滾珠絲杠的設(shè)計

1、滾珠絲杠的設(shè)計計算與選用滾珠絲杠滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。1）與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為1/3由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動運動，所以能得到較高的運動效率。

2、與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達到1/3以下，即達到同樣運動結(jié)果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。2）高精度的保證滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面，對溫度濕度進行了嚴格的控制，由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。3）微進給可能滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動，所以啟動力矩極小，不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實現(xiàn)精確的微進給。4）無側(cè)隙、剛性高滾珠絲杠副可以加予壓，由于予壓力可使軸向間隙達到負值，進而得到較高的剛性（滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力，在實際用于機械裝置等時，由于滾珠的斥力可使絲母

3、部的剛性增強）。5）高速進給可能滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進給（運動）。滾珠絲杠副特性 傳動效率高滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的傳動效率高達90%-98%為傳統(tǒng)的滑動絲杠系統(tǒng)的24倍，如圖1.1.1所示，所以能以較小的扭矩得到較大的推力，亦可由直線運動轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)運動（運動可逆）。 運動平穩(wěn)滾珠絲杠傳動系統(tǒng)為點接觸滾動運動，工作中摩擦阻力小、靈敏度高、啟動時無顫動、低速時無爬行現(xiàn)象，因此可精密地控制微量進給。 高精度滾珠絲杠傳動系統(tǒng)運動中溫升較小，并可預(yù)緊消除軸向間隙和對絲杠進行預(yù)拉伸以補償熱伸長，因此可以獲得較高的定位精度和重復(fù)定位精度。 高耐用性鋼球滾動接觸處均經(jīng)硬化（HRC5863）

4、處理，并經(jīng)精密磨削，循環(huán)體系過程純屬滾動，相對對磨損甚微，故具有較高的使用壽命和精度保持性。 同步性好由于運動平穩(wěn)、反應(yīng)靈敏、無阻滯、無滑移，用幾套相同的滾珠絲杠傳動系統(tǒng)同時傳動幾個相同的部件或裝置，可以獲得很好的同步效果。 高可靠性與其它傳動機械，液壓傳動相比，滾珠絲杠傳動系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也較簡單，只需進行一般的潤滑和防塵。在特殊場合可在無潤滑狀態(tài)下工作。 無背隙與高剛性滾珠絲杠傳動系統(tǒng)采用歌彳惠式（Gothicarch）溝槽形狀（見圖2.1.2-2.1.3）、使鋼珠與溝槽達到最佳接觸以便輕易運轉(zhuǎn)。若加入適當?shù)念A(yù)緊力，消除軸向間隙，可使?jié)L珠有更佳的剛性，減少滾珠和螺母、絲杠間的彈性變

5、形，達到更高的精度?，F(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展突飛猛進，一批又一批的高速數(shù)控機床應(yīng)運而生。它不僅要求有性能卓越的高速主軸，而且也對進給系統(tǒng)提出了很高的要求：（1）最大進給速度應(yīng)達到40m/min或更高；（2）加速度要高，達到1g以上；（3）動態(tài)性能要好，達到較高的定位精度縱向滾珠絲杠的設(shè)計與計算已知條件：行程LkVmax=4m/min工作臺重量W1=80KG=800N工件及夾具最大重量w2=200N工作臺最大=950mm工作臺導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為u=0.1快速進給速度定位精度為20um/300mm,全行程25um,重復(fù)定位精度為10um要求壽命為10000小時(單班制工作十年)。各種切削方式的縱向切削力F

6、a,速度V和時間比例q及其他見下表表一各種切削方式的縱向切削力Fa,速度V和時間比例q切削方式縱向切削力Pxi(N)垂向切削力Pzi(N)進給速度Vi(m/min)工作時間白分比%絲杠軸向載荷(N)絲杠轉(zhuǎn)速r/min強力切削200012000.610220060一般切削10005000.830115080精切削500200150620100快速進給00451000375圖二進給用滾珠絲杠裝配圖1)確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程P二maxhi*nmaxV:工作臺最高移動速度maxnmax電機最高轉(zhuǎn)速;I:傳動比電機與絲杠間為齒輪連接式，i=4(取一級減速齒輪)由上表查得四=4m/min,n=1500r/m

