基于Solidworks单面多轴组合钻床液压集成块及其加工工艺的设计说明书.doc

卧式单面多轴组合钻床液压系统集成块 及其加工工艺的设计设计总说明传统的液压系统是通过油管道连接，对管道所承受的压力要求较高，而且容易造成漏油，影响运动的平稳性，其运动效率低，论文采用液压集成式连接代替传统的液压系统，选择板式液压元件安装在集成块上，将油孔道布置在集成块体内，既缩小了装置的占用面积，同时还消除了漏油现象，提高液压系统的稳定性。本课题主要针对卧式单面多轴组合钻床液压系统的集成块进行设计，同时借助Solidworks辅助设计，综合应用各种先进的设计理念完成本次课题的研究。论文第一部分首先根据技术参数，完成液压系统的工况分析，制定出液压系统的各个回路，拟定出液压系统原理；然后确定液压缸的工作压力和主要尺寸；最后根据各工作回路的最大压力和流量选择液压元件，确定出液压元件的型号和尺寸。第二部分论文对该液压系统集成块结构进行设计。首先绘制集成块单元回路图，再合理的布置液压元件，同时借助Solidworks辅助设计绘制出三维图、二维视图，确定各油孔和连接孔号、孔径与孔深，并根据使用要求确定详细的技术要求。最后设计集成块的加工工艺。根据集成块的技术要求，毛坯材料选择45号钢，确定出毛坯余量。其次拟定出加工工艺路线，绘制出加工工艺卡片。本次设计使用板式液压阀，将液压系统集成到几个一定尺寸的集成块上，避免了传统液压系统的弊端。同时使用Solidworks软件设计，将集成块体内的孔道空间位置清楚地展现出来，对实际生产有着一定意义。但是此次设计也有很多地方的不足，例如没有考虑到油液流动的速度对油路弯道的冲击力，和油孔实际加工中的沉孔等工艺孔的设计，希望能够在下次设计中得到更多的改进。关键字：液压系统；集成块；加工工艺Structure and Process of the Hydraulic Manifold on the HorizontalSingle sided Multi-axis Combination Drilling MachineDesign DescriptionThe traditional hydraulic system connects through oil pipelines, and has a higher demand for pressure of pipelines. With its easy to lead, unstable and lower efficiency. The design replaces the traditional hydraulic system with integrated system, on which the plate hydraulic components installed and the oil duct arranged in the block, which not only shrinks the device space and eliminates the leakage, but also improves the stability of the hydraulic system.The project is mainly focused on horizontal single-sided multi-axis combination drilling machine hydraulic system design, and with the help of Solidworks, completes the work application of advanced concepts.First part: according to the requirements and the parameters, the analysis of working conditions and the schematic diagram of the hydraulic system are proposed in this paper. The pressure and main dimensions of the hydraulic cylinder are determined. At last, the type and the size of hydraulic valves are selected based on the primary hydraulic cylinder pressure and flow calculation.Second part: the structure of the manifold. The circuit diagram of manifold block unit, a layout of hydraulic components and the dimensions