卧式钻孔组合机床液压系统的设计说明书1

1 1 诚 信 承 诺 书 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 卧式钻孔组合机床液压系统的设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 学 号： 作者姓名： 2015 年 8 月 25 日 西北工业大学网络教育学院毕业论文 2 摘 要 液压系统具有广泛的工艺适应性、优良的控制性能、反应快、输出力 (或力矩 )大等优点，在组合机床中被广泛采用。 液压系统是以电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油。通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出不同方向的动作。 液压传动技术是机械设备中发展最快的技术之一，特别是近年来与微电子、计算机技术结合，使液压技术进入了一个新 的发展阶段，机、电、液、气一体是当今机械设备的发展方向。在 组合机床 设备中已经广泛引用液压技术。作为 机电一体化 专业的学生初步学会液压系统的设计，熟悉分析液压系统的工作原理的方法，掌握液压元件的作用与选型及液压系统的维护与修理将是十分必要的。 本论文主要 介绍 了液压系统的设计 (包括系统工况分析，拟定液压系统原理图，液压元件的计算和选择以及液压系统的性能验算等 )、液压缸主要零部件的设计及其结构设计。 关键词 ： 液压系统 ； 液压传动 ；组合机床 西北工业大学网络教育学院毕业论文 3 a of or of is on to of by by is of is of in As of of of of is on of of of of so of of 西北工业大学网络教育学院毕业论文 4 目 录 摘 要 . 录 . 绪论 .课题的研究内容和意义 .内外的发展概况 .课题应达到的要求 . 明确液压系统的设计要求 . 液压系统性能与参数的初步确定 .况分析和负载图的编制 . 负载分析 . 液压缸 负载图 和速度图的编制 .压系统参数的初步确定 . 初选液压缸的工作压力 . 液压缸主要结构 尺寸的确定 . 液压缸各参数确定及编制工况图 . 液压系统图的拟订 .择液压回路 .订液压系统方案 . 液压元件的计算和选择 .定量泵式液压系统 . 确定液压泵规格和电动机功率 . 控制阀的选择 . 管道尺寸 . 油箱容量及结构 .量式变量叶片泵的液压系统 . 液压系统性能的估算 .压系统稳态特性的检验 . 回路中的压力损失 . 液压泵的工作压力 .北工业大学网络教育学院毕业论文 5 压回路和液压系统的效率 . 26 态稳定性的验算 . 27 压系统发热与温升的验算 . 28 压系统的工作可靠度估算 . 30 7 液压装置的结构设计 . 31 压装置结构形式的选择 . 31 压元件的配置形式 . 31 压装置的布局 . 31 8 结论与展望 . 33 论 . 33 足之处及未来展望 . 33 致 谢 . 34 参考文献 . 35 附录 . 36 西北工业大学网络教育学院毕业论文 6 1 绪论 课题的研究内容 和 意义 液压系统的设计是整个机器设计的一部分，它的任务是根据机器的用途、特点和要求，利用液压传动的基本原理，拟定出合理的液压系统图，再经过必要的计算来确定液压系统的参数，然后按照这些参数来选用液压元件的规格和进行系统的结构设计。 学会液压 系统的设计，熟悉分析液压系统的工作原理的方法，掌握液压元件的作用与选型及液压系统的维护与修理 。 通过本次毕业设计，培养学生综合运用液压传动、机械设计、工程理学等课程中所学理论知识的能力；强调设计的独创性和实用性，培养和提高设计者独立分析问题和解决实际问题的能力，为今后适应工作岗位和创造性地开展工作打下坚实基础。 内外的发展概况 (1)组合机床 组合机床 是以系列化、标准化的通用部件为基础，配以少量的专用部件组成的专用机床。