外圆磨床尾架液压油缸流量与压力参数的应用.pdf

精密制造与自动化 2023年第1期 58 外圆磨床尾架液压油缸流量与压力参数的应用 栾 卿（上海机床厂有限公司 上海 200093）摘 要 尾架油缸在外圆磨床中对工件施加顶紧力，使工件保持水平位置，跟随头架电机旋转。因此液压油缸的顶紧力也是影响工件磨削精度的因素之一。液压油缸顶紧工件使用高低压还是快慢速的分析，提出了实际生产中使用两种不同控制法方法，对工件的磨削提高效率及精度的方向。关键词 流量 压力 高低压 快慢速 1 1 引言引言 外圆磨床是加工工件圆柱形、圆锥形或其他形状素线展成的外表面和轴肩端面的磨床。外圆磨床主要用于成批轴类零件的端面、外圆及圆锥面的精密磨削，是汽车发动机、军工、航天等行业的主要设备。尾架油缸在外圆磨床中对工件施加顶紧力，使工件保持水平位置，跟随头架电机旋转。因此液压油缸的顶紧力也是影响工件磨削精度的因素之一。在实际磨削情况中，不同重量及外形尺寸的工件，所需要的尾架顶紧力大不相同。细长轴比起普通工件来说，尾架顶紧力对工件的影响更大。顶紧力本身会对工件造成一定程度的形变，会影响磨削精度。针对不同工件，要使用不同的顶进及顶紧方式，因此对尾架油缸的控制，一般可以通过流量与压力参数的选用，既能保证工件顶紧的作用，又能提高磨效率及精度。资深液压技术专家张海平博士指出“控制负载运动，是液压技术赖以生存的基本任务；要控制负载运动，就要克服各种影响运动的阻力。”。液压系统通过主动提供特定流量来使执行器或负载产生特定运动，通过被动产生压力来对抗负载力或负载力矩。总结起来就是“流量决定速度，负载决定压力”。2 2 流量决定速度流量决定速度 根据负载力作用方向与负载运动方向的关系，可将负载力分为两种情况：二者方向相反的负载力被称为正负载力，二者方向相同的负载力被称为负负载力。对于正负载力的情况，需要驱动负载，油液流进油缸，占据活塞原来所处的空间，迫使活塞运动，“流量决定运动”即“油液占据活塞原来所处空间的速率，决定了负载的运动”；对于负负载力的情况，无需驱动负载，负载在负载力作用下就可以运动，油液需流出油缸，为活塞运动腾出运动空间，“流量决定运动”即“油液为活塞腾出运动空间的速率，决定了负载的运动”。在实际的液压系统中，“流量决定运动”有更复杂的表现形式，但都可以归结为上述两种基本形式，即油液占据或腾出执行器运动空间的速率，决定了负载的运动。在生产工作中，操作工通过调节节流阀来控制油缸活塞杆的伸缩速度。节流阀是通过改变节流截面或节流长度以控制流体流量的阀门。将节流阀和单向阀并联则可组合成单向节流阀。节流阀没有流量负反馈功能，不能补偿由负载变化所造成的速度不稳定，一般仅用于负载变化不大或对速度稳定性要求不高的场合。在已知工件重量的前提下，使用式（1）计算总外负载：=(1)式中：F 为总外负载（N）；为顶紧力（N）；为机械效率。使用式（2）计算液压缸内径：D=4 (2)式中：D 为液压缸内径（mm）；P 为尾架缸工作压力（MPa）；计算尾架工作时所需的流量与功率：首先使用式（3）和式（4）计算快进快退时的外负载和磨削时的外负载：栾 卿 外圆磨床尾架液压油缸流量与压力参数的应用 59 0 2 4 6 8 10 流量Q(m3/s)2500 2000 1500 1000 500 速度 v/(m/s)1=(3)2=+(4)式中：1为快进快退时的外负载（N）；2为磨削时的外负载（N）；G 为顶尖重量（N）；为切向磨削力（N）；为机械效率，取 0.9。其次，计算顶进时的压力与流量：1=11 (5)1=11 (6)式中：A1为无杆腔面积（m2）；1为快进快退速度（m/s）；1为顶进时的压力（MPa）；1为顶进时的流量（L/min）。根据式（5）与式（6）代入计算：=11 (7)式中：P 为功率（kW）；随后计算磨削时的压力：2=21 (8)式中：1为无杆腔面积（m2）；2为磨削时的压力（MPa）。快慢速液压尾架系统相较于高低压液压尾架系统，其实现尾架接近工件时先快后慢这个功能时，用的是调整液压油的速度和流量的方法。相较于高低压液压尾架系统，其使用的压力会更低，对工件的夹紧力不会导致工件变形，对工件有更好的保护作用，同时提高工作效率，流量与速度关系如图 1 所示。图图 1 流量与速度流量与速度关系关系图图 3 3 负载决定压力负载决定压力 系统要有压力，就必须存在压力的作用对象，即负载。系统压力是根据负载被动产生的：负载越大，系统压力就越大；负载越小，系统压力就越小。如果负载过大，超出了必要的限度，油液从溢流阀（或称安全阀）流回油箱，从而使系统压力保持在安全范围之内，应该根据负载的运动情况计算系统应该提供的流量，而不能计算系统提供的驱动力。设计的出发点不是为系统提供驱动力，因为系统提供流量，压力是由负载被动产生的。减压阀主要用于限制出口压力，当出口压力低于弹簧设定的压力时，阀口完全打开；当出口压力超过设定压力时，就会推动阀芯，减小阀开口，增大液阻，减小流量，力图降低出口压力；如果阀口完全关闭后，出口压力因为某些原因仍然增大，减压阀将无法起到减压作用。参照同类型磨床，选用尾架缸工作压力 P，由顶紧力，计算缸径 D。总外负载由式(1)得 F，液压缸内径由式(2)得D，取高压顶进速度1，快退速度3。粗磨时顶紧外负载 =+(9)式中：为精磨时顶紧外负载。粗磨顶紧时，压力 1=11 (10)精磨顶紧时，压力 2=21 (11)高低压液压尾架系统相较于快慢速液压尾架系统，用的是调整液压油压力的方法。