高压水射流切割机床设计说明书

需要全部设计资料 +V LW987079291 摘 要

随着社会的发展，机械制造业必须适应社会发展的需要，才能不能滞后于人类发展的需要。

随着人类社会进步和发展的需要，过去的很多加工方法很难满足加工的要求了，因为世界上出现了很多很多难加工的材料，比如说合成塑料、钛镍钴合金等新型材料，所以这个时候就需要在加工方法上不断地改革创新了！所以出现很多特种加工的方法，比如说线切割、激光焊等等！还有电子束加工、铸锻焊等等很多很多，所以说新型的加工方法还是很好用的，显然水刀切割也是其中的一种，而且还是冷加工的一种。

高压水刀切割机是水射流切割机的一种，它集数控技术。电气控制技术、计算机技术等新型高端技术于一身的高端机床。它包括超高压发生器、控制系统、切割平台等组成部分。我设计的主要任务是高压水射流切割机的机械结构的设计。该机床能够完成板的切割平面，它包括进给机构，纵向进给机构，并且还包括伺服马达，滚珠丝杠等其他任务。

关键词 高压水射流切割 XYZ三自由度 横向进给 纵

向进给 伺服电机 滚珠丝杠

I

Abstract

With the develop ment of society, machinery manufacturers must adept to the development of social. Due to the development needs of the many difficult materials processing, traditional processing methods have been unable to meet the needs of processing. As a result, many new processing methods, to meet the needs of processing. Waterjet cut is one of the processing methods, it and the emergence of electron beam processing, ultrasonic machining method is called special processing method.

CNC waterjet cutting machine is one of a waterjet processing machine; it is NC technology, electrical control technology, Computer technology and other new technologies with the product. It includes extra-high voltage generator, control system, Cutting Platform.

This time, I designed CNC waterjet cutting machine designed primarily to its mechanical parts. It includes vertical feed, horizontal feed mechanism design, and servo motor, ball screw options, and other tasks. The waterjet cutting machine to be completed planar sheet cutting . Keywords

Waterjet cutting Horizontal Feed Vertical Feed Servo motor Ball Screws

II

目 录

摘 要 ............................................................................................................. I Abstract ...................................................................................................... II 第1章 绪论 ................................................................................................ 1

1.1 水射流的发展历史及应用 ............................................................. 1 1.2 水射流加工技术的应用 ................................................................. 2 1.3 水射流切割的工艺特点 ................................................................. 3 第2章 数控水射流切割机床的基本功能和基本参数 ........................... 7

2.1数控切割机床的基本功能 .............................................................. 7 2.1.1数控水蛇流切割机的原理 ......................................................... 7 2.1.2水蛇流切割的优点 ..................................................................... 7 2.2 机床的基本参数 ............................................................................. 8 第3章 数控水射流切割机床的布局与结构设计.................................. 10

3.1 数水射流切割机床的控结构方案设计 ....................................... 10 3.2 机床支撑件的设计 ........................................................................ 11 3.2.1 对支撑件的要求 ....................................................................... 11 3.2.2 撑件的选材与连接 .................................................................. 13 3.3 提高支撑件刚度的措施 ............................................................... 13 第4章 数控水射流切割机床的传动系统设计...................................... 15

4.1 伺服系统的发展 ........................................................................... 15 4.2 数控水射流切割机的驱动系统设计 ........................................... 16 4.2.1 对数控机床机械系统的基本要求 .......................................... 16 4.2.2 驱动系统的设计 ...................................................................... 16 4.3 机床传动部件的选择 ................................................................... 17

III

4.4电机及滚珠丝杠的选择计算 ......................................................... 20 4.4.1 X方向电机的选择计算 ............................................................ 20 4.4.2 X向滚珠丝杠的选择计算 ........................................................ 23 4.4.3 Y方向电机的选择计算 ............................................................ 26 4.4.4 Y向滚珠丝杠的选择计算 .................................................... 29 4.4.5 Z向电机的选择 .................................................................... 32 4.4.6 Z向滚珠丝杠的选择计算 .................................................... 36 4.5 机床导轨的选择 ........................................................................ 39 4.5.1 滚动导轨的结构 ................................................................... 39 4.5.2 滚动导轨的特点 ................................................................... 40 4.5.3滚动导轨的寿命计算 ............................................................ 41 4.6 联轴器的选择 ............................................................................ 45 4.6.1 联轴器的种类及功用 ........................................................... 45 4.6.2 联轴器的选用 ....................................................................... 46

