1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 数控超声机床传动系统设计 所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 本文对超声技术的来源、发展状况及最新研究成果进行了简单的描述，主要是对数控超声机床的工作台进给系统进行了设计计算。分别对 X、 Y、 Z三个方向进行了设计计算。 X 方向的进给系统是用滚珠丝杠连接伺服电机，通过伺服电机转动带动滚珠丝杠螺母连接着的工作台移动，主要是对滚珠丝杠的选择和校核，轴承的选型与校核以及滚珠丝杠的刚度计算。 Y方向的设计计算与 X 方向基本一样，不同的是 Y方向的进给滚珠丝杠的螺母带动的是工作台加上
2、X方向的进给系统，所以计算上只是数值不同。 Z方向则是电机连接齿轮，通过齿轮在齿条上的转动使整个工作台实现 Z方向上的升降，主要对齿轮进行了设计计算，确定了齿轮的分度圆直径，模数等参数，最后通过齿轮来确定电机的型号。 关键词： 超声技术 进给系统 传动机构 II Design of transmission system for CNC ultrasonic machine tool Abstract In this paper, the source of ultrasound technology, developments and latest research results brie
3、fly described, mainly on the CNC ultrasound machine table feed system design calculations.Respectively, X, Y, Z three directions design calculations.X direction of the feed system is connected with the ball screw servo motor, By servo motor rotate driven ball screw connected to the table moves,mainl
4、y on the choice of ball screw and checking,selection and check the bearing and ball screw stiffness calculation.The Y direction with X direction and design calculation of basic and same,The difference is that the direction of feed Y ball screw nut is driven into the table with X direction feed syste
5、m,So numerical calculate is different.Z direction is motor connected gear ,gear in the rack by turning on the realization of the whole table down on the Z direction,the main design calculation of gear,to determine the gear pitch diameter, modulus and other parameters.Finally through the gears to det
6、ermine the motor type. Keywords: Ultrasound technology Feed system Transmission system III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1超声技术 . 1 1.2超声加工的意义 . 1 1.3超声技术国内外发展现状 . 1 1.4课题研究的主要内容 . 3 2 X方向进给系统设计 . 4 2.1伺服电机的选择 . 4 2.2 滚珠丝杠计算与校核 . 5 2.2.1 滚珠丝杠 计算 . 5 2.2.2 滚珠丝杠 校核 . 7 2.3轴承的选择与校核 . 8 3.3.1 轴承选择
7、. 8 2.3.2 轴承校核 . 9 2.4滚珠丝杠刚度计算与刚度验算 . 9 2.5本章小结 . 12 3 Y方向进给系统设计 . 13 3.1伺服电机的 选择 . 13 3.2 滚珠丝杠计算与校核 . 13 3.2.1 滚珠丝杠 计算 . 13 3.2.2 滚珠丝杠 校核 . 15 3.3轴承的选择与校核 . 16 3.3.1 轴承选择 . 16 3.3.2 轴承校核 . 17 3.4滚珠丝杠刚度计算与刚度验算 . 17 3.5 本章小结 . 19 4 工作台 Z方向运动 . 20 4.1 按齿面接触强度设计 . 20 4.2 按齿根弯曲计算强度设计 . 22 4.3 本章小结 . 23
