龙门式数控钻床机械结构设计要点

-----------------------作者：-----------------------日期：业设计（论文）床机械结构设计TheMechanicalStructuralDesignForGantryCNCDrillingMachine学生姓名所在院系所学专业所在班级指导教师教师职称完成时间

： 周 海 东： 机 电 学 院： 机械设计制造及其自动化 ： 机制 0545： 杜 华： 教 授： 2009年 6月 18日长 春 工 程 学 院要。农经常会碰到一大型回转体类零件其上需加工很多孔。普通对其加往往会遗漏而小型加心则难对其进行加。本课题就是针对这一问题设计一台龙门式钻专门适合对这一类零件进行钻削加。它不仅大大减轻了操作者劳动强度而且大大提高了劳动率。本次设计包括了钻主要械结构其包括：主轴箱主传动系装配；进给系统作台装配和传动系统丝设计。合到设计。械是经。则是械它经要作家比还有较大差距我们必须奋图强努力作便早日赶上世界先进水平。关键词钻主轴箱 作台 丝AbstractInrecentyears,domesticmachinetoolindustrydevelopedrapidly,toamodernCNCmachinetoolischaracterizedbywidelyusedintheproduction.Intheindustrialandagriculturalproduction,oftenencounteranumberoflarge-scalerotatingbodyparts,itsalotofholestobeprocessed.Ordinarymachinetoolsareoftenleftoutofitsprocessing,andsmall-scaleCNCmachiningcenterisdifficulttocarryoutitsprocessing.Thesubjectisaresponsetothisproblem,thedesignofagantryCNCDrillingMachine,specificallysuitedforthisofdrillingparts.Itnotonlygreatlyreducestheoperator'slaborintensityandlaborproductivityincreasedThedesignincludesaCNCdrillingmachineofthemainmechanicalstructure,including:themainspindleboxpowertrainfeedingtableintheassemblyandtheleadscrewnutdrivedesign.Atthesametime,therelatedtechnologywillbeusedinareasonablemanner,soastoachievethepurposeofoptimumdesign.MachinerymanufacturingindustryisthefoundationofthenationalMachinetoolindustryisthebasisofmechanicalmanufacturingwhichinthenationalavitalrole,butChina'smachinetoolindustryandstillawidegapbetweendevelopedcountries,wemustworkhard,workhardinordertocatchupwiththeworldatanearlydateadvancedlevel.Keywords:CNCdrillingmachineheadstockworktableleadscrewandnut.一绪论 1111二方案论证 22数 控 立 式 钻 床2钻 削 中 心23床334三横梁滚珠丝杠设计计算 55F67788四机械部分设计计算 891414上合条疲劳安全校核承校核 上键校核 挤 压 强 度 校 核20耐磨条校核 20五工作台设计与计算 21工作台电脉冲当量 21等力矩22蜗轮蜗杆比 5.1.5确 定 电 机 型 号235.2 23521m 23522蜗 杆 轴 的 刚 度 验 算2552325524 2753 2854 29541滚29动体要求 及542滚29动体 数目确 定543 293031参考文献 32一绪论1.1 lge“作母”习惯上简母性决定了在国民经济中业肩负着国民经济各部分提供现代化技术装备任务业国民经济基础而业则业的基础一个国家业技术水平在很大程度标志着这个国家业生产能力和科学技术水平。1.2 在生产活动中经常会遇到需在大型回转体上出许多孔如普通往往会遗漏故需设计一台大型数控钻来这了动动度，而大大提了动生产。13 一国数控现状来国业数控上在大中业多在中业甚个体业中普在这数控中FMS大都处于单运态并相当部分处于效管理式落后态。国业产值入世界第 5名消费额在世界排名上到第 3达4739亿美元次于美5367亿美元消费额比增长 25但由于能满足市场需求国口额呈上态势2001口跃至世界第 2达 2406亿美元比增长 273。二国数控现1、国际市场消费主流数控1998 世界口额中大部分数控美国口数控化达 70%国为60数控数控数控数控转以中心、专数控、套设备主。2、国数控网络化。着计技术技术普数控化化ERP、财、物、产、供、销）或设计、开发等等上层分远远不够、最底层加设备——数控机床不能够连成络或就必然成为约瓶颈所谓ERP就比较“虚”最关键所以面临日益全球竞争现代第要大大提高机床数控率数控机床必须达到起码数量或比例第就所有数控机床必须有、高能以、底层底层上层。以为代数控产有络能数控备有以为数控机床提供由发数控机床络能为远控、远。二方案论证总体布案论证数控床数控为加机床数控机床发数控床现比较50代有数控床1961就成生Tape-O-Matic床数控床最产、日等产数控钻床数控转塔钻床等产品。数控钻床按其布形式能特点可分为数控立式钻床、钻削中心、印刷线路板数控钻床数控深孔钻床其它大型数控钻床等。数控立式钻床数控床床上发起以成等有要量产有数控加上控控属经济型数控价格便宜。3数控床上加机成的机现以、、、、等加序而且可以完成有直线圆弧插补轮廓控铣削。由于一般中小型零件大多需要几把刀具来加工，故增加自动换刀装置并同时自动变换主轴转速。可减轻劳动强度，减少换刀时间，既提高了机床的自动化程度，又提高了生产率。由于用轮廓控制数控系统代替了点位控制数控系统。可进行具有直线和圆弧插补功能的铣削加工，更适合于钻铣联合加工的零件。根据换刀原理及机床结构的不同，目前钻削中心分为单立柱式玉双立柱式两种。多立柱式的换刀方式是在砖塔中径布置 6或 8根主轴，由转塔回转实现主轴转换及自动换刀。，线数控钻床线数控钻床是一种用来加工线的用钻机床。大型数控钻床于加工。故30mm

