数控车床液压尾座设计（含全套CAD图纸）.doc

I 本科毕业设计 论文 本科毕业设计 论文 题目 数控车床尾座套筒液压装置设计题目 数控车床尾座套筒液压装置设计 系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2013 年年 4 月月 27 日日 II 数控车床尾座套筒液压装置设计数控车床尾座套筒液压装置设计 摘摘 要要 为了完成本课题的设计 在设计之前的准备工作必须做好 首先是搜集和分析资料 主要包括国内外数控机床的发展现状 液压技术和液压传动系统的基本资料 同等机床 液压尾座的图纸和资料等 其次是初步确定液压尾座的总体布局 包括配置形式 液压 系统的布置及选择液压能源及相应的配套元件等 最后主要是关于尾座的设计计算 数控机床变档卡紧及尾座顶紧的控制方式基本上是手工控制 在通常的加工过程中 需先用手工控制的方式完成变档和卡紧工作 然后再进行装夹 在装夹完毕后还需要使 用手工控制的方式完成尾座的顶紧工作 由此可知 在数控机床的加工作效率效率并不 高 而且工人劳动强度大 耗时又耗力 还会增加企业成本 因此 本课题研究所要达 到的预期效果是在数控车床加工过程中 当需要使用尾座时 使用本课题所设计的尾座 可以提高加工过程的机械化和自动化水平 提高生产效率 降低工人的劳动强度 降低 企业成本 关键词 关键词 数控机床 尾座 液压系统 液压缸 1 绪论 1 The design of CNC machine Tailstock Hydraulic system Abstract To accomplish this design I collected and analysed the information before the design including domestic and international development of CNC machine tools hydraulic system of hydraulic technology and the basic information equal hydraulic machine Tailstock the drawings and information Then is tentatively determined the overall layout of hydraulic Tailstock including the allocation of form layout and the hydraulic system of hydraulic energy and select the appropriate matching components such as This was followed by the main Tailstock the design and calculation CNC machine tools changed file cards bear and Tailstock top tight is basically manual control in the conventional process the change required manual card file and clamping a tight and then again after the fixture also need to use a manual Tailstock The top tight Therefore in the process of CNC machine tools in efficiency is not high workers in labor intensity and great Therefore the issue of the Institute to achieve the desired results in the CNC lathe processing when the need to use Tailstock the use of this issue by the Tailstock design can improve the process of mechanization and automation level increase production efficiency and reduce Workers in the labor intensity Key words Numerically controlled machine Tailstock Hydraulic system Hydraulic cylinder inside diameter 1 绪论 2 目 录 1 绪论 4 1 1 研究背景和意义 4 1 2 液压传动介绍 5 1 3 国内外数控机床的发展现状 6 1 3 1 国外数控机床发展现状 6 1 3 2 国内数控机床发展现状 7 1 4 本文研究对象 8 2 液压尾座液压传动总体设计 9 2 1 尾座简介 9 2 2 回路设计 10 2 2 1 液压尾座顶针液压回路 10 2 2 2 液压尾座顶针加紧液压回路 11 3 尾座液压系统设计 13 3 1 液压系统压力 13 3 2 顶针油缸的计算 13 3 2 1 顶针轴向力 13 3 2 2 液压油缸计算 15 3 3 液压泵的设计 16 3 3 1 