8、结论 . 24 参考文献 . 25 致谢 . 26 数控超声机床传动系统设计 1 1 绪论 1.1超声技术 超声技术在工业中的应用开始于 20 世纪 10 20 年代 , 是以经典声学理论为基础 , 同时结合电子技术、计量技术、机械振动和材料学等学科领域的成就发展起来的一门综合技术。超声技术在机械加工方面的应用按其加工工艺特征 , 大致分为两类。一类是带磨料的超声磨料加工 , 如超声孔加工、超声研磨、超声抛光、超声去毛刺等 ; 另一类是采用切削工具与其他加工方法相结合形成的超声复合加工 , 如旋转超声在钻孔、磨削、铣削上的应用 , 超声电化学、超声振动切削、超声放电加工及超声塑性加工等 1。
9、1.2超声加工的意义 各种硬脆材料和硬脆复合材料很难用传统刀具进行加工 , 因而往往采用非传统的 工艺方法进行加工 , 这些非传统工艺方法多数直接使用各种能量 , 如超声波加工和激光加工等。超声加工是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料 ,或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工 ,或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。超声波加工精度高 , 速度快 , 加工材料适应范围广 , 可加工出复杂型腔及型面 , 加工时工具和工件接触轻 , 切削力小 , 不会发生烧伤、变形、残余应力等缺陷 , 而且超声加工机床的结构简单
10、, 易于维护 2。 几十年来 ,超 声加工技术的发展迅速 ,在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究和应用 ,尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题 ,取得了良好的效果。如在传统超声波加工的基础上发展了旋转超声波加工 , 即工具在不断振动的同时还以一定的速度旋转 , 这将迫使工具中的磨粒不断地冲击和划擦工件表面 , 把工件材料粉碎成很小的微粒去除 , 以提高加工效率。又如超声振动加工技术，微细超声加工等 3。 1.3超声技术国内外发展现状 超声加工机床为实现旋转超声加工 , 一般要由机床本体、超声 波电源、超声振动系统、主轴旋转系统、主轴
11、轴向进给系统、轴向力反馈保护系统等组成。超声波发生器的作用是将 50 Hz 的交流电转变为一定功率的超声频振荡 , 以提供工具作超声频振动和切除工件材料所需的能量。 数控超声机床传动系统设计 2 旋转超声加工是集传统超声加工与磨料磨削加工为一体的复合加工 , 是硬脆性材料加工的一种有效方法 , 具有良好的应用前景。在目前广泛使用的纵向振动旋转超声加工中 ,金刚石工具除以一定振幅作轴向超声频振动外 , 还作相对于工件的高速旋转运动 , 并且工件与工具间以一定的静压力相互作用。国内外众多学者对旋转超声加工展开了广泛 的理论机理研究。包括：一 .超声振动的捶击作用二 .金刚石工具的磨抛作用 三 .超
12、声空化作用 四 .液压冲击和旋转运动促进了碎屑的排出。 以上 4 点是国内外众多学者形成的关于旋转超声加工的主要作用机理 , 实验结果表明 , 单纯的工具旋转或超声振动对材料的去除效果都比较差 , 而将二者组合之后 , 材料的去除率得到很大的提高 , 因此可以认为旋转超声加工是上述各机理相互促进、综合作用的结果。 目前 , 旋转超声加工在许多工业领域正得到越来越广泛的应用 , 例如汽车工业、工具和模具制造、光学元件、半导体工业、医疗工业等领域。 旋转超声 钻削加工：在超声旋转加工工艺参数对材料去处率的影响方面 , 英国阿伯丁大学国王学院建立了超声加工冲击过程的非线性模型 , 首次解释了材料去除
13、率在较高的静压力作用下减小的原因 4。美国 Raju rkar等在对 A l2O 3 陶瓷材料精密超声加工的研究中 ,发现低冲击力会引起陶瓷材料结构的变化和晶粒的错位 , 而高冲击力会导致中心裂纹和凹痕的产生 5。 Kom aariha 等 6研究了不同的工件材料硬度和弹性模量的比值对旋转超声钻削和普通超声加工工件圆度和材料去除率的影响 , 研究结果发现 H /E 越大 ,材料去除率 越高 , 加工孔的不圆度增大 , 并且加工孔的表面粗糙度增大。我国山东大学对工程陶瓷的超声振动钻削加工进行了深入的研究 7, 探讨了超声振动钻削中各工艺参数对加工效果的影响 , 分析了超声振动钻削的材料去除机理。
14、 旋转铣削加工： 1999 年美国堪萨斯州立大学 Pei8提出将旋转超声加工应用于平面铣削的新途径。同时他和 Hu 等 9提出一种旋转超声加工陶瓷材料去除率模型的计算方法 , 并将其应用到氧化锆陶瓷的加工中 , 确定了材料去除率和加工参数之间的关系 , 该研究大大推动了陶瓷材料旋转加工技术的发展 。 大连理工大学 基于快速原型分层制造的思想 ,提出利用简单工具实现超声分层铣削加工的新技术。研究了铣削加工中工具耗损的机理和工艺规律 ,提出铣削加工中工具耗损的补偿方式 10。在此基础上 , 开展实验研究 , 探索工艺参数对材料去除率的影响规律。开辟了利用超声加工技术数控加工工程陶瓷零件的途径。 旋
