高压水射流喷丸机床设计毕业设计

毕业设计说明书高压水射流喷丸机床设计 班 级： 学号： 软件学院姓 名： 软件工程学 院： 黄志诚 刘璐专 业： 指导教师： 2014年 6 月高压水射流喷丸机床设计摘 要超高压水射流喷丸机床的设计，主要是针对普通超高压水射流切割机床进行的改造，使其具有对工件进行喷丸硬化处理功能。控制系统利用微机对纵横系统开环控制，驱动元件采用直流步进电机，传动系统采用滚珠丝杠，导向装置采用滚动导套副，夹紧装置为专用旋转夹具对工件实现连续等角速度旋转和按一定角度间休转动。由微机发出指令，驱动步进电机，然后带动滚珠丝杠转动，实现工件的周转运动。本设计详细介绍了水射流数控喷丸机床的总体结构，工作原理和结构设计。关键词：喷丸机，超高压水射流，步进电机，滚珠丝杠，滚动导套Design of high pressure water jet peening machineAbstractThe design of super-high pressure water jet stream blast peening rotoblast machine tool,mainly the remolding of ordinary high pressure water jet stream cutting-off machine tool,has the function of peening disposal to the work piece.The control system utilizes microcomputer to make open loop control toward the vertical-horizontal system,the drive elements use the direct-current step-servo motor, drive system applies the ball screw,the deflector adopts rolling guide-post bushings,and chucking fixture uses special rotating fixture in order to achieve the work piece continuous rotating with angular speed or intermittent rotating with a certain angle.The whole procedure is as follows: microcomputer sends out commands to drive the step-servo motor and bring along the ball screw rolling,then realizes turnover sports of the work piece.All of the above recommends in detail the overall structure,the working thesis and the original design of water jet stream numeric control blast peening rotoblast machine tool.Keyword:Shot blasting machine,Ultra high pressure water jet,Stepper motor,Ball screw, Rolling guide sleeve中北大学2014届毕业设计说明书目 录1 绪论11.1 喷丸机概述及发展现状11.2 高压水射流加工技术11.3 高压水射流数控机床31.3.1 高压水射流喷丸机工作原理41.3.2 高压水射流喷丸机床系统组成41.3.3 高压水射流喷丸机床的设计任务52 传动部件的设计计算及校核62.1 滚珠丝杠副基本结构与特点62.1.1 滚珠丝杠副的组成62.1.2 滚珠丝杠副的基本结构72.1.3 滚珠丝杆副传动的特点82.1.4 典型滚珠丝杠螺母副的结构82.1.5 轴向间隙的消除102.1.6 滚珠丝杠的安装与支承122.2 运动支架滚珠丝杠副副的选型计算132.3 喷头支架滚珠丝杠副的选型计算272.4 滚珠丝杠副的润滑、防护和密封282.4.1 润滑282.4.2 防护292.4.3 密封293 滚动直线导套副的选择计算313.1 滚动导套副的基本结构313.2 滚动导套副的结构形式313.3 滚动导套副的特点323.4 滚动导套副选型计算323.5 导轨防护罩344 专用夹具及其配套组件设计36第 页 共 页4.1 专用夹具的组成及特点364.2 夹具的选型设计364.3 主轴前端头部夹持形式的设计374.4 蜗轮、蜗杆减速机构设计计算375 结论43参考文献43致谢45第 页 共 页中北大学2014届毕业设计说明书1 绪论1.1 喷丸机概述及发展现状喷丸强化加工因其具有提高金属构件抗疲劳性能和抗应力腐蚀能力的优点而得到广泛的应用。它产生于本世纪20年代，最先在汽车工业中应用。60年代之后，又在航空行业中得到更广泛的应用。飞机和发动机中一切关键承力件经过喷丸强化之后，其强化效果之显著，成本之低廉，使得所有其它表面强化工艺都相形见绌。喷丸是使受喷材料在再结晶温度下进行的一种冷加工方法，加工过程由弹丸流在很高的速度下撞击受喷表面而完成的。