数控专业方向综合课程设计-数控车床卡盘液压系统的设计.doc

数控专业方向综合课程设计说明书数控车床卡盘液压系统的设计学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 2012级机械4班 学生姓名 指导老师 2015年 11 月27日课 程 设 计 任 务 书兹发给 2012级机械工程及自动化4 班学生 课程设计任务书，内容如下：1 设计题目： 数控车床卡盘液压系统的设计 2 应完成的项目： （1）搜查资料，定机床型号及相关参数 （2）工况分析 （3）液压系统方案的确定 （液压系统原理图的拟定） （4）液压系统的计算 （液压元件的选择及参数计算） （5） 液压系统性能验算 （6）设计说明书1份 3 参考资料以及说明：（1）左健民.液压与气压传动m. 北京:机械工业出版社,2013.09 （2）刘忠.液压传动与控制实用技术m. 北京:北京大学出版社,2009.09（3）翼宏.液压气压传动与控制m.武汉:华中科技大学出版社,2009.09 （4）崔培雪，冯宪琴.典型液压气动回路600例m.北京:化学工业出版社,2011.08 （5）谢群,崔广臣,王健编.液压与气压传动m.北京:国防工业出版社,2011.03 4 本设计任务书于2015年 10月 13日发出，应于2015年11月 27日前完成，然后进行答辩。指导教师 签发 2015 年10 月 13日课程设计评语：课程设计总评成绩：指导教师签字：2015年11月27日目录摘 要1第一章 绪论21.1 引言21.2课程设计的目的及意义21.2.1课程设计的目的21.2.2课程设计主要内容2第二章 数控车床卡盘液压系统总体方案的拟定及分析32.1工况分析32.1.1 运动分析32.1.2 负载分析52.1.3 液压系统的初步确定62.1.4负载循环图和速度循环图的绘制72.2执行元件的参数确定82.2.1 初选工作压力82.2.2 确定液压缸主要尺寸92.2.3 计算最大流量102.3 液压系统原理图的拟定112.3.1 速度控制回路的选择112.3.2 换向回路的选择12第三章 液压元件的计算与选择133.1 液压泵的选择133.2 控制与辅助元件选择14第四章 液压系统的性能验算154.1 压力损失的验算154.2 油液温升验算15结论16参考文献17摘 要在现代的工业生产过程中，数控车床得到了广泛的运用，而我国也在这个领域得到了较好的发展。所以本次综合设计针对目前国内外数控车床的现状、发展动态和发展方向及其现代工业中的重要作用，结合液压传动与控制基本理论，对数控车床卡盘液压系统进行设计。本次综合设计主要是了解数控车床及卡盘的液压系统，根据设计要求，对液压系统进行工况和负载分析，并绘制液压系统原理图，求出负载、流量、工作压力等参数。最后根据要求选择液压元件及对液压系稳定性进行最后的校核。关键词：数控车床；卡盘；液压系统；优化设计第1章 绪论1.1 引言 液压技术由于具有功率重量比大、响应速度快、易于实现标准化和自动化等特点，在工农业生产、航空航天以及国防建设等领域得到了广泛应用，为国民经济和社会生产力的发展发挥了不可磨灭的作用。综合设计主要是对数控车床卡盘液压系统的设计。液压系统应用在数控机床中，可以实现卡盘的自动加紧,而且可以使机床的运动更平衡，加工精度更高，效率更高，从而实现机床的自动化。1.2课程设计的目的及意义1.2.1课程设计的目的通过这次课程设计以达到以下目的：1、培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决设计过程中的实际问题的能力；2、增强个人实践能力和实践意识，提高综合素质和创新能力；3、熟练的运用画图软件，提高数据处理、资料查找的能力；4、培养正确的设计思路。1.2.2课程设计主要内容课程设计主要内容：1. 分析工况，确定液压系统的主要参数；2. 液压系统原理图的拟定；3. 液压元件的计算与选择；4. 液压系统的性能验算。第2章 数控车床卡盘液压系统总体方案的拟定及分析2.1工况分析 本次课程设计选用的数控机床是ck6152数控机床，液压系统的工况分析是指对液压执行元件进行运动分析和负载分析，目的是查明每个执行元件在各自工作过程中的流量、压力、功率的变化规律，作为拟定液压系统方案，确定系统主要参数（压力和流量）的依据。2.1.1 运动分析ck6152数控机床具有高刚性、高精度等特点，整体式底座结构，刚性好，精度保持性好。