数控车床液压系统的设计终稿.doc

天津广播电视大学机械设计制造和自动化专业本科课程设计数控车床液压系统设计学 校 滨海学院 学 号 姓 名 XXX 指导老师 XXX 日 期 年 10 月 13 日摘 要 液压传动在发展现代工程机械过程中饰演着越来越关键角色，数控车床中很多地方也用到液压传动系统，比如装卡装置和尾座顶紧装置等。 数控车床液压尾座在液压系统实施机构驱动下进行工作，其工作时关键实现尾座顶紧和加紧过程。设计尾座液压回路关键有液压缸、调速阀、电磁阀、单向阀、溢流阀等组成，并充足考虑液压系统优缺点，设计绘制出液压系统原理图,选择适宜液压缸，计算出液压泵参数，然后依据这些选择适宜油箱、阀、油管和过滤器，最终再经过正确验算来完设计出一个完整液压系统。关键词： 数控车床 尾座 液压系统 液压缸目 录前 言3一、中国外数控机床和液压系统研究现实状况及发展4（一）数控车床现实状况和发展趋势4 （二）研究方法和内容4二、液压系统介绍5（一）液压系统组成5（二）液压系统优缺点5三、液压尾座液压传动总体设计5（一）尾座介绍5（二）回路设计6四、尾座液压系统设计7（一）液压系统压力7（二）绘制液压系统原理图8（三）顶针油缸相关计算8（四）液压泵设计9（五）阀类元件选择10（六）油管类型选择10（七）油箱选择10（八）过滤器选择11五、液压系统性能验算11（一）管路系统压力损失验算11（二）系统发烧温升验算12（三）系统效率验算13结 论14参考文件15致 谢16前 言 液压传动在发展现代工程机械过程中显得尤为关键。国外因为应用了全新技术结果，使产品品种、质量和水平全部有较大提升。液压传动朝着小型化、集成化、精密化、高效化等方向不停前进，不过前进道路肯定有很多需要处理问题，比如液压油浪费、油污染、液压系统不能和整机完整结合等问题全部需要我们一一克服。市场竞争越发猛烈，产品更新又极为快速，精度要求也越来越高。数控车床液压系统设计 一、中国外数控机床和液压系统研究现实状况及发展数控机床是经典机电一体化产品。数控机床技术水平高低在一定程度上是衡量一个国家经济发展和工业制造水平一个关键标志1。数控车床是数控机床代表品种，近些年一直受到各国重视并得到了较快发展。 （一）数控车床现实状况和发展趋势 1.国外数控机床技术现实状况 1.1高精度、高速度和多轴加工成为数控机床技术突破主流，纳米技术控制已经成为新时尚。 1.2不停扩展智能处理和监测设备,车间能够实时监控和管理机床本身工作信息,分析相关数据,估计车床状态,提前保养,避免风险,降低机床损坏率,提升机床利用率。 1.3发展快速绘图技术为数控机床精加工提供了很好辅助。中国数控车床现实状况近些年来，中国数控车床生产数量和产量一直保持高速增加。但和其它发达国家相比，中国车床数控化率不到30，国产数控车床到品种大约为700多个，不到数控车床品种50，其中经济型数控车床占大多数。国产最高主轴转速通常在rmin左右，部分高性能机床转速达8000rmin。中国数控技术还有很大发展空间。2.液压系统现实状况和发展趋势2.1液压控制技术回顾和展望 气压和液压压传动相对于机械传动来说是一门新兴技术。在各个行业中，液压技术得到了普遍而又广泛应用。伴随核能、空间技术、电子技术等多方面发展，液压技术被应用到更宽广领域，逐步发展成为包含控制、传动和检测在内一门完整自动化控制技术。中国数控车床液压系统应用发展速度也很快，关键发展方向是小型集成化、多样化等，而且深入实现高压、高速、高精度、高可靠性机电一体化2；国外数控车床发展相对较早，相对来说中国和国外有一定差距。 2.2液压行业发展趋势 液压技术在将部分机械能转换成工作压力能方面，已取得很大进步，不过一直存在着容积损失和机械损耗，一直未能很好处理。为降低压力能过多损失，需要处理以下多个问题： 尽可能降低液压元件和液压系统内部压力损耗，以降低系统功率损失； 尽可能降低或消除液压系统节流损耗； 采取新技术，新材料，降低磨擦损失； 改良液压系统性能； （二）研究方法和内容 1.