卡盘多刀半自动车床的液压系统

东北林业大学毕业设计PAGE2中华人民共和国教育部**大学毕业设计设计题目：卡盘多刀半自动车床液压系统设计学生：***指导教师：***教授学院：****学院专业：********************2012年6月****大学毕业设计任务书设计题目卡盘多刀半自动车床液压系统设计指导教师*******教授专业机***************************************************学生*****************************2013年1月2日题目名称：卡盘多刀半自动车床液压系统设计任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求）卡盘多刀半自动车床是金属加工常用设备，它对于各种材料的盘套类零件的端面、外圆、内孔、内端面、切槽、外沟道表面、倒角、成型表面的车削，以及钻、扩、铰、精镗孔等，比普通万用车床生产效率高，并可在一次装夹中实现粗加工、半精加工和精加工工序。既能满足大批大量生产的需要，也可以适应中批生产。它重量轻，体积小，结构简单，使用方便，效率高，性能较好；在相当程度上实现了部件的通用化，具有良好的适用性。机床还具有半自动功能，降低了工人的劳动强度，提高了生产效率。机床多采用电气液压驱动。本课题设计要求：完成半自动车床后刀架进给系统及液压控制系统的设计。包括液压机结构设计、液压系统的设计计算、液压缸的设计及电机、液压元件的选择等。设计参数如下：后刀架最大加工直径……………200mm后刀架最大横向行程长度………100mm后刀架垂直于主轴中心线回转角度………顺时针45°；逆时针20°后刀架最小进给量……………10mm/min刀架快速行程速度……………4.5m/min进度安排：12月30日前，收集资料，写出开题报告；3月304月20日前，完成后刀架结构装配图合A0图纸1张；5月10日前，进行液压系统设计计算，选择电机和液压元件；完成液压系统图一张（A1图纸）；进行电气控制部分设计，完成梯形图一张（A1图纸）；5月31日前，进行液压缸设计计算6月10日至15日，导师评审，完善改进图纸和设计说明书。其中：参考文献篇数：20篇以上（其中，外文文献3篇以上）图纸张数：合A0图纸3张说明书字数：6000字以上专业负责人意见签名：年月日卡盘多刀半自动车床的液压系统设计摘要卡盘多刀半自动车床是金属加工常用设备，它对于各种材料的盘套类零件的端面、外圆、内孔、内端面、切槽、外沟道表面、倒角、成型表面的车削，以及钻、扩、铰、精镗孔等，比普通万用车床生产效率高。机床具有半自动功能，降低了工人的劳动强度，提高了生产效率，机床多采用电气液压驱动。设计介绍了卡盘多刀半自动车床的优缺点以及国内外发展趋势，简述了卡盘多刀半自动车床的结构设计。根据液压系统的工作要求进行负载分析等，初选液压缸的工作压力以及计算液压缸的尺寸，确定液压缸的主要参数，并绘制出液压系统原理图。确定液压泵和电机的规格，选择液压元件、油管以及设计油箱，再进行系统的性能及温升验算。设计卡盘多刀半自动车床的液压缸，分别设计缸筒、活塞杆、活塞、导向套、端盖、缸底、缓冲装置等部分。最后进行电气控制系统的设计，采用可编程控制器PLC进行控制并绘制出控制系统梯形图。关键词：半自动；车床；液压TheDesignofHydraulicSysteminSemi-automaticmulti-toollathechuck

AbstractSemi-automaticlathechuckisthemulti-toolcommonlyusedinmetalprocessingequipment,whichforavarietyofmaterials,partsofthefaceplatesleeve,cylindrical,innerhole,innerface,grooving,theouterchannelsurface,chamfer,formingthesurfaceoftheturning,

welldrilling,expansion,joints,fineboring,etc.,general-purposelatheproductionthanefficient.

Machinewithsemi-automaticfunction,reducelaborintensityandimproveproductionefficiency,theuseofelectro-hydraulic-drivenmachinetoolsandmore.

Designintroducesmulti-bladesemi-automaticlathechuckadvantagesanddisadvantagesofdomesticandinternationaltrends,outlinesthesemi-automaticlathechuckmulti-toolstructuraldesign.

Accordingtotherequirementsofthehydraulicsystemworkloadanalysis,primaryhydrauliccylinderpressureofworkandtocalculatethesizeofthehydrauliccylinder,hydrauliccylindertodeterminethemainparameters,anddrawoutthehydraulicsystemdiagram.

Determinethehydraulicpumpandmotorspecifications,selectionofhydrauliccomponents,pipesandfueltankdesign,thenthesystemperformanceandtemperaturechecking.

Designedsemi-automaticlathechuckmulti-toolhydrauliccylinder,aredesignedforcylinder,pistonrod,piston,guidesleeve,cover,Bottom,partofthebufferdevices.

Finally,theelectricalcontrolsystemdesignusingprogrammablelogiccontrollerPLCtocontrolanddrawcontrolsystemladder.

