卧式单面多轴钻孔组合机床液压系统设计(全套设计图纸+说明书)
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- I - 摘 要 面对我国经济近年来的快速发展，机械制造工业的壮大，在国民经济中 占重要地位的制造业领域得以健康快速的发展。制造装备的改进，使得作为 制造工业重要设备的各类机加工艺装备也有了许多新的变化，尤其是孔加工， 其在今天的液压系统的地位越来越重要。本毕业设计（论文）主要阐述了组 合机床动力滑台液压系统，能实现的工作循环是：快速前进 工作进给 快速退回 原位停止。 综上所述，完成整个设计过程需要进行一系列的工作。设计者首先应树 立正确的设计思想，努力掌握先进的科学技术知识和科学的辩证的思想方法。 同时，还要坚持理论联系实际，并在实践中不断总结和积累设计经验，向有 关领域的科技工作者和从事生产实践的工作者学习，不断发展和创新，才能 较好地完成机械设计任务。 关键词 组合机床；液压系统；液压缸；液压泵；换向阀 - II - Abstract Boring machine hydraulic system design, in addition to the host in action and meet the performance requirements of the provisions, but also must meet the small size, light weight, low cost, high efficiency, simple structure, reliable operation, convenient use and maintenance of a number of generally recognized design principles. The design of the hydraulic system is the basis of known conditions to determine the work program of hydraulic, hydraulic flow, pressure and hydraulic pumps and other components of the design. To sum up, the need to complete the entire design process to conduct a series of hard work. Enter here Abstract In this paper, focused on the combination of dual-use horizontal boring drilling machine hydraulic system, to achieve the duty cycle is: work fast forward feed situ rapid return to stop, hydraulic technology is mechanical equipment in the fastest growing technologies. Key words :modular machine；tool hydraulic system；pump hydraulic；cylinder - III - 目 录 摘 要 I Abstract.II 第 1 章 绪 论 1 1.1 研究意义 1 1.1.1 液压技术及其应用 .2 1.1.2 组合机床液压系统 .2 1.2 液压传动的工作原理及其组成部分 3 1.2.1 液压传动的工作原理 3 1.2.2 液压传动的组成 .4 1.3 液压传动的优缺点 5 1.3.1 液压传动的优点 .5 1.3.2 液压传动的缺点 .6 1.4 液压技术的国内外研究现状分析 6 1.5 课题的来源及研究的目的和意义 7 1.6 课题的研究内容 9 第 2 章 组合钻孔机床液压系统分析 10 2.1 YT4543 型动力滑台液压系统分析 .10 2.1.1 YT4543 型动力滑台液压系统图 .10 2.1.2 YT4543 型动力滑台液压系统工作过程 .11 2.1.3 YT4543 型动力滑台液压系统分析 .12 2.2 双泵动力滑台供油液压系统 12 2.2.1 双泵供油动力滑台液压系统图 .12 2.2.2 双泵供油液压系统工作过程 .13 2.2.3 双泵供油液压系统分析 .14 2.3 带蓄能器的动力滑台液压系统 15 2.3.1 带蓄能器的动力滑台液压系统图 15 2.3.2 带蓄能器的动力滑台液压系统工作过程 15 2.3.3 带蓄能器的动力滑台液压系统分析 .17 - IV - 第 3 章 卧式单面多轴钻孔组合机床液压系统设计 18 3.1 明确系统要求 18 3.2 负载与运动分析 18 3.2.1 工作负载 .18 3.2.2 惯性负载 .19 3.2.3 阻力负载 .19 3.2.4 负载图和速度图的绘制 .20 3.3 液压缸主要参数的确定 21 3.4 液压系统设计 23 3.4.1 选用执行元件 .24 3.4.2 速度控制回路的选择 .24 3.4.3 选择快速运动和换向回路 .24 3.4.4 拟定液压系统原理图 .24 3.4.5 液压系统工作过程 .26 3.4.6 液压系统工作过程 .27 3.5 液压元件的选择 28 