X6132型數控銑床改造設計

潘金茹

X6132型數控銑床改造設計

潘金茹

介紹了X6132型數控銑床進給工作臺的改造設計，包括機械部分的設計、導軌的選用以及進給工作臺結構的設計。

數控銑床；X6132型數控銑床；滾珠絲杠；步進電機

1 系統的運動方式與伺服系統的選擇

將原機床的進給系統全部拆除，X，Y向選用滾珠絲杠與步進電機控制，Z向用原機床的燕尾導軌與步進電機進行控制。

由于改造后的經濟型數控車床具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停、循環加工、螺紋加工等功能，所以選用連續控制系統。考慮到經濟型數控機床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環控制系統。

X，Y，Z方向的移動，可采取螺旋機構或齒輪齒條傳動機構。這兩種機構均可把旋轉運動變為直線運動。因為此機構以傳遞運動為主，要求有較高的傳動精度且結構緊湊，所以選用螺旋機構。但常用的螺旋機構中絲杠和螺母之間的相對運動是滑動，磨損較嚴重，影響傳動精度，壽命短，效率低，不能滿足高速度、高效率和高精度等傳動要求。為了使運動靈敏又能滿足精度要求，選用滾珠螺旋機構，也就是采用了間隙可調的滾珠絲杠傳動。

要使傳動穩定可靠，采用絲杠傳動、螺母帶著工作臺作移動的傳動方式。

螺母帶著工作臺在底臺的導軌上移動，因為運動部件重量不大，切削力較大，行程較大，所以采用滾珠導軌。

為了實現機床所要求的分辨率，采用步進電機經齒輪減速再傳動絲杠。為了保證一定的傳動精度和平穩性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負載荷的結構。傳動齒輪也要采用消除齒側間隙的結構。

伺服系統機械部分設計計算內容包括：確定系統的負載，確定系統脈沖當量，運動部件慣量計算，空載啟動及切削力矩計算，確定伺服電機，繪制機械部分裝配圖及零件工作圖等。

2 系統脈沖當量的確定

一個進給脈沖使機床運動部件產生的位移量稱為脈沖當量，也稱為機床的最小設定單位。脈沖當量是衡量數控機床加工精度的一個基本技術參數。經濟型數控車床、銑床常采用的脈沖當量是0.01 mm/脈沖~ 0.005 mm/脈沖。根據機床精度要求確定脈沖當量：縱向0.01 mm/步，橫向0.01 mm/步。

3 滾珠絲杠螺母副的設計計算和選型

3.1 縱向進給絲杠

3.1.1 計算進給牽引力

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

式中:K——考慮顛覆力矩影響的實驗系數，綜合型導軌取K=1.15；

Fx——Fx=2 098 N；

FZ——FZ=2 424 N；

f——滾動導軌摩擦系數，取0.005；

G——工作臺重，取2 500 N。

3.1.2 計算最大動負載C

選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠回轉100萬轉后，在它的滾道上不產生點蝕現象。這個軸向負載的最大值稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載C。

式中：L0——滾珠絲杠導程，查滾珠絲杠轉動慣量表，初選L0=6 mm；

vs——最大切削力下的進給速度，可取最高進 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——運轉系數，按一般運轉取fw=1.2～1.5，這里取fw=1.2；

L——壽命，以轉106為1單位。

C=18 113 N.

3.1.3 剛度驗算

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行預緊，預緊力為最大軸向負荷的1/3。

圖1 縱向進給絲杠剛度驗算

根據 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，且絲杠又進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍，其實際變形量=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，因進行了預緊，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，滾動體直徑dQ＝6.35 mm，滾動體數量Z＝18，根據公式

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

根據以上計算，

3.1.3.4 穩定性校核

滾珠絲杠兩端采用推力球軸承，不會產生失穩現象，不需作穩定性校核。

3.2 橫向進給絲杠

3.2.1 計算進給牽引力Fm

橫向進給為綜合型導軌，由式（1） 可得Fm＝1 550 N。式（1） 中: K=1.15，Fx=1 334 N，FZ= 2 424 N，f=0.005，G=800 N。

3.2.2 計算最大動負載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106為1單位。

3.2.3 剛度驗算

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行預緊，預緊力為最大軸向負荷的1/3。

圖2 橫向進給絲杠剛度驗算

根據 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，且絲杠又進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍，其實際變形量=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，因進行了預緊，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，滾動體直徑dQ＝6.35 mm，滾動體數量Z＝18，根據式（5） 得δc=0.009 1 mm（式（5） 中Fm的單位為kg），因施加預緊力，δ3＝δc/2＝0.004 5 mm。

根據以上計算，

3.2.4 穩定性校核

計算臨界負載Fk式中：E——材料彈性模量，對于鋼 E＝20.6× 106N/cm2；

I——截面慣性矩，cm4，絲杠I＝（π）/ 64；

d1——絲杠內徑，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，由表中查得一端固定一端簡支，fz＝2.00。

將各值帶入式（6），Fk＝934 478 N。

一般nk＝2.5～4，故此絲杠不會失穩。

3.3 Z向進給絲杠

3.3.1 計算進給牽引力Fm

橫向進給為燕尾型導軌，

式中：綜合型導軌取K=1.4，FZ=1 212 N，Fy= 1 334 N，滾動導軌摩擦系數f取0.2，工作臺重G取3 200 N。

3.3.2 計算最大動負載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106為1單位。

3.3.3 剛度驗算

最大牽引力為5 074 N，支撐間距L＝600 mm，軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的1/3。

根據 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，且絲杠又進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍，其實際變形量=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，因進行了預緊，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，滾動體直徑dQ＝6.35 mm，滾動體數量Z＝18，根據式（5） 得δc=0.012 mm（式（5）中Fm的單位為kg），因施加預緊力，δ3＝δc/2＝0.006 mm。

根據以上計算，

3.3.4 穩定性校核

計算臨界負載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，故此絲杠不會失穩。

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年畢業于大同煤校 (礦山機電專業)，現在大同煤礦集團公司四老溝礦工作，助理工程師。

修回日期：2010-07-14