數(shù)控車床液壓系統(tǒng)的設(shè)計(終稿)

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. 天津廣播電視大學 機械設(shè)計制造與自動化專業(yè)本科 << 液壓氣動控制技術(shù)>>課程設(shè)計 數(shù)控車床液壓系統(tǒng)的設(shè)計 學 校 濱海學院 學 號 1412001255399 姓 名 XXX 指導教師 XXX 日 期 2016 年 10 月 13 日 . 摘 要 液壓傳動在發(fā)展現(xiàn)代工程機械的過程中扮演著越來越重要的角色，數(shù)控車床中很多地方也用到液壓傳動系統(tǒng)，例如裝卡裝置和尾座頂緊裝置等。 數(shù)控車床液壓尾座在液壓系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動下進行工作，其工作時主要實現(xiàn)尾座的頂緊和加緊過程。設(shè)計尾座的液壓回路主要有液壓缸、調(diào)速閥、電磁閥、單向閥、溢流閥等組成，并充分考慮液壓系統(tǒng)的優(yōu)缺點，設(shè)計繪制出液壓系統(tǒng)原理圖,選擇合適的液壓缸，計算出液壓泵的參數(shù)，然后根據(jù)這些選擇合適的油箱、閥、油管和過濾器，最后再經(jīng)過精確驗算來完設(shè)計出一個完整的液壓系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞： 數(shù)控車床 尾座 液壓系統(tǒng) 液壓缸 目 錄 前 言 3 一、國內(nèi)外數(shù)控機床和液壓系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展 4 （一）數(shù)控車床現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 4 （二）研究方法與內(nèi)容 4 二、液壓系統(tǒng)的簡介 5 （一）液壓系統(tǒng)的組成 5 （二）液壓系統(tǒng)的優(yōu)缺點 5 三、液壓尾座液壓傳動總體設(shè)計 5 （一）尾座簡介 5 （二）回路設(shè)計 6 四、尾座液壓系統(tǒng)設(shè)計 7 （一）液壓系統(tǒng)的壓力 7 （二）繪制液壓系統(tǒng)原理圖 8 （三）頂針油缸的相關(guān)計算 8 （四）液壓泵的設(shè)計 9 （五）閥類元件的選擇 10 （六）油管類型的選擇 10 （七）油箱的選擇 10 （八）過濾器的選擇 11 五、液壓系統(tǒng)性能的驗算 11 （一）管路系統(tǒng)壓力損失的驗算 11 （二）系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗算 12 （三）系統(tǒng)效率驗算 13 結(jié) 論 14 參考文獻 15 致 謝 16 前 言 液壓傳動在發(fā)展現(xiàn)代工程機械的過程中顯得尤為重要。國外由于應(yīng)用了全新的技術(shù)成果，使產(chǎn)品品種、質(zhì)量和水平都有較大提高。液壓傳動朝著小型化、集成化、精密化、高效化等方向不斷前進，但是前進的道路肯定有很多需要解決的問題，例如液壓油浪費、油污染、液壓系統(tǒng)不能與整機完整的結(jié)合等問題都需要我們一一克服。市場競爭越發(fā)激烈，產(chǎn)品的更新又極為迅速，精度要求也越來越高。 數(shù)控車床液壓系統(tǒng)的設(shè)計 一、國內(nèi)外數(shù)控機床和液壓系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展 數(shù)控機床是典型的機電一體化產(chǎn)品。