，工件高度为500mm式数控钻床，、扩、铰、攻丝道序。数控钻床功能组及部件方案论证包括以下个部：（1）、包括身作台箱械部（2）、（3）、驱（4）、辅助如冷却防护罩排屑器。数控系统总体方案确定系统运动方式的确定运们连续罅只能够个另个确移移过任何连续作台沿个坐标运确运关作台移过快保证度。。但其结构简单调整维修方便在速度和精度要求太高场合广泛应用。闭在机床移上装元来实际位移补偿精度高调试复杂造价高。由于该机床是加工敢距精度要求但太高零采用。精度要求满足，结构简单调整维修容易可降低机床造价。并采用步进电机作为电机。执行机构方式确定为确保数精度和工作台平稳性通常提出低摩擦低质量高刚度无间隙，高谐振以及由适宜阻尼要求。为满足低摩擦量间隙要求。采用。为提高刚度保加工精度定并加结构。机方案确定工作台工作台是数机床要其式机床和性。工作台，式以及度工作台。由于该机床是加工零。采用工作台。并采用。其定精度由定。数台由间隙装置及蜗轮夹紧装置等组。身采用式结构。由工作台。其位定分由移和工作台来实。可上调整位以适应高度加式要。式由和床构式结构距以刚度高可提高加工精度。箱移Z。采用步进电机。其采用电机驱可变换转速以适应钻孔直径改变需要。主要参数工为

盘形零件钻孔大小为530mm工件高度为500mm查表：最大钻孔直径30mm确定主轴圆锥孔莫氏号数为 4H

740mm主轴端面到底座工作台面的最大距离H 1三横梁滚珠丝杠设计计算动载强度计算额定动负荷F是指当一批规格相同的滚珠丝杠螺母副，在一负荷力的测试运转下，能通过r106r运动，而有90%不产生疲劳损伤时所能承受的最大轴向载荷。当n

时，滚珠丝杠螺母的主要破坏形式是工作表面的疲劳点蚀，因此要进行动载荷强度计算，其计算动载荷C(N)应小于或等于滚珠丝杠螺母副的额定动负荷，有公式：c3T/C 3T/c d

f F FH eq r式中， f动载荷系数，从《数控机床系统设计》[15]表 5-1可查得：d

f 1.0df 硬度影响系数，同上，表 5-2可查得：HF 当量动负荷，单位 Neq

f HF滚珠丝杠螺母副的额定动负荷，单位 NrT/寿命，以106r为 1个单位。T/

60n eq

6K106式中，T使用寿命，h;K循数；n 滚珠丝杠的当量转，。eqF3nF3ntF3nt 31ntnt 1122211 22eqF

滚珠丝杠螺母副所承受的轴向载荷，；1 2nnF

相对应的转速，r/min；1 2 1 2t、t

相对应的工作时间，min1 2F的计算摩擦力的计算初估算主轴箱重量为1000N，

0.1知；

FN1

NN有公式：

TnTT 1 m MG 0taJ Jm k

J(Vj)2jm

0.44104(Kg

m2)显然惯性力很小，可忽略，所以。轴向负荷F由公式：

FN160nLL h106查表得，使用推荐寿命

L h，h初选丝杠螺距t5mm由此可以算出丝杠转速：10005n 1000r/min5所以：

60100015000L106

900mm（4）确定最大动负荷：P

Q3

LP fwf f f ft h a kf[6]4-2得wf=1.2wf4-3t

f=1;tf4-4h

fhf4-5af 4-6k

f=1;af =；k

f w

ft

f=1;h

fa

f =1;kQ3LP

w 3900fffff3900f

1.21

.2N

t h a k

[7]