7、inmax代入得Ph=0.67mm查現(xiàn)代機床設(shè)計手冊取Ph=5mm2)確定當量轉(zhuǎn)速與當量載荷(1)各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速n.=iph由上表查的Vi=0.6,V2=0.8,V3=1,Ph=4代入得n二120,e=160,n3=200,q=800(2)各種切削方式下，絲杠軸向載荷Fi=pxi+(w+w2+pzi)/10Fi:絲杠軸向載荷，pxi：縱向切削力，pzi：垂向切削力ft+(w1+w/pg耳：絲杠軸向載荷Ni=1,2AP<i:縱向切削力Ni=L2,A/:垂向切削力Ni=UA(Ii由上表得pxi(i=1,2,3,4)分別為2000N,1000N,500N,0Npzi(i=1,2,3,

8、4)分另I為1200N,500N,200N,0N已知w1=800N,w2=200N代入得Fi(i=1,2,3,4)分別為2200N,1150N,620N,1000N(3)當量轉(zhuǎn)速n皿:當量轉(zhuǎn)速r/miii工作時間百分比tltt-力=ri+n2+A+n100100100nm=nm=n1*ti/100+n2*t2/100+%*ta/100+nJt4/100數(shù)據(jù)代入得nm=240r/min(4)當量載荷Fm=3'J*I1"1一十F23*72*1一+F33*一&r一+143*3nZCnm*100nm*100nm*100nm*100帶入數(shù)據(jù)得Fm=1057N3)初選滾珠絲杠副由

9、公式現(xiàn)代機床設(shè)計手冊(3.724)知,106Ca*ffh*fa*fk、3Lh(=)60nmFmfw查現(xiàn)代機床設(shè)計手冊表(3.7-51)表(3.7-54)得ft=1,fh=1,fa=1,fk=0.53,fw=1.3,Lh=10000h代入數(shù)據(jù)可求得ca=13589N=13.58KN4)確定允許的最小螺紋底徑(1)估算絲杠允許的最大軸向變形量6mM(1/31/4)重復(fù)定位精度6mM(1/4-1/5)定位精度6m：最大軸向變形量Nm已知重復(fù)定位精度10m定位精度25mBm=3X,&m=6%取兩種結(jié)果最小值5=3%(2)估算最小螺紋底徑絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式d2m=1010*F0

10、*L0=0.039n*：m*EF0*L'.md2m:最小螺紋底徑mmL=(1.11.2)行程+(1014)Ph靜摩擦力F0=J0W1已知行程950mm,W=800N,%=0.2代入數(shù)據(jù)得L=1110mm,F°=160N,d2m=9.5mm5)確定滾珠絲杠副得規(guī)格代號(5)選內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭，直筒螺母型墊片預(yù)緊形式(6)由計算出的Ph,Cam,d2m在現(xiàn)代機床設(shè)計手冊中選取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副FFZD4005-5Ph=5,Ca=22000N>Cam=13589N6)確定滾珠絲杠副預(yù)緊力1FP=Fmax3其中Fmax=2200FP=733N7)行程補償值與拉伸力(1)行程補

11、償值C=11.8&lu*10，式中l(wèi)u=Lk+Ln+2La查現(xiàn)代機床設(shè)計手冊Lk=950Ln=110,La=(24)=15t溫差取2.50c代入數(shù)據(jù)得C=32m(2)預(yù)拉伸力Ft=1.955d1代入得Ft=4807N8)確定滾珠絲杠副支承用得軸承代號，規(guī)格(1)軸承所承受得最大軸向載荷FBmax=4807+2200=7007(2)軸承類型兩端固定的支承形式，選背對背600c角接觸推力球軸承(7)軸承內(nèi)徑一一1一d略小于d2=40,Fbp=-FBmax,取d=303帶入數(shù)據(jù)得Fbp=2336N(8)軸承預(yù)緊力：預(yù)力負荷>Fbp(9)按現(xiàn)代機床設(shè)計手冊選取軸承型號規(guī)格當d=30mm,

12、預(yù)加負荷為：至Fbp所以送7602030TVP軸承d=30,預(yù)加負荷為2900>Fbp=2336N9)滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(1)絲杠螺紋長度Ls=Lu+2Le由表查得余程Le(2)兩固定支承距離L1,絲杠L(3)行程起點離固定支承距離L0Ls=1290,Li=1350Le=1410,L0=3010)傳動系統(tǒng)剛度(1)絲杠抗壓剛度1)絲杠最小抗壓剛度ksmin=6.6*笠*102l1d2:絲杠底徑l1:固定支承距離代入數(shù)據(jù)ksmin=782N/Nm2)絲杠最大抗壓剛度d2*lcsmax=6.6*2*102410（1i-l0）代入數(shù)據(jù)得9000N/m(2)支承軸承組合剛度1)一對預(yù)緊軸承的組

