ckj61100数控车床液压系统设计.doc

学号：14071903156毕 业 设 计题 目：CKJ61100数控车床液压系统设计作 者届 别2011系 别机械工程学院专 业机械设计制造及其自动化指导老师职 称讲师完成时间2011.5湖南理工学院毕业设计（论文）摘 要本文大致介绍了液压系统的发展趋势及我国目前液压技术的发展状况，详细分析了课题研究的内容、目的和意义。设计之前，给出了几种方案的比较与论证，并从中选择了最优方案进行设计。此液压系统的设计是基于车床卡盘的夹紧与松开、卡盘夹紧力的高低压转换和刀架的自动换刀。在设计之前，对液压系统设计要求及工况做了仔细分析。分析后对液压系统的必要参数进行了科学严谨的计算。通过对计算结果的分析先选定了液压回路进而选择并给出了液压系统图。在确定液压系统图后，根据液压系统工作压力和通过各个阀类元件和辅助元件的实际流量对液压元件进行了选择。当液压系统主体确定后，对液压站也进行了简单设计。通过数控车床卡盘和刀架液压系统的设计，使现有机床在原有基础上得到更大的改善，使加工生产步骤更简便，从而减轻工人的劳动强度、提高效率、节省能源。关键词：卡盘；刀架；液压缸；液压站AbstractThis article outlined the hydraulic system of the development trend of the current state of development of hydraulic technology, a detailed analysis of the research content, purpose and significance. Before the design is given several options for comparison and demonstration and choose the optimal program design.The hydraulic system design is based on the clamping chuck lathe with loosen, chuck clamping force.on the throats of high and low voltage conversion and rotation of change knife . Analysis of the hydraulic system of the necessary parameters of strict scientific computing. Through the analysis of the results, we have selected and then select the hydraulic circuit and hydraulic system diagram is given. In determining the hydraulic system diagram, according to the work pressure of hydraulic system and components through various valves and auxiliary components of the actual flow of the hydraulic components were selected. When the hydraulic system of the main determined, on the hydraulic manifold block also carried out stations and simple design.Through the CNC lathe hydraulic system chuck and rotation of change knife design change，Make existing machine in original basis be more big improvement , Make processing production steps more simple, thus reduce the labor intensity, improve efficiency, saving energy. Keywords：Chuck；Cutter；Hydraulic cylinder；Hydraulic statio - II -目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1引言11.2课题研究现状11.2.1世界数控车床的现状11.2.2我国液压技术现状11.3液压技术及产品的发展方向31.4课题研究的主要内容、目的和意义32 CKJ61100数控机床卡盘的设计52.1机床卡盘设计的内容52.2机床卡盘设计的立题依据52.3机床卡盘设计的液压系统52.3.1卡盘液压系统原理图52.3.2液压系统原理分析62.3.3车床液压系统的特点62.4CKJ61100数控机床液压卡盘的设计62.4.1液压卡盘的运动分析62.4.2液压卡盘的负载分析72.4.3液压卡盘的设计要求72.4.4液压卡盘系统选型82.4.5确定液压缸参数计算与结构设计83 CKJ61100数控机床自动刀架的设计143.1机床自动刀架工况分析143.2数控车床刀架结构设计143.2.1车床刀架的功能143.2.2机床刀架的类型153.2.3数控车床刀架总体方案设计153.3刀架液压控制系统液压泵的选择163.4液压缸的设计163.4.1选择液压缸类型163.4.2液压系统所需的油泵流量163.4.3以速度为主计算液压缸的内径D和活塞杆直径d173.5液压回路的设计183.6拟定液压系统图183.7液压系统刀架的控制原理193.8阀类元件及辅助件194 液压站的设计204.1液压油箱的结构设计204.1.1隔板204.1.2吸油管204.1.3顶盖及清洗孔204.2液压泵的安装方式214.3电动机与液压泵的连接方式214.4泵-电动机装置的选择224.4.1确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格224.4.2电动机的计算与选择234.5液压系统的维护23结 论24参考文献25致 谢26 1 绪 论1.1引言液压技术是实现现代化传动与控制的关键技术之一。液压传动的各种元件由于重量轻、体积小，可以根据需要方便、灵活地来布置；结合最新技术自动化程度高且操纵控制方便，容易实现直线运动；可实现大范围的无级调速（调速范围达）；自动实现过载保护；采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长。因此，正确合理地设计与使用液压系统，对于提高各类液压机械及装置的工作品质和技术经济性能具有重要意义。液压技术与现代社会中人们的日常生活、工农业生产、科学研究活动产生着日益密切的关系，已成为现代机械设备和装置中的基本技术构成、现代控制工程的基本技术要素和工业及国防自动化的重要手段，并在国民经济各行业以及几乎所有技术领域中日益广泛应用，应用液压技术的程度已成为衡量一个国家工业化水平的重要标志。1.2课题研究现状1.2.1世界数控车床的现状目前在全世界车床拥有量万台中, 数控车床约万台, 占, 世界车床年产量万台中，数控车床约万台，占，故为非数控车床。在工业化国家，中、高效自动化车床居多数，在发展中国家，手动普通车床居多数。数控车床分为经济型、普通型、高性能型三种不同档次。目前在工业化国家的车床拥有量中，低（手动普通车床）、中（高效自动化车床）、高档（数控车床、高精度车床）之比约为，在年产量中，三者之比约为， 而在发展中国家，分别为和。机器制造业中生产率、劳动生产率的提高，依靠人员素质、先进设备、科学管理，由于工业化国家这三者优于发展中国家，且中、高档车床比重大，因此其生产率、劳动生产率约为发展中国家之数倍，甚至几百倍。例如：年，日本车床（金切和成形）拥有量万台， 数控车床万台, 汽车产量为万辆； 而中国年，车床拥有量万台，数控车床万台，汽车产量仅为万辆。1.2.2我国液压技术现状(1)数控化水平低;近年来，我国数控车床生产一直保持两位数增长。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，消耗值数控化率还不到，而发达国家大多在 左右。国产数控车床到2000年可供品种为多种, 接近数控车床品种的，其中占产量的是经济型数控车床。最高转速一般在，个别转速达，坐标定位精度一般在，重复定位精度在，工作精度圆度在之间，表面粗糙度。长城车床厂液压系统最高转速，快速行程轴，轴，定位精度轴, 轴，工作精度圆度，表面粗糙度。国产数控系统可靠性大都超过万小时，但国际上先进企业数控系统MTBF已达万小时。国产数控车床、加工中心有少数厂达，但国际先进水平已达。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、特别是重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。