D 0；。几何参数距

D 0t

32/

d 0道半径R偏心距

e0.045mm外内径28.9mm配合外D

L47mm

tan

tan32/ 0.95tan()

tan(32/10/)FLPLN

L 1 EAE=200109

)28.9A2

)2655.6106(m2)2L

410

0.0031(um)1

109655.6106L1

L0.003900t 4

0.675(um)B50、理、于加和防护好寿命且过还按照速原则来即副前多后少原则；。设计计算主运参数确定钻头采用高钢钻头同《切削加工手册》查得：（P516）取切削度V c

0.48mm/r。ZK9350范围。取n~

2000r/min由《械制造装备设计》3-10（P97）n

0.25n n maxn 20000.25

j min

minj

25

由《切削用量手册》[10]查得：（P61）切削功率p c

由此可以选取主。主型号由切削功率p c1）。其参数如下：

选取Y系列（IP44）《械设计课程设计手册》（P167-表12-66矩60~2530.由上面可以确定::

n 主max

,n主min

,n j

p 额

, n r/额

T 额

m7kg ，n

,n

通常无级装置作为系基本而分级作为其公比f理论上应等于无级装置Rd。实际上由于械无级装置属于摩擦有对滑动现象可能得到理论上。为了得到连续无级设计时应使分级箱公比f f

~

R。使转之间有一段重叠保证转d连续。由上面已知条件可以知道：主轴要求恒功率调RnN

200075

27电动机可达到恒功率调RdN

25301000

2.53 2.5f

由《机械制造装备设计》[11]中式（3-19）(P105)页可算出箱数Z1

R nNlgf

R dN

4。由主轴要求恒功率R 远大电机恒功率R 。因此在电动机与主轴间串nN dN联一个分1：1在设计时为了避免从动轮尺寸过大而增加箱体径向尺寸限制降最传动比u主min

1/4；为避免扩大传动误差减少振动噪声直齿圆柱齿轮最大升比u

主max

2；

i/

。可以将其分解为i。而另一组最大传动比为

/

1.26。可以将其分解为i

11.26。I-II组中两个传动副中传动比为：u 1；a1

u ；a2II-III组中两个传动副中传动比为；u b1

u b24。查《机械制造装备[11]3-9（P94）u 1a1u a2

s zs z取s z

/a1

u /a2上面方法可得到II-III轴传动：s zu b1

/

u /b2各传动参1：1序号 主轴箱内各传动齿轮参数分度圆直径 顶圆直径根圆直径1 Z=361144 15213442Z =36214415213443Z =243961048644Z =48419220018245Z =2551001089046Z =67626827625847Z =16764725448Z =7683043122944由上面传动比可得到转2：图2 转速图45~

0r/

mnj1003 Pnj100m12 n

(mm)

jb/m6~10

m4

m 4a (zz) (3636)144mm1 2 1 2 2

a 2[8]

B30mm

z1

z 21εβ 2KTYY Y Y1εβ

F bdm1 n

F 1

1

1 1a3.2z

z3.2

1.64 1

2

16

76Y ε

a

0.71[12]6-19、6-20(P129页)YFa1YFa2

3.4YSa12.3YSa2

1.511.8面

Y 0.7Y 0.9N1 N2LFlim1

a6-22b

Flim2

；a取 S Fmin

Flim1 N1YSY

236MPa

Fmin Y Flim2 N2S

223MPaFlim 21.551680800.73.041.51MPa30764

184MPa

YFααY

YSααY

1.82.8

MPa

FααSαα。接触

Z Z ZH E H

2KT 2KT u1u1《机械设计》[12]6-5（P-122

Z .8MPaEMPa6-14由6-13

Z 2.5HZ ε5

Z ,Z N1 N2由6-16e,51HRC,ML中间:Hlim1

Hlim2

MPaS 1HlimH1

Hlim1 ZSZ

914MPaHminH2

Hlim2 N2ZSZ

966MPaHmin21.81221.812H

868.6MPa

H145 b

5s

51

51

01PP4)dA ，0

d dd1d 11

0.5

0.6。d

mm5%~

710%~15%。、传动和滚动承都较高因转矩忽略P 4

T9.55106

9.55106n 75

509333Nmm4dA0

4Pn(1Pn(14)40.54)