液压泵工作压力的确定 17 3 3 2 液压泵流量的确定 17 3 3 3 电动机功率的确定 19 3 4 液压元件的选择 19 3 4 1 油管及管接头 19 3 4 2 过滤器的选择 20 3 4 4 油箱容积的确定 21 3 5 液压系统的性能验算 22 3 5 1 液压系统压力损失验算 22 3 5 2 液压系统发热温升的验算 22 4 液压尾座结构设计 25 4 1 液压尾座箱体设计 25 4 2 尾座顶尖的设计 25 4 3 尾座主轴的设计 26 4 4 尾座导轨的设计 26 4 5 尾座孔系设计 27 4 5 1 套筒与尾座体的配合 28 4 5 2 套筒与顶尖 尾座活塞轴的配合 28 4 5 3 孔和键的设计 28 5 尾座精度的设计 30 5 1 表面粗糙度的确定 30 1 绪论 3 5 2 尾座与机床形位公差的确定 30 5 3 底面及立导向面形位公差的确定 30 结 论 32 参考文献 33 致 谢 34 毕业设计 论文 独创性声明 35 1 绪论 4 1 绪论绪论 1 1 研究背景和意义研究背景和意义 随着科技的进步 生活水平提高 为了减小工人工作强度 自动化技术被广泛运用 到各行各业 自动化 Automation 是指机器设备 系统或过程 生产 管理过程 在没 有人或较少人的直接参与下 按照人的要求 经过自动检测 信息处理 分析判断 操 纵控制 实现预期的目标的过程 自动化技术广泛用于工业 农业 军事 科学研究 交通运输 商业 医疗 服务和家庭等方面 采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体 力劳动 部分脑力劳动以及恶劣 危险的工作环境中解放出来 而且能扩展人的器官功 能 极大地提高劳动生产率 增强人类认识世界和改造世界的能力 因此 自动化是工 业 农业 国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志 液压自动化技术被运用到数 控车床 减小了工人的工作强度和提高了加工质量 数控机床给机械制造业带来了革命性的变化 数控加工具有如下特点 加工柔性好 加工精度高 生产率高 减轻操作 者劳动强度 改善劳动条件 有利于生产管理的现代 化以及经济效益的提高 数控机床是一种高度机电一体化的产品 适用于加工多品种小 批量零件 结构较复杂 精度要求较高的零件 需要频繁改型的零件 价格昂贵不允许 报废的关键零件 要求精密复制的零件 需要缩短生产周期的急需零件以及要求 100 检 验的零件 数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备 目前 我国已经熟练掌握了液压传动技术 但是在某些环节上还不及发达国家 但 是在五星红旗的照耀下 一切问题都将被我们所克服 社会主义制度的优越性决定了液 压传动技术绝对能发挥其长处 它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的 经济效益 而且将为我国的宇宙开发 海洋开发 核能利用等新兴领域的发展做出卓越 的贡献 数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床 该控制系统能够逻辑地处理 具有控制编码或其他符号指令规定的程序 并将其译码 从而使机床动作加工零件 数 控机床含盖了自动化技术 计算机技术 伺服驱动 精密测量和精密机械等各个领域的 技术成果 是一门新兴的工业控制技术 随着国内数控机床的迅速发展 数控机床的应用普及 数控机床出现故障高发时段 然而 目前的数控维修工作混乱无序 根本不能适应数控行业快速发展的步伐 为了使数控 维修工作适应现代化制造业的发展 提高数控设备维修质量 那么规范数控维护也将会增加 难度 所以要大号基础 热心研究 1 绪论 5 1 2 液压传动介绍液压传动介绍 液压传动是根据 17 世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技 毕业设计 论文 6 术 是工农业生产中广为应用的一门技术 液压传动是以流体作为工作介质对能量进行 传动和控制的一种传动形式 利用有压的液体经过油压管路以及方向控制阀 压力控制 阀等控制原件来实现指定的动作 相对传统的机械传动方式来说 液压传动具有输出力 大 重量轻 惯性小 调速方便以及易于控制等优点 因而广泛应用于工程机械 建筑 机械和机床等设备上 液压传动的发展历史 近代液压传动技术是由 19 世纪崛起并蓬勃发展的石油工业推 动起来的 最早实践成功的液压传动装置是舰船上的炮塔转位器 其后出现了液压六角 车床和磨床 第二次世界大战 1941 1945 期间 在美国机床中有 30 应用了液压传动 在一些兵器上用上了功率大 反应快 动作准的液压传动和控制装置 大大提高了兵器 的性能 也大大促进了液压技术的发展 战后 液压技术迅速转向民用 并随着各种标 准的不断制订和完善 各类元件的标准化 规格化 系列化而在机械制造 工程机械 材料科学 控制技术 农业机械 汽车制造等行业中推广开来 由于军事及建设需要的 刺激 液压技术日益成熟 20 世纪 60 年代后 原子能技术 空间技术 计算机技术等的 发展再次将液压技术推向前进 使它发展成为包括传动 控制 检测在内的一门完整的 自动化技术 在国民经济的各个方面都得到了应用 如工程机械 数控加工中心 冶金 自动线等 液压传动在某些领域内甚至已占有压倒性优势 