多轴立式钻床进给系统结构设计.doc

济南大学毕业设计

毕业设计

题 目 多轴立式钻床进给系统结构设计
学 院 机械工程学院
专 业 机械工程及自动化
班 级 机自0705
学 生 辛宗成
学 号 20070403218
指导教师 冯德振

二〇一一 年 五 月 二十 日

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济南大学毕业设计
摘 要
本次设计主要介绍了一种简洁型多轴立式钻床进给系统结构的设计过程，通过查阅大量相关文献资料，请教有经验的老师和同学，来进行此机床的设计。
随着机械行业的发展，在钻削加工行业中许多零件要求有比较复杂的钻孔，但是使用现在的普通单轴钻床加工出来的零件形状还是较单一，多用于单孔加工而且生产效率非常低。已有的数控钻床虽然能够实现多轴联动，又操作方便，但是其经济成本高，维修费用也高。因此迫切需要通过对多轴机床的进给系统的研究和设计，以此来增加加工零件的形状变化，同时提高加工零件的精度。
本着实用性的原则,加上对本设计设计要求的综合考虑，本次设计应用了伺服电机、轴承、滚珠丝杠、导轨、立柱等各方面的知识。对于本次设计，首先，要查阅相关的大量资料，充实理论知识；其次，根据设计需求进行相关的实验，记录每次的实验结果以及实验过程中所出现的问题；最后，对实验结果进行分析，选择最优方案。本次设计采用滚珠丝杠进给系统，用伺服电动机作为动力源，可以满足加工过程中的精度要求。因此本钻床具有很好的经济性。

关键词：多轴；立式钻床；设计；进给系统

ABSTRACT
This design introduces a simple type of multi-axis vertical drilling structure of the feed system design process, through access to a large number of relevant documents, consult an experienced teacher and students, to carry out the design of this machine.
With the development of machinery industry in the drilling industry in many parts require more complex drilling, but using ordinary single-axis drilling process is now out of shape, or than a single part, multi-processing and production efficiency for the single hole is very low . Although CNC has been able to achieve multi-axis drilling, but also easy to operate, but its high economic costs, maintenance costs are also high. There is an urgent need for multi-axis machine tool feed system research and design, in order to increase the processing part of the shape change, while improving the precision machining parts.
In line with the principle of practicality, coupled with the design requirements of the design into account, the application of this design servo motors, bearings, ball screws, rails, columns and other areas of knowledge. For this design, first of all, a lot of information related to access and enrich the theory of knowledge; Secondly, according to the experimental design requirements related to record each of the experimental results and the experimental problems arising in the process; Finally, the analysis of experimental results , choose the best program. The design uses a ball screw feed system, with the servo motor as a power source, the accuracy can meet the processing requirements. Therefore, this drill has a good economy.

Key words：multi-axis; vertical drilling machine; design; feeding system

目 录

摘 要 I
ABSTRACT II
1 前言 1
1.1 高速切削技术及刀具的发展现状 1
1.1.1 开创了高速切削等新工艺，全面提高了加工效率。 1
1.1.2 硬质合金材料的发展 1
1.1.3刀具新材料的研究 1
1.2 夹具与附件 2
2 总体方案设计 4
2.1 设计任务 4
2.2 提高使用和维修的经济性 4
2.3 总体方案图 5
3 床身的设计 6
3.1 支承件的基本要求 6
3.1.1刚度 6
3.1.2 抗振性 6
3.1.3热变形 6
3.1.4内应力 6
3.1.5其它 6
3.2 床身材料的选择 7
3.3壁厚的选择和壁的连接 7
4 导轨的设计 8
4.1导轨副的分类 8
4.1.1按运动轨迹分类 8
4.1.2按摩擦性质分类 8
4.1.3按工作性质分类 8
4.2导轨应满足的基本要求 8
4.2.1导向精度 8
4.2.2精度保持性 8
4.2.3刚度 9
4.2.4低速运动平稳性 9
4.3 导轨设计的任务 9
4.4导轨的主要失效形式 9
4.4.1磨损 9
4.4.2疲劳和压溃 10
4.5 导轨形式的选择 10
4.6 导轨材料的特点及其选择 10
4.7 各种截面形状导轨的性能 11
4.8 常用导轨组合 11
4.9 导轨截面尺寸的设计 12
5 滚珠丝杠的选择 13

