斜床身卧式数控车床结构设计

1 前言

1.1 斜床身数控车床的设计背景

机床产业是机械制造业的关键产业，为机械制造业提供装备。从经济角度来讲，机床产业对于发展国民经济、增强国家的综合国力和发展高新技术产业有着重要的作用。机床产品的发展是高精度、高效率、柔性化、智能化和自动化。我国的机床产业在总体设计制造水平与工业发达的国家相比，还有很大的差距。主要是表现在设计方法的落后、设计标准难于与国际发达国家的技术指标接轨。在机械加工工业中，由于加工复杂工件的需要，一般机床已不能满足要求，因而出现了自动控制机床及数字控制机床，用以加工复杂曲面和形状的工件。斜床身数控机床因其独特的优点，成为数控车床中比较优秀的床种，是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。

但我国的机床制造业由于起步晚，发展慢，经验少而造成与发达国家的距离较大的局面，在这类机床上的成就也是平平淡淡，都是一些低端产品。从现在国内的情况来看，大部分厂家都在制造数控车床，数控机床成本较高，不够专业化，没有突出的优点和特长，设备的故障率过高，一旦有小故障发生，整个机床就处于瘫痪状态。这种状态使的我国数控车床在国际市场上很难占有很大市场，跟发达国家的差距更大了。因此，有必要在充分借鉴和吸收国外先进技术的基础上，进一步鼓励创新技术，从我国现阶段斜床身数控车床的弱势与缺点分析，全力提升我国生产企业，把低档次数控车床做出高质量来，打造出特色产品，去占领发展中国家这块大市场。

1.2斜床身数控车床设计的目的

毕业课程设计是在学生学完大学课程及先行课程之后，在大学的最后阶段进行的实习性创新设计环节，是大学生的必修环节。本次设计目的在于通过机床运动机械变速传动系统的结构设计，使在拟定传动和变速结构的结构方案过程中，得到设计构思，方案分析，结构工艺性，机械制图，零件计算，编写技术文件和查阅技术资料等方面的综合训练，树立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，并培养学生具有初步的结构分析，结构设计和计算能力。

2 机床总体方案设计

此次的设计任务是一台斜床身数控车床，整体方案采用45度后置斜床身布置，以便于操作者装工件和完成加工动作，机床有床身、主轴箱、自动回转刀架、进给系统、冷却和润滑系统等部分组成，结构图如下：

图2.1 数控车床结构图

设计要求和参数的拟定如下表：

表2.2 机床设计参数

机床名称 床身 最大工件回转直径/mm 最大工件长度/mm 最大切削长度/mm 最大切削直径/mm 滑板上最大回转直径/mm 进给 主轴 斜床身卧式数控车床 400 1000 930 400 210 3600 4500 7.5 1400 0.01 电动多工位立式刀架 ≤0.01 150 0.045/0.05 0.010/0.015 IT6~IT7 x轴坐标进给速度/（mm/min） y轴坐标进给速度/（mm/min） 主电机功率/kw 主轴最高转速/（r/min） 机床最小设定单位/mm 刀架 尾架 精度 刀架形式 重复定位精度/mm 最大行程/mm 定位精度（x/z）/mm 重复定位精度（x/z）/mm 加工工件精度

3 机床各系统的设计

3.1床身

机床的床身是整个机床的基础支承件，是机床的主体，一般用来放置导轨、主轴箱等重要部件。床身的设计一般从床身与导轨和滑板的相对位置结构和床身的材料方面考虑。

床身的结构对机床的布局有很大的影响。数控车床床身一般可分为卧式和立式两大类。卧式数控车床又分为数控水平导轨卧式车床和数控倾斜导轨卧式车床。其中倾斜导轨结构在现代数控车床中被广泛应用，原因是：容易实现机电一体化；容易排屑和安装自动排屑器；从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度；宜性好，便于操作等等。档次较高的数控卧车一般都采用倾斜导轨。按要求，本次设计应选卧式倾斜导轨的床身。按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身与滑板又有5种布局形式，分别为：后斜床身－斜滑板；直立床身－直立滑板；平床身－平滑板；前斜床身－平滑板；平床身－斜滑板。本次所设计的车床床身为后斜床身－斜滑板，如下图3.1。为了使机床有较高的精度性,尽可能地减少电器和机械故障, 应充分考虑机床零部件的耐磨性, 尤其是机床导轨的耐磨性。机床的床身采用普通铸铁。

图3.1 后斜床身结构

另外，车床的导轨也是对车床的加工精度容易产生很大影响的因素。导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两类。滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。但考虑到经济因素，节约成本，我们采用的是带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨，它具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。而导轨则采用淬

