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基于空心强冷技术的滚珠丝杠机构设计.doc
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1、 学号: 密级: 本科生毕业论文(设计)基于空心强冷技术的滚珠丝杠机构设计 院(系)名 称:机电工程学院 专 业 名 称:机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名: 指 导 教 师: 二一六年五月六日郑重声明 本人呈交的学位论文,是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。 本人签名: 日 期:摘 要水平直线运动机构作为常见运动机构的一种,在生产生活中发挥了极其重要的
2、作用。如加工机床主运动和进给运动等很多都用到了直线运动机构。本文简单地比较了几种常见直线运动机构的特点,选择了将滚珠丝杠机构作为设计对象。滚珠丝杠机构是为了适应机电一体化机械传动系统的要求而发展起来的一种新型传动机构,由丝杠、螺母、滚珠、导轨和轴承等零部件组成,具有传动效率高、启动力矩小、传动灵敏平稳、工作寿命长等优点。现代机床的发展,需要高的传动精度、定位精度,以及宽的进给调速范围,要求响应速度快,传动无间隙,传动机构稳定性好,寿命长,使用维护方便,滚珠丝杠机构正好适应了这种发展需要。本文对国内外滚珠丝杠副的发展现状进行了对比,找出国内外主要差距。通过对差距原因的分析之后,选择通过采用空心强
3、冷技术降低滚珠丝杠副工作温升的方法提高其定位精度和中高速传动性能。本文以某小型数控铣床的X轴的工作条件为例,对滚珠丝杠机构各部分结构进行了详细地和介绍,选出了适合的结构,设计计算并校核了各部分的尺寸。关键词:水平直线运动机构;滚珠丝杠副;导轨;空心强冷技术 IABSTRACT Straight and level motion mechanism as a kind of common motion mechanism, play an important role in production and living. Such as machine tools main motion and
4、feed movement many use the straight line motion mechanism. This article simply comparing the several kinds of common linear motion mechanism, the characteristics of the ball screw mechanism as the design object. Ball screw mechanism is in order to adapt to the requirement of mechanical and electrica
5、l integration of mechanical drive system and developed a new type of transmission mechanism, by screw, nut, ball, guides and bearing parts, such as high transmission efficiency, small starting torque, stable transmission sensitive, long working life. The development of modern machine tools, need hig
6、h transmission accuracy, positioning accuracy, and wide feed speed range, demand response speed, transmission clearance, transmission mechanism has good stability, long service life, convenient in operation and maintenance, ball screw mechanism is used to the development needs. In this paper, the cu
7、rrent development of ball screw pair at home and abroad are compared, find out the main gap at home and abroad. Through the analysis of the gap between the reason, after selection by using hollow strong cold technology reduces the working temperature of the ball screw pair method to improve the posi
