滚珠丝杠副的载荷计算

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1、1滚珠丝杠副的载荷计算工作载荷F工作载荷F是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向作用力，其数值可用下列进给作用力的实验公式计算：对于燕尾形导轨机床F=kFx+f(Fz+2Fy+W)(1)对于矩形导轨机床F=kFx+f(Fz+Fy+W) (2)对于三角形或组合导轨机床F=kFx+f(Fz+W)(3)对于钻镗主轴圆导轨机床对于滚动导轨机床F=Fx+f(Fz+W)+Fr(5)式(1)(5)中：Fx、Fy、Fzx、y、z方向上的切削分力，N;Fr密封阻力，N;V移动部件的重量，N; M主轴上的扭矩，N- mdz主轴直径，mm表1导轨型式k 1f0.2f燕尾形1.4矩形1.10.15三角形、组合

2、形1.150.15 0.18钻镗主轴圆导轨0.15滚动导轨0.003 0.004f导轨摩擦系数;f 轴套和轴架以及主轴的键的摩擦系数；k考虑颠覆力矩影响的实验系数。正常 情况下，k、f与f可取表1数值。(2)最小载荷Fmin最小载荷F?min为数控机床空载时作用于滚珠丝杠的轴向载荷。此时，Fx=Fy=Fz=Q最大工作载荷F?max最大载荷F?max为机床承受最大切削力时作用于滚珠丝杠的轴向载荷。(4) 平均工作载荷Fm与平均转速nm当机床工作载荷随时间变化且此间转速不同时，式中：1,t2,.，tn分别为滚珠丝杠在转速n1,n2,.，nn下，所受轴向载荷分别是F1,F2,，Fn时的工作 时间(m

3、in)当工作载荷与转速接近正比变化且各种转速使用机会均等时，可用下式求得Fm和nmFm=(2Fmax+Fminy 3(8) nm=(nm ax+nmin)/2(9)2滚珠丝杠副主要技术参数的确定(1) 导程Ph根据机床传动要求，负载大小和传动效率等因素综合考虑确定。一般选择时，先按机床传动要求确定，其公式为：Ph vmax/nm ax(10)式中：vmax机床工作台最快进给速度，mm/mir； nmax-驱动电机最高转速，r/min。在满足控制系 统分辨率要求的前提下，Ph应取较大的数值。(2) 螺母选择由于数控机床对滚珠丝杠副的刚度有较高要求，故选择螺母时要注重其刚度的保证。推荐按高刚度要

4、求选择预载的螺母型式。其中插管式外循环的端法兰双螺母应用最为广泛。它适用重载荷传动、高速驱动及精 密定位系统。并在大导程、小导程和多头螺纹中具有独特优点，且较为经济。 滚珠的工作圈数i和列数j根据所要求性能、工作寿命，推荐按表2选取。表2要求特性插管式(i xj)滚珠循环流畅1.5 X2 1.5 X3 2.5 X1刚性2.5 X22.5 X 法兰形状。按安装空间由标准形状选择，亦可根据需要制成特殊法兰形状。(3) 导程精度选择根据机床定位精度，确定滚珠丝杠副导程的精度等级。一般情况下，推荐按下式估算:式中：E累计代表导程偏差，卩m;TD机床有效行程的定位精度，卩m典型机床进给滚珠丝杠的精度等级

5、选择见表3NC机床应用 车床铣床 镗床中加心工坐标 镗床钻床磨床电火花机线切割激光切木材加 割冲床 机床工机床XlzXYz1 XYZXYzXY 1 z x1zXY(Z)XYUVXY zC0OOOOC1OOOOOOOOOOC2OO0OOOOOOOOOC3OOOOOOOOOOOOOOOC5OOOOOOOOOOOOOOC7OC1011 11 111 1II11 1O床(EDM)(EDM) 累积基准导程目标值T为补偿由于温度升高或在外部载荷下滚珠丝杠延伸，需规定累积导程的目标值T。以避免温度上升对导程精度的影响。T=- a 9 L(12)式中：a热膨胀系数(a =12X10-6/C )；9一丝杠温升，

