數(shù)控刀片刃磨機液壓系統(tǒng)設計【6張CAD圖紙及說明書全套】【YC系列】

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Positioning the blade, clamp, rotary table, lock, mill stand fast-forward, forward and rewind workers, retired workers and other actions by the hydraulic drive to achieve. In the production of special hydraulic grinding machine has a greater practicality, it can produce different size hydraulic transmission properties of grinding machine. The design is to combine their knowledge of auxiliary materials applied to the design, to consolidate and deepen the knowledge already grasp the general steps and methods of hydraulic system design and calculation, to determine the correct and reasonable executive body, the choice of standard hydraulic components, energy skilled use of the Hydraulic components to meet basic performance requirements of the hydraulic system. In the design process, the most important is to draw drawings, which not only can clearly designed content will complete the show, but also to see whether the knowledge has been completely mastered. Throughout the design process is divided into six parts: selection parameters, program development, design drawing hydraulic cylinder actuator design, assembly drawing and part drawing, grinding machine hydraulic system and the final checking relevant. Basically completed the main part in the design and implementation of the components of the hydraulic system in two parts. Keywords: Sharpening machine, Hydraulic system,Cylinders 34 數(shù)控刀片刃磨機液壓系統(tǒng)設計 1.緒論 1.1 選題背景 刀具在整個加工制造成本中，看似只占很小的比例，但在整個加工效率方面，恰恰是刀具在起舉足輕重的作用。隨著對加工精度的提高，對刀具的要求也更高，相對于刀具成本也增加，所以刀具的重新修磨就顯得更加重要。以往刀具的修磨只局限于人工在砂輪機上修磨，或是由刀具廠家回收修磨，這些方式就都談不上效率可言；再者，現(xiàn)在操作數(shù)控機床、加工中心的技術工人們，不可能在工作初期，用大量的時間來學修磨刀具。 隨著科學技術的迅速發(fā)展，國民經(jīng)濟各部門所需要的多品種、多功能、高精度、高自動化的技術裝備的開發(fā)和制造，促進了先進制造技術的發(fā)展。磨削加工技術是先進制造技術中的重要領域，是現(xiàn)代機械制造業(yè)中實現(xiàn)精密加工最有效、應用最廣的基本工藝技術。隨著該領域的要求提高磨床也必須快速的發(fā)展。用磨料和磨具對工件表面進行磨削加工的機床統(tǒng)稱為磨床。磨床加工材料廣泛，但主要用于磨削淬硬鋼和各種難加工材料。磨床可以用于磨削內(nèi)、外圓柱面和圓錐面、平面、螺旋面、花鍵、齒輪、導軌、刀具及各種成形面等，應用非常廣泛。磨床一般用于精加工，但也可以將毛坯直接磨成成品。 磨床的品種很多，約占全部金屬磨削機床的1/3。磨床在機床總數(shù)中所占比重達30%—40%。磨床的主要類型有外圓磨床、內(nèi)圓磨床、坐標磨床、工具磨床、刀具刃磨機床和各種專門化磨床，還有砂帶磨床、光整加工機、研磨機和數(shù)控磨床。 數(shù)控刀片刃磨機床是一種按輸入程序進行磨削的機床，可調(diào)整多邊形的主刃刀尖圓角及其后角。刀片分度依靠步進電機實現(xiàn)，刀片形狀依靠凸輪靠模實現(xiàn)，刀片后角由工作臺的回轉(zhuǎn)來決定，刀片定位靠V形塊來實現(xiàn)，刀片的定位、夾緊、工作臺的回轉(zhuǎn)、鎖緊，磨架的快進、工進和快退、工退等動作均有液壓傳動實現(xiàn)。可編程控制器（PLC）日益廣泛應用于機械等的電器控制中，利用PLC對現(xiàn)有機械加工設備進行電氣控制系統(tǒng)改造，可以試機械加工設備的生產(chǎn)效率和可靠性等提高到一個新的水平。 1.2國內(nèi)外發(fā)展和研究狀況 盡管國內(nèi)機床的數(shù)控化率比例在增高，但在數(shù)控技術的開發(fā)應用以及數(shù)控功能水平和加工編程方法等諸方面還存在很大的差距，如德國WALTER 公司的HM500數(shù)控系統(tǒng)及軟件已達到能在Windows NT 操作系統(tǒng)上輸入軟件包，實現(xiàn)各種參數(shù)要求的磨削以及開發(fā)"靈活編程"軟件功能，加工復雜幾何形狀的刀具。