液压数控车床的毕业设计

学号 ：毕 业 设 计 题目 ： 数控车床的液压系统设计 作 者 黄亚风 界 别 2013届 院 别 机 械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 指导老师 李 实 职 称 讲师 完成时间 2013 年 5 月 19 日 湖南理工学院毕业设计（论文） I 摘 要 首先本论文主要是对数控车床的结构和液压系统进行了解，然后根据液压系统设计要求，分析液压执行机构工作压力和选择液压的基本回路以及绘制液压系统原理图，求出执行机构的负载、流量、工作压力 。 最后根据执行机构去选择液压元件以及对液压系统稳定性进行校核和维护，来改善 控车床中的液压系统在工作中卡盘的自动加紧、中心架的运动、尾座的自由收缩；使其在运动中更平稳、精确度越高、准确性更好等。另外 还查阅 了 有关 液压 元件连接的书 ， 了解怎样去连 接各液压元件 ，同时还把液压系统中液压阀集中起来设计成液压集中站。 关键字 ：数控车床；液压系统；伺服机构；液压阀 湖南理工学院毕业设计（论文） of is of to of of to to of to in in of of of to in 南理工学院毕业设计（论文） 录 摘 要 . I . 绪 论 . 1 压系统的发展史和发展趋势 . 1 案论证 . 2 械系统 . 2 压系统 . 2 压系统 . 3 案比较 . 3 2 液压系统设计计算 . 5 压系统的设计要求 . 5 压系统方案设计 . 5 压回路的选择 . 5 压缸的选择 . 5 定液压泵类型以及调速方式 . 5 成液压系统绘原理图 . 5 压系统零件的参数计算 . 8 压缸参数计算 . 8 压缸的壁厚 . 8 底厚度计算 . 9 3 液压缸和液压油箱以及卡盘的结构设计 . 10 压缸的结构设计 . 10 塞杆导向部分的结构 . 10 压缸的整体连接及密封装置 . 10 塞与活塞杆的连接结构 . 11 压油箱的结构设计 . 11 油管 . 11 盖和清洗孔 . 11 湖南理工学院毕业设计（论文） 盘的设计 . 12 压卡盘的分析 . 12 4 液压元件的选择 . 13 压泵的选择 . 13 压阀及过滤器的选择 . 13 管的选择 . 13 压油箱的外形尺寸 . 14 动机的选择 . 14 5 各液压元件安装与连接的设计 . 16 动机和液压泵的连接方式 . 16 压泵的安装方式 . 16 盖与缸体的连接形式 . 16 6 集成块的设计 . 18 7 性能的验算及维护 . 19 筒壁厚的验算 . 19 塞杆的强度计算 . 19 体性能验算 . 20 程压力损失 . 20 部损失 . 21 的压力损失 . 21 统温升的验算 . 21 统维护 . 21 结 论 . 22 参考文献 . 23 致 谢 . 24 湖南理工学院毕业设计（论文） 1 1 绪 论 压系统的发展史和发展趋势 液压技术的起源比较早，例如古代希腊人就发明了液压的提水工具和中国水枪具。1795 年英国约瑟夫布拉曼，在伦敦用水 作为介质发明第一台水压机； 1905 人们对水压机进行了改善，从而形成现在的液压机的模型。 19 世纪 20 年代后，液压元件得到大量生产，从而促使后来的液压技术快速发展。在第二次世界大战期间，由于军事的需要，发明了不少新的液压元件，美国也是当时使用液压传动最多的国家之一。二战结束后，日本的迅速崛起，在液压技术的应用超过美国，居世界第一；从而促使液压技术有军事转入了民有企业，这样使得液压技术在船舶，航空领域得到迅速发展。随着数控车床的出现与发展，数控的传动机构也在日夜更新，由以前的传统机械传动更新为现代机械传动，电气传 动，液压传动。由于液压传动具有前面两者所不具有的优点，受到世界很多国家的重视。由于我国液压系统技术起步晚，在很多方面都比不上发达国家，随着中国现代化进程的加快，液压系统也得到在相关领域的快速发展。