铣床液压系统设计.doc

河南工业职业技术学院机电工程系毕业论文 河南工业职业技术学校 毕业设计(论文) 课题名称 数控铣床液压系统设计专业名称机电设备维修与管理所在班级机修0901学生姓名李刚学生学号0203090104指导老师曹龙斌完 成 日 期：2011年10月21日摘 要液压系统是以电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油。通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出不同行程，不同方向的动作。完成各种设备不同的动作需要。液压系统已经在各个工业部门及农林牧渔等许多部门得到愈来愈广泛的应用，而且越先进的设备，其应用液压系统的部分就越多。所以向我们这样的大学生学习和亲手设计一个简单的液压系统是非常有意义的。关键词；液压传动、稳定性、液压系统毕业设计任务书一、 设计课题数控铣床液压系统设计二、 指导思想1、 设计时必须从实际出发，综合考虑使用性、经济性、先进性及操作维修方便。如果可以用几个简单的回路实现系统的要求，就不必过分强调先进性。并非是越先进越好。同样，在安全性、方便性要求较高的地方，因不惜多用一些元件或采用性能较好的元件，不能单独考虑简单、经济；2、 独立完成设计。设计师可以收集、参考同类机械的资料，但必须深入理解，消化后在借鉴。不能简单滴抄袭；3、 在课程设计的过程中要随时复习液压元件的工作原理，基本回路及典型系统的组成，积极思考。不能直接向老师索取答案。 三、 设计任务及要求设计要求：设计选择组成该液压系统的基本液压回路并说明液压系统的工作原理，设计计算选择液压元件，进行液压系统稳定性校核，绘液压系统图，设计液压缸，编写液压系统设计说明书。四、 主要设计指标根据负载的压力和系统中的液压油流量来设计系统的各个组成元件。五、 设计任务进度1 设计说明书一份2 绘制液压系统图（A1）3 专用铣床示意图 （A1）4 液压缸装配图（A1）5 液压缸各零件图（缸体、活塞、活塞杆、缸盖）学生_李刚_ 指导教师 _曹龙斌_ 系主任 _韩权力_目 录 摘要 第一章 数控铣床液压系统设计 11.1液压系统的基本认识 11.1.1 液压系统的现状及发展趋势 11.1.2 液压系统的定义 2 1.2 技术要求 21.3 系统功能设计 31.3.1 工况分析 3 1.3.2 确定主要参数，绘制工况图 41.3.3 拟定液压系统原理图 61.3.4 组成液压系统 71.4系统液压元件、辅件设计 8第二章 控铣床液压系统中液压缸的设计 152.1 液压缸主要尺寸的确定 152.2 液压缸的结构设计 17总结 22致谢 23参考文献 24 24第一章 数控铣床液压系统设计1.1液压系统的基本认识 1.1.1液压系统的现状及发展趋势毋庸置疑，能量转换、动力传动以及运动控制依然是21世纪全球经济的重要组成部分，流体传动及控制技术也依然是其中极为重要和积极的角色。制造业在国民经济中的地位和作用举足轻重，21世纪的中国正成为世界制造业的中心。中国加入WTO以后，液压工业在中国的发展将面临空前的机遇和挑战。正如改变世界的机器一书所言，“一个国家要生活过得很好，必须生产的很好” ，在21世纪全球化和信息化的浪潮中把握发展机遇，让中国的液压工业能在世界列强中占有一席之地，是摆在我们面前的大课题。我们应该认识到，在21世纪，液压技术已很难在基础理论上有重大进展，即使是新的应用理论研究也很难有惊人的突破。其发展主要是在现有元件和技术基础上，精益求精，同时利用其他领域的先进技术，与液压技术组合、集成、使液压传动向自动化、高速化、小型化、高精度、高效率方向发展。提高控制精度、便于控制，降低能耗，简化设计，快速适应用户需求是其目的。电子化、数字化、集成化、复合化、多样化、模块比的元件和系统将是今后发展的方向，元器件和系统的世界限也将变的模糊(其实，现在许多国外的变量泵，本身就可以看做一个小系统)。具体来说主要有以下几个方面；1、材料、加工工艺的多样化2机电一体化、电子化、数字化3功能集成化、复合化、元器件模块化、标准化、介质多样化4其他(如；降低噪声、减少发热、减少甚至无泄漏、适应高低温环境、防止油液污染等，一直式液压技术领域研究的问题，也是液压技术的“软肋”，这些问题一直困扰着、制约着、影响着液压技术的发展，但同时也是液压技术发展的切入点)液压行业将向高性能、高质量、高可靠性、系统成套方向发展；向低能耗、低噪声、振动、无泄漏以及污染控制、应用水基介质等适应环保要求方向发展；开发高集成化高功率密度、智能化、机电一体化以及轻小型微型液压元件；积极采用新工艺、新材料和电子、传感等高新技术也是一重要方向。发展；液压传动是发展现代工程机械的关键技术。国外液压产品由于应用了高新技术成果(如自动化技术、可靠性技术、计算机技术以及新才六核心工艺等)，使产品质量、品种和水平都有明显提高。权威人士认为，未来液压传动与控制技术的发展趋势是，液压传动与微电子技术结合，实现机电一体化，比例阀和插装阀的使用量显著增加，开环电液比例系统ON-OFF系统将向闭环比例控制系统发展。液压系统的压力、温度、速度及油液的污染度等数值可以自动测试和诊断，监控系统，包括集中控制和自动调整系统也将得到发展。1.1.2 液压系统的定义以油液作为供桌介质，利用油液的压力能并通过控制阀门等附件操纵液压执行机构工作的整套装置。一个完整的液压系统由五部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。执行元件(如液压缸和液压马达)的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。控制元件(即各种液压阀)在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。根据控制功能的不同，液压阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制法。压力控制法又分为溢流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀分裤控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、快换接头、高压球阀、胶管总成、测压接头、压力表、油位油温计等。液压油式液压系统中传递能量的工作介质，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。 1.2技术要求铣床采用缸筒固定的液压缸驱动工作台，卧式布置，完成工件铣削加工时的进给运动；工件采用机械方式夹紧。工作台由液压与电气配合实现的自动循环要求为：快进工进快退停止。工作台除了机动外，还能实现手动。铣床工作台的运动参数和动力参数如表一所列。表一铣床工作台的运动参数和动力参数工况行程(mm)速度(m/s)时间t(s)运动部件重力G(N)铣削负载Fe(N)启动、制动t(s)快速3000.075t15500-0.054工进1000.0160.001t290006.2510快退4000.075t3-5.331.3系统功能设计1.3.1 工况分析 工作台液压缸外负载计算结果见表二表二 工作台液压缸外负载计算结果工 况计算公式外负载(N)注：静摩擦负载： Ffs=s(G+Fn)=0.2(5500+0)=1100(N) 动摩擦负载： Ffd=d(G+Fn)=0.1(5500+0)=550(N) 惯性负载：Ffd+G/gv/t=55000.075/（9.810.05）=840(N).v/t:平均加速度(m/s2).启 动F1=Ffs1100加 速F2=Ffd+G/gv/t1390快 进F3=Ffd550工 进F4=Fe+Ffd9550反向启动F5=Ffs1100加 速F6=Ffd+G/gv/t1390快 退F7=Ffd550由表一和表二即可绘制出图一所示液压缸的行程特性（L-t）图、速度特性（v-t）图和负载特性（F-t）图。图一液压缸的L-t图、v-t图和F-t图1.3.2确定主要参数，编制工况图由参考文献一，初选液压缸的设计压力P1=3MPa.为了满足工作台进退速度相等，并减小液压泵的流量，今将液压缸的无杆腔作为主工作腔，并在快进时差动连接，则液压缸无杆腔的有效面积A1 与A2应满足A1=2A2（即液压缸内径D和活塞杆直径d间应满足：D=d.）为防止工进结束时发生前冲，液压缸需保持一定回油背压。由参考文献一，暂取背压为0.8MPa，并取液压缸机械效率cm=0.9,则可计算出液压缸无杆腔的有效面积。液压缸内径：按GB/T2348-1980,取标准值D=80mm=8cm,因A1=2A2,故活塞杆直径为则液压缸的实际有效面积为差动连接快进时，液压缸有杆腔压力P2必须大于无杆腔压力P1；其差值估取P= P2- P1=0.5MPa,并注意到启动瞬间液压缸尚未移动，此时P=0；另外，取快退时的回油压力损失为0.5MPa。根据上述假定条件经计算得到液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率，并可绘出其工况图（图二）。表三 液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率工作阶段计算公式负载F（N）回油腔压力P2(MPa)工作腔压力P1(MPa)输入流量q(L/mm)输入功率N(W)快进启动1100-0.48-加速13900.51.12-恒速5500.50.7410.8133.2工进95500.82.520.34.9812.6202快退启动1100-0.49-加速13900.51.62-恒速5500.51.2410.8232.5图二液压缸的工况图1.3.3 拟定液压系统原理图1） 选择液压回路调速回路与动力源由工况图可以看到，液压系统在快速进退阶段，负载压力较低，流量较大，且持续时间较短；而系统在工进阶段，负载压力较高、流量较小，持续时间较长。同时注意到铣削加工过程中铣削里的变化和顺铣及逆铣两种情况，为此，采用回油路调速阀节流调速回路。这样，可以保证进给运动平稳性和速度稳定。在确定主要参数时，已决定快速进给时液压缸采用差动连接，所以所需动力源的流量较小，从简单经济学观点，此处选用单定量泵供油。 油路循环方式由于上已选用节流调速回路，系统必然为开式循环方式。 换向与速度换接回路综合考虑到铣床自动化程度要求较高、但工作台终点位置的定位精度要求不高、工作台可机动也可手动、系统压力低流量小、工作台换向过渡位置不应出现液压冲击等因素，选用三位四通“Y”型中位机能的电磁滑阀作为系统的主换向阀。选用二位三通电磁换向阀实现差动连接。通过电气行程开关控制换向阀电磁铁的通断电即可实现自动换向和速度换接。 压力控制回路在泵出口并联一先导式溢流阀，实现系统的定压溢流，同时在溢流阀的远程控制口连接一个二位二通的电磁换向阀，以便一个工作循环结束后，等待装卸工件时，液压泵卸载，并便于液压泵空载下迅速启动。 1.3.4组成液压系统在主回路初步选定的基础上，只要增添一些必要的辅助回路便可组成完整的液压系统了。如：在液压泵进口（吸油口）设置一过滤器；出口设一压力表及压力表开关，以便观测液压泵的压力。经过整理所组成的液压系统如图三所示，其对应的动作顺序如表四。图三 数控铣床工作台液压系统1过滤器 2定量叶片泵 3压力表开关 5先导式溢流阀 6二位二通电磁换向阀 7单向阀 8三位四通电磁换向阀9单向调速阀 10二位三通电磁换向阀 11液压缸表四 数控铣床液压系统动作顺序表信 号 来 源动 作 名 称电磁铁工作状态1YA2YA3YA4YA按下启动按钮工作台快进+-+压下工进行程开关工作台工进+-+压下快退行程开关工作台快退-+-+压下液压泵卸载行程开关液压泵卸载-注：“+”通电；“-”断电。行程开关安装在液压缸经过的路径上。快进回路：进油：127811;回油：108。工进回路：进油：127811;回油：1098油箱。快退回路：进油：127910;回油：118油箱。卸载：1256油箱。1.4系统液压元件、辅件设计 （1）液压泵及其驱动电机由液压缸的工况图二或表三可以查得液压缸的最高工作压力出现在工进阶段，p1=2.52MPa。此时缸的输入流量较小，且进油路元件较少，故泵至缸间的进油路压力损失估取为p=0.5MPa.则液压泵的最高工作压力pp为Ppp1+p=2.52+0.5=3.02(MPa)考虑压力储备，液压泵的最高压力为Pp =3.02(1+25%)=3.77(MPa)液压泵的最大供油量qp按液压缸的最大输入流量（10.8L/mm）进行估算。取泄露系数K=1.1，则qp1.110.8L/min=11.88L/min按第七章表7-108查得：YB1-10型单级叶片泵能满足上述估算得出的压力和流量要求：该泵的额定压力为6.3MPa，公称排量V=10mL/min，额定转速为n=1450r/min。现估取泵的容积效率v=0.85，当选用转速n=1400r/min的驱动电动机时，泵的流量为qp =Vnv=1014000.85=11.90（L/min）12(L/min)由工况图二可知，最大功率出现在快退阶段，查表1-13取泵的总效率为p=0.75,则选用的电动机型号：由参考文献一表7-134查得，Y90S-4型封闭式三相异步电动机满足上述要求，其转速为1400r/min,额定功率为1.1kW。根据所选择的液压泵规格及系统工作情况，可算出液压缸在各阶段的实际进、出流量，运动速度和持续时间（见表五），从而为其他液压元件的选择及系统的性能计算奠定基础。 （2）液压控制阀和部分液压辅助元件根据系统工作压力与通过各液压控制阀及部分辅助元件的最大流量，查产品样本所选择的元件型号规格如表六所列。