它适宜于在大批、大量生产中对一种或几种类似零件的一道或几道工序 进行加工。这种机床既有专用机床的结构简单、生产率和自动程度较高的特点，又具有一定的重新调整能力，以适应工件变化的需要。 组合机床国内外发展： 1908 年，美国福持汽车公司率先制造出第一台组合机床，用于汽车零件的加工。 1928 年，前苏联开始生产组合机床。我国的组合机床制造技术是从 “一五 ”计划期间， “汽 ”、 洛拖 引进组合机床开始的。 1956 年 3 月，当时的第一机械工业部第二机器管理局批准成立了第一专业设计处 (即现大连组合机床研究所的前身 )，全面引进了前苏联的组合机床通用部件和设计指导资料，开始了我国组 合机床的创业阶段。并于同年在大连机床厂制造出我国的第一台组合机床、 1961 年，又制造出我国第一条组合机床自动线。组合机床设计制造从 “一所一厂 ”起步已发展到如今 个独立的配套齐全的行业。 组合机床的研制和推广，是加速机械工业技术革命的有效途径之一。它是机械工业，特别是汽车、拖拉机、电机、仪表以及军工等生产部门进行机床革新、推动生产发展的重要设备。 (2)液压技术 液压技术作为实现现代传动与控制的关键基础技术之一，已成为工业机械、工程建设 机械及国际尖端产品不可缺少的重要技术基础。是它们 向自动化、高精度、高效率、高速度、小型化、轻量化方向发展的关键技术。世界工业发达国家都将液压工业列为竞争发展的行业，其发展速度远高于机械工业的发展速度。液压元件及其控制已发展成为综合的液压工程技术。 机械制造是为国民经济各部门和自身技术改造提供先进技术装备的工业部门。铸造、锻压、焊接、热处理、及切削等是机械制造工业获取毛坯、成形产品及提高零件机械性能西北工业大学网络教育学院毕业论 文 7 的重要生产方法，在众多金属冷、热加工机器设备中普遍使用液压技术，其中压力机和金属切削机床是应用液压技术较早较广的领域。 在车、铣、刨、磨、钻各类液压机床 中，主要利用液压技术可在较宽范围内进行无级调速，具有良好的换向及换接性能，易于实现工作循环等优点，完成工件及刀具的加紧、控制进给速度和驱动主轴作业，尽管现代数控机床、加工中心等先进制造设备中采用离电伺服系统，但采用液压传动与控制仍然是现代金属切削机床自动化的重要途径。在锻造机、液压机、折弯机、剪切机等压力加工设备中，主要利用液压传动传递力较大、便于压力调节控制和过载保护的特点，进行下料、成形加工等作业。铸造、锻压、焊接、热处理等机器设备的生产作业环境极为恶劣，温度高、粉尘多、湿度大、有腐蚀性气体、振动噪声大 。因此要求机器要有良好的适应性、可靠性和维护性。在造型机及浇铸机、焊接机、淬火机等铸造、焊接及热处理机器设备中，主要利用液压技术便于无级调速和远距离遥控作业等特点，进行造型及铸型输送与浇铸、高温零件抓取等作业，以减轻劳动者劳动强度、避免和减少热辐射和有害气体对人身的侵袭并提高生产率。 现代液压技术与微电子技术、计算机控制技术、传感技术等为代表的新技术紧密结合，形成并发展成为一种包括传动、控制、检测在内的自动化技术。 综上所述，组合机床行业企业一要开展科技攻关，当前行业企业技术发展上的难题；二要加强与 国外的合资合作，利用和学习国外的先进技术，提高企业的现代化管理水平和技术水平；三要通过对引进技术的消化吸收进行再创新，发展自己的产品。通过我们的努力，使我国真正由制造大国变成制造强国。 课题应达到的要求 对卧式钻孔组合机床的液压传动系统具体设计 ： (1)明确工作循环并做工况分析。 (2)明确主机的具体性能要求，进行负载分析和运动分析。作出功率循环图，协调各个元件的动作时间和速度。 (3)确定液压系统的主要参数：压力和流量，参照经验选取。 (4)拟定液压系统原理图。确定系统的回路方式、液压油类型、执 行元件及液压泵类型、调速、调压及换向方式、“开”或“闭”式确定。 (5)液压元件选择。 (6)液压系统验算。压力计算、系统容积效率计算和发热估算。 