臥式單面多軸鉆孔組合機床動力滑臺的液壓系統(tǒng)的課程設計

1、<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　2013—2014學年第1學期</p><p>　　課程名稱： 液壓與氣動 </p><p>　　設計題目： 組合機床動力滑臺液壓系統(tǒng)設計

2、1 </p><p>　　完成期限：自 2013 年 12 月 30 日至 2014 年 1 月 3 日共 1 周</p><p>　　指導教師（簽字）： 年 月 日</p><p>　　系（教研室）主任（簽字）：

3、 年 月 日</p><p>　　液壓傳動課程設計指導書</p><p>　　第一章 明確液壓系統(tǒng)的設計要求</p><p>　　要求設計一臺臥式單面多軸鉆孔組合機床動力滑臺的液壓系統(tǒng)。設計要求驅(qū)動動力滑臺實現(xiàn)“快進→工進→快退→停止”的工作循環(huán)。液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)與性能要求如下：機床上有主軸16個，加工Φ13.9 mm的

4、孔14個，Φ8.5mm的孔2個。刀具材料為高速鋼，工件材料為鑄鐵，硬度為240HBS，運動部件總質(zhì)量G=9800N，快進、快退的速度v1= v3=5.5 m/min，快進行程長度l1=100mm，工進行程長度l2=50 mm，往復運動的加速，減速時間為0.2s，動力滑臺采用平導軌，其靜摩擦系數(shù)fs=0.2，動摩擦系數(shù)fd=0.1，液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件使用液壓缸。</p><p>　　第二章 負載與運動分析<

5、;/p><p>　　負載分析中，暫不考慮回油腔的背壓力，液壓缸的密封裝置產(chǎn)生的摩擦阻力在機械效率中加以考慮。因工作部件是臥式放置，重力的水平分力為零，這樣需要考慮的力有：夾緊力，導軌摩擦力，慣性力。</p><p>　　在對液壓系統(tǒng)進行工況分析時，本設計實例只考慮組合機床動力滑臺所受到的工作負載、慣性負載和機械摩擦阻力負載，其他負載可忽略。</p><p><b&

6、gt;　　（1）切削負載FW</b></p><p>　　工作負載是在工作過程中由于機器特定的工作情況而產(chǎn)生的負載，對于金屬切削機床液壓系統(tǒng)來說，沿液壓缸軸線方向的切削力即為工作負載。</p><p>　　切削負載(確定切削負載應具備機械切削加工方面的知識)用高速鋼鉆頭(單個)鉆鑄鐵孔時的軸向切削力Ft(單位為N)為</p><p>　　2

7、 (8—1)</p><p>　　式中：D——鉆頭直徑，單位為mm；</p><p>　　s——每轉(zhuǎn)進給量，單位為mm／r；</p><p>　　HBS——鑄件硬度。</p><p>　　根據(jù)組合機床加工特點，鉆孔時主軸轉(zhuǎn)速n和每轉(zhuǎn)進給量s按“組合機床設計手冊”?。?lt;/p><p>　　對φ

8、13.9mm的孔：n1=360r／min，s l=0.147mm／r；</p><p>　　對φ8.5mm的孔：n2=550r／min，s 2=0.096mm／r；</p><p>　　所以，系統(tǒng)總的切削負載Ft為：</p><p>　　令Fw=Fq=30500N</p><p><b>　　2．慣性負載</b><

9、/p><p>　　往復運動的加速，減速時間為0.2s ，所以取為0.2S</p><p><b>　　3．阻力負載</b></p><p>　　機床工作部件對動力滑臺導軌的法向力為：</p><p><b>　　靜摩擦阻力：</b></p><p><b>　　動摩擦阻

10、力：</b></p><p>　　加速負載： </p><p>　　如果忽略切削力引起的顛覆力矩對導軌摩擦力的影響，并設液壓缸的機械效率=0.9，根據(jù)上述負載力計算結(jié)果，可得出液壓缸在各個工況下所受到的負載力和液壓缸所需推力情況由此得出液壓缸在各工作階段的負載如表所列。</p><p>　　表8—1 液壓缸在各工作階段的負載R<

11、;/p><p>　　按表8-1數(shù)值繪制的動力滑臺負載圖如圖8-1(a)所示。</p><p>　　第三章 負載圖和速度圖的繪制根據(jù)工作循環(huán)(總行程L1+L2=150mm工進速度V2繪制動力滑臺速度圖(如圖8-1(b)所示。</p><p>　　快進、工進和快退的時間可由下式分析求出。</p><p>　　快進

