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毕业设计液压系统的设计及零件的加工工艺

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2020年5月29日
文档仅供参考

重庆工业职业技术学院

毕业设计(论文)

课 题 名 称: 液压系统的设计及零
件的加工工艺
专 业 班 级: 08数控302班
学 生 姓 名: 廖 燕
指 导 教 师: 林　 洪

二O一O年 十一 月

重庆工业职业技术学院

毕业设计(论文)任务书

系 部: 机　械　学　院
专 业 班 级: 　　
学 生 姓 名: 　

二O一O年 十一 月

前 言
液压系统的设计是整机设计的重要组成部分,主要任务是综合运用前面各章的基础知识,学习液压系统的设计步骤、内容和方法。经过学习,能根据工作要求确定液压系统的主要参数、系统原理图,能进行必要的设计计算,合理地选择和确定液压元件,对所设计的液压系统性能进行校验算,为进一步进行液压系统结构设计打下基础。

目 录
前言……………………………………………………………..
明确设计要求进行工况分析…………………………………………
确定液压系统主要参数…………………………………………
拟定液压系统原理图…………………………………………
计算和选择液压件…………………………………………
验算液压系统性能…………………………………………
结构设计及绘制零部件工作图…………………………………………
绘制液压缸装配图1张…………………………………………
绘制标准件以外的零件图…………………………………………
对某一零件进行加工工艺分析…………………………………………
对该零件编写数控加工程序…………………………………………

毕业设计(论文)任务书
课题名称
液压系统的设计及零件的加工工艺
内容及要求
1、 课题简介
设计一专用钻床的液压系统,要求完成”快进——工进——快退——停止(卸荷)”的工作循环。有关参数如下:切削阻力 0N,运动部件自重10000N,快进行程100mm,工进行程50mm,快进、快退运动速度4m/min,工进速度50mm/min,加速、减速时间0.2t,静摩擦系数:fj=0.2,动摩擦系数:fd=0.1,液压缸机械效率:0.9
2、主要参考资料
　　　机械设计手册
　　　液压与气动技术

,基本工作量要求
毕业设计说明书是对设计进行解释与说明的书面材料,应包括理论分析和必要的计算部分,页数在40页左右(A4纸),并装订成册。说明书叙述要清楚,论证要充分,使用的公式要正确并有据可查,并按设计要求将全部内容按先后排序进行编写。
1、目录
2、前言:扼要说明设计题目的意义、设计体会和设计经过。
3、正文
(1) 明确设计要求进行工况分析;
(2) 确定液压系统主要参数;
(3) 拟定液压系统原理图;
(4) 计算和选择液压件;
(5) 验算液压系统性能;
(6) 结构设计及绘制零部件工作图;
绘制液压缸装配图1张
绘制标准件以外的零件图
(7) 对某一零件进行加工工艺分析;
(8)对该零件编写数控加工程序。
4、结束语:对设计存在的优缺点及改进意见进行叙述。
5、参考文献:在设计中,特别是在编写设计计算说明书及论文中,所用的参考书要写清编者姓名、书名、出版单位及日期,并标注序号。

进度计划
起止时间
工作内容
11月
11～ 2月
3月
　月
课题布置
完成初稿
完成设计
答辩
参考文献

指导教师: 教研室主任: 系主任:

正文
1 设计要求及工况分析
1.1 设计要求
对液压系统的设计从以下几个方面考虑:
1.1.1专用钻床的概况
液压系统对应在专用钻床的概况如下:
专用钻床的用途:自动为一批相同的工件钻直径为20的孔。工件材料为铸铁,材料硬度为HB220。只要将工件碓放进装料箱里,打开开关就能完成工件的自动加工。其中送料缸、钻削缸、夹紧缸能完成任务单所要求的”快进——工进——快退——停止(卸荷)过程”,这批工件结构如图一所示:

图一 工件结构图
总体布局: Z方向一个钻削装置,X方向左右各一个送料装置,Y方向一个加紧装置。钻用钻床的主要结构、液压装置的位置和空间尺寸如图二:

图二 专用自动钻床结构图

2)专用钻床的工艺流程
此钻床的工艺流程如图所示,打开开关→左右两边送料装置同时将工件送出→送料装置原路,加紧装置加紧工件→钻削装置到位,开始钻削→加工完,钻削装置后退,加紧装置松开后退→停止。
3)作业环境与条件
专用钻床要求工作地面平稳,其液压系统对油温的变化比较敏感,它的工作稳定性容易受到温度变化的影响,因此不宜在温度变化很大的环境中工作。
1.1.2专用钻床对液压系统提出的任务和要求
1)专用钻床要求液压系统完成的动作和功能:开关→送料缸快进→送料缸初始退→送料缸全退同时加紧缸进→钻削缸快进→钻削缸工进→钻削缸快退→夹紧缸快退→停止。
2)切削阻力 0N,运动部件自重10000N,快进行程100mm,工进行程50mm,快进、快退运动速度4m/min,工进速度50mm/min,加速、减速时间0.2t,静摩擦系数:fj=0.2,动摩擦系数:fd=0.1,液压缸机械效率:0.9
1.2工况分析
工况分析就是要分析执行元件在整个工作过程中速度和负载的变化规律,求出工作循环中各动作阶段的速度和负载的大小,画出速度图和负载图。
1.2.1速度分析速度图
速度分析就是对执行元件在整个工作循环中各阶段所要求的速度进行分析,速度图即是用图形将这种分析结果表示出来的图形。该液压系统钻削缸的动作循环图及其相应的速度图如下:(横坐标以上为液压缸前进时的曲线,以下为液压缸活塞缸退回时的曲线)

钻削缸动作循环图及其速度图

1.2.2负载分析与负载图
负载分析就是对执行元件在整个工作循环中各阶段所要求克服的负载大小及其性质进行分析,负载图即是用图形将这种分析结果表示出来的图形。负载图一般用负载—时间(F—t)或负载—位移(F—l)曲线表示。
1)送料缸的负载分析
送料缸在做直线往复运动时,要克服以下负载:工作负载、摩擦负载阻力、惯性阻力、重力、密封阻力和背压力。前四种属于外负载,后两种属于内负载。在不同的动作阶段,负载的类型和大小是不同的。下面分别予以讨论。
(1)    启动阶段
启动阶段的送料缸活塞或缸体及其与它们相连的运动部件处于要动而未动状态,其负载F由以下2项组成

已知m=V*ρ=60mmx40mmx20mmx7000kg/m3=0.336kg G=m*g=3.3N
Fn=F自+G=10000N+3.3N=10003.3N fs=0.2
Ffs= Fn*fs=10003.3*0.2= .66N FG=0
F= (Ffs+FG)*η=( .66+0)x0.9=1800.6N
式中V——工件在体积
ρ——铸铁在密度
F自——运动部件的自重
G——单个工件的重力
Ffs——静摩擦力;
Fn——作用在导轨上的正压力;
fs——摩擦面的静摩擦系数,其数值与润滑条件、导轨的种类和材料有关(见表1);
FG——垂直或倾斜放置的运动工作部件重量在油缸运动方向的分量,工作部件向上运动时为正负载,向下运动时为负负载。若工作部件是水平放置时,则FG=0。
η——液压缸机械效率

(2) 加速阶段
加速阶段的送料缸活塞或缸体及其与它们相连的运动部件从速度为零到恒速(一般为非工作阶段的快速运动)阶段,这时的负载F由下式计算

已知 fd=0.1 Fid= Fn* fd =10003.3Nx0.1=1000.33N
Fm==

式中 Fid——动摩擦力;
fd——动摩擦系数(见表1);
Fm——惯性阻力,这是液压缸活塞或缸体及其与它们相连的运动部件在加速(或制动减速)过程中得到惯性阻力, 其值可按牛顿第二定律求出,加速时阻力为正,制动减速时为负;
△v——速度的改变量,即恒速值;
△t——启动或制动时间,机床一般取△t =0.01~0.5s,轻载低速运动部件取小值,重载高速运动部件取大值。行走机械可取△v / △t =0.5~1.5m/s2;
G——运动部件的重量;
g——重力加速度。
表1 导轨摩擦系数
导轨种类
导轨材料
工作状态
摩擦系数