从而给当代大学毕业生提供不少职业，也适当缓解我国人再就业问题上的压力如今的液压系统在很多方面都有应用，例如挖土机、起重机、割稻机都安装有液压系统。 据统计，我国液压系统技术使用率才 1%左右，在发达国家的比例达到了 2% 右。所以在我国液压技术领域还有很大发展潜力，给了我们在从事液压工作方面上有了很大的空间。 世界很多国都追求自动化，操作方便，维护容易，减轻工人师傅的劳动强度。同时液压系统技术与高科技自动化技术结合，能实现操作方便以及直线运动，还有大范围的无极调速（调速范围为 1:2000 ）；把液压系统用作数控车床的传动机构，能大大的改善机器整体尺寸、提高数控车床的加工精度，以及液压油能给机器相对运动的两个零件起到润滑的作用，从而提高机器的寿命。液压技术具有它独特的优点，如：液压技术具有体积小、功率重量比大、压力小、频响高、可柔性传动动力、流量 可控性好、实现直线运动、节能、环保、安全可靠、结构简单等优点。所以液压系统技术在各个领域都有应用。液压系统虽然在工业上起步比前面两者都晚，但它的优点却在很短时间内就体现出来了，在工业上得到越来越多喜欢。但近年来，由于液压的泄漏、维护性差等缺点，受到了来自电气传动的竞争，有许多中小型机器部分传动有电气替代液压传动。所以我们现在需要克服液压系统技术的缺点，赢取与电气传动的在市场竞争。 虽然我国现在液压技术在工业使用率低，但现在我国在液压行业以形成初具规模生湖南理工学院毕业设计（论文） 2 产的工业体系。在改革开放以来，随着政府的大力投资与鼓励， 再加上私有企业和外资企业的响应，我国的在液压技术也得到急速的发展。 20 世纪初期，国家、地方和企业把16 多亿元投资在液压系统中，经过大量的技术改造和技术攻关，促使一些企业在液压方面的技术得到大量的提高，工艺装备也得到改善，为我国的自动化、高起点，搞生产提供良好的平台。进入 21 世纪，随着跨国公司不断兴起，也促进我国在液压方面同外国进行合作，如今我国已和德国，美国，日本进行了合作。但我国面临着在液压方面的人才数量少问题，跟发达国比起来还有很大的差距。随着冷战的结束，发达国家的重心都上经济方面转移，液压技术也得到相 当大的改进。现在的液压与计算机技术结合的越来越紧密，但是还有许多难关还没有攻克。例如液压比例和液压伺服技术与计算机结合上还不是很方便，如果我们克服这一难关，将大大改进整个机器的结构以及使得液压与控制技术简单化，从而加速液压系统的发展。如今我国的液压系统主要应用如下： （ 1） 多行化、小型化、集成化； （ 2） 节能、环保、高效； （ 3） 机电一体化； （ 4） 高压、高精度、高可靠性。 通过对液压行业的了解，以及我国在液压方面的发展现状。所以我们应该努力学习，善于观察身边的东西，对一些东西要进行仔细的分析，了解其为什么要这么做，有没有更好的设 计方法，来改善我国现在工业发展的现状。让我国从进口变成技术出口国，提高我国在世界上工业地位，虽然我国工业起步晚，但我相信只要我们这一代或者下一代以及更后努力，我国的工业不比发达国家差。 案论证 械系统 在传统的机械传动中如：齿轮传动。 它的特点是：齿轮传动平稳性好，工作时比较可靠，传动比也比较稳定，效率比较高，寿命比较长。在工作时的使用功率、尺寸以及速度范围比较大。但齿轮在啮合时，由于加工中的误差，使得齿轮啮合不完全 ,就会发生噪音，震动，影响机器寿命和加工等。 压系统 气压系 统的优点：节省能源，把空气作为介质。这个介质就用不完了，能源损失小，湖南理工学院毕业设计（论文） 3 容易实现远距离输送和集中供应；适合于高速间歇运动。由于其保持能力强，即使在断电后由于气体还能在较长的一段时间停留在原来的位置上。可靠性高、寿命长、安全方便、气动元件结构简单、轻便、安装维修方便。缺点：稳定性差、输出功率小、噪声大、润滑性差等。 