第5章 误差来源及分析 .......................................................................... 47

5.1误差及误差来源 ............................................................................. 47 5.1.1 误差研究的意义 ....................................................................... 47 5.1.2 误差的来源和传递规律 ........................................................... 48 5.2举例说明安装误差对机床精度的影响 ......................................... 49 5.3 提高传动精度减小传动误差的措施 ............................................ 49 5.4减小安装误差举例 ......................................................................... 50 第6章 机床的维护与润滑 ...................................................................... 53

6.1 轴承的润滑与防护 ........................................................................ 53 6.2导轨的润滑与防护 ......................................................................... 53 6.3 滚珠丝杠的防护与润滑 ................................................................ 54 结 论 ........................................................................................................... 55 参考文献..................................................................................................... 56

IV

附录1 英文翻译 ....................................................... 错误！未定义书签。 附录2 英文原文 ....................................................... 错误！未定义书签。 附录3 开题报告 ....................................................... 错误！未定义书签。 致谢 ............................................................................................................ 58

V

第1章 绪论

1.1 高压水射流的发展及应用

19世纪中叶，在北美洲，利用水射流开采松散沉积物是该项技术的第一次使[1]。50年代初，中国和苏联开始用水射流（即水力采煤）开采煤矿。 通过使用水力挖掘技术的推广，人们认识到，适当降低喷嘴直径可以提高水的压力，同时水射流的击穿效果也会明显改善[2]。于是人们开始研究高压力源（高压泵和涡轮增压）和高压脉冲喷射。

20世纪60年代以前，低压水射流这项技术主要被人类用来研究开采煤矿石矿[15]，所以该项技术那时处于不成熟的阶段;到了七十年代初，世界上技术领先的国家的研究的主要方向都是高压油泵，增压器和高压管，水射流清洗技术，处在设备的发展阶段[8];到20世纪80年代，水射流技术的应用开始发生改变，同时也不断地向前发展着，从采煤领域逐步发展到其他领域，大量的采煤机、水射流切割机和清洗机层出不穷[9]；在这之后，水射流进入了一个发展非常快速的阶段，水射流技术也随之很快地进一步发展到磨料水射流，空化射流，自激振荡射流喷射等新技术发展，这类机床市场上的销售也很好。

20世纪60年代，高压柱塞泵和涡轮增压逐渐成为了水射流技术的主要研究方向[12]。当时，有学者认为，水射流压力越高越好，显然是不对的。日本开发的涡轮增压器1700兆帕，苏联、美国研制也同时研制出了5600兆帕的脉冲式射流发生器[19]。

到了20世纪70年代后期,水射流技术有一个新的方向，也就是从单一地增加水射流的压力，转移到了的如何提高水射流功率的研究[14]。所以开始出现了很多类似磨料射流、高频率冲击射流和共振射流等新兴的技术，虽然他们的水压力不算高，但他们的力量却比在相同的压力水平下的的常规水射流高得多[17]。

进入20世纪80年代，磨料射流、空化射流和自然喷射等技术的持续

1

发展，水射流技术已经扩展到一个新的发展阶段。与此同时，各国的学者也对该项技术的基本理论和各种射流切割机构都有了较深入的研究[8]。水射流技术的应用也不仅仅应用于采矿业了，已经逐渐的扩大到化工，机械，航空航天，建筑，市政建设以及医药等领域。作为一个实用的粉碎，清洗和保洁工具，水射流切割机逐渐被世人所认可。大量的不同用途的水射流切割机，如采煤机，液压锤等设备的市场占有率不断提高[7]。

1.2 高压水射流加工技术的应用

水射流该项技术具有很独特的优点，所以在很多领域上应用的十分广泛。

工业清洗领域：在小空间、难操作的工况下很有优势，例如热交换管的内以及汽车业中的喷漆房清洗等，在石化工业中，橡胶跑道的表面处理，工业设备表面的防锈和防腐蚀工程，清洁航空发动机部件工业，辐射污染等行业也有较大的用武之地[16]。

