GY01-205@特殊螺纹轴的数控加工工艺设计
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机械毕业设计全套
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GY01-205@特殊螺纹轴的数控加工工艺设计,机械毕业设计全套
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前 言 科学技术日新月异，工业生产不断进步，市场对产品的质量和生产效率提出了越来越高的要求。产品加工工艺过程的自动化是实现高质量、高效率最重要的措施之一。 组合机床 作为 一种专用高效自动化技术 设 备 ，已成为 大批量机械产品实现高效、 高质量和经济性生产的关键装备， 是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备。 组合机床及的技术性能和综合自动化水平，在很大程度上决定了这些工业部门产品的生产效率、产品质量和企业生产组织的结构，也在很大程度上决定了企业产品的竞争力 。 组合机床根据工件加工需要，以大量通 用部件为基础配以少量专用部件组成的一种高效专用机床。 PLC 控制机械加工是当今主流的一种机械加工方式。是在各类生产中应用最多的一项技术，也是机械设计类大学毕业生必须掌握的一种设计方法，这次设计的课题就是有关 PLC 来控制车床主轴箱箱体右侧十个M8螺纹底孔组合钻床的设计。 PLC 控制是具有功能完善、通用灵活、简单易懂、操作方便和价格便宜等优点，这不仅满足了现代社会对生产的需要同时也体现了人性化设计的同时，PLC控制也存在某些方面的不足， 如国外进口设备上的可编程控制器型号多样，技术资料不全，缺少实验装置的配置等， 还 需要在具体的实践中不断的完善与改进。 nts 1毕业设计的目的和内容 毕业设计是学生在校学习期间最后一个重要环节，毕业设计旨在培养学生综合运用所学知识进行设计的能力。 1.1 通过毕业设计应达到以下目的： （ 1）了解有关产品的设计的一般程序和方法。 （ 2）综合运用所学知识培养独立解决有关工程技术问题的能力，巩固和提高计算和制图基本技能。 （ 3）初步具备调查研究，收集资料、分析和综合问题及撰写技术文件方面的能力。 （ 4）围绕 毕业设计课题一步一步加深和扩大知识领域。 （ 5）逐步树立真确的设计思想和认真的设计作风。 1.2 毕业设计的有关内容及计算： （ 1）材料 HT300：该加工件为主轴箱箱体，由表 3-1 灰铸铁的牌号和力学性能 ，可知 HT300 型号的铸铁适于制造多轴机床主轴箱。 （ 2）硬度 242HBS：查表 3.2-3 灰铸铁铸件预计的机械性能及应用举例，有 b=290MPa，由硬度与抗拉强度间对应的经验公式，当 b196MPa 时 HB=RH（ 100+0.438 b） 灰铸铁相对硬度 RH=0.8 1.20 所以 HBmax=272HBS， HBmin=182HBS， 查表 7-24 组合机床设计中推荐的切削力、扭矩及功率计算公式的注解中 HB=HBmax-（ HBmax- HBmin） /3 从而 HB=272-（ 272-182） /3 =242HBS （ 3）重量估算 nts m= 2223 04.02*2052.02*2035.0*14.3265.0*214.0*292.0*10*7 =38Kg 2方案讨论及总体设计 组合机床是由大量的通用部件为基础，配以少量专用部件组成的一种高效专用机床。它能对一种 或几种零件进行多刀、多轴、多面、多工位加工，在组合机床上可以完成钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻丝、车削、铣削、磨削及滚压等工序；生产效力高，加工质量稳定。其组成是：床身（侧底座）、底座（中间底座、立柱底座）、动力滑台、夹具、动力箱、多轴箱、立拄、垫铁、液压装置、电器控制设备、刀具等。 总体方案设计主要包括制定工艺方案（确定零件在组合机床完成的工艺内容及加工方法，选择定位基准和夹紧部位，决定工步和刀具结构形式、种类及切削用量等）、确定机床装配形式、制定影响机床总体布局和技术性能的主要部件的结构方案。 2.1 组合机床工艺方案的制定 2.1.1 根据题目要求，该组合机床采用液压滑台驱动，实现进给运动。本设计为钻 10个 M8的螺纹底孔，分析可知，其加工为单工位的平面加工，且其加工的精度要求不是不高，生产需要为大批大量生产，故该组合机床的通用部件使用大型部件。 （ 1）由工序集中的原则 考虑该工件加工孔间相对位置有严格的精度要求，所以应该在一次工序中集中加工，以免 2次安装产生的误差影响和便于机床精度调整与找正 （ 2）孔间中心距的限制 查表 7-37 通用主轴最小间距 对于滚针轴承主轴 dmin35.5mm 由加工工序图可有主轴 7和 9之间距离最小，因此 dmin= 2122 30s in4060s in*45105.2260s in*4040 nts =41.5mm35.5mm （ 3）生产批量要求 该组合机床要求能够满足大批量工件的加工需求，其通用部件因该使用大型部件。 2.1.2 定位基准和夹压部位的选择 组合机床一般为工序集中的多刀加工，不但切削负荷大，而且工件受力方向变化。因此，正确选择定位基准和夹压部位是保证加工精度的重要条件。对于毛坯基准选择要考 虑有关工序加工余量的均匀性；对于光面定位基准的选择要考虑基面与加工部位间位置尺寸关系，使它利于保证加工精度。定位夹压部位的选择应在有足够的夹紧力下工件产生的变形最小，并且夹具易于设置导向和通过刀具。该螺纹底孔分别以孔 、 、 的轴线为中心作为定位基准，而孔 、 的轴线又以孔 的轴线为平行基准，考虑到夹紧问题，选择孔 、 的轴线为加工件的定位基准，另一侧面为定位面，加工面作为夹紧面。 2.1.3 工序间余量的确定 为保证加工质量，必须合理确定工序间余量。该组合机床为螺纹底孔初步加工，一次性完成，按螺孔 M8 的 小径来加工，其工序的余量可以忽略，不予考虑。 2.1.4 刀具结构的选择 正确选择刀具结构，对保证机床正常工作极为重要。根据工艺要求和加工精度不同，组合机床常用刀具有一般刀具（标准刀具）、复合刀具及特种刀具等。选择刀具结构应注意以下问题： a. 只要条件许可，为使工作可靠，结构简单刃磨容易，应尽量选用标准刀具和一般简单刀具。 b. 为提高工序集中程度或保证加工精度，可采用先后加工或同时加工两个或两个以上表面的复合刀具。但应尽量采用组装式结构，如装几把镗刀的镗杆：几把扩孔钻或铰刀的刀杆，同时加工孔及端面的镗刀 头等。整体式复合刀具制造刃磨较困难，刀体不能重复使用，成本高，只有为了节省工位或机床台数和为了保证加工精度所必须时才能采用。 c. 选择刀具结构必须考虑工件材料特点。如加工硬度要求较高的铸铁或钢nts 件时，为提高刀具耐用度，减少换刀时间，宜采用多刃铰刀或多刃镗头加工，以解决断屑及排屑问题。 2.2 切削用量的确定 切削用量选择是否合理，对组合机床的加工精度、生产率、刀具耐用度、机床的结构型式及工作可靠性均有较大影响。由于钻孔要求较高的切削速度和较小的进给量，查表 7-19 高速钢钻头切削用量 有刀具切削速度为 v=（ 10 18）m/min，进给量为 f=(0.1 0.18)mm/r,现取 v=18m/min、 f=0.15mm/r。 2.3 确定切削力、切削转矩、切削功率 根据选定的切削用量（主要指切削速度 v 及进给量 f），确定进给力作为选用动力滑台及设计夹具的依据；确定切削转矩用以确定主轴及其他传动件的尺寸；确定切削功率用作选择主传动电机功率。 根 据 表 7-24 组合机床设计中推荐的切削力、扭矩及功率计算公式有 M8的孔： 切削力 F= 6.08.026 HBDf = 726 6.08.0 24215.0 = 5.1074 （ N） 切削转矩 T= 6.08.09.110 HBfD = 6.08.09.1 2 4 215.0710 = 3.2381 （ N*mm） 切削功率 P=Tv/（ 9740 D） = )714.39740(183.2381 = 0.2KW 2.4 组合钻床主轴箱体上的 10个 M8螺纹底孔的加工工序图 根据加工工序图上加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度及技术要求，加工用的定位基准、夹压部位以及被加工零件的材料 HT300，其布氏硬度为 242HBS，加工部位壁厚 20mm来制定工艺方案。 nts 加工工序图如下： nts 2.5 液压滑台的设计计算 为了完成主轴箱体侧面 10个螺纹底孔的加工，液压滑台工作循环如图所示： nts 为实现上述工作循环，可以采用液压系统和电气系统操纵行程开关来实现快进 工进 快退的工作循环。其工作过程为：液压滑台快进后，当摆杆碰到中间行程开关时，经液压系统转换为工作进给，动力头以慢进速度完成加工循环，当碰到终点行程开关时，延时一段时间，动力头再变为快退，到碰到原位的行程开关后快退结束，动力头停止。在加工终了，压下终点行程开关，同时发出信号切断主轴旋转的信号即可，也既当液压滑台在快退到压下开始的限位开 关，主轴旋转停止。 