(2)功能部件有差距;数控功能部件是指数控系统、液压系统单元、数控刀架和转台、滚珠丝杠副和滚动直线导轨副、刀库和机械手、高速防护装置等, 它们是数控车床的重要组成部分。功能部件技术水平的高低、性能的优劣以及整体的社会配套水平直接决定和影响着数控车床整机的技术水平和性能，也制约着主机的发展速度。相对数控车床主机来说，我国功能部件生产企业的发展更显滞后。 功能部件不仅决定着车床的整机性能，还占到整机成本的左右, 其发展状况直接关系到车床的竞争力水平。 目前，我国的功能部件生产企业规模普遍较小、布局分散，有些还依附于主机厂或研究所。从整体上看, 我国功能部件生产发展缓慢、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。理顺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。表1 国内外液压发展情况对比国内国外小型化，集成化，多样化机电一体化集成元件和系统高压，高速，高精度，高可靠性智能化自动控制元件和系统高效，节能，环保高精度数字控制元件和系统机电一体化水介质液压元件和系统1.3液压技术及产品的发展方向(1) 节省能耗，提高效率，采用液压传动与控制系统的节能技术;(2) 机电一体化技术及IT技术的应用高精度、高频响电液、电气伺服比例系统和元件，液粘调速器速度控制技术; 数字液压、气动系统和元件, 直动型电液控制元件; 用AC电机或变频电机驱动定量泵，发展机电一体化元件和系统;(3) 发展内置电子系统的电液伺服比例元件、电磁阀、液压定位油缸等;(4) 重视环保; 提高液压系统及污染控制技术，采用无泄漏液压系统和元件;(5) 应用现代控制技术，提高电液压自动控制系统的性能，开发水压传动与控制技术，大力发展水压系统和元件，扩大其应用领域; (6) 先进设计技术; 如计算机辅助设计与试验，仿真技术; (7) 现代制造技术的应用研究; 如表面处理技术、计算机辅助制造技术、润滑技术;总之，液压技术作为便捷和廉价的自动化技术，有着良好的发展前景。液压产品不仅在机电、轻纺、家电等传统领域有着很大的市场，而且在新兴的产业如信息技术产业、生物制品业、微纳精细加工等领域都有广阔的发展空间。 脚踏实地，放眼未来，经过行业的共同努力，我国的液压工业一定能走进一个新天地2。1.4课题研究的主要内容、目的和意义研究CKJ61100数控车床的液压系统的主要内容: (1)车床卡盘的夹紧与松开、卡盘夹紧力的高低压转换; (2)刀架的自动换刀，分别为刀盘抬起、刀架锁紧和刀盘转位。通过对CKJ61100数控车床原有液压系统的分析和了解，结合已学的液压方面知识，对液压系统的改进、结构、设计等方面的知识有深一步认识与提高。 通过数控车床液压系统卡盘和刀架换刀的设计，使现有机床在原有基础上得到更大的改善，使加工生产步骤更简便，从而减轻工人的劳动强度、提高效率、节省能源。液压系统设计步骤为：（1）明确系统设计要求；（2）分析系统工况，确定主要参数；（3）拟定液压系统原理图；（4）液压元件的选择与计算；（5）液压系统的性能验算；（6）进行结构设计，编写技术文件。2 CKJ61100数控机床卡盘的设计2.1机床卡盘设计的内容车床卡盘的夹紧与松开、卡盘夹紧力的高低压转换。2.2机床卡盘设计的立题依据翻阅大量液压类书籍和文献，调查取证，结合已掌握的液压方面的知识对原有系统进行优劣分析并提出改进方案，对车床卡盘的夹紧与松开、卡盘夹紧力的高低压转换进行了创新设计，由常见的手动机械装置改装成由液压动力驱动的液压传动装置。使其满足旋转精度、刚度、温升、抗震性等主要性能，以提高整机性能，并保证该液压系统执行上述几个动作时的可行性与可靠性，充分体现现代液压技术应用于数控机床的优越性。对于采用手动卡紧的机械卡盘加工某一工件普通数控车床，工人们需要手动卡紧及松开卡盘。数控系统自动加工该零件只需要花分钟，而装夹、卡紧工件及卸下工件就需要耗费分钟，这段时间有一多半是用来手动卡紧卡盘及松开卡盘的。这样算来，手动装夹，卡紧工件加工工件打开卡盘卸下工件这一过程式要花费分钟。而当我们采用液压传动借以代替之后即可节省近分钟的时间，则上面所描述的加工过程大概耗时在分钟，这样一来完工件即可节省将近分钟，对于加工零件来说，这是一笔十分可观的时间。这完全达到了提高生产效率，降低劳动者作业强度，提高生产效率的目的。另外，采用液压驱动系统使得机床卡盘的夹紧力可靠性大大加强，性能十分稳定，这样就避免了采用手动卡紧时卡紧力不足导致工件在加工过程中松弛或加工精度不够甚至报废和损坏刀具等状况的发生。