研究方法 液压系统是液压型机械一个关键组成部分，液压系统设计要同机床主机总体设计同时进行。设计必需和工作环境、工作方法相结合，确定液压系统作用及需要改善方向，进而设计出一个适合整机液压系统，这才是最关键。 设计步骤 通常来说，在明确设计要求以后，大致按以下步骤进行：学习并掌握液压系统原理基础知识；依据数控机床工况要求及负载分析、对比选出适宜液压回路；确定液压系统原理图；液压系统计算和元件选择；液压系统元件尺寸和结构确实定；总结分析，精度和误差统计。 2.研究内容依据设计要求，本文研究内容大致分为以下三点：1.液压系统设计。2.各液压元件选择。3.对液压系统检验。 二、液压系统介绍 （一）液压系统组成一个完整液压系统通常由五个部分组成，即动力元件、实施元件、控制元件、辅助元件和液压油。动力元件：液压泵是液压系统动力元件，是能量转换元件，由原动机驱动，把输入机械能转化为油液压力能再输出到系统中去，为实施元件提供动力。实施元件：关键是将液体压力能转换为机械能并将其输出。缸关键是输出力和直线运动，但有是输出往复摆动运动和扭矩；马达则是输出连续旋转运动和扭矩。控制元件：功效是对流动方向、压力和流量进行控制，以满足实施元件所需要各个要求，从而使系统根据特定工作要求进行工作。辅助元件：包含蓄能器、过滤器、油箱、压力表、管件及密封装置等。 （二）液压系统优缺点优点：能够承受较大工作压力，便于无级变速，工作相对平稳，便于实现频繁切换，易于实现过载保护，液压元件易于实现标准化、系列化和通用化，便于设计和制造。缺点：不宜在较高或较低温度下工作，不可远距离输送动力，元件制造精度要求高，不易实现定比传动，发生故障不易检验和排除，传动效率相对较低。 三、液压尾座液压传动总体设计 （一）尾座介绍1.机床采取是标准液压型尾座。尾座安装在机床导轨上，可纵向调整。能够用顶尖支撑较长工件，必需时也能够安装铰刀和钻头等对应孔加工刀具进行孔加工。2.尾座导轨WH为：9540mm，尾座套筒直径80mm。套筒锥孔MT-4。所以，尾座必需含有一定刚性。3.尾座刚度在很大程度上反应了此次设计合理性；良好动态性能够使整机固有频率不至于和激振频率重合而发生共振；良好工艺便于装配和制造。此尾座是实现套筒和活塞固定座经过螺钉连接，而且能够移动。油压后座、活塞轴和尾座体固定在一起。活塞轴、套筒和活塞固定座形成液压缸，分两个腔。 （二）回路设计大致看来液压尾座有顶针部分和加紧部分。前者是起轴顶紧作用，当顶针工作时需要加紧机构进行加紧工步，确保零件装卡精度，才能确保加工精度。1.液压尾座顶针液压回路液压系统原理图以下：图1液压系统原理图 2.顶针加紧液压回路 设计尾座液压回路原理图以下：图2 尾座液压回路原理图 四、尾座液压系统设计前面已经完成尾座控制回路，本章节将从数据计算角度来对液压缸和液压泵进行设计。 （一）液压系统压力液压缸压力关键依据负载确定，另外还需要考虑其它原因，比如各类设备不一样点和应用方法，经济、精度、密封性能要求和功效要求全部需要考虑在内，依据负载和工作压力关系表4-1和机械类型和工作压力关系表4-2来确定液压系统工作力。依据以上两表，选定工作压力为：16Mpa （二）绘制液压系统原理图 液压系统原理图图3：1邮箱，2变量液压泵，3电动机，4、10过滤器，5冷却器，6油液注入口，7液位计，8单向阀，9加热器，11溢流阀，12固定尾座双联液压缸系统，13、15三位四通电磁换向阀，14驱动丝杠液压马达，16固定套筒液压缸，17两位四通电磁换向阀图3 液压系统原理图 （三）顶针油缸相关计算 已知车床切削用量f=0.1-0.3mm/r；切削速度v=50-80m/min；工件直径400mm，加工长度350mm。 假设液压尾座最大轴向力为5754.3N，所以液压油缸要想克服这一轴向力，即液压油缸所受外力Fz=3.5754N，依据相关表格加紧时压力区2MPa，背压0.5MPa。