切割领域：在造纸工业和橡胶工业中主要使用的是纯水，而陶瓷，石材，航空航天工业，金属加工业以及汽车制造中磨料水射流所使用的水多加磨料。特别值得一提的是汽车行业，随着中国汽车产业在最近国内外各大市场中的快速发展，中国汽车厂商以难以置信的速度扩大着生产规模，同时不断的更新车型，缩短生产周期，早期汽车内饰件（如汽车地毯，仪表板，顶棚等）的制造商，修整和人工处理初汽车内饰件的钻孔方法效率低下，产品精度低，劳动强度大，显然不能满足当时汽车行业的发展需求[19]。在这种情况下，水射流切割机器人装置脱颖而出。目前在中国，包括广州本田，一汽大众，上海通用，天津丰田，雪铁龙，上海大众，南京南亚内饰等诸多车型厂家已配套使用了高压水射流设备加工内部零件。 除了以上所述，近年来，外国公司已厂家通过了该技术在食品保鲜领域上实现了对食品杀菌的目的了，并且已成功进入到了生鲜食品行业（如著名的美国HEMELL公司使用的超高压设备食品保鲜），并取得了一致的好评[18]。

2

1.3. 高压水射流切割的工艺特点

在400MPa左右的压力下，水射流或磨料水混合物从直径0.1毫米?0.2毫米的喷嘴喷射出来，水射流或磨料水混合物的速度可达到100m / s左右。当磨料水射流切割时，水从小直径硬质合金喷嘴（约1mm）喷射出来，同时从专用料斗吸入磨料粉末，水和磨料的混合流体由此从在坯料切割除去微碎屑。在这种情况下，产生的热能会随着流通的水磨料混合流体流出，从而可以实现切割表面完全不变形，并且该材料的无毛刺和组织变形[13]。

当切削功率可达到30千瓦甚至更高时，工作装置可用手工或机器人夹持。机器人的微处理器数控装置可以实现空间内任意角度的切割。水射流切割设备可以切割片状，直角以及钻孔等，甚至是位于非常接近表面的（包括非导热材料）开放的窄槽等等。

切口可以从工件表面的任何点开始。切口宽度很小（磨料混合的水射流切割时切口为1mm?1.5毫米，当被水切割时成0.1毫米?0.3mm），从而确保节省材料，降低能源消耗，具有较好的生态清洁功能，该设备的快速重调特性使加工过程非常的灵活，可以非常完美的完成订单的要求。各种板材切割方法（根据流动的数据）的评价结果示于表1[16]。

机床的切割速度V是该设计过程的主要的工艺参数。大多数的水射流切割装置中切割速度V一般处在0.001m/min-12m/min的范围左右，一般的切割精度为±0.1mm。美国著名水射流机床公司Flow公司对磨料水切割各种材料的速度与毛坯厚度有关的数据做了很详细的分析。本论文列在了表2中[20]。德国的Ingersoll-Rand公司关于不同水射流切割机床的切割速度的数据则列在了表3中。

3

表1 不同切割方法的比例及评定

表2 切割速度统计

4

第3章 机床结构设计

3.1机床整体结构设计

本论文所设计的水射流切割机床只需要满足其平面切割的功能即可，而要实现这样的切割工件的目的，必须有两个自由度，既必须有两个方向的运动，我们选择X和Y向的移动来实现运动。可以做以下的设想来实现运动的目的：