5.1 珠丝杠的精度、结构、及安装 13
5.1.1精度等级 13
5.1.2结构形式及预紧方法 13
5.1.3安装时的注意事项 14
5.2 滚珠丝杠副的设计计算 14
5.3 滚珠丝杠支承的选择 18
6 伺服电动机的选择 23
6.1 伺服电动机概述 23
6.2 伺服电动机的选择与计算 23
7 结论 25
参 考 文 献 26
致 谢 27

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1 前言
1.1 通用机床与专用机床
随着经济的发展，特别是改革开放以来，专用组合机床的需求量增加，通用机床的需求量相对减少。于是，各通用机床厂纷纷建立专机车间或专机分厂，生产组合机床。由于设计、制造、组装和调试经验不足，使之在市场特别是国际市场中缺乏竞争力。
组合机床作为一种现代机床，它不是通用部件、各种元件、刀夹辅具和控制系统的简单组合，从设计制造到组装调试都有其专业特征。
通用机床是成熟产品，即使是改进型也是经过一轮或几轮试制后，方能投产。通用机床的整机和零部件可以有少量库存，生产时间充裕。而组合机床一般是单机一次性生产，不可能进行试制，而且要求在一定的时间内完成制造。这就要求机床厂家有一支经验丰富的设计队伍，特别是资深的方案工程师。在订购组合机床时，用户往往将技术方案作为前提之一，因为一个好的方案可以为用户带来很大的经济效益。同时，也使机床制造厂家便于组织生产。好的技术方案是用最简捷的形式，满足工艺要求，并且易于操作、调整和维修。这就要求通用部件的选择，刀具的设计和选择，夹具的设计，控制系统的设计及液压和气动系统的设计等都要相对合理。
专用组合机床一般用于大量生产，需要加工精度长期稳定，因此，对其质量的要求与通用机床有很大不同，通常要求工序能力系数CPK≥1.33。国内一知名机床厂为用户设计制造一条壳体生产线，用户要求在技术协议中将工序能力系数CPK≥1.33作为一项验收标准，厂家明确表示达不到这一要求。他们只能同意按被加工零件图纸给定公差的75%作为验收标准，这一验收标准与工序能力系数CPK≥1.33的要求相差甚远。有的厂家甚至不了解工序能力系数这一概念。应当指出，CPK=1.33是最低要求，有的国外用户将CPK≥4.0作为验收标准。提高机床的质量是一项复杂的系统工程，它要求制造厂家建立一套完整的质量控制体系。从方案论证到产品设计，从原料进货到元件采购，从工艺编制到加工制造，从安装调试到售后服务，都必须严格控制。才能有效保证整机的产品质量，得到市场的认可。为了占领市场，世界各厂家争相提高产品质量和服务质量。美国的一家机床公司向用户承诺，订购该公司设备时，他们“不是在拿到订单之后就一走了之，再见面时设备已经制造完毕并请你付款，这时你所看到的只是设备的外表，而看不到内在质量。例如，你知道主轴的精度和硬度吗？”他们的做法是：向你报告从方案设计、元件采购、加工制造到装配调试的全过程并接受你的检查。他们之所以能够做到这一点是因为像大多数机床制造厂家一样，机床在投入制造后，每个零件都备有一张卡片，将每道工序检验结果填写在卡片上并输入计算机，使制造的全过程处于受控状态，从而保证了机床的出厂质量。这些都是值得我们借鉴的质量管理方法。
通用机床一般不需要制造厂家到用户安装调试，即使需要也很简单。而组合机床则需要制造厂家到用户安装调试，且过程复杂，周期较长。要求厂家培养和建立一支有经验的安装调试队伍。
此外，因为组合机床均用于大量生产，如果机床故障不能及时排除，其他设备很难替代，势必造成停产，将给用户带来重大损失。因此，售后服务也是组合机床生产的一项重要内容。
1.2多轴钻床
多轴钻床俗称多轴器、多空钻或多轴钻孔器，是一种运用于机械领域钻孔、攻牙的机床设备。
1.2.1 多轴钻床的优势
一般钻床劳动强度大，专用性能低，生产率不高而且不能保证精度；而多轴专用钻床操纵方便、省力、容易掌握，不易发生操作错误和故障，不仅能减少工人的疲劳，保证工人和钻床的安全，还能提高钻床的生产率。
1.2.2 多轴钻床的应用
广泛应用于机械行业多孔零件的钻孔以及攻丝加工。如：汽车、摩托车多孔零部件：发动机箱体、铝铸件壳体、制动鼓、刹车盘、转向器、轮毂、差速壳、阀类、液压元件、太阳能配件等等。

