滚珠丝杠螺母副的选型与计算.docx

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1、金属切削机床的技术规格每一类机床，为了能够加工不同尺寸的工件，所以不可能所有的机床都做成一种规格，这是不是实际也是不符合经济效益的。国家根据了机床的生产和使用的情况，规定了每一种通用机床的主参数和第二主参数系列。卧式车床的主参数包括：在床身上工件的最大回转直径有250、320、400、500、630、800、1000、1250mm八种规格；主参数相同的卧式车床一般又有几种不同的第二的主参数最大工件长度。例如，CA6140型卧式车床在床身上最大回转直径为400mm，而最大工件长度有750、1000、1500、2000mm四种。机床的基本运动机床进行加工的实质其实就是让刀具与工件之间进行相对的运动

2、。虽然各种类型机床的具体用途和加工的方法不尽相同，但是它们工作的基本原理都是一样的，那就是通过刀具和工件之间的相对运动，使得毛坯上的多余金属被切除，并形成一定的形状、尺寸和质量的表面，从而获得所需要的机械零件。因此加工需要什么运动和机床需要如何实现这些运动，就是我们首先要讨论的问题。机床的运动分析，就是研究在金属切削机床上的各种运动及其相互联系。机床运动分析的一般过程包括：根据在机床上加工的各种表面和使用的刀具类型，分析出得到这些表面的方法和所需要的运动，再去分析为了实现这些运动，机床应该具备的传动联系，实现这些传动联系的机构以及机床运动的调整方法。这个顺序可以总结为“表面-运动-传动-机构-

3、调整”。尽管机床的品种有很多，结构也不尽相同，但归根结底也不过是几种基本运动类型的组合与转化而已。机床运动的分析目的在于，可以利用非常简便的方法迅速地认识一台陌生的机床、掌握机床的运动规律、分析或者比较各种机床的传动系统，从而能够合理地去使用机床和正确设计机床的传动系统。机床的传动系统传动链传动链是指由运动源、传动装置和执行件按一定的规律所组成的传动系统。机床加工过程中所需的各种运动都是通过相应的传动链来实现的。运动源运动源是给执行件提供动力和运动的装置。在通用机床上，一般采用三相异步电动机作为运动源。在数控机床上，多采用交流调速电动机和伺服电动机，这类电动机具有转速高、调速范围大、可无级变速

4、等优点。传动装置传动装置是传动运动和动力的装置，通过它把运动源的运动和动力传给执行件。通常，传动装置还需要完成变速、变向、改变运动形式等任务，使执行件获得所需要的运动速度、运动方向和运动形式。在通用机床上，由于传统交流异步电动机的变速能力有限，变速的主要任务都是由传动装置完成的，这类传动装置所涉及的传动件多、传动系统较为复杂。传动原理各种类型的机床所需要的成型运动是不同的，实现成型运动所采用的传动路线表达式和具体的传动机构也是多种多样的，但成型运动主要是由简单的和复合的运动所组成的，而不同机床上实现这两种运动的传动原理完全相同。所以，只要掌握定了实现这两种运动的传动原理，其他类型运动的传动联系

5、就可以依照此方法进行分析了。外联系传动链。联系运动源和机床执行件，使执行件得到运动，并且能够改变运动的速度和方向，但不要求运动源和执行件之间有严格的传动比的关系。例如，车削螺纹时，从电机到车床主轴的传动链就是外联系传动链，它只决定车削螺纹的速度，不影响螺纹表面的成型。内联系传动链。联系复合运动之内的各个分解部分。内联系传动链所联系的执行件相互之间的相对速度有严格的传动比要求，用来保证准确的运动关系。例如在卧式车床上用螺纹车刀车螺纹时，联系主轴刀架之间的螺纹传动链，就是一条传动比有严格要求的内联系传动链。再如，用齿轮滚刀加工直齿圆柱齿轮时，为了得到正确的渐开线齿形，滚刀均匀地转1K转时（K是滚刀

