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外经贸学院机械工程与自动化系2012届毕业设计论文1 绪论1.1 组合机床的发展现状及前景组合机床（transfer and unit machine）是根据工件加工需要,以大量通用部件为基础，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的一种高效的半自动或自动专用机床5。在我国，组合机床发展已有28年的历史，其科研和生产都具有相当的基础，应用也已深入到很多行业。是当前机械制造业实现产品更新，进行技术改造，提高生产效率和高速发展必不可少的设备之一。它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业8。我国传统的组合机床及组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制，它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型箱体类和轴类零件（近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额），完成钻孔、扩孔、铰孔，加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种形状槽，以及铣削平面和成形面等5。随着技术的不断进步，一种新型的组合机床柔性组合机床越来越受到人们的青睐，它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换，配以可编程序控制器（PLC）、数字控制（NC）等，能任意改变工作循环控制和驱动系统，并能灵活适应多品种加工的可调可变的组合机床。另外，近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机（清洗机、装配机、综合测量机、试验机、输送线）等在组合机床行业中所占份额也越来越大。由于组合机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品，是根据用户特殊要求而设计的，它涉及到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和试漏等技术。我国组合机床及组合机床自动线总体技术水平比发达国家要相对落后，国内所需的一些高水平组合机床及自动线几乎都从国外进口。工艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大，并使产品生产成本提高。因此，市场要求我们不断开发新技术、新工艺，研制新产品，由过去的“刚性”机床结构，向“柔性”化方向发展，满足用户需求，真正成为刚柔兼备的自动化装备16。从2002年第21届日本国际机床博览会上获悉，在来自世界10多个国家和地区的500多家机床制造商和团体展示的最先进机床设备中，超高速和超高精度加工技术装备与复合、多功能、多轴化控制设备等深受欢迎。据专家分析，机床装备的高速和超高速加工技术的关键是提高机床的主轴转速和进给速度。该届博览会上展出的加工中心，主轴转速1000020000r/min，最高进给速度可达2060m/min；复合、多功能、多轴化控制装备的前景亦被看好。在零部件一体化程度不断提高、数量减少的同时，加工的形状却日益复杂。多轴化控制的机床装备适合加工形状复杂的工件。另外，产品周期的缩短也要求加工机床能够随时调整和适应新的变化，满足各种各样产品的加工需求。 然而更关键的是现代通信技术在机床装备中的应用，信息通信技术的引进使得现代机床的自动化程度进一步提高，操作者可以通过网络或手机对机床的程序进行远程修改，对运转状况进行监控并积累有关数据；通过网络对远程的设备进行维修和检查、提供售后服务等。在这些方面，我国组合机床装备与其他国家还有相当大的差距，因此我国组合机床技术在装备高速度、高精度、柔性化、模块化、可调可变、任意加工性以及通信技术的应用将是今后的发展方向。1.1.1 工艺范围组合机床一般用于加工箱体类或特殊形状零件的平面加工和孔加工两类工序。平面加工包括铣端面、鍯（刮）平面、车端面；孔加工包括钻、扩、铰、镗孔以及倒角、切槽、攻螺纹、鍯沉孔、滚压孔等。随着综合自动化的发展，其工艺范围正扩大到车外圆、行星铣削、拉削、推削、磨削、珩磨及抛光、冲压等工序。此外，还可以完成焊接、热处理、自动装配、检测、清洗以及零件分类及打印等非切削工作5。组合机床在汽车、拖拉机、柴油机、电机、仪器仪表、军工及缝纫机、自行车等轻工业行业大批量生产中已获得广泛应用；一些中小批量生产的企业，如机床、机车、工程机械等制造业也已推广应用。