若增加在線測量儀可實現(xiàn)全自動循環(huán)，還可利用電話聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程診斷。多軸加工技術的發(fā)展，可加工復雜型面，尤其對工具、刃具磨床特別適用。它能節(jié)省輔助時間，又能提高加工效率，是工具、刃具磨床今后的發(fā)展方向。國外如德國Walter 公司HELLTRONICY POWER 五坐標數(shù)控萬能刃具磨床；Saccke 公司五坐標數(shù)控萬能刃具磨床和瑞士Schneeberger 公司NORMA75 數(shù)控萬能工具磨床等發(fā)展較快，國內(nèi)也已發(fā)展二軸、三軸聯(lián)動的數(shù)控萬能工具磨床。 其它如在機床的安全防護方面，國外大多數(shù)已采用全防護，機床防護罩全封；國外如德國WALTER 公司的HELITRNIC POWER PRODUCTION CNC 工具磨床，已采用自動上、下料的自動裝載機，實現(xiàn)整機全自動循環(huán)，以提高生產(chǎn)效率和機床自動化程度。此外，國外機床在外型布局、色澤等方面以及加工質(zhì)量上優(yōu)于國內(nèi)機床。 綜上所述，國內(nèi)機床與國外機床在基礎技術方面存在一定的差距。由于近年來的努力，差距已逐步減小，工具、刀具磨床產(chǎn)品趕上世界先進水平有希望。目前許多制造廠家都想通過磨削、磨削和刃磨刀具，來最大限度地減少停機。他們急需更精巧和萬能的、能夠用不同尺寸和型式的刀具進行加工的機床。為迎合這種形勢，機床制造廠家正在開發(fā)速度和生產(chǎn)率更高的柔性機床。 從目前的發(fā)展勢頭來看，當前工具磨床的剛度比以前的同類機床更高，公差要求更嚴。一些機床甚至具有菜單驅(qū)動的軟件，以便更容易編程和調(diào)整。在某些情況下，在磨床工作時，其操作者還可以監(jiān)測刀具刃磨情況。 2.工況分析 2.1設計要求及參數(shù)選定 設計一臺數(shù)控刀片刃磨機的液壓系統(tǒng)，要求刀片的定位、夾緊、工作臺回轉(zhuǎn)、鎖緊、磨架的快進、工進及快退、工退等動作均由液壓驅(qū)動。選定參數(shù)如下： 軸向磨削力：F=45000N； 行程：快進行程200mm，工進行程50mm； 運行速度：V快進=V快退=4m/min、V工進=45mm/min； 工作部件重量估計為G=10000N； 摩擦系數(shù)：靜摩擦系數(shù)fs=0.2，動摩擦系數(shù)fa=0.1； 液壓缸機械效率：； 往復運動的加速和減速時間要求不大于0.2s。 2.2系統(tǒng)工況分析 2.2.1 運動分析 此處設計要求設計的刃磨機液壓系統(tǒng)，根據(jù)設計要求，該數(shù)控刀片刃磨機的工作循環(huán)可分解為： 其動力部件實現(xiàn)的工作循環(huán)是：動力部件快進→動力部件工進→保壓停留→動力部件快退→動力部件停止； 夾緊部件實現(xiàn)的工作循環(huán)是：夾緊部件快速靠近零件→夾緊部件保壓夾緊→夾緊部件快速返回→夾緊部件停止。 快進、快退速度為：V快進=V快退=4m/min；工進速度為：V工進=0.045m/min 繪制運動部件的速度循環(huán)圖如圖2-1所示。 圖2-1 速度循環(huán)圖 2.2.2 負載分析 液壓缸所受外載荷F包括三種類型，分別為工作負載、摩擦阻力負載、慣性負載即： F = Fw+ Ff+ Fa 1）工作負載Fw 對于金屬磨削機床來說，即為沿活塞運動方向的磨削力，在本設計中工進工作負載即為軸向磨削力故： Fw=45000N 2）導軌摩擦阻力負載Ff 啟動時為靜摩擦力，啟動后為動摩擦力，對于平行導軌Ff可以由下式求的： Ff = f ( G + FRn ) G ——運動部件重力1000N； FRn ——垂直于導軌的工作負載，此設計中為零； f——導軌摩擦系數(shù)，取靜摩擦系數(shù)為0.2，動摩擦系數(shù)為0.1。求得 Ffs = 0.2×10000N = 2000N Ffa = 0.1×10000N = 1000N 上式中Ffs 為靜摩擦力，F(xiàn)fa 為動摩擦力。 3）運動部件速度變化時的慣性負載Fa Fa = 式中g——重力加速度； ——加速或減速時間，本設計中要求不大于0.2s，取=0.1s； ——時間內(nèi)的速度變化量。 故： Fa = ×N =680.3N 根據(jù)上述計算結(jié)果，列出各工作階段所受的外負載（見表2-1），并畫出如圖2-2所示的負載循環(huán)圖。 表2-1工作循環(huán)各階段的外負載 序 工作循環(huán) 外負載F(N) 1 啟動、加速 F = Ffs + Fa 2680.3 2 快進 F = Ffa 1000 3 工進 F = Fw+ Ffa 46000 4 快退啟動加速 F = Ffs + Fa 2680.3 5 快退 F = Ffa 1000 圖2-2 負載循環(huán)圖 3.液壓系統(tǒng)總體設計 3.1確定主要參數(shù) 3.1.1液壓缸的工作壓力的確定 執(zhí)行元件的工作壓力可以根據(jù)負載循環(huán)圖中的最大負載來選取，也可以根據(jù)主機的類型了確定（見表3-1和表3-2）。 表3-1 按負載選擇執(zhí)行元件的工作壓力 負載/ KN <5 510 1020 2030 3050 >50 工作壓力/MPa <0.81 1.52 2.53 34 45 ≥5 表3-2 各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力 設備 類型 機 床 農(nóng)業(yè)機械或中型 工程機械 液壓機、重型 機械等 磨床 組合 機床 龍門 刨床 拉床 工作壓力 0.8~2.0 3~5 2~8 8~10 10~16 20~32 所設計的動力滑臺在工進時負載最大，其值為46000N，其它工況時的負載都相對較低，參考表3-1和表3-2按照負載大小或按照液壓系統(tǒng)應用場合來選擇工作壓力的方法，初選液壓缸的工作壓力。 在鏜孔加工時，為了防止孔被鏜通時負載突然消失而產(chǎn)生的鏜頭前沖，液壓缸回油腔應有一定的背壓，查液壓工程手冊（回油路帶背壓閥<0.51.5>）取背壓為。 表3-3 執(zhí)行元件背壓的估計值 系 統(tǒng) 類 型 背壓p1 （MPa） 中、低壓系統(tǒng)0~8MPa 簡單的系統(tǒng)和一般輕載的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 0.2~0.5 回油路帶調(diào)速閥的調(diào)速系統(tǒng) 0.5~0.8 回油路帶背壓閥 0.5~1.5 采用帶補液壓泵的閉式回路 0.8~1.5 中高壓系統(tǒng)＞8~16MPa 同上 比中低壓系高50%~100% 高壓系統(tǒng)＞16~32MPa 如鍛壓機等 出算可忽略 3.1.2 液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的確定 為了節(jié)省能源宜選用較小流量的油源。利用單活塞缸差動連接滿足快進速度的要求，且往復快速運動速度相等，這樣就給液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d規(guī)定了的關系。由此求得液壓缸無桿腔面積為: 活塞桿直徑可以由值算出，由計算所得的D與d的值分別按表3-4和表3-5圓整到相近的標準直徑，以便采用標準的密封元件。 表3-4 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列 (GB2348--1980) (mm) 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （90） 100 （110） 125 （140） 160 （180） 200 （220） 250 320 400 500 630 注：括號內(nèi)數(shù)值為非優(yōu)先選用值 表3-5 活塞桿直徑系列 (GB2348--1980) (mm) 4 5 6 8 10 12 14 16 18 2 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 由GB/T2348-1980查得標準值為D=125mm，d=90mm。由此計算出液壓缸的實際有效面積為: 對選定后的液壓缸內(nèi)徑D，必須進行穩(wěn)定速度的驗算。要保證液壓缸節(jié)流腔的有效工作面積A，必須大于保證最小穩(wěn)定速度的最小有效工作面積，即 A＞ = 式中 ——流量閥的最小穩(wěn)定流量，一般從選定流量閥的產(chǎn)品樣本中查得。 ——液壓缸的最低速度，由設計要求給定。 如果液壓缸節(jié)流腔的有效工作面積A不大于計算所得的最小有效工作面積，則說明液壓缸不能保證最小穩(wěn)定速度，此時必須增大液壓缸的內(nèi)徑，以滿足速度穩(wěn)定的要求。 按最低工進速度驗算液壓缸的最小穩(wěn)定速度，由式（3-4）可得 A=cm2 =10cm2 式中qmin是由產(chǎn)品樣品查得GE系列調(diào)速閥AQF3-E10B的最小穩(wěn)定流量為0.05L/min。調(diào)速閥安裝在進油路上，故液壓缸節(jié)流腔有效工作面積應該選取液壓缸無桿腔的實際面積，即 A = A1 = 122.7cm2 可見上述不等式滿足，液壓缸能夠達到所需低速。 3.1.3 液壓缸工況圖的繪制 油缸各工況的壓力、流量、功率的計算如下： （1）計算各工作階段液壓缸所需的流量 （2）計算各工作階段液壓缸壓力 快速進給時液壓缸做差動連接。由于管路中有壓力損失，取此項損失為△P= P2- P1=0.5MPa，同時假定快退時回油壓力損失為0.5MPa。 （3）計算各工作階段系統(tǒng)輸入功率 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以計算出液壓缸在一個工作循環(huán)各階段的壓力、流量和功率，如表3-6所示，并根據(jù)此繪制出其工況圖如圖3-1所示。 表3-6液壓缸在不同階段所需壓力、流量和功率 工作階段 系統(tǒng)負載/N 回油腔壓力/MPa 工作腔壓力/MPa 輸入流量q/L/min 輸入功率P/W 快速前進 1111.1 1.036 0.693 25.44 176 工作進給 51111.1 1.0 4.65 5.52 257 快速退回 1111.1 0.5 1.23 23.64 291 注：取液壓缸機械效率 圖3-1 液壓缸的工況圖 3.2液壓系統(tǒng)方案選型與分析 3.2.1方案分析 （1）以速度變換為主的液壓系統(tǒng) 1）能實現(xiàn)工作部件的自動工作循環(huán)，生產(chǎn)率高； 2）快進與工進時，其速度與負載相差較大； 3）要求進給速度平穩(wěn)、剛性好，有較大的調(diào)速范圍； 4）進給行程終點的重復位置精度高，有嚴格的順序動作。 （2）以換向精度為主的液壓系統(tǒng) 1）要求運動平穩(wěn)姓高，有較低的穩(wěn)定速度； 2）啟動與制動迅速平穩(wěn)、無沖擊，有較高的換向頻率（最高可達150次/min）； 3)換向精度高，換向前停留時間可調(diào)。 （3）以壓力變換為主的液壓系統(tǒng) 1）系統(tǒng)壓力要經(jīng)常變換調(diào)節(jié)，且能產(chǎn)生很大的推力； 2）空程時速度大，加壓時推力大，功率利用合理； 3）系統(tǒng)多采用高低壓泵組合或恒功率變量泵供油，以滿足空程與壓制時，其速度與壓力的變化。 （4）多個執(zhí)行元件配合工作的液壓系統(tǒng) 1）在各執(zhí)行元件動作頻繁換接，壓力急劇變化下，系統(tǒng)足夠可靠，避免誤動作； 2）能實現(xiàn)嚴格的順序動作，完成工作部件規(guī)定的工作循環(huán)； 3）滿足各執(zhí)行元件對速度，壓力及換向精度的要求。 3.2.2方案確定 數(shù)控刀片刃磨機的主要部件是動力滑臺。動力滑臺其中的液壓滑臺是利用液壓缸將泵站所提供的液壓能轉(zhuǎn)變成滑臺運動所需的機械能。它的液壓系統(tǒng)的特點是驅(qū)動功率一般屬于中小功率，速度變化范圍大，附在變化也大。為了保證加工元件的表面質(zhì)量，要求液壓系統(tǒng)的速度穩(wěn)定性要好，所以選擇以速度變換為主的液壓系統(tǒng)作為數(shù)控刀片刃磨機的液壓系統(tǒng)。 根據(jù)工況分析，所設計刃磨機對調(diào)速范圍、低速穩(wěn)定性有一定要求，因此速度控制是該機床要解決的主要問題。速度的換接、穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)是該機床液壓系統(tǒng)設計的核心。 3.3擬定液壓系統(tǒng)原理圖 3.3.1液壓回路選擇 （1）調(diào)速方式的選擇 由于機床液壓系統(tǒng)調(diào)速是關鍵問題，因此首選調(diào)速回路。有工況圖可知：所設計的機床液壓系統(tǒng)功率小，為了防止磨削到底時負載突然消失而產(chǎn)生的磨頭前沖，液壓缸回油腔應有一定的背壓，故可采用回油路調(diào)速閥調(diào)速回路。 （2）調(diào)速與速度換接回路 這臺機床的液壓滑臺工作進給速度低，傳遞功率也較小，很適宜選用節(jié)流調(diào)速方式，由于磨削時磨削力變化小，而且是正負載，同時為了保證磨削過程速度穩(wěn)定，采用調(diào)速閥進口節(jié)流調(diào)速，為了增加液壓缸運行的穩(wěn)定性，在回油路設置背壓閥，分析液壓缸的V-L曲線可知，滑臺由快進轉(zhuǎn)工進時，速度變化較大，選用行程閥換接速度，以減小壓力沖擊。 圖3-2調(diào)速與速度換接回路 （3）油泵的選擇 從工況圖上可以清楚地看到：整個工作循環(huán)過程中，液壓缸要求交替提供快行程的低壓大流量和慢行程的高壓小流量油液。最大流量與最小流量之比約為24。而快進、快退所需時間為： 因此該液壓系統(tǒng)運行過程中99.9%的時間處于小流量工進狀態(tài)，從降低成本的角度出發(fā)，不宜選用雙聯(lián)泵，只需用單個定量泵就可以?，F(xiàn)確定定量泵方案如圖3-3所示。 圖3-3 泵供油油源 （3）換向回路 為實現(xiàn)數(shù)控采用電磁換向閥。 3.3.2組成液壓系統(tǒng)原理圖 根據(jù)上面選定的基本回路，在綜合考慮設計要求，便可組成完整的液壓系統(tǒng)原理圖，如圖3-4所示。 1-吸油過濾器 2-定量齒輪泵 3-壓力表及其開關 4-溢流閥 5-高壓精過濾器 6、7、8-二位三通電磁換向閥 9-三維四通電磁換向閥 10-二位三通電磁換向閥 11-單向減壓閥 12、13、14、18-單向節(jié)流閥 15-減壓閥 16-單向閥 17- 蓄能閥 19-壓力繼電器 20-節(jié)流閥 21-快跳液壓缸 22-定位液壓缸 23-夾緊液壓缸 24-回轉(zhuǎn)液壓缸 25-鎖緊液壓缸 圖3-4 刃磨機液壓系統(tǒng)原理圖 3.3.3液壓系統(tǒng)原理分析 圖3-4所示為數(shù)控刀片刃磨機床的液壓系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)油源由定量齒輪泵2提供，供油壓力由溢流閥4控制并由壓力表3顯示，泵的出口設有精過濾器5.系統(tǒng)由磨架快跳液壓缸21、定位液壓缸22、夾緊液壓缸23、回轉(zhuǎn)液壓缸24、鎖緊液壓缸25等5個執(zhí)行器組成，這些執(zhí)行器的運動方向分別由電磁換向閥6、7、8、9、10控制。開有a、b、c、d共4和油口的液壓缸21驅(qū)動磨架，實現(xiàn)快進、工進、快退、工退動作，這些動作由液壓缸21進回油時通過的油口決定。液壓系統(tǒng)動作基本環(huán)節(jié)如下。 1）系統(tǒng)啟動。系統(tǒng)啟動前，根據(jù)不同形狀、規(guī)格的刀片，調(diào)整凸輪、定位塊及相應的定位裝置，啟動液壓系統(tǒng)，電磁鐵2YA、3YA、4YA、6YA通電使換向閥7、8、9、10均切換至左位，定位缸22上升處于定位狀態(tài)，夾緊缸23處于松開狀態(tài)，回轉(zhuǎn)缸24處于順時針運動趨勢的定位狀態(tài)，鎖緊缸25處于松開狀態(tài)。 2）上料、夾緊。上料完畢，按下夾緊按鈕，電磁鐵3YA斷電時換向閥8復位至右位，油泵2的壓力經(jīng)過濾器5、閥18進入夾緊缸23的無桿缸，實現(xiàn)夾緊動作。當夾緊缸23中夜里升高到壓力繼電器19的設定值時發(fā)出信號（系統(tǒng)進入程序自動控制的信號），使電磁鐵6YA斷電，換向閥10復位到右位，油泵2的壓力油經(jīng)過閥10進入鎖緊缸25的有桿缸，在工作臺順時針運動的趨勢下，鎖緊工作臺，保證刀片主刃后角的準確性，同事工作臺壓下行程開關SQ8。 3）當機床電氣系統(tǒng)接收到壓力繼電器19發(fā)出的夾緊信號后，系統(tǒng)進入程序自動控制流程。電磁鐵2YA斷電使換向閥7復位至右位，油泵2的壓力油經(jīng)閥7、閥14進入定位缸22的有桿腔，定位缸22下降，壓下行程開關SQ3；同時，電磁鐵4YA斷電使換向閥9復位至中位，工作臺處于穩(wěn)定的鎖緊狀態(tài)。