毕业设计（论文）-数控车床液压系统设计.docx

数控车床液压系统设计摘要本论文针对目前国内外数控军床的现状、发展动态和发展方向及其在现代工业中的要作用，运用液压元件的基本理论，对其主关键结构进行设计。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行程、不同方向的动作,对液压系统的一系列参数进行计算，选择了适合本系统的液压回路和液压元件，并对液压系统进行了性能验算和维护。对液压系统进行运动分析和负载分析，点对零件中的关键部件如液压缸进行了设计和研究，确定了它们的结构类型和主要参数。从而使设计更合理，为后续液压系统的设计打下坚实的基础,叙述r主要的设计步骤和参数的确定。关健询I数拄车床液压系统液压缸目录数控车床液压系统设计I摘要1目录II第I堂结论-1-I-I液压技术的历史发展-1-1.2 国内数控车床的现状和发屣前景-I-1.3 研究的对象和研尢的方法-2-第2章液压系统的组成-3-2.1 液压系统组件的设计步骤-3-2.2 技术参数确定-3-2.3 主传动系统方案的确定-3-2.4 液压系统结构设计-3-第3章液压缸的设计-4-3.1 液压缸的参数及设计-4-3.1.1 液压缸的分类-4-3.1.2 液压缸的主要参数-4-3.1.3 液压缸的设计和计算-4-3.2 液压缸主要零件的材料和技术要求-6-3.2.1 缸体-6-3.2.2 活塞-6-3.2.3 活塞杆-7-3.2.4 活塞杆直径的计算-7-3.2.5 活塞杆稳定性的验算-8-3.2.6 液压加主要零件的材料-8-3.2.7 控制阀的选择-9-3.3 液压缸工况-9-3.4 拟定液压传动系统图-12-第4堂液压系统性能验算及维护-14-4.1 性能验算-14-4.2 系统维护-14-结论-15-致谢-16-参考文献-17-第1章绪论1.1 液压技术的历史发展液压传动相时机械传动来说是一门新技术，但从165()年巴斯卡提出静压传递远高，1795年英国的约瑟夫布拉默利用这一原理在英国制成了世界上第一台水压机，使液压技术开始进入工程领域算起，已有两三百年的历史了。到了20世纪30年代才较普遍地用于机械、机床及工程领域。在第二次世界大战期间，由于军事工业迫切需要响应迅速、精度高、功率大的液压传动系统和伺服机构，以装备各种飞机、坦克、大炮和军舰，提高它们的使用性能，因此各种高压元件获得了进一步的发展，并出现了伺服阀.这里值得提的是美国马塞诸塞州理工学院的布莱克本、李等人对于高压场合的液压问题以及伺服控制问题进行深入的研究，大约于1958年他们研制出了电液伺服阀。当前液压技术在高速、高压、大功率、高效率、低噪声、经久耐用及高度能成化等芬项要求方面都取得了重大进展，在完善比例控制、伺服控制、数字控制等技术上也有了许多新成就。由于伺服阀造价高、抗污染能力弱，后来又发展了比例阀和比例泵。我国路甬祥博士在比例技术上的5项发明，是20世纪80年代液压技术的新突破。1.2 国内数控车床的现状和发展前景近年来，我国数控车床生产一直保持两位数增长.2(X)2年产量居世界第四。但与发达国家相比，我国车床数控化率还不高，目前生产产值数控化率不到30%:消耗值数控化率还不到50%，而发达国家大多在70%左右。国产数控车床到2000年可供品种为7(X)多种，接近数控车床品种的50%,其中占产量70%的是经济型数控车床4最高转速一般在2000rmin,个别转速达80rmin,坐标定位精度一般在0.O1.mm.重复定位精度在0.005mm.工作精度限度在0.010.005mm之间，表面粗糙度RaO.81.61xm,长城车床厂CK7815C液压系统最高转速35(X)r/min.快速行程X轴9m/min,Z轴I2m/min.定位精度X轴0.016mm.Z轴0.025mm,工作精度圆度0.007mm,表面粗糙度Ra<1.6m。