液压传动有许多突出的优点 因此它的应用非常广泛 如一般工业用的塑料加工机 械 压力机械 机床等 行走机械中的工程机械 建筑机械 农业机械 汽车等 钢铁 工业用的冶金机械 提升装置 轧辊调整 装置等 土木水利工程用的防 洪闸门及堤坝装置 河床升降装置 桥梁操纵机构等 发电厂涡轮机调速装置 核发电 厂等等 船舶用的甲板起重机械 绞车 船头门 舱壁阀 船尾推进器等 特殊技术用 的巨型天线控制装置 测量浮标 升降旋转舞台等 军事工业用的火炮操纵装置 船舶 减摇装置 飞行器仿真 飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置 国内外发展现状 今天 为了和最新技术的发展保持同步 液压技术必须不断发展 不断提高和改进元件和系统的性能 以满足日益变化的市场需求 与世界上主要的工业 国家相比 我国的液压工业还是相当落后的 标准化的工作有待于继续做好 优质化的 工作须形成声势 智能化的工作则刚刚在准备起步 为此必须急起直追 才能迎头赶上 可以预见 为满足国民经济发展需要 液压技术也将继续获得飞速的发展 它在各个部 门中的应用也越来越广泛 1 3 国内外数控机床的发展现状国内外数控机床的发展现状 1 3 1 国外数控机床发展现状国外数控机床发展现状 数控车床 车削中心 是一种高精度 高效率的自动化机床 配备多工位刀塔或动 力刀塔 机床就具有广泛的加工艺性能 可加工直线圆柱 斜线圆柱 圆弧和各种螺纹 槽 毕业设计 论文 7 蜗杆等复杂工件 具有直线插补 圆弧插补各种补偿功能 并在复杂零件的批量生产中 发 毕业设计 论文 8 挥 了良好的经济效果 数控 英文名字 Numerical Control 简称 NC 技术是指用数字 文字和符号组成的 数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术 数控一般是采用通用或专用计算 机实现数字程序控制 因此数控也称为计算机数控 Computerized Numerical Control 简 称 CNC 国外一般都称为 CNC 很少再用 NC 这个概念了 国外数控技术主要以以美 德 日三国为代表 美 德 日三国是当今世上在数控 机床科研 设计 制造和使用上 技术最先进 经验最多的国家 美国 1952 年研制出世 界第一台数控机床 1958 年创制出加工中心 70 年代初研制成 FMS 1987 年首创开放 式数控系统等 数控技术被广泛运用到大量大批生产自动化所需的自动线 故其高性能 数控机床技术在世界也一直领先 当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床 国外国 家特别重视数控机床主机及配套件之先进实用 其机 电 液 气 光 刀具 测量 数控系统 各种功能部件 在质量 性能上居世界前列 如西门子公司之数控系统 均 为世界闻名 竞相采用 日本通过规划 法规 如 机振法 机电法 机信法 等 引导数 控机床工业发展 1 3 2 国内数控机床发展现状国内数控机床发展现状 我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代 中国于 1958 年研制出第一台数控机 床 发展过程大致可分为两大阶段 在 1958 1979 年间为第一阶段 从 1979 年至今为 第二阶段 第一阶段中对数控机床特点 发展条件缺乏认识 在人员素质差 基础薄弱 配套件不过关的情况下 在第二阶段从日 德 美 西班牙先后引进数控系统技术 并 逐步向前发展 特别是最近几年 我国数控产业发展迅速 1998 2004 年国产数控机床 产量和消费量的年平均增长率分别为 39 3 和 34 9 尽管如此 进口机床的发展势头依 然强劲 从 2002 年开始 中国连续三年成为世界机床消费第一大国 机床进口第一大国 2004 年中国机床主机消费高达 94 6 亿美元 国内数控机床制造企业在中高档与大型数控 机床的研究开发方面与国外的差距更加明显 70 以上的此类设备和绝大多数的功能部件 均依赖进口 由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力 究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够 制造水平依然落后 服务意识与 能力欠缺 数控 系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等 我们应看清形势 充分认识 国产数控机床的不足 努力发展先进技术 加大技术创新与培训服务力度 以缩短与发 达国家之问的差距 在 20 余年间 数控机床的设计和制造技术有较大提高 主要表现 在三大方面 培训一批设计 制造 使用和维护的人才 通过合作生产先进数控机床 使设计 制造 使用水平大大提高 缩小了与世界先进技术的差距 通过利用国外先进 元部件 数控系统配套 开始能自行设计及制造高速 高性能 五面或五轴联动加工的 数控机床 供应国内市场的需求 但对关键技术的试验 消化 掌握及创新却较差 至 今许多重要功能部件 自 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 9 动化刀具 数控系统依靠国外技术支撑 不能独立发展 基本上处于从仿制走向自行开 发 毕业设计 论文 10 阶段 与日本数控机床的水平差距很大 