表五 液压缸在各阶段的实际进出流量、运动速度和持续时间工作阶段流量（L/min）速度（m/s）时间（s）无杆腔有杆腔快 进工进最高速度时最低速度时快 退注：工进阶段只计算了调速上限时的参数。表六 数控铣床液压系统中控制阀和部分辅助元件的型号规格序 号名 称通过流量(L/min)额定流量(L/min)额定压力(Mpa)额定压降(Mpa)型号规格1过滤器12161-XU-A1680J3压力表开关12-6.3-K-3B4压力表-测压范围010-Y-605溢流阀12256.3卸荷压力0.15Y-25B6二位二通电磁阀2.4106.30.222D-10BH7单向阀126.3250.2I-25B8三位四通电磁阀246.3250.2534D-25B9单向调速阀126.3250.3(调速阀)0.2(单向阀)QI-25B10二位三通电磁阀126.325Amin显然，由已知可得满足速度稳定要求。3.液压缸壁厚和外径的计算：由公式：PyD/2计算。式中： 液压缸壁厚（m）;液压缸内径（m）；Py试验压力，一般取最大工作压力的（1.251.5）倍（Mpa）;缸筒材料的许用应力。在这用高强度铸铁，其值为：=60Mpa.计算可得：=2.63 （取Py=1.5p=4.5Mpa）.则缸体的外径D1为：D1D+2=75.34.液压缸工作行程的确定已知：L=400mm.5.缸盖厚度的确定前缸盖：后缸盖：式中：t缸盖有效厚度（m）；D2缸盖止口内径（m）；D0缸盖孔的直径（m）。6.最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离H称为最小导向长度。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定的最小导向长度。按下式：式中：L液压缸的最大行程； D液压缸的内径。 图四 液压缸的导向长度活塞的宽度B一般取：（0.61.0）D；缸盖滑动支承面的长度，根据液压缸内径D而定：当D80mm时,取=（0.61.0）d.为保证最小导向长度H,若过分增大和B都是不适合的,必要时可在缸盖与活塞之间增加一隔套K来增加H的值.隔套的长度C由需要的最小导向长度H决定,即取=0.8D=56mm,B=0.6D=42mm则：C=77.缸体长度的确定液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端盖的厚度，一般液压缸缸体长度不应大于内径的2030倍。而缸体长度为：L2=D+t=70+7.7=77.7显然，满足所需条件。8.活塞杆稳定性的验算活塞杆长度根据液压缸最大行程L而定。对于工作行程中受压的活塞杆，当活塞杆长度L与其直径d之比大于15时，应对活塞杆进行稳定性验算。而L/d=400/56=7.1415。活塞杆稳定性好。2.2液压缸的结构设计1.缸体与缸盖的连接形式一般来说，缸筒和缸盖的结构形式和其使用的材料有关。工作压力p10MPa时，使用铸铁；p20MPa时，使用无缝钢管；p20MPa时，使用铸钢或锻钢。如图所示为缸筒和缸盖的常见结构形式。图五(a)所示为法兰连接式，结构简单，容易加工，也容易装拆，但外形尺寸和重量都较大，常用于铸铁制的缸筒上。图五(b)所示为半环连接式，它的缸筒壁部因开了环形槽而削弱了强度，为此有时要加厚缸壁，它容易加工和装拆，重量较轻，常用于无缝钢管或锻钢制的缸筒上。图五(c)所示为螺纹连接式，它的缸筒端部结构复杂，外径加工时要求保证内外径同心，装拆要使用专用工具，它的外形尺寸和重量都较小，常用于无缝钢管或铸钢制的缸筒上。图五(d)所示为拉杆连接式，结构的通用性大，容易加工和装拆，但外形尺寸较大，且较重。图五(e)所示为焊接连接式，结构简单，尺寸小，但缸底处内径不易加工，且可能引起变形。图五 缸筒和缸盖结构(a)法兰连接式(b)半环连接式(c)螺纹连接式(d)拉杆连接式(e)焊接连接式1缸盖2缸筒3压板4半环5防松螺帽6拉杆在此使用铸铁，选用法兰连接。2.活塞杆与活塞的连接结构可以把短行程的液压缸的活塞杆与活塞做成一体，这是最简单的形式。但当行程较长时，这种整体式活塞组件的加工较费事，所以常把活塞与活塞杆分开制造，然后再连接成一体。图六所示为几种常见的活塞与活塞杆的连接形式。图六(a)所示为活塞与活塞杆之间采用螺母连接，它适用负载较小，受力无冲击的液压缸中。螺纹连接虽然结构简单，安装方便可靠，但在活塞杆上车螺纹将削弱其强度。图六(b)和(c)所示为卡环式连接方式。