压系统 液压系统主要由：动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和工作介质等五部分组成。 液压传动的优点 1： （ 1） 体积小、重量轻，因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲 击； （ 2） 能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速； （ 3） 换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换； （ 4）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制； （ 5）由于采用油液作为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长； （ 6）操纵控制简便，自动化程度高； （ 7）容易实现过载保护。 液压传动的缺点 : （ 1）液压传动的维护要求高，要使液压油一直清洁； （ 2）液压元件的加工精度要求很高，工 艺过程复杂，所需要成本较高； （ 3）液压元件维修较复杂，且需有较高的技术水平； （ 4）用油做工作介质，在工作面容易存在火灾隐患； （ 5） 传动效率低 。 案比较 通过以上几种方案的比较，我选择液压传动。 由于本人在大三时在学校的组织下在一家机械加工厂进行了一个月的实习。通过向师傅工人的了解和查阅大量资料 2，大致了解数控车床中液压系统的工作原理。同时我也看过数控车床中的液压系统图，也明白了液压系统在工业的设计步骤。 设计步骤如下： 湖南理工学院毕业设计（论文） 4 （ 1） 确定液压系统在工作中的使用要求，其次对其进行负载性质 分析； （ 2） 提出液压系统设计方案； （ 3） 分析与计算液压系统中主要的参数； （ 4） 绘制与了解液压系统在工作中原理图； （ 5） 选择液压元件； （ 6） 验证液压系统在工作中的性能； （ 7） 进行液压装置结构的设计； （ 8） 绘制工作图以及编制文件。 通过对液压系统设计的步骤的了解。首先我观察了 控车床液压系统，同时对其进行进一步的分析 3。然后我再重新对 控车床液压系统进行设计，使其在操作中更简便、生产效率高、节省能耗资源、减轻工人师傅的劳动强度。以下是我的设计步骤： （ 1）分析液压系统的 工况，确定主要参数和设计液压系统原理图 ； （ 2） 选择液压元件； （ 3）液压 油箱的设计以及计算； （ 4）怎样连接各液压零件 ； （ 5）液压系统 集成块的设计以及性能的验算。 图 物图 湖南理工学院毕业设计（论文） 5 2 液压系统设计计算 压系统的设计要求 从相关的著作、报刊杂志、国家官方统计的资料及网站查找资料，收集数据，并运用所学的理论知识和分析计算数据 4。得出结果，形成自己合理的设计方案，并合理的进行了更改。该机床床身的最大回转直径是 尖距刀架上的最大工件回转直径是 顶尖距是 500/1000 ，主轴转速为 0020 r 。通过实习工人师傅知道，主轴箱内是由液压系统来进行控制 自动加紧，中心架的运动，尾座的自由收缩 。工况分析油缸直径为 所需最大压力为 2/22 压系统方案设计 压回路的选择 由于该液压回路对于换向的平稳性没有很严格的要求，在此选用 3 个电磁三位四通换向阀作为液压的换向回路。一般的液压系统都要装溢流阀，以防止回路的压力过高损害液压元件。 压缸的选择 根据系统分析，它主要是实现直线运动，所以选用活塞液压缸，就能满足要求。 定液压泵类型以及调速方式 由于该液压系统对于平稳性的变化没有特需的要求，再加上对经济上 的考虑，所以才选用单向定量液压泵进行供油、节流调速采用进油的开式回路。