而且随着液压传动技术越来越完备，采用自动化完成上述工序是完全可以的3。2.3机床卡盘设计的液压系统2.3.1卡盘液压系统原理图 图21 卡盘液压系统图2.3.2液压系统原理分析主轴卡盘的夹紧与松开，由电磁阀2控制。卡盘的高压与低压夹紧转换，由电磁阀3控制。当卡盘处于正卡（也称外卡）且在高压夹紧状态下，夹紧力的大小由减压阀4来调节。当卡盘处于外卡且在低压夹紧状态下，夹紧力的大小由减压阀5来调整。主轴卡盘的夹紧，电磁换向阀2的右位2YA得电，液压油进入液压缸1的左位推动液压缸活塞向右运动, 实现卡盘夹紧动作, 而液压缸1右位液压油通过电磁阀2回油箱。主轴卡盘的松开，电磁换向阀2的左位1YA得电，液压油进入液压缸1的右位推动液压缸活塞向左运动，实现卡盘松开动作，而液压缸1左位液压油通过电磁阀2回油箱。卡盘夹紧力的高压, 电磁换向阀3的右位4YA得电, 液压油通过减压阀4进入油路。卡盘夹紧力的低压，电磁换向阀3的左位3YA得电，液压油通过减压阀5进入油路4。2.3.3车床液压系统的特点（1）系统采用变量叶片泵供油，减少了能量损失; （2）系统采用不同减压阀调节,卡盘高压夹紧或低压夹紧时的压力大小可适用不同工件的需要。2.4CKJ61100数控机床液压卡盘的设计2.4.1液压卡盘的运动分析根据对普通数控车床机床卡盘卡紧动作的观察和分析可知，液压卡盘执行元件，即液压缸运动过程可分解为：向前卡紧，保持不动，向后松开。其运动循环图如下：向前卡紧原位停止保持不动向后松开图22卡盘液压缸运动循环图2.4.2液压卡盘的负载分析根据对液压卡盘的运动分析，液压卡盘液压缸的负载可分为惯性负载、弹性负载、粘性负载、各种摩擦负载（如静摩擦、动摩擦等）以及其它不随时间、位置等参数变化的恒值负载等。但主要的负载有：（1）启动时的静摩擦负载；（2）向前卡紧工进时的工作负载；（3）后退时的动摩擦负载。这些负载都是单向负载，是与运动方向相反的正值负载，近似为恒定的负载，并且负载力的方向与液压缸活塞轴线重合。液压卡盘的主要作用是在加工工件时限制工件两个自由度，以卡紧工件，保证加工的顺利完成5。2.4.3液压卡盘的设计要求（1）液压系统的设计要求是进行每项程序设计的依据。在制定基本方案并进行进一步着手液压系统各部分设计之前，必须把设计要求以及与该设计内容有关的其他方面了解清楚;机床的概况：用途、性能、工艺流程、作业环境、总体布局等；液压系统要完成哪些动作，动作顺序及彼此相互关系；液压驱动机构的运动形式，运动速度；各动作机构的载荷大小及其性质；对调整范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求；自动化程度、操作控制方式的要求；对防尘、防爆、防寒、噪声、安全可靠性的要求；对效率、成本等方面的要求6。（2）各个液压传动装置的设计要求为：机床具有高刚性、高精度等特点; 整体式底座结构，刚性好，精度保持性好; 设计要求：液压卡盘夹持工件的范围为；最高压力为；液压卡盘夹紧时间：7; 液压系统压力，预计液压系统使用流量：8。2.4.4液压卡盘系统选型（1）液压回路的选择;根据液压系统的设计要求，本液压系统采用开式回路，即执行元件（即液压缸）的排油回油箱，工作介质油液经过冷却、沉淀后再进入液压泵的进口，再进行循环工作。（2）液压油液的选择;由于本次设计的液压系统为普通液压系统，因此选用矿油型液压油作为工作介质。又根据室内的工作状况，及北方冬夏工作温度变化较大的特点, 冬季选用液压油,夏季选用液压油，通过液位计可观察油位和油温。液压油需三个月更换一次, 并清理油箱。（3）执行元件的选择;根据液压系统的运动分析，本设计中要实现的运动均为直线运动，只要求一个方向工作，反向退回，故采用单活塞杆液压缸，并且由于负载力与活塞杆轴线重合，故不必采用柱塞缸。（4）液压泵的选择;根据液压系统最高压力要求，故采用单作用变量叶片泵9。2.4.5确定液压缸参数计算与结构设计（1）卡盘液压缸参数计算 液压卡盘一般选用德川，查阅资料可知流量为压力为由此可选中低压力叶片泵。根据其压力、流量特性曲线可知所需电动机功率最大可为。根据流量和压力可选出液压阀规格和型号，我们选用直径为通用液压阀, 流量为, 压力为。（2）液压缸参数计算图23 液压缸受力图液压缸负载，其受力分析如右图23，由公式，（2-1）式中 -液压缸外作用力；-液压缸总效率；在额定压力下的液压缸，总效率为 ，取，卡紧阶段液压缸所受外作用力;代入公式（2-1）得： 计算油缸面积计算液压缸直径 , 可圆整为, 活塞杆直径。