数控车床液压系统的设计(本科高分毕业论文)

数控车床液压系统的设计 完成日期 指导教师签字 评阅教师签字 答辩小组组长签字 答辩小组成员签字 I 摘 要 液压传动在发展现代工程机械的过程中扮演着越来越重要的角色 数控车床中 很多地方也用到液压传动系统 例如装卡装置和尾座顶紧装置等 数控车床液压尾座在液压系统执行机构的驱动下进行工作 其工作时主要实现 尾座的顶紧和加紧过程 设计尾座的液压回路主要有液压缸 调速阀 电磁阀 单 向阀 溢流阀等组成 并充分考虑液压系统的优缺点 设计绘制出液压系统原理图 选择合适的液压缸 计算出液压泵的参数 然后根据这些选择合适的油箱 阀 油 管和过滤器 最后再经过精确验算来完设计出一个完整的液压系统 关键词 数控车床 尾座 液压系统 液压缸 II Abstract Hydraulic transmission in the process of development of modern engineering machinery plays a more and more important role many places are also used in CNC lathe hydraulic transmission system such as card device with and tailstock device etc Hydraulic tailstock of nc machine tool hydraulic system work under the actuator drive to achieve the top of the tailstock and tightening process design of hydraulic tailstock main hydraulic cylinder speed regulating valve solenoid valve check valve relief valve of hydraulic circuits fully consider the advantages and disadvantages of the hydraulic system hydraulic system design to map the schematic diagram select the appropriate hydraulic cylinder and calculated the parameters of the hydraulic pump and then according to these to choose the appropriate fuel tanks valves tubing and filter and then through the design of precise calculation to complete a hydraulic tailstock of the hydraulic system Key words numerically controlled machine tailstock hydraulic system hydraulic cylinder inside diameter III 目 录 1 绪论 1 1 1 研究的背景与意义 1 1 2 国内外数控机床和液压系统研究现状及发展 1 1 2 1 数控车床现状与发展趋势 1 1 2 2 液压系统的现状与发展趋势 1 1 3 研究方法与内容 2 1 3 1 研究方法 2 1 3 2 研究内容 2 2 液压系统的简介 3 2 1 液压系统的组成 3 2 2 液压系统的优缺点 3 3 液压尾座液压传动总体设计 4 3 1 尾座简介 4 3 2 回路设计 4 3 2 1 液压尾座顶针液压回路 4 3 2 2 顶针加紧液压回路 5 4 尾座液压系统设计 6 4 1 液压系统的压力 6 4 2 绘制液压系统原理图 6 4 3 顶针油缸的相关计算 7 4 4 液压泵的设计 8 4 5 阀类元件的选择 9 