每颗弹丸好比一只微小的锤头锤击受喷工件，在它的表面形成一个很小的凹坑，当喷丸引起表面材料塑性变形时，与表层相连接的次表层材料也将由于表层变形而发生变形1。但与表层相比较，次表层的变形程度较小，并未达到该材料的屈服点而保持弹性变形状态，因此，表层与次表层的这种不均匀塑性变形，能引起材料受喷后表面层的应力场（即应力分布的）改变。实验表明，喷丸后表层呈现残余压缩应力，而在一定深度的次表层则为拉伸应力。表层的残余压缩应力可比次表层的拉伸应力高达数倍。这种残余应力分布模式很有利于疲劳强度和抗应力腐蚀性的提高。喷丸采用的专门设备，按照驱动弹丸的方式，可分为叶轮式喷丸机、气动式喷丸机和液动式喷丸机三大类。喷丸机又有干喷和湿喷之分。干喷工作条件差；湿喷是将弹丸混合在液体中，呈悬浮状，然后喷射工件表面，工件条件有所改善。喷丸机中还有一个使零件做所需运动的机构，成为转胎。喷丸用的弹丸都是圆形弹丸，直径为0.05-1.2mm不等。常用的弹丸有铸铁、铸钢弹丸，还有钢弹丸，玻璃弹丸，硬质合金弹丸等。喷丸时弹丸材料和直径的选择，将根据需喷丸的零件特点决定，要保证弹丸直径小于需要强化的沟槽圆角的尺寸2。1.2 高压水射流加工技术“水滴石穿”体现了在人们眼中秉性柔弱的水本身潜在的威力，然而作为一项独立而完整的加工技术，高压水射流(WJ)、磨料水射流(AWJ)的产生却是最近三十年的事，利用高压水为人们的生产服务始于十九世纪七十年代左右，用来开采金矿，剥落树皮，直到二战期间，飞机运行中“雨蚀”使雷达舱破坏这一现象启发了人们思维。直到本世纪五十年代，高压水射流切割的可能性才源于苏联，但第一项切割技术专利却在美国产生，即1968年由美国密苏里大学林学教授诺曼弗兰兹博士获得。在最近十多年里，水射流(WJ、AWJ)切割技术和设备有了长足进步，其应用遍及工业生产和人们生活各个方面3。许多大学、公司和工厂竞相研究开发，新思维、新理论、新技术不断涌现，形成了一种你追我赶的势头。目前已有3000多套水射流切割设备在数十个国家几十个行业应用，尤其是在航空航天、舰船、军工、核能等高、尖、难技术上更显优势。已可切割500余种材料，其设备年增长率超过20%。超高压水射流加工是利用高压、高速的细径液流作为工作介质，对工件表面进行喷射，依靠液流产生的冲击作用去除材料，实现对工件的切割。稍微降低水压或增大靶距和流量，还可以进行高压清洗、破碎、表面毛化、去毛刺及强化处理。超高压水射流与激光、离子束、电子束一样，同属于高能束加工的技术范畴4。世界上第一台纯水高压水切割设备诞生于1974年，第一台磨料高压水切割设备诞生于1979年。自20世纪80年代末以来，我国依靠自己的力量，自主开发成功了各类超高压水射流切割设备，并开始了大量的工艺试验研究。目前，该项技术在国内外得到了广泛的应用，在机械、建材、建筑、国防、轻工、纺织等领域正发挥着日益重要的作用。中国自古有“滴水穿石”之说，如今利用超高压水射流技术切割石材和其他材料已成为现实。将过滤后的工业用水加压至100-400MPa再经过直径0.08-0.15mm的喷嘴孔后，形成500-900m/s的超高速细径水柱，功率密度高达106w/mm2,可以切割塑料、石棉、碳纤维等软质材料。在超高压水射流中混入磨料，磨料颗粒便被加速，形成磨料高压水射流，可以切割石才、金属等硬质材料5。超高压水射流本身具有较高的刚性，在与工件发生碰撞时，会产生极高的冲击动压和涡流。从微观上看，相对于射流平均速度存在着超高速区和低速区（有时可能为负值）因而超高压水射流表面上虽为圆柱模型，而内部实际上存在刚性高和刚性低的部分。刚性高的部分产生的冲击动压使传播时间减少，增大了冲击强度，从宏观上看起快速楔劈的作用；而低刚度部分相对于高刚度部分形成了柔性空间，起吸屑排屑的作用。两者的结合，正好像使其在切割材料时犹如一把轴向“锯刀”加工一样。超高压水射流使用廉价的水作为工作介质，是一种冷态加工新工艺，属于绿色加工范畴，是目前世界上先进的切割工艺方法之一，它可以切割各种金属、非金属材料，各种硬、脆、韧性材料，在石材加工等领域具有其他加工方法无法比拟的优势。目前超高压水射流加工技术存在的主要问题是：喷嘴的成本高，使用寿命短，切割速度和精度仍有待进一步提高。1.3 高压水射流数控机床自1983年，磨料射流切割技术作为冷切割新技术、新工艺在美国进入实用阶段以来，以其独特的优势得到了迅速发展，目前广泛地应用于众多工业部门。我国第一台高压水/后混合磨料射流切割设备SHG-1双坐标数控高压水切割机，于1985年由航空工艺研究所研制成功。工作时，可按被加工工件图形所编制的程序高精度地自动切割，可用于各种批量的下料切割及零件的补充切割。用直径为0.3mm的喷嘴，压力为385MPa的水射流，以1000mm/min的切割速度，能够切透6mm厚的芳纶/环氧，切口质量好；用直径为0.3mm的水喷嘴，直径为1.6mm的磨料喷嘴，压力为200MPa的后混合磨料射流，以1000mm/min的切割厚度，能够切透1mm厚的钛板，切口质量很好6。2000年由上海大学研制成功了高性能高压水/前混合磨料射流切割设备JSQ-1010型磨料水射流数控切割机床，该机床的特点是：(1)机床工作台由收集箱、左右支架、滚动丝杠、导向轴、台面框和磨料喷嘴架组成龙门式结构。工作台面尺寸为1m1m，平面内x、y方向进给采用步进式电动机直接带动滚珠丝杠副，实现喷嘴的平面运动。