《机电一体化系统设计》课程题目

Fy?9.81CFy?apy?fFx?9.81CFx?apFx?fxxFyFy?(60v)?(60v)nFy?KFy ?KFx

yFxnFx式中 Fz,Fy,Fx——主切削力、切深抗力、进给抗力单位为(N)；

ap——切削深度，(mm)；

v——切削速度，(m/s)； f——进给量，(mm/r)；

KFz,KFy,KFx——总修正系数，包括由于工件材料强度、硬度改变、刀具材料改变、

刀具几何角度不同等因素对切削力的修正系数。式中各指数和系数的数值可参考《金属 切削机床设计》。切削用量的选择可参考《机械加工手册》。 三、 按照机床主电机功率计算

对于通用机床的数控化改造或设计通用的经济型数控机床来说，切削用量选择的范围较 大，这样将会导致切削力计算结果差别很大。这里介绍第三种方法，就是按照需要进行数控改造设计的普通车床的主电机功率来计算切削力。其具体方法如下：

Pc??P

式中 Pc——切削功率，（KW）

P——机床主传动功率，（KW）

?——主传动系统总的机械效率，可近似地取以下数值： 精密机床 ??0.8~0.85 中型机床 ??0.75~0.8 大型机床 ??0.7~0.85

Mn?9550Pc n式中 Mn——主轴传递的扭矩，（N·m）；

n——主轴计算转速（r/min），是主轴传递全部功率时的最低转速。

Fz?2Mn?103 d式中 Fz——主切削力，（N）；

d——工件直径可采用在床鞍上加工的最大直径。 主切削力求出以后再按比例求出Fx、Fy。

3． 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型

滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型：确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方

式。结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括：公称直径d0（或丝杠外径d）、导程L0、滚珠的工作圈数j、列数K、精度等级。 滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。可参照《机电一体化技术手册》选用。 滚珠丝杠副的预紧方式有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等预紧方式。可参照《机电一体化技术手册》选用。 滚珠丝杠副的计算步骤如下： 1）。计算进给率引力Fm： 作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。Fm（N）计算公式如下：

矩形导轨： 燕尾型导轨：

Fm?KFx?f?(Fz?Fy?G) Fm?KFx?f?(Fz?2Fy?G)

三角形或综合导轨： Fm?KFx?f?(Fz?G)

式中 Fz、Fy、Fx——切削分力，（N）；

G——移动部件的重量，（N·cm）；

f?——导轨上摩擦系数，随导轨型式而不同； K——考虑颠复力矩影响的实验系数。

在正常情况下，K、f?可取下列数值： 矩形导轨

K?1.1 f??0.15 K?1.4 f??0.2 K?1.15 f??0.15~0.18

燕尾型导轨

三角形或综合导轨

上述摩擦系数f?均是指滑动导轨，如果采用贴塑导轨f??0.03~0.05；滚动导轨

f??0.0025~0.005；静压导轨f??0.0005。

2）。计算最大动负载C 选用滚珠丝杠副的直径d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转（106转）后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C，可用下式计算：

C?3LfwFm

60?n?T

106式中 L——寿命，以106转为一单位，

L?n——丝杠转速，（r/min），用下式计算

n?1000vs L0

，可取最大进给速度的1/2~1/3； vs——为最大切削力条件下的进给速度（m/min）（mm）； L0——丝杠导称，

T——为使用寿命，(h)，对于数控机床取T=15000h；

fw——运转系数，见表3.2-1。

表3.2-1 运转系数

运转状态 无冲击运转 一般运转 有冲击运转 运转系数 1.0~1.2 1.2~1.5 1.5~2.5

从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找出相应的额定动负载Ca的滚珠丝杠

副的尺寸规格和结构类型，选用时应使C?Ca。见《机电一体化技术手册》。

3）。计算最大静负载C0

当滚珠丝杠副的静态或低速（n?10r/min）情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式主要是在滚珠接触面产生塑性变形，当塑性变形超出一定限度就会破坏滚珠丝杠副的正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。产生这样大的塑性变形量时的负载称为允许的最大静负载C0

C0?fS?Fmax

式中 Fmax——滚珠丝杠的最大轴向负荷，（N）；

fS ——静态安全系数，当为一般运转时fs?1~2，当有冲击或振动时，fs?2~3。 选用相应的滚珠丝杠副的额定静载荷Coa，使Co?Coa。 4）。传动效率计算

滚珠丝杠螺母副的传动效率?：

??tg?

tg(???)式中 ?——丝杠螺旋升角；

?——摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f?0.003~0.004，其摩擦角约等于10?。

5）。刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑以下引起轴向变形的因素：

（1） 丝杠的拉伸或压缩变形量?1：在总的变形量中占的比重较大。可以用计算方法

或查图表的方法决定。 a） 计算法。

先用下式计算滚珠丝杠受工作负载Fm的作用引起的导程LO的变化量?L（mm）再 计算滚珠丝杠总长度上的拉伸或压缩变形量?1。

?L??Fm?Lo EF式中 ?L——在工作负载Fm作用下引起每一导程的变化量，（mm）；

Fm——工作负载，即进给率引力，（N）； Lo——滚珠丝杠的导程，（mm）；

E——材料弹性模量，对钢E?20.6?104,(N/mm2)； F——滚珠丝杠截面积（按内径确定）（mm2）。 “+”号用于拉伸，“—”号用于压缩。

再计算滚珠丝杠总长度上拉伸或压缩的变形量?1（mm）

?1??L?L L0式中 L——滚珠丝杠在支承间的受力长度，（mm）。

b) 查图表法

当已知滚珠丝杠所受轴向工作负载，丝杠受力长度L，公称直径D0。也可通过?机电一 体化设计手册?查出单位长度轴向拉伸压缩变形量?1L0，可用下式求出滚珠丝杠总长度上的拉伸或压缩变形量?1。

?1??LL0?L

从图3.2.2上查出?1L0并计算?1，再按照支承方式及预紧情况加以修正。