滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算與選用

1、.滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算與選用滾珠絲杠滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)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(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。 1)與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)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(dòng)運(yùn)動(dòng),所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)

2、效率。與過(guò)去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到1/3以下,即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)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(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來(lái)的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對(duì)溫度濕度進(jìn)行了嚴(yán)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(jìn)給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng),所以啟動(dòng)力矩極小,不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。 4)無(wú)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(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過(guò)給滾珠加予壓力,在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí),由于

3、滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng))。 5)高速進(jìn)給可能 滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給(運(yùn)動(dòng))。滾珠絲杠副特性 傳動(dòng)效率高滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率高達(dá)90%98%，為傳統(tǒng)的滑動(dòng)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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（運(yùn)動(dòng)可逆）。 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)為點(diǎn)接觸滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，工作中摩擦阻力小、靈敏度高、啟動(dòng)時(shí)無(wú)顫動(dòng)、低速時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象，因此可精密地控制微量進(jìn)給。 高精度滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)中溫升較小，并可預(yù)緊消除軸向間隙和對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸以補(bǔ)償熱伸長(zhǎng)，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(dòng)接觸處均經(jīng)

4、硬化（HRC5863）處理，并經(jīng)精密磨削，循環(huán)體系過(guò)程純屬滾動(dòng)，相對(duì)對(duì)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(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、反應(yīng)靈敏、無(wú)阻滯、無(wú)滑移，用幾套相同的滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)傳動(dòng)幾個(gè)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(dòng)機(jī)械，液壓傳動(dòng)相比，滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也較簡(jiǎn)單，只需進(jìn)行一般的潤(rùn)滑和防塵。在特殊場(chǎng)合可在無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)下工作。 無(wú)背隙與高剛性滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)采用歌德式（Gothic arch）溝槽形狀（見(jiàn)圖2.1.22.1.3）、使鋼珠與溝槽達(dá)到最佳接觸以便輕易運(yùn)轉(zhuǎn)。若加入適當(dāng)?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

5、和螺母、絲杠間的彈性變形，達(dá)到更高的精度?，F(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，一批又一批的高速數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。它不僅要求有性能卓越的高速主軸，而且也對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)提出了很高的要求：(1)最大進(jìn)給速度應(yīng)達(dá)到40m/min或更高；(2)加速度要高，達(dá)到1g以上；(3)動(dòng)態(tài)性能要好，達(dá)到較高的定位精度?？v向滾珠絲杠的設(shè)計(jì)與計(jì)算已知條件：工作臺(tái)重量=80KG=800N 工件及夾具最大重量=200N 工作臺(tái)最大行程=950mm工作臺(tái)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為u=0.1 快速進(jìn)給速度 =4m/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(shí)（單班制工作十年）。各種切削方

6、式的縱向切削力Fa,速度V和時(shí)間比例q及其他見(jiàn)下表表一各種切削方式的縱向切削力Fa,速度V和時(shí)間比例q切削方式縱向切削力Pxi(N)垂向切削力Pzi(N)進(jìn)給速度Vi(m/min)工作時(shí)間百分比%絲杠軸向載荷(N)絲杠轉(zhuǎn)速r/min強(qiáng)力切削200012000.610220060一般切削10005000.830115080精切削500200150620100快速進(jìn)給001000375圖二 進(jìn)給用滾珠絲杠裝配圖1） 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 ：工作臺(tái)最高移動(dòng)速度：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速；I ：傳動(dòng)比電機(jī)與絲杠間為齒輪連接式，i=4（取一級(jí)減速齒輪）由上表查得=4m/min，=1500r/min 代入得0.67m

7、m查現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)取5mm2） 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷（1） 各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速由上表查的=0.6, =0.8, =1, =4代入得120，160，200，800（2） 各種切削方式下，絲杠軸向載荷：絲杠軸向載荷，：縱向切削力，：垂向切削力由上表得(i=1,2,3,4)分別為2000 N,1000N,500N,0N (i=1,2,3,4)分別為1200N,500N,200N,0N 已知800 N，200 N 代入得(i=1,2,3,4)分別為2200N，1150N，620N，1000N（3） 當(dāng)量轉(zhuǎn)速/100+/100+/100+/100數(shù)據(jù)代入得240r/min（4） 當(dāng)量載荷帶入數(shù)