2 总体方案设计
市场的开放性和全球化，促使机床产品的竞争日趋激烈，决定机床产品竞争力的指标是产品的开发时间、产品质量、产品性价比、产品的创新能力和产品的售后服务。采用先进的设计技术和手段，提高产品的技术含量成为企业追求的目标之一。
我国已有的钻削产品虽然能够实现多轴联动，且操作方便，但是价格极其昂贵，维修费用也较高。主要存在的问题：第一，单孔加工,多工步转换,加工费时费力,工作效率低。第二，由于单个钻头重复工作,被加工孔的尺寸精度,位置精度达不到设计要求,导致出现产品质量不稳定现象。
本次钻床总体方案的拟定包括以下内容：系统运动方案的确定，伺服系统的选择，执行机构的结构及传动方式的确定。
2.1 设计任务
本设计的任务是要求设计一种多轴立式钻床进给系统的结构，设计内容包括进给系统和零部件的结构设计，参数确定及主要零件的计算校核等，并绘制相关手工工程图及电子工程图[3]。
本设计采用伺服电机，扭矩按8选定，采用滚珠丝杠驱动，并合理确定导轨截面形状及尺寸。
2.2 提高使用和维修的经济性
2.2.1 提高产品的效率
机械设备的效率主要取决于传动系统和执行系统的效率。
2.2.2 合理确定经济寿命
使用寿命愈长，系统的性能愈差，相应的使用费用也愈多，使用经济性愈低。
机器的寿命分为功能寿命、技术寿命和经济寿命三种。
功能寿命——机器从开始使用至其主要功能丧失而报废所经历的时间。
技术寿命——机器从开始使用至因技术落后而被淘汰所经历的时间。
经济寿命——机器从开始使用至继续使用其经济效益显著变差所经历的时间。对设备进行适时的技术改造和良好的维修可延长其经济寿命。
2.2.3 提高维修的经济性
维修能延长机器的使用寿命，是保证良好的技术状况及正常运行的技术措施，但必须付出一定的维修费用及停机费用作为代价。因此，设备维修的原则是以尽可能少的维修费用换取尽可能多的使用经济效益[4]。
2.3 总体方案图

图2-1总体方案图
此图为总体方案设计图，如图2-1所示，进给系统由床身、滑板、滚珠丝杠螺母等组成，经伺服电机驱动滚珠丝杠， 滚珠丝杠旋转带动动力箱纵向移动，实现进给运动及进给速度大小的变化。采用立式布局，切屑容易排除，机床导轨、滚珠丝杠防护结构简单。