计算所需流量；油缸无杆腔充满油液时油缸容积（2-2）因为顶紧时间为秒, 也就是油缸的无杆腔充满油液需要秒, 因此计算流量：（3）液压缸的壁厚液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸, 一般用无缝钢管材料, 大多属于薄壁圆筒结构，薄壁圆筒公式10： （2-3）式中 -液压缸壁厚(m)； -液压缸内径(m)； -试验压力，一般取最大工作压力的倍，低压系统取倍； -缸筒材料的许用应力；采用无缝钢管，取，试验压力; 代入公式（2-3）得：卡盘液压缸壁厚： , 故取其壁厚为；缸筒壁厚的验算;液压缸的额定压力值应低于一定的极限值, 保证工作安全;（2-4）为避免缸筒在工作时发生塑性变形, 液压缸的额定压力值应与塑性变形压力有一定的比例范围; （2-5） （2-6）式中 - 缸筒内径（m）； - 缸筒外径 (m), ； - 液压缸的额定压力 (MPa)； - 缸筒发生完全塑性变形时的压力 (MPa)； - 缸筒材料的屈服点 (MPa)；缸筒材料的屈服强度，将代入公式（2-6），得：对于卡紧部分液压缸；将代入公式（2-6）得:取液压缸的额定压力，所以卡紧油缸筒厚度合格11。缸底厚度计算;设计缸筒底部为平面，其厚度可以按照四周的圆盘强度公式近似计算；由公式： （2-7）式中 -缸筒底部厚度（m）;-缸筒底部内径（m）;-液压缸的额定压力 (MPa);，缸筒底部材料的许用应力 (MPa);，取，;算得; 代入公式（2-7）得：卡紧液压缸缸底的壁厚，取。（4）活塞杆的强度计算活塞杆在稳定工况下，只受轴向推力的作用，其受力如图23所示：只受轴向推力的作用时，则可以近似地用直杆承受的简单强度计算公式进行计算： （2-8）式中 -活塞杆的作用力(N)；-活塞杆直径(m)； -材料的许用应力，无缝钢管；液压缸受轴向推力的作用；、带入公式（2-8），计算得：卡盘液压缸，；所以；所以活塞杆强度满足要求。（5）液压缸的结构设计液压缸主要尺寸确定以后，就进行各部分的结构设计。主要包括缸体与缸盖的连接结构、活塞杆与活塞的连接结构、活塞杆导向部分结构、密封装置及液压缸的安装连接结构等。缸体与缸盖的连接形式;缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。常见的有法兰连接、螺纹连接、外半环连接、内半环连接。选择螺纹连接，其优点是：外形尺寸小，较轻；缺点是：端部工艺要求较高，装卸时要用专用工具。活塞杆与活塞的连接结构;以换档液压缸活塞杆与活塞为例分析其连接结构，确定液压缸采用整体式结构，这种连接结构简单，适用于缸径较小的液压缸，如图24和图25。 图24 整体式结构（剖视图） 图25 整体式结构（外形图） 图26 螺纹连接结构活塞和活塞杆直径为40mm, 若采用整体式结构则在加工中，会造成很大的材料浪费，采用螺纹连接结构，结构简单，便于活塞、活塞杆的加工, 如图26。活塞杆导向部分的结构;活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构，以及密封、防尘和锁紧装置等。导向套的结构可以做成端盖整体式直接导向，也可做成与端盖分开的导向套结构。后者导向套磨损后便于更换，所以应用较普遍。机床和工程机械中一般采用装在内侧的结构，有利于导向套的润滑。密封圈选用;密封的分类：可分为静密封和动密封两种;静密封；在正常工作时无相对运动的零件配合表面之间的密封叫静密封。动密封；在正常工作时有相对运动的零件配合表面之间的密封叫动密封。相对于静密封，动密封部位有一定的泄漏量, 可以起到润滑作用, 减小摩擦和磨损。活塞及活塞杆处的密封圈的选用，应根据密封的部位、使用的压力、温度、运动速度的范围不同而选择不同类型的密封圈，选用O型圈加挡圈的形式9。3 CKJ61100数控机床自动刀架的设计3.1机床自动刀架工况分析数控车床的刀架采用回转刀架。刀架的换刀分为刀盘抬起、刀架锁紧和刀盘转位三个动作。其中刀盘抬起和刀架锁紧由液压来实现, 而刀盘转位则由伺服电机来驱动。刀盘抬起动作的实现须经以下步骤：数控系统发出刀盘抬起命令液压系统启动压力油进入液压缸右腔活塞向左运动刀架主轴向左移动端齿盘脱离啮合刀盘抬起。刀盘转位动作的实现顺经以下步骤：数控系统发出刀盘转位的命令伺服电机启动蜗轮蜗杆转动刀架主轴转动实现刀盘转位。刀盘锁紧动作的实现顺经以下的步骤： 数控系统发出刀盘锁紧命令液压系统启动压力油进入液压缸左腔活塞向右运动刀架主轴向右移动端齿盘啮合实现刀盘锁紧12。 