6、头数），工件就必须均匀地转1Z转（Z为齿轮齿数）。传动系统及传动系统的表达传动系统实现一台机床加工过程中全部成型运动和辅助运动的所有传动链，就组成了一台机床的传动系统。机床上有多少个运动，就有多少条传动链，根据每一个执行件完成运动作用的不同，各个传动链相应被称为主运动传动链和进给运动传动链等。传动系统的表达及传动比通常可用规定的简单符号（国家标准GB44601984）表示一台机床的传动系统，其图形称为机床的传动系统图。滚动直线导轨的选型与计算1）滚动直线导轨的选型一般是依照导轨的承载量，先根据经验确定导轨的规格，然后进行寿命计算。导轨的承载量与导轨规格一般有表2-14中所列出的经验关系。该表列

7、出的只是经验数据，有时还要根据结构的具体尺寸综合考虑。表2-14 导轨承载量与导轨规格对应的经验关系承载量/N3000以下3000500050001000010000250002500050000导轨规格3035455565 2）滚动直线导轨的计算 滚动直线导轨的计算就是计算其距离额定寿命或时间额定寿命。（1）距离额定寿命L和时间寿命Lh可以用以下公式计算L=50fhftfcfafwCaF3L=50fhftfcfafwCaF3式中：fh硬度系数，一般要求滚道的硬度不得低于58 HRC，故通常可取fh=1； ft温度系数，参见表2-15； fc接触系数，参见表2-16； fa精度系数，参见表2-

8、17； fw载荷系数，参见表2-18； Ca额定动载荷（N）； F计算载荷（N）。Lh=H1032ln608.3Hln hLh=H1032ln608.3Hln式中：l行程长度（m）； n每分钟往返次数。表2-15 温度系数工作温度/100100150150200200250ft1.000.900.730.60表2-16接触系数每根导轨上的滑块数12345fc1.000.810.720.660.61表2-17精度系数精度等级2345fa1.01.00.90.9表2-18载荷系数工作条件 无外部冲击或振动的低速运动（速度小于15m/min）场合 无明显冲击或振动的中速运动（速度小于1560m/mi

9、n）场合 有外部冲击或振动的高速运动（速度大于60m/min）场合fw11.51.52.02.03.5（2）作用于滚动直线导轨载荷的计算。 滚动直线导轨支撑系统所受的载荷，受到下列各种因素的影响：导轨的配置形式（如水平、垂直、横排等），移动部件的重心和受力点位置，导轨上移动部件牵引力的作用点，启动及终止时的惯性力以及运动阻力等。一般把滚动直线导轨的距离额定寿命定为50km，时间额定寿命可以根据式（2-13）来折算。在设计中，如果根据经验已经选定了某种型号的滚动直线导轨，则根据样本可以查出该滚动直线导轨的额定动载荷Ca，再根据式（2-12）和式（2-13）计算距离额定寿命H和时间额定寿命Hh。若

10、H或Hh大于滚动直线导轨的额定寿命，则满足设计要求，初选的滚动直线导轨副可以采用。反之，如果给定了滚动直线导轨的期望寿命，则可以根据式（2-12）计算滚动直线导轨的额定动载荷Ca，据此选择滚动直线导轨的型号。滚珠丝杠螺母副的选型与计算滚珠丝杠螺母副概述 数控机床的进给传动系统中，将旋转运动转换为直线运动的方法很多，采用滚珠丝杠螺母副是常用的方法之一。 1.滚珠丝杠螺母副的工作原理与特点1）滚珠丝杠螺母副的工作原理滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置，其结构图2-25所示。在丝杠3和螺母1上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺母滚道。螺母上有滚珠的回路管