12、</p><p>　　工進 </p><p>　　快退 </p><p>　　根據(jù)上述已知數(shù)據(jù)繪制組合機床動力滑臺液壓系統(tǒng)繪制負載圖（F-t）如圖1(b),速度循環(huán)圖如圖1（c)所示。</p><p><b>　　初選液壓缸工作壓力</b></p><

13、p>　　所設計的動力滑臺在工進時負載最大，在其它工況負載都不太高，參考表1和表2，初選液壓缸的工作壓力p1=4MPa。</p><p>　　組合機床液壓缸的負載圖和速度圖</p><p>　　圖1 速度負載循環(huán)圖 </p><p>　　a)工作循環(huán)圖 b）負載速度圖 c)負載速度圖</p><p>　　第四章 確定液壓系統(tǒng)

14、主要參數(shù)4.1確定液壓缸工作壓力</p><p>　　由表2和表3可知，組合機床液壓系統(tǒng)在最大負載約為40000N時宜取5MP。</p><p>　　表2按負載選擇工作壓力</p><p>　　表3 各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力</p><p>　　4.2計算液壓缸主要結(jié)構參數(shù)</p><p>　　由于工作進給速度與快速

15、運動速度差別較大，且快進、快退速度要求相等，從降低總流量需求考慮，應確定采用單桿雙作用液壓缸的差動連接方式。通常利用差動液壓缸活塞桿較粗、可以在活塞桿中設置通油孔的有利條件，最好采用活塞桿固定，而液壓缸缸體隨滑臺運動的常用典型安裝形式。這種情況下，應把液壓缸設計成無桿腔工作面積是有桿腔工作面積兩倍的形式，即活塞桿直徑d與缸筒直徑D呈d = 0.707D的關系。</p><p>　　工進過程中，當孔被鉆通時，由于負

16、載突然消失，液壓缸有可能會發(fā)生前沖的現(xiàn)象，因此液壓缸的回油腔應設置一定的背壓(通過設置背壓閥的方式)，選取此背壓值為p2=0.8MPa。</p><p>　　快進時液壓缸雖然作差動連接（即有桿腔與無桿腔均與液壓泵的來油連接），但連接管路中不可避免地存在著壓降，且有桿腔的壓力必須大于無桿腔，估算時取0.5MPa。快退時回油腔中也是有背壓的，這時選取被壓值=0.6MPa。</p><p>　　

17、工進時液壓缸的推力計算公式為</p><p><b>　　，</b></p><p>　　式中：F ——負載力</p><p>　　m——液壓缸機械效率</p><p>　　A1——液壓缸無桿腔的有效作用面積</p><p>　　A2——液壓缸有桿腔的有效作用面積</p><p

18、>　　p1——液壓缸無桿腔壓力</p><p>　　p2——液壓有無桿腔壓力</p><p>　　因此，根據(jù)已知參數(shù)，液壓缸無桿腔的有效作用面積可計算為</p><p><b>　　液壓缸缸筒直徑為</b></p><p>　　由于有前述差動液壓缸缸筒和活塞桿直徑之間的關系，d = 0.707D，因此活塞桿直徑為d

19、=0.707×109.89=77.69mm，根據(jù)GB/T2348—1993對液壓缸缸筒內(nèi)徑尺寸和液壓缸活塞桿外徑尺寸的規(guī)定，圓整后取液壓缸缸筒直徑為D=110mm，活塞桿直徑為d=80mm。</p><p>　　此時液壓缸兩腔的實際有效面積分別為：</p><p>　　工作臺在快進過程中，液壓缸采用差動連接，此時系統(tǒng)所需要的流量為</p><p>　　工作

20、臺在快退過程中所需要的流量為</p><p>　　工作臺在工進過程中所需要的流量為</p><p>　　根據(jù)上述液壓缸直徑及流量計算結(jié)果，進一步計算液壓缸在各個工作階段中的壓力、流量和功率值，如表4所示。</p><p>　　表8-2 液壓缸在不同工作階段的壓力、流量和功率值</p><p>　　并據(jù)表4可繪制出液壓缸的工況圖，如圖2所示。&