图31 回转刀架示意图3.2数控车床刀架结构设计3.2.1车床刀架的功能机床上的刀架是安放刀具的重要部件，许多刀架还直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀架，转塔车床的转塔刀架，回轮式转塔车床的回轮刀架，自动车床的转塔刀架和天平刀架等。这些刀架既安放刀具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力作用，所以它往往成为工艺系统中的较薄弱环节。随着自动化技术的发展，机床的刀架也有了许多变化，特别是数控车床上采用电(液)换位的自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，实现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能，这种刀库安放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。这种刀库和换刀机械手组成的自动换刀装置，就成为加工中心的主要特征13。3.2.2机床刀架的类型按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式，下面对这三种形式的刀架作简单的介绍。 （1）排式刀架;排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。它的结构形式为；夹持着各种不同用途刀具的刀，沿着机床的X坐标轴方向排列在横向滑板上。刀具的典型布置方式如图32（b）所示。这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿X轴移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的生产效率14。（2）回转刀架; 回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，一般通过液压系统或电气来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架，并相应地安装4把6把或更多的刀具。回转刀架的换刀动作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤。它的动作是由数控系统发出指令完成的。回转刀架根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，分为立式刀架和卧式刀架两种15。 （3）带刀库的自动换刀装置; 上述排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀架，对刀具的数目也有一定限制。当由于某种原因需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成16。 (a)回转刀架 (b) 排式刀架 图32 机床刀架类型结构图3.2.3数控车床刀架总体方案设计（1）车床刀架的换刀动作方案设计;刀架是车床的重要组成部分，用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响到车床的切削性能和切削效率。根据前部分对机床刀架类型、性能及其使用场合的综合比较，并结合现有数控车床的实例，本次设计的数控车床拟采用回转刀架中的六工位六方刀架。该刀架的换刀动作分为刀盘抬起、刀盘分度转位和刀盘锁紧三个步骤，其中刀盘抬起和刀盘锁紧定位由液压来实现。 （2）车床刀架的转位机构方案设计; 随着现代技术的发展，可以采用直流（或交流）伺服电机驱动蜗杆、蜗轮（消除间隙）实现刀架转位, 转位的速度和角位移均可通过半闭环反馈进行精确控制加以实现，因而这种转位机构转位速度可以进行精确控制、精度高，结构简单、实现容易，所以在现代数控机床中被广泛采用；结合实际情况，本次设计的数控车床决定采用转位机构-伺服电机驱动的刀架转位17。3.3刀架液压控制系统液压泵的选择由于该刀架刀盘的松开和夹紧均由液压系统通才液压缸活塞的往反运动来实现，当车床在切削加工时，刀具所受的切削力由端面齿盘通过螺栓卸荷给刀架，为使刀架在强力切削下能稳妥可靠地工作，液压缸必须有足够的拉紧力拉住刀盘，使用于夹紧定位的端面齿盘在车床切削过程中始终处于啮合状态。因而液压泵及油泵电动机的配置对液压系统的工作性能有重要的影响。选择油泵的主要依据是压力和流量，一般来说，齿轮泵价格低，维修方便，但当系统压力达到较大值时，输油压力脉动大、噪声大。不宜作数控机床的油源；叶片泵的输油压力脉动小、噪声小。因而被广泛用于数控机床的主要油源。