15、转超声磨削加工：文 11借助单颗磨粒划擦实验 , 对径向施加超声振动的缓进给磨削加工运动学模型进行了分析 ,发现超声磨削相比普通磨削磨粒有较大的切入角、较短的切削长度、较厚的切屑和较低的摩擦系数。结合对 Si3N 4 陶瓷加工试件的 SEM 检测、残余应力分析以及弯曲强度测试 , 证实了超声加工较普通加工具有较大的材料去除率 , 且亚表面损伤较小 。 文 12A l2O 3 超声振动缓数控超声机床传动系统设计 3 进给磨削加工实验研究发现 , 当超声振动方向与磨削进给方向相同时 ,超声振动引起的抛磨作用非常显著 , 超声磨削的表面粗糙度比普通磨削低。对加工表面进行 SEM 观察显示 , A l
16、2O 3 陶瓷的去除方式仍属于脆性断裂 , 且以晶粒粉碎、穿晶断裂为主 , 但伴随沿晶断裂、弹性划擦、塑性流动等现象。 MUL T 等 13对氮化硅和氧化铝陶瓷材料用辅助超声振动进行了缓进给磨削加工 , 对磨削力、加工表面形貌、砂轮径向磨损等加以分析 , 指出缓进给超声磨削大大地减小了磨削力 , 同时砂轮的磨损较小 , 工件的表面粗糙度降低 。 综观国内外旋转超声加工技术的研究现状 , 国外部分国家相继开发了性能优良的数控旋转超声加工机床 , 其应用也日趋工业化。国内的旋转超声加工技术的发展较为缓慢 , 与先进国家相比存在较大的差距 , 特别是先进超声加工机床的研制十分落后 , 至今还找不到市
17、场化的数控旋转超声加工机床。 1.4 课题研究的主要内容 本课题主要研究机床的传动系统。 对超声机床的工作台在 XY方向的进给系统进行设计计 算，以及整个 XY工作台在 Z方向的升降系统进行设计计算。数控超声机床传动系统设计 4 2 X 方向进给系统的设计 工作台 X、 Y 方向的进给系统如图（ 2 1）所示，主要是通过滚珠丝杠带动工作台移动，滚珠丝杠两端由轴承固定，滚珠丝杠与电机之间通过联轴套直接连接。 图 2-1 XY方向进给系统 2.1伺服电机的选择 机床工作台台面尺寸 800 250 80,采用高 强度 HT200， 密度为7.2 3cmg ， 估算工作台重量为 115kg。若工作台最
18、大承重 20kg，所以 X 方向滚珠丝杠 承受 的重量为 135kg， X 向工作行程为 360mm，工作台定位精度 25 m ，重复定位精度 15 m ，工作台快速位移 15000 minmm ，由于本课题是超声机床，所以主轴切削力忽略不计。 电机与滚珠丝杠传动比 i=1，摩擦系数 =0.1 滚珠丝杠轴向负载 ： mgFFa （ 2 1） F-轴向切削力 mg -摩擦力 滚珠丝杠轴向负载： NmgF a 3.1328.91351.00 令滚珠丝杠的导程 hP =5mm，进给丝杠的效率 =0.94 数控超声机床传动系统设计 5 电机扭矩： mmNPFT aa 1 1 294.014.32 53
19、.1 3 22 (2 2) 根据电机扭矩选择松下 MSMA 系列（小惯量），其数据如表 2-2： 表 2-2 电机参数表 额定功率（ KW） 额定转矩（ MN ） 额定转速（ minr ） 质量（ kg) 0.2 0.64 3000 1.5 2.2滚 珠丝杠的计算与校核 2.2.1 滚珠丝杠的计算 工作台在滚珠丝杠上产生的摩擦力： mFFF maxmin =132.3N 平均转速： nnnm ttt tntntnn 212211 （ 2 3） 其中， nnnn 21, 是各切削状态下的丝杠转速。 因为本课题是在一种切削状态下计算的，所以 mn 就是快速进给状态下的转速 3000 minr ，但
20、实际加工时工作台进给丝杠不能转的这么快，根据查看的几个计算举例，一般 mn 在 200 300 minr 之间，取 mn =250 minr ，滚珠丝杠寿命预定为 24000h。 1） 确定预期额定动载荷 amC amC = 100603 wmhm fFLn （ 2 4） mF -滚珠丝杠副平均载荷， N; mn -平均转速， minr hL -寿命时间； wf -载荷系数，按文 14表 5 取 数控超声机床传动系统设计 6 amC = 100603 wmhm fFLn = 1002.13.1322 4 0 0 0250603 =1062.8N 当丝杠有预加载荷时， amC = maxFfe
21、（ 2 5） ef -预加载荷系数，按文 14表 6 取 amC = maxFfe = 3.1327.6 =886.41N 取两者中计算结果较大的 amC =1062.8N 2） 确定滚珠丝杠的最小螺纹直径 2d 根据定位精度 25 m 和重复定位精度 15 m 的要求 估算允许的滚珠丝杠最大轴向变形： m )5.75(15)2131(1m ax m )25.65(25)4151(2m ax 取较小值 m 5max 估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹直径 2d ，滚珠丝杠采用两端固定方式 轴承之间的距离： L=行程 +安全行程 +2余程 +螺母长度 +支承长度 （ 1.1 1.2）行程 +（ 10 14） hP = 1.1 360+10 5=446mm m a x2 039.0 LFd m （ 2 6） m a x2039.0 LFd m mm24.45 4463.132039.0 根据导程，额定动载荷，最小螺纹底径，选择： FSR 单螺母 1 级精度：0d =20mm hP =5mm amC =8389N1062.8N 2d =16.9mm 4.24mm。 所以满足要求。