當程序檢測到行程開關SQ3\SQ8發(fā)出的信號，程序控制電磁鐵1YA通電使換向閥6切換至左位，油泵2的壓力油經(jīng)閥6、閥13進入磨架缸21的有桿缸，磨架缸21帶動磨架快進（缸的無桿腔經(jīng)c口無阻力回油）、工進（缸的無桿腔經(jīng)d口、節(jié)流閥12回油），并壓下行程開關SQ1;程序收到行程開關SQ1發(fā)出的信號，工件轉(zhuǎn)動，磨削工件的主刃和后角；當主刃磨削完畢后，程序計數(shù)，控制電磁鐵1YA斷電使換向閥6復位至右位，油泵2的壓力油經(jīng)閥11、閥12進入磨架缸21的無桿缸，磨架缸21帶動磨架快退（缸的有桿腔經(jīng)b口無阻力回油）、工退（缸的有桿腔經(jīng)a口、節(jié)流閥13回油），壓下行程開關SQ2；當程序收到行程開關SQ2發(fā)出的信號，程序控制電磁鐵6YA通電使換向閥10切換至左位，鎖緊缸24在彈簧作用下上升松開工作臺（有桿腔經(jīng)閥10向油箱回油），壓下行程開關SQ7；當程序收到行程開關SQ7發(fā)出的信號，程序控制電磁鐵5YA通電使換向閥9切換至右位，油泵2的壓力油經(jīng)閥9、閥20進入回油缸24的右腔，帶動工作臺逆時針回轉(zhuǎn)，壓下行程開關SQ5；當程序收到行程開關SQ5發(fā)出的信號，程序控制電磁鐵6YA通電使換向閥1切換至右位，油泵2的壓力油閥10鎖緊缸25的有桿腔，鎖緊缸25在工作臺逆時針回轉(zhuǎn)的趨勢下，鎖緊工作臺，保證圓刃后角的準確，同時壓下行程開關SQ8。 4）圓刃及后角磨削。當程序檢測到行程開關SQ8發(fā)出的鎖緊信號時，程序控制電磁鐵1YA通電使換向閥6切換至左位，油泵2的壓力油經(jīng)閥6、閥13進入磨架缸21的有桿缸，磨架缸21帶動磨架快進、工進，壓下行程開關SQ1;同時電磁鐵5YA斷電使換向閥9復位至中位，工作臺處于停滯和穩(wěn)定鎖緊狀態(tài)。當程序收到行程開關SQ1發(fā)出的信號，控制工件轉(zhuǎn)動，磨削工件圓主刃和后角；當主刃磨削完畢后，凸輪計數(shù)，程序控制電磁鐵1YA斷電使換向閥6復位至右位，油泵2的壓力油經(jīng)閥11、閥12進入磨架缸21的無桿缸，帶動磨架快退、工退，壓下行程開關SQ2，接著程序控制電磁鐵6YA通電使換向閥10切換至左右，鎖緊缸25松開工作臺，壓下行程開關SQ7，程序控制電磁鐵4YA通電使換向閥9切換至左位，油泵2的壓力油經(jīng)閥9進入回轉(zhuǎn)缸24的左腔，帶動工作臺順時針回轉(zhuǎn)，壓下行程開關SQ6；當程序收到行程開關SQ6發(fā)出的信號，程序控制電磁鐵6YA通電使換向閥10切換至右位，鎖緊缸25鎖緊工作臺，壓下行程開關SQ2。此時，工件一個主刃、一個圓刃磨削完畢。接著程序自動控制如前所述磨削下一個主刃及后角、圓刃及后角，直至全部去結(jié)束。 5）松開、下料。當程序收到所有刃磨削結(jié)束信號時，電磁鐵2YA通電使換向閥7切換至左位，油泵2的壓力油經(jīng)閥7、閥15進入定位缸22的無桿腔，定位缸22上升，人工按鈕、下料，至此，整個工件磨削完畢。 4.液壓缸的設計 本次設計的刃磨機液壓系統(tǒng)液壓缸包含：快跳液壓缸、定位液壓缸、夾緊液壓缸、回轉(zhuǎn)液壓缸、鎖緊液壓缸。本章以快跳液壓缸為例進行設計，其他液壓缸設計過程類似。 4.1液壓缸主要尺寸的確定 液壓缸工作壓力主要根據(jù)液壓設備的類型來確定，對不同用途的液壓設備，由于工作條件不同，通常采用的壓力范圍也不同。所以設計時，可用類比法來確定。 液壓缸的工作壓力，缸筒內(nèi)徑 D=125mm，活塞桿外徑d=90mm。 4.1.1 液壓缸壁厚和外徑的計算 液壓缸的壁厚由液壓缸的強度條件來計算。 液壓缸的壁厚一般指液壓缸中最薄處的厚度。從材料力學可以知道，承受內(nèi)壓力的圓筒，其內(nèi)應力分別規(guī)律因為壁厚的不同而各異。一般計算時可以分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。 液壓缸的內(nèi)徑D與其壁厚的比值D/≥10的圓筒稱為薄壁圓筒。起重運輸機械和工程機械的液壓缸，一般采用無縫鋼管，大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒壁厚公式計算 ≥ 式中 ——液壓缸壁厚（m）。 D——液壓缸內(nèi)徑（m）。 ——試驗壓力，一般取最大工作壓力的（1.25~1.5）倍（MPa）。額定壓力≤16Mpa,取=1.5 MPa。 ——缸筒材料的許用應力。 = ，其中為材料抗拉剛度，n為安全系數(shù)，一般取n = 5。的值為：鍛鋼： = 110~120 MPa；鑄鋼： = 100~110 MPa；無縫鋼管： = 110~110 MPa；高強度鑄鐵： = 60MPa；灰鑄鐵： = 25MPa。 在中低壓液壓系統(tǒng)中，按上式計算所得液壓缸的壁厚往往很小，使得液壓缸的剛度往往不夠，如在磨削加工過程中的變形、安裝變形等引起液壓缸工作過程卡死或者漏油。因此一般不作計算，按經(jīng)驗選取，必要時按上式公式進行校核。 對于D/＜10時，應該按材料力學中的厚壁圓筒公式進行壁厚的計算。 對于脆性材料以及塑性材料 ≥ 式中的符號意思與前面相同。 液壓缸壁厚算出后，即可以求出缸體的外徑為： ≥ + 式中值應該按無縫鋼管標準，或者按有關標準圓整為標準值。 在設計中，取試驗壓力為最大工作壓力的1.5倍，即 = 1.5×5MPa =7.5MPa。而缸筒材料許用應力取為= 100 MPa。 應用公式 ≥ 得， ≥ 下面確定缸體的外徑，缸體的外徑 ≥ + = 125+2×14.06mm = 153.12mm。在液壓傳動設計手冊中查得選取標準值 = 155mm。在根據(jù)內(nèi)徑D和外徑重新計算壁厚， = = mm = 15mm。 4.1.2 液壓缸工作行程的確定 液壓缸工作行程長度，可以根據(jù)執(zhí)行元件機構(gòu)實際工作的最大行程來確定，并且參照表4-1中的系列尺寸來選取標準值。 