1. 有机架（横梁部分）来实现其两个方向的运动，其示意图如下：

图3.1 龙门式机架（方案1）

该种结构形式为龙门式结构，又称为桥架式结构，主要的特点是：机构比较稳定，为轴对称形式，缺点是工作加工范围受到了结构上的限制[11]。

10

2. 有机架（横梁部分）实现一个方向的运动，而另一个运动有工作台来实

现

图 3.2 悬臂式机架结构（方案2）

该种结构形式的为悬臂式结构，和上一结构相比，它的稳定性不如前者，但是它的加工范围比前者的加工范围大[15]。

通过比较这两个方案，我们决定采用第一种方案来作为我设计的初始模型，根据所选择的模型来进行组件的设计，这种形式的高压水射流切割机床，由基座，立柱，导轨，横向运动机构和纵向运动机构来形成桥式结构。龙门架上设有横向进给机构和纵向进给机构。切割头固定在龙门架上的横梁位置，从而实现纵向进给运动。多个旋转机构安装在了大底座上，为水射流切割机床实现多种工作形式提供了可能。而这种结构比其他结构应牢固，不容易变形，所以使用这种结构的。

3.2 机床支撑件的设计

该机床的机械部分主要的包括机床底座，机床横向进给系统，机床的立柱，纵向进给系统，传动部件等结构组成。

3.2.1 对支撑件的要求

机床立柱和支撑构件的基座是主要的支撑件，它们的作用是支持部件，

11

并确保它们之间的相互位置不变，并承受各种相互作用力。导轨在支撑件的支撑过程中对定位起到了非常主要的作用，以确保不同组件的正确的相互位置及运动。

该机床的的形状，尺寸，材料的类型是非常非常多的，但是它们必须符合以下要求： （1）抗振性

机床抵抗自激震动和受迫振动的能力，也就是支撑件的抗振性，加工的表面质量和成产率受支撑件的震动的严重影响。因此，支撑件必须要有足够的抗震性能。 （2）刚度

支撑件在交变载荷和恒定载荷的作用下抵抗变形的能力被称作支撑件的刚度。支撑件要想不变形，不需满足一定的刚度，即在不超过额定载荷的作用下，变形的范围不会超过额定值。 （3）内应力

支撑件在焊接和铸造以及加工的过程中，由于热变形的原因，材料的内部都会形成内应力，导致变形。在使用的过程中，内应力可能重新分布，也可能逐渐的消失，同样也可能增大变形。因此在铸造和焊接以后要进行时效处理，并且在制造的过程中一定要考虑到结构的工艺性。 （4）热变形

无论是机械摩擦还是电机的正常工作，都会在机床工作的时候发热，再加上受周围的环境温度变化的影响，产生热变形，机床的工作精度和几何精度都会受到影响。因此要对支撑件的热变形及热应力进行一定程度上的控制[5]。

12

3.2.2 撑件的选材与连接

机座采用灰铸铁材质，之所以采用灰铸铁这种材质进行设计，是由于该材料的振动吸收较好，同钢相比，灰铸铁的铸造工艺性好，而且价格便宜[13]，因此，该机底座采用灰口铸铁。立柱则使用钢板焊接，由于支撑柱的水平和垂直进给机构要承受相对大的作用力，因此，支撑架之间的钢板采用焊接的形式。水平和垂直进给机构也用于焊接钢板的形式，因为钢板的承载能力大，它可以减少机器的占地面积。

由16根螺钉来连接上述的机械部分，也就是用它们来连接立柱和底座两部分。横向进给机构也通过一块夹板并结合螺钉与立柱结合在一起的，纵向进给也是这样的连接方法。

3.3 提高支撑件刚度的措施

支撑件的变形主要包括三部分，分别是局部变形，自身变形，以及连接处的变形，这三类变形得匹配在设计的时候一定要注意，并且要对薄弱的环节进行加强设计。

支撑件自身的刚度尤为重要，必须满足需求。

支撑件自身的刚度是指抵抗支撑件自身变形的能力，它与自身所选用的材料，设计的形状以及尺寸都有关系[3]。

1. 选择正确的截面形状和大小：主要支撑件所承受的是弯矩和产生的扭矩，所以，相应产生的也就是弯变形和扭变形。在其他的条件相同的时候，抗弯和抗扭的能力与截面的惯性矩有很大关系。相同的材料，如果形状不同的话，那么它的横截面的惯性矩也会有所不同，差距也非常大，所以，选择合理的形状对于提高材料的横截面惯性矩有很重要的意义，也就是对提高抗弯和抗扭的能力有很重要的意义。