3 床身的设计
支承件是机床的基础构件，主要是指床身底座、立柱、横梁、工作台、箱体和升降台等大件。这些大件的作用是支承其它零部件，保证它们之间正确的相互位置关系和相对运动轨迹。机床切削时，支承件承受着一定的重力、切削力、摩擦力、夹紧力等。机床中的支承件有的互相固联在一起，有的在导轨上作相对运动。导轨常与支承件做成一体，也有采用装配、镶嵌或粘接的方法与支承件相连接。支承件受力受热后的变形和振动将直接影响机床的加工精度和表面质量。因此，正确设计支承件结构、尺寸及布局具有十分重要的意义[4]。
3.1 支承件的基本要求
3.1.1刚度
所谓刚度是指支承件在恒定载荷或交变载荷作用下抵抗变形的能力。前者称为静刚度，后者称为动刚度。一般所说的刚度往往指静刚度。支承件要有足够大的刚度，即在额定载荷作用下，变形不得超过允许值。
3.1.2 抗振性
抗振性是指支承件抵抗受迫振动和自激振动的能力。抵抗受迫振动的能力是指受迫振动的振幅不超过许用值，即要求有足够的静刚度。抵抗自激振动的能力是指在给定的切削条件下，能保证切削的稳定性。
3.1.3热变形
机床工作时，电动机、传动系统的机械摩擦及切削过程等都会发热，机床周围环境温度的变化也会引起支承件温度变化，产生热变形，从而影响机床的工作精度和几何精度，这一点对精密机床尤为重要。因此应对支承件的热变形及热应力加以控制。
3.1.4内应力
支承件在铸造、焊接及粗加工的过程中，材料内部会产生内应力，导致变形。在使用中，由于内应力的重新分布和逐渐消失会使变形增大，超出许用的误差范围。支承件的设计应从结构上和材料上保证其内应力 要求，并应在焊、铸等工序后进行失效处理。
3.1.5其它
支承件还应使排屑通畅，操作方便，吊运安全，加工及装配工艺性好等。支承件的性能对整台机床的性能影响很大，其重量约为机床总重的80%以上，所以应正确地对支承件进行结构设计，并对主要支承件进行必要的验证和试验，使其能够满足对它的基本要求，并在此前提下减轻重量，节省材料[5]。
3.2 床身材料的选择
适合铸造的床身材料很多，最为常用的是铸铁。铸铁是一种低成本、有良好的减振性和耐磨性、易于铸造和切削的金属材料，其中HT200是应用最为广泛的。本设计中即选用HT200作为床身材料。
3.3壁厚的选择和壁的连接
壁厚可参照表3-1来选择：
表3-1 铸件壁厚选择
铸件种类
铸件尺寸
灰铸铁
可锻铸铁
球墨铸铁
铸钢
铝合金
砂 型
200200以下
200200--500500
500500以上
5—6
6—10
15—20
4—5
5—8
——
6
12
——
6—8
10—12
18—25
3
4
5—7
金属型
7070以下
7070—150150
150150以上
4
5
6
2.5—3.5
3.5—4.5
——
——
——
——
5
——
10
2—3
4
5
当结构复杂的铸件及灰铸铁的牌号较高时，选取偏大值[13]；特大型铸铁的最小允许壁厚，还可适当增加。一般铸造条件下，各种灰铸铁的最小允许壁厚：HT100，HT150为4—6；HT200为6—8[5]。