13、合剛度Kb0=2*2.34*3dQZ2Famaxsin5一：dQ:滾珠直徑mm,Z：滾珠數(shù)Famax:最大軸向工作載荷NP:軸承接觸角由現(xiàn)代機床設(shè)計手冊查得7602030TVP軸承Famax是預(yù)加載荷得3倍amax=8700N/mKb0=375N/%2)支承軸承組合剛度kb=2Kb。kb=750N/小3)滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度'kc=kc(ccFp0.1ca1/3kc：現(xiàn)代機床設(shè)計手冊上的剛度'kc=2150N/Rm,ca=2200N,Fp=733N代入數(shù)據(jù)得kc=1491N/m11)剛度驗算及精度選擇dQ=3.5,Z=17,0=600(D11kminksmin11rr

14、kbkc代入前面所算數(shù)據(jù)得kmin130111+十1476ksmaxkbkc代入前面所算數(shù)據(jù)得kmaxFo-口0W1已知W1=800N,"0=0.2,Fo=160NF0:靜摩擦力，匕：靜摩擦系數(shù)，也：正壓力(2)驗算傳動系統(tǒng)剛度kmin="即古；已知反向差值或重復(fù)定位精度為10反向差值kmin=30>25.6(3)傳動系統(tǒng)剛度變化引起得定位誤差6k=F°(J-),代入6k=5,kminkmax(4)確定精度v300P:任意300mm內(nèi)行程變動量對系統(tǒng)而言V300PE0.8X定位精度6k定位精度為204/300v300P<14.3%,絲杠精度取為3級v3

15、00P=12%<14.3%(5)確定滾珠絲杠副得規(guī)格代號已確定得型號：FFZD公稱直徑：40,導(dǎo)程：5螺紋長度1290,絲杠長度1410P類3級精度所選規(guī)格型號：FFZD4005-3-P3/1410X129012)驗算臨界壓縮載荷絲杠所受大軸向載荷Fmax小于絲杠預(yù)拉伸力F不用驗算13)驗算臨界轉(zhuǎn)速nc-f孚*107Lc2nc:臨界轉(zhuǎn)速n/minf:與支承形式有關(guān)的系數(shù)d2：絲杠底徑Lc2:臨界轉(zhuǎn)速計算長度mm由現(xiàn)代機床設(shè)計手冊得f=21.9,d2=40,Lc2=l1-Io可得nc=5028>nmax=1500橫向滾珠絲杠的設(shè)計與計算已知條件：工作臺重量Wi=80KG=800N工件

16、及夾具最大重量W=200N工作臺最大行程LK=950mm工作臺導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為u=0.1快速進給速度Vmax=2m/min定位精度為20um/300mm,全行程25um,重復(fù)定位精度為10um要求壽命為10000小時(單班制工作十年)。各種切削方式的縱向切削力Fa,速度V和時間比例q及其他見下表表二切削方式的縱向切削力Fa,速度V和時間比例q切削方式縱向切削力Pxi(N)垂向切削力Pzi(N)11進給速度Vi(m/min)工作時間百分比%絲杠軸向載荷(N)絲杠轉(zhuǎn)速r/min強力切削200012000.610292060一般切削10005000.830185080精切削5002001501320

17、100快速進給002580015001)確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程PhVmax-Vmax:工作臺最高移動速度；1nmaxnmax:電機最高轉(zhuǎn)速maxI:傳動比電機與絲杠間為齒輪連接式i=4(取一級減速齒輪)由上表查得v=2m/min,n=1500r/minmaxmax代入得Ph=0.33mm查現(xiàn)代機床設(shè)計手冊取Ph=5mm2)確定當量轉(zhuǎn)速與當量載荷(D各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速n=也iPh由上表查的vi=0.6,V2=0.8,V3=1,V4=2代入得n=120,n2=160,%=200,山=400(2)各種切削方式下，絲杠軸向載荷Fi=pxi+(叫+w2+pzi)/10Fi:絲杠軸向載荷，pxi：縱向