6、C(般取9 =23C) ； L丝杠长度，mm典型数控机床累积导程的目标值为：X 轴：Tx=(-0.02 -005)mm / m;Z 轴：Tz= (-0.02 -0.03)mm/m;加工中心：Tx= Ty= (-0.02 -0.04)mm/m(5) 丝杠螺纹长度I按下式计算：I = lu +11 + 2le(13)表4导程 P (mm) 4 5hA8I10121620余程I (mm)e1620243240455060(6) 滚珠丝杠名义直径Do确定直径Do有两种方法，即计算图法和计算法计算图法。按计算图法选择滚珠丝杠直径的步骤为：首先按最大轴向压缩载荷 Fmax 丝杠支承方式和安装间距（选择前均

7、已确定），由图1确定丝杠直径Doi,再由容许轴向拉压载荷（=Fmax）， 选择丝杠直径Do2,取Doi与Do2中较大的直径作为滚珠丝杠的初选直径，然后再按图2校核临界转速和Dn 值，最后按图3寿命曲线进行确认。图1中的斜线表示丝杠压曲时的极限载荷；折线中与横坐标垂直的直线为相应丝杠直径的容许拉压载 荷；与横坐标平行的粗实线，表示对应丝杠直径可制造加工的极限长度。图2中的斜线表示相应直径丝杠的临界速度时的极限转速；与横坐标垂直的直线，表示由Dn值限制的 转速，按要求Dn 6.76.7 3.3V 3.3取上述两种计算结果中较大值为滚珠丝杠副的预期额定动载荷 Camb.公称直径Do根据预期额定动载荷

8、Cam和所确定的螺母型式从产品样本中选择Do,并满足下式:Ca Cam(16)并使其Do与螺纹长度符合生产厂规定要求。一般情况下，国产滚珠丝杠副螺纹部分长径比小于或等 于30；国外滚珠丝杠副长径比w 70。图2转速n(r/min)(7) 校核计算稳定性验算丝杠压曲时的临界载荷P按欧拉公式计算:P=0.5 x (b n 2EI)/(L2a)=a(d4r)/(L2a) x 104(17)匸 n d4r/64,mm4;dr 式中：E弹性模量，E=2.1 x 105, N/mm2I 丝杠断面最小惯性矩丝杠谷径,mm;La螺母至固定端处最大距离(如表7中简图所示)，mm a、b一与丝杠安装方式相关表7的

9、系数，其值按表7选取并满足Fmaw P。极限转速nC校核安装方式简图ab1X固定自由1.30.251.8753.4支承一支承 3- 45.113.1429.7固定支承|_ Lft10.223.92715.1固定一固定20.344.73021.9为防止丝杠转速接近其固定振动频率时发生共振，需对丝杠极限转速nc和Dn值进行校核计算。a.极限转速按下式计算式中：E弹性模量E=2.1 X105,N/mm2 Lb安装距离(见表7,简图为Lb的最大值),7.85 X 10-5 N/ mm3mm B、入一丝杠安装方法有关的系数，其值按表7选取；Y一比重，丫二I 丝杠断面最小惯性矩1= n d4r/64 ,

10、mm4 dr 丝杠谷径，mm A丝杠断面积，A=n d2r/4 , mm nc应满 足：n?maxv nc。b.Dn 值 Dn 70000 容许拉伸(压缩)载荷校核丝杠拉伸(压缩)容许载荷P1按表8选取：Fmaxc P1丝杠直径(mm)1618202528323640455055637080100P (kN)212832546682110137184221285338435 6161000 螺母静额定载荷Coa校核KjF?max 12冲击或振动载何 23表93 确定滚珠丝杠副型号与规综合上述所选主要技术参数，根据滚珠丝杠产品样本，即可确定所选滚珠丝杠副型号规格。4 验算(1)刚度验算滚珠丝杠副在工作载荷F?max和扭矩M1共同作用下，所引起的螺纹每米导程变形总误差按下式计式中：A丝杠截面积，A=算：n d2r, mm2 G-丝杠材料剪切弹性模量，对钢g82400N/ mm2安装方式系数(固定一自由：K=1；固定一固定：K=0.25)验算不等式为：V300(300mm单一导程变动 量 )。(21)(2) 效率验算式中：丫一丝杠螺纹螺旋升角； =arctg 卩为摩擦角如上述验算不满足要求，需另选其它 型号，重复 以上步骤，直至满足要求为止。5 结论本文就数控机床进给用精密滚珠丝杠副的选择与计算进行了讨论，该方法也可作为其它机械用滚珠丝 杠副选用和计算的参考。