(2)数控系统采用工业计算机为硬件平台，以Windows98操作系统为软件平台，具有自动编程、加工程序编辑、加工轨迹图形仿真、图象转换和网络通讯功能。(3)机床的重复定位精度达0.05mm以内，最大切割速度为3m/min。(4)采用侧孔式磨料供给系统，供料均匀、不堵塞。目前虽然磨料射流切割设备的形式较多，但其组成基本类同，主要包括供水系统、增压系统、磨料供给系统、切割头装置、运动控制系统、工作台、收集箱等几部分。供水系统：将水质软化，使pH值达到6-8，并滤去水中粒径大于0.45m的尘埃、微粒、矿物质沉淀物等，以避免对水喷嘴的堵塞，减轻对通流部件的磨损和腐蚀，延长各部件的使用寿命。增压系统：将水增压到工作压力，主要用柱塞泵或增压泵。磨料供给系统：保证均匀、连续、精确地供给磨料。切割装置：将工作介质的压力能转变为动能，产生高能流束切割工件。运动控制系统：控制切割头运动，实现二维或多维切割。控制方式有手动、机动、NC和CNC等。工作台：安装固定工件和导向。收集箱：置于切割工作台下面，回收切割后的水和磨料，吸收切割后剩余能量，具有集液、消能、降噪、防溅和安全保护等作用。1.3.1 高压水射流喷丸机工作原理高压水射流喷丸加工是一种以水为介质的新型加工工艺，它是将普通水经过特殊处理后注入一个超高压增压系统，迅速将水增压到380MPa以上，然后再将这种高压水输送到弹丸喷头，经水喷嘴喷出形成高压水射流，并在混合室产生一定的高压。弹丸罐中的弹丸在自重作用下流入下部的供水管路中，靠外界大气压与混合室之间的压力差在管路中形成的气力运输效应将钢丸输送到混合室，并与水射流发生剧烈的掺混和动量交换后，经磨料弹丸喷嘴喷出形成弹丸射流7。高压水射流喷丸机的工作原理是靠“抽吸”作用实现输送介质的，因此效率低、混合效果差。但其钢丸供给均匀、能实现精确连续供丸、易调节，故本设计选用。初定选用龙门式机架结构其工作原理示意图如图1.1所示，即喷嘴安装在切割头上，沿X轴作直线运动。同时，横梁还可沿轴在工作台上作直线运动。硬化处理时，工件固定在工作台（水槽）或专用夹具上，切割头在横梁上沿X轴作直线运动；横梁沿Y轴作直线运动。初定X轴、Y轴均采用滚珠丝杠驱动装置和线性导轨，这样可以具有高度的运动精度，在数控系统的程序控制下可实现对平面运动。初定X轴、Y轴均采用滚珠丝杠驱动装置和线性导轨，这样可以具有高度的运动精度，在数控系统的程序控制下可实现对平面及曲面的表面硬化处理。图1.1 超高压水射流喷丸机工作原理图1.3.2 高压水射流喷丸机床系统组成高压水射流喷丸机主要包括高压增压器、超高压增压器、蓄能器、高压水/钢丸喷射系统、机械系统、CAD控制器及CAD/CAM套装软件。当常态水被高压增压器加压后，压力可增至15MPa以上，然后进入超高压增压器，经柱塞加压后，压力可增达382MPa再进入蓄能器管腔中，消除高压脉动，经高压喷嘴喷出，在混合室掺混钢丸后钢丸获得巨大能量8。1.3.3 高压水射流喷丸机床的设计任务本次设计主要对高压水射流喷丸机的机械系统进行整体设计，设计数据参数如下：（1）喷头最大工作行程X轴（纵向）1m Y轴（横向）1m（2）喷头最高移动速度15m/min 最大工作速度3m/min（3）喷嘴数量1个（4）靶距H=200mm（5）旋转夹具所夹工件最大轴径50mm 所夹工件最大长度700-800mm同时在已有的系统基础上利用水射流产生的强大压力结合表面处理工艺使该系统在原有基础上具有对工件进行喷丸硬化处理的功能，以提高机床的实用价值。2 传动部件的设计计算及校核2.1 滚珠丝杠副基本结构与特点2.1.1 滚珠丝杠副的组成滚珠丝杠副是在滚珠丝杠和滚珠螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件（见图2.1）。c)图2.1 滚珠丝杠副1-螺母钢球 2-挡球器（图a） 3-返向器（图b） 4-丝杠在滚珠螺母体上装有滚珠循环装置，又称反向器，它构成滚珠返回通道，使滚珠在闭合回路中形成滚珠链的反复循环运动。避免了滚珠顺着滚道螺旋面滚到滚珠螺母外面。滚珠丝杠副由滚珠、滚珠丝杠、滚珠螺母、滚珠循环装置（又称反向器）组成（见图2.2）。这些基本件缺一不可。根据需要滚珠丝杠上还可以增加如防尘用的密封件、滑用的润滑件、预紧零件等9。图2.2 滚珠丝杠副的组成2.1.2 滚珠丝杠副的基本结构滚珠丝杠副的结构主要可以按滚道螺旋面的法向截型、滚珠的循环方式、滚珠丝杠副轴向间隙的预紧方式分类。（1）按滚道螺旋面的法向截型分类通过滚珠中心并垂直于滚道螺旋面的平面和滚道表面的交线称滚道法向截形，常用的滚道法向截形有两种：单圆弧形和双圆弧形。（2）按滚珠循环方式分类1）内循环滚珠丝杠副：滚珠在循环过程中，始终不脱离滚珠丝杠表面。2）外循环滚珠丝杠副：滚珠在循环反向时，离开滚珠丝杠外表面。3）按轴向间隙的调整及预紧方式分类滚珠丝杠副在工作状态下滚珠与螺母、丝杠的接触点的应力和变形情况一般的角接触球轴承十分相似，两者区别主要在于前者滚道是一螺旋面，后者滚道是一圆环面。滚珠丝杠副按预紧方式分类（见表2.1）所示10。表2.1 循环方式内循环浮动式反向器固定式反向器外循环插管式埋入凸出螺旋槽式端盖式2.1.3 滚珠丝杆副传动的特点（1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副传动的效率=0.920.96，比常规的丝杠螺母副提高34倍（滑动丝杆效率为0.20.4）。