回油路上选择背压阀，溢流阀作为定压阀，把初定背压值为 成液压系统绘原理图 根据选定的液压回路 5，绘制出如图 示的液压系统原理图。为了便于观察液压系统调整压力，在液压回路中装由一个压力表。同时液压系统中各电磁铁的动作顺序如表 示。 湖南理工学院毕业设计（论文） 6 1982310543压系 统原理图 工作油缸 动作名称 尾座 中心架 卡盘 湖南理工学院毕业设计（论文） 7 磁铁动作顺序表 1前伸 + 向后缩 + 换刀 + 退刀 + 向前加紧 + 向后 放松 + 湖南理工学院毕业设计（论文） 8 压系统零件的参数计算 压缸参数计算 工作时油缸面积： 222 4 油缸作用力：把最大压力力作为油缸的作用力 2/22 则： 522 液压缸的其他的主要尺寸，包括活塞缸的直径、液压缸的内径、液压缸的行程等。液压缸的负载 F， 由公式得知： （式 式中： R 液压缸外作用力； 液压缸总效率。 查参考文献得知 5，在额定压力下的液压缸，总效率为 ，取 。 9 计算所需流量 Q， 油缸在无杆腔充满油液时油缸容积 V ： 33 因为最大转速 00 ，因此计算流量 Q ： m i n/ 根据流量 和压力查表的知液压阀规格和型号 6，选用直径为 6 通用液压阀 , 流量为0L ，压力为 压缸的壁厚 液压缸的壁厚通常是指缸筒结构中薄度最小的厚度。液压缸的壁厚可以近视按薄壁圆筒和厚壁圆筒两者之一来计算。在工业上一般使用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其 壁厚按薄壁圆筒公式来进行计算 7： 湖南理工学院毕业设计（论文） 9 2式 式中： 液压缸壁厚（ m）； D 液压缸内径（ m）； 试验压力，一般取最大工作压力的 ； 缸筒材料的许用应力，得知其值为 6：锻钢： ，无缝钢管 M 。 采用无缝钢管，取 ， M P ，代入公式 (式 ：液压缸的壁厚： v D 0 0 0 4 所以可取 。 底厚度计算 为了简便运算，一般把缸筒底部设计为平面，其 厚度可以按照材料力学的强度来进行。根据相关参考文献 8，由公式： （式 式中： d 缸筒底部的厚度（ m ）； 0D 缸筒底部的内径（ m ）； 液压缸的额定压力 (； 缸筒底部材料的许用应力 (。 （式 取 2n ， s 286 ，算得 43；代入公式（式 换挡液压缸的壁厚： 0 3 湖南理工学院毕业设计（论文） 10 所以可取 。 3 液压缸和液压油箱以及卡盘的结构设计 压缸的结构设计 在对液压缸的厚度确定后，就要液压缸的组件部分的结构进行设计。这里主要包括活塞与活塞杆的连接结构、活塞杆导向部分结构、液压缸的整体连接及密封装置等 9。因为各部件所处的环境不同，所以各部件结构形式也各不相同。因此在设计时要根据具体情况对结构进行选择。 图 压缸实体图 塞杆导向部分的结构 活塞杆导向是包括导向套的结构、密封装置和锁紧装置等。在市 场上应用比较广泛的是把导向套的结构做成端盖与导向套分开，因为导向套在磨损后容易换。 压缸的整体连接及密封装置 对于密封的分类：可以把其分为静密封和动密封两种形式。 （ 1） 静密封：在机器正常工作的时候，无相对运动的零件的配合表面之间的密封叫静密封。 （ 2） 动密封：在机器正常工作的时候，具有相对运动的零件配合表面之间的密封叫动密封。 湖南理工学院毕业设计（论文） 11 在机器中静密封和动密封都可以完全密封，但存在某些动密封部位有一定的泄量。但活塞及活塞杆处的密封圈的选用，则要根据其工作所在环境进行选取，通过参考相关文献 9，选用动密 封。 塞与活塞杆的连接结构 在查阅相关资料得知 10，以中心架液压缸活塞杆与活塞杆为例分析连接结构。则液压缸采用整体式结构，这种连接结构简单，适用于缸径较小的液压缸。后来考虑到这种结构，活塞的直径为 活塞杆直径为 在对其加工中，如果先车削出活塞外径 再车削出活塞杆直径 会造成很大的浪费材料，采用螺纹连接结构，不但结构简单，而且便于活塞、活塞杆的加工。 