则液压缸内径是：p为输出压力，2p为系统背压，代入数据可得：所以选择油缸直径D=80mm； 活塞杆直径d=D（0.50.7）=50mm （四）液压泵设计 确定液压泵最大工作压力PB=P1+P其中：P1为液压缸工作时所需要最大压力P为总压力损失包含流量阀和其它元件局部压力损失、管路损失等，依据同类型系统经验P为(25)105Pa，复杂系统P为(515)105Pa，具体也能够参考下表：表4-3常见中、低压各类阀压力损失(pn) 依据以上数据可知：卡紧套筒支路压力损失p为0.5+0.3=0.8MP（调速阀和换向阀） 液压马达支路压力损失p为0.3MP（换向阀） 根本路上压力损失p为0.5MP（单向阀） 卡紧尾座支路压力损失p为0.3MP（换向阀） PB=P1+p=16+0.3+0.8+0.3+0.5=17.9MP泵流量确实定qB qB由液压缸最大流量qmax和系统泄漏确定液压缸同时工作时存在容积效率降低，泄露增多问题，即：(q)max为同时动作液压缸(或马达)最大总流量(m3/s)，K为系统泄漏系数，通常取1.11.3，大流量取小值，小流量取大值,所以由已知数据得出： 液压泵规格选择 由以上计算液压泵最大工作压力和流量，查液压元件产品样本，选择和PB和qB相当液压泵规格型号。 pB计算是静态压力，所以为了性能要求和安全起见，额定压力pB应比系统最高压力大25%60%，故额定压力为22.37528.64MP，即选择GPC4型外啮合齿轮泵（公称排量2080ml/r额定压力25MP转速3000r/min）。 驱动液压泵工作输入功率 B为液压泵总效率，可依据表4-4进行适宜选择。表4-4液压泵总效率 （五）阀类元件选择 阀类元件选择必需依据最大流量，额定压力，动作方法，固定方法，压力损失，性能参数和工作寿命进行综合考虑。 阀类元件选择注意事项 （1）尽可能选择标准件 （2）阀类元件规格要依据油液最大压力和最大流量选择。选择溢流阀，应按液压泵最大流量选择；选择节流阀和调速阀时，应考虑其最小稳定流量满足机器低速性能要求。 （3）参考液压系统原理图17号换向阀应采取ZS系列多路阀流量100L/min额定压力20MPa13号换向阀应采取ZS系列多路阀流量160L/min额定压力20MPa15号换向阀应采取ZS系列多路阀流量40L/min额定压力20MPa15、17号换向阀流量小于100L/min连接方法采取叠加阀。13号换向阀流量在100200L/min之间应采取常规板式阀。 （六）油管类型选择液压系统中使用油管分硬管和软管，适宜油管应有足够通流截面和承压能力，管路越短越好。因为此处油管不用在相对运动工件之间，且工作压力25MP，故选择金属硬管即钢管，愈加安全可靠。钢管分为无缝钢管和焊接钢管，中高压系统选择无缝钢管，低压系统选择焊接钢管，钢管价格低，性能好，使用广泛。管接头选择需要满足连接牢靠、密封可靠，装配方便、工艺性好、外形尺大小、通油能力强等性能要求。总而言之，查阅相关资料，液压系统压力为25MPa，选择是无缝钢管，所以管接头选择卡套式管接头。 （七）油箱选择油箱作用是储油，散发油热量，沉淀油中污物，逸出渗透油中空气，有时它还兼作液压元件和阀块安装平台。其形式有开式和闭式两种：开式油箱油液液面和大气相通；闭式油箱油液液面和大气隔绝。开式油箱应用较多。油箱容量计算油箱有效容量V可按下述经验公式确定，即：V=mqp=4x240=960L式中：m为系数，低压系统取24，中、高压系统取57,中、高压或高压大功率系统时612；qp为液压泵流量。查表得爱用AB40-1型带支撑脚矩形邮箱规格为1000，工作容积为1100L。 （八）过滤器选择在液压系统中，大多数故障时因为介质被污染而造成，液压油中存在多种污染物，油液污染能加速液压元件磨损，卡死阀芯，堵塞工作间隙和小孔，腐蚀元件，元件表面划伤，寿命降低。