3.5.1 确定液压泵的规格和电动机功率 .28 3.5.1.1 选择液压泵 28 3.5.1.2 选择电动机 28 3.5.2 选其它元件及辅助元件 .29 第 4 章 组合钻孔机床液压系统结构设计 32 4.1 动力滑台液压站结构图 32 4.2 阀块总装结构图 33 4.3 阀块结构图 33 4.4 液压缸结构图 35 4.4.1 缸筒与缸盖的连接形式 35 4.4.2 缸筒材料选择 35 4.4.3 液压缸壁厚的确定 35 4.4.4 缸筒底部厚度 35 4.4.5 缸筒头部法兰厚度 35 4.4.6 缸筒与缸盖的连接计算 36 4.4.7 螺钉连接计算 36 - V - 第 5 章 液压缸的有限元分析 38 5.1 液压缸三维模型的建立 38 5.2 有限元分析基本理论 38 5.2.1 有限元法的发展概况 .39 5.2.2 有限元分析的基本思想 .40 5.2.3 有限元法分析过程 .42 5.2.4 ADINA 软件简介 43 5.3 静力分析 43 5.4 结果总结与分析 .46 第 6 章 组合钻孔机床液压站成本估算 47 6.1 元件明细 47 6.2 液压站报价明细 .48 结 论 49 致 谢 50 参考文献 51 附录 1.52 附录 2.55 - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 研究意义 组合机床（如图 1-1 所示）是以通用部件为基础，配以按工件特定外形 和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床。它一般 采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用 机床高几倍至几十倍。由于通用部件已经标准化和系列化，可根据需要灵活 配置，能缩短设计和制造周期。因此，组合机床兼有低成本和高效率的优点， 在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。 图 1-1 组合机床实物图 组合机床一般用于加工箱体类或非凡外形的零件。加工时，工件一般不 旋转，由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动，来实现钻孔、扩孔、 锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。有的 组合机床采用车削头夹持工件使之旋转，由刀具作进给运动，也可实现某些 回转体类零件（如飞轮、汽车后桥半轴等）的外圆和端面加工。 - 2 - 专用机床是随着汽车工业的兴起而发展起来的。在专用机床中某些部件 因重复使用，逐步发展成为通用部件，因而产生了组合机床。 组合机床的研制和推广，是加速机械工业技术革命的有效途径之一。它 是机械工业，特别是汽车、拖拉机、电动机、仪表以及军工等生产部门进行 机床革新、推动生产发展的重要设备。 1.1.1 液压技术及其应用 液压技术作为实现现代传动与控制的关键基础技术之一，已成为工业机 械、工程建设机械及国际尖端产品不可缺少的重要技术基础。是它们向自动 化、高精度、高效率、高速度、小型化、轻量化方向发展的关键技术。世界 工业发达国家都将液压工业列为竞争发展的行业，其发展速度远高于机械工 业的发展速度。液压元件及其控制已发展成为综合的液压工程技术。 机械制造是为国民经济各部门和自身技术改造提供先进技术装备的工业 部门。铸造、锻压、焊接、热处理、及切削等是机械制造工业获取毛坯、成 形产品及提高零件机械性能的重要生产方法，在众多金属冷、热加工机器设 备中普遍使用液压技术，其中压力机和金属切削机床是应用液压技术较早较 广的领域 1。 在车、铣、刨、磨、钻各类液压机床中，主要利用液压技术可在较宽范 围内进行无级调速，具有良好的换向及换接性能，易于实现工作循环等优点， 完成工件及刀具的夹紧、控制进给速度和驱动主轴作业，尽管现代数控机床、 加工中心等先进制造设备中采用电伺服系统，但采用液压传动与控制仍然是 现代金属切削机床自动化的重要途径。在锻造机、液压机、折弯机、剪切机 等压力加工设备中，主要利用液压传动传递力较大、便于压力调节控制和过 载保护的特点，进行下料、成形加工等作业。铸造、锻压、焊接、热处理等 机器设备的生产作业环境极为恶劣，温度高、粉尘多、湿度大、有腐蚀性气 体、振动噪声大。因此要求机器要有良好的适应性、可靠性和维护性。在造 型机及浇铸机、焊接机、淬火机等铸造、焊接及热处理机器设备中，主要利 用液压技术便于无级调速和远距离遥控作业等特点，进行造型及铸型输送与 浇铸、高温零件抓取等作业，以减轻劳动者劳动强度、避免和减少热辐射和 有害气体对人身的侵袭并提高生产率。 1.1.2 组合机床液压系统 组合机床液压系统主要由通用滑台和辅助部分（如定位、夹紧）组成。 - 3 - 液压动力滑台是组合机床上的一种通用部件，可根据加工需要安装不同用途 的主轴箱，以完成钻、扩、铰、镗、刮端面、铣削及攻丝等工序 2。 