滚珠丝杠及导轨使用寿命T15000hWPS.docx

1、滚珠丝杠及导轨使用寿命T15000hWPS已知条件：工作台的有效行程为Lx=300mm，Lz=1600mm，取X、Z轴脉冲当量为0.0025mm，快速进给速度为15000mm/min，进给速度范围为：112000mm/min，设定快速定位速度为4m/min。初步确定工作台尺寸及重量；滚珠丝杠螺母副的设计计算和选型；滚动导轨的设计计算和选型；步进电机的参数计算和 选型；联轴器的选择；丝杠支承座的选择。（1）初步确定工作台尺寸及其重量根据机床能够加工的最大工件尺寸240260mm，最大重量200kg 。根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。估算：取X向导轨为南

2、京艺工装备制造有限公司的铝合金结构数控单坐标工作台DZQH320，简图如下:X向拖板(上拖板)尺寸为: C1*C2*高=124124(78-47)=476656mm重量:按重量=体积*材料比重估算为: = 476656mm2.8g/cm10N/kg=13.346368N13.35NY向拖板(下拖板)尺寸为: 重量=12412431mm2.8g/cm10N/kg=13.346368N13.35N上导轨，材料为20Cr，重量为CLH=12451047=291400mm重量:按重量=体积*材料比重估算为: W=291400mm7.82g/cm10N/kg=22.78748022.79N切焊机及液压缸

3、、电机等重量约200NX-Y工作台运动部分总重量为:W=13.35+13.35+22.79+200=249.49N取W=300N 初选滚珠丝杠材质：GCr15钢，HRC=5860，Z向滚珠丝杠的导程：l0=5mm（1）强度计算丝杠轴向力：(N)其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.0030005；在车床车削外圆时：Fx=(0.10.6)Fz，Fy=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。取f=0.004,则:寿命值：，其中丝杠转速(r/min)最大动载荷：第二章 滚珠丝杠的选择1.1结构形式和主要参数初选X、Z向滚珠丝杠为内循环插管式双螺母垫片式调整定位滚珠丝

4、杠FFZD3205-3型，3级精度。P=5，d0=32mm，Dw=3.5mm，jk=13，=251，rs=0.52Dw=1.82，螺纹右旋。1.2工作转速n和等效转速nm转速在nmax与nmin之间变化时， (1-1)而nmin=0，则， (1-2)故nmax=800r/min，1.3轴向工作载荷F和等效轴向载荷Fm轴向载荷在Fmax和Fmin之间作周期性变化时， (1-3)而Fmin=0，工作时无切削力，故Fmax为最大静摩擦力；取Wx=1000N，Wz=2000N，滚动直线导轨副的fT=0.005，则故 FmX=(25+0)/33.333N，FmZ=(210+0)/36.667N。一、寿命

5、计算（一）基本额定动载荷由表6.2-13知Ca=11.7kN=117000N。（二）寿命条件CaKh寿命系数，Kh=(Lh/500)1/3=(15000/500)1/33.107，Lh工作寿命，查表 6.210，取15000h；KF载荷系数，表6.2-11，取1.0；KH动载荷硬度影响系数，表6.2-14，取1.0；KL短行程系数，表6.2-15，取1.0；Kn转速系数，Kn=(33.3/nm)1/3=(33.3/400)1/30.437。故 CaX=117000N(3.1071.01.01.03.3330.437)N23.697N，CaZ=117000N(3.1071.01.01.06.66

6、70.437)N48.061N，均满足寿命要求。五、静载荷条件（一）基本额定静载荷由表6.2-13知Coa=31400N（二）静载荷条件 CoaKFKHFmKH静载荷硬度影响系数，查表6.2-14，取KH=1.0。则 CoaX=31400N(1.01.03.333)N=3.333N，CoaZ=31400N(1.01.06.667)N=6.667N，均满足寿命要求。六、丝杠的强度（一）螺旋传动的转矩TT=Fmd0tan(+T)/2fT滚珠丝杠副的当量摩擦系数，取0.005；T当量摩擦角，由fT=0.005得T=17。则 TX=3.33332tan(251+17)/22.919(Nmm)，TZ=6