of every oil holes which are shown in the 3D map, 2D view in this paper. Finally, the manifold processing. According to the technical requirements of the manifold, 45 steel is selected as the blank material. The blank margin, the processing line, the manufacturing processing card are worked out.The plate hydraulic valves are used in the design to make the hydraulic system integrated into manifold blocks, which can avoid the drawbacks of traditional hydraulic system. With Solidworks software the location of the holes in the manifold block are clearly demonstrated. However, this design also has many disadvantages, for example, the impaction of the oil flow on the block at the oil corner and the sink holes do not take into account, which be improved in the future .Key words: hydraulic system; manifold; processing目 录第1章 绪论11.1选题目的和意义11.2国内外研究发展现状和发展趋势1第2章 液压系统的设计与计算22.1设计技术要求22.2系统工况分析22.2.1运动分析22.2.2负载分析32.3液压系统主要参数确定42.3.1初选液压缸工作压力42.3.2计算液压缸的主要尺寸52.3.3计算液压缸各工作阶段的压力、流量和功率52.4拟定液压系统原理图72.4.1供油回路72.4.2选择调速回路72.4.3选择速度换接回路72.4.4选择快速运动和换向回路72.4.5液压基本回路的组合82.5计算和选择液压元件92.5.1确定液压泵的规格92.5.2确定其他液压元件及辅件102.5.3简述各液压元件尺寸112.5.4确定油道尺寸15第3章 集成块的设计173.1液压集成块的结构173.2绘制集成块单元回路图173.3集成块的初步设计183.4集成块外形尺寸的确定193.5孔道的布置203.6绘制集成块零件图21第4章 集成块加工工艺的设计224.1确定集成块的生产纲领224.2集成块的技术分析224.3集成块毛坯的设计224.3.1确定毛坯种类224.3.2毛坯加工方法的选择234.3.3毛坯的工艺分析及要求234.3.4毛坯余量和公差的确定234.4零件图的技术与工艺分析244.4.1安排工序的原则244.4.2工艺阶段的划分244.5集成块的工艺路线的拟定254.6机床，刀具，量具及其夹具的选择264.6.1机床的选择264.6.2刀具和量具的选择264.6.3夹具的选择26结论27参考文献28附录29致谢31III第一章 绪论 第1章 绪论1.1选题目的和意义液压系统是由若干液压阀有机的组合在一起，根据参考文献1可知各液压系统间的连接方式有：管式连接、板式连接、集成式连接。管式连接时管路交错，所占空间大，易造成漏油和渗入空气。板式连接时油管多，易造成缝隙，不易检查故障，工艺较复杂。集成式液压系统（Integrated Hydraulic Manifold System-IHMS）的出现，从结构上讲，使系统结构变的紧凑，减少了管路连接和接头，增加了系统的柔性，使系统方便控制，利于标准化；从性能上讲，减少了系统的泄漏，减少了系统的震动和功率损失，因此，基于集成块的集成式液压系统已经是液压系统设计的趋势。根据参考文献2相比较而言，选择集成式连接有它独特的优点：（1）可利用原有的板式元件组合成各种各样的液压回路，完成各种动作的要求；（2）由于液压块向空间发展，缩小了液压设备的占用面积；（3）以块内孔道代替管道，简化了管路连接，便于安装和管理；（4）缩短了管路，基本消除了漏油现象，提高了液压系统稳定性；（5）如果变更回路，只要更换液压块即可，灵活性大，可实现系统标准化，便于成批生产。本课题所研究的是卧式单面多轴组合钻床液压系统集成块及其加工工艺的设计，同时借助solidworks软件辅助，完成液压集成块的回路及其加工工艺的设计。