由 F总 =10745N， 查表 7-15 1HY系列液压滑台主要技术性能，选择 1HY40M型液压滑台 以及相配套的侧底座 ，其行程为 630mm，台面宽度为 400mm，台面长度为 800mm，最大进给力为 20000（ N），工进速度为 12.5 500mm min-1，快进速度为 8m min-1。液压滑台与其附属部件配套，通过电气、液压联合控制实现自动循环。根据零件的尺寸图，选用一次工作进给，这种工作循环主要用于对工作进给速度要求不变的情况下，如：钻孔、扩孔、镗孔等。当孔加工深度要求较高精度时，可采用死 挡铁停留来保证。 附属部件、支承部件配套表： 滑台型 号 行程 (mm) 二级进给及压力 导轨防护 分级进给装置 滑台侧底座 立柱 立柱侧底座 1HY40 630 1HY40-F51 1HY40-F81 1CC401M 1CL40M 1CD401M 查表 5-3 1HY系列液压滑台卧式配置时联系尺寸： 液压滑台的尺寸为 : B=400m B1=400 B2=96 B360.5 B4=330 B5=85 b1=355 L=630 L1=1470 L2=800 L3=307 l=100 180 nts e=120 90 取 e=110 H1=320 H2=245 n=7 m=0 d0=M16 侧底座的尺寸为 : B6=600 B7=85 L4=1580 L5=250 L6=60 H3=560 H4=210 H5=110 H6=40 d1=M20*70 d2= 20 d3= 24 d4=G1 d5=G1/4 根据加工工件的尺寸 ， 可以 按 快进 （ 264mm）， 工进 （ 36mm）， 快退 （ 300mm） 。 的过程来放置行程开关，完成工件的加工。 2.6 加工示意图 2.6.1 加工示意图的作用和内容 nts 加工示意图是在工艺方案和机床总体方案初步确定的基础上绘制的。是表达工艺方案具体内容的机床工艺方案图。它是设计刀具、辅具、夹具、多轴箱和液压、电气系统以及选择动力部件、绘制机床总联系尺寸图的主要依据；是对机床总体布局和性能的原始要求；也是调整机床和刀具所必须的重要技术文 件。 见加工示意图 II表达和标注的内容用：机床的加工方法，工作循环和工作行程；工件、刀具及导向、托架及多轴箱之间的相对位置及其联系尺寸；主轴结构类型、尺寸及外伸长度；刀具类型、数量和结构尺寸（直径和长度）；接杆（包括镗杆）、浮动卡头、导向装置、等结构尺寸；刀具、导向套间的配合，刀具、接杆、主轴之间的连接方式及配合尺寸等。 2.6.2 选择刀具、导向及有关计算 （ 1）刀具的选择 根据工件的材质、加工精度、表面粗糙度、排屑及生产率等要求，刀具选用高速刚。只要条件允许，应尽量选用标准刀具。刀具插入接杆孔 内的长度，在绘制加工示意图时应注意从刀具的总长度中减去。 由表 5-2 普通螺纹基本尺寸 可以查得螺距为 1的 M8螺纹孔小径D1=6.917mm,根据工件的加工及材料特点，宜选用高速钢型的直柄麻花钻，通过表 2-106 直柄麻花钻 ,选择 d=7.00 上偏差为 0 下偏差为 -0.22的刀具。 其尺寸联系图： （ 2）导向结构的选择 nts 组合机床加工孔时，除采用刚性主轴加工方案外，零件上孔的位置精度主要是靠刀具的导向装置来保证的。因 此，正确选择导向结构和确定导向类型、参数、精度，是设计组合机床的重要内容，也是绘制加工示意图时必须解决的问题。 查表 7-26 导向装置的布置与参数选择及表 7-27 导向装置的配合来确定， 其尺寸见图： （ 3）确定主轴类型、尺寸、外伸长度 主轴类型主要依据工艺方法和刀杆与主轴的联结结构进行确定。主轴轴颈及轴端尺寸主要取决于进给抗力和主轴 刀具系统结构。 如与刀杆有浮动联接或刚性联接，主轴则有短悬伸镗孔主轴和长悬伸的钻孔主轴。主轴轴颈尺寸规格应根据选定的切削用量计算出切削转矩 T 总 =23.8N 根据表 7-28轴能承受的扭矩 可以得传动轴直径为 20mm. 综合考虑加工精度和具体工作条件，按表 7-31 通用主轴的系列参数 选定主轴外伸长度 L，外径 D 和内径 d1 及配套的刀具接杆莫氏锥度或攻螺纹靠模规格代号等。 对于卧式类钻削类主轴： 有主轴外伸长度 L=115mm， 外径 D=32mm， 内径 d1=20mm, nts (4）选择接杆、浮动卡头 除刚性主轴外，组合机床主轴与刀具 间常用接杆连接（称刚性连接）和浮动卡头连接（称浮动连接）。 在钻、扩、铰、锪孔及倒角等加工小孔时，通常都采用接杆。因多轴箱各主轴的外伸长度和刀具长度都为定值，为保证多轴箱上各刀具能同时到达加工终了位置，须采用轴向可调整的接杆来协调各轴的轴向长度，以满足同时加工完成各孔的要求。为使工件端面至多轴箱端面为最小距离，首先应按加工部位在外壁、加工孔深最浅、孔径又最大的主轴选定接杆（通常先按最小长度选取），由此选用其它接杆。接杆已标准化，通用标准接杆号和弹簧卡头可根据刀具尾部（莫氏号）和主轴头部内孔径直径按图 5-38 弹簧卡头、图 5-39 接杆 来选取。 为提高加工精度、减少主轴位置误差和主轴振摆对加工精度的影响，在采用长导向或双导向和多导向进行镗、扩、铰孔时，一般孔的位置精度靠夹具来保证。为避免主轴与夹具导套不同轴而引起的刀杆“别劲”现象影响加工精度，均可采用浮动卡头连接。 （ 5）标注联系尺寸 首先从同一多轴箱上所有刀具中找出影响联系尺寸的关键刀具，使其接杆最短，以获得加工终了时多轴箱前端面到工件端面之间所需的最小距离，并据此确定全部刀具、接杆、导向托架及工件之间的联系尺寸。主轴端部须标注外径和孔径（ D/d）、 外伸长度 L；刀具结构尺寸须标注直径和长度；导向结构尺寸应标注直径、长度、配合；工件至夹具之间须标注工件离导套端面的距离；还必须标注托架与夹具之间的尺寸、工件本身以及加工部位的尺寸和精度等。 多轴箱端面到工件端面之间的距离是加工示意图上重要的联系尺寸。为使所设计的机床结构紧凑，应尽量缩小这一距离。这一距离取决于两方面：一是多轴箱上刀具、接杆、主轴等结构和互相联系所需的最小轴向尺寸；二是机床总布局所要求的联系尺寸。这两个方面是互相制约的。 （ 6）标注切削用量 各主轴的切削用量应标注在相应的主轴后端。其内 容包括：主轴转速 n、相应刀具的切削速度 v、每转进给量 f。同一多轴箱上各主轴的每分钟进给量是相等的，等于动力滑台的工进速度 v，即 fM=vf。 nts （ 7）动力部件工作循环及行程的确定 动力部件的工作循环是指加工时，动力部件从原始位置开始运动到加工终了位置，又返回原位的动作过程。一般包括快速引进、工进进给和快速退回等动作。有时还有中间停止、多次往复进给、跳跃进给、死挡铁停留等特殊要求。 a.工作进给长度 LI的确定 组合机床上有第一工作进给和第二工作进给之分。前者用于钻、扩、铰和镗孔等工序；后者常用于钻或扩 孔后需要进行锪平面、倒大角等工序。工作进给长度 LI，应等于加工部位长度 L（多轴加工时按最长孔决定）与刀具切入长度 L1 和切出长度 L2 之和，即 LI=L+L1+L2 切入长度一般为 5 10mm，取 L1=10mm。 根据端面的误差情况确定。切出长度查表 3-7 有 ： L2=1/3d+（ 3 8） =2.3+（ 3 8） =5.3 10.3mm， 取 L2=6mm 则： LI= L+L1+L2=10+20+6=36mm b.快速引进长度的确定 快速引进是指动力部件把刀具送到工作进给位置，其长度按具 体情况确定，考虑到安装工件的必要尺寸取 L 快进 =264mm。 c.快速退回长度的确定 快速退回的长度等于快进长度和工进进给长度之和。一般在固定式夹具钻孔或扩孔的机床上，动力部件快速退回的行程，只要把所有刀具都退回导套内，不影响工作的装卸就行了。但对于夹具需要回转或移动的机床，动力部件快速退回行程必须把刀具、托架、活动钻模板及定位销都退离到夹具运动可能碰到的范围之外 ,L 快退 =36+264=300mm。 d.动力部件总行程的确定 动力部件的总行程除了满足工作循环向前和向后所需的行程外 ,还要考虑因刀具磨损 或补偿制造、安装误差 ,动力部件能够向前调节的距离 (即前备量 )和刀具装卸以及从接杆中或接杆连同刀具一起从主轴孔中取出时 ,动力部件需后退的距离 (刀具退离夹具导套外端面的距离应大于接杆插入主轴孔内或刀具插入接杆孔内的长度 ,即后备量 )。因此 ,动力部件的总行程为快退行程与前后备量之和。 nts 2.7 机床联系尺寸总图 nts 2.7.1 机床联系尺寸总图 的作用与内容 机床联系尺寸总图是以被加工零件工序图和加工示意图为依据，并按初步选定的主要通用部件以及确定的专用部件的总体结构而绘制的。是用来表示机床的配置型式、主要构成及各部件安装位置、相互联系、运动关系和操作方式的总体布局。用以检验各部件相对位置及尺寸联系能否满足加工要求和通用部件选择是否合适；它为多轴箱、夹具等专用部件设计提供重要依据；它可以看成是机床总体外观图。由其轮廓尺寸、占地面积、操作方式等可以检验是否适应用户现场使用环境。 2.7.2 绘制机床联系尺寸总图之前应确定的主要内容 （ 1）选择动力部件 动力部件的选择主要是确定动力箱（或各种工艺切削头）和动力滑台。