组合机床最适宜于加工各种大中型箱体类零件，如气缸盖、气缸体、变速箱体、电机座及仪表壳等零件；也可用来完成轴套类、轮盘类、叉架类和盖板类零件的部分或全部工序的加工。1.1.2 组成组合机床通用部件按功能可分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件五类。动力部件是用于传递动力，实现工作运动的通用部件。它为刀具提供主运动和进给运动的部件。主要包括动力箱、动力滑台、具有各种工艺性能的动力头等。支承部件是用以安装动力滑台、带有进给机构的切削头或夹具等的部件，它包括侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等。它是组合机床的基础部件，机床上各部件之间的相对位置精度、机械的刚度等主要依靠它来保证5。输送部件是具有定位和加紧装置、用于安装工件并运送到预定工位的通用部件，主要有分度回转工作台、环形分度回转工作台、回转鼓轮和往复移动工作台等。通常具有较高的定位精度。控制部件是用以控制机床具有运动动作的各个部件，以保证实现组合机床工作循环。它包括可编程控制器（PC）、液压传动装置、分级进给机构、自动检测装置及操纵台电柜等。辅助部件包括定位、夹紧、润滑、冷却、排屑以及自动线的清洗机等各种辅助装置。1.1.3 分类组合机床的通用部件分为大型和小型两大类。用大型通用部件组成的机床称为大型组合机床。用小型通用部件组成的机床称为小型组合机床。大型组合机床和小型组合机床在结构和配置形式等方面有较大的差别。1、大型组合机床的配置形式：大型组合机床的配置形式可分为单工位和多工位两大类，而每类中又有多种配置形式5。单工位组合机床配置形式有：单面、双面、三面、四面、多面（四面以上）等；多工位组合机床配置形式又分为回转输送方式和直线输入方式，其中回转输送方式包括分度回转工作台式、鼓轮式、中央立柱式或环形工作台式。直线输送方式有移动工作台式。按照工序集中程度和不同批量生产的需要还有其他几种配置形式：1)工序高度集中的的组合机床，在基本配置形式的基础上，增设动力部件来加工工件的更多表面。2)用于大批大量生产的组合机床，为提高生产率，除缩短加工时间和辅助时间，尽量使辅助时间和加工时间重合外，还可考虑在每个工位上安装几个工位同时进行加工，或在一个工位（或一台机床）上设置几套夹具，对工件进行多次安装，从而加工不同的表面。3)转塔头式及转塔动力箱式组合机床，有单轴和多轴两类，并有通用化、系列化、标准化。通过带有各种工艺性能的单轴（或多轴）转塔头或转塔动力箱转位，实现对工件的顺序加工。单轴转塔主轴设置在转塔体上，工位数有4-8个或更多，转塔可布置成卧式或立式；多轴转塔主轴则设置在多轴箱（或单轴主轴箱）上，工位数有3、4、6个，可以完成对工件一个面上的主要加工工序。转塔头或转塔动力箱具有主切削运动和转塔的转位（或安装在滑台上随滑台作进给运动，此外工件固定不动），工件可安装在滑台上作进给运动，也可以安装在回转工作台上实现多面加工。转塔头或转塔动力箱也可用于组成单面、多面或多工位等各种配置形式的组合机床。转塔式组合机床可以完成一个工件的多工序加工，并可减少机床台数和占地面积，由于转塔各工位主轴顺序加工，避免了各工位间切削振动的互相干扰，加工精度较高，但切削时间叠加，而且切削时间与辅助时间不重合，机床生产率较低，适宜于中小批量生产的场合。除上述各种配置形式外，还采用可调式组合机床，以适应几种工件轮番生产；采用自动换刀式和自动更换主轴箱式组合机床，以适应孔数较少的工件和孔数较多外形尺寸较大的工件；采用工件在机床上多次安装与采用多工位回转工作台或移动工作台相结合的方式组合机床，使一台机床能对工件进行多次加工；还可以采用将若干种加工工艺相近似的工件合并加工的成组加工组合机床，以增大中批量生产的加工能力。2、小型组合机床配置形式小型组合机床也是由大量通用零部件组成，其配置特点是：常用两个以上具有主运动和进给运动的小型动力头分散布置、组合加工。动力头有套筒式、滑台式，横向尺寸小，配置灵活性大，操作使用方便，抑郁调整和改装。小型组合机床分单工位和多工位两类。目前在生产中使用较多的是各种多工位小型机床，其中最常用的是回转工作台式小型组合机床。总之，组合机床的配置形式是多种多样的，同一零件的加工可采用几种不同的配置方案。在确定组合机床配置形式时，应对几个可行的方案进行综合分析，从机床负荷率、能达到的加工精度、使用和排屑的方便性、机床的可调节性、机床部件的通用化程度、占地面积等方面做比较，选择合理的机床总体布局方案。1.2 组合机床的优缺点1）主要用于棱体类零件和复杂件的孔面加工 2）生产率高。因为工序集中，可多面、多工位。多轴、多刀同时自动加工。 3）加工精度稳定。因为工序固定，可选用成熟的通用部件、精密夹具和自动化循环来保证加工精度的一致性。 