存在的主要问题包括 缺乏象日本 机电法 机 信法 那样的指引 严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人 缺少深入系统的科研工作 元部件和数控系统不配套 企业和专业间缺乏合作 基本上孤军作战 虽然厂多人众 但形成不了合力 我们国家机床业最薄弱的环节在数控系统 机床精度 1 机械加工 机床精度分静精度 加工精度 包括尺寸精度和几何精度 定位精度 重复定位精度等 5 种 2 机床精度体系 目前我们国家内承认的大致是四种体系 德国 VDI 标准 日本 JIS 标准 国际标准 ISO 标准 国标 GB 国标和国际标准差不多 3 看一台机床水平 的高低 要看它的重复定位精度 一台机床的重复定位精度如果能达到 0 005mm ISO 标 准 统计法 就是一台高精度机床 在 0 005mm ISO 标准 统计法 以下 就是超高精度 机床 高精度的机床 要有最好的轴承 丝杠 4 加工出高精度零件 不只要求机床 精度高 还要有好的工艺方法 好的夹具 好的刀具 1 4 本文研究对象本文研究对象 在机械制造行业中 数控车床被广泛用来加工盘类或轴类零件 在加工这类零件的 时候 有许多零件需要用内孔作为定位夹紧面来进行外圆 端面 螺纹等的切削加工 目前 用数控车床对这类零件进行加工时的定位装夹通常采用人工手动夹紧 因此数控 车床的尾座结构普遍是手动控制结构 用手动方式旋转手轮带动尾座套筒使尾座上的顶 尖伸出以顶紧工件 实现对工件的定位 再扳动手柄实现锁紧 采用这种手动控制方式 工作效率低 劳动强度大 夹紧力大小难以精确控制 定位准确性和稳定性都比较差 故设计一种车床尾座的液压控制机构代替传统的手动式控制是完全有必要的 可进一步 完善和提高数控车床的自动化程度 数控车床的尾座是在加工轴类零件时 使用其顶尖 顶紧工件 保证加工的稳定性 尾座的运动包括尾座体的移动和尾座套筒的移动 尾座体的移动有两个作用 一个作用是在加工轴类零件时 将尾座调整到使用位置 另 一个作用是在加工短轴和盘类零件时 将尾座调至非干涉位置 尾座套筒的移动是为了 使顶尖顶紧或松开工件的 通常是由液压缸控制的 本文主要研究数控机床尾座的设计 并将液压传动运动运用到尾座上 实现尾座的 自动顶紧与松开 设计出液压尾座的结构以及液压传动图 液压缸 其要求具体参数 数控车床的切削用量 f 0 1 0 3mm r 切削速度为 v 50 80m min 最大车削工件直径 400mm 最大加工长度 350mm 切削粗糙度为 Ra1 6 3 2 m 2 液压尾座液压传动总体设计 11 2 液压尾座液压传动总体设计液压尾座液压传动总体设计 尾座是车床的重要部件 其作用是固定轴类零件 当加工轴类零件时 除用卡盘外 还需要尾座将其加紧 同时具有辅助支撑和夹紧的功能 本文设计的尾座采用的是整体 式结构 整体式结构尾座由尾座体 套筒 芯轴结构 套筒液压测力装置 尾座和套筒 移动机构 尾座和套筒夹紧与放松结构及液压装置等组成 其夹紧与松开 靠液压控制 液压控制具有 冲击小 对零件的损害小 抗震性好 能吸收一定震动 能实现高精度 的加工 液压系统设计对整个尾座来说 非常重要 因此液压系统的设计十分关键 2 1 尾座简介尾座简介 1 机床采用标准液压尾座 尾座套筒可编程控制 尾座体移动通过销轴由托板带 动 根据用户需求也可提供可程控尾座 内置旋转活络顶尖等 特殊配置 尾座单元安 装在床身导轨上 可沿导轨纵向调整其位置 它的功用是用顶尖支承长工件 也可以安 装钻头 铰刀等孔加工刀具进行孔加工 2 尾座应具有足够的净刚度和较高的刚度 重量比 后者在很大程度上反应了设计 的合理性 应具有良好的动态性 这包括较大的动刚度和阻尼 与其它件配合 使整机 的各个固有频率不致与激振频率重合而发生共振 应具有良好热变形性 使整机的热变 形较小或热变形对加工精度的影响最小 应具有良好的工艺性 以便于制造和装配 图 2 1 液压尾座组成 毕业设计 论文 12 2 2 回路设计回路设计 液压尾座主要由两部分组成 顶针部分 加紧部分 顶针部分是将轴顶紧 加紧部 分 当顶针已经到工作状态时 这时需要加紧机构将其加紧 保证零件装夹的精度 进 而保证加工精度 其组成如图 2 1 所示 尾座顶针实现的是加紧与松开两个动作 因此其 动作主要分为 夹紧 保压 松开 其运动时序图如图 2 2 所示 图 2 2 液压缸运动时序图 2 2 1 液压尾座顶针液压回路液压尾座顶针液压回路 为了实现尾座的这些过程 设计如图 2 3 所示 液压系统原理图 该液压回路主要有 液压缸 电磁阀 调速阀 单向阀 溢流阀等组成 下面将分别对其进行说明 夹紧 加紧的过程是尾座缓缓移动 将零件顶住 为了避免大的碰撞 对工件以及 机 床本身造成伤害 因此加紧的速度应十分缓慢 保压 保压是零件正处于加工中 这时尾座压力系统的稳定性因足够的好 这样才 能保证零件的位置没有便宜 这样零件的精度才会比较高 松开 松开是零件加工完后 将零件卸下 这时尾座应该先快速的松开 这样才能 提高生产效率 因此尾座松开时的速度应该比较快 为了实现快速的加紧与慢慢的松开两中功能 因此在回路中采用了调速阀 以及增 速回路 先接受缓慢加紧的回路 当电磁发工作位在左边时 这时 单向阀截至 不能 通过 回路只能从调速阀过 因此油缸的速度将是比较慢的 当电磁阀位于右边工位时 这时系统构成一个增速回路 实现尾座的快速缩回 同时在油路还设有溢流阀 主要设 置油路的最高工作范围 