18、切削力，pzi：垂向切削力由上表得1Pxi(i=1,2,3,4)分別為2000N,1000N,500N,0N1Pzi。=1,2,3,4)分別為1200N,500N,200N,0N已知w1=800N,w2=200N代入得Fi(1=1,2,3,4)分別為2200N,1150N,620N,1000N(3)當量轉(zhuǎn)速nm=n1*t1/100+n2*t2/100+n3*t3/100+n4*t4/100數(shù)據(jù)代入得nm=200r/min(4)當量載荷ni*ti%*100=1010*F0*Ln*,：m*E3*n2*t23*n3*t33*n4*t4f2*-+F3*-+f4*nm*100nm*100nm*100帶入

19、數(shù)據(jù)得Fm=1097N3)初選滾珠絲杠副，由公式現(xiàn)代機床設(shè)計手冊(3.724)知,106Ca*ffh*fa*fk、3Lh=(；)60nmFmfw查現(xiàn)代機床設(shè)計手冊表(3.7-51)表(3.7-54)得ft=1,fh=1,fa=1,fk=0.53,fw=1.3,Lh=10000h代入數(shù)據(jù)可求得ca=13272N=13.27KN4)確定允許的最小螺紋底徑(1)估算絲杠允許的最大軸向變形量6mE(1/3-1/4)重復(fù)定位精度6mE(1/4-1/5)定位精度6m：最大軸向變形量R已知重復(fù)定位精度10%，定位精度25%,6m=3匕；'m=6取兩種結(jié)果最小值6m=3Nm(2)估算最小螺紋底徑絲杠要

20、求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式d2md2m:最小螺紋底徑mmL=(1.11.2)行程+(1014)Ph靜摩擦力=%皿已知行程950mm,W1=800N,%=0.2代入數(shù)據(jù)得L=1110mm,F0=160N,d2m=9.5mm5)確定滾珠絲杠副得規(guī)格代號(1)選內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭，直筒螺母型墊片預(yù)緊形式(2)由計算出的Ph,Cam,d2m在現(xiàn)代機床設(shè)計手冊中選取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副FFZD4005-5Ph=5,ca=22000N>Cam=13272N6)確定滾珠絲杠副預(yù)緊力_1_FPFmax其中Fmax=22003FP=733N7)行程補償值與拉伸力(1)行程補償值C=11.8&lu

21、*10式中l(wèi)u=Lk+Ln+2La查現(xiàn)代機床設(shè)計手冊Lk=950,Ln=110,La=(24)%=15At溫差取2.50c代入數(shù)據(jù)得C=32%(2)預(yù)拉伸力Ft=1.955d1代入得Ft=4807N8)確定滾珠絲杠副支承用得軸承代號，規(guī)格(1)軸承所承受得最大軸向載荷FBmax=4807+2200=7007(2)軸承類型兩端固定的支承形式，選背對背600c角接觸推力球軸承(3)軸承內(nèi)徑一一1一d略小于d2=40,Fbp=-FBmax,取d=303帶入數(shù)據(jù)得Fbp=2336N(4)軸承預(yù)緊力：預(yù)力負荷之Fbp(5)按現(xiàn)代機床設(shè)計手冊選取軸承型號規(guī)格當d=30mm,預(yù)加負荷為：占FBP所以送760

22、2030TVP軸承d=30,預(yù)加負荷為2900>Fbp=2336N9)滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(1)絲杠螺紋長度Ls=Lu+2Le由表查得余程Le(2)兩固定支承距離L1，絲杠L(3)行程起點離固定支承距離L0Ls=1290,L1=1350,Le=1410,L0=3010)傳動系統(tǒng)剛度(1)絲杠抗壓剛度1)絲杠最小抗壓剛度ksmin=6.6*區(qū)*10211d2:絲杠底徑l1:固定支承距離代入數(shù)據(jù)ksmin=782N/Nm2）絲杠最大抗壓剛度ksmax=6.6*d2*102410（1i-l0）代入數(shù)據(jù)得9000N/m(2)支承軸承組合剛度maxSin5:1)一對預(yù)緊軸承的組合剛度KB0=2*2.34*3dQZ2FadQ:滾珠直徑mmZ:滾珠數(shù)，F(xiàn)amax:最大軸向工作載荷N: