毕业设计（论文）-卧式单工位双面组合机床液压系统设计.doc

内蒙古民族大学学士学位论文编号：099290141065本 科 毕 业 论 文题 目：卧式单工位双面组合机床液压系统设计 学 院： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 年级： 09机制一班 姓 名： 张加红 指导教师： 李理 完成日期： 卧式单工位双面组合机床液压系统设计摘要：本次设计主要围绕卧式单工位双面组合机床的液压传动部分，首先对液压传动的发展和应用进行总体阐述，并对本机床要加工零件小型拖拉机操纵轴进行工艺分析来其机床确定液压传动部分滑台及导轨的设计与分析。最后对液压系统进行整体设计分析，并分析和选择各个回路，之后画出卧式单工位双面组合机床液压传动部分的原理图，最后在对液压缸、液压泵及控制元件进行选择。关键词：液压传动系统；液压滑台；导轨Horizontal single two-sided design of the hydraulic system of modular machine toolAbstract：This design around a horizontal single-station double sided combined machine tool hydraulic parts, first to a general explanation of the development and application of hydraulic transmission, and on-the machine to machine parts-tractor technology analysis machine manipulated axis to determine hydraulic design and analysis of some slides and Rails. Finally the entire hydraulic system for design and composition analysis and choice of the hydraulic system of the circuit, and then draw a horizontal single-station double sided combined machine tool hydraulic schematic diagram of parts, final selections for hydraulic cylinders, hydraulic pumps and control components.Key words: Hydraulic power transmission system； hydraulic slipway；guides目录1. 绪论11.1液压传动的发展概况11.2液压传动的概述11.2.1液压传动的优缺点11.2.2液压传动系统在组合机床中的应用22.机床总体设计分析22.1机床总体布局设计22.2工件工艺性分析43.液压滑台设计53.1液压滑台系统的概述53.1.1液压滑台的特点53.1.2液压系统对滑台的要求53.2导轨的设计63.2.1导轨的功用及分类63.2.2导轨的结构及组合形式63.2.3导轨的防护93.3滑台结构形式104.液压系统的设计104.1参数的选择104.2液压系统的工作要求114.3液压传动系统图的绘制114.3.1调速回路的选择114.3.2快速运动及换向回路的选用114.3.3速度换接回路的选用124.3.4液压系统原理图135.液压元件的选择135.1液压缸的分析计算135.2液压泵的确定175.2.1压泵实际工作压力的确定175.2.2液压泵流量的确定185.2.3液压泵电动机功率的确定185.3控制元件的选择195.4其它辅助装置的选择20参考文献21致谢2221. 