1.2 液压传动的工作原理及其组成部分 液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的 塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农 业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土 木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发 电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等；船舶用的甲板起重机械（绞车） 、船 头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、 升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、 飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等 3。 1.2.1 液压传动的工作原理 液压系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体 压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行 元件（液压缸或马达）把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实 现直线往复运动和回转运动。其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它 的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。 图 1-2 是组合钻床动力滑台的液压系统原理图 2。 - 4 - 9 1 1 死 挡 铁 停 留 3 4 5 6 1 2 P 2 P 3 快 进 一 工 进 二 工 进 快 退 原 位 P 1 P 2 P 3 P 1 1 2 7 2 Y A 1 Y A 4 Y A 3 Y A 8 1 0 1-过滤器；2-限压式变量泵；3，6-单向阀；4-背压阀；5-顺序阀； 7-电液磁换向阀；8，10-单向调速阀；9，11- 电磁阀；12-压力继电器 1-2 组合钻床 动力滑台液压传动系统原理图 1.2.2 液压传动的组成 液压传动系统主要由下列 5 部分组成： （1）动力元件，即液压泵，其职能是将原动机的机械能转换为液体的 压力动能（表现为压力、流量） ，其作用是为液压系统提供压力油，是系统 的动力源 5。 （2）执行元件，指液压缸或液压马达，其职能是将液压能转换为机械 能而对外做功，液压缸可驱动工作机构实现往复直线运动（或摆动） ，液压 马达可完成回转运动。 （3）控制调节元件，指各种阀利用这些元件可以控制和调节液压系统 中液体的压力、流量和方向等，以保证执行元件能按照人们预期的要求进行 工作。 - 5 - （4）辅助元件，包括油箱、过滤器、管路及接头、冷却器、压力表等。 它们的作用是提供必要的条件使系统正常工作并便于监测控制。 （5）工作介质，即传动液体，通常称液压油。液压系统就是通过工作介 质实现运动和动力传递的，另外液压油还可以对液压元件中相互运动的零件 起润滑作用。 1.3 液压传动的优缺点 1.3.1 液压传动的优点 （1）传动平稳 在液压传动装置中，由于液压油液的压缩量非常小，在通常压力下可以 认为不可压缩，依靠油液的连续流动进行传动。油液有吸振能力，在油路中 还可以设置液压缓冲装置，因此不像机械机构因加工和装配误差会引起振动 扣撞击，使传动十分平稳，便于实现频繁的换向；因此它广泛地应用在要求 传动平稳的机械上，例如磨床几乎全都采用了液压传动。 （2）质量轻/体积小 液压传动与机械、电力等传动方式相比，在输出同样功率的条件下，体 积和质量可以减少很多，因此惯性小、动作灵敏；这对液压仿形、液压自动 控制和要求减轻质量的机器来说，是特别重要的。例如我国生产的 1m3 挖掘 机在采用液压传动后，比采用机械传动时的质量减轻了 1t5。 （3）承载能力大 液压传动易于获得很大的力和转矩，因此广泛用于压制机、隧道掘进机、 万吨轮船操舵机和万吨水压机等。 （4）容易实现无级调速 在液压传动中，调节液体的流量就可实现无级凋速，并且凋速范围很大， 可达 2000:1，很容易获得极低的速度。 （5）易于实现过载保护 液压系统中采取了很多安全保护措施，能够自动防止过载，避免发生事 故。 （6）液压元件能够自动润滑 由于采用液压油作为工作介质，使液压传动装置能自动润滑，因此元件 的使用寿命较长。 （7）容易实现复杂的动作 - 6 - 采用液压传动能获得各种复杂的机械动作，如仿形车床的液压仿形刀架、 数控铣床的液压工作台，可加工出不规则形状的零件。 （8）简化机构 采用液压传动可大大地简化机械结构，从而减少了机械零部件数目。 （9）便于实现自动化 液压系统中，液体的压力、流量和方向是非常容易控制的，再加上电气 装置的配合，很容易实现复杂的自动工作循环。目前，液压传动在组合机床 和自动线上应用得很普遍。 1.3.2 液压传动的缺点 （1）液压元件制造精度要求高 由于元件的技术要求高和装配比较困难，使用维护比较格。 （2）实现定比传动困难 液压传动是以液压油液为工作介质，在相对运动表面间不可避免的要有 泄漏，同时油液也不是绝对不可压缩的。因此不宜应用在在传动比要求严格 的场合，例如螺纹和齿轮加工机床的传动系统。 （3）液压油液受温度的影响 由于液压油的粘度随温度的改变而改变，故不宜在高温或低温的环境下 工作。 （4）不适宜远距离输送动力 由于采用油管传输压力油，压力损失较大，故不宜远距离输送动力。 （5）油液中混入空气易影响工作性能 油液中混入空气后，容易引起爬行、振动和噪声，使系统的工作性能受 到影响。 （6）油液容易污染油液污染后，会影响系统工作的可靠性。 （7）发生故障不易检查和排除。 1.4 液压技术的国内外研究现状分析 液压传动和气压传动称为流体传动，是根据 17 世纪帕斯卡提出的液体 静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一 门技术。如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重 要标志。第一个使用液压原理的是 1795 年英国约瑟夫布拉曼（Joseph Braman，1749-1814 ） ，在伦敦用水作为工作介质，以水压机的形式将其应用 - 7 - 于工业上，诞生了世界上第一台水压机。1905 年他又将工作介质由水改为 油，使其性能得到了进一步的到改善 6。 在流体产品领域内，目前世界上最大的流体产品（主要是液压件、密封 件及液压附件等）制造企业，美国的派克（Parket）公司，成立于 1918 年， 也有近 100 年历史，可以提供品种齐全的、高技术水平的液压件、密封件及 所有的液压附件。目前世界上最大的用于静液压系统的变量液压元件制造企 业，德国的博士力士乐公司，已有 200 多年的历史，从 1953 年开始全 面制造液压元件，也有 50 年以上历史。其最具特色的产品是用于静液压传 动的变量系统液压元件，无论是斜盘式或斜轴式，闭式（泵控）或开式（阀 控）系统液压元件品种都非常齐全，能为各种需要静液压系统元件的工程机 械整个系统成套配套。还有世界上最大的传动部件制造企业，德国的 ZF 公 司，成立于 1915 年，也有近 100 年历史，能为各种工程机械提供品种齐全 的传动部件。在电气配套件方面，世界最大的德国西门子电气公司，以及日 本的东芝公司、川崎公司、德国的博士（Bose）公司等，都有 50 年以上， 甚至 100 年以上的悠久历史，能满足工程机械各种高技术水平的电气系统和 电气元件的要求。 第一次世界大战（1914-1918）后液压传动广泛应用，特别是 1920 年以 后,发展更为迅速。液压元件大约在 19 世纪末 20 世纪初的 20 年间，才开始 进入正规的工业生产阶段。1925 年维克斯（F. Vikers）发明了压力平衡式叶 片泵，为近代液压元件工业或液压传动的逐步建立奠定了基础。 20 世纪初康斯坦丁尼斯克（G. Constantimsco）对能量波动传递所进行 的理论及实际研究；1910 年对液力传动（液力联轴节、液力变矩器等）方 面的贡献，使这两方面领域得到了展。 我国的液压工业开始于 20 世纪 50 年代，液压元件最初应用于机床和锻 压设备。60 年代获得较大发展，已渗透到各个工业部门，在机床、工程机 械、冶金、农业机械、汽车、船舶、航空、石油以及军工等工业中都得到了 普遍的应用。当前液压技术正向高压、高速、大功率、高效率、低噪声、低 能耗、长寿命、高度集成化等方向发展。同时，新元件的应用、系统计算机 辅助设计、计算机仿真和优化、微机控制等工作，也取得了显著成果。 目前，我国的液压件已从低压到高压形成系列，并生产出许多新型元件， 如插装阀、电液比例阀、电液伺服阀、电业数字控制阀等。我国机械工业在 认真消化、推广国外引进的先进液压技术的同时，大力研制、开发国产液压 件新产品，加强产品质量可靠性和新技术应用的研究，积极采用国际标准， - 8 - 合理调整产品结构，对一些性能差，而且不符合国家标准的液压件产品，采 用逐步淘汰的措施。由此可见，随着科学技术的迅速发展，液压技术将获得 进一步发展，在各种机械设备上的应用将更加广泛。 近些年来国外工程机械有一种发展趋势，主机制造企业逐步向组装企业 方向发展，配套件逐步由供应商来提供。比如世界上实力最强的主机制造企 业美国的卡特彼勒（Caterpillar） 、凯斯（Case ） 、日本的小松（Komatsu ） 、 瑞典的沃尔沃（Volvo）等世界上这些大型的工程机械主机制造企业，其配 套件的配套能力也是非常强的，它们的配套件外配的数量也是在逐年大幅度 地增长，一些中小工程机械企业就更是如此，配套件逐步主要由零部件制造 企业来提供。这样做有几大好处，主机企业可集中精力把自己的主机产品作 好，减少配套件完全由主机企业自己来承担的风险，而配套件企业作得更强 更大，有能力迅速提高配套件的质量、技术水平，同时能为主机企业提供更 多的新产品，这样更容易促进主机产品的发展。国外工程机械主机企业从 1988 年达 850 亿美元的销售额以来，基本上没有多大变化，而相反这些年 来配套件从 150 亿美元，增长到 1000 亿美元，增幅是相当大的。因此，国 外工程机械配套件这些年来得到了快速发展。国外工程机械配套件生产历史 悠久、技术成熟、品种齐全，完全能满足各种工程机械的配套需求国外许多 工程机械主要配套件企业都有 50 年，甚至 100 年以上的发展历史，企业的 规模都相对较大，技术十分成熟，品种也非常齐全，几乎应有尽有。比如目 前世界上生产密封件及减振器最大的企业，德国的弗罗伊登贝 （Freudenberg ）公司，成立于 1849 年，生产密封件及减振器已有 100 多年 历史，其品种应有尽有，从技术上、品种上完全能满足液压行业对密封件及 密封技术的要求。同时还不断推出新的密封材料及新的密封结构，推动液压 密封技术不断向更高技术水平发展。