1.2国内外研究发展现状和发展趋势国际上利用计算机进行液压系统和元件辅助设计工作，开发出各类液压CAD软件数十种，目前研发出了具有自动设计孔道，校核孔道和任意剖视图等功能的软件，同时还将人工智能和CAD技术相结合用以解决集成块的元件布局和孔道设计问题。国内液压CAD技术研发起步比较晚，但是已取得很大发展，目前各大学府已经成功研制出集成块CAD三维造型技术，例如大连理工大学开发出面向集成式液压系统的YCADJ软件包，包括原理图设计、阀体结构设计等内容，并采用人工智能技术实现自动化设计工艺孔。同时在此基础上建立了基于特征的零件产品模型，对液压集成块的开发做了一定研究。随着三维CAD软件的普及应用，国内外学者对基于三维CAD软件的液压集成块设计，液压集成块油路智能优化设计，油路联通关系的校核等进行了广泛的研究。31第2章 液压系统的设计与计算第2章 液压系统的设计与计算2.1设计技术要求系统主要的技术参数和工作任务：（1）实现工件定位、夹紧、夹紧行程；（2）滑台进给系统的工作循环为：快进、工进、快退以及拔销松开。工作台快进速度：5.5m/min；快退速度：5.5m/min；工进速度：0.04-0.1m/min；工进行程：200mm；最大行程320mm；运动部件的重量为30000N；机床上有主轴16个，加工17.4 mm的孔14个，9.0mm的孔2个。刀具材料为高速钢，工件材料为铸铁，硬度为240HBS；采用平导轨，静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1；工作台加减速时间不大于0.2S。系统性能要求：（1）夹紧后在工作中突然停电，要保证安全可靠，当油路压力瞬时下降时，夹紧缸应保证夹紧力不变；（2）滑台由快进转换为工进时，动作换接要平稳可靠；（3）当工作台钻削时，速度应平稳；钻透时，工作台不能前冲。2.2系统工况分析对系统进行工况分析可以了解执行元件的速度、负载变化规律，更进一步方便确定液压系统主要参数。2.2.1运动分析机床的工作循环为快进工进快退制动，根据参考文献1中其工作循环图如图2-1所示。 图2-1 卧式单面多轴组合钻床的动力滑台及定位、夹紧机构示意图2.2.2负载分析负载分析中，暂不考虑回油腔的背压力和液压缸的密封装置产生的摩擦阻力（可在确定系统的机械效率中加以考虑）。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：夹紧力，导轨摩擦力，惯性力。1、工作负载对于金属切削机床液压系统来说，沿液压缸轴线方向的切削力即为工作负载。切削负载(确定切削负载应具备机械切削加工方面的知识)用高速钢钻头(单个)钻铸铁孔时的轴向切削力Ft(单位为N)为 （2-1） 式中：D钻头直径，单位为mm； s每转进给量，单位为mmr； HBS铸件硬度。根据组合机床加工特点，钻孔时主轴转速n和每转进给量s按“组合机床设计手册”取：对17.4mm的孔：n1=360rmin，s l=0.147mmr；对9.0mm的孔：n2=550rmin，s 2=0.096mmr；所以，系统总的切削负载Ft为：令Ft=FL=37795N2、摩擦阻力负载Ff阻力负载主要来自于工作台的机械摩擦阻力，分为静摩擦阻力和动摩擦阻力两部分。导轨的正压力等于动力部件的重力，则启动时，静摩擦阻力 ：= （2-2） =运动后，动摩擦阻力：= （2-3） =3、惯性负载最大惯性负载取决于移动部件的质量和最大加速度，其中最大加速度可通过工作台最大移动速度和加速时间进行计算。已知启动换向时间为0.2s，工作台最大移动速度，即快进速度为5.5，快退速度为5.5，因此惯性负载可表示为： （2-4） =如果忽略切削力引起的颠覆力矩对导轨摩擦力的影响，并假设液压缸的机械效率=0.9, 根据上述负载力计算结果，可得出液压缸在各个工况下所受到的负载力和液压缸所需推力情况，如表2-1所示：表2-1 液压缸总运动阶段负载表（单位：）工况负载组成负载值/推力启动60006667加速44024891快进30003333工进4079545328快退30003333制动159817762.3液压系统主要参数确定2.3.1初选液压缸工作压力工作压力可根据负载大小及装备类型来初步确定，根据参考文献2中表2-3和表2-4可得知，组合机床液压系统最大负载约为40.795时宜选5。表2-2 按负载选执行元件的工作压力负载/ KN50工作压力/0.811.522.5334455表2-3 各种机械常用的系统工作压力机械类型机 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0.823528810101820322.3.2计算液压缸的主要尺寸液压缸由于系统往返速度不一样，故采用单杆双作用液压缸，并且采用活塞杆固定液压缸体随滑台运动的常用安装形式。