本机床床身最大回转直径520mm，刀架上最大工件回转直径300mm，顶尖距为1000mm，主轴转速为12.51000r/min。数控机床ck6152负载变化小，要求低速运动平稳性好速度负载性好，因此采用调速阀的进油节流调速回路，选用差动液压缸实现“快慢快”的回路。对普通ck6152数控车床机床卡盘卡紧动作的观察和分析可知，液压卡盘执行元件，即液压缸运动过程可分解为：向前卡紧，保持不动，向后松开。其运动循环如图2-1。图2-1 卡盘液压缸运功循环图 卡盘向前夹紧原理如图2-2，卡盘松开原理如图2-3。图2-2 卡盘向前夹紧原理图图2-3 三爪卡盘松开动作原理图2.1.2 负载分析 负载分析主要是研究一台机器在工作过程中，其执行机构的受力情况，又称为动力分析。对液压系统来说，也就是通过试验或计算确定各液压执行元件上负载力或力矩的大小和方向，即确定液压缸或液压马达的负载随时间变化的情况，并注意工作过程中可能产生的冲击和过载等问题，这是最终确定液压系统工作压力的依据。液压系统承受的负载可以由理论分析确定，也可以通过样机试验来确定。用理论分析方法确定液压系统的工作机构负载时必须考虑到所受到的各种力和力矩的作用，例如工作负载（如切削力，挤压力，弹性塑性变形抗力，重力等）、惯性负载和阻力负载等。在设计ck6152数控机床液压系统时，通过查阅书籍及一些参考文献，同时根据数控机床的特点，进行综合考虑以后，最终按照设计要求实现“快进工进快退停止”的工作循环。刀架材料为高速钢，工件材料为铸铁，硬度为240hbs，通过查阅资料所得机床工件部件总质量m=1000kg；快进v1为5.5m/min，快进0.157s其静摩擦为fs=0.2，动摩擦fd=0.1，系统设计参数如表21所示。所以液压系统的执行元件选择使用液压缸。表21 设计参数工进速度/(mm/min)20180快进快退速度/(m/min)5.5最大行程/mm400工进行程/mm180材料硬度hb240 （1）外负载 高速钢钻头铸铁孔时轴向切削力ft(单位为n)为 （2-1）式中d钻头直径，单位mms每转进给量，单位mm/rhbs铸件硬度，hbs=240 （2）摩擦阻力负载ff摩擦阻力是指运动部件与支撑面间的摩擦力，前进与后退时的动摩擦负载。这些负载都是单向负载，是与运动方向相反的正值负载，近似为恒定的负载，并且负载力的方向与液压缸活塞轴线重合。它与支撑面的形状，放置情况，润滑条件以及运动状态有关：f=mg=9810n静摩擦力：=0.29810n=1962n 动摩擦力： 0.19810n=981n 式中f为运动部件及外负载对支撑面的压力； f为摩擦系数，分为静摩擦系数fs和fd（3）向前卡紧工进时的工作负载fl工作负载与设备的工作情况有关，在机床上，与运动件的方向同轴的切削力的分量是工作负载，而对于提升机，千斤顶等来说锁移动的物体的重量就是工作负载，工作负载可以是定量，也可以是变量，可以是正值，也可以是负值，有时还可能是变的。（4）惯性负载fa惯性负载是运动部件的速度变化时，由其惯性而生产的负载，可由牛顿第二定律计算 （2-2） =式中m为运动部件的质量；a为运动部件的加速度； g为运动部件的重力；g为重力加速度；为速度的变化量；为速度变化所需的时间。液压卡盘的主要作用是在加工工件时限制工件两个自由度，以卡紧工件，保证加工的顺利完成。2.1.3 液压系统的初步确定初步确定液压系统的设计方案主要是确定液压系统执行元件的方案，即确定液压系统的执行元件是采用液压缸还是液压马达以及采用何种结构形式的液压缸或液压马达，前者可以实现直线运动，后者可以实现回转运动。二者的类型，特点及应用场合如表2-2所示。表2-2 液压执行元件类型、特点及适用场合名称特点适用场合双活塞杆缸双向对称双向工作的往复运动单活塞杆缸有效工作面积大、双 向不对称往返不对称的直线运动、差动连接可实现快进柱塞缸结构简单，制造公益性好单向工作、靠重力或其他形式外力返回摆动缸单叶片式摆角范围大，最大摆角360度；小于360度的摆动运动小于180度的摆动运动名称特点适用场合叶片马达体积小、输出扭矩大高速、低扭矩、动作灵敏的回转运动摆线齿轮马达体积小、输出扭矩大低速，小功率、大扭矩的回转运动轴向柱塞马达运动平稳、扭矩大、转速范围宽大扭矩回转运动径向柱塞马达转速低、结构复杂、输出扭矩大低速大扭矩回转运动齿轮马达结构简单，成本低高速，低扭矩的回转运动综合各种要求，本次设计选择单活塞杆缸。