目前世界上最大的中大型发动机制造企 业，美国的康明斯（Cummins）发动机制造公司，成立于 1919 年，也几乎 有近 100 年的历史。37.3kW（50 马力）以上的柴油机可以全方位为各种工 程机械，甚至所有需要柴油机动力的各种机械配套，在技术上可以完全满足 最苛刻的欧 II、欧 III 排放标准，甚至可以达到欧 IV、欧 V 排放标准 8。 在科学技术迅猛发展的今天，计算机技术、网络技术、通信技术等现代 化信息技术正对人类 的生产生活产生着前所未有的影响。这些信息技术的 进步，为今后制造业的发展，设计方法与制造技术模式的改变指明了方向， 为数字化设计资源与制造资源的远程共享，进一步提高产品开发效率奠定了 基础。这一点已经引起了学术界的广泛关注，并且有很多科研学者已经投入 - 9 - 到了这方面的研究。目前在液压领域中，特别是中小企业在进行液压传动系 统的设计时，存在着零部件种类繁多、系统集成复杂、参考资料缺乏等一系 列困难，而远程设计服务可以解决这些问题。为减轻液压设计人员的工作负 担，实现现代化设计模式的转变以及设计资源、技术资源和产品信息的共享。 1.5 课题的来源及研究的目的和意义 课题来源于哈尔滨通用液压机械制造有限公司。 研究的目的：通过本次毕业设计主要学习掌握综合运用液压传动、机械 设计、工程系统等课程中所学理论知识的能力；着重突出液压系统设计的独 立性和实用性，培养和提高独立分析问题和解决实际问题的能力，为今后适 应工作岗位和创造性地开展工作打下坚实基础。 研究的意义：组合机床是以系列化、标准化的通用部件为基础，配以少 量的专用部件组成的专用机床。它适宜于在大批、大量生产中对一种或几种 类似零件的一道或几道工序进行加工。这种机床既有专用机床的结构简单、 生产率和自动程度较高的特点，又具有一定的重新调整能力，以适应工件变 化的需要。其中液压系统是组合机床必不可少的部分，由于液压传动的各种 元件，可以根据需要方便、灵活地来布置，而且重量轻、体积小、运动惯性 小、反应速度快，还可自动实现过载保护。 1.6 课题的研究内容 对现有的卧式组合钻孔机床液压系统进行调研和分析，明确组合钻床液 压系统的工作机理和分类，设计组合钻床液压系统中的相关部分，并对其进 行总结。其中包括： （1）分析现有组合钻床的组成和工作原理； （2）设计组合钻床液压油源系统原理图； （3）设计组合钻床液压油源； （4）设计液压缸的装配图； （5）设计液压缸的部分零件图； （6）设计系统所需的阀块装配图； （7）设计阀块的零件图； （8）撰写毕业设计论文。 - 10 - 第 2 章 组合钻孔机床液压系统分析 2.1 YT4543 型动力滑台液压系统分析 2.1.1 YT4543 型动力滑台液压系统图 图 2-1 为 YT4543 型动力滑台液压系统图，下面以实现二次工作进给的 自动循环为例，说明其工作原理 3。 8 1 2 死 挡 铁 停 留 3 4 5 6 1 3 P 2 P 3 快 进 一 工 进 二 工 进 快 退 原 位 P 1 P 2 P 3 P 1 1 2 7 2 Y A 1 Y A 3 Y A 1 0 1 1 9 1-过滤器；2-限压式变量泵；3，6，10-单向阀；4- 背压阀；5-顺序阀； 7-电液磁换向阀； 8,9-调速阀；11-下行程阀；12-电磁阀；13- 压力继电器 图 2-1 YT4543 型动力滑台液压系统图 2.1.2 YT4543 型动力滑台液压系统工作过程 1快进 - 11 - 按下启动按钮，电磁铁 1YA 通电，电磁换向阀 7 的先导阀左位，液动 换向阀在控制压力油作用下将作为接入系统。 进油路 油箱过滤器 1泵 2单向阀 3阀 7阀 11液压缸左腔 回油路 液压缸右腔阀 7单向阀 6阀 11液压缸左腔 2第一次工进 当滑台快进到预定位置时，压下行程阀 11，切断快进通道，这时压力 油经调速阀 8、电磁阀 12 进入液压缸左腔。由于液压泵供油压力高，顺序 阀 5 已被打开。 进油路 油箱-过滤器 1泵 2单向阀 3阀 7调速阀 8阀 12液 压缸左腔 回油路 液压缸右腔阀 7顺序阀 5背压阀 4油箱 3第二次工进 一工进结束时，挡块压下行程阀开关使电磁铁 3YA 通电，这时压力油 经调速阀 8 和 9 进入液压缸的左腔液压缸右腔的回油路线与一工进时相同。 此时，变量泵输出的流量自动与二工进调速阀 9 的开口相适应。 4死挡铁停留 当滑台以二工进速度进行碰到死档铁时，滑台即停留在死挡铁处，此时 液压缸左腔压力升高，使压力继电器 13 动作，发出电信号给时间继电器。 停留时间由时间电器调定。 5快退 停留结束后，时间继电器发出信号，使电磁铁 1YA、3YA 断电，2YA 通电，电液磁换向阀 7 的先导阀右位工作，液动换向阀在控制压力油作用下 将右位接入系统。 进油路 泵 2单向阀 3阀 7液压缸右腔 回油路 液压缸左腔阀 10阀 7油箱 6原位停止 当滑快退到原位时，挡块压下终点行程开关，使电磁铁 2YA 断电，电 磁先导阀和液动换向阀都处于中位液压缸两腔油路封闭，滑台停止运动。这 - 12 - 时泵输出的油液经阀 3 和阀 7 进入油箱，泵在低压卸荷。 2.1.3 YT4543 型动力滑台液压系统分析 （1）采用容积节流调速回路，无溢流功率损失，系统效率较高，且能 保证稳定的低速运动，较好的速度刚性和较大的调速范围。 （2）限压式变量泵加上差动连接的快速回路，即解决了快慢速度相差 悬殊的难题，又使能量利用经济合理。 （3）采用行程阀实现快慢速换接，使动作的可靠性、转换精度和平稳 性都较高。一工进和二工进之间的转换，由于通过调速阀 8 的流量很小，采 用电磁阀式换接已能保证所需的转换精度。 （4）限压式变量泵本身就能按预先调定的压力限制其最大工作压力， 故在采用限压式变量泵的系统中，一般不需要另外设置安全阀。 （5）采用换向阀式低压卸荷回路，可以减少能量损耗，结构也比较简 单。 （6）采用三位五通电液换向阀，具有换向性能好，滑台可在任意位置 停止，快进时构成差动连接等优点。 2.2 双泵动力滑台供油液压系统 2.2.1 双泵供油动力滑台液压系统图 图 2-2 为双泵供油动力滑台液压系统图，下面以实现一次工作进给的自 动循环为例，说明其工作原理。 - 13 - 8 2 1 0 9 6 P 2 P 3 快 进 工 进 快 退 原 位 P 1 P 2 P 3 1 3 1 2 Y A 1 Y A 7 P 1 4 3 5 1 1 1 2 死挡铁停留 1-双联叶片泵；2-溢流阀；3，4，8- 单向阀；5-三位五通电磁换向阀； 6-压力继电器；7-单向行程调速阀；9- 背压阀；10-外控顺序阀； 11-压力表；12-压力表开关；13- 压力继电器 图 2-2 双泵供油液压系统图 2.2.2 双泵供油液压系统工作过程 1快进 快进如图 2-2 所示，按下启动按钮，电磁铁 1YA 通电，由泵 1 输出地 压力油经三位五通换向阀 5 的左侧，这时的主油路为： 进油路：泵单向阀 3、4三位五通换向阀 2（1YA 得电）单向行 程调速阀 7液压缸左腔。 回油路：液压缸右腔三位五通换向阀 5（1YA 得电）单向阀 8单 向行程调速阀 7液压缸左腔。 由此形成液压缸两腔连通，实现差动快进，由于快进负载压力小，系统 压力低，变量泵输出最大流量。 2工进 - 14 - 当滑台快到预定位置时，此时要工进。挡块压下单向行程调速阀 7 内的 行程阀，切断了该通路，这时，压力油只能经过单向行程调速阀 7 的调速阀 进入液压缸的左腔。由于减速时系统压力升高，变量泵的输出油量便自动减 小，且与调速阀开口向适应，此时液控顺序阀 10 打开，单向阀 8 关闭，切 断了液压缸的差动连接油路，由于阀 3 压力升高，背压阀 9 被打开，液压缸 右腔的回油经背压阀 9 流回油箱，这样经过调速阀就实现了液压油的速度下 降，从而实现减速，其主油路为： 进油路：泵 单向阀 3三位五通换向阀 5（1YA 得电）单向行程 调速阀 7液压缸左腔。 回油路：液压缸右腔三位五通换向阀 5背压阀 9液控顺序阀 10 油箱。 3死挡铁停留 当滑台完成工进进给碰到死铁时，滑台即停留在死挡铁处，此时液压缸 左腔的压力升高，使压力继电器 6 发出信号给时间继电器，滑台停留时间由 时间继电器调定。 4快退 滑台停留时间结束后，时间继电器发出信号，使电磁铁 1YA 断电， 2YA 通电，这时三位五通换向阀 5 接通右位，因滑台返回时的负载小，系 统压力下降，变量泵输出流量又自动恢复到最大，滑快速退回，其主油路为： 进油路：泵 单向阀 3、4三位五通换向阀 5（ 2YA 得电）液压缸 右腔。 回油路：液压缸左腔单向行程调速阀 7三位五通换向阀 5（右位） 油箱。 5原位停止 当滑台退回到原位时，挡块压下单向行程调速阀 7 的原位行程开关，发 出信号，使 2YA 断电，换向阀处于中位，液压两腔油路封闭，滑台停止运 动。 2.2.3 双泵供油液压系统分析 - 15 - 该液压系统采用双泵供油，系统的功率损失小、效率高、节约能源。 再回路上设有背压阀，提高了滑台运动的平稳性。把调速阀设在进油路 上，具有启动冲击小、便于压力继电器发讯控制、容易获得较低速度。 2.3 带蓄能器的动力滑台液压系统 2.3.1 带蓄能器的动力滑台液压系统图 图 2-3 为带蓄能器动力滑台液压系统图，下面以实现一次工作进给的自 动循环为例，说明其工作原理 10。 死 挡 铁 停 留 快 进 一 工 进 二 工 进 快 退 原 位 P 1 P 2 P 3 P 2 P 3 P 1 1 2 3 4 8 6 5 7 1 Y A 2 Y A 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1-蓄能器；2- 截止阀；4，6，11，14-单向阀；5，17- 压力继电器；7- 限压式变量叶片泵； 8，12，15-调速阀；9-三位四通电磁换向阀；10- 顺序背压阀；13，16-行程阀 图 2-3 带蓄能器的动力滑台液压系统图 - 16 - 2.3.2 带蓄能器的动力滑台液压系统工作过程 1快进 快进如图所示，按下启动按钮，电磁铁 1YA 通电，三位四通电磁换向 阀左位，截止阀 2 打开，顺序背压阀无背压，因此处于左位。 进油路分两个方向进入油路。 液压泵 7单向阀 6节流阀 8电磁换向阀 9行程阀 13行程阀 16液压缸左腔； 蓄能器 1截止阀 2节流阀 3单向阀 4电磁换向阀 9油箱； 回油路：液压缸右腔顺序背压阀 10电磁换向阀 9油箱。 2一工进 当滑台快进结束，液压缸处于工进开始位置，此时液压缸挡块把行程阀 13 的推杆压下，行程阀 13 关闭，截止阀 2 关闭，顺序背压阀有背压，因此 处于右位。 进油路：液压泵 7单向阀 6节流阀 8电磁换向阀 9调速阀 12 行程阀 16液压缸左腔； 回油路：液压缸右腔顺序背压阀 10电磁换向阀 9油箱。 