硬的合金钢材料, 其耐磨性较高。据此, 采用GCR15轴承钢淬硬到65-62HRC制成导轨, 用螺钉和粘接剂固定在铸铁的床身上。

3.2传动系统的设计

数控车床的传动系统的组成与普通车床的相似，分为主轴传动系统和进给传动系统。

3.2.1 主传动系统设计

数控车床的主传动系统大多采用无级变速，现在，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮(以获得更大的转矩)带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。主轴电机在额定转速时可输出全部功率和最大转矩。

本次设计中，数控机床的主传动要求较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。故采用无极变速系统，机床主轴传动系统采用交流伺服电动机直接驱动的主传动，提高了传动的平稳性，如下图3.2中（c）：

图3.2 电动机主轴传动方式

将调速电机与主轴合成一体（电动机转子轴即为机床主轴），这是今年来新出现的一种结构。这种变速方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，比较符合本设计的要求。合理的确定电机功率，使机床既能充分发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。

已知电动机的功率是7.5kw，根据《车床设计手册》附表选110MB075D-2CE6E，额定功率7.5kw，额定转速1500rmin，额定转矩5.0N

m。

3.2.2 进给传动系统设计

数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。进给运动是使刀架实现纵向或横向进给运动的传动。进给运动的两个执行构件是主轴和刀架，车削螺纹时，主轴和刀架之间有严格的运动关系；车圆柱面和端面时，主轴和刀架之间无严格的运动关系。

横向和纵向进给传动用滚珠丝杠安装在与普通车床相应的安装装置，选用步进电机，步进电机经无间隙联轴器与滚珠丝杠副相连, 将拖动转矩传给滚珠丝杠副, 带动拖板沿纵向往复运动。丝杠采用可预紧安装方式, 以减小或消除因丝杠自重而产生的弯曲变形, 使丝杠的拉压刚度有较大提高, 丝杠不会因发热而伸长。如下图3.3和图3.4：

（a） 横向进给系统

（b） 纵向进给系统 图3.3 进给系统

1-丝杠 2-套筒联轴器 3、7-锥销 4-螺母 5-垫圈 6-支架 8-支承套 9-步进电机

图3.4 步进电机与丝杠的联接

3. 3刀架系统

数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。刀架是直接完成切削加工的执行部件，所以，刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，所以要求数控车床选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证有较高的重复定位精度。此外，刀架的设计还应满足换刀时间短、结构紧凑和安全可靠等要求。按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。

本次设计采用立式回转刀架，也称转塔式刀架如图3.5，通过回转头的旋转来实现车床的自动换刀。选用多工位自动刀架如下图为一种立式回转刀架。刀架的动作顺序为：系统发出换刀信号→刀架电机正传→刀台上升并转位→刀架到位信号→刀架电机反转→粗定位夹紧→精定位夹紧→电机停转→回答信号→加工。它可用数控系统控制、效率高、工艺性能可靠，还具有重复定位精度高，工作刚性好，寿命长的优点。

图3.5 转塔刀架

3.4 尾座

数控车床上配置的尾座，一般为液压尾座，尾座装在床身导轨上，沿床身导轨移动，根据工件的长短调节位置。它的作用是利用套筒安装顶尖，用来支承较长工件的一端，也可以安装钻头、铰刀等道具进行孔加工。尾座的外形要美观，要与机床设计风格相称，尾座的材料用1级铸铁，并经过时效处理，同时也可以利用偏心机构将尾座固定在需要的位置上，尾座和床头箱顶尖水平面的偏移。

4 机床各系统机械部分设计计算

4.1 切削力计算

纵车外圆时：

1.5FZ?0.67Dmax?0.67?4001.5?5360(N) （4.1）

Dmax——车床床身最大加工半径，单位mm。

求出主切削力后，由Fz：Fx：Fy?1:0.25:0.4 可求出：走刀方向的切削力 Fx?1340N

垂直走刀方向的切削力 Fy?2144N

横切端面时：

主切削力：Fz'可以取纵切时FZ的1/2。所以Fz'=12FZ=2680N 同理Fz':Fx':Fy'?1:0.25:0.4

可得：走刀方向的切削力 Fx'?670N

垂直走刀方向的切削力 Fy'?1072N

4.2 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主要任务是：确定滚珠循环的方式，预紧方式和其他技术参数包括：外径、导程和精度等级等。 4.2.1纵车外圆的计算 （1）计算进给率引力Fm

作用在滚珠丝杠上进给率引力包括切削时的走刀抗力及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。 燕尾型导轨：

Fm?KFx?f?(FZ?2FY?G) （4.2）

式中Fx、Fy、FZ——切削力

G——移动部件的重量（N）

K——考虑颠覆力矩影响的实验系数，此处K=1.4

f?——导轨上的摩擦系数，此处f??0.2

带入数据得Fm?1.4?1340?0.2?(5360?2?2144?800)=2272N （2）计算最大动载荷

滚珠丝杠的选用，要在一定的轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不应产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值被称为滚珠丝杠能承受的最大动载荷：