21、lt;/p><p>　　圖2 組合機床液壓缸工況圖</p><p>　　第五章 液壓系統(tǒng)方案設計</p><p>　　根據(jù)組合機床液壓系統(tǒng)的設計任務和工況分析，所設計機床對調(diào)速范圍、低速穩(wěn)定性有一定要求，因此速度控制是該機床要解決的主要問題。速度的換接、穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)是該機床液壓系統(tǒng)設計的核心。此外，與所有液壓系統(tǒng)的設計要求一樣，該組合機床液壓系統(tǒng)應盡可能結(jié)構簡單，

22、成本低，節(jié)約能源，工作可靠。</p><p><b>　　5.1選用執(zhí)行元件</b></p><p>　　因系統(tǒng)運動循環(huán)要求正向快進和工進，反向快退，且快進，快退速度相等，因此選用單活塞桿液壓缸，快進時差動連接，無桿腔面積A1等于有桿腔面積A2的兩倍。</p><p>　　5.2速度控制回路的選擇</p><p>　　工

23、況圖表明，所設計組合機床液壓系統(tǒng)在整個工作循環(huán)過程中所需要的功率較小，系統(tǒng)的效率和發(fā)熱問題并不突出，因此考慮采用節(jié)流調(diào)速回路即可。雖然節(jié)流調(diào)速回路效率低，但適合于小功率場合，而且結(jié)構簡單、成本低。該機床的進給運動要求有較好的低速穩(wěn)定性和速度-負載特性，因此有三種速度控制方案可以選擇，即進口節(jié)流調(diào)速、出口節(jié)流調(diào)速、限壓式變量泵加調(diào)速閥的容積節(jié)流調(diào)速。</p><p>　　鉆鏜加工屬于連續(xù)切削加工，加工過程中切削力變

24、化不大，因此鉆削過程中負載變化不大，采用節(jié)流閥的節(jié)流調(diào)速回路即可。但由于在鉆頭鉆入鑄件表面及孔被鉆通時的瞬間，存在負載突變的可能，因此考慮在工作進給過程中采用具有壓差補償?shù)倪M口調(diào)速閥的調(diào)速方式，且在回油路上設置背壓閥。</p><p>　　由于選定了節(jié)流調(diào)速方案，所以油路采用開式循環(huán)回路，以提高散熱效率，防止油液溫升過高。</p><p>　　從工況圖中可以清楚地看到，在這個液壓系統(tǒng)的工作

25、循環(huán)內(nèi)，液壓要求油源交替地提供低壓大流量和高壓小流量的油液。而快進快退所需的時間和工進所需的時間</p><p>　　有=20因此從提高系統(tǒng)效率、節(jié)省能量角度來看，如果選用單個定量泵作為整個系統(tǒng)的油源，液壓系統(tǒng)會長時間處于大流量溢流狀態(tài)，從而造成能量的大量損失，這樣的設計顯然是不合理的。</p><p>　　如果采用一個大流量定量泵和一個小流量定量泵雙泵串聯(lián)的供油方式，由雙聯(lián)泵組成的油源在

26、工進和快進過程中所輸出的流量是不同的，此時液壓系統(tǒng)在整個工作循環(huán)過程中所需要消耗的功率估大，除采用雙聯(lián)泵作為油源外，也可選用限壓式變量泵作油源。但限壓式變量泵結(jié)構復雜、成本高，且流量突變時液壓沖擊較大，工作平穩(wěn)性差，最后確定選用雙聯(lián)液壓泵供油方案，有利于降低能耗和生產(chǎn)成本，如圖3所示。</p><p><b>　　圖3 雙泵供油油源</b></p><p>　　5.3

27、選擇快速運動和換向回路 </p><p>　　根據(jù)本設計的運動方式和要求，采用差動連接與雙泵供油兩種快速運動回路來實現(xiàn)快速運動。即快進時，由大小泵同時供油，液壓缸實現(xiàn)差動連接。</p><p>　　本設計采用二位二通電磁閥的速度換接回路，控制由快進轉(zhuǎn)為工進。與采用行程閥相比，電磁閥可直接安裝在液壓站上，由工作臺的行程開關控制，管路較簡單，行程大小也容易調(diào)整，另外采用液控順序閥與單向閥來切斷

28、差動油路。因此速度換接回路為行程與壓力聯(lián)合控制形式。</p><p>　　5.4速度換接回路的選擇</p><p>　　所設計多軸鉆床液壓系統(tǒng)對換向平穩(wěn)性的要求不高，流量不大，壓力不高，所以選用價格較低的電磁換向閥控制換向回路即可。為便于實現(xiàn)差動連接，選用三位五通電磁換向閥。為了調(diào)整方便和便于增設液壓夾緊支路，應考慮選用Y型中位機能。</p><p>　　由前述計算