2.1.4负载循环图和速度循环图的绘制已知快进速度和快退速度v1=v3=5.5m/min，快进行程l1=400-180=220mm，工进行程l2=180mm，快退行程l3=400mm。根据上述负载力的计算结果，可得出液压缸所需要的推力情况，如表2-3所示。表2-3 液压缸在各工作阶段的负载工况负载组成负载值f/n液压缸推力/nf=f/m启动f=ff19622180快进f=fsd9811090工进f=fsd+ft3715241280反向启动f=ff19622180快退f=fsd9811090根据表2-3中计算结果，绘制ck6152数控机床卡盘液压系统的负载循环图如图2-4所示。图2-4 负载循环图图2-4表明，当数控机床处于工作进给状态时，负载力最大为41280n，其他工况下负载力相对较小。根据上述计算得到的数据，绘制ck6152数控机床卡盘液压系统的速度循环图如图2-5所示。图2-5 速度循环图2.2执行元件的参数确定 压力和流量是液压系统的两个最主要的技术参数，液压元件、辅助元件以及原动机的规格都是很据这两个参数来确定的。在这一设计阶段确定液压系统的主要技术参数是确定液压执行元件的工作压力和最大流量，通常是首先选定执行元件的工作压力和最大流量，通常是首先选定执行元件的工作压力，然后根据工作压力确定液压缸的主要尺寸，最后根据液压缸的速度确定其流量。2.2.1 初选工作压力 通常液压系统执行元件的工作压力可以根据经验按照负载大小或主机的类型进行选择，选择方法如表24和表25所示，执行元件的回油背压经验值如表26所示，液压系统的压力损失经验值如表27所示。表24 按负载选择执行元件工作压力负载f/103n50工作压力p/mpa57表25 按主机类型选择执行元件工作压力主机类型机床农业机械、小型工程机械、工程机械辅助机构塑料机械液压机、大中型工程机械、起重运输机械船舵机航空航天磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力/mpa5388101016625203282128表26 执行元件回油背压系统类型背压/mpa系统类型背压/mpa简单系统或轻载节流调速系统0.20.5用补油泵的闭式回路0.81.5回油路带调速阀的系统0.40.6回油路较复杂的工程机械1.23回油路设置有背压阀的系统0.51.5回油路较短,且直接回油箱可忽略不计表2-7 液压回路压力损失系统结构情况总压力损失/mpa采用节流阀调速及管路简单的系统0.20.5进油路有调速阀及管路复杂的系统0.51.5 参考表2-5和表2-7按照负载大小或按照液压系统应用场合来选择工作压力的方法,初选液压缸的工作压力p1=4.5mpa。2.2.2 确定液压缸主要尺寸 由于工作进给速度与快速运动速度差别较大,且设计要求中给出的快进、快退速度相等，从降低总流量需求考虑，应确定采用单作用液压缸的差动连接方式。在这种情况下，液压缸设计成无杆腔的工作面积a1是有杆腔a2的2倍，即活塞杆直径d与缸筒直径d呈d=0.707d的关系。工作过程中，当负载突然消失时，液压缸有可能发生前冲现象，因此液压缸的回油腔应设置一定的背压，参考表2-6中所建议的执行元件背压值，选取此背压值p2=0.8mpa。快进时液压缸虽然作差动连接（即有杆腔与无杆腔与液压泵的来油连接），但是连接管路中不可避免地存在着压降p，且有杆腔的压力必须大于无杆腔，参考表2-6，估算时p0.5mpa。快退时回油腔中也是有背压的，这时也选取背压值p2=0.8mpa。工作时液压缸的推力计算公式为f/m=a1p1-a2p2 （2-3）式中 f负载力，n； m液压缸机械效率； a1液压缸无杆腔的有效作用面积，m2； a2液压缸有杆腔的有效作用面积，m2； p1液压缸无杆腔压力，mpa，取2mpa； p2液压缸有杆腔压力，mpa，取0.8mpa；因此，根据已知参数，液压缸无杆腔的有效作用面积可计算为液压缸缸筒直径为根据前面差动液压缸缸筒和活塞杆直径之间的关系，d=0.707d。因此活塞杆直径d=0.707112.8=79.7。根据gb/t2348-1993对液压缸缸筒内径尺寸和液压缸活塞杆外径尺寸的规定，圆整后取液压缸缸筒直径为d=125mm，活塞杆直径为d=90mm。此时液压缸两腔的实际有效面积分别为带入式2-3中，计算得到液压系统的实际工作压力为2.2.3 计算最大流量 ck6152机床在快进过程中，液压缸采用差动连接，原理图如图2-6所示，此时有q+q=q+a2v1=a1v1。