防止超负荷运行 保证工人 机器的安全 2 液压尾座液压传动总体设计 13 毕业设计 论文 14 1 液压缸 2 调速阀 3 单向阀 4 电磁阀 5 溢流阀 6 液压泵 7 油箱 图 2 3 原理图 2 2 2 液压尾座顶针加紧液压回路液压尾座顶针加紧液压回路 当顶针顶住工件时 这时加紧油缸需要运动 并将顶针加紧 其动作比较简单 只 需实现 工步顶紧 和快速松开两个功能 因此为了实现这个设计液压回路如图 2 4 所示 液压油缸加紧 当顶针顶针轴后 加紧油缸控制电磁阀将处于左边工作为 通过调 速阀 油缸将缓慢的伸出 将顶针夹紧 液压油缸缩回 当零件加工完 需要拆下零件时 这时夹紧油缸电磁阀处于右边工 作位 油缸将快速缩回 松开顶针 这样 液压缸就能进行完整的工作 为尾座提供顶紧工件的动力 顺利的保压给工 件提供相应的稳定压力 安全稳定的进行相关生产 当工件完成加工后 顶尖又能快速 的退回 提高工作效率 让生产安全顺利的进行下去 毕业设计 论文 15 1 调速阀 2 溢流阀 3 单向阀 4 电磁阀 图 2 4 顶针夹紧油缸回路 3 尾座液压系统设计 16 3 尾座液压系统设计尾座液压系统设计 前面章节已经设计好液压尾座的控制回路 本章将从计算方面来设计液压缸的 以 及液压泵的设计 液压缸的设计主要分为顶针油缸 顶针夹紧油缸 3 1 液压系统压力液压系统压力 液压缸工作压力主要根据运动循环各阶段中的最大总负载力来确定 此外 还需要 考虑以下因素 1 各类设备的不同特点和使用场合 如表 3 1 所示 2 考虑经济和重量 因素 压力选得低 则元件尺寸大 重量重 压力选得高一些 则元件尺寸小 重量轻 但对元件的制造精度 密封性能要求高 如表 3 2 所示 所以 液压缸的工作压力的选 择有两种方式 一是根据机械类型选 二是根据切削负载选 表3 1 负载与工作压力的关系表 负载 F kN 50 工作压力 p Mpa 5 7 表3 2 机械类型与工作压力的关系表 机床类型磨床车床铣床龙门刨床拉床组合机床 工作压力 p Mpa 22 4 88 103 5 根据表 3 1 与 3 2 选定液压尾座的工作压力为 2Mpa 3 2 顶针油缸的计算顶针油缸的计算 液压尾座工作要求 主要技术参数 数控车床的切削用量 f 0 1 0 3mm r 切削速度 为 v 50 80m min 最大车削工件直径 400mm 最大加工长度 350mm 切削粗糙度为 Ra1 6 3 2 m 3 2 1 顶针轴向力顶针轴向力 尾座顶针如图 3 1 所示 顶针在受到外力主要来自于两部分 第一部分 来自与工件的自重在轴向产生的轴 向分力 第二部分 来自与工件在切削时 刀具对工件产生一个切削力 这个切削力将 会在轴向产生一个分力 因此顶针收到外力应该是这两个分力之和 毕业设计 论文 17 图 3 1 顶针示意图 1 工件重力产生的分力 根据工件最大长度和最大旋转外径假设工件最大重量 顶尖和三爪卡盘支撑工件可简化 为简支梁 如图 3 2 所示 图3 2 尾座顶尖受力分析图 因此尾座负重 3 2 cot 2 1 a G F 1 其中 G 为工件重力 取最大加工工件的重量 其直径为 400mm 长度为 350mm 代 入公式得 Nl D G333135 0 78000 4 4 014 3 10108 7 4 2 3 2 a 为顶针与工件之间的夹角 取 60o 带入公式得 NF 3 2904 30cot 2 3331 1 毕业设计 论文 18 2 切削力的计算 根据本文设计要求 要技术参数 数控车床的切削用量 切削速度rmmf 3 0 1 0 为 由于切削量越大 切削速度越大 其切削力越大 因此取切量为min 80 50mv 0 3mm r 切削速度为 80m min 的切削力 材料为不锈钢 根据表 3 3 14 所示常见的工件材 料的单位切削力 Kc 值 表 3 3 常见的工件材料的单位切削力 Kc 值 工件材料 HB 硬度材质粗略分类 Kc 2 mmN 110C 0 25 2200 150C 0 8 2600非合金钢类 310C450硬化 调质4500 根据公式 3 2 NfaKF pcc 其中 Kc 为单位切削力 由表 3 3 取 Kc 值为 2453 2 mmN 为背吃刀量 由表 3 3 取 p amm0 5 将上面参数带入公式 3 2 得切削力 NFc 5 367953 02453 切削力将会在轴向上产生一个轴向分力 这个就是尾座需要克服的反作用力 根据 根据 金属切削原理与刀具 切削时产生的轴向分力 0 1 0 6 3 3 F c F 为了安全 取 NF 2 2207 5 36796 0 为了满足加工后的工件的精度要求 在工件重量较大和切削力较大的情况下机床不 发生共振 取轴向力 FN2850 因此尾座需要克服的最大反作用力为 y FN 3 5754 3 29042850 3 2 2 液压油缸计算液压油缸计算 由前面计算可得尾座最大轴向力为 因此尾座液压油缸需要克服这一轴向力 N 3 5754 毕业设计 论文 19 因此 液压油缸的外作用力为 根表据 3 1 与 3 2 取尾座液压系统加紧时的NFz3 5754 压力为 2 背压取 0 5 MPaMPa 则液压油缸的内径为 3 14 3 4 21 pp F D z 4 其中 D 油缸内径 输出力 z F 液压系统输出压力 1 p 液压系统背压 2 p 将以上数据带入公式可得 液压油缸的直径为 mmD 9 69 5 02 14 3 3 57544 