1、eeZK211X3 数控深孔钻床主传动结构设计ee（ee）指导教师：ee摘要 现代制造工程从各个角度对深孔钻床提出了愈来愈高的要求，而深孔钻床也在不断吸取新技术成果而完善和发展。ZK2113 是一台三头数控深孔钻床。该机床采用单轴数控，三头加工，可同时进行三个工件的深孔钻削,具有较高的加工精度和生产效率。本次设计的数控深孔钻床主传动结构是数控钻床的重要组成系统，该设计内容主要是解决主传动的传递方式和主轴组件的结构。首先查阅资料，合理选择轴承、同步带等零件和进行主轴的结构设计。然后进行相应的设计计算，建立理论基础。最后，完成计算机绘图和简单的仿真。关键词 深孔钻床 数控钻床 深孔eeZK211
2、3 CNC deep hole drilling machine structure design of the main transmissionee（ee）Tutor：eeAbstract：The modern manufacturing engineering from various perspectives on deep hole drilling machine puts forward more and more high demand, and deep hole drilling machine also constantly absorbing the new techn
3、ology achievements in and improvement and development. ZK211 3 is a three deep hole drilling machine head numerical control. The machine USES single axis CNC, three head processing, but also for three of the workpiece deep hole drilling, has the high machining accuracy and efficiency. The design of
4、the CNC deep hole drilling machine main transmission structure is an important component of the CNC drilling machine system, this design is the main content of the main transmission is to solve the transmission and spindle component structure. First check data and rational selection of the bearings,
5、 synchronous belts and spare parts such as the structure design of the main shaft. And then for the corresponding design calculation, establishing the theoretical basis. Finally, complete computer graphics and simple simulation.Key words：Deep Hole Drilling Machine NC Drilling Machine Deepee- I -目 录1
6、 引言 .11.1 数控机床简介 .11.2 数控机床的发展史 .21.3 现代数控机床的特征 .51.4 我国数控机床的发展趋势 .81.5 数控机床可应用的领域 .92 数控深孔钻床 .112.1 深孔钻床发展概况 .112.2 数控钻床的原理 .132.3 数控钻床的分类 .143 ZK2113 数控深孔钻床 .173.1 ZK211X3 数控深孔钻床简介 .173.1.1 机床外形及主要部件 .173.1.2 机床的用途和特点 .193.1.3 主要技术参数 .203.2 ZK211X3 进给传动 .203.3 工件夹紧与保持架 .213.4 床身油箱 .223.5 冷却过滤润滑系统
7、.234 ZK211X3 数控深孔钻床主传动结构的设计方案 .264.1 主传动 .264.1.1 传动方式 .264.1.2 主轴结构 .264.2 主轴部件中部分零件的选择标准 .274.2.1 轴承的选择 .274.2.2 传动带 .284.3 主轴箱 .305 基本设计计算与校核 .315.1 同步带的选取与计算 .315.1.1 同步带介绍 .315.1.2 圆弧齿同步带传动设计计算 .32ee- II -5.2 轴向力和轴颈力的计算 .385.3 轴承的选配与计算 .395.3.1 轴承受力分析 .395.3.2 71907C 轴承组的校核 .405.3.3 71908C 轴承组的
8、校核 .415.4 主轴的设计及计算 .425.4.1 按扭转强度公式计算 .425.4.2 轴的结构基本设计 .445.4.3 按弯扭合成应力校核轴的强度 .445.4.4 危险截面计算 .465.4.5 轴的扭转刚度校核 .496 应用 PROE 软件画三维仿真图 .51总结 .54致谢 .55参考文献 .56ee- 1 -1 引言1.1 数控机床简介数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作数控