因此，功率消耗只相当于常规丝杆螺母副的。（2）给予适当预紧，壳消除丝杆和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚性好。（3）启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高，同步性好。（4）有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杆和螺母都可以作为主动件。（5）磨损小，使用寿命长，精度保持性好。（6）制造工艺复杂。滚珠丝杆和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值特别小，制造成本高。（7）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于重力作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置11。2.1.4 典型滚珠丝杠螺母副的结构图2.3 单螺母外循环滚动螺旋副1螺母 2套 3钢球 4螺旋槽返回通道 5挡球器 6丝杠图2.4 双螺母外循环螺纹调整式滚动螺旋副1螺母 2挡球器 3钢球 4丝杠 5垫圈 6圆螺母图2.5 双螺母内循环垫片调整式滚动螺旋副1螺母 2调整垫片 3返向器 4钢球 5丝杠图2.6 双螺母内循环齿差调整式滚动螺旋副1螺母 2内齿圈 3返向器 4钢球 5丝杠2.1.5 轴向间隙的消除轴向间隙通常是指丝杠和螺母之间无现对转动时，丝杆螺母之间的最大轴向窜动。除了结构本身的游隙之外，在施加轴向载荷以后，还包括了弹性变形所造成的窜动。滚珠丝杆副通过预紧的方法消除间隙时应考虑下列情况：预紧载荷能够有效的减少叹息功能变形所到来的轴向移动，但是过大的预紧载荷将增加摩擦阻力，降低传动效率，并使寿命大为缩短。所以，一般要经过几次调整才能保证机床在最大轴向载荷下，既消除了间隙，又能灵活运转。减少间隙常采用双螺母消隙。常有以下几种：（1）双螺母尺差预紧（图2.7a），在这个结构上两个滚珠丝杠螺母上切有内齿轮，齿数分别为和，且，双联齿轮上齿数也分别为和。齿数相同的齿轮相啮合。调整预紧力时，需将滚珠螺母从滚珠丝杠上拧下。将滚珠螺母体与双联齿轮脱开，然后两个滚珠螺母体向相同方向各转动一个齿，再与双联齿轮啮合，这样两个滚珠螺母在圆周方向有了相对旋转。滚珠螺母体与滚珠丝杠的接触点就产生了轴向位移。当时，。这种结构复杂，成本高，调整预紧力不方便，因此使用不广泛。但调整精度高，适用于要获得准确预紧力的传动。（2）双螺母对旋预紧（图2.7b）。调整预紧力的原理与双螺母齿差相同。有两个滚珠螺母体相反方向的旋转导致两个滚珠丝杆的接触点产生轴向位移。预紧力调整好之后，在中间隔圈上需打防松定位销。这种结构在双螺母预紧结构中轴向尺寸最小，但防松不够可靠，调整也不够方便。仅适用于轻载荷、预紧力不大的传动。 (a)(b)图2.7 双螺母齿差预紧（a.齿差预紧 b.对旋预紧）（3） 双螺母垫片预紧（图2.8）。其中图a属于拉伸预紧，预紧力对滚珠丝杆产生拉应力。图b属于压缩预紧，预紧力对滚珠丝杆产生压应力。图2.8 双螺母垫片预紧（4）双螺母螺纹预紧（图2.9）。导向平键限制两个滚珠螺母的相对运动。右边一个滚珠螺母上装有调整螺母，调整预紧力时，不需将滚珠螺母从滚珠丝杆上拧下来，只需旋转调整螺母使右边滚珠螺母的轴向位置改变到即可。预紧力调整方便，但预紧力较难精确控制。这种结构径向尺寸大、轴向尺寸长，结构复杂。有时为减小径向尺寸，不用衬套，直接将两个滚珠螺母装入有键槽的螺母座中12。图2.9 双螺母螺纹预紧比较以上的四种结构方式，我们采用双螺母螺纹预紧结构。2.1.6 滚珠丝杠的安装与支承数控机床的进给要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母副本身的刚度外，滚珠丝杠正确安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。螺母座丝杠端部的轴承及其加工的不精确性和它们在受力之后的过量都会给进给系统的传动刚度带来影响。因此，螺母座的孔与螺母之间必须保持良好的配合，并应保证孔对端面的垂直度。螺母座应增加适当的筋板，并加大螺母座和机床结合部件的接触面积，以提高螺母座的局部刚度和接触刚度。滚珠丝杠的不正确安装以及支承机构的刚度不足会使滚珠丝杠的寿命大为下降。滚珠丝杆常用推力轴承支承，以提高轴向刚度（当轴向负载很小时，也可用角接触轴承），滚珠丝杠在机床上的安装支承方式有以下几种：图2.10 支承方式（1）一端装推力轴承如图a，这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低。只适用于短丝杆，一般用于数控机床的调节环节或升降台式数控铣床的立向（垂直）坐标中。（2）一端装推力轴承，另一端装向心球轴承如图b，此种方式可用于丝杠较长的情况。应将止推轴承远离液压马达热源及丝杠上的常用段，以减少丝杠热变形的影响。（3）两端装推力轴承如图c，把推力轴承装在滚珠丝杆的两端，并施加预紧拉力，这样有助于提高刚度，但这种安装方式对丝杠的热变形较为敏感，轴承的寿命较两端装推力轴承及向心球轴承方式低。