C?3LfwFw （4.3）

式中L——工作寿命，单位为106r， L?n——丝杠转速，n?60nT 6101000vs L0vs——最大切削力条件下的进给速度（m/min）,此处取vs=0.6 L0——丝杠导程，（mm）L0=6mm

T——使用寿命，（h）,对数控车床取T=15000h

fw——运转系数，此处为一般运转，查表可知一般运转时fw取1.3

带入数据可得:丝杠转速 n?工作寿命 L?1000?0.6?0.5?50r/min

L060?50?15000?45

106最大动载荷 C?345?1.3?2272=10505.6N

根据求出的条件查表可得：

采用外循环螺纹预紧的双螺母滚珠丝杠副W1L4006，其额定动载荷为16400N，螺距D0为40mm，精度等级为3级。 （3）传动效率计算 传动效率：

??tan? （4.4）

tan(???)式中?——丝杠螺旋长升角，W1L4006型滚珠丝杠副?为2?44'。

?——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'。

2?44'代入数据可得???0.94 ?'tant(244'?10)（4）刚度校验

滚珠丝杠副若产生轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑引起变形的因素。丝杠及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向载荷的

1。 3①丝杠的拉伸或压缩变形量?1 查表，据Fm=2272N，D0=40mm，知：?LL0?1.2?10?5，则

?1=

?LL0?L?1.2?10?5?1000?1.2?10?2（mm） （4.5）

由于两端用向心推力轴承，丝杠螺母进行了拉伸，刚度可提高四倍，则变形

1量缩小为：?1'??1?0.3?10?2。

4②滚珠与螺纹滚道间的接触变形量?2

查表知，W系列2.5圈1列型丝杠副和螺纹滚道间的接触变形量： 由于预紧，?2=1?QC=1?6.4=3.2?m。

22③支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形

?QC=6.4?m

?3

d?5.35mm用8107推力球轴承，d1?35mm，滚动体直径0，滚动体得数量

Z=18， 所以

22Fm227.2?c?0.00243?0.00243?0.0077(mm) （4.6） 2d0?z5.35?182由于预紧的存在，?3=1?c?1?0.0077?0.00386mm 22综上可得，变形量??0.003?0.0032?0.00386?0.01006mm?定位精度 故选用W1L4006型滚珠丝杠副符合要求。 （5）稳定性校验

滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象，故不需要稳定性校验。

4.2.2横向进给的计算

'（1）计算牵引力Fm

'Fm?1.4Fx'?f'(FZ'?2Fy'?G')=1.4?670?0.2(2680?2?1072?600)?2022.8(N)

（4.7）

（2）计算最大负载C 丝杠转速：

n?1000vs1000?0.3?0.5=?30(r/min) （4.8） L05工作寿命：

L?最大负载：

60nT60?30?15000=?27 （4.9） 106106C?3LfwFw=3?1.2?2022.8?7282.08(N)

（4.10）

根据求出的条件查表可得：

采用外循环螺纹预紧的双螺母滚珠丝杠副W1L2005型1列2.5圈，其额定动载荷为8800N，螺距D0为40mm，精度等级为3级。 （3）传动效率计算 传动效率：??tan?

tan(???)W1L2005型滚珠丝杠副丝杠螺旋长升角?为4?33'，摩擦角?为10'。

tan4?33'故???0.965 ?''tan(433?10)（4）刚度校验

由横向进给的支撑方式，如图：

图4.1

由最大牵引力为2022.8N，支撑间距为450mm，丝杠长度较短，不需要螺

母及轴承预紧，

①丝杠的拉伸或压缩变形量?1

'?2202.8N，D0=20mm，知：?L查表，据FmL0?4.2?10?5则

?1=

?LL0?L?4.2?10?5?450?1.9?10?2(mm) （4.11）

②滚珠与螺纹滚道间的接触变形量?2

查表知，W系列2.5圈1列型丝杠副和螺纹滚道间的接触变形量：

?QC=6.4?m

由于预紧，?2=1?QC=1?6.4=3.2?m。

22③支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形?3

用8102推力球轴承，d1?15mm，滚动体直径d0?4.74mm，滚动体得数量Z=12，

所以：

'2F202.28m?c?0.00243?0.00243?0.0094(mm) （4.12） 2d0?z4.74?1222由于预紧的存在：

?3=1?c?1?0.0094?0.0047(mm) （4.13） 22综上可得，变形量??0.019?0.0032?0.0047?0.0269mm?定位精度 若将滚珠丝杠在进行预紧拉伸，则变形量还可提高四倍，此时变形量

