数控车床液压系统设计128.docx
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数控车床液压系统设计128
数控车床液压系统设计
【摘要】本论文针对目前国内外数控车床的现状、发展动态和发展方向及其在现代工业中的重要作用，运用液压元件的基本理论，对其主关键结构液压系统箱进行了原理分析和优化设计。
根据设计的实际需要，对车床液压系统开展研究，并进行了主油箱液压动力站、静压油箱液压动力站及液压卡盘的设计以及优化设计。
并对液压系统的结构元件和液压控制系统的结构进行了优化设计。
【关键词】数控车床、液压油泵、液压油缸、液压控制阀、性能分析、优化设计
【ABSTRACT】Thepresentpaperinviewofthepresentdomesticandforeignnumericalcontrollathepresentsituation,thedevelopmenttendencyandthedevelopmentdirectionandinthemodernindustryvitalrole,theutilizationhydraulicunitbasictheory,hascarriedonthestaticanalysisandtheoptimizeddesigntoitsimportantstructurelathebed,thenachievedtheinstructiondesignsandenhancesthenumericalcontrollathetechnicalperformancethegoal.
Accordingtothedesignactualneed,tothelathebeddevelopmentresearch,themethodofhydraulicssystemsusedintheactualprojecttherelatedtheoryandtherealizationprinciplehascarriedontheelaboration,andhascarriedonthelathebedchampinganddrivemoduledesignaswellastheoptimizeddesign.
Theresearchprocessmainlydividesintohydraulicsystemanalysisandhydrauliccontroloftheoptimizationdesigns,analyzedthehydraulictooltousehydraulicpowerstationandhydraulicsystems,obtainedthelathebedstaticstressandthestrain,andhascarriedontheoptimizeddesigntothelathebedstructure,hascarriedonamorescientificappraisaltotheproduct.
【Keyword】Numericalcontrollathe、Hydraulicpumps、Hydrauliccylinders、controlvalves、performanceanalysis、Optimizeddesign
目录
1绪论
1.1世界数控车床的现状………………………………………………………………3
1.2国内数控车床的现状和发展前景…………………………………………………3
1.3研究对象和研究方法………………………………………………………………3
2液压系统组件
2.1液压系统组件的设计步骤…………………………………………………………4
2.1.1技术参数确定………………………………………………………………………4
2.1.2主电动机功率的确定………………………………………………………………5
2.1.3主传动系统方案的确定……………………………………………………………5
2.1.4车床主传动功率、扭据和转速特性图…………………………………………6
2.1.5主要规格与的技术参数…………………………………………………………6
2.2液压系统结构设计……………………………………………………………………7
2.2.1液压系统箱总体结构设计…………………………………………………………7
2.2.2液压系统主油箱液压动力站结构组成……………………………………………8
2.2.3液压系统主油箱液压动力站实图…………………………………………………9
2.2.4液压系统润滑油箱液压动力站结构原理图………………………………………10
2.2.5液压系统润滑油箱液压动力站实图………………………………………………11
2.2.6液压系统润滑油箱液压动力站组成………………………………………………12
3数控车床卡盘夹紧的原理分析
3.1数控车床卡盘夹紧结构分解说明……………………………………………13
3.2数控车床卡盘夹紧方案的选用…………………………………………………15
3.3数控车床卡盘夹紧液压元件的选用及功能………………………………………17
4数控车床床体配重补偿
4.1数控车床床体配重补偿的定义……………………………………………………20
4.2数控车床床体配重补偿元件的特点…………………………………………………22
4.3数控车床流量控制阀在液压回路对油缸和油马达速度控制………………………23
5液压系统液压油
5.1流体传动系统的重要特性……………………………………………………………24
5.2液压系统的基本设计……………………………………………………………25
5.3简单液压系统的设计……………………………………………………………25
5.4液压系统液压油概述………………………………………………………32
5.5.对流体的要求……………………………………………………………32
6液压元件的工作原理
6.1.液压回路中的液压缸………………………………………………………36
6.1.2.与功能相关的液压缸类型………………………………………………………37
6.1.2.1单作用液压缸………………………………………………………………37