图 纹连接结构 压油箱的结构设计 在工业上液压油箱一般采用钢板焊接的液压油箱。 油管 （ 1） 在吸油管前面设置一个滤油器，选用精度为 21090 线隙式或网式滤油器。滤油器与箱底距离为 为了防止在吸油时吸进空气或使空气流入液压油箱的液压油搅动油面上，从而油中混入气泡，使得吸油管进入液压油面以下。 （ 2） 吸油管和回油管的方向：其目的是使油液流动时具有一定的方向性，综合一下考虑吸油管、隔板以及回油管的配置方式，使其尽量把吸油管和回油管用隔板进行隔开，为了防止因回油管中的压力波动而波及到吸油管，在设计时吸油管以及回油管的斜口方向保持一致。 盖和 清洗孔 （ 1）顶盖：如果在液压油箱顶盖上装有阀组和空气过滤器时，则必须使其十分牢固。液压油箱和它们的接合面需要光滑平整，而且将密封的填料、液压密封胶以及耐油橡胶密封垫圈衬入在邮箱里面，目的就是防止水、空气和杂质进入，同时还防止泄露，还可以防止由管道和阀中的液压油泄漏在箱盖内，同时电机和液压泵安放在液压油箱的的上面。 湖南理工学院毕业设计（论文） 12 （ 2）清洗孔：安装在液压油箱上的清洗孔，能够进行大范围的去清洗油箱各个角落，保持液压箱的清洁，还能取出箱内的元件。 （ 3）污油与杂质的处理：为了便于处理污油，一般把液压油箱的底部设计成为倾斜式的 箱底。 （ 4）液压油箱的防锈与防腐蚀：为了防止液压油箱内部的腐蚀和生锈，应该在油箱内壁涂耐油防锈和腐蚀油漆。 （ 5）油箱液面的指示：为了很好检测液压油箱内的液面情况，应在箱的右面安装一个液面指示计，用来指示液面最高、最低位置。 盘的设计 夹具的结构原理。 根据夹具的作用，结构特征夹具的组件可以分为以下几大类： （ 1）定位装置； （ 2）加紧装置； （ 3）夹具体； （ 4）刀，指导组件和设备； （ 5）分裂设备； （ 6）其他组件和设备； 每个夹具的并不是所有各种各用的组件 ，根据加工的需要，还要在夹具上添加其他的组件和设备。 压卡盘的分析 根据对 控车床的卡紧动作的分析，可以把液压缸分为以下几个运动：向前卡紧，保持不动，向后松开。这样保持循环运动，其图如下： 向前卡紧 向后松开 图 盘液压缸运动循环图 保持不动 原位停止 湖南理工学院毕业设计（论文） 13 4 液压元件的选择 压泵的选择 计算液压泵的最大工作压力 p 1 （式 式中：1p 执行元件的最高工作压力； p 执行元件进油路的压力损失，查资料的知 11：对于夹紧、定位和压制等工况，当在执行元件到终点时系统才会出现最高压力，则 p =0；对于其他工况而言，那就要根据液压元件的规格和管路长度、直径都未确定时。因为该 系统相对比较简单，所以初选 55 1 0p 。 对于执行元件最高工作压力 31 2 即有： p 551 由于液压泵的最大工作压力随着工作压力变大而变大，所以齿轮泵的额定压力可选为 齿轮泵的最大流量为 L ，压力为 所以选取型号为 轮泵。 压阀及过滤器的选择 根据液压阀在系统中最大流量与最高工作压力，可选出液压阀所需要的元件的型号及规格。因为液压泵本的额定压力 额定流量为 0L ，所以通过各个阀的额定压力为 流量都为 0L 。所有元件的规格型号列于表中。过滤器可以按照液压泵额定流量的两倍来选取吸油，则选用线隙式过滤器。 管的选择 油管内径尺寸可以根据选用的液压元件接口尺寸而作选择，也可按管路一定的流速进行选择。由于该系统最大流量为 ， 所以压油管的所允许流速为 5 ,则内径 d 为： 湖南理工学院毕业设计（论文） 14 综合诸因素，现取油管的内径 d 为 确定液压泵的最大流量 p （式 式中： 同时动作各执行元件所需流量总和的最大值； K 泄露系数，查资料 一般取 K ，大流量取小值，反之取大值。 从该系统所要求的功能和 所给的参数可知，本系统为小流量所以取 。车床工作时的流量为换向时的流量约为 L ，即： 1 . 