《精密机械课程设计学习指导》

《精密机械课程设计指导》设计要求与内容1、设计要求工作台水平行程20mm ，重复精度0.05mm ，承重1.5kg ，运行速度5mm/s 2、设计内容确定丝杆传动装置的总体设计方案；选择电动机；计算传动装置的运动参数；丝杆传动的设计计算；轴承、联轴器、润滑、联接件的选择及校核计算；绘制装配工作图及零件工作图；编写设计计算说明书。

3、设计任务① 丝杆传动装配图1张（A4图纸）； ② 零件工作图2张； ③ 设计计算说明书1份。

4、螺旋传动的基本介绍螺旋传动(screw drive)，利用螺杆和螺母的啮合来传递动力和运动的机械传动。

主要用于将旋转运动转换成直线运动，将转矩转换成推力。

螺杆与螺母的运动关系式为：ϕπ2hP l = 其中：l ————螺杆（或螺母）的位移（mm); h P ————导程（mm);ϕ ————螺杆和螺母间的相对转角（rad ）。

二、总体方案的构想按工作特点，螺旋传动用的螺旋分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋。

①传力螺旋:以传递动力为主,它用较小的转矩产生较大的轴向推力,一般为间歇工作,工作速度不高，而且通常要求自锁，例如螺旋压力机和螺旋千斤顶上的螺旋（[螺旋千斤顶]）。

②传导螺旋：以传递运动为主，常要求具有高的运动精度，一般在较长时间内连续工作，工作速度也较高，如机床的进给螺旋（丝杠）。

③调整螺旋：用于调整并固定零件或部件之间的相对位置，一般不经常转动，要求自锁，有时也要求很高精度，如机器和精密仪表微调机构的螺旋。

按螺纹间摩擦性质，螺旋传动可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动。

滑动螺旋传动又可分为普通滑动螺旋传动和静压螺旋传动。

通常所说的滑动螺旋传动就是普通滑动螺旋传动。

滑动螺旋通常采用梯形螺纹和锯齿形螺纹，其中梯形螺纹应用最广，锯齿形螺纹用于单面受力。

矩形螺纹由于工艺性较差强度较低等原因应用很少;对于受力不大和精密机构的调整螺旋，有时也采用三角螺纹。

一般螺纹升程和摩擦系数都不大，因此虽然轴向力F相当大，而转矩T则相当小。

传力螺旋就是利用这种工作原理获得机械增益的。

升程越小则机械增益的效果越显著。

滑动螺旋传动的效率低，一般为30～40％，能够自锁。

而且磨损大、寿命短，还可能出现爬行等现象。

由于此处工作台的行程仅为20毫米，速度为5毫米/秒，处于低速运行状态，无寿命要求且精度适中、运行平稳，综合以上几点分析，选用螺旋传动。

螺旋传动一般有两种形式：1、螺杆固定并转动，螺母移动。

如图示：该装置的特点为机构的轴向尺寸取决于螺母厚度及其行程大小。

机构刚性较大，结构紧凑，适用于工作行程较长的精密加工设备和监测器。

2、螺母移动，螺杆转动并移动。

如图示：该装置的特点为螺母起支撑作用，可消除螺杆和轴承之间可能产生的轴向窜动，容易获得较高的传动精度。

结构简单，但轴向尺寸较大，刚性较差，适用于微动机构。

缺点是所占用轴向尺寸比较大，刚性较差。

综合以上思考，最终选定第二种方案。

三、设计过程1、弹簧的设计弹簧的材料使用碳素弹簧钢65Mn 。

为压缩弹簧YI 型，该弹簧易于制造，结构紧凑；适于小空间。

弹簧载荷计算公式为： nD Gd F 348λ=式中：G ————弹簧材料切面模量； d ————簧丝直径；D ————弹簧中径；在这里参数选择为：G = 78000MPa d=1 mm D=11 mm λ=30 mm n=10 计算得：k F = 21.3 N2、工作台的设计工作台材料为灰铸铁（HT250)，此种铸铁有良好的铸造性能和良好的耐磨性能，且灰铸铁本身的抗压强度高于抗拉强度，故适用于铸造受压状况下的工作零件。