国产数控系统MTBF可靠性大都超过1万小时，但国际上先进企业数控系统MTBF已达8万小时。国产数控车床、加工中心MTBF有少数厂达50()h,但国际先进水平己达8(M)h,用户对国产加工中心刀库机械手、数控车床刀架仍不放心，其定位精度、特别是亚复定位精度也有待提高。此外，外观、漏油等老问题也与工业发达国家产品有差距。目前，我国的功能部件生产企业规模普遍较小，布局分散，有些还依附于主机J.或研究所。从整体上看，我国功能部件生产发展缓悔，品种少，产业化程度低，从精度指标和性能指标都还不过硬.滚珠丝杠、数控刀架、数控系统、电液压系统等数控车床功能部件虽已形成一定的生产规模，但仅能满足中低档数控车床的配套需要。衡量数控车床水平的高级数控系统、高速精密电液压系统、高速滚动功能部件和数控动力刀架等还依赖进口.理峡功能部件生产企业的体制，做大做强一批功能部件生产企业已迫在眉睫。1.3 研究的对象和研究的方法本课题研究对象是数控车床，本着高效节能、机电-体化、计算机辅助设计及计算机控制、系统集成化与控制技术集结石一身的目的，着重研究液压缸和液压泵，对其进行受力分析和优化设计，是设计一个而效、节能车床的前提。第2章液压系统的组成2.1 液压系统组件的设计步骤液用系统包括主泵动力站、和安装在主泵站上的控制件、附件等。因为液压系统的执行装置带动工件或刀具直接参加工件表面形成运动，所以它的工件性能对加工质量和生产率产生直接的账响，是车床上最重要的部件之一。2.2 技术参数确定车床技术参数包括主参数和一般技术参数，一般技术参数又包括车床的尺寸参数，运动参数和动力参数.主参数（或称主要规格）是车床最重要的一个或两个技术参数，它表示车床的规格和最大工作能力。运动参数是车床执行件如夹具、刀架、工作台的运动速度，可分为主参数和进给运动参数两大类。2.3 主传动系统方案的确定主传动变速方式可分为无极变级和有级变速两种，本车床采用无极变速的变速方式。无级变速是指在一定速度（或转速范围内能连续、任意地变速。可选用最合适的切削速度，没有速度损失，生产率高：般可在运转中变速，减少辅助时间：操纵方便：传动平稳等优点。这次设计采用r交流调速电动机，交流调速电动机通常采用变须调速方式进行调速。调速效率高，性能好，谢速范围较宽，恒功率调速范围可达5甚至更大。额定转速为100OrZmin或1500rmin等。2.4 液压系统结构设计液压系统组件的主要功能是夹持工件或刀具（包括砂轮）转动进行切削加工、传递运动、动力及承受切削力等，并保证刀具或工件具有准确定的运动轨迹,液压系统组件是车床的执行件，他它带动工件或刀具直接参与表面成形运动，其工作性能对车床的加工质量及生产率有直接影响，它是车床的个重要组件。第3章液压缸的设计液压缸是液压系统中的执行元件，是把液体的压力能转换成机械能的能量传换装置。用来驱动工作机构实现直线往宓运动或往比摆动。液用缸结构简单，工作可靠，作直线往史运动时，省去减速机构,且没有传动间隙，传动平稳、反应快，因此在液压系统中被广泛应用.3.1 液压缸的参数及设计3.1.1 液压缸的分类液压缸有多种分类形式。按结构特点它可分为活塞式、柱寒式和摆动式3大类：按照作用方式又可分为单作用式和双作用式两种。堆作用式液压缸只能使活塞（或柱塞）做单方向运动，即压力油只通向液压缸的腔，而反方向运动则必须依靠外力来实现：双作用式液压缸，在两个方向上的运动都由压力油推动来实现。所以此次选用双作用式液压缸.3.1.2 液压缸的主要参数液压缸的主要参数包括液压缸的工程压力、液压缸内径、活塞杆直径以及活塞行程等。当活塞行程>400Omm时,按GBTOI优先数和优先数系中R1.O数系选用，如不能满足要求，允许按R40数系选用。3.1.3 液压缸的设计和计算缸筒是液压缸的主要零件，它与端盖、缸底、油门等零件构成密封的容腔，用以容纳压力油，同时它还是活富的运动轨道。设计液压缸缸筒时，应该正确确定各部分的尺寸，保证液压缸有足够的输出力、运动速度和有效行程，同时还必须有一定的强度，能足以承受液压力、负载力和干扰等冲击力.