4 6 油管类型的选择 9 4 7 油箱的选择 9 4 8 过滤器的选择 10 5 液压系统性能的验算 11 5 1 管路系统压力损失的验算 11 5 2 系统发热温升的验算 11 5 3 系统效率验算 12 总 结 13 参考文献 14 致 谢 15 数控车床液压系统的设计 1 1 绪论 1 1 研究的背景与意义 液压传动在发展现代工程机械的过程中显得尤为重要 国外由于应用了全新的 技术成果 使产品品种 质量和水平都有较大提高 液压传动朝着小型化 集成化 精密化 高效化等方向不断前进 但是前进的道路肯定有很多需要解决的问题 例 如液压油浪费 油污染 液压系统不能与整机完整的结合等问题都需要我们一一克 服 市场竞争越发激烈 产品的更新又极为迅速 精度要求也越来越高 数控车床型号 1 最大的切削直径 1500mm 2 最大的切削长度 1000mm 3 主轴的转速为 200r min 1 2 国内外数控机床和液压系统研究现状及发展 数控机床是典型的机电一体化产品 数控机床的技术水平高低在一定程度上是 衡量一个国家经济发展和工业制造水平的一个重要标志 1 数控车床是数控机床的 代表品种 近些年一直受到各国的重视并得到了较快的发展 1 2 1 数控车床现状与发展趋势 国外数控机床技术现状 1 高精度 高速度与多轴加工成为数控机床技术突破的主流 纳米技术控制已 经成为新的潮流 2 不断扩展的智能处理和监测设备 车间可以实时监控和管理机床本身的工作 信息 分析相关数据 预测车床的状态 提前保养 避免风险 减少机床的损坏率 提高 机床的利用率 3 发展迅速的绘图技术为数控机床的精加工提供了很好的辅助 国内数控车床的现状 近些年来 我国数控车床生产数量和产量一直保持高速增长 但与其它发达国 家相比 我国车床数控化率不到 30 国产数控车床到 2000 年品种大概为 700 多 种 不到数控车床品种的 50 其中经济型数控车床占大多数 国产最高主轴转 速一般在 2000r min 左右 个别高性能机床转速达 8000r min 国内数控技术还 有很大的发展空间 1 2 2 液压系统的现状与发展趋势 液压控制技术回顾与展望 数控车床液压系统的设计 2 气压与液压压传动相对于机械传动来说是一门新兴的技术 在各个行业中 液 压技术得到了普遍而又广泛的应用 随着核能 空间技术 电子技术等多方面的发 展 液压技术被应用到更广阔的领域 逐步发展成为包括控制 传动和检测在内的 一门完整的自动化控制技术 国内数控车床液压系统的应用发展速度也很快 主要 发展方向是小型集成化 多样化等 并且进一步实现高压 高速 高精度 高可靠 性的机电一体化 2 国外数控车床发展相对较早 相对来说国内与国外有一定差距 液压行业的发展趋势 液压技术在将部分机械能转换成工作压力能方面 已取得很大进步 但是一直 存在着容积损失和机械损耗 一直未能很好解决 为减少压力能的过多损失 需要 解决以下几个问题 尽量减少液压元件和液压系统的内部压力损耗 以减少系统功率损失 尽量减少或消除液压系统的节流损耗 采用新技术 新材料 减少磨擦损失 改良液压系统的性能 1 3 研究方法与内容 1 3 1 研究方法 液压系统是液压型机械的一个重要组成部分 液压系统的设计要同机床主机的 总体设计同步进行 设计必须与工作环境 工作方式相结合 确定液压系统的作用 及需要改进的方向 进而设计出一个适合整机的液压系统 这才是最关键的 1 设计步骤 一般来说 在明确设计要求之后 大致按如下步骤进行 1 学习并掌握液压系统原理的基础知识 2 根据数控机床工况要求及负载分析 对比选出合适的液压回路 3 拟定液压系统原理图 4 液压系统的计算和元件的选择 5 液压系统元件尺寸和结构的确定 6 总结分析 精度和误差的统计 1 3 2 研究内容 根据设计要求 本文的研究内容大致分为以下三点 1 液压系统的设计 2 各液压元件的选择 3 对液压系统的检验 数控车床液压系统的设计 3 2 液压系统的简介 2 1 液压系统的组成 一个完整的液压系统一般由五个部分组成 即动力元件 执行元件 控制元件 辅助元件和液压油 