11、道4，将几圈螺旋道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠2。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母（或滚珠丝杠）轴向移动。滚珠丝杠螺母副的选型与计算1.滚珠丝杠的精度选择1）滚珠丝杠的精度等级国家标准GB/T 17587.31998将滚珠丝杠分为定为滚珠丝杠副（P型）和传动滚珠丝杠副（T型）两大类。滚珠丝杠的精度等级分为7个等级，即1、2、3、4、5、7、10级，1级精度最高，依次降低。（1）滚珠丝杠副的精度指标如下： 2行程内允许的行程变动量V2p； 300mm行程内允许的行程量V300p； 有效行程Lu内的目标行程公差ep； 有效行程Lu内允许的行程变

12、动量Vup； 有效行程Lu内的补偿值C 。滚珠丝杠副各项精度指标的关系如图2-28所示。（2）2弧度内行程变动量V2p和任意300mm行程内行程变动量V300p参见表2-20。表2-20 2弧度内行程变动量V2p和任意300mm行程内行程变动量V300p （单位：m）精度等级12345V2p45678V300p68121623 （3）有效行程Lu内的目标行程公差ep和允许的行程变动量Vup参见表2-21。 2)滚珠丝杠的精度选择根据JB/GQ11401989的规定，坐标轴的反向值主要取决于该坐标轴的摩擦死区误差值得大小；而定位误差一是取决于滚珠丝杠自身的螺距误差的影响，二是取决于由传动系统刚度

13、变化产生弹性变形而引起的定位误差k的影响。因此，坐标系的摩擦死区误差值、滚珠丝杠自身的螺距误差和由传动系统刚度变化产生弹性变形而引起的定位误差k始终是滚珠丝杠的精度选择的依据。而对滚珠丝杠精度进行的种种计算都是为了求出、k值而展开的。一般情况下，滚珠丝杠的精度选择按以下公式计算。（1）对于在开环系统中使用的滚珠丝杠，有V300p+ep0.8(定位精度k)ep+Vup0.8(定位精度k)（2）对于在半闭环系统或可以进行行程补偿的开环系统中使用的滚珠丝杠，有V300p0.8(定位精度k)ep0.8(定位精度k)式中的定位精度是指机床各坐标轴的定位精度值，为已知条件。根据上述两式计算出滚珠丝杠的V3

14、00p、ep、Vup值，然后根据表2-20和表2-21来确定滚珠丝杠的精度等级。2.滚珠丝杠螺母副支承方式的选择为了满足数控机床进给系统高精度、高刚度的需求，要充分重视支承的设计。应注意选用轴向刚度高、摩擦力矩小、运动精度高的轴承。1）滚珠丝杠螺母副支承方式的选择支承的作用是限制两端固定轴的轴向窜动。较短的滚珠丝杠或竖直安装的滚珠丝杠，可以一端固定一端自由（无支承）。水平安装的滚珠丝杠较长时，可以一端固定一端游动。用于精密和高精度机床（包括数控机床）的滚珠丝杠副，为了提高滚珠丝杠的拉压刚度，可以两端固定。为了减少滚珠丝杠因自重下垂和补偿热膨胀，两端固定的滚珠丝杠还可以进行预拉伸。2）所用轴承的

15、选择由于滚珠丝杆轴承所受载荷主要是轴向载荷，径向除丝杆的自重外，一般无外载荷。因此，对滚珠丝杆轴承的要求是轴向精度和轴向刚度要高。另外，丝杆转速一般不会很高，或高速运转的时间很短，因此发热不是主要问题。数控机床进给系统要求运动灵活，对微小的位移（丝杆微小的转角）要响应灵敏。因此所用轴承的摩擦力矩要尽量低。滚珠丝杆所用轴承的类型根据滚珠丝杆螺母副支承方式的不同而不同。一般情况下，游动轴承多用深沟球轴承。滚动轴承类型轴向刚度轴向安装预载调整摩擦力矩60接触角推力角接触球轴承大简单不需要小双向推力角接触球轴承中简单不需要小圆锥滚子轴承小简单如内圈之间有隔圈，则不需要调整大滚针和推力滚子组合轴承特大简