7、.66732tan(251+17)/25.839(Nmm)。（二）当量应力=由产品列表知d2=28.9mm，则X=5.190103(MPa)Z=10.382103(MPa)（三）强度条件丝杠材料的许用应力，由表6.2-7选材料为GCr15，HRC=5860；由表6.1-15知 =(0.20.33)s=(0.20.33)480=(96158.4) (MPa)故 X，Z，均满足强度条件。七、丝杠的刚度（一）轴向载荷F产生的轴向变形量F采用一端固定，另一端铰支的支承方式，则F=Lj丝杠的计算长度，有效行程Lu=L+L1，工作台行程LX=300mm，LZ=1600mm，螺母长度L1=85mm，取LjX

8、=LuX=385mm，LjZ=LuZ=1685mm；E丝杠材料的弹性模量，钢材的E=2.07105MPa；A丝杠的计算截面积，A=(d0-Dw)2/4=(32-3.5)2/4637.616 (mm2)。则 FX=0.97210-5 (mm)FZ=8.51110-5 (mm)（二）转矩T产生的轴向变形量T T =G丝杠材料的切变模量，钢材的G=8.3104MPa；IP丝杠计算截面的极惯性矩，IP=(d0-Dw)4/32=(32-3.5)4/3264737.975 (mm4)则 TX=0.16710-6 (mm)TZ= 1.45810-6 (mm)（三）轴向载荷F使钢球与螺纹滚道间产生的轴向变形量

9、ars/Dw=0.52，有预紧，则 a=0.310-3Z工作螺母中的钢球总数，Z=mjk，由表6.2-4知 m=d0/(Dwcos)=32/(3.5cos251)28.759，m为每圈中钢球数；KZ载荷分布不均匀系数，与制造精度有关，一般KZ=1.21.3，取1.3；Kp预紧力（N），一般取Kp=Fmax，则KpX=51.667(N)，KpZ=103.333(N)。故 aX=0.310-38.29910-6 (mm)aZ=0.310-313.17810-6 (mm)（四）轴向总变形量X=FX+TX+aX=0.97210-5 +0.16710-6 +8.29910-6=8.563210-6 (m

10、m)Z=FZ+TZ+aZ=8.51110-5 +1.45810-6 +13.17810-6 =15.487110-6 (mm)（五）丝杠的轴向刚度KKX= =0.389106 (N/mm)KZ= =0.430106 (N/mm)（六）刚度条件 K KK丝杠允许的轴向刚度，点位控制的数控机床K=(1820)104 (N/mm)故 KX K，KZK，均满足刚度条件。八、丝杠的稳定性（一）柔度rr=Lw/i长度系数，查表6.1-17，=0.7；Lw丝杠的最大工作长度，LwX=385mm，LwZ=1685mm；i丝杠危险截面的惯性半径，i=d2/4=28.9/4=7.225 (mm)故 rX=37.3

11、01，rZ=163.256 。由于rX40，故可不验算F0，即X向丝杠满足稳定性条件。（二）临界载荷F0 rZ8590，则F0=A丝杠危险截面的面积（mm2），AZ=655.640（mm2）。则F0Z=0.502105(N)。（三）稳定性的合格条件F0Z/FmZ=7.530103(N)2.54，故Z向丝杠也满足稳定性条件。九、传动效率（一）由转动变为移动时=0.909十、驱动功率（一）由转动变为移动时 P=1从动力源到丝杠间的机械效率，取0.909。则 PX=0.13510-3(kW) PX=0.26910-3(kW)十一、润滑 滚珠丝杠副的润滑一般多采用润滑脂（锂基脂）充填在螺母内部及涂在丝