9、折弯机并加工零件。数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。与普通机床相比，数控机床有如下特点： 对加工对象的适应性强1，适应模具等产品单件生产的特点，为模具的制造提供了合适的加工方法； （1）加工精度高，具有稳定的加工质量； （2）可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； （3）加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； （4）机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的 35 倍） ； （5）机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； （6）有利于生产管理的现代化 数控机床使用数字信息与标准代码处理、传递信息，使用了计算机
10、控制方法，为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础； （7）对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高； （8）可靠性高。数控机床是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上就代表这个国家的制造业水平和竞争力。 2003 年我国机床消费额达到 67.3 亿美元，居世界第一位，其中数控机床占 57%（37.5 亿美元） 。国内生产数控机床 36813台（产值约 10.4 亿美元） ，创历史新高。但是，我国数控机床的技术水平、性能和质量与国外还有很大差距，技术含量较低的简易数控车床仍占主导地位，高档数控机床及功能部件大多数依靠进口。特别应该引起注意的是，国产数控
11、机床市场占有率逐年下降，1999 年是 33.6%，2003 年仅占 27.7%，而进口额逐年上升，1999 年为 8.78 亿美元（7624 台） ，2003 年达 27.1 亿美元（23320 台） ，相当于同年国内数控机床产值的 2.7ee- 2 -倍。因此，尽管当前市场活跃、需求旺盛，如果只顾眼前生产，不了解国外数控机床的发展趋势，提高自主开发能力，积极培育新产品，那么在高潮过去以后，我国的机床工业将更加缺乏竞争力，有可能在家门口就被人家打得一败涂地。1.2 数控机床的发展史数控机床是由美国发明家 约翰帕森斯上个世纪发明的。 随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为
12、核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从 20 世纪 80 年代开始起步，仍处于发展阶段。 美国的数控发展史美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务，并且提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新” ，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如 1952 年研制出世界第一台数控机床、1958 年创制出加工中心、70 年代初研制成 FMS、1
13、987 年首创开放式数控系统等。由于美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床，其存在的教训是，偏重于基础科研，忽视应用技术，且在上世纪 80 代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于 1982 年被后进的日本超过，并大量进口。从 90 年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。 德国的数控发展史德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植
14、。 ，于 1956 年研制出第一台数控机床后，德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能ee- 3 -部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统，均为世界闻名，竞相采用。 日本的数控发展史日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规(如“机振法” 、 “机电法” 、“机信法”等
15、)引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。自 1958 年研制出第一台数控机床后，1978 年产量(7,342 台)超过美国(5,688 台)，至今产量、出口量一直居世界首位(2001年产量 46,604 台，出口 27,409 台，占 59%)。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。在上世纪 80 年*始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。日本 FANUC 公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。该公司现有职工3,674 人，科研
16、人员超过 600 人，月产能力 7,000 套，销售额在世界市场上占 50%，在国内约占 70%，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用。 “十五”期间，中国数控机床行业实现了超高速发展。其产量 2001 年为 17521 台，2002 年 24803 台，2003 年 36813 台，2004 年 51861 台，2004 年产量是 2000 年的 3.7倍，平均年增长 39%；2005 年国产数控机床产量 59639 台，接近 6 万台大关，是“九五”末期的 4.24 倍。 “十五”期间，中国机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。固定资产投资增速快、汽车和机械制造行业发展迅猛、