（4）两端装推力轴承及向心球轴承如图d，为使丝杆具有最大的刚度，它的两端可用双重支承，即推力轴承加向心轴承，并施加预紧拉力。这种结构方式不能精确地预先预定预紧力，预紧力地大小是由丝杠地温度表形转化而产生的。但设计时要求提高推力轴承的承载能力和支架刚度13。综合分析后，在本次设计改造中，横向丝杠支承形式我们采用第（2）种形式。纵向丝杠支承形式采用第（4）种形式，使支承可靠，承载能力大，同时可以在温升时使热变形转化为预紧力。2.2 运动支架滚珠丝杠副副的选型计算已知：工作台重量W1=1000N，工作台最大行程LK=1000mm，工作台导轨的摩擦系数：动摩擦系数=0.1，静摩擦系数0=0.2，快速进给速度Vmax=7.5m/min，定位精度20m/300mm，全行程25m，重复定位精度10m，要求寿命20000小时（两班制工作十年）。表2.2 工作参数加工方式进给速度Vi(m/min)工时百分比%丝杠轴向载荷(N)丝杠转速r/min一般加工1701000100最高加工速度3201000300快速进退7.51010007501、确定滚珠丝杠的导程Ph = 式中： Ph ：滚珠丝杠副的导程 mm Vmax ：最大行程 3m/min nmax ：电机最高转速 1500r/min i ：传动比 齿轮一级减速 i=0.5 代入得， Ph = 4 mm 圆整为 Ph = 5 mm滚动螺旋结构形式定为内循环式（见图2.7）。在结构上在螺母上开有侧孔，孔内镶有反向器，将相邻两螺纹滚道联接起来，刚球从螺纹滚道进入返向器，越过螺杆牙顶进入相邻螺纹滚道，形成循环通道。这样的结构螺母的外型尺寸小和滑动螺旋副大致相同。刚球循环通道短，有利于减少刚球数量减小摩擦损失，提高传动效率。但返向器回行槽加工要求高且不适于重载传动18。消除间隙和调整预紧的结构形式为齿差式（见图2.7a所示）。螺母1、2的凸缘上有外齿，分别与紧固在螺母座两端的内齿圈3、4（或滑块）啮合，其齿数分别为Z1和Z2，且Z2=Z1+1。两个螺母向相同方向同时转动，每转过一个齿，调整的轴向位移量为S=（p是螺距）。此形式能够精确地调整预紧力，易用于高精度的传动机构。2、确定当量转速与当量载荷（1）各进给速度下丝杠转速ni = ni ：丝杠转速 r/min i=1,2,n Vi ：进给速度 m/min i=1,2,n 由表2-2得 V1 = 1 m/min V2 = 3 m/min V3 = 7.5 m/min Ph = 5 mm因为本设计为喷丸机床，且靶距保持在30mm左右，故认为丝杠轴向载荷不变，即工作台重量W1= 100 Kg则 F1=F2=F3=1000N（2）当量转速 由表2-2查得 t1 = 70 t2 = 20 t3 = 10 代入得：nm =410 r/min 代入得： Fm =743 N 3、预期额定动载荷（1）按预期工作时间估算式中：Cam : 预期额定动载荷 N Lh : 预期工作时间 取 Lh = 20000 h fw : 载荷系数 取 fw = 1.2（无冲击） fa : 速度系数 根据初定精度等级T-传动滚珠丝杠，通常选用精度等级5级 取 fa = 0.9 fc : 可靠性系数 取可靠性为90% 则fc = 1已知： nm =410 r/min代入得： Cam = 7819N按滚珠丝杠的预期运行距离LS（Km）估算Cam = 式中:LS : 预期运行距离LS（Km），一般取250Km其它代号意义同上。代入得: Cam = 5885.65N（2）拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载Fmax计算： 式中:fe : 预加载荷系数，取 fe = 6.7代入得:Cam = 4977N取以上两种结果的最大值Cam = 7819N4、按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹直径（1）估算丝杠允许的最大轴向变形量m按规定m = （）重复定位精度按规定m （）定位精度已知：重复定位精度为10m、定位精度为25m则 m = 3m m = 6m取两种结果最小值m = 3m（2）估算滚珠丝杠副的最小螺纹底径d2m取丝杠安装方式为两端固定形式如图2.11所示图2.11 滚珠丝杠安装方式示意图式中：E : 杨式弹性模量 2.1105MPm : 估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量mF0 : 导轨静摩擦力 N 。F0 = 0(0为静摩擦因数） F0 = 200NL : 滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支撑的最大距离 mmL按下式计算： L=行程+安全行程+两个余程+螺母长度+1个支撑长度 =（1.11.2）行程+（1014）Ph =1270代入得：d2m = 11.35mm5、确定滚珠丝杠副的规格代号（1）根据传动方式及使用情况，按照样本选为内循环浮动式法兰。双螺母垫片预紧形式，其特点是：结构简单，压缩预紧可用螺钉，圆柱防止两个滚珠螺母相对转动。预紧力调整方便，调整后不易松动，刚度高。