數(shù)控機床的技術(shù)水平高低在一定程度上是衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)制造水平的一個重要標志[1]。數(shù)控車床是數(shù)控機床的代表品種，近些年一直受到各國的重視并得到了較快的發(fā)展。 （一）數(shù)控車床現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1.國外數(shù)控機床技術(shù)現(xiàn)狀 1.1高精度、高速度與多軸加工成為數(shù)控機床技術(shù)突破的主流，納米技術(shù)控制已經(jīng)成為新的潮流。 1.2不斷擴展的智能處理和監(jiān)測設(shè)備,車間可以實時監(jiān)控和管理機床本身的工作信息,分析相關(guān)數(shù)據(jù),預測車床的狀態(tài),提前保養(yǎng),避免風險,減少機床的損壞率,提高機床的利用率。 1.3發(fā)展迅速的繪圖技術(shù)為數(shù)控機床的精加工提供了很好的輔助。國內(nèi)數(shù)控車床的現(xiàn)狀近些年來，我國數(shù)控車床生產(chǎn)數(shù)量和產(chǎn)量一直保持高速增長。但與其它發(fā)達國家相比，我國車床數(shù)控化率不到30％，國產(chǎn)數(shù)控車床到2000年品種大概為700多種，不到數(shù)控車床品種的50％，其中經(jīng)濟型數(shù)控車床占大多數(shù)。國產(chǎn)最高主軸轉(zhuǎn)速一般在2000r／min左右，個別高性能機床轉(zhuǎn)速達8000r／min。國內(nèi)數(shù)控技術(shù)還有很大的發(fā)展空間。 2.液壓系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 2.1液壓控制技術(shù)回顧與展望 氣壓與液壓壓傳動相對于機械傳動來說是一門新興的技術(shù)。在各個行業(yè)中，液壓技術(shù)得到了普遍而又廣泛的應(yīng)用。隨著核能、空間技術(shù)、電子技術(shù)等多方面的發(fā)展，液壓技術(shù)被應(yīng)用到更廣闊的領(lǐng)域，逐步發(fā)展成為包括控制、傳動和檢測在內(nèi)的一門完整的自動化控制技術(shù)。國內(nèi)數(shù)控車床液壓系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展速度也很快，主要發(fā)展方向是小型集成化、多樣化等，并且進一步實現(xiàn)高壓、高速、高精度、高可靠性的機電一體化[2]；國外數(shù)控車床發(fā)展相對較早，相對來說國內(nèi)與國外有一定差距。 2.2液壓行業(yè)的發(fā)展趨勢 液壓技術(shù)在將部分機械能轉(zhuǎn)換成工作壓力能方面，已取得很大進步，但是一直存在著容積損失和機械損耗，一直未能很好解決。為減少壓力能的過多損失，需要解決以下幾個問題： ①盡量減少液壓元件和液壓系統(tǒng)的內(nèi)部壓力損耗，以減少系統(tǒng)功率損失； ②盡量減少或消除液壓系統(tǒng)的節(jié)流損耗； ③采用新技術(shù)，新材料，減少磨擦損失； ④改良液壓系統(tǒng)的性能； （二）研究方法與內(nèi)容 1.研究方法 液壓系統(tǒng)是液壓型機械的一個重要組成部分，液壓系統(tǒng)的設(shè)計要同機床主機的總體設(shè)計同步進行。設(shè)計必須與工作環(huán)境、工作方式相結(jié)合，確定液壓系統(tǒng)的作用及需要改進的方向，進而設(shè)計出一個適合整機的液壓系統(tǒng)，這才是最關(guān)鍵的 。 