29、可知，當工作臺從快進轉(zhuǎn)為工進時，進入液壓缸的流量由0.5485 L/S降0.0084 L/S，可選二位二通行程換向閥來進行速度換接，以減少速度換接過程中的液壓沖擊，如圖4所示。由于工作壓力較低，控制閥均用普通滑閥式結(jié)構即可。由工進轉(zhuǎn)為快退時，在回路上并聯(lián)了一個單向閥以實現(xiàn)速度換接。為了控制軸向加工尺寸，提高換向位置精度，采用死擋塊加壓力繼電器的行程終點轉(zhuǎn)換控制。</p><p>　　a.換向回路

30、 b.速度換接回路</p><p>　　圖4 換向和速度切換回路的選擇</p><p>　　參考同類組合機床，選用雙作用葉片泵雙泵供油，調(diào)速閥進油節(jié)流閥調(diào)速的開式回路，溢流閥做定壓閥。為了換速以及液壓缸快退時運動的平穩(wěn)性，回油路上設置背壓閥，初定背壓值Pb=0.8MPa。</p><p>　　5.5組成液壓系統(tǒng)原理圖</p>&

31、lt;p>　　選定調(diào)速方案和液壓基本回路后，再增添一些必要的元件和配置一些輔助性油路，如控制油路、潤滑油路、測壓油路等，并對回路進行歸并和整理，就可將液壓回路合成為液壓系統(tǒng)，即組成如圖5所示的液壓系統(tǒng)圖。</p><p>　　1—雙聯(lián)葉片液壓泵；2—三位五通電液闊；3—行程閥；4—調(diào)速閥；5—單向閥；</p><p>　　6—單向閥；7—順序閥；8—背壓閥；9—溢流閥；10—單向閥；

32、ll—過濾器；</p><p>　　12—壓力表接點；13—單向閥；l4—壓力繼電器。</p><p><b>　　系統(tǒng)圖的原理</b></p><p><b>　　快進</b></p><p>　　快進如圖所示，按下啟動按鈕，電磁鐵1YA通電，由泵輸出地壓力油經(jīng)2三位五通換向閥的左側(cè)，這時的主油路

33、為：</p><p>　　進油路：泵 → 向閥10→三位五通換向閥2（1YA得電）→行程閥3→液壓缸左腔。</p><p>　　回油路：液壓缸右腔→三位五通換向閥2（1YA得電）→單向閥6→行程閥3→液壓缸左腔。</p><p>　　由此形成液壓缸兩腔連通，實現(xiàn)差動快進，由于快進負載壓力小，系統(tǒng)壓力低，變量泵輸出最大流量。</p><p>&

34、lt;b>　　2．工進</b></p><p>　　減速終了時，擋塊還是壓下，行程開關使3YA通電，二位二通換向閥將通路切斷，這時油必須經(jīng)調(diào)速閥4和15才能進入液壓缸左腔，回油路和減速回油完全相同，此時變量泵輸出地流量自動與工進調(diào)速閥15的開口相適應，故進給量大小由調(diào)速閥15調(diào)節(jié)，其主油路為：</p><p>　　進油路：泵 → 向閥10→三位五通換向閥2（1YA得電）→

35、調(diào)速閥4→調(diào)速閥15→液壓缸左腔。</p><p>　　回油路：液壓缸右腔→三位五通換向閥2→背壓閥8→液控順序閥7→油箱。</p><p><b>　　3.快退</b></p><p>　　滑臺停留時間結(jié)束后，時間繼電器發(fā)出信號，使電磁鐵1YA、3YA斷電，2YA通電，這時三位五通換向閥2接通右位，，因滑臺返回時的負載小，系統(tǒng)壓力下降，變量泵

36、輸出流量又自動恢復到最大，滑快速退回，其主油路為：</p><p>　　進油路：泵 → 向閥10→三位五通換向閥2（2YA得電）→液壓缸右腔。</p><p>　　回油路：液壓缸左腔→單向閥5→三位五通換向閥2（右位）→油箱。</p><p><b>　　4.原位停止</b></p><p>　　當滑臺退回到原位時，擋塊