12、杠螺纹滚道上，或滴油润滑（20或30号机械油）。十二、防护由于滚珠丝杠螺母副在机床上外露，故采用封闭式的防护罩，选择螺旋弹簧钢带套管防护罩。步进电动机的计算选择设拟选用三相、0.6步距角的 型步进电动机，使用直接驱动方式，则传动比i=1。一、轴向力由于无外力，故轴向力仅为摩擦力，F=MM工作台重量，X向为100kg，Z向为200kg。工作台摩擦系数，取0.005。故 FX=0.005100=0.5kgFZ=0.005200=1.0kg二、换算到电动机轴上的负载转矩Tl=P导程，5mm=0.5cm；驱动系统的效率，0.909；0丝杠螺母的摩擦系数，0.10.3，取0.3；F0螺母的预压载荷，取F

13、。则 TlX=0.048 (kgcm)TlZ=0.096 (kgcm)三、滚珠丝杠螺母的惯量JB=材料密度，钢一般取7.810-3kg/cm3；LB螺母长，85mm=8.5cm；DB丝杠公称直径，32mm=3.2cm。JB=0.682 (kgcm2)四、工作台惯量Jt=M()2故 JtX=100()20.634 (kgcm2) JtZ=200()21.268 (kgcm2)五、负载惯量JL=JB+Jt则 JLX=0.682+0.634=1.316 (kgcm2)JLZ=0.682+1.268=1.950 (kgcm2)根据以上计算可初步选步进电动机，其惯量为4.5kgcm2，空载起动频率fs=

14、1600Hz,空载运行频率为30kHz。六、由要求转速可求出运行频率f=v/lv移动速度，vmax=4m/min=4000mm/min；l脉冲当量，0.0025。f=26666.667 (Hz)可知需加减速驱动方式。七、需要的电动机的转矩T=TAC+TlTAC=s步数/转，s= （步/转）；t加速时间，取t=0.025s；g重力加速度，9.8m/s2=980cm/s2f最大驱动频率，26666.667Hz。TACX=4.498 (kgcm)TACZ=6.664 (kgcm)故 TX=TACX+TlX=4.498 +0.048=4.546 (kgcm)TZ=TACZ+TlZ=6.664 +0.0

15、96=6.760 (kgcm)故所选90BYG350C型混合式步进电动机和KND-BD3H驱动器能满足要求。八、验证运行所需转矩 T=则 TX=19.925 (kgcm) TZ=22.140 (kgcm)而6Nm=Nm=61.224Nm，均能满足X、Z电动机所需转矩。其中，X轴安全系数=13.468 Z轴安全系数=9.179 中间夹具滑动螺杆一、耐磨性（一）螺杆中径d2d2=螺纹型式系数，梯形螺纹=0.8；F轴向力（N）；螺母长度l与螺杆中径d2之比，整体式螺母的=1.21.5，取1.2；P许用压强（MPa），见表6.1-14，螺杆材料选45钢，调质，230250HBS，P=1118MPa，

16、取11MPa。则 d2=0.85.826（二）公称直径d和螺距P 据d2查表GBT5796.3-86取d=20mm，P=5mm，则d2=17.5mm。（三）螺纹导程PhPh=ZPZ螺纹线数，取Z=1。故 Ph=15=5(mm)。 （四）螺母旋合长度ll=d2=1.217.5=21(mm)（五）旋合圈数mm=l/P=21/5=4.210（六）螺纹工作高度H1（h）梯形螺纹 H1=0.5P=0.55=2.5（mm）（七）螺纹表面工作压强PP=1.213（MPa）（八）压强校核 P=1.213MPaP=11MPa二、验算自锁（一）螺纹升角=arctan(Ph/d2)=arctan()5.199512（二）当量摩擦角三、螺杆强度四、螺纹牙强度五、螺杆的稳定性六、螺杆的刚度七、螺杆的横向振动八、动力计算