3二工进 当滑台完成一工进后，液压缸处于二工进开始位置，此时液压缸上的挡 块把行程阀 16 的推杆压下，行程阀 16 关闭，回路中仍有背压，顺序阀处于 右位，工作平稳。 进油路：液压泵 7单向阀 6节流阀 8电磁换向阀 9调速阀 12 调速阀 15液压缸左腔； 回油路：液压缸右腔顺序背压阀 10电磁换向阀 9油箱。 4死挡铁停留 当滑台以二工进速度进行碰到死档铁时，滑台即停留在死挡铁处，此时 液压缸左腔压力升高，使压力继电器 17 动作，发出电信号给时间继电器。 停留时间由时间电器调定。 - 17 - 5快退 停留结束后，时间继电器发出信号，压力继电器 17 控制电磁铁 1YA 断 电、2YA 通电，电磁换向阀 9 右位，液压缸有杆腔进油，无杆腔回油，截 止阀 2 打开蓄能器向油路供油，由于回油路压力低，因此顺序背压阀回复到 原位。 进油路分两个方向进入油路。 液压泵 7单向阀 6节流阀 8电磁换向阀 9顺序背压阀 10液 压缸右腔； 蓄能器 1截止阀 2节流阀 3单向阀 4电磁换向阀 9顺序背 压阀 10油箱； 回油路：液压缸左腔单向阀 14单向阀 11电磁换向阀 9油箱。 6原为停止 当滑台完成一个动作循环后，电磁铁 1YA 和 2YA 都断电，电磁换向阀 9 处于中位，此时单向阀 4 出口压力升高，单向阀关闭，蓄能器停止供油， 由于电磁换向阀 9 采用了 O 型中位机能，液压泵不能够通过换向阀的中位 实现卸荷，系统停止工作。 2.3.3 带蓄能器的动力滑台液压系统分析 （1）系统采用了“ 限压是变量叶片泵 调速阀背压阀” 调速回路，采 用容积节流调速回路并在回油上设有背压阀，能保证系统调速范围宽、低速 稳定性好的要求。 （2）节流阀串联实现二次进给，两次工进速度的换接采用由电磁阀切 换的调速阀串联的回路，保证了换接精度，避免换接时滑台前冲，且油路的 布局简单、灵活。 （3）系统回路中的单向阀作用不同，子系统中与节流阀和行程阀并联 的单向阀是为了防止油液倒流，而蓄能器与系统连接的单向阀是为了防止回 路之间的动作干涉。由于单向阀的存在，工进和快进系统互不干涉 11。 （4）节流阀同时起到调速、防止子系统之间油路相互干涉、增加阻尼 和防止冲击的作用。 - 18 - 第 3 章 卧式单面多轴钻孔组合机床液压系统设计 3.1 明确系统要求 加工对象为变速箱箱体孔，材料为铸铁（硬度 HB = 240） ，该钻孔机床 主轴箱上有 16 根主轴，加工 14 个 13.9 的孔和两 8.5 的孔；并对这 16 个 孔进行扩孔加工；刀具为高速钢组合钻头，工件重 400kg，加工动作顺序如 下 动力滑台快速趋近工件一工进（钻孔加工）二工进（扩孔加工） 加工结束快退原位停止。 工作负载：工作切削阻力，一工进时轴向阻力 Ft2 = 1400（N） ，二工进 时轴向阻力 Ft2 = 8000（N） ；滑台移动质量 m = 510kg； 工作速度：快进 v 快 = 3.5m/min 0.06m/s；v 快退 = v 快进 一工进 v1 = （80100）mm/min = （1.331.67） 10-3 m/s 二工进 v2 = （3050）mm/min = （58.33）10 -4 m/s 加减速时间：t0.2 s。 滑台移动行程：快进 s = 200mm，一工进 s1 = 100mm，二工进 s2 = 50mm 滑台导轨型式：平导轨。静摩擦系数 fs = 0.2，动摩擦系数：f d = 0.1. 工作性能要求：运动速度要平稳，滑台往复次数不大于 30 次/分，液压 缸效率 = 0.9。 3.2 负载与运动分析 3.2.1 工作负载 由于切削原理可知，高速钢钻头钻铸铁孔时的轴向切削力 与钻头直tF 径 D(mm)、每转进给量 s(mm/r)和铸件硬度 HB 之间的经验计算式为 6.08)(52HBDsFt 根据组合钻床加工的特点，钻孔时的主轴转速 n 和每转进给量 s 可选用 下列数值。 - 19 - 对 13.9mm 的孔来说， r/min， mm/r。3601n147.0s 对 8.5mm 的孔来说， r/min， mm/r。52 962 利用上式，求得 N=30468.06.08.0 58417935.214 tF 8N 3.2.2 惯性负载 NmF()273=064+51=.tv 式中 Fm惯性负载(N)； m滑台和工件的总质量(kg)； 单位是时间速度变化量(m/s)。v 3.2.3 阻力负载 静摩擦阻力 N61783=902=mgfFs 动摩擦阻力 N1df 式中 fs静摩擦系数； fd动摩擦系数； g重力加速度(m/s 2)。 液压缸的机械效率取 ，由此得出液压缸在各工作阶段的负载9.0m 如表 3-1 所示 13。 表 3-1 液压缸在各工作阶段的负载值 工况 负载组成 负载值 F/N 推力 /Nm F 启动 sF1783.6 1982 加速 mfd1164.8 1294 - 20 - 快进 fdF891.8 991 一工进 +=t FtI 32759.8 36400 二工进 fdF t 39359.8 43733 快退 891.8 991 3.2.4 负载图和速度图的绘制 已知滑台移动行程快进 s=200mm、一工进 mm，二工进10=s mm，快退 mm。负载图按上面计算的数据50=2s 35+=21T 绘制，如图 3-1（a ）所示。速度图则按已知数据 3.5m/min、 0.1m/min、 =0.05m/min 如图 3-1（b）所示。