37、壓下原位行程開關，發(fā)出信號，使2YA斷電，換向閥處于中位，液壓兩腔油路封閉，滑臺停止運動。這時液壓泵輸出的油液經(jīng)換向2直接回油箱，泵在低壓下卸荷。</p><p>　　第六章 液壓元件的選擇</p><p>　　6.1確定液壓泵的規(guī)格和電動機功率</p><p>　?。?）計算液壓泵的最大工作壓力</p><p>　　由于本設計采用雙泵供

38、油方式，根據(jù)液壓系統(tǒng)的工況圖，大流量液壓泵只需在快進和快退階段向液壓缸供油，因此大流量泵工作壓力較低。小流量液壓泵在快速運動和工進時都向液壓缸供油，而液壓缸在工進時工作壓力最大，因此對大流量液壓泵和小流量液壓泵的工作壓力分別進行計算。</p><p>　　根據(jù)液壓泵的最大工作壓力計算方法，液壓泵的最大工作壓力可表示為液壓缸最大工作壓力與液壓泵到液壓缸之間壓力損失之和。</p><p>　　

39、對于調(diào)速閥進口節(jié)流調(diào)速回路，選取進油路上的總壓力損失，同時考慮到壓力繼電器的可靠動作要求壓力繼電器動作壓力與最大工作壓力的壓差為0.5MPa，則小流量泵的最高工作壓力可估算為</p><p>　　大流量泵只在快進和快退時向液壓缸供油，圖4表明，快退時液壓缸中的工作壓力比快進時大，如取進油路上的壓力損失為0.5MPa，則大流量泵的最高工作壓力為：</p><p><b>　　（2）

40、計算總流量</b></p><p>　　表3表明，在整個工作循環(huán)過程中，液壓油源應向液壓缸提供的最大流量出現(xiàn)在快進工作階段，為0.5485 L/S，若整個回路中總的泄漏量按液壓缸輸入流量的10%計算，則液壓油源所需提供的總流量為：</p><p>　　=36.2L/min</p><p>　　工作進給時，液壓缸所需流量約為0.0084L/s，但由于要考慮

41、溢流閥的最小穩(wěn)定溢流量0.05 L/s，故小流量泵的供油量最少應為0.0584L/s。</p><p>　　據(jù)據(jù)以上液壓油源最大工作壓力和總流量的計算數(shù)值，因此選取PV2R1212/32型雙聯(lián)葉片泵，其中小泵的排量為12mL/r，大泵的排量為32mL/r，若取液壓泵的容積效率=0.9，則當泵的轉(zhuǎn)速=940r/min時，液壓泵的實際輸出流量為</p><p>　　由于液壓缸在快退時輸入功率最

42、大，這時液壓泵工作壓力為0.97MPa、流量為37.224r/min。取泵的總效率，則液壓泵驅(qū)動電動機所需的功率為：</p><p>　　根據(jù)上述功率計算數(shù)據(jù)，此系統(tǒng)選取Y100L-6型電動機，其額定功率，額定轉(zhuǎn)速。</p><p>　　6.2確定其它元件及輔件</p><p>　　(1) 確定閥類元件及輔件</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的最

43、高工作壓力和通過各閥類元件及輔件的實際流量，查閱產(chǎn)品樣本，選出的閥類元件和輔件規(guī)格如表6所列。</p><p>　　表6 液壓元件規(guī)格及型號</p><p>　　*注：此為電動機額定轉(zhuǎn)速為940r/min時的流量。</p><p><b>　　(2) 確定油管</b></p><p>　　在選定了液壓泵后，液壓缸在實際

44、快進、工進和快退運動階段的運動速度、時間以及進入和流出液壓缸的流量，與原定數(shù)值不同，重新計算的結(jié)果如表7所列。</p><p>　　表7各工況實際運動速度、時間和流量</p><p>　　由表可以看出，液壓缸在各階段的實際運動速度符合設計要求。</p><p><b>　　設計心得</b></p><p>　　液壓傳動課

45、程設計是機械課程當中一個重要環(huán)節(jié)，通過這次課程設計是我從各方面都受到了專業(yè)課程設計的訓練，對液壓系統(tǒng)的有關各個零部件的有機結(jié)合有了更加深刻的認識</p><p>　　由于在設計方面我們沒有經(jīng)驗，理論知識學的不牢固，在設計中難免會出現(xiàn)這樣那樣的問題</p><p>　　如在選擇計算標準件時可能會出現(xiàn)誤差，如果是聯(lián)系緊密或者循序漸進的，計算誤差會更大，在查表和計算精度上不夠</p>