8、據(jù)得1057N3） 初選滾珠絲杠副由公式現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)（3.724）知查現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)表（3.751）表（3.754）得1，1，1，0.53，=1.3，10000h代入數(shù)據(jù)可求得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（1/31/4）重復(fù)定位精度 (1/41/5 )定位精度：最大軸向變形量已知重復(fù)定位精度10定位精度253，6取兩種結(jié)果最小值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：最小螺紋底徑mmL（1.11.2）行程+(1014) 靜摩擦力=已知行程950mm，800N, =0.2代入數(shù)據(jù)得L=1110mm，160N,

9、 =9.5mm5）確定滾珠絲杠副得規(guī)格代號(hào)（5） 選內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭，直筒螺母型墊片預(yù)緊形式（6） 由計(jì)算出的，在現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)中選取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副FFZD4005-5 =5, =22000N=13589N6)確定滾珠絲杠副預(yù)緊力= 其中2200733N7)行程補(bǔ)償值與拉伸力（1）行程補(bǔ)償值C=11.8式中查現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)950110，（24）15溫差取代入數(shù)據(jù)得C=32(2)預(yù)拉伸力1.95 代入得4807N8）確定滾珠絲杠副支承用得軸承代號(hào)，規(guī)格（1）軸承所承受得最大軸向載荷480722007007（2）軸承類型兩端固定的支承形式，選背對(duì)背60角接觸推力球軸承（7） 軸承內(nèi)徑d略

10、小于40，=，取d30帶入數(shù)據(jù)得2336N（8） 軸承預(yù)緊力：預(yù)力負(fù)荷（9） 按現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)選取軸承型號(hào)規(guī)格當(dāng)d30mm，預(yù)加負(fù)荷為：所以送7602030TVP軸承d30，預(yù)加負(fù)荷為29002336N9)滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì)(1)絲杠螺紋長(zhǎng)度由表查得余程（2）兩固定支承距離，絲杠L(3)行程起點(diǎn)離固定支承距離1290，13501410，3010）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度（1）絲杠抗壓剛度1）絲杠最小抗壓剛度6.6:絲杠底徑：固定支承距離代入數(shù)據(jù)782N/2）絲杠最大抗壓剛度 6 .6代入數(shù)據(jù)得9000 N/（2）支承軸承組合剛度1）一對(duì)預(yù)緊軸承的組合剛度：滾珠直徑mm， Z：滾珠數(shù)：最大軸向工作載荷N

11、 ：軸承接觸角由現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)查得7602030TVP軸承是預(yù)加載荷得3倍8700N/ =375 N/ 2）支承軸承組合剛度 750 N/3)滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度 ：現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)上的剛度2150 N/, =2200N, =733N代入數(shù)據(jù)得1491 N/11）剛度驗(yàn)算及精度選擇=3.5，Z17，（1） 代入前面所算數(shù)據(jù)得 代入前面所算數(shù)據(jù)得已知800N, =0.2, =160N:靜摩擦力，：靜摩擦系數(shù)，：正壓力（2）驗(yàn)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度；已知反向差值或重復(fù)定位精度為103025.6（3）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起得定位誤差（），代入5（4）確定精度：任意300mm內(nèi)行程變動(dòng)量對(duì)系統(tǒng)而言0

12、.8定位精度定位精度為20/30014.3,絲杠精度取為3級(jí)12=1500橫向滾珠絲杠的設(shè)計(jì)與計(jì)算已知條件： 工作臺(tái)重量=80KG=800N 工件及夾具最大重量=200N 工作臺(tái)最大行程=950mm工作臺(tái)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為u=0.1 快速進(jìn)給速度=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(shí)（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(shí)間比例q及其他見(jiàn)下表表二切削方式的縱向切削力Fa,速度V和時(shí)間比例q切削方式縱向切削力Pxi(N)垂向切削力Pzi(N)進(jìn)給速度Vi(m/min)工作時(shí)間百分比%絲杠軸向載荷(N)絲杠