动力箱规格要与滑台匹配，其驱动功率主要依据多轴箱所需传递的切削功率来选用。在不需要精确计算多轴箱功率或多轴箱尚未设计出来之前，可按下列简化公式进行估算： P 多轴箱 =P 切削 / 式中 P 切削 消耗于各主轴的切削功率的总和，单位为 KW；计算公式查表6-20计算。 多轴箱的传动效率，加工黑色金属时取 0.8 0.9，加工有色金属时取 0.7 0.8；取 为 0.8。 则： P 多轴箱 =P 切削 / =2/0.8 =2.5KW 查表 7-9 1TD32-1TD50动力箱性能 ，多轴箱选用 1TD40 型动力箱，其内部电动机型号为 Y132M-4，电动机功率为 3.0KW，电动机转速为 960r min-1。驱动轴转速为 480r min-1。 （ 2） 确定机床装料高度 H 装料高度一般是指工件安装基面至地面的垂直距离。在确定机床装料高度时，首先要考虑工人操作的方便性；对于流水线要考虑车间运送工件的滚道高度；对于自动线要考虑中间底座的足够高度，以便允许内腔通过随行夹具返回系统或泠却排屑系统。其次是机床内部结构尺寸限制和刚性要求。如工件最底孔位置nts h2、多轴箱允许 的最底主轴高度 h1 和通用部件、中间底座及夹具底座基本尺寸的限制等。考虑上述刚度、结构功能和使用要求等因素，新国家标准装料高度为1060mm，与国际标准 ISO 一致。实际设计时常在 850 1060mm 之间选取。本课题取装料高度为 H=930.5mm。 （ 3） 确定夹具轮廓尺寸 主要确定底座的长、宽、高尺寸。工件的轮廓尺寸和形状是确定夹具底座轮廓尺寸的基本依据。具体要考虑布置工件的定位、限位、夹紧机构、刀具导向装置以及夹具底座排屑和安装等方面的空间和面积需要。 加工示意图中已确定了一个或几个加工方向的工件与 导向间距离以及导向套的尺寸。这里主要是合理确定设置导向的钻模架体尺寸，可初步确定它在加工方向的尺寸一般不小于导向长度，取 L 长 503mm,至于宽度尺寸可据导向分布尺寸及工件限位元件安置需要确定，取 L 宽 480mm，工件夹紧高度 L=1072.5mm,夹具底座的高度尺寸，一方面要保证其有足够的刚度，同时要考虑机床的装料高度、中间底座的刚度、排屑的方便性和便于设置定位、夹紧机构，一般不小于 240mm。本课题高度为 240mm。对于较复杂的夹具，绘制联系尺寸总图之前应绘制夹具夹具结构草图，以便于确定夹具的主要参数、基本结 构方案及其外形控制尺寸。 （ 4） 确定中间底座尺寸 中间底座的轮廓尺寸，在长宽方向应满足夹具的安装需要。它在加工方向的尺寸，实际已由加工示意图所确定，图中已规定了机床在加工终了时工件端面至多轴箱前端面的距离。由此，根据选定的动力箱、滑台、侧底座等标准的位置关系，并考虑滑台的前备量，通过尺寸链就可以计算确定中间底座加工方向的尺寸（本课题选前备量为 30mm，计算长度为 740mm）。算出长度通常应圆整，并按R20 优选 数系选用。应注意，考虑到毛坯误差和装配偏移，中间底座支承夹具底座的空余边缘尺寸。当机床不用泠却液时不要小于 10 15mm；使用冷却液时不小于 70 100mm。还须注意：当加工终了时，多轴箱与夹具体轮廓间应有足够的距离，以便于调整和维修，并应有一定的前备量。 确定中间底座的高度方向尺寸时，应注意机床的刚性要求、冷却排屑系统要求以及侧底座连接尺寸要求。装料高度和夹具底座高度确定后，中间底座高度就已确定，本课题中高度为 560mm。 nts （ 5）确定多轴箱轮廓尺寸 标准通用钻、镗类多轴箱的厚度是一定的、卧式为 325mm，立式为 340mm。因此，确定多轴箱尺寸，主要是确定多轴箱的宽度 B 和高度 H 及最底主轴高度h1。见图多轴箱宽度 B、高度 H 的大小主要与被加工零件孔的分布位置有关，可按下式确定： B=b+2b1 H=h+h1+b1 式中 b 工件在宽度方向相距最远的两孔距离，单位为 mm； b1 最边缘主轴中心至箱体外壁距离，单位为 mm； h 工件在高度方向相距最远的两孔距离，单位为 mm； h1 最底主轴高度，单位为 mm。 b 和 h 为已知尺 寸，从加工工序图中查得： b=197.5mm， h=192mm。 为保证多轴箱内有足够安排齿轮的空间，推荐 b170 100mm。取b1=100mm，多轴箱最底主轴高度 h1 必须考虑与工件最低孔位置 h2、机床装料高度 H、滑台总高 h3、侧底座高度 h4 等尺寸之间的关系而确定。推荐 h185140mm，取 h1=108mm。 