6.1.2.1.1杆柱式液压缸………………………………………………………………37
6.2.液压泵
6.2.1.液压泵概述………………………………………………………………38
6.2.2液压泵流量调节器………………………………………………………………39
6.3液压马达……………………………………………………………………40
6.3.1轴旋转的多行程轴向柱塞马达…………………………………………………………40
6.4液控单向阀……………………………………………………………………41
6.4.1液控单向阀原理………………………………………………………………41
6.5方向控制阀……………………………………………………………………42
6.5.1方向控制阀的性能……………………………………………………………………42
6.6分析结论…………………………………………………………………………………45
7小结体会……………………………………………………………………………46
致谢……………………………………………………………………………………………46
参考文献……………………………………………………………………………………46
绪论
1.1世界数控车床的现状
数控车床是当今世界机器制造业中实现机电一体化的代表性先进装备。
它利用微电子、计算机等技术对复杂实现中、小批多品种的柔性生产自动化。
数控车床的设计制、制造、使用有其本身的特点与客观发展规律、简言之，要求有高的人员素质、精密的毛坯、严格的质量控制、科学的管理、车床本身和各配套环节必须要有高度的质量可靠性，否则难以顺利发展，在生产中也难以获得高的利用率，去切实提高劳动生产率。
目前在全世界车床拥有量1400万台中，数控车床约100万台，占7％。
世界车床年产量150万台中，数控车床约20万台，占13％，故87％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20:
70:
10，在年产量中，三者之比约为5：
65：
30，而在发展中国家，分别为80:
17:
3和70:
25:
5。
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：
1987年，日本车床（金切和成形）拥有量79万台，数控车床7万台，汽车产量为1200万辆；而中国1995年，车床拥有量383.5万台，数控车床7.27万台，汽车产量仅为146万辆。
1.2国内数控车床的现状与发展前景
1.2.1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。
2002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30％；消耗值数控化率还不到50％，而发达国家大多在70％左右。
国产数控车床到2000年可供品种为700多种，接近数控车床品种的50％，其中占产量70％的是经济型数控车床。
最高转速一般在2000r／min，个别转速达8000r／min，坐标定位精度一般在0．01mm，重复定位精度在0．005mm，工作精度圆度在0．01—0．005mm之间，表面粗糙度Ra0．8—1．61xm。
长城车床厂CK7815C液压系统最高转速3500r／min，快速行程X轴9m／min，z轴12m／min，定位精度X轴0．016mm，z轴0．025mm，工作精度圆度0．007mm，表面粗糙度Ra<1．6m。
国产数控系统MTBF可靠性大都超过1万小时，但国际上先进企业数控系统MTBF已达8万小时。
国产数控车床、加工中心MTBF有少数厂达500h，但国际先进水平已达800h。
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。
1.2.2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60％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。
1.3研究对象和研究方法
本课题研究对象是数控车床，着重研究车床液压系统的结构设计，并运用软件solidworks、COSMOS进行三维建模和有限元分析，针对液压系统箱的主关键零件进行静力分析和优化设计，为液压系统箱结构的合理和优化设计提供了重要的参考依据。
2液压系统
2.1液压系统的设计步骤
液压系统包括主泵动力站、和安装在主泵站上的控制件、附件等。
因为液压系统的执行装置带动工件或刀具直接参加工件表面形成运动，所以它的工件性能对加工质量和生产率产生直接的影响，是车床上最重要的部件之一。
2.1.1技术参数确定
车床技术参数包括主参数和一般技术参数，一般技术参数又包括车床的尺寸参数，运动参数和动力参数。
主参数（或称主要规格）是车床最重要的一个或两个技术参数，它表示车床的规格和最大工作能力。
运动参数是车床执行件如夹具、刀架、工作台的运动速度，可分为主参数和进给运动参
数两大类。
主运动参数：
变速范围Rn=nmax/nmin=3500/160=21.875
dmax=k×d=0.5×135=67.5mm,dmin=Rd×dmax=0.25×67.5=16.875mm
vmax=nmax×3.14×dmin/1000=3500×3.14×16.875/1000=185m/min
vmin=nmin×3.14×dmax/1000=160×3.14×67.5/1000=33.9m/min
nmax、nmin:
液压系统最高、最低转速（r/min）；
vmaxvmin：
最高、最低切削速度（m/min）；
dmax、dmin：
最大、最小计算直径
d：
加工工件直径（mm）;
2.1.2主电动机功率的确定
主传动系统结构确定后，可通过公式近似计算：
PE＝P0＋Pm/ηm（ηm=η1×η2×η2）
P0=K（3.5×da×Σni+nc×dm）×106
现已知：
PE＝3KW，则
Pm=PE×ηm=PE×η1×η2×η2=3×85%×98%×99%=2.474kw
T=9550×Pm/nc=9550×2.474/1000=23.6N.m
nc=60×f/p=60×50/3=1000r/min