根据以上论述，本设计中的床身壁厚选择20mm，壁的连接处可适当选择过渡圆弧的直径为5—10mm。

4 导轨的设计
机床上两相对运动部件的配合面组成一对导轨副，不动的配合面为支承导轨，运动的配合面为动导轨。导轨副的主要功用是导向和承载，为此，导轨副只许具有1个自由度。普通滑动导轨以及静压导轨、动压导轨等导轨副工作面之间的摩擦性质为滑动摩擦。滚动导轨副工作面之间装有滚动体，使两导轨面之间形成滚动摩擦。
4.1导轨副的分类
4.1.1按运动轨迹分类
直线运动导轨 导轨副的相对运动轨迹为一条直线，如普通车床的溜板和车床导轨。
圆周运动导轨 导轨副的相对运动轨迹为一圆周，如立式车床的花盘和底座导轨。
4.1.2按摩擦性质分类
滑动导轨 其中有静压导轨、动压导轨和普通滑动导轨，它们的共同特点是导轨副工作面之间的摩擦性质为滑动摩擦。
滚动导轨 导轨副工作面之间装有滚动体，使导轨面之间为滚动摩擦。
4.1.3按工作性质分类
主运动导轨 动导轨作主运动，导轨副之间的相对运动速度高。
进给运动导轨 动导轨作进给运动，导轨副之间的相对运动速度低。
移置导轨 实现部件之间的相对位置调整，在机床工作时无相对运动。
卸荷导轨 采用机械、液压或气压办法减轻支承导轨的负荷，降低静、动摩擦系数，以提高导轨的耐磨性、低速平稳性和运动精度。
4.2导轨应满足的基本要求
4.2.1导向精度
导向精度主要是指动导轨运动轨迹的精确度。影响导向精度的主要因素有：导轨的几何精度和接触精度、导轨的结构形式、导轨及其支承件的刚度和热变形、静（动）压导轨副之间的油膜厚度及其刚度等。
4.2.2精度保持性
精度保持性主要由导轨的耐磨性决定。耐磨性与导轨的材料、导轨副的摩擦性质、导轨上的压强及其分布规律等因素有关。
4.2.3刚度
刚度包括导轨的自身刚度和接触刚度。导轨的刚度不足会影响部件之间的相对位置和导向精度。导轨刚度主要取决于导轨的型式、尺寸、与支承件的连接方式及受力状况等因素。
4.2.4低速运动平稳性
动导轨作低速运动或微量位移时易产生摩擦自激振动，即爬行现象。爬行会降低定位精度或增大被加工工件表面的粗糙度的值。
4.3 导轨设计的任务
导轨设计是根据所设计的机器或仪器的功用对运动部件提出的基本要求为出发点。
导轨设计要求做的工作：
1、根据整机的使用要求，提出对导轨的技术要求指标；
2、选择导轨的类型；
3、选择导轨的截面形状；
4、确定导轨的数量和尺寸；
5、选择导轨的材料，确定导轨与部件的关系（做成整体或镶条）；
6、计算，一般都要对导轨进行受力分析，根据运动部件的重量和重心位置，外力作用的位置大小方向，分析导轨上受力状态。对于不同结构和不同用途的导轨，应根据其特点进行必要的计算；
7、结构设计，不同的导轨要求设计的内容不同，主要有间隙（或预加负荷）装置、镶装结构、润滑沟槽、卸载装置、滚动组件选择、节流器等等；
8、选择润滑方法，润滑油及润滑装置；
9、设计防护装置；
10、确定技术条件。