4 动力元件 液压泵是液压系统的动力元件 是能量转换元件 由原动机驱动 把输入的机械能转化为油液的压力能再输出到系统中去 为执行元件提供动力 执行元件 主要是将液体的压力能转换为机械能并将其输出 缸主要是输出力 和直线运动 但有的是输出往复摆动运动和扭矩 马达则是输出连续旋转运动和扭 矩 控制元件 功能是对流动方向 压力和流量进行控制 以满足执行元件所需要 各个要求 从而使系统按照特定的工作要求进行工作 辅助元件 包括蓄能器 过滤器 油箱 压力表 管件及密封装置等 2 2 液压系统的优缺点 优点 能够承受较大的工作压力 便于无级变速 工作相对平稳 便于实现频 繁切换 易于实现过载保护 液压元件易于实现标准化 系列化和通用化 便于设 计和制造 缺点 不宜在较高或较低温度下工作 不可远距离输送动力 元件制造精度要 求高 不易实现定比传动 发生故障不易检查和排除 传动效率相对较低 数控车床液压系统的设计 4 3 液压尾座液压传动总体设计 3 1 尾座简介 1 机床采用的是标准的液压型尾座 尾座安装在机床导轨上 可纵向调整 可 以用顶尖支撑较长的工件 必要时也可以安装铰刀和钻头等相应的孔加工刀具进行 孔的加工 2 尾座的导轨 W H 为 95 40mm 尾座的套筒的直径 80mm 套筒的锥孔 MT 4 所以 尾座必须具有一定的刚性 3 尾座的刚度在很大程度上反映了本次设计的合理性 良好的动态性能够使整 机的固有频率不至于和激振频率重合而发生共振 良好的工艺便于装配和制造 此尾座是实现套筒和活塞固定座通过螺钉连接 并且可以移动 油压后座 活 塞轴和尾座体固定在一起 活塞轴 套筒和活塞固定座形成液压缸 分两个腔 3 2 回路设计 大体看来液压尾座有顶针部分和加紧部分 前者是起轴顶紧的作用 当顶针工 作时需要加紧机构进行加紧工步 保证零件装卡的精度 才能保证加工的精度 3 2 1 液压尾座顶针液压回路 液压系统原理图如下 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 邮箱 图 3 1 原理图 数控车床液压系统的设计 5 3 2 2 顶针加紧液压回路 设计尾座液压回路原理图如下 1 调速阀 2 溢流阀 3 单向阀 4 电磁阀 图 3 2 顶针夹紧油缸回路 数控车床液压系统的设计 6 4 尾座液压系统设计 前面已经完成尾座的控制回路 本章节将从数据计算的角度来对液压缸和液压 泵进行设计 4 1 液压系统的压力 液压缸的压力主要根据负载确定 此外还需要考虑其它因素 例如各类设备的 不同点和应用方式 经济 精度 密封性能要求和功能要求都需要考虑在内 根据 负载与工作压力关系表 4 1 和机械类型与工作压力关系表 4 2 来确定液压系统的工 作力 表 4 1 负载与工作压力关系表 负载 F kN50 工作压力 p Mpa5 7 表 4 2 机械类型与工作压力关系表 机 床 机械类型 磨床组合机床龙门刨床拉床 农业 机械 工程 机械 工作 压力 MPa a 23 5 88 10 10 1 6 20 3 2 根据以上两表 选定工作压力为 16Mpa 4 2 绘制液压系统原理图 数控车床液压系统的设计 7 1 邮箱 2 变量液压泵 3 电动机 4 10 过滤器 5 冷却器 6 油液注入口 7 液位计 8 单向阀 9 加热器 11 溢流阀 12 固定尾座的双联液压缸系统 13 15 三位四通电磁换向 阀 14 驱动丝杠的液压马达 16 固定套筒的液压缸 17 两位四通电磁换向阀 图 4 1 液压系统原理图 4 3 顶针油缸的相关计算 已知车床切削用量 f 0 1 0 3mm r 切削速度 v 50 80m min 工件直径 400mm 加工长度 350mm 假设液压尾座最大轴向力为 所以液压油缸要想克服这一轴向力 即液压N3 5754 油缸所受的外力 根据相关表格加紧时的压力区 2MPa 背压NFz3 5754 0 5MPa 则液压缸的内径是 4 1 14 3 4 21 pp F D z 为输出压力 为系统背压 代入数据可得 1 p 2 p 4 2 mmD 9 69 5 02 