但灰铸铁的脆性很大，不宜承受冲击载荷。

热处理有以下几步：① 消除内应力退火， ② 改善切削加工性退火， ③ 表面淬火。

灰铸铁分≥HT250与≤HT220，其密度分别为7.35g/cm&sup3；与7.2g/cm&sup3。

这里用到的灰铸铁为HT250，则密度取7.35g/cm&sup3 ，工作台体积为55000mm 3，则质量为0.4kg ，同时要求载重1.5kg ，则总质量为1.9kg 。

取灰铸铁的摩擦系数μ=0.3，则摩擦力： μF =μ(物台m +m )= 5.7 N 。

3、基座的设计基座呈“凹”字形，由底座和导轨两部分构成，如图示：底座比较厚，质量较大，这样可以保证整个装置的稳定性。

同时导轨采用“V ”字形滑动导轨。

该导轨的特点为导向性好，能自动补偿磨损。

材料用灰铸铁，为了提高导轨表面硬度，采用表面淬火工艺，表面硬度可达55HRC ，导轨的耐磨性可提高1~3倍。

4、螺杆的设计计算1）螺旋副的选择在精密机械中，螺旋传动可以分为示数螺旋传动、传力螺旋传动和一般螺旋传动三类。

传力螺旋传动机构用于传递动力，如螺旋压力机，螺旋千斤顶等。

传力螺旋传动需要承受较大载荷，因此要有足够的强度，故多采用梯形螺纹或锯齿形螺纹。

梯形螺纹适用于传动双向动力，且适用于精密机械中相对位移的机构，本实验采用梯形螺纹，单头右旋。

梯形螺纹的特点：①牙型角α=ο30，螺旋副的大径和小径处各有相等的径向间隙a。

c②牙根强度高。

螺纹工艺好，内外螺纹以锥面贴合。

③对中形好，不易松动。

2）螺杆的相关参数丝杆采用45号钢铸造。

45钢是轴类零件的常用材料，它价格便宜经过调质后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性，淬火后表面硬度可达45~52HRC 。

螺杆所受轴向载荷为F=μF +k F =5.7+21.3=27N ，这里取F=50N 。

螺杆中径的计算公式为 pp Fd ψ8.02≥ 其中：F ————轴向载荷；p p ————许用压强（7MPa) ψ=2计算得:d 2≥1.512mm取螺杆公称直径为10mm ，查《机械设计手册》得到相关参数，如图示5、螺杆相关参数的校核公称直径d 螺距P 中径 大径4D小径d310mm2mm9mm10.5mm 7.5mm①耐磨性 校核公式为： []p hbd FPp ≤=2π 式中：p ————螺纹工作表面计算平均压强(MPa)；[]p ————材料的许用压强（MPa);F ————轴向载荷（N ）； P ————螺距（mm);2d ————螺纹中径（mm);h ————螺纹工作高度（mm),P h 5.0=; b ————螺母高度（mm)。

计算得：p =0.22MPa<[]p =6MPa 校核结果： 满足 ②螺杆强度校核公式为：当量应力ca p σσ≤ 转矩 a 2t r fM =2sin 2F πα⎛⎫⎪⎝⎭式中：3d ——外螺纹小径，取7.5mm ；p σ ——螺杆的许用应力，查机械手册可取值71-118.3MPa ； α ——牙型角，取30°； 计算结果：t M = 111.2N/mm ； ca σ= 20.305MPa p σ≤校核结果： 合格。

③螺杆刚度校核公式为：轴向载荷使导程产生的变形：F 23FS 4FS S ==EA Ed π∆ ； 转矩使导程产生的变形： 2t 24316S Gd M M S π∆=；导程的总型变量：ΔS =ΔS F +ΔS M 。