4.4导轨的主要失效形式
4.4.1磨损
磨粒磨损。这里的磨粒是指导轨面间存在的坚硬的微粒，可能是落入导轨副间的切削微粒或是轮滑油带进的硬颗粒；也可能是导轨面上的硬点或导轨本体磨损所产生的微粒，这些微粒起着且刮导轨面的作用。磨粒磨损速度和磨损量与相对滑动速度和压强成正比。磨粒磨损是难以避免的，只能尽量设法减少。
咬合磨损。是指相对滑动的两个表面相咬啮，所产生咬裂痕迹。实际上，磨粒磨损往往是咬合磨损的原因，咬合磨损又加剧磨粒磨损。应预防咬合磨损的发生。
4.4.2疲劳和压溃
导轨失效的主要原因是表面疲劳和压溃。表面疲劳是因为表层受接触应力而产生弹性变形。脱离接触是则弹性恢复，这种过程达到一定循环次数后，表面形成龟裂而产生剥落片。压溃是由于接触应力过大而使表层产生塑性变形而成坑。疲劳磨损是难以避免的，而压溃是不允许发生的，因此，应控制压强、提高导轨面的硬度和减小表面粗糙度的值。

4.5 导轨形式的选择
机床导轨的主要结构形式，按截面形状分有三角形、矩形、燕尾形和圆柱形四种。它们的特点是：
1） 双三角形导轨  它的导向性和精度保持都较好，导向性能随顶角的大小而不同。当导轨面磨损后，有自动下沉补偿磨损量的特点。
2)双矩形导轨  它的承载能力大，摩擦系数比三角形导轨小，加工检验方便，但导向性较差。
3) 燕尾形导轨  导轨的夹角α通常为55°。导轨接触面小，刚性较差，但间隙调整方便，并能承受侧力矩。
4.6 导轨材料的特点及其选择
根据摩擦学的理论，不同材料所组成的运动副的磨损比相同材料的要小。常用下列材料组合构成导轨副：
1）铸铁—铸铁
动导轨常用灰铸铁，支承导轨采用孕育铸铁、高磷铸铁（含磷量高于0.4%也可高于0.6%）和合金铸铁（磷铜钛铸铁、钒钛铸铁），其耐磨性比普通铸铁高2~4倍。一般用于精密机床上。
2）铸铁—淬硬铸铁
动导轨常用普通灰铸铁，并经刮配加工。支承导轨常用HT20~HT40铸铁并进行表面淬火提高其硬度及耐磨性。实验表明，导轨面硬度在HB60以下时磨损较快；当硬度为HB80-260时抗咬合磨损性能好；硬度在HB260以上时，反而使导轨磨损加快。一般说来，动导轨的硬度比支承导轨硬度低HB15~HB45为宜。导轨表面淬火常用感应淬火、接触电阻淬火和火焰淬火等。
3）铸铁—淬硬钢板
动导轨用铸铁。支承导轨为碳素钢（T10A，T8A等）或合金钢（40Cr，CrWMn等）淬硬钢导轨。
4）有色金属—铸铁
在重型机床导轨（例如龙门刨床工作台主运动导轨）上，为防止撕伤、降低磨损、保证运动平稳性和提高移动精度，在动导轨基体上镶装ZQSn6-6-3，ZQAl-9-2等有色金属板。
本设计采用铸铁HT200—铸铁HT150的导轨。
4.7 各种截面形状导轨的性能
导轨面由若干个平面组成，从制造、装配和检验来说，平面数量应尽可能少。直线运动导轨的基本截面形状有矩形、三角形、燕尾形和圆柱形。
矩形导轨：具有刚度高，承载能力大，制造、检验和维修方便，但是导轨不可避免地存在侧面间隙，因而导向精度较差。
三角形导轨：导向性能与顶角成反比，承载能力与值成正比。当其水平布置时，导轨磨损后可自动补偿。支承导轨为凸三角形时，不易积存较大切屑，也不易存润滑油。支承导轨为凹三角形时，导轨副易产生动压效应，但防尘性差。
燕尾形导轨：三角形导轨的变形。高度较小，可承受颠覆力矩；但刚度差，制造、检验和维修都不方便。
圆柱形导轨：不易积存较大切屑和润滑油，磨损后难以调整和补偿间隙。主要用于受轴向载荷的场合。
4.8 常用导轨组合
常用导轨组合有：① 双三角形；② 双矩形；③ 三角形与平面形组合；④ 燕尾形与矩形组合。
双三角形（双V形）：精度保持性好，接触刚度仅次于双矩形导轨，承受侧向力也较双矩形差。两导轨的四个面同时接触能保证好的导向性，但实现这个工艺是较困难的，成本高，对温度变化也很敏感，温度变化会引起接触不良。
双矩形：导向性不如双三角形导轨。但承载能力强，刚度最好，摩擦损失也小于双三角导轨。最大优点是制造容易，成本低。它被广泛用于一般导向精度要求不高的机械设备。
三角形与平面形组合：导向主要靠三角形导轨，具有导向性好、刚度好、承载能力强、制造容易等优点，获得广泛应用。
燕尾形与矩形组合：它吸取了燕尾型导轨结构紧凑和调整简单的优点，又吸取了矩形导轨制造简单，承载能力强的优点。
本进给系统的设计采用双矩形导轨，如下图所示：