設(shè)計步驟 一般來說，在明確設(shè)計要求之后，大致按如下步驟進行： ①學習并掌握液壓系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)知識； ②根據(jù)數(shù)控機床工況要求及負載分析、對比選出合適的液壓回路； ③擬定液壓系統(tǒng)原理圖； ④液壓系統(tǒng)的計算和元件的選擇； ⑤液壓系統(tǒng)元件尺寸和結(jié)構(gòu)的確定； ⑥總結(jié)分析，精度和誤差的統(tǒng)計。 2.研究內(nèi)容 根據(jù)設(shè)計要求，本文的研究內(nèi)容大致分為以下三點： 1.液壓系統(tǒng)的設(shè)計。2.各液壓元件的選擇。3.對液壓系統(tǒng)的檢驗。 二、液壓系統(tǒng)的簡介 （一）液壓系統(tǒng)的組成 一個完整的液壓系統(tǒng)一般由五個部分組成，即動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件和液壓油。 動力元件：液壓泵是液壓系統(tǒng)的動力元件，是能量轉(zhuǎn)換元件，由原動機驅(qū)動， 把輸入的機械能轉(zhuǎn)化為油液的壓力能再輸出到系統(tǒng)中去，為執(zhí)行元件提供動力。 執(zhí)行元件：主要是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能并將其輸出。缸主要是輸出力和直線運動，但有的是輸出往復擺動運動和扭矩；馬達則是輸出連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動和扭矩。 控制元件：功能是對流動方向、壓力和流量進行控制，以滿足執(zhí)行元件所需要各個要求，從而使系統(tǒng)按照特定的工作要求進行工作。 輔助元件：包括蓄能器、過濾器、油箱、壓力表、管件及密封裝置等。 （二）液壓系統(tǒng)的優(yōu)缺點 優(yōu)點：能夠承受較大的工作壓力，便于無級變速，工作相對平穩(wěn)，便于實現(xiàn)頻繁切換，易于實現(xiàn)過載保護，液壓元件易于實現(xiàn)標準化、系列化和通用化，便于設(shè)計和制造。 缺點：不宜在較高或較低溫度下工作，不可遠距離輸送動力，元件制造精度要求高，不易實現(xiàn)定比傳動，發(fā)生故障不易檢查和排除，傳動效率相對較低。 三、液壓尾座液壓傳動總體設(shè)計 （一）尾座簡介 1.機床采用的是標準的液壓型尾座。尾座安裝在機床導軌上，可縱向調(diào)整?？梢杂庙敿庵屋^長的工件，必要時也可以安裝鉸刀和鉆頭等相應(yīng)的孔加工刀具進行孔的加工。 2.尾座的導軌WH為：9540mm，尾座的套筒的直徑80mm。套筒的錐孔MT-4 。所以，尾座必須具有一定的剛性。 3.尾座的剛度在很大程度上反映了本次設(shè)計的合理性；良好的動態(tài)性能夠使整機的固有頻率不至于和激振頻率重合而發(fā)生共振；良好的工藝便于裝配和制造。 此尾座是實現(xiàn)套筒和活塞固定座通過螺釘連接，并且可以移動。油壓后座、活塞軸和尾座體固定在一起?；钊S、套筒和活塞固定座形成液壓缸，分兩個腔。 （二）回路設(shè)計 大體看來液壓尾座有頂針部分和加緊部分。前者是起軸頂緊的作用，當頂針工作時需要加緊機構(gòu)進行加緊工步，保證零件裝卡的精度，才能保證加工的精度。 1.液壓尾座頂針液壓回路 液壓系統(tǒng)原理圖如下： 圖1液壓系統(tǒng)原理圖 2.頂針加緊液壓回路 設(shè)計尾座液壓回路原理圖如下： 圖2 尾座液壓回路原理圖 四、尾座液壓系統(tǒng)設(shè)計 前面已經(jīng)完成尾座的控制回路，本章節(jié)將從數(shù)據(jù)計算的角度來對液壓缸和液壓泵進行設(shè)計。 （一）液壓系統(tǒng)的壓力 液壓缸的壓力主要根據(jù)負載確定，此外還需要考慮其它因素，例如各類設(shè)備的不同點和應(yīng)用方式，經(jīng)濟、精度、密封性能要求和功能要求都需要考慮在內(nèi)，根據(jù)負載與工作壓力關(guān)系表4-1和機械類型與工作壓力關(guān)系表4-2來確定液壓系統(tǒng)的工作力。 根據(jù)以上兩表，選定工作壓力為：16Mpa （二）繪制液壓系統(tǒng)原理圖 液壓系統(tǒng)原理圖如圖3： 1—郵箱，2—變量液壓泵，3—電動機，4、10—過濾器，5—冷卻器，，6—油液注入口，7—液位計，8—單向閥，9—加熱器，11—溢流閥，12—固定尾座的雙聯(lián)液壓缸系統(tǒng)，13、15—三位四通電磁換向閥，14—驅(qū)動絲杠的液壓馬達，16—固定套筒的液壓缸，17—兩位四通電磁換向閥 圖3 液壓系統(tǒng)原理圖 （三）頂針油缸的相關(guān)計算 已知車床切削用量f=0.1-0.3mm/r；切削速度v=50-80m/min；工件直徑400mm，加工長度350mm。 假設(shè)液壓尾座最大軸向力為5754.3N，所以液壓油缸要想克服這一軸向力，即液壓油缸所受的外力Fz=3.5754N，根據(jù)相關(guān)表格加緊時的壓力區(qū)2MPa，背壓0.5MPa。則液壓缸的內(nèi)徑是： p為輸出壓力，2p為系統(tǒng)背壓，代入數(shù)據(jù)可得： 所以選取油缸直徑D=80mm； 活塞桿直徑d=D（0.5~0.7）=50mm （四）液壓泵的設(shè)計 確定液壓泵的最大工作壓力PB=P1+ΣΔP 其中：P1為液壓缸工作時所需要的最大壓力ΣΔP為總的壓力損失包括流量閥和 其他元件的局部壓力損失、管路損失等，根據(jù)同類型的系統(tǒng)的經(jīng)驗ΣΔP為(2～5)105Pa，復雜系統(tǒng)的ΣΔP為(5～15)105Pa，具體也可以參照下表： 表4-3常用中、低壓各類閥的壓力損失(Δpn) 根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知：卡緊套筒的支路壓力損失ΣΔp為0.5+0.3=0.8MP（調(diào)速閥和換向閥） 液壓馬達支路壓力損失ΣΔp為0.3MP（換向閥） 主線路上壓力損失ΣΔp為0.5MP（單向閥） 卡緊尾座的支路壓力損失ΣΔp為0.3MP（換向閥） PB=P1+ΣΔp=16+0.3+0.8+0.3+0.5=17.9MP 泵流量的確定qB qB由液壓缸最大流量qmax和系統(tǒng)泄漏確定液壓缸同時工作時存在容積效率降低，泄露增多的問題，即： (Σq)max為同時動作的液壓缸(或馬達)的最大總流量(m3/s)，K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取1.1～1.3，大流量取小值，小流量取大值,所以由已知數(shù)據(jù)得出： 液壓泵規(guī)格的選擇 由以上計算的液壓泵的最大工作壓力和流量，查液壓元件產(chǎn)品樣本，選擇與 PB和qB相當?shù)囊簤罕玫囊?guī)格型號。 pB計算的是靜態(tài)壓力，所以為了性能要求和安全起見，額定壓力pB應(yīng)比系統(tǒng)最高壓力大25%～60%，故額定壓力為22.375~28.64MP，即選用GPC4型外嚙合齒輪泵（公稱排量20~80ml/r額定壓力25MP轉(zhuǎn)速3000r/min）。 驅(qū)動液壓泵工作的輸入功率 ηB為液壓泵的總效率，可根據(jù)表4-4進行合適選擇。 表4-4液壓泵的總效率 （五）閥類元件的選擇 閥類元件的選擇必須根據(jù)最大流量，額定壓力，動作方式，固定方式，壓力損失，性能參數(shù)和工作壽命進行綜合考慮。 閥類元件選擇的注意事項 （1）盡量選擇標準件 （2）閥類元件的規(guī)格要根據(jù)油液的最大壓力和最大流量選取。