另外，缸筒的内表面应该具有合适的配合精度、表面粗糙度和几何精度，已足以保证液压缸的密封性、运动平稳性和耐用性。I、液压缸内彳仝的计算<1）根据液压缸的荷载力和系统工作压力计算液压缸所受外负我F包括三种类型，即F=Fa式中匕工作负载，对于金属切削机床来说，即为沿活塞运动方向的切削力，在本设计中F1.t=20(XX)N；Fr运动部件速度变化时的惯性负载：Ft导轨摩擦阻力负载，启动时为静摩擦阻力，启动后为动摩擦阻力，对于平导轨6可由下式求得c=/(G+&)G运动部件重力；F1.1.X垂直丁导轨的工作负载，本设计中为零：/-导轨摩擦系数，在本设计中去静摩擦系数为0.2,动摩擦系数为0则求得Ffi=0.2X250OoN=5000NFia=OjX25OOON=25OON上式中屋为岸摩擦阻力，心为动摩擦阻力。»包"gZ式中g重力加速度Z加速或减速时向，-股加=0.0105,：A”4时间内的速度变化量。在本设计中r,250005,x,F=×N=4230Na9.80.05×602、液压缸的内壁D计算=IIOmm式中F一工作循环中最大的外负数。P1液压缸工作压力P2可取为0.5MPa.%为0.95。d/D液压加内径与活塞杆直径的关系。考虑到快进、快退速度相等,取d/。为0.7。,m液压缸的机械效率，一般取心=0.9-0.97。在本设计中，根据液压缸内径尺寸系列，将液压缸内径圆整为标准系列直径D=IIOmm3.2 液压缸主要零件的材料和技术要求3.2.1 缸体I.缸体的材料液压缸缸体的常用材料是20、35和45号无缝钢管。因20号钢的力学性能较低，且不能调质，应用较少，一般情况下选用45号钢，并调质到24I-285HB=缸体的毛坯也可以采用锻钢、铸钢或铸铁件。铸钢般采用ZG25、ZG35和ZG45等.铸铁可采用HT20O-HT35O之间的几个牌号或球果铸铁QT5OO-O5、QTa）（M）2等。我采用铸钢ZG35,2 .主要表面粗植度当活塞采用橡胶密封圈祢密封时，液压缸内表面粗糙度Ra为0.10.4um,当活塞采用活塞密封圈时，液压缸内表面粗糙度Ra为0.2043 .技术要求< 1）内径用H8H9的配合。< 2）缸体内径D的圆度公差值可按9,IO或11级精度选取,圆柱度公差值可按8级精度选取。< 3）缸体端面T的垂直公差度公差值可按7级精度选取，（4）缸体与端盖采用螺纹连接时.螺纹采用6H级精度。< 5）为防止腐蚀和提高寿命，内径表面可以镀0.030.04mm厚的硬铭，镀后再进行打磨和抛光，缸体外涂耐蚀油漆。1.1.2 活塞1 .活塞的材料缸体较小的整体式活塞般用35钢，45钢：其它常用耐磨铸铁、灰铸铁HT300、H1350钢以及铝合金等。2 .主要表面粗糙度活塞外圆柱表面粗糙度Ra为0876um.3 .技术要求（1）外径D的圆度、圆柱度公差值，按9、IO或I1.线精度选取.（2）外径D对内径D1.的径向跳动公差值，按7、8级精度选取。（3）端面T对内孔D1.轴线的垂直度公差值，按7级精度选取。（4）活塞外径用橡胶密封时可取f7衿配合，内孔与活塞的配合可取H8“1.1.3 活塞杆1 .材料实心活塞杆材料为35,35钢；空心活塞杆材料为35,45缸的无Si钢管。我采用实心45号钢。2 .主要表面粗植度杆外圆面粗糙度Ra为0.40.8um,.3 .技术要求(1)活塞杆的热处理：粗加工后调质硬度为229285HB,必要时再经高频淬火，硬度达4555HRC0<2)活塞杆d和d2的圆度公差值,按9、IO或11级精度选取:斯阿甘d的圆柱度公差值，应按8级精度选取。(3)端面T的垂直度公差值，则应按7级精度选取，<4)活塞杆与导向套采用H8f7配合，与活塞的连接可采用H8h8配合。4 5>活塞杆上若有连接销孔时，该孔应该按H1.1.级加工。该孔轴线与活塞杆轴线的垂直度公差值，按6级精度选取。