图4-1 选择导轨组合形状

4.9 导轨截面尺寸的设计
滑动导轨宽度主要根据比压值来选定[6]。

可以采用平或斜镶条，镶条厚度

图4-2 矩形导轨尺寸选择简图

滑动导轨的间隙调整：
导轨接合面的配合松紧对机器的工作性能有很大影响。配合过紧时，传动所需的功率加大，手动操作费力，磨损加大，运动的平稳性也差；配合过松则影响导向精度，使用一段时间后，由于磨损改变了间隙也需重新调整。
在开式导轨中除了三角形导轨，在磨损后能自动调整外，其它导轨均应能调整。调整间隙一般采用镶条和压板来实现。

5 滚珠丝杠的选择
5.1 珠丝杠的精度、结构、及安装
5.1.1精度等级
根据使用范围及要求将滚珠丝杠副分为定位滚珠丝杠副（P）、传动滚球丝杠副（T）、精度分为七个等级，即1、2、3、4、5、7、10级 ，1级精度最高，依次逐渐降低[8]。
5.1.2结构形式及预紧方法
滚珠丝杠副内滚珠的循环方式可分为两种，内循环与外循环。滚珠丝杠副内滚珠的循环方式可分为两种，内循环与外循环。外循环是在螺母体上轴向相隔数个半导程处钻两个孔，孔与螺旋槽相切，作为滚珠的进口与出口，再在螺母的外表面上铣出回珠槽并沟通两孔，并在两孔处装上挡珠器，以回珠管相连，形成一个封闭的循环滚道，这种结构制造简单，使用广泛。但滚道与挡珠器的接缝处，难以作的平滑，影响滚珠滚动的平稳性，并产生噪声。内循环使用返向器实现滚珠循环。在螺母的外侧钻孔，装上连通相邻滚道的返向器，迫使滚珠越过螺纹牙顶进人相邻滚道。通常一个螺母上装有三个返向器，这三个返向器沿螺母圆周错开120度。轴向间隔4/3一7/3个导程，或装有两个返向器，返向器错开180度，轴向问隔为3/2个导程。返向器有两种形式，圆柱凸键反向器与扁圆镶块返向器，两种返向器相比，后者的尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸，缩短了轴向尺寸，但这种返向器结构复杂，制造困难，且不能用于多头螺纹传动。在滚珠的循环中，滚珠在进人与离开循环返向装置时，容易产生较大的阻力，而且滚珠在返向滚道中的运动多属于前珠推后珠的滑移运动。很少有滚动，因而滚珠在返向装置中的摩擦力在整个滚珠丝杠副的摩擦力中，所占的比重较大，而不同的循环返向装置由于回珠通道连接与运动的不同，以及回珠曲线的差异，比重也有所不同。滚珠丝杠副除了对本身单方向的进给精度有要求外，对其轴向间隙也有严格的要求，以保证反向传动精度，滚珠丝杠副的轴向间隙，会造成滚珠丝杠副起动、停止，以及受冲击载荷时运动的不稳定，反向时有空行程，影响传动精度与定位精度，滚珠丝杠副的轴向间隙，是负载的滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量与螺母原有间隙的总和。要做到完全消除间隙是比较困难的，通常采用双螺母预紧的方法，把弹性变形量控制在最小限度内。目前制造的外循环单螺母的轴向间隙较大，而双螺母经过预紧后，基本上能消除轴向间隙。应用此结构时，应注意通过预紧力产生预拉变形以减少弹性变形所引起的位移时，该预紧力不能太大，否则会引起驱动力矩较大，传动效率降低，使用寿命缩短。当用双螺母消除间隙时，有三中方法：垫片调隙式、螺纹调隙式、齿差调隙式。除了上述的三种双螺母加预紧力的方式外，还有单螺母变导程自预紧及单螺母钢球过盈预紧方式。
5.1.3安装时的注意事项
（1）为提高滚珠丝杠副的使用帮命和精度的稳定性，应使作用在螺母上的合力通过丝杠轴心，以保证滚珠受力均匀，避免倾覆力矩的产生。
（2）滚珠丝杠采用两端固定支承比一端固定一端自由有更大的安全性和更大的临界速度相差值为6—7倍和更高的刚性3—4倍，所以尽量采用两端固定支承方式，并保证两端支承座孔与螺母座孔的精度和同轴度。
（3）采用适应于数控机床不大的接角（60度）轴承以防止产生间隙。
（4）单螺母设计时，应使螺母和丝杠同时受拉伸或压缩应力，以利于几列滚珠上的载荷均匀。
（5）主机应配备行程保护装置，以防止滚珠丝杠遭撞击后影响精度和使用寿命。
（6）滚珠丝杠副出厂前已按要求调至您所需要的预紧力，如随意拆开或是过行程又旋转回去，则需重新装配调整预紧力。
（7）滚珠丝杠副应及时清洗并涂上防锈油，滚珠螺母内注满铿基润滑脂（2/3）。
（8）严禁敲击和拆卸导珠管，以免造成滚珠堵塞，运转不流畅。
5.2 滚珠丝杠副的设计计算
滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型：确定滚珠的循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式；结构类型确定之后，再计算其它技术参数，包括工程直径、导程、滚珠的工作圈数、列数、精度等级等。
预选用济宁丝杠厂GD系列滚珠式丝杠副 代号为3205-4[4]
基本参数：基本导程
公称直径
额定动载荷
一、切削力计算
单根钻头切削时：
扭矩
轴向力由表查得
所以
总的扭矩为
所需总轴向力为

图5-1 单根钻头受力情况

二、滚珠丝杠受力计算
1、计算进给率引力
作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力及移动件的重量和切削分力在导轨上的摩擦力。

（5-1）
式中

所以

2、计算最大动载荷
滚珠丝杠螺母副的承载能力是以额定动载荷和额定静载荷来表示的。它是设计选用滚珠丝杠螺母副的主要依据。
额定动载荷是指一批相同参数的滚珠丝杠螺母副，在转速n≥10r/min的相同工作条件下，运转100万转后，90%的螺母副（指螺纹滚道和滚动体）不发生疲劳点蚀损伤所能承受的最大轴向载荷。额定动载荷的可从产品样本和手册中查得。最大动负载，可由下式计算：

（5-2）

（5-3）

（5-4）
式中
Fm——轴向工作载荷（N），当载荷按单调式规律变化，各种转速使用机会相同时，Fm=（2Fmax+Fmin）/3
Fmax、Fmin——丝杠最大、最小轴向载荷（N）
——滚珠丝杠导程，初选
——最大切削力下的进给速度，可取最高速度的，此处最高进给速度为
——使用寿命（h），可取
——运转系数，按一般运转取
——工作寿命，以106转为1单位
n——丝杠转速（r/min）
所以