53.72mm考虑到影响d70mm传动依靠套筒位周向位采用A型普平连d70mm

[14]面bhL20mm12mm32mmH7k6。L 2

L 3m3M 、M 、M及M 值。H V ca外力：圆周力

F t d

2168080476

1105.8NF Fr t

tan

20.6N反力：水内

FLt 3

F (LH1 2

L)3FLF t 3H1 L L2 3

525NF FH2 t

F H1

.8

580.8N垂直内

F (LV1

L)M3

FLr 3FLF r

191.46NV1 L L2 3

158143F FV2 r

F V1

211.54N矩：水

M F LH H1

N

M F LV1 V1 2

Nm

NmmM MV2 V1

NmmM 1

M2HM2M2HM2V18295023017822

Nm

88269Nmm

0.60.6NmmM Me1 1

NmmM22M22)2e2

1008482Nmm 134021.3Nmm。由《机械设》[12]8-4得M2)2e2M2)2e2

134021.3

60MPca

W 0.17034)

a a疲劳安全系数判断危险危险位置应是和较及积较小且应力集中较严重处。在同一处有几个应力集中源各源所引起应力集中值。根据结构尺寸可知在齿轮配和键槽引起应力集中。所以此处疲劳安全系数。抗系数：W4)0.130.54)mm

3

.25mm3抗扭系数：W 4)0.230.54)mmT

3

.5mm3LMM 32

B/L3

/143

Nmm矩

Nmm Ma W

79627 32156.25

2.48MPa

0MPm a Ta T

2

.5

a

τ τ

1.307MPa[12]、2a可以查得，有效集系数：k 2.5σ

k τ ，b a

55mm，5 σ

τ同轴精车加工，b

a

8

0.93b：kσσσσkττττ

2.5

截面近于键槽引起有效集系数是k 和k，表3、表4查得： k σ

k 1.6τ故得综合影响系数值为：Kσ

kσσσ

2.63τK kττ εβτ

1.6

2.39H7、7b查得：

kσ σ

kr2.52r故得综影响

σK kσσ στK kττ τ

取综影响K 、K 较大，故取K ，K σ τ σ τ钢，查表8-1取弯曲等 0.2，扭转等 0.1。σ τ只考虑弯矩作用安全，式

。材料是S

275

14.24σ Kσ a

σ

只考虑转矩作用安全，式

155S τ Kτ

τ

（计算安全：S2σS2σS2τ

14.24214.24220.432

20.43取1.5

S ca1.8

σ τ

11.68S 1.5，所以安全。ca主箱其它也可校核方法进行校核。在此不在展开。4.3承选择校核设计可知，承处

70mmn

，两支承径向载荷F 9NFr1 r2

NFA

N（《切削用量简明手册》[10]表2-19查得）试选角接触球轴承查《机械设计课程设计手册》可知：

C ，rC 38.5KN。0r对于C》表9力F 0.8

7可知判断系数e0.68。FF

Fr1Fr2

N

s rNN为F Fs2 A

N

N

.24NFs1

F a1

F Na2PP由于在该结构中3个轴承支承则受力按均分计算，3

1 2F

/3a1Fr1

559

6.4e0.68F /3a2F r2

e由表9-7可查得径向动载荷系数和轴向载荷系数对于轴承1

X 1

Y 1对于轴承2

X2

Y 02表fp

1.2

1.8fp

1.5则Pf1 p

(XF1

YF1 a1

)1.5(0.41

5593

0.87

10840.243

)4830NP f(X2 p

F2 r2

YF2 a2

)

10.12)N由于PP按1 2

P计算轴承应具有的额定动载荷C/1根据公式（

C/P60n60n610hεt由于机床在一般工作条件下工作，取601256012524000106

f 1，t

3则C/1C

小。

27271N

27KN因此所选轴承强度满足。其余也可以按上述方法进行校核。主轴上键的选择与校核键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键的截面尺寸（键宽b和键高h）按轴的直径d由标准中选定；键的长度L可根据轮毂的长度确定，可使键长等于或略短于轮毂的宽度；导向平键应按轮毂的长度及滑动距离而定。键的长度还须符合标准规定的长度系列。由于安装键处的轴径为d

70mm。根据《机械设计课程设计手册》[14]中表 4-1可以确定。取键为 A型普通平键。其基本尺寸为：bhL20mm12mm。（）、磨损（）、剪断（极少出现）对只需要挤对平键或滑键连接需要进行耐磨性条件的计算。挤