Keywords:semi-automatic;lathe;hydraulic

目录摘要Abstract1绪论…………………………11.1卡盘多刀半自动车床优缺点……………11.2卡盘多刀半自动车床国的内外发展趋势…………………22卡盘多刀半自动车床的结构设计…………32.1车床主要技术参数…………32.2车床主要结构………………43卡盘多刀半自动车床的液压系统设计……………………63.1液压系统的工作要求………………………63.2负载分析……………………63.3负载图和速度循环图的绘制………………63.4液压缸主要参数的确定……………………83.4.1初选液压缸的工作压力…………………83.4.2计算液压缸的尺寸………………………83.4.3确定液压缸所需流量……………………93.5拟定液压系统原理图……………………103.5.1液压泵型式的选择……………………103.5.2卡盘夹紧中保压回路的选择…………113.5.3前、后刀架进给中速度控制回路的选择………………113.5.4前、后刀架进给中换向和速度换接回路的选择………123.5.5夹紧回路的确定………………………123.5.6液压系统工作原理图…………………123.6液压元件的选择…………153.6.1确定液压泵和电机规格………………153.6.2阀类元件和辅助元件的选择…………15毕业设计PAGE23.6.3油管的选择……………163.6.4油箱的设计……………173.7液压系统的性能验算……………………183.7.1验算系统压力损失及调定压力的确定………………183.7.2验算系统发热与温升…………………204卡盘多刀半自动车床的液压缸设计……………………214.1液压缸缸筒的设计和计算………………214.2活塞杆的设计和计算……………………214.3液压缸工作行程的确定…………………224.4活塞的设计………………224.5导向套的设计与计算……………………234.6端盖和缸底的设计与计算………………234.7缓冲装置的设计…………245PLC在卡盘多刀半自动车床控制系统中的应用…………255.1车床工作原理……………255.2PLC输入、输出点连接…………………255.3控制系统设计……………266结论………………………28参考文献致谢东北林业大学毕业设计PAGE1卡盘多刀半自动车床液压系统设计1绪论卡盘多刀半自动车床是机械行业拥有量较多的一种半自动机床，主要适用于盘类、环形、锥体、阶梯、短轴等大批量零部件加工，机床配有液压卡紧系统，松卡方便、效率高、劳动强度低，机床主导轨具有良好的钢性及耐磨性，可确保机床的强度及精度。目前卡盘多刀半自动车床广泛应用在汽车行业中的刹车盘、活塞、汽门，轴承行业中的各类轴承车加工，齿轮行业中的各种齿轮、链轮，农机行业中的各种飞轮、皮带轮及电机、电扇、板钳工具、矿山冶金、电声配件等行业。在很早以前，国内外就已经开始进行机床设备的整修和技术的改造，不断提升机床的品质，不断改进机床的性能，以提高生产效率。1.1卡盘多刀半自动车床的优缺点机械车床按用途和结构的不同，主要分为卧式车床和落地车床、立式车床、转塔车床、单轴自动车床、多轴自动和半自动车床、仿形车床及多刀车床和各种专门化车床，如凸轮轴车床、曲轴车床、车轮车床、铲齿车床。在所有车床中，以卧式车床应用最为广泛。卧式车床加工尺寸公差等级可达IT8～IT7，表面粗糙度Ra值可达1.6微米。近年来，计算机技术被广泛运用到机床制造业，随之出现了数控车床、车削加工中心等机电一体化的产品，而卡盘多刀半自动车床的特点如下：此车床是以液压驱动的高效车床，刀架采用镶钢导轨结构，耐磨性能好，集中润滑泵强力润滑，使用寿命长。自动化程度高，切削常常在封闭环境中进行，所以在车削过程中很难对大量切屑进行人工处置。车床切屑断得不好，它就会缠绕在刀头上，既可能挤坏刀片，也会把切削表面拉伤。我们平常在普通车床用的硬质合金刀片一般是两维断屑槽，而数控车削刀片常采用三维断屑槽。卡盘多刀半自动车床三维断屑槽的形式很多，在刀片制造厂内一般是定型成若干种标准。这种类型的共同特点是断屑性能好、断屑范围宽。对于具体材质的零件，在切削参数定下之后，要注意选好刀片的槽型。选择过程中可以作一些理论探讨，但更主要的是进行实切试验。有些地方也可以根据已有刀片的槽型来修改切削参数。要求刀片有高的耐用度，这是不用置疑的。车床还要求刀片耐用度的一致性好，以便于我们使用刀具寿命管理功能。在我们使用刀具寿命管理时，刀片耐用度的设定原则是把该批刀片中耐用度最低的刀片作为依据的。这时候刀片耐用度的一致性甚至比其平均寿命更重要。至于精度，同样要求各刀片之间精度一致性好。车床是采用液压和电气实现半自动循环的专用车床，运行稳定可靠。刀架进给为无级调速，行程终了利用单触点死撞定位，准确无误，工件装夹采用液压夹紧系统，松卡方便，操作轻快。液压系统采用集成块组装、易拆卸、维修方便。特别适用于多工序,大批量的劳动密集型企业,且车床操作简单，只需完成装、卸工件的操作。生产效率高，劳动强度底，不需要高级技术工人，并对工作现场的条件要求不高，是普通类车床加工以上产品的理想而又经济的替代产品。此外，卡盘多刀半自动车床的变型产品，分别具有不同的刀架动作形式，以适应各种用途和被加工零件的不同工艺要求。1.2卡盘多刀半自动车床的国内外发展趋势近年来，随着经济的飞速发展和工业现代化的需要，各种自动化生产设备应运而生，液压半自动车床工业也有了飞跃的发展，体现在新技术的广泛应用与企业效益的明显改善。目前液压半自动车床行业的消费主流是数控液压半自动车床。从国内外市场对数控液压半自动车床的需求来看，以后数控液压半自动车床市场具有以下的特征，一是经济型数控液压半自动车床是以后的主流产品。