初算活塞面积A为: （2-5） 初算活塞直径为 （2-6） 根据参考文献3中查表，按标准取初算活塞杆直径根据快进、快退相等d/D=0.707,可得出活塞杆直径，根据参考文献3查中表，按标准取无杆腔面积 （2-7） 有杆腔面积 （2-8） 2.3.3计算液压缸各工作阶段的压力、流量和功率快进时液压缸虽然作差动连接（即有杆腔与无杆腔均与液压泵的来油连接），但连接管路中不可避免地存在着压降，且有杆腔的压力必须大于无杆腔，估算时取,根据参考文献4中表2-4可得知回油路设置背压阀的系统背压力为,因此选回油腔压力为。则可估算出液压缸各工作阶段中的压力、流量和功率，如表2-5所示。表2-4 执行元件背压力系统类型背压力/简单系统或轻载节流调速系统0.20.5回油路带调速阀的系统0.40.6回油路设置有背压阀的系统0.51.5用补油泵的闭式回路0.81.5回油路较复杂的工程机械1.23回油路较短且直接回油可忽略不计表2-5 液压缸工作循环各阶段压力、流量和功率计算表工况推力/回油腔压力/进油腔压力/输入流量输入功率P/Kw计算公式启动666701.77加速48911.42快进33331.1127.60.51工进453280.85.150.370.950.030.08快退33330.60.6324.610.26制动17760.60.57注：，式中表示液压缸的推力，表示液压缸的工作负载；表示液压缸的机械效率。2.4拟定液压系统原理图根据该课题液压系统的设计任务和工况分析，所设计机床对调速范围、低速稳定性有一定要求，因此速度控制是该机床要解决的主要问题。速度的换接、稳定性和调节是该机床液压系统设计的核心。此外，与所有液压系统的设计要求一样，该组合机床液压系统应尽可能结构简单，成本低，节约能源，工作可靠。2.4.1供油回路按本课题方案，供油回路采用双定量泵供油回路，也可选用限压式变量泵作油源。但限压式变量泵结构复杂、成本高，且流量突变时液压冲击较大，工作平稳性差，由设计要求可知，工进时负载大速度较低，而在快进、快退时负载较小，速度较高。为了节省能量，减少发热，油源宜选用双泵供油。如图2-2所示：图2-2 供油回路2.4.2选择调速回路 这台机床液压系统功率较小，滑台运动速度低，工作负载为阻力负载且工作中变化小，故可选用进口节流调速回路。为防止孔钻通时负载突然消失引起运动部件前冲，在回油路上加背压阀。同时由于选用节流调速方式，系统为开式循环系统。2.4.3选择速度换接回路 由图2-1当系统由快进转为工进时，速度变化比较大，为减少速度换接时的液压冲击，选用行程阀控制的换接回路。如图2-3所示：图2-3 速度换接回路2.4.4选择快速运动和换向回路根据本设计的运动方式和要求，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。2.4.5液压基本回路的组合将已选择的液压回路，组合成符合设计要求的液压系统并绘制液压系统原理图，如图2-4所示为组合后的液压系统原理图，如表2-5所示为液压系统得电动作顺序。图2-4 卧式单面多轴组合钻床液压系统原理图表2-5 得电动作顺序表得电动作顺序表1YA2YA快进+-工进+-快退-+制动-2.5计算和选择液压元件2.5.1确定液压泵的规格本设计所使用液压元件均为标准液压元件，因此只需确定各液压元件的主要参数和规格，然后根据现有的液压元件产品进行选择即可。1、确定液压泵的最大工作压力由于本设计采用双泵供油方式，根据液压系统的工况图，大流量液压泵只需在快进和快退阶段向液压缸供油，因此大流量泵工作压力较低。小流量液压泵在快速运动和工进时都向液压缸供油，而液压缸在工进时工作压力最大，因此对大流量液压泵和小流量液压泵的工作压力分别进行计算。根据液压泵的最大工作压力计算方法，液压泵的最大工作压力可表示为液压缸最大工作压力与液压泵到液压缸之间压力损失之和。对于调速阀进口节流调速回路，根据参考文献中5可选取进油路上的总压力损失： 同时考虑到压力继电器的可靠动作，要求压力继电器动作压力与最大工作压力的压差为，则小流量泵的最高工作压力可估算为：大流量泵只在快进和快退时向液压缸供油，快退时液压缸中的工作压力比快进时大，若取进油路上的压力损失为0.5，则大流量泵的最高工作压力为：2、确定液压泵的总流量在整个工作循环过程中，液压油源应向液压缸提供的最大流量出现在快进工作阶段，为，若整个回路中总的泄漏量按液压缸输入流量的10%计算，则所需提供的总流量为： 工作进给时，液压缸所需流量约为，但由于要考虑溢流阀的最小稳定溢流量 ，故小流量泵的供油量最少应为。根据以上计算所值，根据参考文献3，查阅液压设计手册，选用PV2R12-12/33双联叶片泵。2.5.2确定其他液压元件及辅件根据系统的最高工作压力和通过各阀类元件及辅件的实际流量，查阅液压设计手册，选出阀类元件，确定出其尺寸和其他辅件的规格如表2-8所示。