14 3 3 57544 所以选取油缸直径 mmD80 活塞杆直径 50mm 4 3 7 0 5 0 Dd 数控车床液压系统的设计 8 4 4 液压泵的设计 确定液压泵的最大工作压力 pB p1 p 其中 p1为液压缸工作时所需要的最大压力 p 为总的压力损失包括流量阀 和其他元件的局部压力损失 管路损失等 根据同类型的系统的经验 p 为 2 5 105Pa 复杂系统的 p 为 5 15 105Pa 具体也可以参照下表 4 4 1 表 4 3 常用中 低压各类阀的压力损失 pn 阀名 pn 105Pa 阀名 pn 105Pa 阀名 pn 105Pa 阀名 pn 105Pa 单向阀0 3 0 5背压阀3 8行程阀1 5 2转阀1 5 2 换向阀1 5 3节流阀2 3顺序阀1 5 3调速阀3 5 根据以上数据可知 卡紧套筒的支路压力损失 p 为 0 5 0 3 0 8MP 调速阀和换向阀 液压马达支路压力损失 p 为 0 3MP 换向阀 主线路上压力损失 p 为 0 5MP 单向阀 卡紧尾座的支路压力损失 p 为 0 3MP 换向阀 pB p1 p 16 0 3 0 8 0 3 0 5 17 9MP 4 4 泵流量的确定 qB qB由液压缸最大流量和系统泄漏确定 液压缸同时工作时存在容积效率降低 泄露增多的问题 即 4 5 3 max smqKqB q max为同时动作的液压缸 或马达 的最大总流量 m3 s K 为系统泄漏系数 一般取 1 1 1 3 大流量取小值 小流量取大值 所以由已知数据得出 qB K 1 3x 1050 x2 318 73 628 3960 75ml s 237645ml min 4 6 液压泵规格的选择 由以上计算的液压泵的最大工作压力和流量 查液压元件产品样本 选择与 PB 和 qB相当的液压泵的规格型号 pB计算的是静态压力 所以为了性能要求和安全起见 额定压力 pB应比系统最 高压力大 25 60 故额定压力为 22 375 28 64MP 即选用 GPC4 型外啮合齿轮 泵 公称排量 20 80ml r 额定压力 25MP 转速 3000r min 驱动液压泵工作的输入功率 P pBqB 103 B kW B为液压泵的总效率 可根据下表进行合适选择 数控车床液压系统的设计 9 表 4 4 液压泵的总效率 液压泵类型齿轮泵螺杆泵叶片泵柱塞泵 总效率 0 6 0 7 0 65 0 80 0 60 0 75 0 80 0 85 4 5 阀类元件的选择 阀类元件的选择必须根据最大流量 额定压力 动作方式 固定方式 压力损 失 性能参数和工作寿命进行综合考虑 阀类元件选择的注意事项 1 尽量选择标准件 2 阀类元件的规格要根据油液的最大压力和最大流量选取 选择溢流阀 应 按液压泵的最大流量选取 选择节流阀和调速阀时 应考虑其最小稳定流量满足机 器低速性能的要求 3 参照液压系统原理图 17 号换向阀应采用 ZS 系列多路阀 流量 100L min 额定压力 20MPa 13 号换向阀应采用 ZS 系列多路阀 流量 160L min 额定压力 20MPa 15 号换向阀应采用 ZS 系列多路阀 流量 40L min 额定压力 20MPa 15 17 号换向阀流量小于 100L min 连接方式采用叠加阀 13 号换向阀流量在 100 200L min 之间应采用常规板式阀 4 6 油管类型的选择 液压系统中使用的油管分硬管和软管 合适的油管应有足够的通流截面和承压 能力 管路越短越好 因为此处的油管不用在相对运动的工件之间 且工作压力 25MP 故选择金属硬管即钢管 更加安全可靠 钢管分为无缝钢管和焊接钢管 中高压系统选用无缝钢管 低压系统选用焊接 钢管 钢管价格低 性能好 使用广泛 管接头的选择需要满足连接牢固 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 综上所述 查阅相关资料 液压系统压力为 25MPa 选用的是无缝钢管 因此管接 头选用卡套式管接头 4 7 油箱的选择 数控车床液压系统的设计 10 油箱的作用是储油 