H、 B 的计算如下： B= b+2b1=197.5+2*100=397.5mm H= h+h1+b1=192+108+100=400mm 查表 5-40 1TD25-1TD80 动力箱与多轴 箱、滑台的联系尺寸 及表 7-3 多轴箱体规格尺寸及动力箱法兰尺寸，考虑到两者间的安装连接，应该选用 B*H=630mm*500mm 的多轴箱。 2.7.3 机床生产率计算卡 加工零件 图号 毛坯种类 灰铸铁 名称 车床主轴箱箱体 毛坯重量 38Kg 材料 HT300 硬度 HB242 nts 工序名称 钻螺纹底孔 工序号 序号 工步名称 零件个数 加工直径/mm 加工长度 工作行程/mm 切削速度 每分钟转速 每转进给量 每分钟进给量 工时 /min 机动时间 辅助时间 共计 1 装入工件 1 0.75 2 定位、夹紧 46 0.025 3 快进 264 8000 0.033 4 工进 7 20 36 18 468 0.15 70.2 0.51 5 停留 0.033 6 快退 300 8000 0.038 7 松开工件 46 0.025 8 卸下工件 0.75 nts 备注 本机床装卸工件时间取为 1.5min 单件总工时 0.51 1.654 2.164 实际生产率 27.7（件 /h） 要求生产率 15 30（件 /h） 第 3 章 液压系统的设计计算 3.1 轴承压装机液压缸的设计及计算 3.1.1 分析工况及设计要求，绘制液压系统草图 压装机工况分析： 压装缸： （图 2） 夹紧缸： 顶起定位缸： nts (图 3) (图 4) 液压原理图以及动作顺序表请参见付图 3，图 4： （图 5） 以下是 液压系统原理图 : nts （图 6） 3.1.2 计算液压缸的外负载 3.1.2.1 压装缸 已知 压装力为 196/KN，最大压装力为 475/KN并保压 5/s 3.1.2.2 夹紧缸 根据压装时的夹紧结构设计，初步确定夹紧力为 6000/N 3.1.2.3 顶起定位缸 因为是两个缸对称分布，而轮对重 1000/kg，所以每个缸的负载为 500*9.8=4900/N 3.1.2.4 确定系统的工作压力 系统分别有高压和低压，高压处最高为 9.5/Mpa，低压处最高为 2.5/Mpa，不得超过此数值，具体请参考液压原理图 3.2 确定液压缸的几何参数 3.2 1 压装缸尺寸计算： 3.2.1.1 液压缸工作压力的确定 nts 工进时为 9.5/Mpa，快进时为 2.5/Mpa 3.2.1.2 液压缸内径 D 和活塞杆直径 d 的确定 由下图可知： p 1p 2p 3Dd1d2 d3图 8 134RD=cmpp其中 R 为最大压装力 475/KN; cm 为机械效率 0.95; 1p 为最大输出压力 9.5/ paM ; 3p 为系统背压，在这取 0计算 ， 即无背压。则： 1 2 31 6 0 , 1 2 5 , 9 0d m m d m m d m m 查 1表 2-4（ GB2348-80）取 250D mm . 查 1表 2-3 、 2-5 取 1 2 31 6 0 , 1 2 5 , 9 0d m m d m m d m m 。 3.2.1.3 液压缸壁厚和外径的计算 液压缸的壁厚友液压缸的强度条件来计算。 液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内 应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。 液压缸的内径与其壁厚的比值 / 10D 的圆筒称为薄壁圆筒。其计算公式为： 2 ypD 式中 液压缸壁厚（ m） ; nts D 液压缸内径（ m） ; yp 试验压力，一般取最大工 作压力的（ 1.25: 1.5） /倍（ paM ） ; 缸筒材料的许用应力。其值为 :无缝钢管： 1 0 0 1 1 0 M p a : . 一级缸的内径计算 2 1 . 5 2 . 5 3 . 7 5yp M p a M p a ， 1 160d mm ， 100M pa 2 21 2 . 6 32 ypd mm 查 2 表 4-11及 C 表 2-115 采用外径为 160mm,壁厚为 18mm的无缝钢管。 同理取活塞杆材料为外径 90mm,壁厚 5mm的无缝钢管。 二级缸的内径计算 1 1 . 5 9 . 5 1 4 . 2 5yp M p a M p a ， 250D mm ， 100M pa 11 182 ypD mm 查 2 表 4-11及 C 表 2-115 采用外径为 325mm,壁厚为 38mm的无缝钢管。 