所以本液压系统的液压泵选用变量叶片泵。3.4液压缸的设计3.4.1选择液压缸类型由于该液压缸主要用于驱动刀架主轴的直线往反运动，故选用双作用单杆活塞缸。对于中小型的数控液压系统，通常推荐液压缸的拉紧力为。液压缸活塞的有效工作面积设定为；则该刀架液压缸的工作压力。3.4.2液压系统所需的油泵流量流量的计算方式如下：液压系统所需的油泵流量是由工作油缸的尺寸和运动速度的快慢要求来决定的。工作油缸需油量用下式计算： （3-1）式中 -活塞运动速度； -活塞有效工作面积; 取，；代入上式得:。 3.4.3以速度为主计算液压缸的内径D和活塞杆直径d计算液压缸的内径和活塞杆直径都必须考虑到设备的类型，例如在金属切削机床中，对于动力较大的机床(刨床,拉床和组合机床)一定要满足牵引力的要求，计算时要以力为主；对于轻载高速的机床(磨床，珩磨机和研磨机等)一定要满足速度的要求，计算时要以速度为主。由于本刀架的抬起动作是在数控车床脱离切削时完成的，因而在换刀过程中并没有承受切削力的作用，因而符合第二种情况，计算时以速度为主。根据执行机构的速度要求和选定的液压泵流量来确定液压缸内径和活塞杆直径，再从标准中选取相近尺寸加以圆整。对于单活塞杆缸来说，当液压油进入油腔时； （3-2）式中 -输入液压缸的流量； -液压缸活塞的运动速度；设液压缸活塞的往复速度比值为, 即：; 由于活塞往复运动的速度相等，所以。由相关资料可知，当时，一般取；则得: ，；从标准中选取的液压缸内径为，活塞杆直径取。3.5液压回路的设计首先选择调速回路；由本数控车床刀架的工作原理可知，这台车床液压系统的功率较小，推动刀架主轴往复运动的液压缸活塞运动速度低，工作负载变化小，因而可采用进口节流的调速形式。为了解决进口节流调速回路在活塞杆到达最大行程时冲击现象，回油路上要设置背压阀。为保证夹紧力可靠，且能单独调节，在支路上串接减压阀和单阀；为保证定位，夹紧的顺序动作，在进入夹紧缸的油路上接单向顺序阀来控制，只有当刀盘抬起达到目标值后，液压缸才会反向通油，执行刀盘夹紧动作。为保证工件已夹紧后车床切削才能动作，在夹紧缸进口处装一压力继电器，只有当夹紧压力达到压力继电器的调节压力时，才能发出信号，车床才能进行切削加工18。3.6拟定液压系统图综合以上分析和所拟定的方案，将各种回路合理地组合成为该车床刀架和卡盘的液压系统原理图，如下图所示:图33 液压系统控制回路3.7液压系统刀架的控制原理刀架换刀时，首先是刀盘松开，刀盘就近转位到达指定的刀位，最后到盘复位夹紧。刀盘的松开与夹紧，由1个二位四通电磁换向阀6控制，当数控系统发出刀盘松开指令后，二位四通电磁换向阀6电磁铁通电，电磁阀6的右位接通，压力油经电磁阀6的右位进入液压缸的右腔，推动液压缸活塞向左运动，实现刀盘抬起动作。而油液则从液压缸左腔经电磁阀6直接流回油箱。当数控系统发出刀盘锁紧动作后，二位四通电磁换向阀6电磁铁断电，压力油经电磁阀6左位进入液压缸左腔，推动活塞向右运动，实现刀盘锁紧动作。液压缸右腔的油液则经电磁阀6的左位直接流回油箱。支路中行程开关8用于控制在刀盘夹紧动作中液压缸活塞的行程，当活塞杆碰到行程开关时，即使液压缸的左腔仍然通入压力油，液压缸的活塞也不会移动，这样能够保证液压缸不与液压缸壁相撞。3.8阀类元件及辅助件根据液压系统的工作压力和通过各个阀类元件和辅助元件的实际流量, 可选出这些元件的型号及规格19。见下表：表 元件的型号及规格项目名称型号数量1油箱专用件12电动机Y100L-213变量叶片泵YBX14二位四通电磁换向阀YB-4/2535行程开关22C-100BH16溢流阀Y-10B17减压阀MBR-02-P-1-K-2038单向阀I100-B19过滤器XU-16-80-J110压力表G60LM-70-K-1024 液压站的设计液压站是由液压油箱、液压电机泵组装置及液压控制装置三大部分组成。液压油箱装有空气滤清器、加油孔（即滤油器）、液位计、清洗孔等元件。液压电机泵组装置包括液压泵、驱动电机及其它们之间的联轴器等。液压控制装置是指液压系统的各类控制阀元件及其联接体。比较同类产品的设计，本液压站采用了集中结构。4.1液压油箱的结构设计液压油箱的作用是储存液压油, 分离液压油中的杂质和空气, 同时还起到散热作用。本系统压力为，属于中压系统，这次采用的外形尺寸为：长，宽，高的外形尺寸。为了减少液压站的震动及发热等问题对机床的影响, 液压油箱的结构多采用钢板焊接的分离式液压油箱9。4.1.1隔板（1）作用：增长液压油的流动循环时间，去除沉淀杂质，分离、清除水和空气，调整温度，吸收液压油压力的波动及防止液