二就是采用新技术，降低它的成本，提高产品的稳定性是企业生存的关键。主要表现在几个方面：不断开发新工艺、新材料、新结构、新元件，比如开发硬面车削工艺(HRC50-68)，公差带在5微米，表面粗糙度达Ra0.4微米，又如开发倒立式车―磨结合的车削中心等；进一步提高加工精度，发展精密化、超精密化车床；提高效率，加速发展高速化，尤其是复合化；在现有自动化基础上进一步发展智能化、无人化、集成化；发展网络化，与车间、工厂、外界联网；发展环保化车床，实现节能、省地等。我们所研究的卡盘多刀半自动车床总的发展趋势是工序集中、高速、高效、高精度以及方便使用、提高可靠性等。最普遍使用的卡盘多刀半自动车床型号为C7620，20世纪50年代末期，在一般C7620液压半自动车床的基础上开发了数控加工中心，即自备刀具库的自动换刀C7620液压半自动车床。在加工中心机床上，工件一次装夹后，机床的机械手可以自动更换刀具，连续的对工件进行多种工序加工。目前，C7620液压半自动车床的刀具库容量可达到100多把刀具，自动换刀装置的换刀时间仅需0.5～2秒。加工中心机床使工序集中在一台机床上完成，减少了由于工序分散，工件多次安装引起的定位误差，提高了加工精度，同时也减少了机床的台数与占地面积，压缩了半成品的库存量，减少了工序间的辅助时间，有效提高了C7620液压半自动车床的生产效率和数控加工的经济效益。我们所采用的液压控制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行程、不同方向的动作，完成各种设备不同的动作需要。而采用液压控制有明显的优势：(1)可以在运行过程中实现大范围的无级调速。(2)在同等输出功率下，液压传动装置的体积小、重量轻、运动惯量小、动态性能好。(3)采用液压传动可实现无间隙传动，运动平稳。(4)便于实现自动工作循环和自动过载保护。(5)由于一般采用油作为传动介质，因此液压元件有自我润滑作用，有较长的使用寿命。(6)液压元件都是标准化、系列化的产品，便于设计、制造和推广应用。

2卡盘多刀半自动车床的结构设计2.1车床主要技术参数最大加工直径……………………200mm最大回转直径……………………350mm最大行程长度：前刀架纵向…………………350后刀架横向…………………100mm加转角度：前刀架………………顺时针35°逆时针60°后刀架………………顺时针45°逆时针20°最小进给量…………………10mm/min快速行程速度………………4.5m/min主轴转速范围（8级）………………90～1000r/min主轴孔径…………48mm主轴前端锥孔………………莫氏6号主电机：功率…………………7.5/10KW转速…………710/1440r/min外形尺寸（长*宽*高）……………1880*1940*1500卡盘多刀半自动车床的外形如图2-1所示。图2-1卡盘多刀半自动车床外型2.2车床主要结构车床主要由床身、主轴箱、刀架结构、卡紧油缸、制动器、液压及油泵装置等部分组成。1）床身设计床身为一箱体铸件，内为油箱，即是支承部件，又是连接部件，其前、后、左开有窗口，前窗口装液压元件，左窗口装油泵，后窗口用以维修液压系统。2）主轴箱主轴箱为一箱体铸件，主电动机通过三角皮带将动力传递主油箱的I轴，经过II轴传递给主轴，主轴箱内为齿轮变速系统，可通过一双联滑移齿轮，两个固定齿轮，一对交换齿轮，实现四级转速，变速时，通过操纵主轴箱正面的手柄及交换箱内的交换齿轮来实现。3）刀架结构后刀架除底板结构不同处，其余结构相同，整体刀架由上滑板、下滑板、下导轨及底板等组成，刀架油缸驱动下滑板完成切削运动，辅助油缸驱动上滑板完成让刀动作，下导轨可以在底板上搬角度，用以加工锥度零件。横向溜板前进和后退行程的终点位置，分别由行程挡铁实现准确定位，并可根据需要进行调整，前进行程终点位置有两种调整方法：一是粗调，即移动挡铁座的位置，将其上的定位销插入转台上3个定位孔的某一个合适的也中；另一是微调，其方法是先松开锁紧螺母，再拧转带键的调整环，带动螺杆转动并轴向移动至所需位置，然后重新拧紧螺母。后退行程终点位置可用螺套调整，调整方法与上述微调相同。纵向溜板终点位置的准确定位及调整方法与横向溜板相同，但由于刀架纵向退回行程一般没有精度要求，所以不设置定程装置。为使刀架在运动循环中的每一步动作终了时，即移动到预定位置时能自动发出改变刀架动作的信号，每个刀架在纵、横移动方向上，都装有一组行程挡铁和一组行程开关。详见图2-2。4）卡紧油缸卡紧油缸主要由分油器和工作油缸组成，我们所采用螺栓与主轴后端法兰盘相连接，分油器与液压管路相连接，分配液压油进入工作油缸的前腔和后腔，使工作缸的活塞做轴向位移，完成卡紧、松开动作。5）制动器制动器安装在主电动机底板上，通过压力油推动活塞对电动机皮带轮进行制动刹车，闸皮与皮带轮的距离可以调整，而主电机安装则在主轴箱的后下面。6）液压及油泵装置液压元件集成组装在一个液压块上，安置在床身内。油泵与油泵电机安装在同一泵座上，油泵的吸油口安装有滤油器。图2-2卡盘多刀半自动车床刀架结构