13、轉(zhuǎn)速r/min強(qiáng)力切削200012000.610292060一般切削10005000.830185080精切削5002001501320100快速進(jìn)給00280015001） 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 ：工作臺(tái)最高移動(dòng)速度；：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速I ：傳動(dòng)比電機(jī)與絲杠間為齒輪連接式i=4（取一級(jí)減速齒輪）由上表查得=2m/min，=1500r/min 代入得0.33mm查現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)取5mm2） 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷（1） 各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速由上表查的=0.6, =0.8, =1, =2代入得120，160，200，400（2） 各種切削方式下，絲杠軸向載荷：絲杠軸向載荷，：縱向切削力，：垂向

14、切削力由上表得 (i=1,2,3,4)分別為2000 N,1000N,500N,0N (i=1,2,3,4)分別為1200N,500N,200N,0N 已知800 N，200 N 代入得 (i=1,2,3,4)分別為2200N，1150N，620N，1000N（3） 當(dāng)量轉(zhuǎn)速/100+/100+/100+/100數(shù)據(jù)代入得200r/min（4） 當(dāng)量載荷帶入數(shù)據(jù)得1097N3） 初選滾珠絲杠副，由公式現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)（3.724）知查現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)表（3.751）表（3.754）得1，1，1，0.53，=1.3，10000h代入數(shù)據(jù)可求得13272N=13.27KN4)確定允許的最小螺紋底徑

15、（1）估算絲杠允許的最大軸向變形量（1/31/4）重復(fù)定位精度 (1/41/5 )定位精度：最大軸向變形量已知重復(fù)定位精度10，定位精度25，36取兩種結(jié)果最小值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：最小螺紋底徑mmL（1.11.2）行程+(1014) 靜摩擦力=已知行程950mm，800N, =0.2代入數(shù)據(jù)得L=1110mm，160N, =9.5mm5）確定滾珠絲杠副得規(guī)格代號(hào)（1） 選內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭，直筒螺母型墊片預(yù)緊形式（2） 由計(jì)算出的，在現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)中選取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副FFZD4005-5 =5, =22000N=13272N6)確定滾珠絲杠副預(yù)

16、緊力= 其中2200733N7)行程補(bǔ)償值與拉伸力（1）行程補(bǔ)償值C=11.8，式中查現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)950，110，（24）15溫差取代入數(shù)據(jù)得C=32(2)預(yù)拉伸力1.95 代入得4807N8）確定滾珠絲杠副支承用得軸承代號(hào)，規(guī)格（1）軸承所承受得最大軸向載荷480722007007（2）軸承類型兩端固定的支承形式，選背對(duì)背60角接觸推力球軸承（3） 軸承內(nèi)徑d略小于40，=，取d30帶入數(shù)據(jù)得2336N（4） 軸承預(yù)緊力：預(yù)力負(fù)荷（5） 按現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)選取軸承型號(hào)規(guī)格當(dāng)d30mm，預(yù)加負(fù)荷為：所以送7602030TVP軸承d30，預(yù)加負(fù)荷為29002336N9)滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì)(1)絲杠螺紋長(zhǎng)度由表查得余程（2）兩固定支承距離，絲杠L(3)行程起點(diǎn)離固定支承距離1290，1350，1410，3010）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度（1）絲杠抗壓剛度1）絲杠最小抗壓剛度6 .6:絲杠底徑：固定支承距離代入數(shù)據(jù)782N/2）絲杠最大抗壓剛度 6 .6 代入數(shù)據(jù)得9000 N/（2）支承軸承組合剛度1）一對(duì)預(yù)緊軸承的組合剛度：滾珠直徑mmZ：滾珠數(shù)， ：最大軸向工作載荷N ：軸承接觸角由現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)查得7602030TVP軸承是預(yù)加載荷得3倍8700N/ =375 N/ 2）支承軸承組合剛度 750 N/3)滾