1）空心的比实心的刚度大，无论是方形还是圆形。

2） 在保持截面不变的情况下 ，可以通过加大外廓尺寸，减小壁厚的方式来提高抗弯和抗扭刚度。

3）抗扭刚度上，承受弯矩为主的支撑件采用方形比较合理，而扭矩多

13

采用圆形截面来支撑。

4） 不封闭的截面的刚度不如封闭的截面。

2. 可以通过合理的安排布置肋板和筋条来增加支撑件的刚度。 从上面的分析中，我最终选择了焊接立柱，方形的截面形状，因为我设计的支柱主要承受的载荷是弯矩，必须采取封闭的方形结构，使其刚度相对较大，以便满足工作的需求，为了防止其刚度不够，发生变形，所以加入肋板，提高刚性，具体形状看设计图纸。

使用实体铸造结构的作为底座，他的材料是灰铸铁200，这种材料具有良好的铸造性能，还具有良好的加工性能，并且可以吸收大量的机床振动，有利于减少机器的振动，而且成本低，可以降低机器的制造成本。但是灰口铁脆比较大，在制造是需要使用木模，所以导致了生产周期较长。

横向进给机构采用的是钢板焊接的形式，纵向进给机构也是如此，这种结构比铸造结构要简单得多，而且生产周期也比较短，而且也比铸造结构的刚性大，尺寸小，因此，采取焊接钢板的形式应用于进给机构。具体的结构请查看设计图纸。

14

? 7.86×3.14×202×260×0.001 ＝ 25.67Kg

J1＝1/2mr2=1/2×25.67×202×10-6

＝0.005134Kg?m2 则， J?J1(

V?2)?M(i)2 ?1?1

假设该部分运动的最大速度为10m/min，则该部分的运动速度假设为

10m/min，则电机和滚珠丝杠的的转速为：

0/min V?10m/min?1000mm

n = 1000r/min ω1＝ω＝(2πn)/60 =2×3.14×1000/60 =105rad/s J=J1 + M(V1 /ω1 ) 2 ＝5.314×10-3＋1.63×10-5

≈5.15×10-3Kg?m2 则，

Tin=Jω1/t =5.15×10×105/0.5

-3

≈1.08N? m 中型机床t=0.05s

2????1??2??3?0.9?0.982?0.99?0.864

Pin=Tin?n/(9550ηΣ)=1.08×1000/(9550×0.864)≈131W

=2.4W

P=K * (Pin+Pfr)=2.5×(131+2.4 )=333.5W

Pfr=MuV/(6120ηΣ )=25.67×0.05×10/(6120×0.864)

25

同时考虑到除滚珠丝杠外的其他负载的存在，所以选择电机的额定功率不低于0.5KW，额定转矩不低于1.1N·M，所以查表选出合适的电机型号为：60CB 060C-010000，参数如下：

型号 60CB 060C-010000

额定功率 0.6KW 额定转矩 1.91N·m 最高转速 3000r/m 外观尺寸/mm 60X60X140 4.4.3 Y方向滚珠丝杠的选择计算

假定滚珠丝杠副的材料硬度为58?60HRC，工作温度低于100度，，工作时的温升低于4度，可靠性要求为95%，根据这些条件来选择计算滚珠丝杠。

计算负载与转速

假设Y方向的滚珠丝杠副带动部分的质量为100千克，则导轨的摩擦力为：

Ff??W?0.05?1000?50N

滚珠丝杠的寿命L

60nT60?418.7?1500L??610106

?1800h

n --------滚珠丝杠的转速

T ---------使用的寿命时间，对于数控机床来说，取T?15000h 由于在切割的过程中没有切削力的影响，因此最大的负载与最小负载相同，都是摩擦力，Ff?50N Pm?2Pmax?Pmin2?50?50??50N 33在工作的过程中负载值是一个稳定值，因此，

26

Q?3LfwfbP?31800?1.5?1.0?50

?912N

查机械设计师手册，表4.3—14，选用4005型号的滚珠丝杠。 其中，d0=40mm Ph=5mm L=1600mm C0a=51758 mm Ca=14456mm 传动效率的计算

??tg?