滑动导轨

铸铁对铸铁

启动
0.16~0.2
低速运动(v<10m/min)
0.1~0.12
高速运动(v>10m/min)
0.05~0.08
自润滑尼龙
低速中载(也可润滑)
0.12
金属兼复合材料

0.042~0.15
滚动导轨
铸铁导轨+滚珠(柱)

0．005~0.02
淬火钢导轨+滚珠(柱)

0.003~0.006
静压导轨
铸铁

0.005
气浮导轨
铸铁、钢或大理石

0.001
(3)恒速阶段
该阶段负载由下式决定
式中 FL——工作负载,如切削力等。其方向与液压缸运动方向相反时取正值,相同时取负值。在非工作行程(如快进)时取FL =0.
(4)          制动阶段
该阶段负载由下式决定

因制动时是减速,因此惯性力Fm为负值。
上述四个动作阶段,在液压缸的反向运动中,也都存在,只是在快退过程中不存在工作行程,因此整个快退恒速阶段取FL =0。
以上计算均是计算液压缸的外负载,要计算液压缸的总负载力,还应计算液压缸的内负载力,即密封阻力和运动的背压阻力。前者是指密封装置零件在相对运动中产生的密封摩擦力, 其值与密封装置的结构类型、液压缸的制造质量和工作压力有关,具体计算比较繁琐,一般在初步计算中都将其考虑在液压缸的机械效率(ηm)中。后者是指液压缸回油腔的背压阻力,它是由回油管路上的液压阻力决定的。在系统方案与结构尚未确定前,它是无法计算的。在液压缸尺寸已知的情况下,可根据表2所示的经验数据进行估算。一般可先忽略不计,待系统回路和液压执行元件结构尺寸确定时再将其计算进去。
根据上述各阶段得到负载及其所经历的移动行程(或时间),便可归纳绘出液压缸的负载图(F-l图或F-t图),如图2所示为一机床进给系统的负载图例。图中的最大负载值将是初选液压缸工作压力和确定液压缸结构参数时的依据。
表2 液压系统中背压力的经验数据
系统类型
背压/MPa

中、低压系统
(0~8MPa)

简单系统和一般轻载的节流调速系统
0.2 ~ 0.5
回油路带调速阀的节流调速系统
0.5 ~ 0.8
回油路带背压阀
0.5 ~1.5
采用带补油泵的闭式回路
0.8~1.5
中、高压系统(8~16MPa)
同上
比中、低压系统高(50~100)%

高压系统(16~32MPa)
如锻压机械系统
初算时背压可忽略不计

1.2.3液压马达的负载分析
当系统以液压马达作为执行元件时,应计算各阶段折算到液压马达轴上的总负载转矩T。这负载转矩应包含三项之和:TL——工作负载折算到马达轴上的等效转矩,Tf——执行机构上的摩擦力(力矩)折算到马达轴上的等效转矩,Tm——执行机构、传动机构、液压马达轴等在启动和制动时折算到马达轴上的等效惯性力矩。即