（2）由计算出的Ph ，Cam ，d2m 在样本中取相应规格的滚珠丝杠副， Ph = 5mm Cam = 7819N d2m = 11.5mm查丝杠产品确定本设计选型为：FFZD2505-3，其技术参数如下： Ph = 5mm Ca = 9KNCam =7.819KN d2 = 21.9mmd2m =11.5mm螺母长度L=83mm，额定动载C0a=17KN，刚度R=536Nm-1由机械设计手册3卷查得，Ph = 5mm时，刚球直径D=3.175（），公称直径d=25mm，螺纹升角=339，圈数列数21。滚珠螺母连接形式如图2.12所示，尺寸为：d=25mm Ph w= 5mm D1=40mm D=66mm D4=53mm B=11mm D5=5.5mm D6=10mm h=5.7mm。6、对预紧丝杠副，确定其预紧力FP由于选择FFZD预紧螺母形式的滚珠丝杠副，则需规定预紧力FP。因最大工作载荷没有确定（工作时只有惯性力即机架动摩擦力起作用，其它阻力很小）故FP=Ca其中取（机电一体化技术手册）轻载荷=0.05则FP=530N7、对预拉伸的滚珠丝杠，计算行程补偿值C和预拉伸力Ft对于两端固定支承需要预拉伸的滚珠丝杠，应规定目标行程的行程补偿值C并计算拉伸力式中：t : 温度变化值，一般23al : 丝杠的线膨胀系数11.810-6/lu : 滚珠丝杠副的有效行程lu=工作行程+螺母长度+两个安全行程 =行程+（814）Ph =1050mm代入得：C=31m式中：Ft : 预拉伸力N d2 : 滚珠丝杠螺纹底径 mm d2=21.9 mm E : 杨氏弹性模量 2.1105MPa t : 温度变化值，取t=2.5代入得：Ft=2278N8、确定滚珠丝杠副支撑所用轴承类型及规格（1）计算轴承所承受的最大轴向载荷FBmax代入得：FBmax=3278N（2）轴承类型两端固定的支撑形式，选背对背60角接触推力球轴承（3）轴承内径d略小于d2 =21.9 mm取d = 17 mmFBp= FBmax代入得：FBp=1093N（4）轴承预紧力预加负荷（5）按样本选轴承型号规格当d=17mm，预加负荷为：FBP，所以选36203轴承。预加负荷为5820NFBp=1093N。9、滚珠丝杠副工作图设计（1）丝杠螺纹长度Ls：Ls=Lu+2Le，由表二查得余程Le=40绘制工作图如下：图2.12 滚珠丝杠副工作图（2）两固定支承距离L1按样本查出螺母安装联接尺寸丝杠全长1507mm（3）行程起点离固定支承距离L0由工作图得：Ls = 1186L1 = 1256L = 1507L0 = 4010、电机选择反应式步进电机110BF003步距角 0.75 3-16N/m（1）作用在滚珠丝杠副上各种转矩计算：外加载荷产生的摩擦力矩TF（Nm）TF =式中： : 滚珠丝杠的导程 5mm : 未预紧的滚珠丝杠效率。1、2、3级精度的丝杠=0.9。 : 作用在滚珠丝杠副上的外加轴向载荷N代入得：TF =1Nm滚珠丝杠预加载荷Fp产生的预紧力矩Tp(Nm)Tp =式中： ：滚珠丝杠副预加载荷=530N其它代号意义同上。代入得：Tp =0.162Nm（2）负载转动惯量及传动系统转动惯量J的计算JL=J=Jm+JL=25.210-5式中：, : 各直线运动件的质量（Kg）和速度（m/min）Jm , ：电动机的转动惯量和转速（r/min）已知机架总重量100 Kg，最大运动速度3 r/min。则：JL =6.310-5 Kgm2 Jm =18.910-5 Kgm2（3）加速转矩Ta和最大加速转矩Tam电动机转速从n1升到n2时Ta =当电动机从静止升到nmax时Tam =式中：n : 电动机转速r/minnmax : 电动机最高转速1500r/min : 加速时间。（34） : 电动机时间常数。电动机样本查得=5ms代入得：Tam =0.795Nm（4）电动机最大起动转矩Tr Tr= Tam+( TF+ Tp)+ Te式中： : 电动机到滚珠丝杠传动比 =0.5 : 不在滚珠丝杠副上的其他元件的摩擦力矩折算到电动机上的值。=0.1Nm则 Tr= 1.476 Nm电动机最大静转矩3.92 NmTr= 1.476 Nm故合乎要求可以选用（5）电动机连续工作的最大转矩TM =( TF+ Tp)+ Te =0.69 Nm电动机额定转矩T=2TM =0.69 Nm符合要求。11、传动系统刚度计算（1）传动刚度K的计算公式=式中： ：滚珠丝杠副的抗压刚度； ：滚珠丝杠副的支承轴承的轴向刚度。可查样本 ：滚珠丝杠副滚珠与滚道的接触刚度。可查样本（2）计算滚珠丝杠副的拉压刚度是滚珠螺母至丝杠轴向固定距离a的函数。支承形式为两端支承时：=当a=(即处在两端支承的中点)时，刚度最小=6.6式中： ：两支承间的距离 =1256mm : 滚珠丝杠螺纹底径 =21.9mm代入得：=257N/m当a=(螺母在行程起点处)时刚度最大=6.6代入得：=1034 N/m（3）支承轴承组合刚度一对预紧轴承的组合刚度=式中： ：一对预紧轴承的组合刚度m ：滚珠直径 =5.75 ：滚珠数 =15：最大轴向载荷 ：轴承接触角 =60由样本查出：36203轴承是额定载荷的3倍=14.46KN代入得：=120 N/m支撑轴承组合刚度两端固定支撑=2=240 N/m（4）滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度=式中： ：查样品上的刚度 =R=536 N/m ：滚珠丝杠副预紧力 =530N ：额定动载荷 =9KN代入得：=450 N/m12、传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择（1)=代入得：= N/m=代入得：= N/m已知：1=1000N 0=0.2 则 F0=01=200N由于数控机床精度在机床空载下验收，=称摩擦死区误差，是机床空载时导轨上的静摩擦力。