tg(???) ?--------螺旋升角 ?---------摩擦角

滚珠丝杠的摩擦系数为f?0.003?0.004，在这里取f?0.003，则其摩擦角，??arctgf?arctg0.003 ?0.172

???0.94

tg?tg2.85?

tg(???)tg(2.85?0.17)2 故所选的滚珠丝杠副的传动效率为0.94。 （4） 刚度的验算 ?L1??P????工作负载 (N)

PL0 EFL0---------滚珠丝杠的基本导程 (mm)

27

E----------弹性模量 E?21?106N/cm2

F----------滚珠丝杠的截面面积 (cm2)

由于滚珠丝杠在工作的过程中受拉伸作用，因此采用下面的公式， ?L1?PL0 EF 其中，P?50N L0?0.5cm

222

F=πd/4=3.14×2.0/4＝3.14cm

6-3

△L1=PL0/(EF)=50×0.5/(21×10×3.14)=3.79×10um ?L2??L0?L???0

2???2? ? ---------在M的作用下滚珠丝杠每一导程上的扭转角

???ML0 GJc

M---------作用在丝杠上的扭矩

G---------切变摸量 G?82.4?105(N/cm2)

Jc-------滚珠丝杠截面惯性矩 Jc??32d14

代入数据进行计算：

24

Jc=3.14×39.2/32＝23.2cm φ=ML0/(GJc)=1.9×0.5×102/(82.4×105×23.2) = 2.35×10-7

M=P/?=199.5/105=1.9N?m

△L2=L0φ/(2π)=0.5×8.1×10/(2×3.14)=1.87×10um

-3-3-3

△L=△L1+△L2=3.79×10+6.45×10＝5.66×10um

-3

△=100△L/L0=100/0.05×10.24×10＝11.32um

28

-7

-3

（5） 稳定性计算

?2EJ Pk?

(?l)2E----------丝杠材料的弹性模量 21?106(N/cm2) L----------丝杠的工作长度

J-----------截面的惯性矩，对于实心的圆柱体 J??64d4

2?---------丝杠的轴端系数 （一端固定，一端铰支，??)

3 其中，

444

J=πd/64=3.14×4/64＝12.56cm

Pr=3.142×21×106×12.56/( (2/3)×1550)2=243549 （6） 稳定性系数校核

nk=Pk/P=243549/199.5=11220≥2.5

通过计算验证所选的丝杠满足该机床实现功能的要求，故选用

FFZD 4005-5滚珠丝杠，具体参数如下：

型号 FFZD4005-5

d0 40mm Ph 5mm L 1600mm C0a Ca 51758 mm 14456mm 4.4.4 Y向电机的选择计算

我所设计的机床在切学的过程中没有切削力的影响，因此按照金属切削机床快速电机的选择计算来进行选择，只考虑摩擦力和惯性力的影响。

Pd?k(Pin?Pfr)

Pd--------电机的功率

Pfr-------克服摩擦力所需要的功率

29

k----------安全系数

Pin---------克服惯性力所需要的功率

Pin?

Tin?n955?0?

Tin---------克服惯性力所需要的电机轴的扭矩

n---------电机的转速 ??----------传动链的效率 Tin?J?1t

J---------转化到电动机轴上的效果转动惯量

2?n ?1-------电动机的角速度 ?1?

60 t----------电动机的启动时间，对于中型机床 t?0.5s 各传动件的转动惯量： J??Jh(?k2V)??Mi(i)2 ?1?1滚珠丝杠的质量：M??V，其中，??7.86?103 V??r2h M??r2h?

? 7.86×103×202×1550 ＝ 15.2Kg

J1＝1/2mr2=1/2×25.67×202×10-6

＝3.04×10-3Kg?m2

30

则， J?J1(V?2)?M(i)2 ?1?1

假设该部分运动的最大速度为10m/min，则该部分的运动速度假设为

10m/min，则电机和滚珠丝杠的的转速为：

0/min V?10m/min?1000mm

n = 1000r/min ω1＝ω＝(2πn)/60 =2×3.14×1000/60 =105rad/s J=J1 + M(V1 /ω1 ) 2 ＝3.04×10-3＋1.63×10-5