4）研制周期短，便于设计、制造和使用维护，成本低。因为通用化、系列化、标准化程度高，通用零部件占70%-90%，通用件可组织批量生产进行预制或外购。 5）自动化程度高，劳动强度低。6）配置灵活。因为机构模块化、组合化。可按工件或工序要求，用大量通用部件和少量专用部件灵活组成各种类型的组合机床及自动线；机床易于改装：产品或工艺变化时，通用部件一般可以重复利用5。2 双面钻孔组合机床的工作原理 2.1 机床的主要运动 机床动力滑台由液压驱动系统提供进给动力，电动机拖动主轴箱刀具主轴，提供切削主动力，工件的定位及夹紧装置由液压系统驱动。机床工作时，工件装入定位夹紧装置，按下启动按钮，工件开始定位和夹紧，然后左、右两面的动力滑台同时进行快速进给、工进和快退等加工动作，在这同时，刀具电动机也启动工作，切削液泵在工进过程中提供切削液。加工结束后，动力滑台退回到原位，夹紧装置松开并拔出定位销，一次加工的工作循环结束7。2.2 机床的拖动及控制要求（1）机床动力滑台和工件定位、夹紧装置由液压系统驱动。电磁阀4DT和5DT控制定位销液压缸活塞运动方向以及控制夹紧液压缸活塞运动方向；YV3、YV4和YV7为左机滑台油路中电磁阀换向线圈；1DT、2DT和3DT为右机滑台油路中电磁阀换向线圈。M1为液压泵电动机7。液压泵电动机M1应先启动，使系统正常供油后，其他电动机的控制电路及液压系统的控制电路才能通电工作。M2为左机的刀具电动机，M3为右机的刀具电动机。刀具电动机应在滑台进给循环开始时启动运转，滑台退回原位后停止运转。M4为切削液泵电动机。切削液泵电动机可以手动控制启动和停止，也可以在滑台工进时自动启动，在工进结束后自动停止。（2）要求组合机床能分别在自动和手动两种工作方式下运行。2.3 动力滑台的特性动力滑台是由滑座、滑鞍和驱动装置组成，实现直线进给运动的动力部件。根据被加工零件的工艺要求，在滑鞍上安装动力箱（用以配多轴箱）或切削头（如钻削头、镗削头、铣削头、攻螺纹头等主轴部件配以传动装置），可以完成钻、扩、铰、镗孔、倒角、刮端面、铣削及攻螺纹等工序；台面宽320mm以下的滑台配有分给进给运动装置，可完成深孔加工5。此外，滑台还可当移动工件台使用，装上检测装置也可完成自动检测等工序。滑台本身可以安装在侧底座上、立柱上或倾斜的底座上，以便配合成卧式、立式或倾斜式等形式的组合机床。根据驱动和控制方式的不同，滑台可以分为液压滑台、机械滑台和数控滑台三种类型。1.液压滑台的结构及特点液压滑台和液压传动装置是两个分离的独立部件。滑台上装有液压缸。液压缸固定在滑座上，活塞杆通过支架与滑鞍连接。工作时，液压传动装置的压力油通过活塞杆带动滑鞍沿滑座顶面的导轨移动5。液压滑台的结构特点是：A采用双矩形导轨结构形式，以单导轨两侧面导向，导向的长宽比较大，导向性好。B滑座体为箱型框架结构，滑座底面中间增加了结合面，结构刚度高。C导轨淬火，硬度高，使用寿命长（A型铸铁导轨：G42-48；B型镶钢导轨:G42-48）。D液压缸活塞和后盖上分别装有双向单向阀和缓冲装置，可减轻滑台转向和退至终点时的冲击。E滑台分普通级、精密级和高精密级三个精度等级，可按要求选用，提高经济性。2.机械滑台的结构及特点机械滑台由滑座、滑鞍、丝杠螺母副及传动装置等组成。其中滑座、滑鞍部分的结构液压滑台基本相同。机械滑台有、三个系列。系列机械滑台采用滚珠丝杠传动5，系列机械滑台采用普通丝杠（同落幕）传动。这两个系列机械滑台均采用双矩形导轨结构、单导轨两侧面导向形式；他们都有普通级、精密级两个精度等级，其刚度强、热变形小、进给稳定向高，通常于粗加工及半精加工；系列为高精度级机械滑台，适用于精加工。系列机械滑台采用滚珠丝杠副传动、三矩形导轨导向及塑料导轨板，具有精度保持性好、导向约束稳定性好及动态性能好等优点。液压滑台与机械滑台的优缺点液压滑台机械滑台优点1.在相当大的范围内进给量可以无级调速2.可以获得较大的近给力3.由于液压驱动，零件磨损小，使用寿命长4.工艺上要求多次进给，通过液压换向阀，很容易实现5.过载保护简单可靠6.由行程调速阀来控制滑台的快进转工进，转换精度高，工作可靠1.进给量稳定，慢速无爬行，高速无振动，可降低加工工件的表面粗糙度2.具有良好的抗冲击性能，断续铣削、钻头钻通孔将要出口时，不会因冲击而损坏刀具3.运动安全可靠，易发现故障，调整维修方便4.没有液压驱动的管路、泄露、噪声和液压站占地问题缺点1.进给量由于载荷的变化和温度的影响而不够稳定2.液压系统漏油影响工作环境3.调整维修比较麻烦1.只能有极变速，变速比较麻烦2.一般没有可靠的过载保护3.快进转工进时，转换位置精度低3.数控机械滑台的结构及特点数控机械滑台是系列机械滑台的派生产品，只是传动装置采用了大连组合机床研究所研制的ZHS-ACO4D交流伺服数控系统，其他组成部分及主要联系尺寸与系列机械滑台相同。