散发油的热量 沉淀油中污物 逸出渗入油中的空气 有 时它还兼作液压元件和阀块的安装平台 其形式有开式和闭式两种 开式油箱油液 液面与大气相通 闭式油箱油液液面与大气隔绝 开式油箱应用较多 油箱容量计算 油箱的有效容量 V 可按下述经验公式确定 即 V mqp 4x240 960L 4 7 式中 m 为系数 低压系统取 2 4 中 高压系统取 5 7 中 高压或高压大 功率系统时 6 12 qp为液压泵的流量 查表得爱用 AB40 1 型带支撑脚的矩形邮 箱规格为 1000 工作容积为 1100L 4 8 过滤器的选择 在液压系统中 大多数故障时由于介质被污染而造成的 液压油中存在各种污 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 腐蚀 元件 元件表面划伤 寿命降低 在适当的部位安装过滤器可以截留油液中不可溶 的污染物 使油液保持清洁 保证液压系统的正常工作 过滤器的选择应该满足有 足够的过滤能力 能承受一定的工作压力 有足够的过滤精度 易于清洗和更换 足够长的的工作寿命等条件 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 由相关表格确定系统压力大于 21 由表中得出选用精过滤器 MPa 数控车床液压系统的设计 11 5 液压系统性能的验算 5 1 管路系统压力损失的验算 当执行元件的工作压力确定以后 调整压力可由管路中的压力损失来进行计算 但是为了尽早地评估系统的主要性能 避免后面的设计工作出现大的反复 在系统 方案初步确定之后 通常用液流通过阀类元件的局部压力损失来对管路的压力损失 进行概略地估算 因为这部分损失是系统的主要损失 本系统的阀类元件有单向阀 调速阀 电磁阀 压力损失包括 液压油流经管道的沿程压力损失 局部压力损失和 管 p p 路总的压力损失为 即 p 5 1 ppp 计算沿程压力损失时 如果管中为层流流动 可按下经验公式计算 4 3V q L 106 d4 Pa 5 2 p 式中 q 为通过管道的流量 0 004m3 s L 为管道长度 2m d 为管道内径 50mm 为油液的运动粘度 1xm2 0 55MP p 局部压力损失可按下式估算 0 05 0 15 5 3 p p 0 0825MP 系统的调整压力 p0 p1 p 5 4 式中 p0为液压泵的工作压力或支路的调整压力 25MP p1为执行件的工 作压力 16MP 5 2 系统发热温升的验算 系统发热来源于系统内部的能量损失 压力损失 容积损失和机械损失所消耗 的能量多数转化为热能 6 系统发热使油温升高 油液的温升使粘度下降 油液变 质 泄漏增加 影响正常工作 6 因此必须控制温升在允许范围内 如一般机床液 压系统正常工作油温为 25 30 数控机床低于 25 粗加工机械 工程机械和机 车车辆工作油温为 35 40 单位时间的发热量 kW 为 5 21 P P 数控车床液压系统的设计 12 5 式中 P1为系统的输入功率 P2为系统的输出功率 若在一个工作循环中有几个工作阶段 则根据各阶段的发热量求出系统的平均 发热量 即 5 6 i2i n 1i 1i tPP T 1 式中 T 为工作循环周期 i 为工作阶段的序号 ti为各工作阶段的持续时间 假设液压系统全部热量都是由油箱散发的 油箱在单位时间内的散热量可按下 式计算 5 7 ThA 式中 h 为油箱的表面传热系数 当自然风冷却很差时 h 8 9 10 3kW m2 当自然冷却通风良好时 h 15 10 3kW m2 用风扇冷却时 h 23 10 3kW m2 用循环水冷却时 h 110 170 10 3kW m2 A 为油 箱的散热面积 T 为液压系统的温升 当液压系统的散热量等于发热量时 系统达到了热平衡 这时系统的温升为 5 8 hA T 油箱的散热面积为 A 1 8 a b h 1 5ab 6 25 经计算 T 23 在允许的范围之内 可见油箱满足散热要求 不需要加设其他冷却装置 5 3 系统效率验算 液压系统的效率是由液压泵 执行元件和液压回路效率来