通过本 毕业 设计 ， 在以下几方面得到锻炼： (1)能正确地理解和应用液压知识解决实际问题，进行简单的系统计算。 (2)学会使用手册及图标资料 。 掌握与本设计有关的各种资料的名称及用途 ， 做到熟练运用。 (3)学生独立完成设计任务内容，利用计算机进行辅助设计 ，设计资料符合国家有关标准。 西北工业大学网络教育学院毕业论文 8 2 明确液压系统的设计要求 设计一台卧式单面多轴钻孔组合机床动力滑台的 液压系统，并分析其工作性能。要求完成如下的动作循环：快进工进快退停止 。 已知： (1)机床有 16 个主轴，加工 4 个， 孔 2 个； (2)工件材料为铸铁，硬度为 (3)工作部件重量估计为 180 ，快进、快退速度为 7m/进行程长度为100进行程长度为 50 (4)动力滑台采用平导轨，其摩擦系数之值取 2.0 1.0往复运动的加速、减速时间要求不大于 高速钢钻头进行加工。 西北工业大学网络教育学院毕业论文 9 3 液压系统性能与参数的初步确定 明确了液压系统的设计依据之后，对机床的工作过程进行分析，初步确定液压执行元件的主要参数，计算液压执行元件的结构尺寸，编制液压执行元件的工况图。 液压执行元件的工况图是选择基本回路，拟订液压系统方案的主要依据。 况分析和负载图的 编制 工况分析即是分析机床工作过程的具体情况，其内容包括对负载、速度和功率变化规律的分析或这些参数最大值的确定。工况分析的关键是分析负载性质和编制负载图。在液压系统的工作循环中，各个阶段的负载是由各种性质的负载组成的，而速度则是机床工作 部件在各该阶段的速度；知道了负载和速度之后，功率的变化规律也就不难求出了。本设计实例中执行元件采用液压缸式。 载分析 (1)切削阻力 切削阻力是指机床上沿液压缸的运动方向的切削分力。此阻力可正可负：凡作用方向与液压缸（或活塞）运动方向相反者为正，相同者为负。切 削阻力有基本上恒定不变的、有周期性变化的，须根据具体情况分析决定，其数值的大小则须由实验测出或按切削力公式估算。切削阻力是液压缸负载中最主要的部分，占的比重很大，因此必须对它的性质、大小分析清楚。 由切削原理可知，高速钢钻头钻铸件时的轴向切削力计算公式为： (式中 钻削力 N D 孔径 S 每转进给量 mm/r 铸件硬度 根据组合机床的加工特点， 选用的切削用量为： 钻 1n =360r/1S =r 钻 1n =550r/2S =r 代入上式求得： 4 00 9 01 4 (2)摩擦阻力 西北工业大学网络教育学院毕业论文 10 摩擦阻力是指机床工作台导轨处的摩擦力，它与导轨形状、放置情况以及运动状态有关，其估算公式可在机床设计的有关书籍、手册中找到。 其摩擦阻力的 估算公式为： 平导轨 s i (由上式得： 9 6 29 1 8 (3)惯性阻力 惯性阻力是指工作部件在启动和制动过程中的惯性力，可按牛顿第二 定律求出： m (式中 g 重力加速度 t 起动或制动时间，一般机床的主运动取 给运动取 磨床取 性阻力可正可负。 由 (得： 8 8 0 (4)重力 因工作部件是卧式安置，所以 0根据上述分析，可计算出液压缸在各阶段中的负载如下： 工 况 计 算 公 式 液压缸负载 F N 液压缸推力 N 启 动 加 速 快 进 工 进 快 退 1962 1564 981 31449 981 2180 1738 1090 34943 1090 注：这里取液压缸的机械效率 9.0m 压缸 负载图 和速度图的编制 (1)液压缸在动作循环中各个工作阶段的负载按以下诸式计算： 1)启动阶段 这时活塞或液压缸处于刚未动状态，它的负载由下式表示： (2)加速阶段 (根据工况负载绘制出来的负载图 (图 3a)所示。 西北工业大学网络教育学院毕业论文 11 3)恒速阶段 ( 4)制动阶段 ( 式 ( (，如工作部件水平放置，则 0 根据上述各个阶段内的负载和它所经历的工作时间 (或移动的距离 )可绘出液压缸的负载图 (或 。