3卡盘多刀半自动车床的液压系统设计3.1液压系统的工作要求根据设计要求，前、后刀架的纵向与横向进给由液压驱动，前后两刀架的工作状态相同，如图3-1所示其一个方向工作行程包括“快进——工进——快退——停止”，卡盘的夹紧和松开也由液压驱动，卡盘油缸驱动卡盘夹紧和松开，以及保压的动作。运动部件重6000N，切削阻力8000N，快进、快退速度同为4.5m/min，工进速度为100mm/min，最大行程350mm，工进行程200mm，启动换向时间0.1s，液压缸机械效率0.9。故拟选定液压缸作执行机构。图3-1动作循环图3.2负载分析（1）工作负载FL工作负载是在工作过程中由于机器特定的工作情况而产生的负载，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，即（2）摩擦阻力负载Ff阻力负载主要是刀架的机械摩擦阻力，分为静摩擦阻力和动摩擦阻力两部分，取=0.2，=0.1。静摩擦阻力（3-1）动摩擦阻力（3-2）（3）惯性负载Fa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0.1s，刀架最大移动速度，即快进、快退速度为4.5m/min，因此惯性负载可表示为（3-3）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3-1所示()。表3-1液压缸在各工作阶段中的负载工况计算公式总负载F/N缸推力F/N启动12001333加速10591177快进600667工进86009556反向启动12001333加速10591177快退6006673.3负载图和速度循环图的绘制12006679556-12006679556-1200-667-10591059图3-2液压缸的负载图图3-1表明，当系统处于工作进给状态时，负载力最大为9556N，其他工况下负载力相对较小。所设计机床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、工进行程、快退行程，工进速度。根据上述已知数据绘制该车床液压系统的速度循环图如图3-3所示。00图3-3液压缸的速度循环图3.4液压缸主要参数的确定3.4所设计的液压系统在工进时负载最大，其值为9556N，其它工况时的负载都相对较低，参考表3-2、表3-3，初选液压缸的工作压力为2.5Mpa。表3-2按负载选择工作压力负载/KN<55~1010~2020~3030~50>50工作压力/MPa<0.8~11.5~22.5~33~44~5≥5~7表3-3各类液压设备常用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/MPa0.8~23~52~88~1010~1820~323.4液压缸有效工作面积(3-4)液压缸内径(3-5)根据《机械设计手册》中的表23.1-9选取标准值：D=63mm。因要求快速运动和快速退回速度相等，则取d=0.71D=44.73mm，再根据《机械设计手册》中的表23.1-10选取标准值：d=45mm。则液压缸的有效作用面积为：无杆腔面积有杆腔面积3.4快进过程中所需要的流量为快退过程中所需要的流量为工进过程中所需要的流量为根据上述液压缸直径及流量计算结果，进一步计算液压缸在各个工作阶段的压力、流量和功率值，如表3-4表3-4液压缸各工作阶段的压力流量和功率工况推力回油腔压力进油腔压力输入流量输入功率计算公式快进启动133300.43————加速11770.880.38————恒速6670.730.2314.0260.070工进95560.83.450.3110.017快退启动133300.87————加速11770.61.99————恒速6670.61.666.8670.19把表3-4中的计算结果绘制成工况图，如图3-4所示。图3-4液压系统工况图3.5拟定液压系统原理图根据卡盘多刀半自动车床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、工作可靠等。3.5从提高系统效率考虑，选用限压式叶片泵或双联叶片泵较为适宜，故将两者进行比较，详见表3-5。表3-5两种液压泵的比较双联叶片泵限压式变量叶片泵1、流量突变时，液压冲击取决于溢流阀的性能，一般冲击较小1、流量突变时，定子反应滞后，液压冲击大2、内部径向力平衡，压力平衡，噪声小，工作性能较好2、内部径向力不平衡，轴承较大，压力波动及噪声较大，工作平衡性差3、须配有溢流阀、卸载阀组，系统较复杂3、系统较为简单4、有溢流损失，系统效率较低，温升较高4、无溢流损失，系统效率较高，温升较低综合考虑，故选择双联叶片泵。图3-4双联叶片泵供油油源3.5.机床在完成夹紧动作时，要求液压执行机构在其行程终止时，保持压力一段时间，故采用保压回路，有三种保压回路可以选择：利用液压泵保压的保压回路、利用蓄能器的保压回路、自动补油保压回路。利用液压泵保压的保压回路系统功率损失大，易发热，故只在小功率的系统且保压时间较短的场合下使用；利用蓄能器的保压回路是由蓄能器来补充泄漏，保压时间的长短是看蓄能器容积大小与泄漏程度；自动补油保压回路适用于工作要求使其压力能长时间保持在一定范围的回路中。根据工况分析和回路分析，所设计的液压系统保压时间要求不长，所以选用利用液压泵的保压回路较为适宜。图3-5利用液压泵保压的保压回路3.5前、后刀架各带有纵向和横向进给油缸，它们油路完成相同。工况图表明，所设计卡盘多刀半自动车床液压系统在整个工作循环过程中所需要的功率较小，系统的效率和发热问题并不突出，因此考虑采用节流调速回路即可。虽然节流调速回路效率低，但适合于小功率场合，而且结构简单、成本低。该机床的进给运动要求有较好的低速稳定性和速度负载特性，因此有三种速度控制方案可以选择，即进口节流调速、出口节流调速、限压式变量泵加调速阀的容积节流调速。由于切削过程中负载不大，各油缸采用进口节流调速，且在回油路上设置背压阀，由于选定了节流调速方案，所以油路采用开式循环回路，以提高散热效率，防止油液温升过高。3.5所设计的卡盘多刀半自动车床液压系统对换向平稳性的要求不高，流量不大，压力不高，所以选用价格较低的电磁换向阀控制换向回路即可，系统中采用二位四通电磁阀来控制各工作油缸换向。