3.2.1.4 液压缸工作行程的确定 液压缸工作行程长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参照 1 表 2-6中的尺寸系列来选取标准值。 一级缸工作行程长度为 200mm； 二级缸工作行程长度为 400mm. 3.2.1.5 缸盖厚度的确定 一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度 t按强度要求可用下面两式进行近似计算。 无孔时 20 . 4 3 3yptD 有孔时 nts 2 200 . 4 3 3 ()yptDDd 式中 t 缸盖有效厚度（ mm） ; 2D 缸盖止口内径（ mm） ; 0d 缸盖孔的直径（ m） . 一级缸缸盖厚度计算 后缸盖 120 . 4 3 31 4 . 2 50 . 4 3 3 2 5 01004 0 . 8 6ypDmm 前缸盖 22 1 20 . 4 3 3 6 . 7ypt t D m m 取 2t =15mm. 二级缸缸盖厚度计算 后缸盖 1320 . 4 3 31 4 . 2 50 . 4 3 3 2 5 01004 0 . 8 6yptDmm 取 3t =45mm: 前缸盖 242200 . 4 3 3()3 . 7 5 2 5 00 . 4 3 3 2 5 01 0 0 2 5 0 1 3 03 0 . 2 5yptDDdmm 取 4t =45/mm. 3.2.1.6 最小导向长度的确定 当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点的距离 H 称为最小导向长度。 对一般的液压缸，最小导向长度 H 应满足以下要求 nts 1 8 0 1 2 5 7 1 . 52 0 2 2 0 2LDH m m 式中 L 液压缸的最大行程 ; D 液压缸内径。 活塞的厚度 B 一般取 0 .6 1 .0BD : ；缸盖滑动支承面的长度 1l ，根据液压缸内径 而定 ; 当 80D mm 时，取 1 ( 0 .6 1 .0 )lD : ； 当 80D mm 时 ，取 1 ( 0 .6 1 .0 )ld : 。 对一级缸最小导向长度 1 8 0 1 2 5 7 1 . 52 0 2 2 0 2LDH m m ， 活塞宽度 及 滑动支承面的长度 1l 1 0 . 7 0 . 7 9 0 6 3l d m m 0 . 6 0 . 6 1 6 0 9 6B D m m 因 1 6 3 9 6 1 5 9 2 1 4 3l B m m H m m ，故无需设计隔套。 对二级缸 最小导向长度 4 0 0 2 5 0 1452 0 2 2 0 2LDH m m 活塞宽度 及 滑动支承面的长度 1l 1 0 . 7 0 . 6 1 6 0 9 6l d m m 0 . 6 0 . 6 2 5 0 1 5 0B D m m 为保证最小导向长度 H，在缸盖与活塞之间增加一隔套 K来增加 H的值。 隔套的长度 4 变量机构 轴向柱塞泵通过变量机构改变直轴泵斜盘倾斜角或斜轴泵摆缸摆动角，以改变输出流量的方向和大小。 变量机构的型式很 多， 按照控制方 式， 可分为手动式、机动式、电动式、液动式、电 液 比例控制式等。按照变量执 行机构可分为机械式、液压伺服机构式、液压缸式 ， 如图 9.1。按照性能参数还可分为恒功率式、恒压式、恒流量式等。 nts （ a） ( b ) ( c ) 图 9.1 变量执行机构 以上各种型式的变量机构常常组合使用。例如，图 9.1(a)所示，手动变量机构采用 杠 杆或采用手轮转动丝 杠， 带动斜盘改变倾斜 角， 如果用可逆电机旋转丝杠 可实现电动变量。图 9.1(b)所示，在伺服阀 C 端用手轮或杠杆输入 一位移量，称手动伺服变量 式； 若以电机或 液 压装置输入位移量时，则称电动或液动伺服变量 式； 如果输入的控制信号量使得泵输出的功率为常值，则构成了压力补偿变量式。再如图 9.1(c)中，用带有电磁阀的外液压源控制，可成为远程 液 控变量 式；如果用伺服阀控制变量缸，并使泵出 口 压力为恒 值 ，可成为恒压变量型式。 由此可知，变量的型式是多种多样的，下面介绍其中最常用的几种变量机构。 4.1 手动变量机构 手动变量机构是一种最简单的变量机构，适用于不经常变量的液压系统。变量时用手轮转动丝杠旋转，丝杠上的螺母直线运动带 动 斜 盘改变倾斜角实现变量。 手动变量机构原理图及变量特性如图 9.2 所示。 图 9.2 手动变量机构原理及特征 图中表明手动变量机构可实现双 向 变量。流量 Q 的方向和大小与变量机构nts 行程 y 成正比。 4.2 手动伺服变量机构 该机构用机械方式通过伺服阀带动变量缸改变 斜 盘倾角实现变 量 。