该图可以清楚地表明液压缸在整个动作循环内的负载变化规律。图上的最大负载值是初选液压缸工作压力和确定液压缸结构尺寸的依据。 (2)已知快进、快退的速度 m 21 ，其行程分别为 10050 工进的速度按选定的钻头转速与进给量求得为 ： m i n/530 9 0m i n/531 4 021 工进行程是 50此可绘出液压缸的速度图 (图 如图 3b)所示。 图 3压缸的负载图和速度图 (a)负载图 (b)速度图 压系统参数的初步确定 液压系统的主要参数有两个：压力和流量。系统的压力和流量都由两部分组成：一部分由液压执行元件的工作需要决定，另一部分由油液流过回路时的压力损失和泄露损失决定；前者是主要的，占有很大的比重，后者是附加的，并应设法尽可能使之减少 。因此，这里的所谓系统主要参数的确定，其实是确定液压执行元件的主要参数，因为这时回路的西北工业大学网络教育学院毕业论文 12 结构尚未决定，其压力损失和泄露损失都无法估计。确定液压执行元件主要参数时应全盘考虑液压装置的性能要求、制造费用等多方面的因素，不能只从承载能力单方面着眼。 选液压缸的工作压力 各类机床液压系统由于各自特点和使用场合的不同，其液压缸的工作压力也不尽相同。例如，磨床类机床工作台的液压缸大都选用低压，这是因为磨削负载比较小，负载的变化也比较小，负载中占有主要比重的是工作部件的摩擦阻力和惯性阻力，而且磨床运动平稳性、 换向精度、换向频率以及系统温升等都有较高的要求。相反地，普通组合机床液压滑台的液压缸一般都选用中压，因为它的切削阻力比磨床大，又是负载的主要成分，而这类机床对工作平稳性、转换精度及系统温升的要求都比磨床低，故可选用高一些的系统压力；为了不使油液压缩性造成过大的影响和液压元件在制造质量、密封等方面的要求过高起见，以选用中压系统为宜。总之，初选液压缸的工作压力时，必须对机床工作性能的要求和液压缸的负载情况进行仔细分析，根据各自的特点进行合理的选择。液压缸工作压力还可以参考同类型机床或按负载条件相当的情况来选择， 见表 3示。 表 3负载选择液压缸的工作压力 负载 F N 50000 液压缸工作压力 10 8 10 15 20 25 30 30 40 40 50 50 70 表 3机床类型选择工作压力 机床类型 磨床 车、镗、铣 珩磨机 组合机床 齿轮加工机床 拉床 龙门刨床 工作压力 10 20 20 40 20 50 30 50 63 100 由表 3表 3知，在组合机床上，对负载约为 35000N 的液缸来 说 应选取1 1040 压缸主要结构尺寸的确定 液压缸的有效工作面积 1A 或 2A ，与其类型、作用方式、往返行程的速比 v 、背压力 2前面三项确定之后，只要知道了 2p 就可以根据有关公式求出面积 1A 或 2A 、液压缸直径 D、活塞杆直径 d 等的值。 但是，液压缸回油腔中的背压力在液压系统尚未拟订、回油路结构尚未明确之前是无法估算的，因此这里只能先在表 3经验数据中暂选一个，到以后再进行订正。 表 3压缸中的背压力 系 统 类 型 背压力 2 10 回油路上有节流阀的调速系统 2 5 西北工业大学网络教育学院毕业论文 13 回油路上有背压阀或调速阀的进给系统 5 15 采用辅助 泵补油的闭式回路（拉床、龙门刨床等） 10 15 液压缸的有效工作面积对推力和速度两方面都发生影响，因此根据负载算出来的有效工作面积，还必须在速度方面进行验算，检查一下该面积能否在节流阀或调速阀的最小稳定流量下，满足机床规定的最低工作进给速度的要求。验算公式如下： ( 式中 国产节流阀或调速阀的最小稳定流量 (由产品样本查出 ) 机床规定的最低工进速度 A 液压缸的有效工作面积，调速阀或节流阀放在进油路上时 1， 放在回油路 上时 2 验算结果如发现有效工作面积 A 不满足机床最低工进速度的要求时，则须重新修改液压缸的直径。此外，最后确定下来的液压缸直径和活塞杆直径还必须就近圆化成 则设计出来的液压缸将无法采用标准的密封元件。 