表4-1液壓缸活塞行程參數(shù)系列 （mm） Ⅰ 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 Ⅱ 40 63 90 110 140 180 220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 1800 2200 2800 3900 Ⅲ 240 260 300 340 380 420 480 530 600 650 750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 3800 注：液壓缸活塞行程參數(shù)依Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次序優(yōu)先選用。 由已知條件知道最大工作行程為300mm,參考上表系列Ⅱ，取液壓缸工作行程為300mm。 4.1.3 缸蓋厚度的確定 一般液壓缸多為平底缸蓋，其有效的厚度t按強度要求可以用下面兩式進行進似計算。 無孔時： 有孔時： 式中 ——缸蓋有效厚度（m）。 ——缸蓋止口內(nèi)徑（m）。 ——缸蓋孔的直徑（m）。 在此次設計中，利用上式計算可取t=40mm 4.1.4 最小導向長度的確定 當活塞桿全部外伸時，從活塞支撐面中點到缸蓋滑動支撐面的距離H稱為最小導向長度（圖3-2）。如果導向長度過小，將使液壓缸的初始撓度（間隙引起的撓度）增大，從而影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設計時必須保證有一定得最小導向長度。 對于一般的液壓缸，最小導向長度H應滿足以下要求 式中 ——液壓缸的最大行程。 ——液壓缸的內(nèi)徑。 為了保證最小導向長度H，如果過分增大和B都是不適宜的，必要時可以在缸蓋和活塞之間增加一個隔套K來增加H的值。隔套的長度C由需要的最小導向長度H決定，即 在此設計中，液壓缸的最大行程為500mm，液壓缸的內(nèi)徑為125mm，所以應用公式的 =mm =87.5mm。 活塞的寬度B一般取得B =（0.6~1.0）D；缸蓋滑動支撐面的長度，根據(jù)液壓缸內(nèi)徑D而定。 當D＜80mm時，??； 當D＞80mm時，取。 活塞的寬度B = （0.6~1.0）d =54~90mm，取70mm 4.1.5 缸體長度的確定 液壓缸缸體內(nèi)部長度應等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長度還要考慮到兩端端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長度不應該大于內(nèi)徑的20~30倍。缸體長度L = 500+100mm=600mm。 4.1.6 固定螺栓得直徑 液壓缸固定螺栓直徑按照下式計算 式中 F——液壓缸最大負載。 Z——固定螺栓個數(shù)。 k——螺紋擰緊系數(shù)，k = 1.121.5。 根據(jù)上式求得 = = 10.3mm 4.1.7 液壓缸強度校核 1）缸筒壁厚校核： 。 。 前面已經(jīng)通過計算得：D = 125mm, = 15mm。則有＜10，所以為厚壁缸。 = 15mm≥ = = 11.12mm， 可見缸筒壁厚滿足強度要求。 2）活塞桿穩(wěn)定性的驗算： 活塞桿受軸向壓縮負載時，它所承受的軸向力F不能超過使它穩(wěn)定工作所允許的臨界負載，以免發(fā)生縱向彎曲，從而破壞液壓缸的正常工作。的值與活塞桿材料性質(zhì)、截面的形狀、直徑和長度以及液壓缸的安裝方式等因素有關?；钊麠U的穩(wěn)定性的校核依照下式（穩(wěn)定條件）進行 式中 ——安全系數(shù)，一般取=24。 當活塞桿的細長比＞時 = 當活塞桿的細長比≤時，且 = 20120時，則 = 式中 ——安裝長度，其值與安裝方式有關。 ——活塞桿截面最小回轉(zhuǎn)半徑， = 。 ——柔性系數(shù)。 ——由液壓缸支承方式?jīng)Q定的末端系數(shù)。 E——活塞桿材料的彈性模量，對剛?cè) = 。 J——活塞桿橫截面慣性矩，A為活塞桿橫截面積。 f——由材料強度決定的實驗值。 根據(jù)驗算，液壓缸滿足穩(wěn)定性要求。 4.2液壓缸的結(jié)構(gòu)設計 液壓缸主要尺寸確定以后，就進行各部分的結(jié)構(gòu)設計。主要包括：液壓缸缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu)、活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)、活塞桿導向部分的結(jié)構(gòu)、密封裝置、緩沖裝置、排氣裝置、以及液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu)等。由于工作條件的不同，結(jié)構(gòu)形式也各不相同。設計時根據(jù)具體情況進行選擇。 4.2.1 缸體與缸蓋的連接形式 缸體與缸蓋常見連接方式有法蘭連接式、半環(huán)連接式 、螺紋連接式 、拉桿連接式 、焊接式連接等。 圖4-1 常見的缸筒和缸蓋結(jié)構(gòu) 圖4-1所示為常見的缸蓋和缸筒連接形式。圖4-1a 為法蘭式連接結(jié)構(gòu)，這種連接結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，容易加工，便于裝卸，強度較大，能夠承受高壓。但是外形尺寸較大，常用于鑄鐵制的缸筒上。 圖4-1b 為半環(huán)式連接結(jié)構(gòu)，這種連接分為外半環(huán)連接和內(nèi)半環(huán)連接兩者形式。它們的缸筒壁部由于開了環(huán)形槽而削弱了強度，為此有時要增加壁厚。它容易加工和裝卸、重量較輕，半環(huán)連接是一種應用較為普遍的連接結(jié)構(gòu)，常用于無縫鋼管和鍛鋼制的缸筒上。 圖4-1c、f 為螺紋連接形式，這種連接分為外螺紋連接和內(nèi)螺紋連接兩者形式。它的缸筒端部結(jié)構(gòu)復雜，外徑加工必須要求同時保證內(nèi)外徑同心，裝卸要使用專用工具，它的外形尺寸和重量都比較小，結(jié)構(gòu)緊湊，常常用于無縫鋼管和鍛鋼制的缸筒上。 