選擇溢流閥，應(yīng)按液壓泵的最大流量選取；選擇節(jié)流閥和調(diào)速閥時，應(yīng)考慮其最小穩(wěn)定流量滿足機器低速性能的要求。 （3）參照液壓系統(tǒng)原理圖 17號換向閥應(yīng)采用ZS系列多路閥 流量100L/min額定壓力20MPa 13號換向閥應(yīng)采用ZS系列多路閥 流量160L/min額定壓力20MPa 15號換向閥應(yīng)采用ZS系列多路閥 流量40L/min額定壓力20MPa 15、17號換向閥流量小于100L/min連接方式采用疊加閥。 13號換向閥流量在100~200L/min之間應(yīng)采用常規(guī)板式閥。 （六）油管類型的選擇 液壓系統(tǒng)中使用的油管分硬管和軟管，合適的油管應(yīng)有足夠的通流截面和承壓能力，管路越短越好。因為此處的油管不用在相對運動的工件之間，且工作壓力25MP，故選擇金屬硬管即鋼管，更加安全可靠。 鋼管分為無縫鋼管和焊接鋼管，中高壓系統(tǒng)選用無縫鋼管，低壓系統(tǒng)選用焊接鋼管，鋼管價格低，性能好，使用廣泛。 管接頭的選擇需要滿足連接牢固、密封可靠，裝配方便、工藝性好、外形尺大小、通油能力強等性能要求。 綜上所述，查閱相關(guān)資料，液壓系統(tǒng)壓力為25MPa，選用的是無縫鋼管，因此管接頭選用卡套式管接頭。 （七）油箱的選擇 油箱的作用是儲油，散發(fā)油的熱量，沉淀油中污物，逸出滲入油中的空氣，有時它還兼作液壓元件和閥塊的安裝平臺。其形式有開式和閉式兩種：開式油箱油液液面與大氣相通；閉式油箱油液液面與大氣隔絕。開式油箱應(yīng)用較多。 油箱容量計算 油箱的有效容量V可按下述經(jīng)驗公式確定，即： V=mqp=4x240=960L 式中：m為系數(shù)，低壓系統(tǒng)取2～4，中、高壓系統(tǒng)取5～7,中、高壓或高壓大功率系統(tǒng)時6～12；qp為液壓泵的流量。查表得愛用AB40-1型帶支撐腳的矩形郵箱規(guī)格為1000，工作容積為1100L。 （八）過濾器的選擇 在液壓系統(tǒng)中，大多數(shù)故障時由于介質(zhì)被污染而造成的，液壓油中存在各種污染物，油液的污染能加速液壓元件的磨損，卡死閥芯，堵塞工作間隙和小孔，腐蝕元件，元件表面劃傷，壽命降低。在適當?shù)牟课话惭b過濾器可以截留油液中不可溶的污染物，使油液保持清潔，保證液壓系統(tǒng)的正常工作。過濾器的選擇應(yīng)該滿足有足夠的過濾能力，能承受一定的工作壓力，有足夠的過濾精度，易于清洗和更換，足夠長的的工作壽命等條件。 過濾器按過濾精度可分為四級： 粗過濾器d≥0.1mm 普通過濾器0.01mm≤d＜0.1mm 精過濾器0.005mm≤d＜0.01mm 特精過濾器0.001mm≤d＜0.005mm 過濾精度只要取決于系統(tǒng)的壓力。由相關(guān)表格確定系統(tǒng)壓力大于21MPa，由表中得出選用精過濾器。 五、液壓系統(tǒng)性能的驗算 （一）管路系統(tǒng)壓力損失的驗算 當執(zhí)行元件的工作壓力確定以后，調(diào)整壓力可由管路中的壓力損失來進行計算。但是為了盡早地評估系統(tǒng)的主要性能，避免后面的設(shè)計工作出現(xiàn)大的反復，在系統(tǒng)方案初步確定之后，通常用液流通過閥類元件的局部壓力損失來對管路的壓力損失進行概略地估算，因為這部分損失是系統(tǒng)的主要損失。本系統(tǒng)的閥類元件有單向閥、調(diào)速閥、電磁閥。 壓力損失包括：液壓油流經(jīng)管道的沿程壓力損失△pλ、局部壓力損失和 p△ζD,管路總的壓力損失為ΣΔp，即： 計算沿程壓力損失時，如果管中為層流流動，可按下經(jīng)驗公式計算： 式中：q為通過管道的流量(0.004m3/s)；L為管道長度(2m)；d為管道內(nèi)徑(50mm)；υ為油液的運動粘度(1xm2)。 