图2-6 差动连接原理图 因此，ck6152机床快进过程中液压缸所需要的流量为q快进=（a1-a2）v1=34.98l/min ck6152机床快退过程中液压缸所需要的流量为q快退=a2v2=32.51l/min ck6152机床工进过程中液压缸所需要的流量为q工进=a1v1=2.52l/min 其中最大流量为快进流量34.98l/min2.3 液压系统原理图的拟定 根据ck6152机床卡盘液压系统的设计任务与公况分析结果,所设计机床对调速范围、低速稳定有一定要求。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，和所有液压系统的设计要求一样，该机床液压系统应该尽可能结构简单，成本低，节约能源，工作可靠。2.3.1 速度控制回路的选择本次设计的数控机床液压系统在整个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。节流调速回路就是通过改变流量控制阀（节流阀，调速阀等）通流截面积的大小来调节流入或流出液压执行元件的流量，从而调节其速度的回路。节流调速回路虽然效率低，但是结构简单、成本低，因此更适合用于这种小功率的应用场合。2.3.2 换向回路的选择所设计的数控机床液压系统对换向平稳性要求不高，流量不大，压力不高，所以选用价格较低的电磁换向阀控制换向回路即可，为便于实现差动连接，换向阀可以选用一个三位五通电磁换向阀。液压系统原理图如图2-7图2-7 液压系统原理图 1液压泵； 2溢流阀； 3三位五通电磁换向阀 4单向节流阀； 5液压缸 电磁铁动作顺序表如表2-8所示。表2-8 电磁铁动作顺序表动作1ya2ya快进+-工进+-快退-+停止-第3章 液压元件的计算与选择3.1 液压泵的选择所谓液压原件的选择与计算，是要计算该元件在工作中承受的压力和通过的流量，以便确定元件的规格和型号。（1） 确定液压泵最高工作压力p 液压泵的最高工作压力就是在系统正常工作时泵所能提供的最高压力，对于定量泵系统来说这个压力是由溢流阀调定的，对于变量泵系统来说这个压力是与泵的特性曲线上的流量相对应的，液压泵的最高工作压力是选择液压型号的重要依据。泵到最高工作压力的确定要分两种情况，其一是，执行机构在运动行程终了，停止时才需最高工作压力的情况；其二是最高工作压力是执行机构的运动行程中出现的。对于第一种情况，泵的最高工作压力pp也就是执行机构的所需的最大压力p1。而对于第二种情况，除了考虑执行机构的压力外还要考虑油液在管道系统中流动时产生的总压力损失，即 （3-1）式中液压泵的出口至执行机构进口之间的总的压力损失，它包括远程压力损失和局部压力损失两部分，要准确地估算必须等管路系统及安装形式完全确定以后才能做到，再次只能进行估算，估算时可参考下述经验数据；一般节流调速阀和管路简单的系统取=0.20.5mpa。（2）确定液压泵的最大供油qp液压泵的最大供油流量qp按执行元件工况图上的最大工作流量及回路系统中的泄漏量来确定。 （3-2）式中k为考虑系统中有泄漏等因素；一般k=1.1-1.3，小流量取大值，大流量取小值；为同时动作的各缸所需要流量只和的最大值。若系统中采用了蓄能器供油时，泵的流量按一个工作循环中的平均流量来选择。 （3-3）式中t为工作循环的周期时间 q为工作循环中第i个阶段所需的流量； 为第i阶段的时间； n为循环中的阶段数。3.2 控制与辅助元件选择根据所拟定的液压原理图及设计要求，按流过各元件的最大流量来选择液元件的规格。本液压系统的最高压力为3.56mpa,最大流量为34.98l/min。经过参考相关资料，最后所选择的的阀类及其他元件清单如表3-1。表3-1 液压元件系统清单序号名称型号数量备注1油箱专用件32液压泵smvp-30-2-212mpampa3单向节流阀mct-02-p-2014压力继电器dnm-02a-040k-21b15减压阀mbr-02-p-1-k-2016换向阀we-3c2-02-g-d2-301第4章 液压系统的性能验算4.1 压力损失的验算 本设计实例所设计液压系统属于压力不高的中低压系统,无迅速启动等特殊需求,因此不必进行冲击验算。局部压力损失包括管道和管接头的压力和通过液压阀的局部压力损失，前者视管道具体安装结构而定，一般取沿程压力损失的10；而后者则与通过阀的流量大小有关，若阀的额定流量和额定压力qn和pn，则通过阀的流量为q时阀的压力损失p为 （4-1）通过计算得出此压力损失计算值小于原来的压力损失估算