由于机床要求滑台快进与快退的速度相同，这里选用单杆式的液压缸，使 21 2 ,于是 。 钻孔加工中，液压缸的回油路上必须加施背压以防止钻孔通过工作部件的突然前冲，根据表 3背压力 2 108 。快进时液压缸作差动连接，由于管路中有压力损失，这时液压缸有杆腔中的压力必须大于无杆腔；如这项损失 p 按 估计，则5112 快退时回油腔中是有背压的，这时 2p 亦按 估计。 液压缸大腔面积 1A 为： 2255211 840(3 4 9 4 321 (故得液压缸的内经 D 为： (按 183化成就近的标准值得 1 液压缸活塞杆的直径 d 为 : 2 (按 183化成就近的标准值得 由此求得液压缸实际有效工作面积为 : 无杆腔面积 2221 (有杆腔面积 222222 11(4)(4 (西北工业大学网络教育学院毕业论文 14 压缸各参数确定及编制工况图 液压缸的最大流量，按其实际的有效工作面积和最大移动速度求出。 ( 液压缸工况图的内容包括压力图、流量图和功率图三 部分。 根据最后确定下来的液压缸缸直径、活塞杆直径，算出液压缸的实际有效工作面积，然后倒求出液压缸在其动作循环中各个阶段内的工作压力 (这是液压缸的实际应用压力 )，并把它们绘制成 图 (或 图 )即压力图。压力图在形状上与负载图很相似，它表示了整个动作循环中最大压力出现的位置和压力变化的规律。 根据液压缸的实际有效工作面积计算出它在整个动作循环中每一个 阶段内的实际流量，并把它们绘制成 图 (或 图 )即流量图。当系统中有多个液压缸时，必须把这些液压缸的流量图按系统总的动作循环组合成总流量图。流量图反映了流量在动作循环内的变化规律，其中最大流量是选择液压泵的依据之一。 根据上述的压力图、流量图，可以很方便地作出液压缸的功率图， 图 (或 图 )，它表明了液压缸在动作循环内的功率变化规律。 液压 缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率的实际使用值如下表所示。 工 况 负载 液 压 缸 计算公式 回油腔压力 2 10 输入流量 进油腔压力 1 10 输入功率 快 进（差动） 启动 2180 加速 1738 )5( 12 恒速 1090 进 34943 8 快 退 启动 2180 1322121加速 1738 5 恒速 1090 启动瞬间活塞尚 未移动， 0p 根据上表可绘制出液压缸的工况图 (见图 3。 西北工业大学网络教育学院毕业论文 15 图 3合机床液压缸的工况图 4 液压系统图的拟订 拟订液压系统图是整个液压系统设计中重要的一步。它是从油路结构上来具体体现设计任务中提出的各项性能要求的。 拟订液压系统图包含两项内容：一是通过分析、对比选出合适的液压回路，二是把选出的回路组成液压系统。后面这一步可以采用经验法 (凭设计人员的知识和经验进行设计 )，也可以采用逻辑法 (应用逻辑 推理的方法寻找最佳方案 )；目前在不很复杂的液压系统中经验法仍使用得比较普遍。 择液压回路 (1)调速回路 与油路循环形式的确定 由液压工况图 (图 3中的 台机床液压系统功率小，滑台运动速度低，可以选用节流阀调速的形式。由于钻孔工序切削力变化小而且是正负载，故以采用进口节流阀调速为好。为了防止工件钻通时工作部件突然前冲起见，在回油路上须加设背压阀。这台机床液压系统既选用了节流式的调速回路，油路的循环就应该是开式的。 (2)油源形式的确定 从液压缸的工况图中的 线得知，液压系统的主要由低压大流量和高压小流量两个阶段组成，在这种情况下，采用单个定量泵的油源显然是不合理的，因为它会使系统的效率极低，为此须采用两个定量泵或变量泵的油源。双定量泵在大、小流量的选择上，往往不能匹配得很好，常造成较大的能量损失；限压式变量叶片泵输出流量能与调速阀的通过流量很好地适应，但由于泵的供油压力与输出流量有关，目前国内生产的限压式变量泵性能尚不够完善，高压时内泄露很大，仍有一定的能量损失；因此这里把两种油源形式都选出来，作为两种对比方案。 (3)快速运动回路和速 度换接回路 液压系统采用了节流调速回路后，不管使用什么油源形式都必须有单独的油路通向液压缸以实现快速运动。这台机床快进时采用液压缸差动西北工业大学网络教育学院毕业论文 16 连接的方式，以使往复快动的速度基本上相等。 由液压缸工况图中的 台由快进转工进时，液压系统的流量从 l 降至 0.5 l ，速度变化较大，故宜选用行程阀以减小液压冲击。同时，从工进转快退时回路中 通过的流量很大 (进油路为 l ，回油路为 l )，为了保证换向平稳起见，决定采用有电液换向阀的换接回路。由于液压系统中选用了差动式液压缸，电液换向阀要三位五通式的。 (4)压力控制回路 调压 (限压 )和卸荷的问题，无论在双泵供油或限压式变量叶片泵供油的油路中都已解决，这里只须使三位五通换向阀的中位为 Y 型就可以了。 (5)行程终点的控制方式 这台机床由于加工通孔，工作部件终点位置的定位精度要求不高，因此采用行程控制 (由档块压下电气行程开关发出信号 )就可以了，不须采用定位精度较高的压力控制 (滑台碰上死档块后，系统压力升高，由压力继电器发出信号 )，以免结构复杂化。 订液压系统方案 (1) 绘制回路图 图 4双定量泵方案和限压式变量叶片泵方案中所用的各个回路的结构图形。 西北工业大学网络教育学院毕业论文 17 图 4压回路图 (a)双泵油源 (b)限压式变量叶片泵油源 (c)速度换接回路 (d)换向回路 (2)组成系统图 图 4由上面一些回路组合成的双定量泵方案的液压系统和限压式变量泵方案的液压系统。把这两个系统与上面的五点注意事项逐一对照进行检查，检查的结果表明：循环中除了有二个动作无法实现必须给与解决之外，其余都是符合要求的；这两个有问题的动作及其解决办法是： 1)图 4的滑台在工作进给时，进油路与回油路串通，系统压力无法升高。为此必须在系统中添入一个单向阀，将工进时的进油路和回油路隔开，如图中虚线的单向阀 6 所示。 2)滑台快速 前进时，液压缸须作差动连接，这时回油路应不接通油箱。为此系统中须添入一个 顺序 阀，在快进时把回油路和油箱隔断，如图中虚线的 顺序 阀 7 所示 (图 4两个 顺序 阀合并了 )。经过这样的修正之后，机床的各个动作要求就都得到满足了。 西北工业大学网络教育学院毕业论文 18 图 4压系统图 (a)双定量泵方案 (b)变量泵方案 西北工业大学网络教育学院毕业论文 19 5 液压元件的计算和选择 液压元件的计算主要是计算元件工作压力和通过流量，此外还有电动机的功率和油箱的容量。选择元件时应尽量选用标准元件，只有在特殊情况下，才设计专用元件。 定量 泵式液压系统 定液压泵规格和电动机功率 (1)液压泵工作压力的计算 液压泵的工作压力是根据执行元件的工作性质来确定的：若执行元件在工作行程终了、运行停止时才需要最大压力，例如，夹紧液压缸的情况，则液压泵的工作压力就等于执行元件的最大压力。若执行元件是在工作行程过程中需要最大压力，则液压泵的工作压力应为： 11 p (式中 p 执行元件的最大工作压力 1p 进油路上的压力损失。 系统管路未曾画出，按经验资料选取： 一般节流调速和管路简单的系统取： 51 102 p 进油路有调速阀及管路复杂的系统取： 51 105 p 1)确定小流量液压泵的工作压力1图 3见，液压缸在整个工作循环中的最大工作压力为 ，在调速阀进口节流式调速回路中，进油路上的压力损失如取 ，则小流量泵的最高工作压力为： p 5551 2)确定大流量液压泵的工作压力2图 3见，液压缸快退时的最大工作 压力为 ，这时压力油不通过调速阀，如取进油路上的压力损失为 ，则大流量泵的最高工作压力为： p 5552 (2)液压泵流量的计算 液压泵的流量 执行元件工况图上的最大工作流量和回路的泄 露量的确定 1)单液压泵供给多个同时工作的执行元件时 (西北工业大学网络教育学院毕业论文 20 式中 K 回路泄露折算系数，其值常数