局部壓力損失可按下式估算： 系統(tǒng)的調(diào)整壓力： p0≥p1+Δp 式中：p0為液壓泵的工作壓力或支路的調(diào)整壓力（25MP）；p1為執(zhí)行件的工作壓力（16MP）。 （二）系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗算 系統(tǒng)發(fā)熱來源于系統(tǒng)內(nèi)部的能量損失，壓力損失、容積損失和機械損失所消耗的能量多數(shù)轉(zhuǎn)化為熱能。系統(tǒng)發(fā)熱使油溫升高，油液的溫升使粘度下降、油液變質(zhì)泄漏增加，影響正常工作。因此必須控制溫升在允許范圍內(nèi)，如一般機床液壓系統(tǒng)正常工作油溫為25～30℃；數(shù)控機床低于25℃；粗加工機械、工程機械和機車車輛工作油溫為35～40℃。 單位時間的發(fā)熱量（kW）為： =P1-P2 式中：P1為系統(tǒng)的輸入功率，P2為系統(tǒng)的輸出功率。 若在一個工作循環(huán)中有幾個工作階段，則根據(jù)各階段的發(fā)熱量求出系統(tǒng)的平均發(fā)熱量，即： 式中：T為工作循環(huán)周期；i為工作階段的序號；ti為各工作階段的持續(xù)時間假設(shè)液壓系統(tǒng)全部熱量都是由油箱散發(fā)的。油箱在單位時間內(nèi)的散熱量可按下 式計算： 式中：h為油箱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，當自然風冷卻很差時h=（8～9）10-3kW/(m2?℃），當自然冷卻通風良好時h=1510-3kW/(m2?℃）；用風扇冷卻時h=2310-3kW/(m2?℃），用循環(huán)水冷卻時h=（110～170）10-3kW/(m2?℃）；A為油箱的散熱面積；ΔT為液壓系統(tǒng)的溫升。 當液壓系統(tǒng)的散熱量等于發(fā)熱量時，系統(tǒng)達到了熱平衡，這時系統(tǒng)的溫升為： 油箱的散熱面積為A=1.8（a+b)h+1.5ab=6.25 經(jīng)計算ΔT=23℃，在允許的范圍之內(nèi)。 可見油箱滿足散熱要求。不需要加設(shè)其他冷卻裝置。 （三）系統(tǒng)效率驗算 液壓系統(tǒng)的效率是由液壓泵、執(zhí)行元件和液壓回路效率來確定的。但由于系統(tǒng)比較簡單，在液壓缸工進階段，大流量泵卸荷，功率使用合理；同時油箱容量已選取較大值，系統(tǒng)發(fā)熱溫升也不是很大，故此系統(tǒng)的效率驗算可以省略。 結(jié) 論 在本次設(shè)計中，了解了液壓系統(tǒng)的基本知識，并依靠對其了解，完成了對此液壓尾座的設(shè)計。通過這次設(shè)計，加深了對液壓課程和液壓油系統(tǒng)的了解。作為一個接觸液壓專業(yè)不久的學生，個人能力和經(jīng)驗都有限，固在一些地方采用了一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)，并不準確，還有待改進。 參考文獻 [1]:丁樹模主編.《液壓傳動》.北京.機械工業(yè)出版社.1992. [2]:楊培元主編.《液壓系統(tǒng)設(shè)計簡明手冊》.北京.機械工業(yè)出版社.1991. 致 謝 本課題在選題及研究過程中得到了指導老師的悉心指導。從論文的選題、資料的收集到論文的撰寫編排整個過程，指導老師幫助我開拓研究思路，并為我指點迷津，幫助我在確定論文思路、完成開題報告等方面有了很大的進步。本論文的完成傾注了老師大量的心血。在此，謹向指導老師表達我崇高的敬意和衷心的感謝。 同時，還要感謝所有教過我和幫助過我的老師、同學和朋友們，感謝你們對我的幫助和支持。 最后，向所有關(guān)心和幫助過我的人們致以衷心的感謝，謝謝! .