元整选取液压油缸的 mmD80 7 0 5 0 Dd 得出活塞杆直接 mmd50 如在计算液压缸尺寸时需要考虑背压 可初定参考数值 回路确定之后再修改 参 考背压值见表 3 4 13 所示 表 3 4 液压缸背压参考 系统类型背压 10 5 2 Pap 回油路上有节流阀的调速系统2 5 回油路上有调速阀的调速系统5 8 回油路上装有背压阀5 15 带补油泵的闭式回路8 15 3 3 液压泵的设计液压泵的设计 液压泵是液压系统中的动力装置 也是能量转换元件 起着向系统提供动力源的作 用 原动机驱动偏心轮 1 旋转时 柱塞 2 将做往复运动 使密封容积 a 的大小发生周期性 的交替变化 当 a 由小变大就行程部分真空 油箱中的油液在大气压作用下 经吸油管顶 开单向阀 6 进入邮箱 a 而实现吸油 当 a 有大变小时 a 中吸满的油液将顶开单向阀 5 流 入系统而实现压油 原动机驱动偏心轮不断旋转 液压泵就不断地吸油和压油 这样液 压泵就将原动机输入的机械能转换成液体的压力能输出 原理图如图 3 3 所示 液压泵为整个液压系统提供动力 能使液压缸稳定安全的工作 是整个液压系统中 的最根本装置 毕业设计 论文 20 1 偏心轮 2 柱塞 3 缸体 4 弹簧 5 6 单向阀 a 油箱 图3 3 单柱塞液压泵的工作原理图 3 3 1 液压泵工作压力的确定液压泵工作压力的确定 液压泵的工作压力 p 是液压泵实际工作时的输出压力称为工作压力 工作压力的大 笑取决与外负载的大小和排油管路上的压力损失 而与液压泵的流量无关 液压泵工作压力计算公式 3 pppp 1 5 是液压执行元件的最高工作压力 对于本系统 工作压力为 2MPa 取 1 5 安全系 1 p 数 MPap3 1 是泵到执行元件间总的管路压力损失 由系统图可见 从泵到增压缸之间取 p 具体压力损失见表 3 5 7 所示 MPap8 0 表 3 5 液压系统元件压力损失表 元件名称额定压力损失 10 5Pa pn 单向阀5 0 3 0 电磁阀3 5 1 调速阀5 3 液压泵工作压力为 MPaMPapp8 3 8 03 当系统压力 p21 选用柱塞泵 MPaMPa 3 3 2 液压泵流量的确定液压泵流量的确定 因为液压泵的流量由得出 由工况图看出 系统最大流量发生在顶 max qKqp 紧油缸工作顶紧过程中 根据车床的通常参数 通常情况下取活塞杆的最大速度为 毕业设计 论文 21 v 2m s 3 v D Q 4 2 max 6 其中 D 为液压缸的直径 v 为液压的速度 sL D Q 00 12 4 2 max 取泄漏系数 K 为 1 2 求得液压泵流量 sLqp 20 1 min 72 L 液压泵一般分为齿轮泵 叶片泵 柱塞泵 齿轮泵由于油压变化比较大 不适合作 为精密仪器供给留量 柱塞泵通常用于高压系统 根据本文实际要求 一般油压系统 且系统工作精度高 因此本系统选择叶片泵 为了提高液压系统的寿命 选用双作用式 根据液压泵的选型手册 确定液压泵的型号为 YYB BCl71 48B 型双联叶片泵 当压力为 时 泵流量为 MPa3min 108L 双作用式叶片泵的组成同单作用式叶片泵一样 它分别有两个吸油口和两个压油口 定子 1 和转子 2 的中心重合 定子内表面近似于长径为 R 短径为 r 的椭圆形 并有两对 均布的配油窗口 两个相对的窗口连通后分别接近 出油口 构成两个吸油口和两个压 油口 转子每转一周 每个密封工作空间完成考两次吸油和压油 其工作原理如图 3 4 所 示 1 定子 2 转子 3 叶片 图 3 4 双作用式叶片泵的工作原理图 一般来说 各种类型的液压泵由于其结构原理 运转方式和性能特点各有不同 因 此应根据不同的使用场合选择合适的液压泵 一般在负载小 功率小的机械设备中 选 择齿轮泵 双作用叶片泵 精度较高的机械设备 如磨床 选择螺杆泵 双作用叶片泵 对于负载较大 并有快速和慢速工作的机械设备 如组合机床 选择限压式变量叶片泵 对于负载大 功率大的设备 如龙门刨床 拉床等 选择柱塞泵 一般不太重要的液压 毕业设计 论文 22 系统 机床辅助装置中的送料 夹紧等 选择齿轮泵 各类液压泵的性能参数与比较见表 3 6 7 所示 对于液压泵的选取具有一定的参考作 用 及指导作用 表 3 6 各类液压泵的性能比较 3 3 3 电动机功率的确定电动机功率的确定 液压尾座系统的压力和流量都是变化的 所需功率变化较大 小泵供油压力为 P1 3 8 其流量 q 108 取泵的总效率 0 8 泵的总驱动功率为 MPamin L 3 7 qP P 压力 功率 其中 p 为液压系统的压力 其最大压力为 3 8Mpa q 为泵的流量为 q 108L min n 为系统效率 带入公式得 kww qP P51 0 513 8 0 1088 3 压力 功率 考虑顶紧过程时间短 不过 3s 而电动机一般允许短时间超载 25 这样电动机功 率还可降低一些 验算其他工况时 液压泵的驱动功率均小kWP408 0 125 10051 0 于或近于此值 查产品样本 选用的电动机 kW55 0 齿轮泵 单作用式叶 片泵 双作用式叶 片泵 轴向柱塞泵径向柱塞泵 压力范围 MPa 2 212 5 6 36 3 2121 4010 20 排量范围 mL r 0 3 6501 3200 5 4800 2 360020 720 转速范围 r min 300 7000500 2000500 4000600 6000700 1800 