5 6)活塞杆上的螺纹一般按6级精度加工，如载荷较小,机械震动也较小时，允许按7级或8级精度制造.6 7)活塞杆上下工作表面必要时可以镀格，镀层厚度约为0.05mm,镀后抛光。1.1.4 活塞杆直径的计算图3.3活塞杆受力图D-缸筒内径:小活塞杆直径;F-轴向推力；活塞杆径的计算：dD=().7求得d=8()mm.根据查£机械手册3可知，选用直径为80mm的活塞杆1.1.5 活塞杆稳定性的验算活塞杆的细长比/次之/楞7竽=2857柔性系数m取85,末端系数n取2所以，"Hm册=/20.21,采用拉金公式计算恻=*懈。3=/SN/+半j/+¾2857),安全系数取n=2则PPtJn24876所以，活塞杆稳定.1.1.6 液压缸主要零件的材料1 .缸体无缝钢管45钢无缝钢管作缸体毛坯加工余量小，工艺性能好，生产准备周期断，是与大批员生产，标准液压缸大部分都采用无缝钢管,般常用调版的45号钢2 .活寒铸铁HT2活塞常用材料灰矫铁，耐磨铸铁、35及40钢和铝合金等。缸径较小的整体式活塞用35、45钢,其他多用灰铸铁。3 .活塞杆45钢活塞杆常使用35、45钢等材料。对于冲击震动很大的活塞杆，也可以使用55钢。一般实心的活塞杆用35、45钢，4 .前缸盖35钢缸盖常用35、45钢的短剑或铸造毛坯，也可以使用铸铁材料5 .后缸盖铸铁HT200缸盖常用35、45钢的短剑或铸造毛坯，也可以使用灰铸铁材料。起导向作用时则用铸铁1.1.7 控制阀的选择根据泵的工作压力和通过各阀的实际流量，选取各元件的规格，如表3所示。序号元件名称最大通流fit/(Umin)型号规格1定里叶片系6YB-66×632溢流阀6Y-IOBIO×633三位四通电磁网634D-I0B4单向调速阀Q1.-IOB5.位三通电感网623D-IOB6通向阀6I-IOB7过逑器6XU-B16×1.表3-4各元件的规格表3.3 液压缸工况表3-2液压缸各工作循环的负载、压力、流量和功率数值表工况负载FIN同油油压力PX1.(F/Pd进油腔压力p×105*输入流累Qi/(1.:输入功率)P，kW计算公式快进启动1222.2212.7R=雪-20=(A1-A1)V1P=PIQ加速1545.53P=A+"3=521.27恒建611.113=511.564.330.08工进4400.5I826.51.96-0.120.086J+PAp1AQ=AMP=P1Q快退启动1222.2212.2p1.1.pq=,vA,P=ptQ加速1545.53p=525.24恒速611.11p=515.914.50.119皿图35工况图3.4 拟定液压传动系统图图2-1液压传动系统框图机床的液压系统的采用限压式变量叶片泉供油，工作压力调到4MPa,压力由压力表15显示。泵输出的压力油经过单向阀进入个子系统支路，其工作原理如卜,1 .卡盘的夹紧与松开在要求卡就处于正卡（卡爪向内夹紧工件外E1.）且在高压大夹紧力状态卜时，3YA失电，阀4左位工作，选择减压阀8工作。夹索力的大小由她压阀8来调整，夹紧压力由压力表14米显示。当IYA通电时，阀3左位工作，系统压力油从油泵T单向阀2-减压阀8-换向阀4左位T换向阀左位一液压缸右腔：液压缸左腔的油液经阀3直接会油箱。这时，活塞杆左移，操纵卡盘夹紧。当2YA通电时，阀3右位工作，系统压力油进入液压缸左腔，液压缸右腔的油液经阀3直接回油箱.这时，活塞杆右移，操纵卡盘松开。在要求卡盘处于正卡且在低压小夹紧力状态下时，3YA通电，阀4右位工作，选择减压阀9工作。夹萦力的大小由减压阀9来调整，加紧压力也由压力表14来显示，阀9调整乐力值小于阀8.换向阀3的工作情况与高压大夹紧力时相同。卡盘处于反卡（卡爪向外夹紧工件内孔）时，动作与正卡相反，即反卡的夹紧是正卡的松开：反卡的松开是正卡的夹索。2 .回转刀架的换刀回转刀架换刀时，首先是将刀架抬升松开，然后刀架转位到指定的位置，最后刀架下拉曳位夹米.