济南大学毕业设计
3 CA6140车床数控改造的设计与计算
本设计重点对主轴驱动、横向与纵向驱动以及电动刀架的改造。本章简单介绍对主轴电动机的选择，横向、纵向电机的选用以及丝杠的选择和校核等。
（1）查与CA6140相关资料知CA6140改造前的主要参数： 加工最大直径：在床面上 φ400㎜ 在床鞍上 φ210㎜ 加工最大长度： 1000㎜ 溜板及刀架重力： 纵向 950N 横向 500N 刀架快速速度： 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min 最大进给速度： 纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min 起动加速时间 30ms 机床定位精度： ±0.015mm （2）改造后机床的主要参数： 加工最大直径：在床面上 φ400㎜ 在床鞍上 φ210㎜ 加工最大长度： 1000㎜ 溜板及刀架重力： 纵向 1000N 横向 600N 最大进给速度： 纵向 2.0m/min 横向 1.0m/min 起动加速时间 30ms 机床定位精度： ±0.015mm
3.1主轴计算与电机的选择
根据通常情况对数控改造车床的要求，粗选车床主轴变速范围：
r/miRa?100mm nmax=2500r/ m i n nmin?20 n初步估算电动机的功率 根据经验公式知：
P=0.67Dmax1.54/1000(kw) （3.1.1）
D取400mm（D-机床的最大加工直径）故：
P?0.67?4001.541000?6.8（kw） （3.1.2）
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（1）切削力参数的确定
F=9.81CFZ?apFZ?fXYFZ?vcFZ?KFZ （3.1.3）
Z查《实用机床设计手册》P497页表2.2-4，知选取工件材料为结构铸钢，刀具材料为高速钢，在外圆纵车、横车、镗孔时，主切削力的系数为：
XFZ=1
YFZ=0.75ZFZ=0KFZ=1CFZ=180kgf2/mm
有《金属切削原理》知表3.1：
表3.1切削力系数取值
量的名称 切削深度ap 进给量f 发光强度
粗加工 4-6 0.4-0.8 80-101
精加工 1.0-2.0 0.2-0.4 120-150
（2）初步估算最大切削力Fzmax和最小切削力Fzmin
Fzmax?9.81CFZ?apFZ?fXXYFZ?vcFZ?KFZ?9.81?180?6?0.80.75?1010?1?8962.11(N)ZZ
（3.1.4）
Fzmin?9.81CFZ?apFZ?fYFZ?vcFZ?KFZ?9.81?180?1?0.20.75?1200?1?528.10(N)
（3.1.5）
切削力的切削功率：
Pm?FZ?v （3.1.6） 46?10因此：
最大切削功率：
Pmmax?FZmax?v6?104max?8962.11?101=15.09(kw)?? （3.1.7）
6?104最小切削功率：
Pmmin?FZmin?vmin528.10?80??0.71(kw) （3.1.8）
6?1046?104主轴电机的功率：
Pz=
p?m(kw) （3.1.9） η其中：η--为主轴传动链的总效率，取η=0.85 因此：
主轴电机的最大功率：
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Pzmax ?主轴电机的最小功率：
Pmmax15.09
= =16.77（kw） （3.1.10）
0.90ηPzmin=
Pmmin0.71==0.79(kw) （3.1.11） 0.90η（3）电动机的选择
查《机械设计课程设计手册》P167选用Y系列型号为Y180M-2电动机，其参数如表3-2
表3-2Y180M-2电动机的相关参数
电动机型号 Y160L-2
额定功率/kw
18.5
满载转速r/min
2930
额定转矩 2.0
最大转矩 2.2
质量/kg 147
3.2进给伺服系统机械部分设计计算
在进给伺服系统中，本方案采用的是伺服电机通过减速器减速以后，带动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架运动。其伺服传动结构示意图如图3.1
图3.1 伺服传动结构示意图
3.2.1 系统脉冲当量及切削力的确定
脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本的技术参数。经济型数控车床一般采用的脉冲当量是0.01~0.005mm/脉冲,根据机床精度要求确定脉冲当量：纵向：0.01mm/脉冲；横向：0.005mm/脉冲。
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3.2.2切削力的计算
(1) 纵车外圆
主轴切削力Fz（N）按照经验公式初步估计：
Fz=P=0.67Dmax1.54/1000=0.67?4001.54/1000=6.81(kw) （3.2.1）
按切削力各分力的比例得：
Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 （3.2.2） Fx=0.25Fz=0.25?6.81=1.70（kN） （3.2.3）
Fy=0.4Fz=0.4?6.81=2.72（kN） （3.2.4）
(2)横切端面
在横切端面时候，主切削力F（N）可取纵切外圆时候的1/2。 即：
11?Fz= ?6.81=3.405（kw） （3.2.5） 22Fz'=
此时走刀抗力Fy' (N),吃刀抗力Fx'（N）.与Fz'（N）关系为：
Fz'：Fx'：Fy'=1:0.25:0.4 （3.2.6）
故：
Fx'=0.25?3.405=0.851（kw） （3.2.7）
Fy'=0.4?3.405=1.362（kw） （3.2.8）
3.2.3滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型
滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择滚珠丝杠的结构类型和滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括：公称直径、导程、滚珠的工作圈数和列数。滚珠丝杠的循环方式可为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。可参照表3-1选用。
滚珠丝杠副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧和单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等方法[1]。 本设计采用WL1型外循环螺纹调整预紧的不带衬套的双螺母滚珠丝杠，它通过调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。其特点是结构较紧凑，工作可靠，滚道磨损时可随时调整，预紧量不很准确，应用较普遍[1]。其特点如表3.2:
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表3.2 滚珠丝杠副双螺母螺纹式预紧
调整 方式
简 图
调 整 方 法
特 点
螺 纹 式
结构较紧紧凑，工作
调整端部的圆螺母，使螺母产生可可靠，滚道磨损时，可随
轴向位移
时调整预紧量不很准确应
用较普便。
（1）纵向进给丝杠
滚珠丝杠的基本导程：L0=8mm 行程：S=600mm,
最大进给速度：Vmax=2.0m/min. 1）计算进给率引力：Fm（N） 纵向进给选用矩形滑动贴塑导轨，故:
Fm=KFx?f'(Fx?Fy?G) （3.2.9）
G——为移动部件的重量（N），根据草图估计工作台重量G?1.2kN
M——为主轴上的扭矩（N?cm）
f'——为导轨上的摩擦系数，取f'=0.04
f——为轴套和轴架以及主轴的键上的摩擦系数
K——为考虑颠覆力矩影响的实验系数，取K=1.1 故：
Fm=KFx?f'(Fx?Fy?G)
=1.1?1.70?0.04?(1.70?2.72?1.2)
=2.09kN （3.2.10）
2）计算最大动载荷C
C=3LfwFm （3.2.11）
L=60?n?T （3.2.12）
106L0 n=1000?vs （3.2.13）
L0——滚珠丝杠导程，初选为L0=8mm
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