k=(-)称为传动系统刚度变化引起的定位误差。按JB/GQ 1140-89规定的数控机床反向差值主要取决于，而定位误差主要取决于滚珠丝杠副的速度，其次是k。（2）传动系统刚度验算：0.8反向差值即 反向差值即重复定位精度10m代入得：=9850故传动系统刚度满足要求。（3）传动系统刚度变化引起的定位误差k=(-)=0.57m（4）确定精度V300p : 任意300mm内的行程变动量对半闭环系统而言，V300p0.8定位精度-k定位精度为20m /300V300p15.43丝杠精度取为3级V300p=12m15.43（5）确定滚珠丝杠副的规格代号已确定型号FFZD公称直径：25，导程：5，螺纹长度：1186，丝杠全长：1507，P类 3级精度故规格代号为FFZD2505-3-P3/15071186。13、滚珠丝杠副临界压缩载荷Fc的校验（验算压杆稳定性）=式中： : 滚珠丝杠螺纹底径，取样本数据 =21.9mm : 滚珠丝杠最大受压长度为 =1284mm : 滚珠丝杠副承受最大轴向压缩载荷1000N ：安全系数，丝杠水平安放 = = ：支承系数，与支承方式有关。查表得两端支承=4代入得 FC = 18600N1000N符合要求。14、滚珠丝杠副的极限转速nc的校验（避免高速运转时产生共振）nc = = 式中：nc ：极限转速E ：杨式弹性模量 2.1105MPa ：材料密度，钢的密度为7.810-6Kg/mm3I ：丝杠的最小断面二次距 I=mmA ：丝杠的最小横截面积 A= ：安全系数 一般取0.8、： 取2.9 取4.73d2=21.9LC2 : 临界转速计算长度 LC2=L1-L0=1320代入得：nc =2753r/min ncnmax=1500 r/min15、Dn值校验 Dn=DPWnmax式中：DPW ：滚珠丝杠副的节圆直径 mmnmax : 滚珠丝杠最高转速 r/minDPW26.2mm nma=1500 r/min 代入得：Dn=3930070000满足要求16、基本轴向额定静载荷C0a验算要求： C0a式中：C0a ：滚珠丝杠副的基本轴向额定静载荷 ：静态安全系数一般载荷=12，有冲击或振动的载荷=23 取轻载无振动则=12代入得：=14.46KN17KN满足要求，可以采用。17、强度验算 ；式中： ：许用应力N/mm2，钢的=100MPa ：滚珠丝杠螺纹底径=21.9mm代入得：=10.72满足要求。2.3 喷头支架滚珠丝杠副的选型计算已知：工作台重量W1=200N，工作台最大行程LK=1000mm，工作台导轨的摩擦系数：动摩擦系数=0.1，静摩擦系数0=0.2，快速进给速度Vmax=7.5m/min，定位精度20m/300mm，全行程25m，重复定位精度10m，要求寿命20000小时(两班制工作十年)。表2.3 工作参数加工方式进给速度Vi(m/min)工时百分比%丝杠轴向载荷(N)丝杠转速r/min一般加工1701000100最高加工速度3201000300快速进退7.5101000750Ph = 式中：Ph ：滚珠丝杠副的导程 mmVmax ：最大行程 3m/minnmax ：电机最高转速 1500r/mini ：传动比齿轮一级减速 i=0.5 代入得，Ph = 4 mm 圆整为 Ph = 5 mm如以上所算，相同工况下喷头支架滚珠丝杠副所选导程与运动支架滚珠丝杠副相同，并且喷头支架重量为W1=200N，这样为了计算选型以及采购和安装的方便 我们决定采用与运动支架滚珠丝杠副相同型号的滚珠丝杠作为喷头支架滚珠丝杠副，即确定其型号为FFZD2505-3-P3/15071186。由于其重量仅为200N1000N，故肯定能满足使用要求。同时因其喷头支架重量为200N，根据前面运动支架带动步进电机的选型计算由经验选择带动步进电机为55BFOO1型反应式步进电机，步距角0.75 3-16N/m。2.4 滚珠丝杠副的润滑、防护和密封2.4.1 润滑滚珠丝杠必须润滑。滚珠丝杠的润滑可选用油或脂。滚动轴承用的各种润滑剂原则上都可用。主轴用的各种润滑剂和润滑方式都可用于精密滚珠丝杠14。本设计滚珠丝杠副采用锂基润滑脂或主轴用润滑油。每周检查一次滚珠丝杠，当选用润滑油时，油中不能有金属异物或污染物。在试车一周后更换一次油，以后逐渐增长换油时间。润滑油粘度按表6.2-85（机电一体化技术手册）选择当丝杠最高转速7001500r/min粘度为ISO VG46、ISO VG32。润滑脂选用2号锂基润滑脂，正常使用时第一次润滑脂使用2个月后就需更换，以后逐渐更换延长时间到一年更换一次。2.4.2 防护滚珠丝杠防护套有伸缩套管式、折叠式和螺旋钢带保护套。其中螺旋钢带保护套有专业厂家生产。所以本次设计拟选用螺旋钢带式保护套。根据滚珠丝杠基本参数确定Lmax=1200mm查产品样本手册选用LGB-50-1200-100-H型螺旋钢带保护套，其规格见图2.13其基本尺寸确定为：Lmax=1200mm Lmin=100mmD1=50mm D2=84mmD3=90mm D4=48mm则其最大允程L= Lmax- Lmin=1100mm满足要求，可以使用。