17、外商投资企业增长速度加快所致。 2006 年，中国数控金切机床产量达到 85756 台，同比增长 32.8%，增幅高于金切机床产量增幅 18.4 个百分点，进而使金切机床产值数控化率达到 37.8%，同比增加2.3 个百分点。此外，数控机床在外贸出口方面亦业绩骄人，全年实现出口额 3.34 亿美元，同比增长 63.14%，高于全部金属加工机床出口额增幅 18.58 个百分点。 2007 年，中国数控金切机床产量达 123,257 台，数控金属成形机床产量达 3,011台；国产数控机床拥有量约 50 万台，进口约 20 万台。2008 年 10 月，中国数控机床产量达 105,780 台，比 2
18、007 年同比增长 2.96%。 长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了 5-10 年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了ee- 4 -10-15 年。同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重
19、要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。 国外公司在中国数控系统销量中的 80%以上是普及型数控系统。如果我们能在普及型数控系统产品快速产业化上取得突破，中国数控系统产业就有望从根本上实现战略反击。同时，还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提高中国的自主设计、开发和成套生产能力，创建国产自主品牌产品，提高中国高档数控系统总体技术水平。 “十一五”期间，中国数控机床产业将步入快速发展期，中国数控机床行业面临千载难逢的大好发展机遇，根据中国数控车床 1996-2005 年消费数量，通过模型拟合，预计 2009 年数控车床销售数量将达
20、8.9 万台，年均增长率为 16.5%。根据中国加工中心 1996-2005 年消费增长模型，预计 2009 年加工中心消费数量将达 2.8 万台，较 2005年年均增长率为 17.8%。1.3 现代数控机床的特征随着新材料和新工艺的出现，对数控机床的要求越来越高，例如，铝合金的广泛应用，高速加工数控机床就成为当前的热点。为了达到上述要求，新一代数控机床必须具有以下特征：1) 机床不仅具有很高的几何精度，符合出厂经验标准（相当 ISO 230-1） ，还必需具有很高的运动轨迹精度（ISO 230-3，以及新的 ISO-7)。 2) 机床的加工精度，以及其可重复性和可信赖度高，性能长期稳定，能够
21、在不同运行条件下完成多种加工任务，并“保证”零件的加工质量。 3) 机床具有自优化、自监控、自诊断和预维护功能。机床的加工过程是在一系列尺寸、温度和振动传感器的监视下进行的。在偏离设定值时，会自动调整工作参数，超出极限值时，能够报警或停止工作。采用加速度和声音传感器监控的机床工作状态的曲线。 具体表现在以下几个方面：设计现代化 产品是企业活动的源头，设计决定企业兴衰。目前我国机床工业新产品发展主要ee- 5 -依靠技术引进，如宁夏的小巨人、北一大隈、大连 INDEX 等。大多数企业在研发领域的投入不足销售额的 1%，新产品开发能力薄弱。 工序集约化 工序集约化是指在一台机床上能加工完毕一个零件
22、的所有工序，五面体镗铣加工中心就是其中典型的例子。近年来，数控车床的工序集约化也有很大进展。 例如，德国 Index 公司的最新推出的车削加工中心就能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等许多工序，完成复杂零件的全部加工。机床的结构是模块化的，如图所示。 图 1.1 车削加工中心的模块化工序集约化，通常也称为复合加工或完整加工（complete machining） 。 车削加工中心借助不同结构的刀具转塔可以进行车削、铣削等加工工序，如图所示。 图 1.2 完整加工的案例ee- 6 -从上图可见，在车削工作时，有两个 12 把刀具的刀架可以完成各种复杂的车削工序。在铣削工作时，刀架转
23、过 90o，两个由电主轴驱动的铣头可在不同方向进行铣削加工。这样就完成一个零件全部加工工序。 工序集约化不仅提高了工艺的有效性，由于零件在整个加工过程中只有一次装卡，加工的精度更容易获得保证。当加工需要磨削的零件时，也可以换上磨头进行磨削。完整加工大大缩短了生产过程链，而且由于把加工任务只交给一个工作岗位，不仅使生产管理和计划调度简化，而且透明度明显提高，无需复杂的计划系统就能够迅速解决所发生的事情并使之优化，工件越复杂，它相对传统工序分散的生产方法的优势就越明显。由于过程链的缩短和设备数量的减少，占地面积和维护费用也随之减少，从而降低了生产成本。 新型功能部件 为了缩短数控机床的开发和试制周
24、期，需要高性能和可靠的新型功能部件。具有代表性的新型功能部件是： 1）高频电主轴。 2) 直线电动机。3) 电滚珠丝杆。 1.4 我国数控机床的发展趋势高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在： 1 机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括铣-车复合、车铣复合。五轴联动加工中心合、车-镗-钻-齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。 “一台机床就是一个加工厂” 、 “一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 2数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。 3机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得