图六(b)中活塞杆5上开有一个环形槽，槽内装有两个半圆环3以夹紧活塞4，半环3由轴套2套住，而轴套2的轴向位置用弹簧卡圈1来固定。图六(c)中的活塞杆，使用了两个半圆环4，它们分别由两个密封圈座2套住，半圆形的活塞3安放在密封圈座的中间。图六(d)所示是一种径向销式连接结构，用锥销1把活塞2固连在活塞杆3上。这种连接方式特别适用于双出杆式活塞。 图六 常见的活塞组件结构形式3.活塞杆导向部分的结构选用导向套导向。因导向套磨损后便于更换，应用普遍。4.活塞及活塞杆处密封圈的选用 图七 密封装置(a)间隙密封(b)摩擦环密封(c)O形圈密封(d)V形圈密封图七(a)所示为间隙密封，它依靠运动间的微小间隙来防止泄漏。为了提高这种装置的密封能力，常在活塞的表面上制出几条细小的环形槽，以增大油液通过间隙时的阻力。它的结构简单，摩擦阻力小，可耐高温，但泄漏大，加工要求高，磨损后无法恢复原有能力，只有在尺寸较小、压力较低、相对运动速度较高的缸筒和活塞间使用。图七(b)所示为摩擦环密封，它依靠套在活塞上的摩擦环(尼龙或其他高分子材料制成)在O形密封圈弹力作用下贴紧缸壁而防止泄漏。这种材料效果较好，摩擦阻力较小且稳定，可耐高温，磨损后有自动补偿能力，但加工要求高，装拆较不便，适用于缸筒和活塞之间的密封。图七(c)、图七(d)所示为密封圈(O形圈、V形圈等)密封，它利用橡胶或塑料的弹性使各种截面的环形圈贴紧在静、动配合面之间来防止泄漏。它结构简单，制造方便，磨损后有自动补偿能力，性能可靠，在缸筒和活塞之间、缸盖和活塞杆之间、活塞和活塞杆之间、缸筒和缸盖之间都能使用。对于活塞杆外伸部分来说，由于它很容易把脏物带入液压缸，使油液受污染，使密封件磨损，因此常需在活塞杆密封处增添防尘圈，并放在向着活塞杆外伸的一端。在此选O形圈加挡圈密封。5.液压缸的缓冲装置缓冲装置的工作原理是利用活塞或缸筒在其走向行程终端时封住活塞和缸盖之间的部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出，以产生很大的阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度，达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。在此选三角槽式节流缓冲装置。见参考文献一图2-4。活塞5的两端开有三角槽，前后缸盖3、8上的钢球7起单向阀的作用。当活塞启动时，压力油顶开钢球进入液压缸，推动活塞运动。当活塞接近缸的端部时，回油路被活塞逐渐封闭，使液压缸油只能通过活塞上轴向的三角槽缓慢排出，形成缓冲液压阻力。节流口的通流面积随活塞的移动而逐渐减小，活塞运动速度逐渐减慢，实现制动缓冲。6.液压缸的排气装置液压缸在安装过程中或长时间停放重新工作时，液压缸里和管道系统中会渗入空气，为了防止执行元件出现爬行，噪声和发热等不正常现象，需把缸中和系统中的空气排出。一般可在液压缸的最高处设置进出油口把气带走，也可在最高处设置如图八(a)所示的放气孔或专门的放气阀见图八(b)、(c)。图八 放气装置1缸盖2放气小孔3缸体4活塞杆7.液压缸的安装连接结构1）.液压缸的安装形式（见参考文献一图2-13）选尾部外法兰连接形式。2）.液压缸进、出油口形式及大小的确定（见参考书一表2-14）知进、出油口安装尺寸为：M272。3）.液压缸用耳环安装结构（见参考文献一表2-15）采用带轴套的单耳环结构。4）.杆用单耳环国际标准安装尺寸（见参考书一表2-16）具体参数如下：型号活塞杆直径缸筒内径公称力（N）KKCK(H9)EM(H13)ER(max)CA(Js13)AW(min)LE(min)6070160320000M48256705912663638.液压缸主要零件的材料和技术要求。（见图纸）总 结随着科技的不断发展，数控铣床的发展也将向更高层次发展但其中的基本技术却还是原来的，因此对数控铣床液压系统的维护工作也应注意以下几点：对数控铣床的液压系统的基础部分，必须要有深刻的了解，并对它的基本原理，基本构造，以及维护方法有充足的了解与认识。对与新型的液压系统要有一定的认识，并能了解它的原理，以及在发生故障时能快速的了解问题，解决问题。在工作中，应及时的记笔记。将出现的问题及时记下来，并分析，解决，记录。在日常余暇是可以看一看，这样在出现同类问题时可以快速的解决掉。在这段实习过程中，多实践，多思考，多学习，多问，使我有了长足的进步，但还不够，在液压系统方面还有很多的难题，因此未来的工作中，我会更好的去学习的！致 谢毕业设计是