绪论1.1液压传动的发展概况世界上第一台水压机出现距今已180多年了，但液压传动这项技术被广泛应用于各工业部门只不过是近五十年的事。所以液压传动相对来说是一门新兴的技术。在解放以前，在液压技术方面我国还只是个空白，到了解放以后，很多工厂及科研单位自行设计制造液压传动装置及其元件，液压技术在我国才发展起来。我国第一台由液压传动的组合机床也随着组合机床研究所的成立而问世。此后，各研究所在逐步提高元件的性能和质量等方面做了大量的工作，为实现元件标准化、系列化、规格化奠定了夯实的基础。二十世纪六十年代以来，随着电子及原子能等技术的发展，液压技术渗透的领域更为宽广了。如今，液压传动的应用程度已成为衡量国家工业发展水平的重要指标。随着自动化程度的逐步提高，与其相匹配的应用元件的数量也急剧增加。其应用元件的小型化与系统集成化成为发展的必然趋势。近几十年来，液压技术与传感、微电子等技术的亲密结合，出现了很多机电一体化元件，使液压技术在很多方面取得了重大突破。很显然，当今液压技术的重要发展方向为液压元件及其系统辅助设计、电子计算机辅助实验及实时监控等。1.2液压传动的概述1.2.1液压传动的优缺点液压传动区别于其它传动之处在于其以液体作为传递动力的介质，进行能量传递和控制。由各种元件组成功能不同的基本回路，而几个功能不同的基本回路可结合成具有特定功能和特定应用的传动系统。以下是液压传动具有的不同于其它传动的优点：1） 体积小、重量轻、承载能力较大、反应灵敏并且其结构紧凑。2） 调速范围与调速比很大，及易达到无极调速。3） 液压传动其运动平稳，易于完成快速及转向等各种动作。4） 能够自润滑，磨损少，寿命较长。5） 元件通用化及标准化程度高，便于元件的大批量生产与维修。而液压传动的缺点为：1） 在工作中存在内、外泄露，从而降低了传动效率。2） 液体的泄露及可压缩性决定了液压传动系统不适合直接应用于定比传动。3） 油温的变化会对其工作的稳定性产生影响。4） 不易查找故障原因。1.2.2在组合机床中液压传动系统的应用在组合机床中，液压传动系统主要用来实现进给运动及一些辅助运动等。控制板式与液压站式是液压系统在组合机床中的主要配置型式。液压板式即把液压元件安装在一个或多个箱体之上在箱体上钻孔来实现油路的对接；液压站式即把液压元件固定于有油箱的立板上，用油管实现油路对接。控制板式传动系统的优点为结构紧凑，其占地面积较小，缺点为工艺性及灵活性相对较差；液压站式的优点为灵活性相对较好，元件的通用化及标准化程度高，便于生产和维修。2.机床总体设计分析2.1机床总体布局设计机床的总体布局主要是确定组成机床的各零件和部件，以及各个部件与机床的操纵机构、机床的控制机构等在整台机床中的配置方式。以下为总体布局的基本要求：（1）工件的装夹位置及与刀具的相对运动应能达到其加工工艺方法要求。（2）机床应满足与加工精度相适应的刚度及抗振性。（3）应易于控制、调整及维修机床；便于传送、装卸工件及排屑。（4）具有较好的经济性，节省原材料、减少其占地面积等等。（5）造型需美观。 图2-2机床外形示意图由被加工零件的特点及其工艺要求，以高度集中的加工工序原则设计并组合成一种高效率的机床即为组合机床。选用组合机床前，首先应考虑组合机床所能完成的工艺要求及各种加工方法所能达到的加工精度、表面粗糙度，以及采用组合机床加工的合理性等问题。若零件可用组合机床进行加工，则为使其能顺利按照要求的生产率进行，必须在大量了解零件加工工艺基础之上，综合考虑影响其制定工艺方案等问题，本文选用的机床为专用组合机床。2.2工件工艺性分析工件为机床的加工对象，同时也是总体方案设计的重要依据之一。因此须明确知道工件的特点及加工要求，如被加工面的相互位置精度、其表面光洁度、尺寸精度及所要求的生产率等等。对工件进行分析如下：加工拖拉机操纵轴的方头，如上图2-3，原工序在已加工的外圆后，用铣床铣削，因其存在分度转位，则辅助的工时会比较长。若将铣削改为组合机床车削，工件安夹在机床中间底座上，这样机床在工作时，作回转主运动的是安装有两把车刀的车头主轴，作进给运动的则是由液压滑台带动的车头。