手动伺服变量机构的原理图和变量特性如图 9.3 所示。 图 9.3 手动伺服变量机构 图中伺服变量机构由双边控制阀和差动变量缸组成。控制阀的阀 套 与变量活塞 杆相连，变量缸的缸体与泵体相连。当控制阀处于中 位 时 ，斜盘稳定在一定的位置上。变量时，若控制阀 C 端向左移动，油路 1 和 2 连通，变量缸 A B 两腔都是泵出口压力。由于 B 腔面积大于 A 腔，变量活塞在液压力作用下向右移动，推动斜盘倾斜角减小，流量随之减少。与此同时，由于阀套与活塞杆相连，阀套也向右移动逐步关闭油路 l 和 2，于是斜盘稳定在新的位置上。 反之，控制阀向右移动时，油路 2 和 3 连通，变量缸 B 腔 与回油路接通 ，变量活塞在 A 腔液压力作用下向左移动，使 斜 盘倾角增大 ，流量 也增大。同 理，由于控制阀阀套的反馈移动，使斜盘稳定在新的位置。 这种利用机械位置反馈的伺服变 量 机构 减 少 了变量控制力，大大提高了变量的性能和精度。变量信号输入可以是手动，也可以是电动。如用外液压源可实现远程无级变量。因此，这种变量型式广泛用于频繁变速的行定车辆、工程机械、机床等许多液 压 系统中。 4.3 恒功率变量机构 恒功率变量机构是根据泵出 口 压力调节输出流量，使泵输出流量与压力的乘积近似保持不变，即原动机输出功率大致保持恒定。变量机构原理如图 9 3(a)nts 所示。 图中恒功率变量机构仍由双边控制 阀和 差动变量缸组成。与手动伺服变 量 机构不同的是控制阀 C 端 由 弹簧预压调定， D 端用控制油路接通泵出口管路。利用液 压力与弹簧力平衡的 关系控制变量活塞，改变斜盘倾角。工作原理与手动伺 服变量机构类似。 为使泵功 率 为一恒 值 ，理论上，泵出口压力与输出流量应保持双曲线关系，如图 9.4 所示。但是，实际泵的变量机构 都 是采用弹簧来控制的。因此，只能用一段 折 线 (一根弹簧 )或二段 折 钱 (二根弹簧 )来近似替代双曲线。图 9.3（ a） 所示的变量特性就是采用内外双弹簧和机械限位装置控制的恒功率变量特性。 图 9.4 恒功率理论变量特征曲线 泵开始工作时 ，控制阀 D 端的液压力不足以克服外 弹簧预紧 力， 斜盘倾角最大，流 量 也最大，变量特性为水平 线 ab 。当泵出口压力上升到图示bp值 时，控制阀 D 端按压力大 于 C 端弹簧预紧力，阀芯向左移动，控制变 量 活塞向右推动斜盘 减 小倾角，流量随之减少，变量特性为 折 线 bc 。 bc 线的斜率取决于外弹簧的则度。当泵压力继续升高到图示0p值 时，内弹簧也参与工作。由于内外弹簧的合成刚度更大，变量特性为折线 CD ， CD 线的斜率取决于内外弹簧的合成刚度 。随着出 口压力继续升高 ， 阀芯碰到限位 装置 ，则输出流星也不再减少，变量特性为 折线 de 。 特性曲线中各 折 点位置可以通过调整弹簧预紧力和限位装置来改变， 折 线的斜率取决于弹簧刚度。 恒功率变量是常用的变量型式之一，能充分发挥 原动机的功率效能，并使液压设备体积小、重量轻。常用于压力经常变化的压力机、重型设备、工程机械等液 压系统中。 nts 4.4 恒流量变量机构 恒流量变 量 机构是根据装于泵出口主油路中的节流阀两侧的压力差调节输出流量，保持流量为一恒值。变量机构原理及变量特性如图 9 5 所示。 （ a） ( b ) 图 9.5 恒流量变量机构原理及特征 图中恒流量变量机构由带 有节流阀的双边控制阀 (恒流量阀 )和差动变量缸组成。控制 阀 C 端预压弹簧调定后，节 流 阀两侧压力差在控制阀阀芯上产生的液压力与弹簧力相平衡， 阀 芯处于中垃，斜盘倾角固定在某一角 度， 泵输出流量为调定值。 当泵转速增加时，输出流量也相应增加。由于节流器面积不变，则节流器两端 压力差 p 增大，推动控制 阀阀 芯左移，带动变量活塞左移，斜盘倾角减小，流量城少，直至恢复到调定值。此时，阀芯上液压力与弹簧力 重 新平衡阀 芯 处于中 位 ，斜盘 倾角 稳定，泵输出流量为恒定值。反之，当泵转速减小后， 输出流量减少。类似的分析可知，斜盘倾角会增加，流量也随之增加，仍保持为 一 恒定 值 。 图 9.5(b)为变量特性曲线。0n为保持调定 流量0Q的最低稳定转速。从图中可以看出，从0n以 上 ，泵输出流量不随转速变化而改变，始终保持恒定 值 。 恒流量变星 泵 用于对液压执行机构要求 速 度恒定的设 备中。例如，机床、运输机械等液压系统。 但是恒流量
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