其特点是可自动变换进给速度和工作循环，可在较宽的范围实现自动调速和位控、执行零件加工的数控程序。因此，用这类滑台组成的组合机床或自动线，适用于较多品种中小批量或中批量的柔性生产。3 组合机床动力滑台液压系统的使用要求及负载分析3.1 使用要求设计一台卧式双面多轴钻孔组合机床动力滑台的液压系统。液压系统的主要参数与性能要求如下：轴向切削力Ft=24000N；滑台移动部件总重力G=10000N；快进行程l1=200mm；工进行程l2=100mm，工进速度3050mm/min，快进与快退速度均为4m/min；加减速时间t=0.2s；静摩擦系数fs=0.2,动摩擦系数fd=0.1，该动力滑台采用水平放置的平导轨，工作台要求运动平稳，但可以随时停止运动，两动力滑台完成各自循环时互不干扰，夹紧可调并能保证。加工工件时要求定位并加紧后在进行钻孔加工，这是三缸顺序动作，不能失误。工作时夹紧缸的夹紧力不得失压且大小可调；动力滑台应能实现启动快进工进死档铁停留快退原位停止的自动工序循环，以提高机床生产率；滑台工况转换要平稳，功率损失要小。3.2 负载分析负载分析中，暂不考虑回油腔的背压力，液压缸的密封装置产生的摩擦阻力在机械效率中加以考虑1。因工作部件是卧式放置，重力的水平分力为零，这样需要考虑的力有：切削力，导轨摩擦力和惯性力。导轨的正压力等于动力部件的重力，设导轨的静摩擦力为，动摩擦力为，则 =0.2*10000N=2000N =0.1*10000N=1000N而惯性力 =342N如果忽略切削力引起的颠覆力矩对导轨摩擦力的影响，并设液压缸的机械效率=0.95，则液压缸在各工作阶段的总机械负载可以算出，见表3-1。表3-1 液压缸各运动阶段负载表运动阶段计算公式总机械负载F/N起动F=/2105加速F=(+)/1413快进F=/1053工进F=（+）/26316快退F=/1053根据负载计算结果和已知的个阶段的速度，可绘制出工作循环图，所设计组合机床动力滑台液压系统的速度循环图可根据已知的设计参数进行绘制，已知快进和快退速度、快进行程L1=200mm、工进行程L2=100mm、快退行程L3=300mm，工进速度。快进、工进和快退的时间可由下式分析求出。快进 工进 快退 根据负载计算结果和已知的各阶段速度，可绘出负载图（F-l）和速度图（v-l），如下图3-1。横坐标以上为液压缸活塞前进时的曲线，以下为液压缸活塞退回时的曲线4。1002003001053141326316F/Nl/mm4-41002003002105000.03l/mma）负载图b）速度图 图3-1 速度负载图3.3 液压系统方案设计3.3.1 确定液压泵类型及调速方式参考同类组合机床，选用双作用叶片泵双泵供油、调速阀进油节流调速的开式回路，溢流阀作定压阀1。为防止钻孔钻通时滑台突然失去负载向前冲，回油路上设置背压阀，初定背压值=0.8MPa3.3.2 选用执行元件因系统动作循环要求正向快进和工作，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面积的两倍。3.3.3 快速运动回路和速度换接回路根据本例的运动方式和要求，采用差动连接与双泵供油两种快速运动回路来实现快速运动。即快进时，由大小泵同时供油，液压缸实现差动连接。3.3.4 换向回路的选择本系统对换向的平稳性没有严格的要求，所以选用电磁换向器的换向回路。为便于实现差动连接，选用了三位五通换向阀5。为提高换向的位置精度，采用死档板和压力继电器的行程终点返程控制。3.3.5 组成液压系统绘原理图将上述所选定的液压回路进行组合，并根据要求作必要的修改补充，即组成如图3-3-5所示的液压系统图。为便于观察调整压力，在液压泵的进口处、背压阀和液压缸无杆腔进口处设置测压点，并设置多点压力表7。这样只需一个压力表即能观测各点压力。该系统由定位夹紧和滑台加工两部分构成，可完成定位-夹紧-快进-工进-死挡铁停留-快退-松夹、拔销-原位停留的自动工序循环，其元件动作顺序如表3-2所示。表3-2 双面钻床液压系统元件动作顺序动作名称动作信号电磁铁1DT2DT3DT4DT5DT6DT定位启动按钮-+夹紧1压力信号-+夹紧2压力信号-+快进1YJ+-+-+工进滑台挡块压下1XK+-+-死挡铁停留滑台靠近死挡铁+-+-快退滑台挡块压下2XK-+-+松夹拔销滑台挡块压下3XK-+-+原位停留2YJ-图3-2 双面钻孔组合机床动力滑台液压系统原理图3.3.6 液压系统工作原理1、定位夹紧 当工件到位后压下启动按钮，电磁铁6DT得电，大流量泵终止卸荷，大、小流量泵同时给系统供油，同时电磁铁5DT得电，换向阀11左位接入系统，系统油路为：进油路 大流量泵3和小流量泵4单向阀6和7减压阀9单向阀10换向阀11（左位）定位缸下腔；回油路 定位缸上腔换向阀11（左位）油箱，定位缸伸出对被加工件定位。 