容积效率 70 9585 9280 9488 9380 90 总效率 63 8771 8565 8281 8881 83 流量脉动 1 27 功率质量比 kW kg 中小中 中 大 小 噪声稍高中中大中 耐污能力中等中中大中 价格最低中中低高高 毕业设计 论文 23 3 4 液压元件的选择液压元件的选择 3 4 1 油管及管接头油管及管接头 液压系统中的油管 主要分金属钢管和耐压软管 一般使用硬管 它比软管安全可 靠 而且经济 软管则通常用于两个有相对运动的部件之间的连接 所以本系统选用钢 管 钢管 分为无缝钢管和焊接钢管两大类 压力大于 2 5MPa 的场合可用无缝钢管 压 力小于 2 5MPa 的场合用焊接钢管 钢管的特点是耐高压 变形小 耐油性 抗腐蚀性比 较好 价格较低 弯曲与装配比较困难 综上所述 本液压系统最大压力 3 8MPa 所以选用无缝钢管 管接头是油管与油管 油管与液压元件之间的连接件 它与满足连接牢固 密封可 靠 装配方便 工艺性好 外形尺大小 通油能力强等性能要求 特别是管接头的密封 性能是影响系统外泄的重要原因 常用管接头的性能特点比较如表 3 7 15 所示 表 3 7 常用管接头的性能特点比较 类型特点应用许用压力 MPa 扩口式管接头结构简单 造价低 适用于铜管 薄壁钢管 尼龙管和塑料管的链接 10 p 焊接式管接头 结构简单 制造方便 耐高 压和振动 密封性能好 适用于厚壁钢管的链接32 p 卡套式管接头 不用密封件 工作可靠 拆 卸方便 抗振性好 应用广 泛 应用场合广泛32 p 扣压式管接头 连接软管用 需要在专用设 备上扣押而成 适用于软管链接10 p 快换管接头 不需要任何工具就能实现迅 速连接和断开 用于经常拆装的液压管 路 10 p 综上所述 液压系统压力为 3 8MPa 选用的是无缝钢管 因此管接头选用扩口式管 接头 3 4 2 过滤器的选择过滤器的选择 在液压系统中 由于系统内污染物的形成或外界污染物的侵入 液压油中难免会存 在各种污染物 油液的污染能加速液压元件的磨损 卡死阀芯 堵塞工作间隙和小孔 使元件失效 导致液压系统不能正常工作 据统计 约 75 的故障和液压油的污染有关 因此必须对油液中的杂质和污染物进行清理 目前 控制液压油的清洁程度的最有效的 毕业设计 论文 24 方法就是采用过滤器 过滤器按过滤精度可分为四级 粗过滤器 mmd1 0 普通过滤器 mmdmm1 001 0 精过滤器 mmdmm01 0005 0 特精过滤器 mmdmm005 0 001 0 过滤精度只要取决于系统的压力 表 3 8 15 所示为过滤精度推荐值 表 3 8 过滤精度推荐值 系统压力小于 14 由表中得出选用普通过滤器网式过滤器 MPa 网式过滤器的优点是通油能力大 压力损失小 容易清洗 但过滤精度不高 主要 用于泵吸油口 本系统恰好用于泵吸油口 所以选用网式过滤器经济划算 3 4 3 油箱的选择油箱的选择 油箱主要用来储存油液 此外还起到散热 溢出油液中的空气以及沉淀杂质的作用 油箱有开式和闭式两种 1 开式油箱中的油液具有与大气相同的自由液面 常用于各种固定设备 应用广 泛 开式油箱又分为整体式和分离式 整体式油箱利用主机的底座内腔作为油箱 这种 油箱结构紧凑 各处液压元件的漏油易于回收 但增加了设计和制造的复杂性 维修不 便 散热条件不好 且会使主机产生热变形 分离式油箱单独设置 与主机分开 减小 了油箱发热的液压源振动对主机工作精度的影响 因此得到了普遍的应用 特别是在精 密机械上 2 闭式油箱完全封闭 油箱中的油液与大气是隔绝的 由空压机向气罐充气 再 由充气罐经过滤清 干燥 减压后进入油箱使液面压力高于大气压 从而改善了泵的吸 油性能 减少了气蚀和噪声 常应用于水下设备 行走设备及车辆 综上所述 本课题选用开式整体式油箱 3 4 4 油箱容积的确定油箱容积的确定 从油箱的散热 沉淀杂质等职能来看 油箱的容积越大越好 单容积过大会造成体 积大 质量大 浪费材料又不节约空间 因此要合理地确定油箱容积 一般来说 油箱的有效容积可以按液压泵的额定流量估计出来 一般容量可取最大 流量的倍 5 3 对于机床的估算公式为 3 p qV 3 1060 系统类型润滑系统传动系统伺服系统 压力 p MPa5 2 014 2114 p21 21 过滤精度 m 100 25 5025 10 5 毕业设计 论文 25 8 式中 V 为油箱的有效容积 单位为 3 m 为与系统有关的经验数字 低压系统 中压系统 高压系统 4 2 7 5 12 10 为液压泵的额定流量 单位为 p qmin L 上面已经计算出 流量代入公式得油箱的有效容积MPa8 3 min 108Lqp 3333 462 2 1088 310601060mmqV p 一般来说 油箱的有效容积指油面高度为油箱整体高度 80 时的容积 所以油箱的 总容积 3 693 3 25 1 462 2 25 1 8 0 mVVVA 油箱的选定应符合 GB2876 81 液压泵站油箱公称容量系列 的规定 选取容量为 4 0 3 m 的油箱 3 5 液压系统的性能验算液压系统的性能验算 在前面的设计过程中 由于系统还没有完全计算完毕 很多参数都是粗略估算的 液压系统设计完成后 需要在对其的技术性能进行验算 以便判断设计质量 3 5 1 液压系统压力损失验算液压系统压力损失验算 验算系统压力损失的目的之一是为了正确确定泵的工作压力即系统的调整压力 系 统溢流阀的调整压力 