表2-8 液压元件规格与型号序号元件名称通过的最大流量规格型号额定流量额定压力额定压降1双联叶片泵PV2R12-12/333716/142三位四通电磁换向阀5034ED-H10B-T-ZZ8016 0.53行程阀3022CH-D10B6310 0.34单向调速阀50AQF3-E10BC50165单向阀40CRG-03-04-0540250.26液控顺序阀 25XF3E10B63160.37背压阀0.3FBF3-D10B63100.028溢流阀51YF3-E10B63169单向阀30S-10P113031.50.210滤油器30XU-63X80-J6310150中批量生产1501500大批量生产15005000大量生产5000在零件进行大量生产时，一般采用高效先进的方法，要有加工流水线，选择采用组合机床流水线加工的方式。4.2集成块的技术分析集成块的加工质量直接影响液压系统的运行效率和使用寿命，因此在加工平面和加工孔时要注意一些技术要求。1、 平面的技术要求集成块加工的表面主要是其外侧的六个表面，上下表面是两个块的接触面，其粗糙度要求比较高，根据参考文献10可得知粗糙度，其余四个表面的粗糙度。以前面为基面，其他面与前面的垂直度为。与前面的平行度为。2、 孔的技术要求液压集成块体内布置了油孔道和安装孔，其中安装孔的加工精度比较高，它主要是将液压元件安装在集成块的表面。加工安装孔的质量直接影响到液压系统的使用寿命，因此安装孔的粗糙度，油孔的技术要求就比较低，其粗糙度。4.3集成块毛坯的设计4.3.1确定毛坯种类机械加工的加工质量、生产效益和经济效益，在很大程度上取决于所选的工件毛坯。常用毛坯种类有型材、铸件、冲压件和焊接件等。毛坯选择通常从零件的材料及其力学性能，零件的形状和外形尺寸，生产类型，具体生产条件，新工艺、新技术和新材料的可能性五个方面取考虑。合理的选择毛坯种类对随后价格中确保产品质量、缩短生产周期与降低生产成本有着重要影响。根据参考文献11可得知在材料选择中，当工作压力小于6.3MPa，承受低压的集成块，一般选用球墨铸铁为好，因为它的可加工性好，尤其对深孔加工有利。但铸铁块的厚度不宜过大，因随着厚度的增加，其内部组织疏松的倾向较大，在压力油的作用下易发生渗漏，故不适宜用于中、高压场合。当工作压力大于6.3MPa，承受中、高压的集成块一般选20钢、35钢和45钢；承受高压的集成块最好选用锻钢。所用毛坯不得有砂眼、夹层等缺陷，必要时应对其进行探伤。铸铁块和较大的钢块在加工前应对其进行时效处理或退火处理，以消除内应力。综合上述要求，结合本设计中的液压系统工作压力，集成块材料选择45钢。4.3.2毛坯加工方法的选择根据参考文献12可知液压集成块的制造一般需经锻造(或铸造)、热处理、刨、磨、钻等机加工工序。加工后需对其表面除毛刺、清洗油污。液压集成块毛坯的制造一般需经锻造，属于锻件。锻造的方法有自由锻和模锻。自由锻造的设备分为锻锤和液压机两大类。液压机是以液体产生的静压力使坯料变形的，是生产大型锻件的唯一方式。自由锻造的基本工序包括镦粗、拔长、冲孔、切割、弯曲、扭转、错移及锻接等。利用模具使坯料变形获得锻件的锻造方法称为模锻。此方法生产的锻件尺寸精确，加工余量较小，结构也比较复杂生产率高。与自由锻相比，模锻具有如下优点：生产效率较高，模锻时，金属的变形在模膛内进行，故能较快获得所需形状。模锻件的尺寸较精确，表面质量较好，加工余量较小。模锻操作简单，劳动强度低。模锻适合于小型锻件的大批大量生产，不适合单件小批量生产以及中、大型锻件的生产。本次设计集成块选择模锻。4.3.3毛坯的工艺分析及要求1、毛坯锻造时要保证内部组织致密，不得有夹层，不允许有肉眼可见的裂纹、折叠和其他影响使用的外观缺陷。根据参考文献13可知局部缺陷可以清除，但清理深度不得超过加工余量的75%，锻件非加工表面上的缺陷应清理干净并圆滑过渡。2、锻件不允许存在白点、内部裂纹和残余缩孔。4.3.4毛坯余量和公差的确定根据参考文献14可知决定加工余量时应考虑到被加工零件的尺寸及大小。零件愈大，则加工余量也愈大。列表出主要表面的毛坯尺寸及公差/mm如表4-2所示：表4-2主要表面的毛坯尺寸及公差（mm）主要尺寸零件尺寸总余量毛坯尺寸长2004204宽2004204高20042044.4零件图的技术与工艺分析4.4.1安排工序的原则在设计工艺路线时，首先要选择各表面的加工方法。各表面由于价格精度的要求，一般不能一次加工就能达到要求，对于主要面来讲，往往需要几次加工，由粗到精逐步达到要求。拟订集成块工艺过程时一般遵循以下原则：“基准先行”的原则。选为精基准的表面应安排在起始工序先进行加工，以便尽快为后续工序的加工提供精基准。“先面后孔”的原则。对于集成块，先加工平面，后加工孔。因为平面一般面积大，轮廓平整，先加工好平面，便于加工孔时定位安装，有利于保证孔与平面的位置精度，同时也给孔加工带来方便，使工具的初始条件得以改善。有些精度要求较低的螺纹孔，可根据加工的方便及工序时间的平衡，安排其工序的次序。“粗精分开，先粗后细”的原则。由于集成块结构复杂，主要表面的精度要求较高，为减少或消除粗加工时产生的切削力、夹紧力和切