定位结束后，回路压力升高。当压力升高到顺序阀12的调定压力时，打开顺序阀12，夹紧缸(一)夹紧，加紧后回路压力再次升高，当压力升高到顺序阀13的调定压力时，打开顺序阀13，夹紧缸(二)夹紧，其油路为：进油路 大流量泵3和小流量泵4单向阀6和7减压阀9单向阀10换向阀11（左位，定位后压力升高打开顺序阀12）顺序阀12夹紧缸下腔（夹紧后压力继续升高打开顺序阀13）顺序阀13夹紧缸下腔；回油路 夹紧缸(一)和夹紧缸(二)上腔定位缸上腔换向阀11（左位）油箱。2、快进 工件被夹紧后，油路压力进一步升高，当压力达到压力继电器1YJ的调定压力时，压力继电器1YJ发出信号，使1DT和3DT得电，换向阀15左位和换向阀14右位同时接入系统，进给缸实现快进，其油路为：进油路 液压泵3和液压泵4单向阀6和单向阀7换向阀15（左位）进给腔左腔；回油路 进给腔右腔三位五通换向阀15（1DT得电左位）换向阀14（右位）进给腔左腔，进给腔构成差动连接回路，实现快进刀具趋近快速工作。3、工进 当刀具靠近工件时，滑台压下第一个行程开关1XK，使3DT和6DT失电，换向阀14和换向阀5复位，是大流量泵卸荷，进给缸实现工进，其油路为：进油路 小流量泵4 单向阀7三位五通换向阀15（左位）进给缸左腔。回油路 进给缸右腔三位五通换向阀15调速阀17单向阀18油箱。4、死挡铁停留 当进给缸工进到位碰到死挡铁时，压下第二个行程开关2XK，若有延时继电器，则在延时期间进给缸停留不动，这时液压泵4的压力油全部在高压下经溢流阀8回油箱。显然，该停留时间不能太长，否则能量损失过大，并导致系统过热。5、快退 延时期满后，行程开关发出信号，使1DT失电，2DT和6DT得电，使换向阀15的右位和换向阀5的上位接入系统，大流量泵3停止卸荷，两个液压泵同时向进给缸供油，进给缸实现快退，其油路为：进油路 大流量泵3和小流量泵4 单向阀6和单向阀7三位五通换向阀15（右位）进给缸右腔；回油路 进给缸左腔三位五通换向阀15（右位）单向阀16油箱。6、松夹拔销 当进给缸快退到终点时，压下行程开关3XK，使电磁铁2DT和5DT失电，4DT得电，换向阀15恢复到中位，换向阀11接入系统（图示位置），两个液压泵同时给夹紧缸和定位缸供油，同时完成松夹、拔销动作，其油路为：进油路 大流量泵3和小流量泵4 单向阀6和单向阀7减压阀9单向阀10换向阀11（右位）定位缸和两夹紧缸上腔； 回油路 定位缸和两夹紧缸下腔单项顺序阀13（夹紧缸二）和单向顺序阀12（夹紧缸一和二）换向阀11（右位，两夹紧缸和定位缸）油箱。 当定位、夹紧缸退回到原位后，油压升高，打开压力继电器2YJ，发出信号，使4DT和6DT均失电，换向阀11由于有机械定位装置保持原状态不变，换向阀5复位，大流量泵3卸荷，各元件都恢复到初始状态，为下一次循环做好准备。3.3.7 液压系统可靠性分析1、该系统采用双联叶片泵供油系统及进给液压缸差动连接的增速回路，满足了进给缸快进和工进的需求。如果大、小液压泵的流量选择得当，可使溢流损失较小，但仍然存在节流损失，所以系统效率较低。系统油源部分的单向阀6和7用于防止油液倒流7。2、定位夹紧油路的换向阀采用双电磁铁带机械定位机构的二位四通电磁换向阀11，这种阀只需电磁铁短时得电，既减少电磁铁发热，又不会因失电而改变换向阀的通油状况，保证定位夹紧的可靠性。3、定位夹紧油路通过减压阀9和单向阀10来控制压力，既能限制夹紧力过大并可根据需要进行调节，又有保持其夹紧力不受进给缸油路压力变化影响的保压作用，这样可以确保在进给缸快进系统，系统压力降低时工件不会松开，这对机床的安全工作十分重要。4、系统的定位、夹紧和进给缸进给的顺序动作均采用压力控制，这样可以保证工件定位后再夹紧，夹紧后再开始进行加工，以确保机床工作的安全可靠。5、该系统的调速回路采用调速阀出口节流调速，使工进时的回油路具有一定的背压，该背压随负载成反比变化，负载增大时背压减小，负载减小时背压增大。当负载为零、进给缸已转入工进但尚未“吃”上刀时，背压约为泵压的两倍；当负载为负值时，背压将更大，甚至高达背压的数倍。这种背压变化的性能，适应了铣钻过程中负载变化大，甚至由正值负载变到负值负载的工况，提高了系统的刚性，速度稳定性较好。但是，这使进给缸活塞杆密封件和调速阀17可能在很高的压力下工作，特别对该处密封件很不利。6、系统中的速度换接通过电磁换向阀14实现，其控制灵活，但可靠性稍差，换向时具有较大的液压冲击。7、主油路换向采用三位五通电磁换向阀15，以便实现进给缸的差动连接。换向阀15的中位机能为O型，一般在进给缸原位停留时，双泵向定位夹紧缸供油。