表2 铣削力、扭矩和功率计算公式的简化
Table 2 Milling force, torque and power of simplified calculation formula
计 算 公 式 和 参 数 选 定 计 算 结 果 铣削力：F z?
铣削扭矩： M?z0????????????m?M?3.0?????Fz?????????（Nm）
Fv铣削功率： pm?3.14?10?7FZn????（kW）pm?Z4?????????kW??6?10xFuFCFapafyFawzdnFd2???qF0wFkFZ??????(N)?0.62Fz?42.76apv0.75?(N) fn
其中：CF?116,XF?1,YF?0.75,UF?0.85,qF?0.73,WF??0.13,KF?0.25 。铣削宽度
aw(mm)，铣削深度ap(mm),进给速度vf?afzn(mm/min)，铣削速度v??d0n/1000(m/min)，d0—— 铣刀外径((mm),af—— 每齿进给量(mm/z)， z —— 铣刀齿数，n——铣刀转速(r /min) 。
将切削深度ap、进给速度vf和铣刀转速n的变量代入分别计算，得到计算结果，如下表3所示。
表3 铣削力、扭矩和功率的计算
Table 3 The calculation of milling force, torque and power
切削方式 工作时间 参 数 计 算 结 果
apvf 百分比t% nn丝FZMPm
强力切削 10% 2.5 120 9000 20 13.70 0.041 0.039 一般切削 30% 1 1200 15000 300 22.45 0.043 0.106 精细切削 50% 0.5 2400 20000 600 15.80 0.0475 0.0992 快速进给 10% - 3600 - 900 0 0 0
其中：n丝—丝杠转速，n丝?vf/Ph(r/min)，预选丝杠导程Ph?4(mm)
ap—铣削深度（mm），Vf—进给速度（mm/min），n—铣刀转速（r/min），
Fz—铣削力（N），M—铣削扭矩（Nm），Pm—铣削功率（kW）。
3.2.2 钻削力、扭矩和功率的计算
通过查阅参考文献，按上节的简化过程，可得到仅与进给速度vf和钻头转速n有关的计算公式，如下表4所示。
表4 钻削力、扭矩和功率的计算公式的简化
Table 4 Cutting force, torque and power of the simplified calculation formula
计 算 公 式 和 参 数 选 定 计 算 结 果
0.7钻削力：Fz?CFd0zFfyFkF??????(N) Fz?450（vf/n）????????(N)
z钻削扭矩： M?CM?d?M?0.686(vf/n)0.8???（Nm）?fy?kM???????m?
MM钻削功率： Mvpm?0.012Mvf??n?????（kW）?kw?P?m
30d0CM?0.305,zM?其中：CF?600,zF?1.0,yF?0.7,2.0,yM?0.8,kF?kM?0.（加
工铝合金）。进给速度vf?fn(mm/min),钻削速度v??d0n/1000(m/min)，d0—钻头外径（mm），f—进给量（mm/r），n—钻头转速（r/min）。
将进给速度vf和钻头转速n的变量代入分别计算，将得到的计算结果填入表5，由于钻削功率的计算结果较小，忽略不计。
表5 钻削力、扭矩和功率的计算
Table 5 The calculation of cutting force, torque and power
切削方式 工作时间 参 数 计 算 结 果
fn 百分比t%
vn丝FZMPm
强力切削 10% 300 9000 75 41.61 0.045 - 一般切削 30% 480 15000 120 49.44 0.044 - 精细切削 50% 600 20000 150 38.65 0.042 - 快速进给 10% 900 - 225 0 0 0
其中：n丝—丝杠转速，n丝?vf/Ph(r/min)，预选丝杠导程Ph?4(mm)，vf—进给速度(mm/min),n—钻削转速(r/min),Fz—钻削力(N), M—钻削扭矩(Nm),Pm—钻削功率(kW)。
3.3 主运动系统的设计计算
本节主要设计主运动系统中的电主轴，以确定它们的型号和参数。
数控机床的主传动系统除应满足普通机床主传动的要求外，还提出以下要求： 1）具有更大的调速范围，并实现无级变速。数控机床就要为了保证加工时能选用合理的切削用量，并充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有更高的转速和更大的调速范围。对于自动换刀的数控机床，工序
集中，共建一次装夹，可完成许多工序，所以，为了适应各种国内工序和各种加工材质的要求，住运动的调速范围还应进一步扩大。
2）具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。数控机床加工精度的提高，与主运动系统的刚度密切相关。
为此，应提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面进行高频感应加热淬火增加耐磨性；最后一集采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用高精度轴承及合理的支撑跨距等，以提高主轴组件的刚性。
3）良好的抗振性和热稳定性 数控机床上一般既要进行粗加工又要进行精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗燥度，严重时甚至破坏刀具或零件，是加工无法顺利进行.