圖4-1d 為拉桿式連接形式，這種連接結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好、通用性強、易于裝拆，但是端蓋的體積和重量都非常大，拉桿在受力后容易拉伸變長，從而影響密封效果，僅適用于長度不大的中低壓缸。 圖4-1d 為焊接式連接，這種連接形式強度高，制造簡單，但是焊接時容易引起缸筒的變形。 缸體端部與缸蓋的連接形式與工作壓力、缸體材料以及工作條件有關。通過綜合考慮，在此設計中，缸體端部與缸蓋采取法蘭連接的形式。 4.2.2 活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu) 活塞和活塞桿的結(jié)構(gòu)形式有很多，常見的有一體式、錐銷式連接外、還有螺紋式連接和半環(huán)式連接等多種形式，如圖4-2所示。半環(huán)式連接結(jié)構(gòu)復雜，裝卸不便，但是工作可靠。 圖4-2 活塞桿與活塞的結(jié)構(gòu) 此外，活塞和活塞桿也有制成整體式結(jié)構(gòu)的，但是它只能適應于尺寸較小的場合?；钊话阌媚湍ヨT鐵制造，活塞桿則不論是空心的還是實心的，大多用鋼料制造。經(jīng)過綜合考慮，在此設計中，活塞桿與活塞的連接采取螺紋連接的形式，如圖4-3所示。 圖4-3 活塞桿與活塞的連接形式 這種連接方式結(jié)構(gòu)簡單，便于拆卸，成本低廉，但是在震動的過程中容易松動，所以加了防松裝置，應用范圍較廣。 4.2.3 活塞桿導向部分的結(jié)構(gòu) 活塞桿導向部分的結(jié)構(gòu)，包括活塞桿與端蓋、導向套的結(jié)構(gòu)，以及密封、防塵和鎖緊裝置等。導向套的結(jié)果可以做成端蓋整體式直接導向，也可以做成與端蓋分開的導向套導向結(jié)構(gòu)。后者導向套磨損后便于更換，所以應用比較普遍。導向套的位置可以安裝于密封圈的內(nèi)側(cè)，也可以安裝于密封圈的外側(cè)。機床和工程機械中一般采用裝在內(nèi)測的結(jié)構(gòu)，有利于導向套的潤滑；而壓油機常采用裝在外測的結(jié)構(gòu)，在高壓下工作時，使得密封圈由足夠的油壓將唇邊張開，以提高系統(tǒng)的密封性能。 活塞桿處的密封形式由O型、V型、Y型和型密封圈。為了清除活塞桿處外漏部分粘附的灰塵，保證油液清潔以及減少磨損，在端蓋外側(cè)增加防塵圈。此設計經(jīng)過綜合考慮，采取端蓋直接導向。 4.2.4 密封裝置 液壓缸中常見的密封裝置有間隙密封，摩擦環(huán)密封，密封圈密封等。 油缸主要采用密封圈密封，密封圈有O形、V形、Y形及組合式等數(shù)種，其材料為耐油橡膠、尼龍、聚氨脂等。它利用橡膠或者塑料的彈性使各種截面的環(huán)形圈貼緊在靜、動配合面之間來防止泄露。它結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，磨損后有自動補償能力，性能可靠，在缸筒和活塞之間、活塞和活塞桿之間、缸筒和缸蓋之間都能使用。 （1）O形密封圈（如圖4-4） O形密封圈的截面為圓形，主要用于靜密封。與唇形密封圈相比，運動阻力較大，作運動密封時容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，故一般不單獨用于油缸運動密封。 圖4-4 O形密封圈 （2）V形密封圈（如圖4-5） V形圈的截面為V形，如圖所示，V形密封裝置是由壓環(huán)、V形圈和支承環(huán)組成。當工作壓力高于10MPa時，可增加V形圈的數(shù)量，提高密封效果。安裝時，V形圈的開口應面向壓力高的一側(cè)。 圖4-5 V形密封圈 （3）Y形密封圈（如圖4-6） Y形密封圈的截面為Y形，屬唇形密封圈(Lip Seal)。它是一種摩擦阻力小、壽命較長的密封圈，應用普遍。Y形圈主要用于往復運動的密封。根據(jù)截面長寬比例的不同，Y形圈可分為寬斷面和窄斷面兩種形式，圖所示為寬斷面Y形密封圈。 圖4-6 Y形密封圈 對于活塞桿外伸部分來說，由于它很容易把臟物帶入液壓缸，使油液受到污染，使密封件磨損，因此常需要在活塞桿密封處增添防塵圈，并且放在向著活塞桿外伸的一段。 4.2.5 緩沖裝置 液壓缸帶動質(zhì)量較大的部件作快速往復運動時，由于運動部件具有很大的動能，因此當活塞運動到液壓缸終端時，會與端蓋碰撞，而產(chǎn)生沖擊和噪聲。這種機械沖擊不僅引起液壓缸的有關部分的損壞，而且會引起其它相關機械的損傷。為了防止這種危害，保證安全，應采取緩沖措施，對液壓缸運動速度進行控制。 當活塞移至端部，緩沖柱塞開始插入缸端的緩沖孔時，活塞與缸端之間形成封閉空間，該腔中受困擠的剩余油液只能從節(jié)流小孔或緩沖柱塞與孔槽之間的節(jié)流環(huán)縫中擠出，從而造成背壓迫使運動柱塞降速制動，實現(xiàn)緩沖。 液壓缸中常用的緩沖裝置有節(jié)流口可調(diào)式（如圖4-7）和節(jié)流口變化式（如圖4-8）兩種。 圖4-7 節(jié)流口可調(diào)式緩沖裝置 圖4-8 節(jié)流口變化式緩沖裝置 在此設計中，為了適當?shù)臏p輕加工難度，決定采取如圖4-8所示的緩沖裝置。這種緩沖裝置可以調(diào)節(jié)。 5.液壓元件的計算和選擇 5.1確定液壓泵和電機的規(guī)格 由工況圖可知，整個工作循環(huán)過程中液壓缸的最大工作壓力為4.65MPa。選取油路總壓力損失為0.8MPa。則泵的最大工作壓力為： 其次確定液壓泵的最大供油量，由工況圖可知，液壓缸所需的最大流量為25.44L/min，若取系統(tǒng)泄漏系數(shù)K=1.05，則泵的流量為 最后根據(jù)以上計算數(shù)據(jù)查閱產(chǎn)品樣本，確定選擇YB-30型葉片泵，當液壓泵轉(zhuǎn)速為n=960r/min時，液壓泵的輸出流量為30L/min。 由于液壓缸在快退時輸入功率最大，如果取泵的效率為，這時驅(qū)動液壓泵所需電動機功率為 根據(jù)此數(shù)據(jù)查閱電動機產(chǎn)品目錄，選擇Y110L-6型電動機，其額定功率，額定轉(zhuǎn)速。 