4 液压系统的参数计算4.1 液压缸参数计算4.1.1 初选液压缸的工作压力表4-1 按负载选择工作压力1负载/ KN50工作压力/MPa 0.811.522.5334455表4-2 各种机械常用的系统工作压力1机械类型机 床农业机械小型工程机械建筑机械液压凿岩机液压机大中型挖掘机重型机械起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力/MPa0.82352881010182032由表4-1和表4-2可知，组合机床液压系统在最大负载约为26316N时，初定液压缸的工作压力为：4.1.2 液压缸缸筒的设计和计算缸筒是液压缸的主要零件,它与端盖、缸底、油口等零件构成密封的容腔，用以容纳压力油，同时它还是活塞运动的“轨道“。设计液压缸缸筒时，应该正确确定各部分的尺寸，保证液压缸有足够的输出力、运动速度和有效行程，同时还必须具有一定的强度，能足以承受也压力、负载力和意外的冲击力。另外，缸筒内表面应具有合适的配合精度、便面粗糙度和几何精度，以保证液压缸的密封性、运动平稳性和耐用性。液压缸材料取Q235钢的无缝钢管。表4-3 液压缸参考背压1系统类型背压/()回油路上有节流阀25回油路上有调速阀58回油路上装有背压阀515带补油泵的闭式回路8151.液压缸内径的计算本例要求动力滑台的快进、快退速度相等，现采用活塞杆固定的单杠式液压缸1。快进时采用差动联接，并取无杆腔有效面积等于有杆腔有效面积的两倍，即=2。为了防止在钻孔钻通时滑台突然向前冲，在回油路中装有背压阀，查表4-3，初选背压。按表3-1可知最大负载为工进阶段的负载F=26316N, 按此计算则 （4-1）液压缸直径按GB/T23481993将所计算的D值圆整到标准直径，以便采用标准的密封装置。圆整后得： D=10cm按标准直径算出： 2.缸体壁厚的校核查机械设计手册，取壁厚为12mm。则根据时； （4-2）可算出缸体壁厚为：16.7，满足最低速度的要求。2.活塞杆强度计算： 80mm （4-4）式中 许用应力；（Q235钢的抗拉强度为375-500MPa，取400MPa，为位安全系数取5，即活塞杆的强度适中）3活塞杆的结构设计 活塞杆的外端头部与负载的拖动电机机构相连接，为了避免活塞杆在工作生产中偏心负载力，适应液压缸的安装要求，提高其作用效率，应根据负载的具体情况，选择适当的活塞杆端部结构。4.活塞杆的密封与防尘活塞杆的密封形式有Y形密封圈、U形夹织物密封圈、O形密封圈、V形密封圈等6。采用薄钢片组合防尘圈时，防尘圈与活塞杆的配合可按H9/f9选取。薄钢片厚度为0.5mm。为方便设计和维护，本方案选择O型密封圈。4.1.4 液压缸工作行程的确定 液压缸工作行程长度可以根据执行机构实际工作的最大行程确定，并参照表4-4选取标准值。液压缸活塞行程参数优先次序按表4-4中的a、b、c选用。表4-4（a）液压缸形成系列（GB 2349-80）62550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000表4-4（b） 液压缸形成系列（GB 2349-80）6 40 6390110140180220280360450550700900110014001800220028003600表4-4（c） 液压缸形成系列（GB 2349-80）6240260300340380420480530600650750850950105012001300150017001900210024002600300034003800根据设计要求知，活塞杆最大行程为300mm。根据表3-8，可选取液压缸的工作行程为320mm。4.1.5 活塞的设计由于活塞在液压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的配合表面；间隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能。活塞与缸体的密封形式分为：间隙密封（用于低压系统中的液压缸活塞的密封）、活塞环密封（适用于温度变化范围大、要求摩擦力小、寿命长的活塞密封）、密封圈密封三大类。其中密封圈密封又包括O形密封圈（密封性能好，摩擦因数小，安装空间小）、Y形密封圈（用在20Mpa压力下、往复运动速度较高的液压缸密封）、形密封圈（耐高压，耐磨性好，低温性能好，逐渐取代Y形密封圈）、V形密封圈（可用于50Mpa压力下，耐久性好，但摩擦阻力大）。综合以上因素，考虑选用O型密封圈。4.1.6 导向套的设计与计算1.最小导向长度H的确定 当活塞杆全部伸出时，从活塞支承面中点到到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度1。如果导向长度过短，将使液压缸因间隙引起的初始挠度增大，影响液压缸工作性能和稳定性。因此，在设计时必须保证液压缸有一定的最小导向长度。