为了调整方便以及在前述计算中，由快进转为工进时，进入液压缸的流量由14.026降为0.311，采用二位五通电磁阀来进行工作行程与快速行程之间的转换，如图所示。其次为了防止刀架进油管道中的油回流，使斜置的后刀架拖板因自重而滑下，从而在油路中放置单向阀，来保证油缸工作平稳。a.换向回路b.速度换接回路图3-6换向与速度换接回路3.5由于夹紧缸不用中间停留，故采用二位阀控制即可，这里采用二位四通电磁换向阀，由于卡盘多刀半自动车床在卡盘上夹紧零件时有内卡和外卡两种方式，故在夹紧回路中串接一个手动换向阀，右位外卡、左位内卡。为了实现夹紧后才能让工作台快进的顺序动作，以及保证进给系统工作时夹紧系统压力始终不低于最小夹紧压力，所以在夹紧回路上安装压力继电器实现顺序控制。当压力继电器动作时，刀架进行进给。3.5根据上述分析，画出卡盘多刀半自动车床的液压系统草图，如图3-7所示：图3-图3-7卡盘多刀半自动车床液压系统原理图表3-6液压系统电磁铁动作表9DT8DT5DT4DT6DT7DT2DT3DT10DT1DT前刀架纵向快进++工进++快退+横向快进++工进++快退+后刀架纵向快进++工进++快退+横向快进++工进++快退+卡盘夹紧松开+（1）卡盘夹紧和松开来自系统压力油——减压阀1——单向阀2——压力继电器3——手动换向阀4——电磁换向阀5——卡盘油缸6的右腔，使卡盘实现夹紧或松开。单向阀2保证当电源断电或机床发生故障时，卡盘仍夹紧工件；当工件被夹紧后，通过压力继电器3接通主电路，机床起动开始工作，否则机床不能起动。（2）前、后刀架纵、横向进给前、后刀架各带有纵向和横向进给油缸，它们油路完全相同，各油缸采用进口节流调速，可使刀架实现工作行程和快速行程自动循环，切削外圆、内孔、端面、倒角和沟槽等。系统压力油流经单向阀30，分几支油路流向调速阀24、21、22和23——二位四通电磁换向阀28、20、15和25，进入各油缸，驱动刀架实现纵向或横向工作行程；若流经单向阀30的压力油——二位五通电磁换向阀27、19、16和26——二位四通电磁换向阀28、20、15和25，进入各油缸，驱动刀架实现快速行程，此时双联泵全部向系统供油。而工作行程时，仅只有6l/min的油泵各系统供油，25l/min的油泵则经二位二通电磁阀34卸荷。系统中二位四通电磁阀控制各工作油缸换向；二位五通电磁阀用于工作行程与快速行程的转换；单向阀29给工作行程回油造成背压力，使油缸工作平稳；单向阀30保证系统不供油时，前后刀架进油管道中的油不致回流，使斜置的后刀架拖板不会因自重而滑下。关闭手动开闭阀14（或9、7和13）可切断油路，从而调整刀架的行程挡铁及行程开关等。3.6液压元件的选择3.6（1）计算液压泵的最大工作压力由于本设计采用双泵供油方式，根据图3-4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。小流量液压泵在快进、快退、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，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，则小流量泵的最大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，由工况图可知，快退时液压缸中的工作压力比快进时大，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（2）计算总流量表3-4表明，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，则液压油源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大稳定溢流量，故小流量泵的供油量最少应为。根据以上液压油源最大工作压力和总流量的计算数值，通过查阅《机械设计手册》，选用YB1—6/25型的双联叶片泵，其额定压力为6.3MPa，YB1—6转速为1450r/min，YB1—25转速为960r/min，若取液压泵的容积效率ηp=0.85，小泵的输出流量为该流量能够满足液压缸工进速度的需要。大泵的输出流量为双泵供油的实际输出流量为该流量能够满足液压缸快速动作的需要。（3）电机的选择由于液压缸在快退时输入功率最大，这时液压泵工作压力为2.45MPa，流量为27.795L/min。取泵的总效率ηp=0.75，则液压泵驱动电动机所需的功率为：根据上述功率计算数据，此系统选取Y112M-6型电动机，其额定功率为2.2KW，额定转速为940r/min。3.6图3-7液压系统原理图中包括调速阀、换向阀、单向阀等阀类元件以及滤油器等辅助元件。（1）主要元件及用途滤油器：防止污物进入液压系统溢流阀：调定和保持液压系统压力的基本稳定，维护液压系统的安全减压阀：减低液压系统中某一部分的压力，并使这一部分油压比油泵所供的油压稳定电磁阀：变换油液流动方向，接通或关闭油路压力表：显示不同点的工作压力压力表开关：为压力表提供不同点的油压并能关闭所有测量点单向调速阀：单方向控制并稳定油量（2）阀类元件的选择根据上述流量及压力计算结果，对图3-7初步拟定的液压系统原理图中各种阀类元件及辅助元件进行选择。其中调速阀的选择应考虑使调速阀的最小稳定流量应小于液压缸工进所需流量。而图中四个单向阀的额定流量是各不相同的，因此选用不同规格的单向阀。图中溢流阀、减压阀的选择可根据调定压力和流经阀的额定流量来选择阀的型式和规格，其中溢流阀作用是调定工作进给过小流量液压泵的供油压力，因此该阀应选择直动式溢流阀。