一次的装夹工作中一个工步将完成4 个平面的切削工作，生产效率得到了大幅度的提高。该零件材料为45号钢，零件在工作中受力并不是很大，可在车削完成后进行淬火处理，既能提高其刚度和强度，还可延长其使用的寿命。3.液压滑台设计3.1液压滑台系统的概述3.1.1液压滑台的特点（1）切削力、摩擦阻力及制动过程中的所产生的惯性力是滑台的主要负载力，其最大的负荷一般均小于10kN。但是为保证其运动的平稳性及工作可靠性等条件，一般采用中、低压系统，压力小于6MPa。根据滑台快速进退的速度来确定液压系统的流量，其流量值一般都小于100L/min。（2）一般情况下滑台的快进及快退速度几乎相等，所以多选用以差动连接的单出杆液压缸。（3）为了解决工进、快进及快退时对流量需求差别较大的情况，并提高系统的效率，除选用差动缸外，一般还选用限压式变量泵、高低压双泵的供油方式。（4）针对各工况速度换接的情况，一般多选用行程控制，如行程阀或电器行程开关及电磁阀等的组合方式。3.1.2液压系统对滑台的要求 （1）可在变负载或断续负载下正常工作，可使滑台的进给速度尤其是最低进给速度（通常约为5mm/min）保持稳定，以确保其加工的精度。 （2）可承受规定范围内的载荷，同时有较大的工进调速范围（一般为5900mm/min）来适应不同的工艺对其工序的要求。 （3）能实现快速前进、快速后退和各个进给速度之间的平稳与快速换接。 （4） 具有多个滑台同时进行工作的系统，应防止各执行元件之间因压力与流量相互影响而造成的动作上的干扰。 （5） 减少系统发热的同时也要合理的利用能量来提高系统的效率，尽可能解决工进和快速进退时的速度差所造成流量值较大的矛盾。 3.2导轨的设计3.2.1导轨的功用及分类导轨的功用是支撑并引用运动部件，使其沿着一定的轨迹进行准确的运动。在导轨副中，运动的一方为动导轨，不动的则是支承导轨。通常情况下，动导轨相对于支承导轨作直线或回转运动。由导轨的性质可分类如下：1）根据其运动性质的不同可分为作主运动的导轨、作进给运动的导轨和能够移置的导轨。能够移置的导轨通常只用来调整各个部件之间的相对位置，例如车床的床尾导轨。2）根据其摩擦性质的不同可分为滑动的导轨及滚动的导轨。滑动的导轨根据其摩擦状态的不同又可分为静压导轨、动压导轨、混合摩擦导轨及边界摩擦导轨。 3）根据其受力情况的不同又可分为开式和闭式的导轨。如下图31，在部件本身的自重及外载荷共同作用下，c和d两个导轨面始终贴合的导轨称为开式导轨。而当有较大的倾覆力矩作用时，部件的自重就不能够使e和f的主导轨面始终贴合，就必须增加1和2压板使其形成g和h辅助导轨面，称其为闭式导轨。 图3-1开式与闭式导轨3.2.2导轨的结构及组合形式滑动导轨的结构分为凸形和凹形两类。对于卧式机床，凸形导轨的切屑不易积存，但却很难保存润滑油，所以只适合于低速的运动；凹形导轨的润滑性能良好，适合作高速运动，但为了防止落入切屑，则须配用良好的防护装置。 下图为作直线运动的导轨截面基本形状简图。 A b c d图 32导轨的截面形状图a是类似三角形的三角形导轨，其具有较好的导向精度及精度保持性能，但是由于其定位、加工、检验和维修等过程比较困难，因此多用于高精度要求的设备，如单柱坐标镗床。 图b为矩形导轨。矩形导轨制造简单，承载能力较大，并且拥有的导轨面不受水平误差和垂直误差的相互影响，便于进行调整并安装。但是由于其侧面磨损以后不能自动补偿，则需要有能进行间隙调整的装置，所以导向性较差，适用于普通精度的设备。图c为类似燕子尾部的燕尾形导轨。在闭式导轨中接触面最少的就是燕尾形导轨。有尺寸高度较小并能承受颠覆力矩的优点，同样其磨损以后不能够自动进行补偿，进行调整得需要用镶条，因此其缺点是刚性较差，摩擦力也很大。通常适用于中、低速的多层导轨。 图d为具有圆体形状的圆柱形导轨。圆柱形导轨相对比较简单制造，但需要及时清理积存的铁屑。其磨损后也很难进行调整和补偿，因此一般多用于只受轴向载荷的场合。