8、tioning accuracy and high speed transmission performance. Based on the working conditions, for example, a kind of miniature CNC milling machine of ball screw mechanism structure was introduced in detail, and the parts, choose the suitable structure, design calculation and check the size of each part
9、.Key words: Horizontal straight line motion mechanism;Ball screw vice;Guide;Compulsively cool technologyII目 录摘 要IABSTRACTII第1章 引言11.1 常见的水平直线运动机构11.2 滚珠丝杠副的国内外发展现状21.3 技术方案31.4 小结3第2章 滚珠丝杠机构的结构设计52.1 滚珠丝杠机构的基本概况52.2 丝杠滚道的型面形状52.3 滚珠的循环方式62.4 螺母的预紧方法82.5 丝杠支承方式和轴承类型选择92.6 导轨的结构设计102.7 动力和传动机构的类型122.8
10、 螺母的密封与滚珠丝杠副的润滑122.9 小结13第3章 滚珠丝杠副机构的参数设计143.1 滚珠丝杠副的参数计算与选用143.2 轴承的选用163.3 总定位精度校核173.4 导轨的参数设计183.5 联轴器的选用193.6 电机的选用203.7 小结22第4章 滚珠丝杠机构的三维模型244.1 丝杠的模型244.2 螺母的模型254.3 轴承及支承结构模型264.4 导轨及移动件模型274.5 总装模型274.6 小结28第5章 总结29致 谢30参考文献31第1章 引言1.1 常见的水平直线运动机构 齿轮齿条机构、曲柄滑块机构、凸轮机构、滚珠丝杠机构都是常用的直线运动机构。(1)齿轮齿
11、条机构优点:承载力大; 传动精度较高; 可无限长度对接延续; 传动速度可以很高。缺点:若加工安装精度差,传动噪音大。(2)曲柄滑块机构优点:面接触低副,压强小; 便于润滑,磨损轻,寿命长,传递动力大; 低副易于加工,成本低; 可用作实现远距离的控制,可利用连杆实现较复杂的运动规律和运动轨迹。缺点:低副中存在间隙,精度低,且不容易实现精确复杂的运动规律。(3)凸轮机构优点:可以用在对从动件运动规律要求严格的场合,也可以根据实际需要任意拟 定从动件的运动规律; 可以高速启动,动作准确可靠。缺点:凸轮机构是高副机构,两构件接触点处为点接触或线接触,单位面积上承 载压力较高; 难以保持良好的润滑,故容
12、易磨损,寿命低。(4)滚珠丝杠机构优点:传动效率高; 定位精度高; 启动力矩小; 传动灵敏平稳; 工作寿命长; 可实现微量及高速进给。缺点:不能自锁; 加工难度大,成本较高。滚珠丝杠副是顺应机电一体化技术而发展起来的一种新型传动机构,由丝杠、螺母、滚珠、导轨和轴承等组成,可以将回转运动转化为直线移动。现代机床需要高的定位和传动精度,以及宽泛的调速范围,对响应速度、传动机构稳定性好、寿命也有较高的要求,滚珠丝杠机构应运而生。滚珠丝杠机构不仅是各类数控设备的核心部件,还是机械工业领域中资本密集型和技术密集型的重要通用零部件。在线性传动家族中滚珠丝杠副是应用面很广,产业化程度较高的产品。而在机电一体
13、化进程不断加快、高精密机床的使用日益广泛的今天,研究滚珠丝杠副被赋予了新的时代意义。对滚珠丝杠副的研究满足机电一体化的发展需要,顺应机械工业的发展趋势,具有广阔的技术前景。故本次设计对象选为滚珠丝杠机构。1.2 滚珠丝杠副的国内外发展现状自1874年通用公司申请滚珠丝杠机构专利至今已有一百多年的历史,在我国也有五十余年的发展历程。目前我国滚珠丝杠副与国外有较大差距,主要体现在如下方面:1. 在滚珠材料上,我国采用滚动轴承钢。在材料热处理方面也与国外有较大 的差距。2.滚珠的尺寸偏差随机性大。3.在高速性能方面,我国仅为50m/min。4.在振动、噪声方面,我国滚珠丝杠副与日本产品相比,一般要相
14、差10dB以 上。5.在生产能力上,全国的年总产值仅与美国TIMKEN公司相当,不足日本的20%。国外现状:1. 在滚珠材料上,发达国家采用专用钢材。2. 在滚珠尺寸公差与旋转精度上,尺寸偏差的离散度方面小。3. 在高速性能方面,国外名牌产品的dn值达200 m/min。 4.在振动、噪声与异音方面,日本已推出静音及超静音产品。5. 生产能力上,由日本的THK、NSK和德国的INA、台湾的PMI领军,约占国内 市场的80%。 我国高档数控机床对滚珠丝杠机构的年需求量约为15亿元,但八成以上需要从国外进口,国产主要用于中、低档数控机床。因此,开展国产高性能滚珠丝杠的研究是非常迫切的任务。1.3