根据经验,当液压缸最大行程为L,缸筒直径为D时,最小导向长度为: （4-5）一般导向套滑动面的长度A，在缸径小于80mm时取A=(0.61.0)D，当缸径大于80mm时取A=(0.61.0)d.。活塞宽度B取B=(0.61.0)D。若导向长度H不够时,可在活塞杆上增加一个导向套K(见图4-1)来增加H值。隔套K的宽度。图4-1 液压缸最小导向长度1因此:最小导向长度，取H=9cm；导向套滑动面长度A=活塞宽度B=隔套K的宽度2.导向套的结构 导向套有普通导向套、易拆导向套、球面导向套和静压导向套等，可按工作情况适当选择。 1）普通导向套 这种导向套安装在支承座或端盖上，油槽内的压力油起润滑作用和张开密封圈唇边而起密封作用6。 2）易拆导向套 这种导向套用螺钉或螺纹固定在端盖上。当导向套和密封圈磨损而需要更换时，不必拆卸端盖和活塞杆就能进行，维修十分方便。它适用于工作条件恶劣，需经常更换导向套和密封圈而又不允许拆卸液压缸的情况下。 3）球面导向套 这种导向套的外球面与端盖接触，当活塞杆受一偏心负载而引起方向倾斜时，导向套可以自动调位，使导向套轴线始终与运动方向一致，不产生“憋劲“现象。这样，不仅保证了活塞杆的顺利工作，而且导向套的内孔磨损也比较均匀。 4）静压导向套 活塞杆往复运动频率高、速度快、振动大的液压缸，可以采用静压导向套。由于活塞杆与导向套之间有压力油膜，它们之间不存在直接接触，而是在压力油中浮动，所以摩擦因数小、无磨损、刚性好、能吸收振动、同轴度高，但制造复杂，要有专用的静压系统。4.1.7 端盖和缸底的设计与计算 在单活塞液压缸中，有活塞杆通过的端盖叫端盖，无活塞杆通过的缸盖叫缸头或缸底。端盖、缸底与缸筒构成密封的压力容腔，它不仅要有足够的强度以承受液压力，而且必须具有一定的连接强度。端盖上有活塞杆导向孔（或装导向套的孔）及防尘圈、密封圈槽，还有连接螺钉孔，受力情况比较复杂，设计的不好容易损坏。1.端盖的设计计算端盖厚h为：式中 D1螺钉孔分布直径，cm； P液压力，； 密封环形端面平均直径，cm； 材料的许用应力，。2.缸底的设计 缸底分平底缸，椭圆缸底，半球形缸底。3.端盖的结构 端盖在结构上除要解决与缸体的连接与密封外，还必须考虑活塞杆的导向，密封和防尘等问题6。缸体端部的连接形式有以下几种： A焊接 特点是结构简单，尺寸小，质量小，使用广泛。缸体焊接后可能变形，且内缸不易加工。主要用于柱塞式液压缸。 B螺纹连接（外螺纹、内螺纹） 特点是径向尺寸小，质量较小，使用广泛。缸体外径需加工，且应与内径同轴；装卸徐专用工具；安装时应防止密封圈扭曲。 C法兰连接 特点是结构较简单，易加工、易装卸，使用广泛。径向尺寸较大，质量比螺纹连接的大。非焊接式法兰的端部应燉粗。 D拉杆连接 特点是结构通用性好。缸体加工容易，装卸方便，使用较广。外形尺寸大，质量大。用于载荷较大的双作用缸。 E半球连接，它又分为外半环和内半环两种。外半环连接的特点是质量比拉杆连接小，缸体外径需加工。半环槽消弱了缸体，为此缸体壁厚应加厚。内半环连接的特点是结构紧凑，质量小。安装时端部进入缸体较深，密封圈有可能被进油口边缘擦伤。F钢丝连接 特点是结构简单，尺寸小，质量小。4.1.8 缸体长度的确定 液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还需要考虑到两端端盖的厚度1。一般液压缸缸体长度不应大于缸体内经的2030倍。取系数为5,则液压缸缸体长度：L=5*10cm=50cm。4.1.9 缓冲装置的设计 液压缸的活塞杆（或柱塞杆）具有一定的质量，在液压力的驱动下运动时具有很大的动量。在它们的行程终端，当杆头进入液压缸的端盖和缸底部分时，会引起机械碰撞，产生很大的冲击和噪声。采用缓冲装置，就是为了避免这种机械撞击，但冲击压力仍然存在，大约是额定工作压力的两倍，这就必然会严重影响液压缸和整个液压系统的强度及正常工作。缓冲装置可以防止和减少液压缸活塞及活塞杆等运动部件在运动时对缸底或端盖的冲击，在它们的行程终端能实现速度的递减，直至为零。 当液压缸中活塞活塞运动速度在6m/min以下时，一般不设缓冲装置，而运动速度在12m/min以上时，不需设置缓冲装置。在该组合机床液压系统中，动力滑台的最大速度为4m/min,因此没有必要设计缓冲装置。4.1.10 排气装置 如果排气装置设置不当或者没有设置排气装置，压力油进入液压缸后，缸内仍会存在空气6。由于空气具有压缩性和滞后扩张性,会造成液压缸和整个液压系统在工作中的颤振和爬行,影响液压缸的正常工作。比如液压导轨磨床在加工过程中，这不仅会影响被加工表面的光洁程度和精度，而且会损坏砂轮和磨头等机构。为了避免这种现象的发生，除了防止空气进入液压系统外，还必须在液压缸上设置排气装置。