5.2 油箱的設計 液壓油箱的作用是貯存液壓油，分離液壓油中的雜質(zhì)和空氣，同時還起到散熱的作用。 5.2.1液壓油箱有效容積的確定 液壓油箱在不同的工作條件下，影響散熱的條件很多，通常按壓力范圍來考慮。液壓油箱的有效容量v可概略的確定為： 已知該系統(tǒng)為中壓系統(tǒng)（p=5MP）?。? V=(5～7)=200L～280L 取V=250L 式中，V —液壓油箱的有效容積 —液壓泵的額定流量 5.2.2液壓油箱的外形尺寸 液壓油箱的有效容積確定后，需設計液壓油箱的外形尺寸，一般尺寸為（長：寬：高）1：1：1～1：2：3，為提高冷卻效率，在安裝位置不受限制時，可將液壓油箱的容量予以增大。 5.2.3液壓油箱的結(jié)構(gòu)設計 液壓油箱簡稱油箱，它往往是一個功能組件，在液壓系統(tǒng)中的主要功能是存儲液壓油液、散發(fā)油液熱量、溢出空氣及消除泡沫和安裝元件等。 油箱的制造一般采用焊接和鑄造兩種方式之一，多數(shù)油箱采用焊接技術獲得。在一般設計中，液壓油箱多采用鋼板焊接的分離式液壓油箱，很少采用機床床身底座作為液壓油箱。因此，在此設計中采用了焊接的方式獲得油箱。 油箱的工作圖樣是油箱加工和安裝的依據(jù)。通常油箱應包括箱頂、箱壁、隔板、放油螺塞、吊耳、支腳等零件。 5.3閥類元件和輔助元件的選擇 圖2-6液壓系統(tǒng)原理圖中包括調(diào)速閥、換向閥、單項閥等閥類元件以及濾油器、空氣濾清器等輔助元件。 根據(jù)上述流量及壓力計算結(jié)果，對圖2-6初步擬定的液壓系統(tǒng)原理圖中各種閥類元件及輔助元件進行選擇。其中調(diào)速閥的選擇應考慮使調(diào)速閥的最小穩(wěn)定流量應小于液壓缸工進所需流量。圖2-6中溢流閥、單向閥、調(diào)速閥和電磁換向閥的選擇可根據(jù)調(diào)定壓力和流經(jīng)閥的額定流量來選擇閥的型式和規(guī)格，其中溢流閥的作用是調(diào)定工作進給過程中液壓泵的供油壓力，因此該閥應選擇電磁式溢流閥。連接在液壓泵出口處的單向閥用于保護液壓泵。調(diào)速閥的作用是控制回油路流量，進而控制工進速度。兩位兩通電磁換向閥的作用是快進轉(zhuǎn)工進和工進轉(zhuǎn)快退。三位四通電磁換向閥的作用是控制整個系統(tǒng)中快進、工進和快退之間的轉(zhuǎn)換。還有最后本設計所選擇方案如表5-1所示，表中給出了各種液壓閥的型號及技術參數(shù)。 表5-1 閥類元件的選擇 序號 元件名稱 通過的最大流量 L/min 規(guī)格 型號 額定流量L/min 額定壓力/MPa 額定壓降/MPa 1 葉片泵 — YB1-30 30 6.3 — 2 三位四通電磁換向閥 50 34D0-B10H-T* 25 6.3 0.3 3 兩位兩通電磁換向閥 30.08 22D-25 25 6.3 0.3 4 調(diào)速閥 1 Q-10B 10 6.3 0.5 5 單向閥 71.83 I-63B 63 6.3 0.2 6 兩位兩通電磁換向閥 30.08 22D-25 25 6.3 0.3 7 溢流閥 3.5 Y-63B 63 6.3 — 8 空氣濾清器 — QUQ2 — — — 9 濾油器 — WU-65×80-J — — — 10 壓力表開關 — K-6B — — — 注：此為電動機額定轉(zhuǎn)速時液壓泵輸出的實際流量。 5.4其它元件的選擇 5.4.1過濾器的選擇 濾油器的結(jié)構(gòu)大同小異，主要有濾芯和殼體，油液從濾芯外部流入，穿過濾芯從內(nèi)部流出，濾芯起過濾作用。按濾芯的過濾機理，可分為表面型濾油器、深度型濾油器和磁性過濾器。 按照過濾器的流量至少是液壓泵總流量的兩倍的原則，取過濾器的流量為泵流量的2.5倍。由于所設計組合機床液壓系統(tǒng)為普通的液壓傳動系統(tǒng)，對油液的過濾精度要求不高，故有 因此系統(tǒng)選取通用型WU系列網(wǎng)式吸油過濾器，參數(shù)如表5-2所示。 5.4.2 壓力表及壓力表開關的選擇 液壓泵的出口、安裝壓力控制元件處、與主油路壓力不同的支路及控制油路、蓄能器的進油口等處，均應設置測壓點，以便用壓力表對壓力調(diào)節(jié)或系統(tǒng)工作中的壓力數(shù)值及其變化情況進行觀測。 壓力表測量范圍應大于系統(tǒng)的工作壓力的上線，即壓力表量程約為系統(tǒng)最高壓力的1.5倍左右。在本次設計中，經(jīng)計算壓力表量程約為MPa。根據(jù)使用要求，選用K-1型的壓力表開關，壓力表的精度等級選2.5級。 5.4.3 液位計的選擇 油箱的側(cè)壁為了便于觀察，應安裝能目視的透明液位計，以便注油時觀察液面。液位計通常帶有溫度計且刻有上、下液面限位線。液位計的下刻線至少應比吸油過濾器或吸油管口上緣高出75mm，以防吸入空氣。液位計的上刻線對應著油液的容量。液位計與油箱的連接處油密封措施。對于油溫有嚴格要求的液壓裝置，可采用傳感式液位溫度計，其溫度計是利用靈敏度較高的雙金屬片的熱脹冷縮原理來測油溫的。在本次設計中，液位計選取YWZ-80型。 5.4.4油管的選擇 油管的內(nèi)徑可按照所連接元件的接口尺寸確定，也可以按照管路中允許的流速來計算。本例中，由表5-3推薦取油液在壓油管的流速v=3m/s,按式4.1算得液壓缸無桿強及有桿腔相連的油管的內(nèi)徑為 （5.1） 式中 q—通過油管的流量； v—推薦管道中油液的流速，可按表5-3數(shù)值選取。 取d=15mm。 最后，參照計算由選定的液壓元件連接油口尺寸確定油管內(nèi)經(jīng)。 表5-3 液壓油流經(jīng)不同元件時的推薦流速 液壓泵的吸油管路 d=15～25mm 0.6～1.2 d>32mm 1.5 壓油管路 d=15～50mm 3.0 d>50mm 4.0 流經(jīng)控制閥等短管路 6.0 溢流閥 15 安全閥 30 6.液壓系統(tǒng)的驗算 已知該系統(tǒng)中進、回油管的內(nèi)徑均為15mm，各段管道的長度分別為