式中：G ——螺杆材料的剪切弹性模量，对于钢G=8.5×104N/mm 2； 计算结果：ΔS F =0.63×10-5mm ；ΔS M =0.41×10-5mm ； ΔS=1.04×10-5mm ；许用导程型变量查机械手册，查螺杆每米长的允许螺距变形量ΔS /S ×103， 可得变形量为：7.4μm/m ，本螺杆采用的7级精度，允许的最大变形量为30μm/m 。

校核结果： 合格。

④螺纹强度由于螺杆和螺母使用的是同种材料，那么只用分析螺母的螺纹即可。

校核公式为：螺杆剪切强度：ap 4=bn F D ττπ≤螺杆弯曲强度：a 1b bp243F H =D b n στπ≤式中：D 4——内螺纹大径，取值12.5mm ；p τ——螺纹牙的许用切应力，查机械手册可取值0.6p bp σσ、——螺纹牙的许用弯曲应力，查机械手册可取值（1～1.2）H 1——螺母高度，12H =d =0.75mm ψ； n ——旋合圈数，1H n==12p。

计算结果：p b bp=0.212=0.357ττσσ≤≤校核结果：合格。

⑤自锁螺旋升角：λ=2Sarctan dρπ≤，当量摩擦角：f=arctancos2ρα， 式中：f ——摩擦因数，查机械手册可取值0.15； S ——导程，mm 。

计算结果：S = 3mm 时，ρ′= 7.5°，λ= 4.7°≤ρ′。

S = 1.5mm 时，ρ′= 7.5°，λ= 3.75°≤ρ′。

校核结果： 合格。

6、误差分析(1)螺纹参数误差 ①螺距误差螺距误差分为单个螺距误差和螺距累积误差，在传动过程中，螺杆的螺距误差将直接影响传动精度。

而螺母的螺距累积误差对传动精度没有影响（它只影响空回的大小）。

因此设计时，应对螺杆提出严格的精度要求，而对螺母只取适当的加工精度即可。

②螺纹中径误差中径误差直接影响螺旋副的间隙及旋合性能。

为使螺杆螺母的转动灵活和储存润滑油，必须保证螺纹中径公差（螺杆中径上偏差为零，螺母中径下偏差为零）。

所选螺纹的优先配合公差如下表所示：故选择的螺纹配合公差为7H/7h③牙型半角误差牙型半角误差存在于螺纹牙两侧，会使螺纹啮合轴向间隙发生改变。

但对于螺纹全长而言，因是在一次装刀切下来的，所以牙型半角误差在螺纹的全长上变化不大，对传动精度影响很小。

（2）螺旋传动机构装置误差①偏斜误差在螺旋传动机构中，如果螺杆的轴线方向与移动件的方向不平行，而又一个夹角时，就会发生偏斜误差。

②温度误差如果螺旋传动的工作温度与制造、装配时的温度不同，就会引起螺杆长度和螺距发生变化，进而产生传动误差，这种误差就是温度误差。

在本设计方案中，因为螺杆的工作行程比较短，又工作于常温的状态，故温度误差可以忽略。

四、总结精密机械设计这门课程至此已经画上了句号，课程设计说明书也接进了尾声。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。

“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。

我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。

不得不承认，课程设计是很辛苦的。

但是，也正是通过这次亲身体会，在为期四周的时间中我收获颇丰。

不仅对我所学的专业知识有了更进一步的认识，也了解到了精密仪器在现实生活中的发展和应用。

有个词叫做眼高手低，本来以为它跟我不沾边，可是经过课程设计我才知道原来我也是眼高手低！在开始前，我觉得这个课程设计很简单，无非就是几张工程图和一篇说明书罢了，但是在真的着手做的时候才发现自己没有头绪，无从下手。