将式(1)~(4)中的力的计算换成相应的力矩的计算式,即可得到液压马达在各个动作阶段的负载力矩计算式,并可画出相应的负载转矩图。
2液压系统主要性能参数的确定
这里,液压系统的主要性能参数是指液压执行元件的工作压力p和最大流量Ｑ,它们均与执行元件的结构参数(即液压缸的有效工作面积或液压马达的排量)有关。液压执行元件的工作压力和最大流量是计算与选择液压元件、原动机(电机),进行液压系统设计的主要依据。
2.1液压执行元件工作压力的确定
液压执行元件的工作压力是指液压执行元件的输入压力。在确定液压执行元件的结构尺寸时,一般要先选择好液压执行元件的工作压力。工作压力选得低,执行元件的尺寸则大,整个液压系统所需的流量和结构尺寸也会变大,但液压元件的制造精度、密封要求与维护要求将会降低。压力选得愈高,结果则相反。因此执行元件的工作压力的选取将直接关系到液压系统的结构大小、成本高低和使用可靠性等多方面的因素。一般可根据最大负载参考表3选取,也可根据设备的类型参考表4选取。
随着当前材质生产水平和液压技术水平的提高,液压系统的工作压力有向高压化发展的趋势,这也是符合经济发展规律的。

表3 不同负载条件下的工作压力
负载 F/ N
<5000
5000~
10000
10000~
0
0~
30000
30000~
50000
>50000
液压缸工作压力 / MPa
<0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
≥5~7

表4 常见液压设备工作压力
设备类型
机床
农业机械
小型工程
机械
液压机
挖掘机
重型机械
启重机械

磨床
车、铣、刨床
组合机床
拉床
龙门刨床
工作压力 / MPa
0．8~2
2~4
3~5
<10
10~15
20~32

2.2液压执行元件主要结构参数的确定

要确定液压执行元件的最大流量,必须先确定执行元件的结构参数。这里主要指液压缸的有效工作面积A1、A2及活塞直径D、活塞杆直径d。液压执行元件的结构参数首先应满足所要克服的最大负载和速度的要求。例如图3所示一单杆活塞缸,其无杆腔和有杆腔的有效作用面积分别为A1和A2,当最大负载为F max时的进、回油腔压力分别为p1和 p2,这时活塞上的力平衡方程应为

(6)

这样就有

式中,A2/A1一般由快速进、退速度比与回路结构有关。例如当快进时是液压缸的无杆腔进油、有杆腔回油,而快退时是有杆腔进油、无杆腔回油,快进、快退时的流量Q均相同(一般为泵的最大供油流量),这时快速进、退的速度比v1 / v2为
即这时的液压缸两腔的面积比由快速进、退的速度比λv确定 。当快进时采用差动连接液压回路,快退时采用有杆腔进油、无杆腔回油,而且要求快速进、退速度相等时,则应A2 /A1=1/2。
表5 按活塞杆受力情况选取活塞杆直径
活塞杆受力情况
工作压力p/MPa
活塞杆直径d
受 拉
-
d=(0.3~0.5)D
受压及拉
P≤5
d=(0.5~0.55)D
受压及拉
5<p≤7
d=(0.6~0.7)D
受压及拉
p>7
d=0.7D

在D、d圆整后,应由式A1=πD2/4和A2=π(D2-d2)/4重新求出A1和A2。则此时液压缸两腔的有效工作面积A1、A2已初步确定。
液压缸两腔的有效工作面积除了要满足最大负载和速度要求外,还需满足系统中流量控制阀最小稳定流量Qvmin的要求,以满足系统的最低速度vmin要求。因此还需对液压缸的有效工作面积A1(或A2)进行验算。即

式中Qvmin可由阀的产品样本中查得。若经验算D、d不满足式(9-11),则需重新修改计算D、d、A1、A2 ,直至满足式(11)为止,才算最后确定液压缸的有效工作面积。
2.3液压马达的排量计算与选择
当执行元件是液压马达时,它要克服的负载是转矩,它的主要结构参数是排量。液压马达的排量qM也是根据最大负载转矩Tmax来确定的,即

式中 p——液压马达的工作压力,即进油压力;
p0——液压马达的回油腔压力,即背压,可参表9-2选取,有的马达对背压有特殊要求,可按要求定;
ηMm——液压马达的机械效率。
2.4工况图的确定