≈3.12×10-3Kg?m2 则，

Tin=Jω1/t =5.15×10×105/0.5

-3

≈0.66N? m 中型机床t=0.05s

2????1??2??3?0.9?0.982?0.99?0.864

Pin=Tin?n/(9550ηΣ)=1.08×1000/(9550×0.864)≈77W

=2.8W

P=K * (Pin+Pfr)=2.5×(77+2.4 )=199.5W

因此，选择的电动机的功率为0.4KW。

查表可知，选用的电机型号为：60CB 040C-010000， 参数如下： 型号 60CB 040C-010000

31

Pfr=MuV/(6120ηΣ )=25.67×0.05×10/(6120×0.864)

额定功率 0.4KW 额定转矩 1.21N·m 最高转速 3000r/m 外观尺寸/mm 60X60X121 4.4.5 Z向滚珠丝杠的选择计算

（1） 滚珠丝杠副的最大负载：F?30?10?300N

P?2Pmax?Pmin2?300?300? 33 ?300N

（2） 滚珠丝杠的寿命计算

假定滚珠丝杠的的使用寿命是T?15000h，丝杆的工作长度为800mm，

0丝杠的硬度为58?60HRC，工作温度不超过100C，工作时温升不超过

4oC，可靠性要求为95%，则滚珠丝杠的寿命为： 60nT60?2000?15000? 1061060 ?180h L?n --------滚珠丝杠的转速

T---------滚珠丝杠的寿命时间，对于数控机床，取T=15000

在丝杠工作的过程中，没有切削力的影响，只有惯性力及自身产生的重力，因此，负载在工作时几乎不变。

Q?3LfwfbP?31800?1.5?1.0?300

4 ?547N查机械设计师手册，表4.3—14

选择用2005型滚珠丝杠，d0=20mm，Ph?5mm，L=600mm C=38249 ，C=14205

0a0

（3） 传动效率的计算

32

??tg?

tg(???) ?--------螺旋升角 ?---------摩擦角

滚珠丝杠的摩擦系数为f?0.003?0.004，在这里取

f?0.003，则其摩擦角， ??arctg?farct0.g00 3 ?0.172 ???0.94

tg?tg2.85?

tg(???)tg(2.85?0.17)2 故所选的滚珠丝杠副的传动效率为0.94。

（4） 刚度校核

?L1??PL0 EFP????工作负载 (N)

L0---------滚珠丝杠的基本导程 (mm)

E----------弹性模量 E?21?106N/cm2

F----------滚珠丝杠的截面面积

(cm2)

d?d0?2e?2rs?32?2?0.135?2?1.778?28.71

由于滚珠丝杠在工作的过程中受拉伸作用，因此采用下面的公式， ?L1?

PL0 EF33

其中，P?300N,Ph?0.5cm，

11 F??d2??3.14?28.712?6.47cm2

44 d?d0?2e?2rs?32?2?0.135?2?1.778?28.71 e?(rs?Dw)sin??0.135 2 rs?(0.51?0.56)Dw?0.56?3.175?1.778 则，

?L1?

?L2??PL0300?0.5??1.1?10?6cm 6EF21?10?6.47L0?L???0

2???2? ? ---------在M的作用下滚珠丝杠每一导程上的扭转角

???ML0 GJc

M---------作用在丝杠上的扭矩

G---------切变摸量 G?82.4?105(N/cm2)

Jc-------滚珠丝杠截面惯性矩 Jc? 代入数据进行计算： Jc??32d14

3.14?28.714 32?32d14?.23mm4?6.7cm4 ?66667 34

???ML01.02?0.5?10? 5GJc82.4?10?6.7 ?9.28?10?7 其中 M?P?213?1.02N?cm 209?1L0?L0?0.5?9.28?10?7 ?L2?? ??2???2?3.14?2 ?7.4?10?4?m ?L??L1??L2?7.4?10?8?1.1?10?6 ?1.2?10?6cm ??100100?L??1.2?10?6?24?m Ph0.05 有经济数控机床设计，表6—9 选择F级滚珠丝杠。

（5） 稳定性计算

?2EJ Pk? 2(?l)E----------丝杠材料的弹性模量 21?106(N/cm2) L----------丝杠的工作长度

J-----------截面的惯性矩，对于实心的圆柱体 J??64d4

2?---------丝杠的轴端系数 （一端固定，一端铰支，??)