最后本设计所选择方案如表3-7所示，表中给出了各种液压阀的型号及技术参数。表3-7液压元件型号及规格序号元件名称通过流量型号及规格1减压阀15J-25B2单向阀112.22AT50-13压力继电器—HED1K4手动换向阀13.564WMM6-Y5二位四通电磁换向阀12.864WE10/A6二位五通电磁换向阀11.3525E1-25BQ7调速阀6.5MSA30EF8单向阀210.22AT50-219单向阀39.7AT50-710滤油器15.12XU-25x18011单向阀46.44I-25B12双联叶片泵15.42YB1—6/2513二位二通电磁阀6.7422E1-25B14溢流阀6.85DBDP/2515截止阀10.11J11H-160C3.6图3-7中各元件间连接管道的规格可根据元件接口处尺寸来决定，液压缸进、出油管的规格可按照输入、排出油液的最大流量进行计算。由于液压泵具体选定之后液压缸在各个阶段的进、出流量已与原定数值不同，应对液压缸进油和出油连接管路重新进行计算，如表3-8所示。表3-8各工况实际运动速度、时间和流量参数快进工进快退输入流量排出流量运动速度根据表3-8中数值，当油液在压力管中流速取4m/s时，可算得与液压缸无杆控和有杆腔相连的油管内径分别为：，取标准值20mm；，取标准值12mm。因此与液压缸相连的两根油管可以按照标准选用公称通径为和的无缝钢管或高压软管。3.6（1）油箱长宽高的确定油箱的主要用途是贮存油液，同时也起到散热的作用，参考相关文献及设计资料，油箱的设计可先根据液压泵的额定流量按照经验计算方法计算油箱的体积，然后再根据散热要求对油箱的容积进行校核。油箱中能够容纳的油液容积按JB/T7938-1999标准估算，取时，求得其容积为，取标准值V=250L。如果取油箱内长l1、宽w1、高h1比例为3：2：1，可得长为l1=1107mm，宽w1=738mm，高为h1=369mm。对于分离式油箱采用钢板焊接即可，钢板的厚度分别为：油箱壁厚3mm，箱底厚度5mm，因为箱盖上需要安装其他液压元件，因此箱盖厚度取为10mm。为了易于散热和便于对油箱进行搬移及维护保养，取箱底离地的距离为160mm。因此，油箱基体的总长总宽总高为：长为：宽为：高为：为了更好的清洗油箱，取油箱底面倾斜角度为0.5°。（2）隔板尺寸的确定为起到消除气泡和使油液中杂质有效沉淀的作用，油箱中应采用隔板把油箱分成两部分。根据经验，隔板高度取为箱内油面高度的3/4，根据上述计算结果，隔板的高度应为：隔板的厚度与箱壁厚度相同，取为3mm。3.7液压系统的性能验算3.7取进、回油管道长为l=2m，油液的运动粘度取V=1´10-4m2/s，油液的密度取r=0.9174´103kg/m3。（1）判断流动状态在快进、工进和快退三种工况下，进、回油管路中所通过的流量以快退时回油流量q2=56.77L/min为最大。此时，油液流动的雷诺数(3-6)因为最大的雷诺数小于临界雷诺数（2000），故可推出：各工况下的进、回油路中的油液的流动状态全为层流。（2）计算系统压力损失将层流流动状态沿程阻力系数(3-7)和油液在管道内流速(3-8)同时代入沿程压力损失计算公式，并将已知数据代入后，得可见，沿程压力损失的大小与流量成正比，这是由层流流动所决定的。（3）快进时压力损失在进油路上，油液通过单向阀30、二位五电磁换向阀16、二位四通电磁换向阀15进入无杆腔，压力损失分别为在回油路上，压力损失分别为（4）工进时压力损失工进时，在进油路上，油液通过单向阀30、调速阀22、二位四通电磁换向阀15进入液压无杆腔，在调速阀22处的压力损失为0.5MPa。在回油路上，油液通过二位四通电磁换向阀15、单向阀30和大流量泵的卸荷油液一起返回油箱，在单向阀30处的压力损失为0.6MPa。若忽略管路的沿程压力损失和局部压力损失，则在进油路上总的压力损失为在回油路上总的压力损失为该值即为液压缸的回油腔压力p2=0.61MPa。（5）快退时压力损失快退时，在进油路上，油液通过单向阀30、二位五电磁换向阀16、二位四通电磁换向阀15进入有杆腔。远小于估计值，因此液压泵的驱动电动机的功率是足够的。在回油路上总的压力损失为此上值与表中数据相近，故不必再重算。3.7液压传动系统在工作时，有压力损失、容积损失和机械损失，这些损失所消耗的能量多数转化为热能，使油温升高，导致油的粘度下降、油液变质、机器零件变形等，影响正常工作，为此，必须控制温升△T在允许的范围内，如一般机床控制在25～30℃；数控机床小于25℃；粗加工机械、工程机械和机车车辆控制在35～40℃。由于工进在整个工作循环中占96%，所以系统的发热与温升可按工进工况来计算。工进时液压缸的有效功率（即系统输出功率）为：(3-9)这时大流量泵通过换向阀34卸荷，小流量泵在高压下供油，所以两泵的总输出功率（即系统输入功率）为：由此得液压系统的发热量为即得油液温升近似值：(3-10)温升小于普通机床允许的温升范围，因此液压系统中不需设置冷却器。4卡盘多刀半自动车床的液压缸设计4.1液压缸缸筒的设计和计算（1）液压缸内径的计算液压缸内径和活塞杆直径均与设备的类型有关，对于机床类，特别是动力较大的机床，一定要满足牵引力的要求，故设计时以力的参数为主。(4-1)取标准值D=63mm。（2）缸筒壁厚计算及校核(4-2)取标准值缸筒壁厚。（3）缸筒结构设计缸筒两端公别与缸盖和缸底相连，构成密闭的压力腔，因此它的结构与缸盖及缸底密切相关。如图所示：图4-1缸筒结构图4.2活塞杆的设计和计算活塞杆是液压缸传递力的主要零件，它要承受拉力、压力、弯曲力及振动冲击等多种作用，必须有足够的强度和刚度。（1）活塞杆直径d的计算根据《机械设计手册》表23.6-58，选出速度比，则可得出，取标准值d=32mm。