小于额定动载荷
3、传动效率
滚珠丝杠螺母副的传动效率为
（5-5）
式中
——螺旋升角
——摩擦角取
4、 压杠稳定性计算0
受压的细长丝杠，应验算其稳定性。
压杠稳定性是按照额定动载荷或额定静载荷所选定的丝杠直径，在给定支承条件下，承受最大轴向压缩载荷时，检查丝杠是否会发生纵向弯曲。压杠失稳时的临界载荷，可由欧拉公式计算。
5、临界转速的验算
丝杠的最高转速是否临近丝杠横向固有频率而发生共振现象，一般转速小于时无须验算。
6、滚珠丝杠的刚度计算
滚珠丝杠副的变形包括丝杠与螺母间的接触变形和丝杠的拉伸变形，丝杠的扭转变形较小，可忽略不计。
7、滚珠丝杠的预拉伸
滚珠丝杠工作中发热高于床身，热膨胀后导程加大，影响精度，为补偿膨胀的影响，可将丝杠预拉伸。
预拉伸量应略大于热膨胀量，发热后的热膨胀量抵消了部分的预拉伸量，使丝杠内的拉应力略有下降但长度没有变化。
8、滚珠丝杠的静载荷强度计算
由于设计时添加了配重，滚珠丝杠在在机床不进行工作时所承受的力很小，所以滚珠丝杠无须再进行静强度的校核计算。
5.3 滚珠丝杠支承的选择
滚珠丝杠都是由滚动轴承支承。
1、 滚动轴承概述
滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一，它是依靠主要元件的滚动接触来支撑转动零件的。与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力小，功率消耗少，起动容易等优点[9]。
常用的滚动轴承绝大多数已经标准化，并由专业工厂大量制造及供应各种常用规格的轴承。滚动轴承的基本结构由内圈、外圈、滚动体、保持架四部分组成。内圈用来和轴径装配，外圈用来和轴承座装配。通常是内圈随轴径回转，外圈固定，但也可用于外圈回转而内圈固定，或是内，外圈都回转的场合。
轴承的内外圈和滚动体，一般使用轴承烙钢制造，热处理后硬度一般不低于60HRC[9]。由于一般轴承的这些元件都经过150度的回火处理，所以，通常当轴承的工作温度不高于120度时，元件的硬度不会下降。.
滚动轴承有以下优点：1 ) 在转速和载荷变化范围很大的情况下，滚动轴承仍能稳定工作，而动压滑动轴承在低速时难已形成具有足够压力的油膜；2 ) 滚动轴承能在零间隙、甚至负间隙（预紧到有一定过盈量）的条件下工作，对提高旋转精度和刚度有利，而滑动轴承则必须有一定间隙才能正常工作；3 ) 滚动摩擦系数小，发热少；4 ) 滚动轴承容易润滑，可以用脂润滑，装填一次用到修理时才更换。若用油时所需油量也远比滑动轴承小；5 ) 滚动轴承为标准件，可以外购。
当轴向载荷较小时，可采用向心推力轴承；当轴向载荷较大时，采用接触角为60°的推力接触球轴承。
2、 轴承的选择[10]
由于本机床滚珠丝杠垂直于地面安装，工作时受到垂直于地面方向的进给力，故应采用一对推力轴承+深沟球轴承的组合方式。推力轴承承受进给力，深沟球轴承保证丝杠的回转轴在允许公差范围内回转。
初选：推力轴承51305 深沟球轴承5305

图5-2 轴承安装方式

此种安装方式：上端固定，下端游动。
上端固定：采用上端固定，使丝杠受到拉伸应力，故丝杠稳定性较好。
下端游动：由于丝杠长度较长，切削进给力较大，丝杠的温度升高较高，故热变形量较大，所以采用下端游动，补偿丝杠的热伸长量。
3、 轴承的校核
推力轴承：已知轴承受轴向载荷 ， 径向载荷 轴承转速 推力轴承51305 预期计算寿命，运转时有中等冲击。

图5-3 推力球轴承
（1）推力球轴承的校核
基本额定寿命 （5-6）
由表查得推力球轴承51305的基本额定动载荷为
对于球轴承，
对于只能承受纯轴向载荷的轴承（如5类轴承），在实际计算时，当量动载荷
（为载荷系数，当受中等冲击或中等惯性力时，取