3 4 / m i n 5 . 2 / m i L 油箱容积的确定： 对于液压油箱在不同的工作条件下，散热都有所不同，通常按照压力范围来进行选定 12。 因为 本系统为低压系统，在低压系统时（ ） 可取：42( 。 所以油箱容积为： 8 通过从师傅那了解，在考虑到漏油与散热等因素影响，所以最后选定油箱容积为。 压油箱的外形尺寸 在对液压油箱的有效容积进行确定以后，则需要设计液压油箱的整体外形尺寸。但本次选用的外型尺寸为：长 宽 高 外型尺寸。 动机的选择 在对液压泵的规格型号确定后，驱动液压泵的电动机功率也可按下式进行计算： （式 式中： P 电动机功率（ W ）； p 液压泵最大工作压力（ ； 液压泵的输出流量（ ）； 湖南理工学院毕业设计（论文） 15 p 液压泵总效率。 7 可以选出电动机标准功率为 速 500 r 型号为 表 压元件明细表 序号 元件名称 型号 个数 1 单向节流阀 2 三位四通电磁换向阀 3 调速阀 4 电动机 5 过滤器 6 油泵 7 溢流阀 8 压力表 湖南理工学院毕业设计（论文） 16 5 各液压元件的安装 与连接的设计 动机和液压泵的连接方式 对于电动机和液压泵的联接方式在工业上有三种，其分别为法兰式、直接式和法兰支架式。 （ 1）法兰式：在法兰上安装液压泵，同时把法兰再与带法兰盘的电机进行联接。液压泵与电动机通过法兰盘上的止口来确保它们的同轴度。这种结构在拆装中很方便。 （ 2）直接式：直接把液压泵安装在支架的止口里，然后通过支架的底面与底板相连接，再和电动机带有底座的相联。 （ 3）法兰支架式：首先液压泵与电动机以法兰形式相联接，然后法兰再和支架相联接，最后在底板上安装支架。这种方式的优点是大底板不需要 加工，安装起来简单，通过法兰盘上的止口来保证电动机与液压泵的同轴度。 对于上面三种方法分析，该系统我选用支架式结构作为直接式连接方式，但这种连接方式在保证连接时的同轴度上有点困难。为了防止在安装时产生同轴度误差所带来的不好影响 ， 该液压泵和电动机在联接时选用 花弹性柱塞联轴器。其目的就是增加液压泵和电动机的联接时的刚性，防止产生一些共振，保证连接时的同轴度要求，然后把液压泵和电动机先安装在底板刚性较好上使它们成为一体，最后把底板焊接到油箱上面。 压泵的安装方式 在工业上液压泵装置包括不同种类的驱 动电机、液压泵机和其它联轴器等。液压泵的安装方式在工业中分为卧式和立式两种。 （ 1）卧式安装：是把液压泵与之联系的油管安放在液压油箱外面，这种结构外观美观、形式紧凑，同时能够保证液压泵与电动机的同轴度。该方法吸油性能好，漏油时可以直接流回液压油箱，同时还节省不小面积。所以该液压站选用了卧式安装的方法。电机和液压泵都安装在油箱的上侧。 （ 2）立式安装：当电动机和液压泵的尺寸比较大时且液压支架所需要的功率比较大，则适合选用该种安装方式。 盖与缸体的连接形式 缸盖和缸体端部的连接形式与缸体材料，所受的工作 压力以及工作条件有关。常见湖南理工学院毕业设计（论文） 17 的有法兰连接、螺纹连接、内半环连接。该系统选用的是螺纹连接，其优点是：尺寸小，设计灵活；缺点是：需要较高的工艺要求，装卸时要用专用工具。 湖南理工学院毕业设计（论文） 18 6 集成块的设计 通常情况下 13，集成块由螺钉把各类液压阀安装在一起，便于集成控制、维修、调节压力和方便油路的连接以及控制线路的连接等。紧固在液压油箱上。 集成块的工作要求有如下几个： （ 1）各类阀和管道中的 工作介质为 #32N 或 #46N 液压油 ，固密封性要求较高，各个连接件 之间 必须 加密封圈 ； （ 2）弯道少，液体阻击力小 （ 3） 所有棱边倒圆角，去毛刺 ； （ 4） 表面 进行防锈 处理 ； （ 5） 钢坯不得有影响使用的气孔裂纹和杂质等缺陷 ； （ 6） 其余孔的定位尺寸公差为 湖南理工学院