本文暂时试选用矩形导轨。为限制运动部件转动的自由度，直线运动导轨通常都由两条导轨组合而成。对于重型机床，可移动部件宽度较大，又要承受较大的重载荷，所以常选用3条或3条以上的导轨来实现导向外承受载荷。下图为常见的导轨组合形式。图a的组合为双二角形 其优势为导向精度比较高，精度保持性能较好，同时其磨损后能自动补偿，但很难使4个表面同时接触，制造比较困难。普遍应用于精度要求高的机床。图b为双矩形组合 承载能力较大，较容易制造调整，但导向性能较差，磨损以后不能够自动进行补偿，很大程度的影响加工精度，多适用于普通精度机床及重型机床等。图c为三角矩形组合 这种组合形式具有导向性能好、制造简单和刚度高的优点，应用最为广泛。图d为燕尾形的组合 导向和压板的作用同时由两个燕尾平面承担，调整接触面间的间隙只需一根镶条，但却不能承受过大的颠覆力矩，摩擦损失较大。适合层数多、尺寸较小、调整间隙简易及移动速度不大的情况，如车床刀架导轨等。图e为燕尾矩形组合 该组合可承受较大的力矩，同时也便于调整接触面间的间隙，故多适用于横梁及摇臂的导轨等等。图f双圆柱形组合 制造简单，但磨损以后很难补偿。通常适用于仅受轴向力的场合，如压力机及机械手的导轨等。本文选用双矩形组合。3.2.3导轨的防护 图34 导轨的防护上图为几种导轨的防护方式。图a为刮板式，刮板可以是毛毡l，把金属刮板2及螺钉组合使用。当动导轨移动的时候，刮板可清除支撑导轨面上的切屑及灰尘，但却易因细小杂物对导轨进行刮磨，因此仅适合移动速度低的导轨。图b为钢带式防护单，韧带4的一端绕在端部滚轮3上，另一端固定于运动部件之上，当运动部件发生移动时，钢带在滚轮上随其展开或卷起。该防护罩结构简易，但当切屑及杂物在滚轮上卷动时容易被带至钢带内表面进而掉在导轨面上，防护效果受到影响。图c为固定式防护罩，运动部件被铁皮罩固定从而盖住导轨的表面。该防护罩具有简单的结构，但是密封性能较差，通常只在行程不大的中小型机床中应用。图d为层叠式防护罩，由多段金属薄板制成，外层盖板6及内层盖板7分别固定于运动部件5及床身8上，当运动部件发生移动时，防护罩可伴随其伸长、缩短。这种防护罩具有较好的耐热性，寿命长，但制造复杂，成本很高，适用于大型及精密机床的防护。图c为折叠式防护罩，由皮革、塑料或帆布制成，该防护罩具有结构简单，防护效果较好的优点。但却容易损坏，制造成本高，通常用于磨床及精密机床。本文选用刮板式防护装置。3.3滑台结构形式 图3-5滑台结构形式示意图参考同种类型机床的导轨尺寸来确定导轨的间距。从参考资料看，中等尺寸普通车床导轨的跨距和最大回转半径之比。这里选取系数为1.0，则： 4.液压系统的设计4.1参数的选择对工件加工方法进行分析，该工件为可知一次装夹一次进刀完成切削。则工作台的自动工作循环顺序：。总体参数为：滑台总重量为5000N，切削最大阻力为883N，滑台快进、快退的速度为0.05m/s，工进的速度为1237mm/min，加、减速的时间为0.1s，采用矩形导轨，选取动摩擦系数=0.1，静摩擦系数=0.2，滑台快进行程为0.15m，工进行程为0.05m。4.2液压系统的工作要求根据加工需求，由液压滑台带动主轴和刀具做进给运动，而工件不动，“”，执行机构选用活塞杆。考虑到车削进给系统有低速、稳定性好的要求，并且其传动功率并不大，故拟选用的节流调速方式由调速阀及定量泵组成。 拟选用由行程开关及电磁换向阀组成的行程控制顺序动作回路来实现其自动工作循环，并且能使零件的加工长度满足加工要求。4.3液压传动系统图的绘制4.3.1调速回路的选择由于该机床的液压传动系统的功率小于1kw,较低的相对速度；变化较小的切削力，故选用开式的节流调速回路比较合适，同时选用调速阀进油节流调速回路，并在回油路中加上背压阀来阻止工件向前冲而且还能保证并增加运动的平稳性。图4-1调速回路的选用4.3.2快速运动及换向回路的选用由于要求不同的快进及快退的速度，在单泵供油的基础上，快进和快退时分别采用单方向行程运动调速回路及有杆腔进油、无杆腔回油的液压缸快速运动回路。