图2.13 螺旋钢带保护套2.4.3 密封滚珠螺母的两端密封圈用聚四氟乙烯或尼龙制造的接触式密封圈。使用中要特别注意防止螺旋式密封圈松动，否则密封圈将成为一个锁紧螺母增大摩擦力矩，影响滚珠丝杠副的正常运转。为保证螺母在正常行程内运转，一避免螺母越出行程部分而使滚珠散失，故在横向和纵向导轨两端安置行程开关和限位装置15。图2.14 丝杠螺母密封圈3 滚动直线导套副的选择计算3.1 滚动导套副的基本结构滚动导套副的结构见图3.1，它主要由滚动导套（又称直线滚动球轴承），导轨轴，滚动导套支座及导轨架构成。滚动导套的结构由套筒、保持架、滚珠（承载滚珠和回珠）、带橡胶密封的挡圈构成。滚动导套和保持架上有平行与轴线、深浅不同的沟槽。导轨轴装入滚动导套后，保持架就与导轨轴、滚动导套构成了滚道和回珠槽。当滚动导套在导轨轴上做相对直线运动时，滚珠就在滚道和回珠槽中做循环滚动。因此，滚动导套副属于无限循环的滚动导轨，而保持架还有反向器的作用。挡圈除起密封作用外，还对保持架起轴向限位作用16。图3.1 滚动导套副的结构3.2 滚动导套副的结构形式本设计有效行程为1000mm属短行程，故选用封闭类型滚动导套，这是常用的类型，这种类型的滚动导套副是封闭的，因此只能在导轨轴两端配两个导轨轴支架，所以这种类型只适用于短行程。而封闭型中又可分不可调隙封闭型及可调隙封闭型两种，为了便于使用调整本设计选用可调隙封闭型滚动导套副见图3.2在导套及挡圈上开有轴向间隙，在滚动导套支架上也开有轴向缝隙，并增加调隙螺钉适当拧紧调隙螺钉，可以适当减小滚动导套与导轨轴之间的间隙，甚至可以达到轻微过盈。为了使滚动导套变形均匀，滚动导套的轴向缝隙与支架的轴向缝隙应成90分布。图3.2 可调隙封闭型滚动导套副3.3 滚动导套副的特点1、滚动导套副的导轨轴是圆柱体，采用优质合金钢制造，外表面经中频感应淬硬HRC58-63，制造容易、耐用、性能稳定，有良好的精度保持性。但承载刚球与导轨之间是两个凸圆之间的点接触，与尺寸类似的滚动直线导轨副比较，许用载荷小得多，因此，滚动导套副只能用于轻载场合，并且一般不预加载荷。本次设计为喷丸机机架由经验估计重量约100千克，轻便无预加载荷故适用。2、滚动导套副不能传递转矩，并且由于保持架上开的槽是轴的，滚动导轨和导轨轴之间还不能相对旋转。总的来说，滚动导套副具有的如下特点使其具有高的广泛的应用场合。摩擦系数很小，只有0.0010.004，功率消耗低，省电节能。微量移动灵活、准确，低速时无蠕动爬行。具有结构自调整能力，可降低相应配件加工精度。润滑简便，维修更换快速方便。移动速度快，精度高，行程长17。3.4 滚动导套副选型计算1、选型进给滚珠丝杠为FFZD2505-3-P3/13801289故由滚动直线导套副尺寸系列中初步选定采用GTB30-t-1型滚动直线导套副。其技术规格为，额定动载荷C=1270N换算成C=12709.80=130Kg。支架和喷头架及喷头重量初步由经验估算为100 Kg，同一平面两根导轨轴上用四个直线运动球轴承即m=4，精度选4级P=25 Kg2、额定寿命计算轴承单行程长度LS=1m，每分钟往复次数n=1.5，每天开机6小时，每年按300工作日计算，则每年工作小时3006=1800小时，要求寿命周期在5年以上。L=50 式中：L ：额定寿命 Km ：温度系数 =1 ：接触系数 =0.81 ：载荷系数 =1.25 ：硬度系数 =1代入得：L=1912Km3、额定寿命时间计算Lh=式中：Lh ：额定寿命（h）L ：额定寿命（Km） ：行程长度（m）=1 mn ：每分钟转往复次数 n=1.5次代入得：Lh=10623小时寿命周期T=额定小时寿命Lh/每年工作小时=10623/18006年，故能满足使用要求。4、初选预加载荷类别选取普通载荷P5、计算滑块上所承受的载荷由于喷丸时靶距很大，所以反作用力很小这里可以忽略不计，则滑快的支撑力为 R=250N，GTB30预加载荷类别为普通载荷时，预紧力为690N，则滑块受力为F=（690+250）=940N计算当量载荷Fc 设往复一次总行程为L=2则：Fc=F=940N6、计算额定动静载荷由样本查得GTB30的基本额定静载荷C0=2150N取安全系数=2(一般运行状况下取12；轻微冲击取23；受冲击震动取35)代入得：=2.3=2满足要求7、刚度计算：计算光杠中点H的弹性位移在支架及喷头重力作用下，中点有弹性位移（向下）=式中： ：支撑长度 ：材料弹性模量，对于钢 =2.1105MPa : 光杠直径 ：轴受变矩 =代入得:=0.73m确定滚动导套副的编号为:GTB30-t-21000-P3.5 导轨防护罩导轨的维护对机械的寿命影响很大。本设计除采用各种润滑密封方式外，对横向和纵向进给系统还采用了双密封措施，即滚珠丝杠采用螺旋钢带保护套，同时导轨的密封采用伸缩式导轨防护罩。缩式导轨防护罩已经标准化，有低速（12m/min）、中速（1225m/min）、高速（2545m/min）三种类型，根据本设计导轨最大速度选择低速类型，其结构及见图3.3导轨防护罩的结构形式。图3.3 导轨防护罩的结构形式4 专用夹具及其配套组件设计4.1 专用夹具的组成及特点专用夹具是指专为某一工件的某道工序的加工而专门设计的夹具，具有结构紧凑，操作迅速，方便等优点。专用夹具由定位装置、夹紧装置、对刀引导装置、夹具体及其他元件及装置组成。1、定位装置这种装置包括定位