相较于快慢速液压尾架系统，因工件负载较大，形变量较小，尾架油缸使用高压顶进，并在最后磨削阶段使用低压进行顶紧，压力与负载图如图 2 所示。4 4 油缸进退控制高低压与快慢速原理的区别及应用油缸进退控制高低压与快慢速原理的区别及应用 高低压即是通过控制电磁阀切换两个调节不同压力的减压阀，控制油缸顶紧力的方法，油缸高低压控制回路原理图，如图 3 所示。精密制造与自动化 2023 年第 1 期 60 图图 2 压力与负载图压力与负载图 图图 3 油缸高低压控制回路原理图油缸高低压控制回路原理图 快慢速即是通过控制电磁阀切换两个调节不同流量的节流阀，控制油缸的顶出速度的方法，油缸快慢速控制回路原理图，如图 4 所示。图图 4 油缸快慢速控制回路原理图油缸快慢速控制回路原理图 在对相同重量，不同尺寸的两个工件，施加相同顶紧力以后，进行应力分析。图 5 为 0.3m0.5m工件应力分析，图 6 为 0.15m2m 工件应力分析。可见同样使用 10 kgf 力的情况下，0.15m2m 工件比 0.3m0.5m 工件变形量更大。图图 5 0.3 m 0.5 m 工件应力分析工件应力分析 图图 6 0.15 m 2 m 工件应力分析工件应力分析 5 5 结语结语 本文通过分析外圆磨床中尾架油缸的液压油流量与压力的参数选用，对尾架顶紧油缸液压油流量与压力的计算，及相同重量不同尺寸的工件应力分析。在工作磨削应用场景中，可以使用压力与流量的特性，对顶紧油缸进行高低压控制或者快慢速控制。直径较大，质量较大的工件，对尾架油缸负载越大，则顶进压力也需更大。可以使用高低压控制油缸的顶进（高压）及油缸的顶紧（低压）磨削；细长的工件，因其受压力容易形变，则可以通过保持压力恒定，节流阀调整尾架油缸的顶进速度，并在顶紧时保持压力不变以减少形变对工件磨削精度的影响。200 300 400 500 600 负载 F(N)0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 压力 P(MPa)栾 卿 外圆磨床尾架液压油缸流量与压力参数的应用 61 参考文献 1 李雪谊.液压传动技术在工程机械中的应用J.机械管理开发,2021,36(11):294-295.2 刘玉峰.工程机械液压传动原理、故障诊断与排除J.内燃机与配件,2021(22):165-166.3 凌天白,何永义.关于高端数控磨床发展的探讨J.科技创新与应用,2016(7);152.(上接第 50 页)参考文献 1 Bjarne Stroustrup.C+程序设计语言M.北京：机械工业出版社，2010.2 Bruce Johnson.Visual Studio 2015高级编程M.北京：清华大学出版社，2016.3 CAXA.CRX 二次开发指南M.北京:北京数码大方科技股份有限公司,2012.4 刘嘉琳,许伟忠.基于 CAXA 的电气接线图自动校验方法研究J.装备制造技术,2016(12):239-240.5 苗杰.基于 VB 和 VC6.0 的 CAXA 锥齿轮辅助制图程序的二次开发J.农机使用与维修,2015(02):23-24.6 逯盛华.CAXA 电子图板快速修改图层的二次开发J.科技与创新,2014(12):136-137.7 蔡洪涛.基于 CAXA 和 Visual C+的接管法兰绘制程的二次开发J.化工设计通讯,2013,39(03):86-88.8 代美泉.基于 CAXA 的机械课程自动组卷软件J.图学学报,2012,33(03):120-124.9 刘宏利,刘明玺.CAXA2007 电子图板二次开发经验与相关技巧J.机电一体化,2011,17(12):97-99.4 Victaulic Company.Patent Application Titled Modular Valve Assembly Published Online(USPTO 20200164239)J.Politics&Government Week,2020.5 孙丹丹.液压系统中液压集成阀块的设计方法J.湖北农机化,2020(13):122-123.6 王妮,韩彦科,陈建芳.一种滚齿机高低速尾架的设计与应用J.装备制造技术,2021(08):187-189.10 蔡洪涛,黄伏光,何毅斌.面向化工设备支座的 CAXA系统的二次开发J.湖北工业大学学报,2011,26(04):93-95.11 喻水,江永振,田漯云.CAXA 二次开发小程序的安装与应用J.金属加工(冷加工),2011(09):83-84.12 马新厂.基于 CAXA 环境轴类零件 CAPP 系统二次开发J.科技信息,2010(19):67-68.13 周丰.基于 CAXA 二次开发的线切割自动编程算法研究J.科技资讯,2009(28):150.14 党会博,张廷丰.CAXA 电子图板日志操作的二次开发J.新技术新工艺,2009(09):40-42.15 李举鹏,武福.CAXA 电子图板的二次开发应用程序设计J.甘肃科技,2007(04):71-72;116.16 邢艳秋.基于 CAXA 电子图板下 CAPP 的二次开发D.沈阳:沈阳航空工业学院,2007.17 王云鹏,雷毅,潘翔,等.CAXA 电子图板的二次开发技术 J.计 算 机 辅 助 设 计 与 图 形 学 学报,2002(02):189-192.欢 迎 订 阅 欢 迎 投 稿