3?43.14d??3.24?5.145cm4 其中， J?6464

35

?2EJ3.142?21?5.145? Pk? 22(?l)2(?80)03?1192

（6） 稳定性系数校核 nk?Pk1192??4?2.5?4 P300通过计算验证所选的2005滚珠丝杠满足要求,具体参数如下： d0=20mm，Ph?5mm，L=600mm C=38249 ，C=14205

0a0

型号 FFZD-2005-3

d0 20mm Ph 5mm L 600mm C0a Ca 38249 mm 14205mm 4.4.6Z向电机的选择计算

同样采用金属切削机床里面快速电机的计算方法来选择Z向的电机，在切削时，同样没有切削力，也只考虑机床自身的部件质量，惯性力，摩擦力的影响。所设计的为数控机床，因此，采用伺服电机。

Pd?k(Pin?Pfr)

Pd--------电机的功率

Pfr-------克服摩擦力所需要的功率

k----------安全系数

Pin---------克服惯性力所需要的功率

36

Pin?Tin?n

955?0?

Tin---------克服惯性力所需要的电机轴的扭矩

n---------电机的转速

??----------传动链的效率

Tin?J?1t

J---------转化到电动机轴上的效果转动惯量

2?n ?1-------电动机的角速度 ?1?

60 t----------电动机的启动时间，对于中型机床 t?0.5s

各传动件的转动惯量： J??Jh(?k2V)??Mi(i)2 ?1?1 Jh--------各回转件的转动惯量 (Kg?m2) ?h--------各回转件的角速度

Mi--------各直线运动件的质量 (Kg) Vf--------各直线运动件的速度 (m/s)

选取的滚珠丝杠的直径d0=20mm，长度L=300mm

2M??V??rL? 则滚珠丝杠的质量为：

=3.14×0.012×0.6×7.86×103 =1.48Kg

37

则滚珠丝杠的转动惯量为：

J=0.5mr^2

=0.5X1.48X0.01^2

=0.00083KG·m^2

假定该滚珠丝杠带动部分的部件质量为M=30Kg，假设最大的运动速度为：

V?10m/min，有

J?Jh(?h2V)?M(i)2 ?1?1由于丝杠通过联轴器与电机相连接，则他们的转速一样，选择电机的转速为2000r/min ?1?2?n2?3.14?2000??209Rad/s 6060 J?J1?M(V1?1)2

10)2

209?60 ?8.1?10?4?30?( ?8.3?10?4

Tin?J?

Pin??1t?8.3?10?4?209?0.35N?m 0.5Tin?n0.35?2000 ?9550??9550?0.864 ＝45W

由于该部分的运动方向为垂直方向的运动，没有正压力，所以没有摩

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擦力的影响，即，

Pfr?0

P=K * (Pin+Pfr)=2.5×45=112.5W

因此，根据以上的计算选择电机的功率为0.2KW 所以，查资料选用电机型号：60CB 020C-500000 型号 60CB 020C-500000

额定功率 0.2KW 额定转矩 0.64N·m 最高转速 3000r/m 外观尺寸/mm 60X60X121 4.5导轨的选择

4.5.1 滚动导轨的结构选择及设计

根据上述分析可知，此次设计的高压水射流切割机床选用的是滚珠丝杠导轨。

导轨，滑块，钢球，返向器，保持架，密封端盖及挡板是滚动直线导轨副的重要组成部分。当导轨与滑块做相对的运动的时候钢球就会沿着经过淬硬处理过的导轨滚动，滚动的导轨都是经过淬硬和精密磨削加工处理过的，返向装置位于导轨上，在滑块的端部的钢球通过返向器后，钢球会进入滚道，钢球就是这样的来回的做着滚动运动。返向器的两端安有类似缸盖等装置来起到防尘密封的作用，可以有效的防止碎屑和灰尘等杂物进入滑块的内部，从而避免效率的降低，也避免能效的损耗。直线导轨的组件图如下：

图 4.5 直线导轨组件图

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