15、技术方案 目前国内滚珠丝杠副在高速驱动时主要存在的问题是:噪声大、温升高、定位精度差。导致上述问题出现的根本原因归结为:1. 国产滚珠的材料主要为Cr、Mn合金钢,力学性能较国外Mo、Mn合金钢略 差,且热处理方法也有差距。2. 因为工艺精度的原因,国产滚珠的尺寸随机性误差较分散,各滚珠尺寸差 异略大。因这两个缺陷的制约,国产滚珠丝杠副在工作时平稳性较差,摩擦损失较大,发热严重。温度大幅度升高导致丝杠的线性膨胀严重,严重影响了定位精度;且破坏了润滑条件,使滚珠丝杠副的工作条件恶化,产生噪声,甚至出现胶合失效。正是这些原因限制了国产滚珠丝杠副的使用。要改善滚珠丝杠副,工艺精度和材料性能这两方面需
16、要较长的时间去提高,且其不属于本课题的研究范围。所以本文打算从限制滚珠丝杠副的温升入手,并辅以螺母预紧,以提高滚珠丝杠副的工作性能。即: (1)空心强冷技术:将丝杠改为空心结构,工作时从轴端通入冷却的空气或 在轴端加装风扇大幅改善滚珠丝杠副的散热,限制温升。 (2)选择合适的轴承、螺母预紧力和预紧方法,限制丝杠和螺母的轴向窜动, 提高定位精度。1.4 小结本章简要对比了各种常见的直线运动机构的优缺点,阐明了研究直线运动机构的重要意义,选择了以滚珠丝杠机构作为设计对象。接着介绍了滚珠丝杠副的国内外发展现状,找出了国内外的差距,通过分析确定了空心强冷技术作为主要的改善方案。下章将以某小型数控铣床X
17、轴的工作条件为例进行滚珠丝杠机构的结构设计,通过查阅相关资料,现将工作要求列于下表。已知某铣床的x轴用滚珠丝杠机构工作要求如表1.1所示: 表1.1 滚珠丝杠机构工作要求工作台重量工件及夹具最大重量工作台最大行程工作台导轨的摩擦系数快速进给速度加速时间定位精度使用寿命单班制 10年工作可靠性96% 第2章 滚珠丝杠机构的结构设计2.1 滚珠丝杠机构的基本概况 滚珠丝杆机构是以滚珠丝杠副为传动部件,以导轨作为导向和承载部件的直线运动机构。滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。主要由丝杆、螺母、滚珠、导轨、轴承等组成。滚珠丝杠副有多种结构型式。按型面形状分,常见的有矩形、半圆弧
18、形和双圆弧形等。按滚珠循环方式分为外循环和内循环两大类。滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环;始终与丝杠保持接触的称为内循环。滚珠每一个循环闭路称为列,每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。按预紧调整方式分为垫片预紧方式、螺纹预紧方式、齿差预紧方式等。2.2 丝杠滚道的型面形状常见的型面形状有矩形、半圆弧形和双圆弧形。(1) 矩形优点:制造容易,接触应力高,效率高。缺点:承载能力低,根部强度低。矩形型面只用在轴向载荷小、要求不高的场合。(2) 半圆弧形优点:磨削方便,加工精度高,有较高的接触强度。缺点:运行时摩擦损失大,接触角随初始间隙和轴向载荷大小而变化,必须严格 控制径向间隙。(
19、3) 双圆弧形优点:有较高的接触强度,轴向间隙与径向间隙理论上为零,接触角稳定。缺点:加工复杂。 因本次设计的丝杠要求工作稳定,轴向窜动小,所以选用双圆弧形型面形状的丝杠。如图2.1所示:图2.1 双圆弧形型面2.3 滚珠的循环方式一、 外循环滚珠丝杠副外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环,以外循环为循环方式的滚珠丝杠副称为外循环滚珠丝杠副。常用的外循环方式分为插管式、端盖式、螺旋槽式。(1) 插管式在螺母外部引出导管连接滚珠回路两端。优点:它用弯管作为返回管道,结构工艺性好; 插管转角处半径较大,滚珠反向较流畅; 可做成多圈多列以提高承载能力;
20、对螺母削弱较小。缺点:由于管道突出螺母体外占据空间,径向尺寸较大; 导珠管两端管口耐磨性和抗冲击性较差,摩擦损失较大。(1)端盖式在螺母上加工一纵向孔,作为滚珠的回程通道,螺母两端的端盖上开有滚珠的导流器,滚珠由此进入回程管,形成循环。优点:结构紧凑,尤其适合于多头螺纹; 滚珠在螺母内和端盖间循环,高速运转时噪声也很低。缺点:回路孔和端盖交界处坡度陡急,摩擦损失大,容易引起滚珠跳动。(2)螺旋槽式在螺母外圆上铣出螺旋槽,槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切,形成返回通道。优点:工艺简单,成本低; 轴向尺寸紧凑,外径也比插管式小。缺点:档珠器刚性差; 由于螺旋槽和回珠孔交接不圆滑,坡度陡急,增加了反
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