当系统执行元件的工作压力已确定时 系统的调整压力可根据管 路中的压力损失进行计算 本系统选用的阀类元件有调速阀 单向阀 电磁阀 系统总压力损失 3 21 ppp 9 式中 管路的沿程压力损失 1 p 为局部压力损失 2 p 油路压力损失经验值见下表 3 9 7 所示 表3 9 油路压力损失经验值 本系统进油路上存在调速阀 所以取其压力损失最大值 1 5MPa 即 1 5 1 p MPa 局部压力损失在本文中 3 3 1 液压泵工作压力的确定中已经确定 0 8 2 p 2 p MPa 系统结构情况总压力损失MPap 一般节流调速及管路间单的系统 5 0 2 0 进油路有调速阀及管路复杂的系统5 1 5 0 毕业设计 论文 26 那么将 代入公式 3 9 得到 1 p 2 p 21 ppp 3 28 05 1 MPa 液压泵应用一定的压力储备量 如果计算出的系统调整压力大于液压泵额定压力的 75 则应该重新进行计算 前面已计算液压泵的工作压力 p8 3 MPa pp 75 所以液压系统压力损失在允许范围之内 3 5 2 液压系统发热温升的验算液压系统发热温升的验算 液压系统工作时 液压泵和执行元件存在着容积损失和机械损失 管路和各种阀类 元件通过液流时要产生压力损失和泄露 所有的这样损失所消耗的能量均转变成热能 使油温升高 连续工作一段时间后 系统所产生的热量与散发到空气中的热量相等即达 到热平衡状态 此后温度不再升高 不同的主机 因工作条件与工况的不同 最高允许 油温是不同的 系统发热温升的验算 就是计算系统的实际油温 如果实际油温小于最 高允许油温 则系统满足要求 系统中发热的主要元件是油箱 系统单位时间的发热量为 kW 3 21 pp 10 式中 为液压泵的输入功率 1 p 为系统的输出功率 执行元件是液压缸时为液压缸的输出功率 2 p 油箱单位时间的散热量为 3 11 TACT 式中 A 为油箱散热面积 2 m 为系统升温 T 21 TTT 系统达到热平衡时的油温 1 T 为环境温度即工作场地温度取 27 2 T 为油箱散热系数 当自然冷却通风很差时 T C 2 mkW T C9 8 3 10 自然冷却通风良好时 当油箱专用冷却器时 T C 3 10 5 17 15 T C 3 10 170 110 液压系统系统达到热平衡时 即 3 12 AC T T 如果油箱三个边长的比例在 1 1 1 到 1 2 3 范围内 且油箱高度为油箱高度的 80 其散热面积近似为 2 mA 3 13 32 065 0VA 毕业设计 论文 27 式中 为油箱有效面积 L V 为液压泵的输入功率即为电机功率 0 55kW 1 p 1 P 2 p qP 压力 kWW216 0 2161082 将 代入式 3 10 得 1 p 2 p kW334 0216 0 55 0 因为油箱容积 将其代入公式 3 13 得 3 0 4 mV 23 51 2 16065 0 mA 取自然冷却通风良好时 油箱散热系数 因为 T C 3 10 5 17 15 时 将以上得出的数据代入公式 3 12 得kW334 0 AC T T 31 8 51 2 1016 334 0 3 有温升验算公式 3 121 TTTT 14 式中 为最高允许油温 对于一般机床 对粗加工机械 1 T 1 T70 55 1 T 80 65 将 代入公式 3 14 得 2 TT T35 31 31 8 27 121 TTT 油温在最高允许油温范围之内 4 液压尾座结构设计 28 4 液压尾座结构设计液压尾座结构设计 尾座是卧式车床的重要附件 其主要作用 轴类零件定心 同时具有辅助支撑和夹 紧的功能 本文设计的尾座采用的是整体式结构 整体式尾座的组成为 尾座体 套筒 芯轴结构 尾座和套筒移动机构 尾座和套筒夹紧与放松结构及液压装置等组成 整体 式尾座 将分体式尾座上 下体合为一个尾座整体 经有限元分析 计算 通过对尾座 内部筋板的合理布置 提高了尾座的刚度和固有频率 尾座采用高强度低应力铸铁铸造 经良好的时效处理 热变形小 刚度高 抗震性能好 精度高 精度保持性好动 静刚 度好 精度高 在承受最大工件重量和最大额定切削力的情况下芯轴结构选用高精度的 进口轴承支承 结构更加简单 优化 合理 整体式尾座将分体式尾座上 下体合为一 个尾座整体 取消了分体式尾座联结的定位键和把合螺钉 总零件数和标准件数更少 取消了分体式尾座上 下体的配合加工面 取消了分体式尾座上 下体的装配环节 加 工 装配工艺性更好 节约了加工 装配总费用 降低了尾座的总重量和总成本 下面 将从尾座座体 尾座主轴 尾座顶针 尾座导轨设计 4 1 液压尾座箱体设计液压尾座箱体设计 尾座体的材料采用 HT200 铸造加工而成 在尾座体的设计过程中考虑到加工工艺 需要设计出工艺凸台和工艺孔 在铸造设计过程中应注意 尾座体的壁厚要尽量均匀 拐角处要设计成圆角以减少集中应力 将尾座箱体固定在导轨上 这样才能使尾座工作 从尾座上为导轨加润滑油 油杯选择为直径为 10 此油杯为压配式压注油杯 此油杯使 用比较方面 当润滑主轴时只需将油口对准油杯口即可往里注油 不用拆装尾座即可起 到润滑的作用 此尾座壳体的前面有防尘罩 此防尘罩的作用是防止主轴伸出时有杂质 粘在上面 也防止杂质渗入影响主轴伸出的速度及稳定性 此键的作用是固定主轴 使 其不能左右旋转只能伸缩 在其旁边有一定位螺钉 此作用是将键牢牢固定于壳体 防 止键定位不准 4 2 尾座顶尖的设计尾座顶尖的设计 顶针是定位工件