16、单不需要特大深沟球轴承和推力球轴承的组合大复杂麻烦小目前，在以上各类轴承中用得最多的是60接触角推力角接触球轴承，其次是滚针和推力滚子组合轴承。后者多用于大牵引力、要求高刚度的大型、重型机床。3）60接触角推力角接触球轴承根据滚珠丝杆对轴承的要求，用于滚珠丝杆的轴承应具有较大的接触角。60接触角推力角接触球轴承就是较好的与滚珠丝杆配套的专用轴承。它的特点如下： 接触角大，保持架用增强尼龙注塑成形，可容纳较多的钢球，因此轴向承载能力大，刚度高；既能承受轴向载荷，又能承受径向载荷，估支撑结构可以简化；根据载荷情况，轴承可以进行各种组合；这种轴承是根据规定的预紧力组配好成组供应的，用户不需要自己调整

17、；启动摩擦力矩小，可以降低滚珠丝杆副的驱动功率，提高进给系统的灵敏度。（1）推力角接触轴承的组配方式。推力角接触球轴承油许多种组配方式。基本的组配方式有三种：背靠背、面对面和串联（同向）。背靠背组配（DB方式）。这种组配方式的受力作用线向外侧发散，所以轴承间的有效支点距离增大。这种组配方式可以承受双向的轴向载荷和径向载荷，并且有较大的承受倾斜力矩的能力。面对面组配（DF方式）。这种组配方式的受力作用线向内侧收敛，所以轴承间的有效支点距离缩小。这种组配方式也可以承受双向的轴向载荷和径向载荷，但承受倾斜力矩的能力较差，并会较多地降低轴承的极限转速，一般适用于需要精密调心的场合。串联组配（DT方式）

18、。这种组配方式的受力作用线平行，所以除径向载荷外仅能承受单向的轴向载荷。若有另外一个方向的轴向载荷，则需要由另一组面向相反的轴承来承受。（2）轴承的计算。选用轴承的重要依据是轴承的基本寿命，并使之小于或等于其基本额定寿命。在实际使用中，习惯上常用工作小时数来表示轴承的基本额定寿命Lh，用下式计算：Lh=10660n(CP)n=2000r/min =10/3 C=1 P=3、滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算1）确定滚珠丝杠的导程L0L0=VmaxInmax mmVmax移动部件的最高移动速度（mm/min）；I传动比，当滚珠丝杠与电动机直接连接时I=1；nmax电动机的最高转速。Vmax= I=1

19、 nmax=2）滚珠丝杠的当量载荷Fm与当量转速nm计算数控机床上使用的滚珠丝杠，应该是在变动转速和变动载荷的条件下工作，因此，在进行滚珠丝杠寿命计算时，必须将滚珠丝杆的变动转速和变动载荷折算成当量转速nm和当量载荷Fm。假设滚珠丝杠副在n1，n2，nn各种转速下工作，各种转速的工作时间占总时间的百分比分别为q1，q2，qn，所受载荷为F1，F2，Fn，则nm=q1100n1+q2100n2+qn100nn r/minFm=3F13n1nmq1100+F23n2nmq2100+Fn3nnnmqn100 N当载荷和转速接近正比变化，各种转速使用机会均等时，可采用下列公式计算：nm=nmax+nmin2 rminFm=2Famax+Famin3 N式中：Famin机床空载时滚珠丝杠所受的轴向力此时的轴向力最小，N Famax机床切削时滚珠丝杠所受的轴向力(此时的轴向力最大，N) nmax滚珠丝杠的最高转速（r/min） nmin滚珠丝杠的最低转速（r/min）4）根据位置精度要求确定滚珠丝杠螺母副允许的最小螺纹底径（1）估算滚珠丝杠螺母副允许的最大轴向变形量max。在进给传动系统中，当移动部件处于不同的位置时，系统的刚度K是不同的。最小处的刚度用Kmin表示。当滚珠丝杠