当4YA通电时，换向隅6右位工作，刀架抬升松开：8YA通电，液压马达正转带动刀架换刀，转速由堆向调速阀I1.控制（若7YA通电，则液压马达带动刀架反转，转速由单向调速阀12控制）,到位后4YA断电，阀6左位工作，液压缸使刀架夹紧.正转换刀还是反转换刀由数控系统按路径场短原则判断。3 .尾座套筒的伸缩运动当6YA通电时，换向阀7左位工作，压力油经减用阀10、换向阀7左位流向尾座套筒液乐缸的左腔：液压缸右腔油液经单向调速阀13和阀7流向油箱，液压缸筒带动尾座套筒伸出，顶紧工作。顶紧力的大小通过减压阀IO调整，调整压力值由压力表16显示。当5YA通电时换向阀7右位工作，压力油经减压阀10、换向阀右位、组合13的单向阀流向液压缸右腔:液压缸左腔的油液经发7流向油箱，套筒快速缩I可。4 .数控车床液压系统的特点（1）采用限压式变量液压泵供油，自动调整输出流量，能量损失大小。（2）采用减压阀稳定夹紧力，并用换向阀切换减压固，实现高压和低压夹紧的转换，并且可分别调节高压加紧或低压夹紧力的大小。这样可根据工艺要求调节夹紧力，操作也荷维方便。（3）采用液压马达实现刀架的转位，可实现无极调速，并能控制刀架正、反转。（4）采用换向阀控制尾座套筒液压缸的换向，实现套筒的伸出或缩回，并能调节尾座套筒伸出工作的顶紧力大小，以适应不同工艺的要求。（5）采用三个压力计16、17、18可分别显示系统相应部位的压力，便调试和故隙诊断“第4章液压系统性能验算及维护4.1 性能验算液质系统的验算：1 .压力损失验算：因为该系统为简单液压回路，取其损失系数04故：泵的实际潦量q=52*（I-OJ）=46.8>39.71.min功率物.算损失：P额定=55KWP实际=5.5"0.75=4.125>3.6KW2 .由丁本液压系统比较简单，系统的温升不大，故不必进行系统温升的验算。所以该设计符合设计要求。4.2 系统维护1 .本系统用纯净的20号机械油（N32#液压油）,当油温在50。C时其运动粘度约为：27-57厘泊,如用其他油代用粘度不宜过大：2 .油箱加油必须先经过注油器：3 .为保证油的清洁及良好涧滑性，要定期清洗泄油器,油箱，同时要按时换油（每三个月换一次油）：4 .为保证工作可考，系统中不应出现漏油现象；5 .油压的调整不宜过大，在保证正常工作情况下，宜调在下限“结论数控液压系统是在原有系统的基咄上提出并设it的。本文按照设计要求对数控车床进行了研究。1 .在对数控车床原有系统和控制方法研究的基础上，确定了液用系统的总体方案.对原有系统的关键技术进行r研究，重点对零件中的关键部件如液压缸进行了设计和研究，确定了它们的结构类型和主要参数。2 .对液压系统进行运动分析和负载分析，从而使设计更合理，为后续液压系统的设计打下坚实的基础。3 .在考虑总体设计的前提下，对液压系统的一系列参数进行计算，选择了适合本系统的液压回路和液压元件，并对液压系统进行了性能验算和维护。通过验尊，获得了i系列符合设计要求的校核结果，物证了液压系统性能是良好的。通过对液压系统与电气控制回路的仿真，能够实现所设计的效果，同时也能符合操作要求.致谢能够顺利的完成本次设计，与老师的指导和同学的帮助是分不开的，在这里，我向张老师致以最衷心的感谢，十分感谢老师的悉心指导和严谨的教学态度，使我在迷茫的时刻找到了正确的思路。为我顺利地完成此次毕业设计论文少走r很多弯路，学到r很多宝贵的知识和经脸.同时，也非常感谢和我同组的同学，他们给了我很多帮助，就是在他们的帮助卜.，我才能顺利完成设计，再次说声，感谢你们！参考文献1唐增宝等.机械设计课程设计（第二版）.华中科技大学出版tt,1.995.32'王广环，液压技术应用.哈尔滨工业大学出版社.20013覃小斌.王士虎等.工程制图.中央广播电视大学出版社.1997.74濮良货,纪名刚,机械设计（第六版）,高等教育出版社,19965袁承训I.液压与气压传动（第二版）.机械工业出版社.2000.7