因此在主传动系统中的各主要零部件不但要具有一定的静刚度，而且具有足够的抑制各种干扰力引起的动的能力——抗振性。抗振性用动刚度或动柔性度来衡量。例如主轴组件的动刚度取决于主轴的当量静刚度、阻尼比及固有频率等参数。
机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生热变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差，且热变形限制了切削用量的提高，降低了传动效率，影响到生产率。
为此要求主轴不见具有较高的热稳定性，通过保持合适的配合间隙，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。 3.3.1 主运动系统传动链的组成
电机直接驱动主轴是精密机床、高速加工中心和数控车床常用的一种驱动形式。如平面磨床的砂轮主轴，高速内圆磨床的磨头。转速小于3000r／min的主轴，采用异步电动机轴通过联合器直接驱动主轴，机床可通过改变电动机磁极对数来实现变速；转速小于8000r／min的主轴，可采用变频调速电动机直接驱动；高速主轴，可将电动机与主轴做成一体，即内装电动机主轴，转子轴就是主轴.
所以本雕刻机应选用电主轴。 3.3.2 主轴电动机的设计计算
根据前面两节的计算结果，取一定的安全系数，忽略传动效率，主轴电动机所需的扭矩、功率和转速计算过程如表6所示。
表6 主轴电动机设计计算
Table 6 Design and calculation of spindle motor
序号 计算项目 符号 单位 计算公式和参数选定 计算结果
i 0 额定转矩
NmM0M?0.111 转矩计算 查表3.3和表3.5 e
M?iMAX?M? 取i=2取较大值得到： M0≥0.095取整
P0kW2 功率计算 P0?MAX?Pi? 额定功率
查表3.3和表3.5 取大值得到P0?0.106 取整
根据上述所算功率可选择安阳华安通用主轴科技有限公司生产的型号为DD58Z24/0.8的电主轴。如图9所示：
转主轴型号 Speed SDpingdle type (r/KW min) V A H2 D D1 连接 前B7002C/P4 DD58Z224000 4/0.8 后6001C/P5 图9 主轴电动机型号 Fig.9 Model of spindle
0.8 220 2.3 400 58 44 ER11 197 23 18 油脂 Motor Dimensdions(mm) BearingSD 轴端L L1 L2 Lub type 电机 速 外型尺寸 润滑 号 轴承型Pe?0.12
3.4 进给运动系统的设计计算
雕刻机的进给运动分为三个部分：主轴的上下移动，主轴的左右移动和工作台的前后移动。它们的设计没有什么很大的区别，因此可以通过对其中一个方向上的设计来勾勒出我们在移动部分的设计方案，现在以工作台部件为例，着重设计计算进给运
动传动链中进给电动机，同步带和带轮，滚珠丝杠和直线导轨，以确定它们的规格型号及参数，来满足在机械加工过程中的各种切削加工要求。 3.4.1 进给系统传动链的组成
从前面所述，我们知道步进电动机通过联轴器和滚珠丝杠连接，将电动机的旋转运动转化为部件的移动. 3.4.2 滚珠丝杠副的设计计算
参阅徐灏主编的《机械设计手册》第四册和李鹤轩主编的《机电一体化技术手册》以雕刻机进行铣槽加工时为例进行设计计算，过程如表7所示。
表7 工作台滚珠丝杠设计计算
Table 7 Design and calculation of ball screw table
序号 计算项目 符号 单位 计算公式和参数选定 计算结果
1 确定滚珠丝杠导程 电动机与丝杠 1:1传动
2 预期额定动载荷
Ph mm
Ph?4 N (1)按预期工作时间估算
3FmfwCam?2760C?60nL (1) ammh100fafc查表9,轻微冲击
Camfw?1.3
查表7,按7级
fa?0.8
查表8,可靠性97% fc?0.44
查表3.1得，Lh?20000 (2)拟采用预紧滚珠丝杠副， (2)按最大负载Cam?feFmaxCam?653
Fmax计算： 取两种结果
查表10， 的最大值
轻预载
fe?6.7Cam?2760
3 确定允许的最小螺纹
底径 (1)
?34??11??m??~?定位精度?45??11??m ?m?m??~?重复定位精度估算允许得最大轴向
?m?6?m?2变形量
取两种结果的小值?m?2