103p kld

p式中：k

0.5h表示键与轮毂的接触高度。lA将值代入上式进行校核：

LbB型键l

LC型键

Lb2 2

10

150MPp 0.51210)p a所以挤条件校核2T103pkld

pp

2

10

MP0.51210)a与算XZ“自锁”功失后保持位置因此际中到广泛应原受到系统指令后首先把松开然后启液脉冲马达，按指令脉冲来确定、及角等参由液脉冲马达驱齿带通使当静止于锁紧状态布八夹紧液压缸夹紧当不夹紧液压缸腔压油使活塞下通钢球、夹紧瓦及将夹紧当系统发出指令使夹紧液压缸腔油流油箱弹簧的下钢球抬起夹紧瓦松开然后由液脉冲马达通置使按照制系统指令为了尽量消除隙反隙图示中齿齿啮合侧隙靠偏心环来消除齿靠楔拉紧柱销来这种消除套合隙。选择。它决定了机床加精和驱最高频率。对于回而言可由下式计算：

Z1ZKZ Z 。Z Z K W2 W在步进电机

0.005~

0.005

。这时位分辨率和精较高。初取满足加要求。步进电机选择步进电机每走步步

mZQ

按理论设计圆周等分值。但实际的步与理论值有误差。在机床中常见反应式步进电机步般为0.5

3。步越小机床制精越高。但必须保证步进电机输矩大于负载所需要

MMjmax

0.2

0.5。其中M Mjmax初取

0.75K

mTii1

1n iki

n F VJjnkT为件所受力矩（Nm）in n件速(r/min)i kF为件所受力（N）iV件速(m/min)jT件所受力矩为蜗杆磨擦力润滑良好可忽略。iF件所受力无切削力可忽略。i矩很小但考虑到件较大故取电机矩T

5Nm。确定蜗轮蜗杆传比

0.75360

0.0021

0.560

0.000023

I 0.00210.000023

83

I834。相三相，最大静转矩7.84N.m，最大启频率1500Hz,距角5/)外径0m，长度0轴径M6kg。算根据一般龙门钻中回转转速n。

，由于过大，头取Z 1，齿Z1

iZ1

。材料选面淬

；齿圈材料，金属模铸造。模m

m2d1

9KT(2

ZE)2从械

2 HK 1.1；A于n较低，估

1.1；2 2 V因载荷平稳，通过跑合改善偏载程度，取K 1；β

K K KA V

；P 15T 9.551061

9.55106n

20

0.9581980N.mmT Ti2 1

N.mm7-7ZE

MPam2d1

9KT(2

ZE

)28175mm32 Hm2d 0.61m0md 01

q6

334/35//

m(qz2

)495mm

d 2

830mm

650mmv2

dnv 2

3.1483020

0.869m/s2 601000 601000v 2

K 1.1。Vv：sv

0.862vssin2

sin/

6m/s。v较大用锡青铜为材料合适。s

0.96)1

tan根据vs

6.4m/s得V

07/ 1

tan(

V

0.99

0.96)1

0.95与之。

Y Y2 Fa2

F m2dz 12zV2

z /cos32

图得z 时齿形系Y ；V2 Y 1β

120

0.97

Y Y2

1.61.2164641562.07

18.92MPF m2dz12

10216083 a

。F F蜗杆轴的刚验算因为工作台在回转时不克服任何切削力只克服极小的滚动摩擦与惯性力。因此可以忽略。蜗杆蜗轮几何尺寸计算蜗杆轴向齿距pa

31.4mm

1P 131.4mm15.7mmx1 2 a 2蜗杆法向齿厚sn1

s cosx1

15.7cos/

蜗杆齿顶圆直径da1a(h)1a

d 2h1

d 2h

m2110)mm

180mma蜗杆齿根圆直径ad d1

2hf1

d 2(h1

c

21.2

(c

0.2)蜗杆齿宽b1

10

229mmz 12取b z 121蜗轮喉圆直径：d da2

2ha2

210

x 2蜗轮齿根圆直径：df2

d 2h

210

806mm蜗轮咽喉母圆半径：r ada2(500

)mm75mmg2 2 2蜗轮齿宽b2

d1 2

160sin100mm122.56mm2

取

100)选蜗轮轮齿端面为锥面结构。B(da12cm)2

0.8m20.210)500.810mm148.95mmBd de2 a2

2rg2

cos

)(8502cos50))mm903.6mm2b2 b

122.6 d d

r

2 85075

mm897.1mme2 a2

2tan

2tan502 2 d e2。从头到尾逐增。2：名称符号结论(mm)中心名称符号结论(mm)中心距a650头数z11数z283