1 ??0.019?0.0032?0.0047?0.00838mm?定位精度

4由此可知，将滚珠丝杠进行拉伸之后，使用W1L2005型1列2.5圈丝杠副符合要求。

（5）稳定性校验

对已选尺寸的丝杠在给定的支撑条件下，承受最大的轴向负载时，应该验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险。 首先计算产生失稳的临界负载Fk用下列公式：

fz?2EIFk? （4.14） 2l

式中E——丝杠材料弹性模量，钢材量E=20.6?10?6N/cm2

4，丝杠截面惯性矩I??d164，（d1为丝杠螺纹的I——截面惯性矩（单位：cm4）

底径）l——丝杠两支撑端距离，（cm）

fz——丝杠的长度支撑系数，见下表

表4.1 丝杠的支撑长度系数

方式

fz

一端固定一段

自由 0.25

两端简支 1.00 一端固定一端

简支 2.00

两端固定 4.00

本设计，丝杠采用两端固定，故fz取4.00。 则：截面惯性矩：

I=

??1.6788464?0.3899(cm4) （4.15）

临界负载 ：

4?2?20.6?106?0.3899Fk??6429.8(N) （4.16） 281临界负载Fk与最大工作负载Fm之比称为稳定性安全系数nK，如果

nK?FkFm ?[nK],则丝杠不致失稳，[nK]为许用稳定性安全系数，一般取2.5~4。

2272?2.83?[nK],故横向进给丝杠选用W1L2005nK?6429.8则根据以求得数据，

型丝杠不会产生失稳。

4.3 步进电机的选型和计算

4.3.1等效转动步进电机的计算

根据计算简图4.2，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J?(kg?cm2)可由下式计算：

J??JM?J1?(

Z12WL)[(J2?Js)?(0)2]Z2G2?

（4.15）

式中JM——步进电机转子转动惯量（kg?cm2）

J1、J2——齿轮Z1、Z2的转动惯量（kg?cm2），由于进给系统由步进电机直接和丝杠联接，则

Z1?1。 Z2 Js——滚珠丝杠转动惯量（kg?cm2）

参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF,其转子的转动惯量为10kg?cm2。

Js?0.78?10?3?44?150?29.952(kg?cm2) （4.16）

带入上式：

J??JM?J1?(Z12WL)[(J2?Js)?(0)2] Z2G2? =10?[29.952? =40.7kg?cm

28000.62()] 9.82?考虑步进电机与传动系统惯量相匹配的问题：

JM/J??10/40.7?0.246

基本满足惯量匹配要求。 4.3.2电机力矩计算

机床在不同的工作状况下，所需要的转矩不同，一下分别按各阶段计算。 快速空载启动阶段M起：

M起?Mamax?Mf?M0

Mamax?J???J?vmaxnmax2?nmax?10?2?J??10?2 6060tata2??而nmax??p??b360

将前面以求得的数据代入，

nmax?vmax?p??b360??24000.75??450(r/min) （4.17） 0.01360

启动加速时间：ta?30ms

Mamax?J?2?nmax2??450?10?2?36.355??10?2?571.1(N) 60ta60?0.03（4.18）

折算到电机轴上的摩擦力矩Mf：

F0L0f'(Fz?G)?L00.16(5360?800)?0.6 Mf? ???94(N?cm)（4.19）

Z22??i2??0.8?1.252??Z1还有附加摩擦力矩：

1?Fm?L0Fp0L02530?0.622M0?(1??0)?3?(1??0)?(1?0.92)?19.1(N?cm)

z2??i3?2??0.82??2z1（4.20）

综上所述：

M起?Mamax?Mf?M0?571.1?94?19.1?684.2(N?cm) （4.21）

快速移动阶段所需力矩M快

M快?Mf?M0?94?19.1?113.1(N?cm) （4.22）

最大切削负载时所需力矩M切

M切?Mf?M0?Mt?Mf?M0?FxL01340?0.6?94?19.1??273.1(N?cm) 2??i2??0.8（4.23）

由上面的计算可看出，在M起、M快、M切三种情况下，其中快速启动阶段所需要的力矩最大，以此作为选择电机的依据。

查表，步进电机五项十拍 ??最大静力矩：

Mjmax?MqMqMjmax ?0.951??684.2?719.45N?cm （4.24） 0.951

按此力矩查表，130BF001型电机允许最大静力矩为931N?cm，最高空载启动频率为3000Hz，运行频率为16000Hz，当快速运动和切削进给时，电机运行矩频特性完全可满足要求。

同理，经过计算横向进给步进电动机选择110BF003，其允许最大静力矩为784N?cm，最高空载启动频率为1500Hz，运行频率为7000Hz。

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