在合适部位安装过滤器能够截留油液中不可溶污染物，使油液保持清洁，确保液压系统正常工作。过滤器选择应该满足有足够过滤能力，能承受一定工作压力，有足够过滤精度，易于清洗和更换，足够长工作寿命等条件。过滤器按过滤精度可分为四级：粗过滤器d0.1mm普经过滤器0.01mmd0.1mm精过滤器0.005mmd0.01mm特精过滤器0.001mmd0.005mm过滤精度只要取决于系统压力。由相关表格确定系统压力大于21MPa，由表中得出选择精过滤器。 五、液压系统性能验算 （一）管路系统压力损失验算当实施元件工作压力确定以后，调整压力可由管路中压力损失来进行计算。不过为了尽早地评定系统关键性能，避免后面设计工作出现大反复，在系统方案初步确定以后，通常见液流经过阀类元件局部压力损失来对管路压力损失进行概略地估算，因为这部分损失是系统关键损失。本系统阀类元件有单向阀、调速阀、电磁阀。压力损失包含：液压油流经管道沿程压力损失p、局部压力损失和pD,管路总压力损失为p，即：计算沿程压力损失时，假如管中为层流流动，可按下经验公式计算：式中：q为经过管道流量(0.004m3/s)；L为管道长度(2m)；d为管道内径(50mm)；为油液运动粘度(1xm2)。局部压力损失可按下式估算：系统调整压力：p0p1+p式中：p0为液压泵工作压力或支路调整压力（25MP）；p1为实施件工作压力（16MP）。 （二）系统发烧温升验算系统发烧起源于系统内部能量损失，压力损失、容积损失和机械损失所消耗能量多数转化为热能。系统发烧使油温升高，油液温升使粘度下降、油液变质泄漏增加，影响正常工作。所以必需控制温升在许可范围内，如通常机床液压系统正常工作油温为2530；数控机床低于25；粗加工机械、工程机械和机车车辆工作油温为3540。单位时间发烧量（kW）为： =P1-P2式中：P1为系统输入功率，P2为系统输出功率。若在一个工作循环中有多个工作阶段，则依据各阶段发烧量求出系统平均发烧量，即：式中：T为工作循环周期；i为工作阶段序号；ti为各工作阶段连续时间假设液压系统全部热量全部是由油箱散发。油箱在单位时间内散热量可按下式计算：式中：h为油箱表面传热系数，当自然风冷却很差时h=（89）10-3kW/(m2），当自然冷却通风良好时h=1510-3kW/(m2）；用风扇冷却时h=2310-3kW/(m2），用循环水冷却时h=（110170）10-3kW/(m2）；A为油箱散热面积；T为液压系统温升。当液压系统散热量等于发烧量时，系统达成了热平衡，这时系统温升为： 油箱散热面积为A=1.8（a+b)h+1.5ab=6.25 经计算T=23，在许可范围之内。可见油箱满足散热要求。不需要加设其它冷却装置。 （三）系统效率验算液压系统效率是由液压泵、实施元件和液压回路效率来确定。但因为系统比较简单，在液压缸工进阶段，大流量泵卸荷，功率使用合理；同时油箱容量已选择较大值，系统发烧温升也不是很大，故此系统效率验算能够省略。结 论在此次设计中，了解了液压系统基础知识，并依靠对其了解，完成了对此液压尾座设计。经过这次设计，加深了对液压课程和液压油系统了解。作为一个接触液压专业很快学生，个人能力和经验全部有限，固在部分地方采取了部分经验数据，并不正确，还有待改善。参考文件1:丁树模主编.液压传动.北京.机械工业出版社.1992.2:杨培元主编.液压系统设计简明手册.北京.机械工业出版社.1991.致 谢 本课题在选题及研究过程中得到了指导老师悉心指导。从论文选题、资料搜集到论文撰写编排整个过程，指导老师帮助我开拓研究思绪，并为我指点迷津，帮助我在确定论文思绪、完成开题汇报等方面有了很大进步。本论文完成倾注了老师大量心血。在此，谨向指导老师表示我高尚敬意和衷心感谢。 同时，还要感谢全部教过我和帮助过我老师、同学和好友们，感谢你们对我帮助和支持。 最终，向全部关心和帮助过我大家致以衷心感谢，谢谢!