（2）活塞杆强度计算(4-3)则活塞杆强度满足系统要求。（3）活塞杆的结构设计活塞杆的外端头部与负载的拖动机构相连接，为了避免活塞杆在工作中产生偏心负载力，设计选用外螺纹的连接方式，选用活塞杆螺纹尺寸为M30×2。如图所示：图4-2活塞杆结构图（4）活塞杆的密封与防尘查阅《机械设计手册》第四卷表23.6-48，活塞与活塞杆之间密封选用O型密封圈，活塞杆与缸盖之间选用J型防尘圈。4.3液压缸工作行程的确定液压缸工作行程长度根据执行机构实际工作的最大行程确定，按液压缸所需行程，查阅《机械设计手册》表23.6-35选取s=100mm。4.4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漏，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能，因此活塞与缸体的密封选用O型密封圈以及导向环密封如图所示：图4-3活塞的连接与密封4.5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导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度。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，影响液压缸的工作性能和稳定性。因此对于一般液压缸，最小导向长度应满足：(4-4)由于缸径小于80mm，则导向套滑动面的长度A=0.7D=44mm。（2）导向套的结构一般导向套有四种结构可以选用：普通导向套、易拆导向套、球面导向套和静压导向套。普通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；易拆导向套用螺钉或螺纹固定在端盖上，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；球面导向套的外球面与端盖接触，当活塞杆受一负载而引起方向偏斜时，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；静压导向套适用于往复运动频率高、速度快、振动大的液压缸。根据实际工作要求，选用普通导向套即可满足要求，壁厚为5mm。如图所示：图4-4导向套结构图4.6端盖和缸底的设计与计算在单活塞杆液压缸中，有活塞杆通过的缸盖称为端盖，无活塞杆通过的缸盖称为缸头或缸底。端盖、缸底与缸筒构成封闭的压力容腔，它不仅要有足够的强度以承受液压力，而且必须具备一定的连接强度。（1）端盖的设计计算端盖厚度h为：(4-5)（2）缸底的设计缸底分为平缸底、椭圆缸底，半球形缸底，设计选用平缸底。（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、密封及防尘的问题，如图所示：图4-5缸盖结构图4.7缓冲装置的设计液压缸的活塞杆具有一定的重量，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。故系统中要有缓冲装置，避免这种机械碰撞，当活塞在到达行程终端之前的一定距离内，设法把排油腔内油液的一部分或全部封闭起来，使其通过节流小口排出，从而使被封闭的油液产生适当的缓冲压力作用在活塞的排油侧上，与活塞的惯性力相对抗，以过到减速制动的目的。缓冲装置的结构形式，根据节流小口的通流面积在缓冲过程中能否自动改变来分类，通常可分为恒节流型和变节流型。恒节流型缓冲装置，在缓冲过程中，由于其节流面积不变，故在缓冲开始时，产生的缓冲制动力很大，但很快就降低下来，最后不起作用，其缓冲效果并不理想。但是在一般通用型的系列产品中，为了使结构简单、降低成本仍多采用此种缓冲装置。变节流型缓冲装置其缓冲柱塞在缓冲过程中，节流面积随行程而变化，使缓冲压力保持均匀或呈一定的规律变化，而取得理想的缓冲效果。根据系统要求，设计在无杆端及有杆端分别设置可变节流缓冲装置。图4-6缓冲装置结构图5PLC在卡盘多刀半自动车床控制系统中的应用5.1车床工作原理车床加工工件时，首先由主轴上的夹具夹紧工件，然后由主电动机驱动主轴旋转，冷却液喷流到加工位置后，后刀架或前刀架进刀进行切削加工。加工完毕，将刀具退回原位，关闭冷却液，待主轴停转后，取下工件，完成加工循环。车床的位置调整采取点动控制，工件加工采用半自动方式控制。车床加工时需要对刀具进行冷却。而刀具的横向、纵向进给切削由液压系统驱动前后刀架来实现。5.2PLC输入、输出点连接传统的车床控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于控制触电多，电控系统故障率高，检修周期长。可编程控制器PLC作为新一代的工业控制装置，具有丰富的功能指令，它可以充分发挥PLC的高可靠性、高抗干扰、寿命长、维修量少、查找外部线路简单的特点。并且用PLC对系统进行逻辑控制和变速位置的数据处理，较好地实现了原工艺要求，简化了线路，提高了可靠性和机床的运行率。表5-1、5-2分别为输入、输出部分I/O地址。