配气装置的位置要合理，由于空气比压力油轻，总是向上浮动，因此水平安装的液压缸，其位置应设在缸体两腔端部的上方；垂直安装的液压缸，应设在端盖的上方。一般有整体排气塞和组合排气塞两种。整体排气塞如图4-2（a）所示。表4-5 排气阀（塞）尺寸6d阀座阀杆孔cDM16611619.29323117108.53484623M20x2814725.41143392213114594828 图4-2 (a) 整体排气孔 图4-2（b） 组合排气孔 图4-2（c） 整体排气阀零件结构尺寸由于螺纹与缸筒或端面连接，靠头部锥面起密封作用。排气时，拧松螺纹，缸内空气从锥面空隙中挤出来并经过斜孔排除缸外。这种排气装置简单、方便，但螺纹与锥面密封处同轴度要求较高，否则拧紧排气塞后不能密封，造成外泄漏。组合排气塞如图4-2（b）所示，一般由络螺塞和锥阀组成。螺塞拧松后，锥阀在压力的推动下脱离密封面排出空气。排气装置的零件图及尺寸图见4-2（c）以及表4-2（d）。图4-2（d） 组合排气阀零件结构尺寸4.1.11 密封件的选用1.对密封件的要求 液压缸工作中要求达到零泄漏、摩擦小和耐磨损的要求。在设计时，正确地选择密封件、导向套（支承环）和防尘圈的结构形式和材料是很重要的。从现在密封技术来分析，液压缸的活塞和活塞杆及密封、导向套和防尘等应作为一个综合的密封系统来考虑，具有可靠的密封系统，才能式液压缸具有良好的工作状态和理想的使用寿命。 在液压元件中，对液压缸的密封要求是比较高的，特别是一些特殊材料液压缸，如摆动液压缸等。液压缸中不仅有静密封，更多的部位是动密封，而且工作压力高，这就要求密封件的密封性能要好，耐磨损，对温度适应范围大，要求弹性好，永久变形小，有适当的机械强度，摩擦阻力小，容易制造和装卸，能随压力的升高而提高密封能力和利于自动补偿磨损。 密封件一般以断面形状分类。有O形、U形、V形、J形、L形和Y形等。除O形外，其他都属于唇形密封件。2.O形密封圈的选用 液压缸的静密封部位主要是活塞内孔与活塞杆、支承座外圆与缸筒内孔、缸盖与缸体端面等处6。这些部位虽然是静密封，但因工作由液压力大，稍有意外，就会引起过量的内漏和外漏。 静密封部位使用的密封件基本上都是O形密封圈。O形密封圈虽小，确实一种精密的橡胶制品，在复杂使用条件下，具有较好的尺寸稳定性和保持自身的性能。在设计选用时，根据使用条件选择适宜的材料和尺寸，并采取合理的安装维护措施，才能达到较满意的密封效果。 安装O形圈的沟槽有多种形式，如矩形、三角形、V形、燕尾形、半圆形、斜底形等，可根据不同使用条件选择，不能一概而论。使用最多的沟槽是矩形，其加工简便，但容易引起密封圈咬边、扭转等现象。3.动密封部位密封圈的选用 液压缸动密封部位主要有活塞与缸筒内孔的密封、活塞杆与支承座（导向套）的密封等。 形密封圈是我国液压缸行业使用极其广泛的往复运动密封圈。它是一种轴、孔互不通用的密封圈。一般，使用压力低于16MPa时，可不用挡圈而单独使用。当超过16MPa并用于活塞动密封装置时，应使用挡圈，以防止间隙“挤出”。4.1.12 防尘圈防尘圈设置与活塞杆或柱塞密封外侧，用于防止外界尘埃、沙粒等异物侵入液压缸，从而可以防止液压油被污染导致元件磨损。1.防尘圈A型防尘圈 是一种单唇无骨架橡胶密封圈，适于在A型密封结构形式内安装，起防尘作用。B型防尘密封圈 是一种单唇带骨架橡胶密封圈，适于在B型密封结构形式内安装，起防尘作用。C型防尘圈 是一种双唇密封橡胶圈，适于在C型结构形式内安装，起防尘和辅助密封的作用。2.防尘罩 防尘罩采用橡胶或尼龙、帆布等材料制作。在高温工作时，可用氯丁橡胶，可在130以下工作。如果温度再高时，可用耐火石棉材料。当选用防尘伸缩套时，要注意在高频率动作时的耐久性，同时注意在高速运动时伸缩套透气孔是否能及时导入足够的空气。但是，安装伸缩套给液压缸的装配调整会带来一些困难。4.1.13 液压缸的安装连接结构液压缸的安装连接结构包括液压缸的安装结构、液压缸近处有口的连接等。1.液压缸的安装形式 液压缸的安装形式很多，但大致可以分为以下两类。 1）轴线固定类 这类安装形式的液压缸在工作时，轴线位置固定不变。机床上的液压缸绝大多数是采用这种安装形式。 A 通用拉杆式。在两端缸盖上钻出通孔，用双头螺钉将缸和安装座连接拉紧。一般短行程、压力低的液压缸。 B 法兰式。用液压缸上的法兰将其固定在机器上。 C 支座式。将液压缸头尾两端的凸缘与支座固定在一起。支座可置于液压缸左右的径向、切向，也可置于轴向底部的前后端。 2）周线摆动类 液压缸在往复运动时，由于机构的相互作用使其轴线产生摆动，达到调整位置和方向的要求。安装这类液压缸，安装形式也只能采用使其能摆动的铰接方式。工程机械、农用机械、翻斗汽车和船舶甲板机械等所用的液压缸多用这类安装形式。 A 耳轴式。将固定在液压缸上的铰轴安装在机械的轴座内，使液压缸轴