图4-2快速运动及转向回路的选用4.3.3速度换接回路的选用动力头部件由快进转为工进时滑台的速度变化较大，为减少液压的冲击，可选用行程阀来控制速度的换接。图4-3行程阀示意图4.3.4液压系统原理图该液压系统同时驱动两个动作循环完全一样的车削头。可选用差动连接回路来减小液压泵流量，并使快速进给及后退速度相等。在行程过程中采用机动滑阀，保证其安全可靠的同时还能使速度转换平稳。当快进转工进后，系统的压力会升高，将自动打开遥控顺序阀，回油经过背压阀流回到油箱，系统就不再差动连接。5.液压元件的选择5.1液压缸的分析计算(1)总载荷F的计算对液压缸的工作情况进行分析，得到液压缸的受力图：图5-1液压缸的受力示意图由图可知： 式中： 题目给定值为5000N； 活塞上所受到的惯性力； 密封阻力；导轨的摩擦阻力； 回油背压形成的阻力。1）计算惯性力按下式进行计算：(N)式中 ： G滑台总重量估算其数值约为5000N； g重力加速度，9.8m/； 速度变化的差值，由该液压系统工进时可知，； 启动或制动的时间，通常选取约为0.010.5s，本文选取。将各数值代入上式可得 2）计算密封阻力 式中：空载时，克服液压缸密封件的摩擦阻力，该液压缸暂时选用Y形的密封圈，假设其液压缸的工作压力p2MPa，查资料可得，本文选取。进油工作腔的有效面积值，该值是未选定的数值，初步估计为。启动时 运动时 3）计算摩擦力本文机床导轨选用铸铁材料，其结构受力分析如下图52。图5-2 导轨受力示意图则铸铁件间的摩擦力为：式中 G滑台总重量，其数值为5000N； 在导轨垂直方向切削力的分力，按切削原理通常为：，因此动摩擦因数，查阅参考文献十中表13-1，选取，将各值带入上述式子： 4) 计算回油背压阻力按下式计算式中 : 回油背压，通常取0.30.5MPa，本文选取=0.3MPa；活塞杆腔的面积，由杆腔两边差动比是2：1可初估，将各数值代入上式可得：经过对液压缸各工作阶段的受力情况分析可知，工进阶段为受力最大的阶段，活塞上的总载荷为： （2）确定液压缸的结构尺寸及工作压力查参考文献十中表13-1的数据对系统的工作压力进行确定，据文献本文选取的工作压力为。计算液压缸的有效工作面积，结果如下：活塞的直径为 由于液压缸的差动比是1：2，则活塞杆的直径 dO.7D0.733=23.1mm选取标准推鉴直径，则D=40mm，d25mm，则工作压力本文选取因为本文涉及的机床的两个切削头工作时需同时做低速进给运动，所以确定液压缸活塞有效工作面积以后，还须以最低进给速度来验算液压缸的尺寸，那么流量阀的最小稳定流量，选取其最小稳定流量为20mL/min；活塞的最低进给速度，本文选取为20mm/min；根据上面计算的数值，得又因为 ,所以 ，说明液压缸尺寸满足其要求。5.2液压泵的确定5.2.1压泵实际工作压力的确定式中：选取为1.36MPa；为之和，回油路选用调速阀系统，约为（0.41.5），本文选取为0.4MPa。由此确定液压泵实际工作压力为5.2.2液压泵流量的确定式中： K 泄露因数，本文选取其值为； 两切削头同时快进时所需的最大总流量。的计算过程如下：将数值带入以上式子得：其实际工作压力为1.86MPa，液压泵流量为5.06L/min，所以选择液压泵。5.2.3液压泵电动机功率的确定1）最大工进时的功率为式中 ： 最大工进速度时所需的总流量； 液压泵的实际工作压力，其值为1.86MPa； 总效率，本文选取。计算 的值为：代入以上公式得2) 快速空载时受力及其功率的计算与电机的选择快速空载时， ，公式中各量计算数值为 因此 快速空载时，选取,则此时液压泵的输出压力为前面已经求出液压泵的最大流量，快速空载的功率因此按其空载达到最大速度时所需的功率选择电机。由异步电动机的各项数值，额定功率为0.55KW，额定转速为，故选其为本设计的电动机，安装类型为，安装长度为285mm。5.3控制元件的选择在标准元件的样本中选取控制元件的