41v2v3v 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 s / m m F / N 1 9 8 2 9 4 1 3 6 4 0 0 4 3 7 3 3 0 - 1 9 8 2 - 9 4 1 (a) 负载图 - 21 - 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 s / m m v / m / m i n 3 . 5 0 . 1 0 . 0 5 3 . 5 （b）速度图 图 3-1 组合机床液压缸的负载图和速度图 3.3 液压缸主要参数的确定 液压缸内径 D 和工作压力选择及况图绘制 根据快进与快退速度相等要求，液压缸可选择为差动结构形式，即 ( 为大腔面积， 为小腔面积)，活塞上力平衡方程（稳态）为：21A12A 14。Fpm=)- 组合机床为半精加工设备，取工作压力 MPa；背压可取4=1p =0.5MPa 同时考虑到钻孔结束时可能发生前冲现象，取 =0.8MPa；最2 2 大负载 =43733N。maxF - 22 - m =0.012m).-()-(max 621 1028437=pFA 22 m ， d=0.0874m01AD 式中 d活塞杆直径(m)。 按 GB/T2348-199315将这些直径圆整成标准值，为 D=125mm， d=90mm。由此求得液压缸两腔实际有效面积为 cm ， cm712=41.DA2 63=4=2.）-(dDA2 根据上述 D 与 d 的值可估算液压缸在个各工作阶段中的压力、流量和 功率，如表 3-2 所示，并据此绘出工况图如图 3-2 所示。 表 3-2 液压缸在不同工作阶段的压力、流量和功率值 工 况 负载 F/N 回油腔 压力 /MPa2p 进油腔 压力 /MPa1 输入流 量 /Lmiq n 1 输入功 率 P/kW 计算式 启 动 1982 0 0.31 )-(2121+=ApAFp ,)(2vqqP= 加 速 1294 1.17 0.67 211 ,2Ap 恒 速 991 1.12 0.62 22.26 0.23 )-(211+=AFp ,)(2vqqP= 一 工 进 36400 0.8 3.35 1.23 0.07 11 p ,2A 二 工 进 43733 0.8 3.95 0.61 0.04 11 +=Fp)( ,2vqqpP - 23 - 启 动 1982 P=0 0.34 pAFp2121+=/)( ,2vqqP 加 速 1294 0.5 1.26 211 ,2Ap= 恒 速 991 0.5 1.21 20.69 0.42 211+AFp/)( ,2vqqP p / M P a q / L / m i n P / k M 0 . 3 1 0 . 6 7 0 . 6 2 3 . 3 5 3 . 9 5 1 . 2 1 p P 0 . 2 3 0 . 0 7 0 . 0 4 0 . 4 2 q 2 2 . 2 6 1 . 2 3 0 . 6 1 2 0 . 6 9 s / m m 0 . 3 4 1 . 2 6 图 3-2 组合机床液压缸工况图 3.4 液压系统设计 根据组合机床液压系统的设计任务和工况分析，所设计机床对调速范围、 低速稳定性有一定要求，因此速度控制是该机床要解决的主要问题。速度的 换接、稳定性和调节是该机床液压系统设计的核心。此外，与所有液压系统 - 24 - 的设计要求一样，该组合机床液压系统应尽可能结构简单，成本低，节约能 源，工作可靠 16。 3.4.1 选用执行元件 因系统运动循环要求正向快进和工进，反向快退，且快进，快退速度相 等，因此选用单活塞杆液压缸，快进时差动连接，无杆腔面积 等于有杆腔1A 面积 的两倍。2A 3.4.2 速度控制回路的选择 图 3-2 表明，所设计组合机床液压系统在整个工作循环过程中所需要的 功率较小，系统的效率和发热问题并不突出，因此考虑采用节流调速回路即 可。虽然节流调速回路效率低，但适合于小功率场合，而且结构简单、成本 低。该机床的进给运动要求有较好的低速稳定性和速度-负载特性，因此有 三种速度控制方案可以选择，即进口节流调速、出口节流调速、限压式变量 泵加调速阀的容积节流调速 16。 钻镗加工属于连续切削加工，加工过程中切削力变化不大，因此钻削过 程中负载变化不大，但要求泵输出不同的流量，所以采用容积节流调速回路。 由于在钻头钻入铸件表面及孔被钻通时的瞬间，存在负载突变的可能，因此 考虑在工作进给过程中采用具有压差补偿的进口调速阀的调速方式，且在回 油路上设置背压阀。 由于选定了容积节流调速方案，所以油路采用开式循环回路，以提高散 热效率，防止油液温升过高。 3.4.3 选择快速运动和换向回路 根据本设计的运动方式和要求，采用差动连接快速运动回路来实现快速 运动。即快进时，由限压式变量泵供油，液压缸实现差动连接。 本设计采用二位二通电磁阀的速度换接回路，控制由快进转为工进。与 采用行程阀相比，电磁阀可直接安装在液压站上，另外采用液控顺序阀与单 向阀来切断差动油路。因此速度换接回路与压力控制形式。 - 25 - 3.4.4 拟定液压系统原理图 选定调速方案和液压基本回路后，再增添一些必要的元件和配置一些辅 助性油路，如控制油路、润滑油路、测压油路等，并对回路进行归并和整理， 可将液压回路合成为液压系统，即组成如图 3-3 所示的液压系统图。
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