表5-1输入部分I/O地址输入地址对应开关名称作用X400SA1自动/调整选择开关X401SB2油泵启动按钮X402SA2前刀架横向运动X403SA2前刀架纵向运动X404SA3后刀架横向运动X405SA3后刀架纵向运动X406SQ1前刀架横向快进转工进行程开关X407SQ2前刀架纵向快进转工进行程开关X410SQ3后刀架横向快进转工进行程开关X411SQ4后刀架纵向快进转工进行程开关X500SQ5前刀架横向原位和终点行程开关X501SQ6后刀架横向原位和终点行程开关X502JK卡盘夹紧松开脚踏开关X506SB3主轴点动按钮X507SQ7后刀架纵向原位和终点行程开关X510SQ8前刀架纵向原位和终点行程开关X511SA4刀架工作方式旋钮X512X513表5-2输出部分I/O地址输出地址动作元件功能Y534KM1油泵电机Y535KM2主轴电机反接制动Y536KM3主轴电机正转Y537YB主轴电机电磁制动Y43010DT卸荷阀Y4311DT卡盘夹紧阀Y4323DT前刀架横向快进Y4336DT前刀架纵向工进Y4347DT前刀架纵向快进Y4354DT后刀架横向快进Y4369DT后刀架纵向工进Y4378DT后刀架纵向快进Y5302DT前刀架横向工进Y5315DT后刀架横向工进5.3控制系统设计主轴电机制动控制部分梯形图如图5-1所示，图中梯形图所描述的控制过程为：在自动工作方式下（X400为1），当刀架退回原位后，M154接通（且此时Y536为0，KM3失电，主轴电机断电），则制动电磁铁Y537接通，进行机械制动。制动1s后，时间继电器T52延时接通控制电机反接制动的接触器Y535，开始反接制动，机械制动再进行0.2s后，时间继电器T54延时断开Y535，反接制动停止，机械制动再进行1s后，时间继电器T55延时断开Y537，停止机械制动。图5-1主轴电机控制部分梯形图此外，在自动控制程序中，采用PLC内部移位寄存器与方式选择开关SA4所对应的三个信号X511、X512、X513相接合，简单有效地实现了工艺所需的三种工作方式，它们分别是：当X511为1时，后刀架单独工作；当X512为1时，前刀架单独工作；当X513为1时，前后刀架均工作。由于后刀架与前刀架控制方法相同，仅列出前刀架自动控制部分的梯形图及原理，如图5-2所示。图5-2前刀架自动控制部分梯形图图5-2中，移位寄存器第一条支路用于控制前刀架动作方式。若X513为1，则机床工作于第三种工作方式（后刀架先动，前刀架后动），其中M204（后刀架动作完成信号）为1；若X512为1，则机床工作于第二种工作方式（前刀架单独动作）。第二条支路控制寄存器复位，其中M71控制上电复位，X400控制调整复位，M154控制刀架动作结束时复位。第三条支路控制前刀架动作顺序，在原位时，横向和纵向原位行程开关SQ5、SQ8均压下，X500和X510为1，故移位寄存器使M150为1，则Y434和Y433为1，即电磁阀6DT和7DT带电，刀架纵向快进；待压上纵向快进转工进行程开关SQ2时X407为1，则移位寄存器使M151为1，故Y432和Y530为1，即电磁阀2DT和3DT带电，前刀架横向快进，又由于Y433为1，6DT继续带电，前刀架纵向工进，待压上横向快进转工进行程开关SQ1时X406为1，故移位寄存器使M152为1，则Y530为1，即电磁阀2DT带电，前刀架横向工进；又由于Y433为1，6DT继续带电，前刀架纵向工进。待压上纵、横向终点行程开关SQ5、SQ8时，X500和X510为1，故移位寄存器使M153为1，此时Y434和Y432为1，即电磁阀7DT和3DT得电，前刀架横、纵向快退。待再次压上纵、横向终点行程开关SQ5、SQ8时，X500和X510为1，故移位寄存器使M154为1复位，至此完成一个循环。6结论（1）本设计由车床的主要技术参数作为基准进行结构设计，其中以后刀架结构为例。（2）由液压系统的工作要求进行负载分析、确定液压缸的主要参数，然后拟定液压原理图。（3）由液压缸的主要参数来进行液压缸的结构设计。并利用PLC进行控制系统的改造，绘制出控制系统的梯形图。（4）原卡盘多刀半自动车床的电气图中使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于控制触点多，电控系统故障率高，检修周期长。（5）未来的发展方向是向着PLC改造传统继电器控制系统的方法。它可以充分发挥PLC的高可靠性、高抗干扰、寿命长、维修量少、查找外部线路简单的特点。并且用PLC对系统进行逻辑控制和变速位置的数据处理，较好地实现了原工艺要求，简化了线路，提高了可靠性和机床的运行率。参考文献林元仁.现代车床的发展趋势.机械设计与制造.1996,(02):48~49赵成苹．CB7620卡盘多刀半自动车床使用说明书.株洲:株洲轴承厂.1988,1左健民．液压与气压传动（第4版）．北京：机械工业出版社．2007,6周士昌，曹鑫铭．液压系统设计图集．北京：机械工业出版社.2000,7雷天觉.新编液压工程手册.北京：北京理工大学出版社.1998戴曙．金属切削机床．北京：机械工业出版社．2004,1魏东，刘丽红，宋晓峰，李佳明．多刀半自动液压车床夹紧油缸机构的改进．公主岭轴承厂．2007,4:22~26杨光，金燕.C7620车床制动器的改进．哈尔滨市精密特种轴承厂．2007,5:26~44黄敢．机床设计中运动参数的确定.机床与液压.2001,6:103~105绪方胜彦著,卢泊英等译.现代控制工程.北京:科学出版社,1978\t"result2"公利滨.可编程序控制器(PC)在液压多刀半自动车床控制中的应用.\t"result2"黑龙江自动化技术与应用.1993,7:31~35廖新华．C7620卡盘多刀半自动车床液压系统的改进．\t"result2"机床与液压．1984,12:44~46机械设计手册编委会．机械设计手册．第4卷．机械工业出版社，2004.8\t"result2"杨庆徽．CB7620型卡盘多刀半自动车床的PLC改造．\t"result2"广西轻工业.2010,5\t"result2"周波.单片机在多刀半自动液压车床中的应用.\t"result2"机床.1990,5濮良贵，HYPERLINK"/boo