N.

3.1.3 剛度驗(yàn)算

最大牽引力為3 362 N，支撐間距L＝700 mm（見圖1），絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。

圖1 縱向進(jìn)給絲杠剛度驗(yàn)算

根據(jù) Pm＝3 362 N，D0＝40，查圖得 δL/L＝1.7× 10-5，可算出δ1＝δL÷L×700＝0.011 9 mm。

由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍，其實(shí)際變形量=δ1/4＝0.003 mm。

3.1.3.2 滾珠與螺紋滾道間接觸變量δ2

查圖得出W系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道間接觸變量 δQ＝8.5 μm，因進(jìn)行了預(yù)緊，δ2＝δQ/2＝4.25 μm。

3.1.3.3 支撐滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形δ3

采用8207型推力球軸承，d1＝35 mm，滾動(dòng)體直徑dQ＝6.35 mm，滾動(dòng)體數(shù)量Z＝18，根據(jù)公式

得δc=0.009 1 mm（式（5）中Fm的單位為kg），因施加預(yù)緊力，δ3＝δc/2＝0.004 5 mm。

根據(jù)以上計(jì)算，

3.1.3.4 穩(wěn)定性校核

滾珠絲杠兩端采用推力球軸承，不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需作穩(wěn)定性校核。

3.2 橫向進(jìn)給絲杠

3.2.1 計(jì)算進(jìn)給牽引力Fm

橫向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌，由式（1） 可得Fm＝1 550 N。式（1） 中: K=1.15，F(xiàn)x=1 334 N，F(xiàn)Z= 2 424 N，f=0.005，G=800 N。

3.2.2 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C

由式（2）、式（3）、式（4）得n=100 r/min，L =90，C=8 335 N。式 （2）、式 （3）、式 （4）中，初選L0=6 mm，vs取0.6 m/min，T取15 000 h，fw=1.2，L以轉(zhuǎn)106為1單位。

3.2.3 剛度驗(yàn)算

最大牽引力為1 500 N，支撐間距L＝600 mm（見圖2），絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。

圖2 橫向進(jìn)給絲杠剛度驗(yàn)算

根據(jù) Pm＝1 500 N，D0＝40，查圖得 δL/L＝7.5× 10-6，可算出δ1＝δL÷L×600＝0.004 5 mm。

由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍，其實(shí)際變形量=δ1/4＝0.001 1 mm。

3.2.3.2 滾珠與螺紋滾道間接觸變量δ2

查圖得出W系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道間接觸變量 δQ＝4.6 μm，因進(jìn)行了預(yù)緊，δ2＝δQ/2＝2.3 μm。

3.2.3.3 支撐滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形δ3

采用8207型推力球軸承，d1＝35 mm，滾動(dòng)體直徑dQ＝6.35 mm，滾動(dòng)體數(shù)量Z＝18，根據(jù)式（5） 得δc=0.009 1 mm（式（5） 中Fm的單位為kg），因施加預(yù)緊力，δ3＝δc/2＝0.004 5 mm。

根據(jù)以上計(jì)算，

3.2.4 穩(wěn)定性校核

計(jì)算臨界負(fù)載Fk式中：E——材料彈性模量，對(duì)于鋼 E＝20.6× 106N/cm2；

I——截面慣性矩，cm4，絲杠I＝（π）/ 64；

d1——絲杠內(nèi)徑，d1=3.603 1 cm；

L——絲杠兩支撐端距離，L=60 cm；

fz——絲杠支撐方式系數(shù)，由表中查得一端固定一端簡(jiǎn)支，fz＝2.00。

將各值帶入式（6），F(xiàn)k＝934 478 N。

一般nk＝2.5～4，故此絲杠不會(huì)失穩(wěn)。

3.3 Z向進(jìn)給絲杠

3.3.1 計(jì)算進(jìn)給牽引力Fm

橫向進(jìn)給為燕尾型導(dǎo)軌，

式中：綜合型導(dǎo)軌取K=1.4，F(xiàn)Z=1 212 N，F(xiàn)y= 1 334 N，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f取0.2，工作臺(tái)重G取3 200 N。

3.3.2 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C

由式（2）、式（3）、式（4）得n=33 r/min，L= 29.7，C=23 945.8 N。式（2）、式（3）、式（4）中，初選L0=6 mm，vs=0.197 m/min，T=15 000 h，fw=1.2，L以轉(zhuǎn)106為1單位。

3.3.3 剛度驗(yàn)算

最大牽引力為5 074 N，支撐間距L＝600 mm，軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。

根據(jù) Pm＝6 444 N，D0＝50，查圖得 δL/L＝2.1× 10-5，可算出δ1＝δL÷L×600＝0.012 6 mm。

由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍，其實(shí)際變形量=δ1/4＝0.003 2 mm。

3.3.3.2 滾珠與螺紋滾道間接觸變量δ2

查圖得出W系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道間接觸變量 δQ＝9.5 μm，因進(jìn)行了預(yù)緊，δ2＝δQ/2＝4.75 μm。

3.3.3.3 支撐滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形δ3

采用8207型推力球軸承，d1＝35 mm，滾動(dòng)體直徑dQ＝6.35 mm，滾動(dòng)體數(shù)量Z＝18，根據(jù)式（5） 得δc=0.012 mm（式（5）中Fm的單位為kg），因施加預(yù)緊力，δ3＝δc/2＝0.006 mm。

根據(jù)以上計(jì)算，

3.3.4 穩(wěn)定性校核

計(jì)算臨界負(fù)載Fk

由式（6） 可得Fk=2 087 016 N。式（6） 中E＝20.6×106N/cm2，I＝18.477 cm4，d1=4.397 8 cm，L= 60 cm，fz＝2.00。

一般nk＝2.5～4，故此絲杠不會(huì)失穩(wěn)。

Transformational Design of X6132 CNC Milling Machine

Pan Jinru

This article introduced the transformational design of the X6132 CNC Milling Machine's feed table, included the mechanical design,choice of rail and the feed table structural design.

CNC milling machine;X6132 CNC milling machine;ball bearing guide screw;stepper motor

TG547

A

1000-4866（2010）03-0037-03

2010-06-23

潘金茹，男，1973年5月出生，1995年畢業(yè)于大同煤校 (礦山機(jī)電專業(yè))，現(xiàn)在大同煤礦集團(tuán)公司四老溝礦工作，助理工程師。

修回日期：2010-07-14