vmin=（nc/2）×3.14×d/60000=500×3.14×135/60000=3.53m/min（皮带轮1：
2输出至液压系统）
Fz=Pm×60000/vmin=2.474×60000/3.5＝42411N=42.4kN
PE:
主电动机功率（KW）;Pm:
切削功率（KW）;P0:
主传动系统的空载功率（KW）
ηm:
主传动系统结构传动效率估算值（η1:
电机传动效率；η2:
轴承传动效率；η3:
齿轮传动效率）
nc:
计算转速
vmin:
线速度
Fz：
主切削力
2.1.3主传动系统方案的确定
主传动系统方案包括：
选择传动布局，选择变速、开停，制动及换向方式。
主传动变速方式可分为无极变级和有级变速两种，本车床采用无极变速的变速方式。
无级变速是指在一定速度（或转速）范围内能连续、任意地变速。
可选用最合适的切削速度，没有速度损失，生产率高；一般可在运转中变速，减少辅助时间；操纵方便；传动平稳等优点。
无级变速装置主要有以下几种
A机械无级变速器；
B液压无级变速器；
C电气无级调器。
采用直流或交流调速电动机来实现，主要用于数控车床、精密和大型车床。
这次设计采用了交流调速电动机，交流调速电动机通常采用变频调速方式进行调速。
调速效
率高，性能好，调速范围较宽，恒功率调速范围可达5甚至更大。
额定转速为1000r/min或1500r/min等。
2.1.4车床主传动功率、扭据和转速特性图
nb1=120×vmin×Fb2/P级数＝120×50/6=1000r/min
nb2=120×Fb3/P级数＝120×175/6=3500r/min
nb3=120×Fb1/P级数＝120*8/6=160r/min
TN1=9550×Pm/nb2=9550×2.474/3500=6.75N.m
TN2=9550×Pm/nb1=9550×2.474/1000=23.6N.m
2.1.5主要规格与的技术参数
序号
项目
单位
数值
1
床身上最大回转直径
mm
Φ330
2
滑鞍上最大回转直径
mm
Φ135
3
最大加工直径
mm
Φ135
4
最大加工长度
mm
250
5
最大通孔直径
mm
Φ45
6
棒材最大直径
mm
Φ22
7
电机转速
r/min
160～3500
9
夹头直径
mm
Φ6
10
X向行程
r/min
230
11
Z向行程
级
230
12
X向导轨宽度
mm
210
13
Z向导轨宽度
mm
374
14
床身角度
deg
45
15
进给速度
当量位移
mm/脉冲
0.001
16
工作进给
mm/min
10~1120
17
快给速度
X向
m/min
24
18
Z向
m/min
24
19
液压系统电机
功率
kW
3
20
扭矩
N.m
23.6
21
X、Z向进给电机
功率
kW
1.4
22
额定扭矩
N.m
6.1
23
车床总功率
kW
25
24
车床外型尺寸
外型尺寸（长×宽×高）
mm
2500×2350×2270
净重
kg
1800
2.2液压系统结构设计
液压系统组件的主要功能是夹持工件或刀具（包括砂轮）转动进行切削加工、传递运动、动力及承受切削力等，并保证刀具或工件具有准确定的运动轨迹。
液压系统组件是车床的执行件，他它带动工件或刀具直接参与表面成形运动，其工作性能对车床的加工质量及生产率有直接影响，它是车床的一个重要组件。
根据车床主参数、尺寸参数、运动参数、动力参数，并且遵循①旋转精度；②刚度；③抗振性；④热稳定性；⑤耐磨性等基本要求的原则确定液压系统总体结构。
2.2.1液压系统总体结构
2.2.2液压系统主油箱液压动力站结构组成
序号规格单位数量范围
1油箱-AB40-40AB40-40-CZ13512-300LPC1主泵站
2检修盖AB40-19/324A-AL/M-6PC2主泵站
3空气滤清器ELFP3F10W1.XPC1主泵站
4液位计LS2541-T-M12PC1主泵站
6液位开关ABZMS-36-1X/0370M-K24PC1主泵站
8油箱回油过滤器TEF.210.10VG.16.S.P.-.G.6.-.E2.1,5.-PC1主泵站
9磁棒过滤器CUB1-320PC1主泵站
11电机QA100L4A/1500/2.2/380/50/B35/接线盒顶置PC1主泵站
12柱塞泵A10VSO28DFR1/31R-PPA12N00-SO32PC1主泵站
13钟型罩PL250/06/55PC1主泵站
14联轴器R24.28-22.22GPC1主泵站
15避振垫AB33-10/2-50PC4主泵站
16胶管1;DN16,PN50PC1主泵站
17胶管2;DN8,PN25PC1主泵站
18高压过滤器HP.91.10VG.HR.E.P.-.G.3.-.-.AE70.5，0PC1主泵站
19单向阀S15A1.0PC1主泵站
20压力继电器HED8OH-2X/50K14PC1主泵站
21插头PLUG-INCONNECTOR4PZ14MSWSPEZPC1主泵站
22减压阀ZDR6DP2-4X/25YMPC3主泵站
23减压阀PBDB-LNNPC2主泵站
24溢流阀DBDS10K1X/50PC1主泵站
25换向阀4WE6E6X/EG24N9K4PC3主泵站
26换向阀4WE6D6X/EG24N9K4PC1主泵站
27换向阀4WE6Y6X/EG24N9K4PC1主泵站
28单向阀Z2S6A-1-6X/PC3主泵站
29流量阀Z2FS6-2-4X/2QVPC2主泵站
31压力表AB31-13/063-0025PC5主泵站
32压力表AB31-13/063-0040BAR/MPAPC1主泵站
33端子箱TB3-400x300x120PC1主泵站
阀块-CZ13513PC1主泵站
航空插头YD40J26Z+YD40K26TRPC1主泵站
2.2.3液压系统主油箱液压动力站实图
原理图：
HS25-CZ13384-3-0
线号执行机构原理编号颜色线径控制编号端子编号备注
PE11.0黄绿1.51接地线
U6黑1.52主油泵动力
V6黑1.53主油泵动力
W6黑1.54主油泵动力
440压力开关20.0蓝1.0LS56主油箱压力高
441液位开关6.0蓝1.0LS17主油箱液位低
442高压过滤器18.0蓝1.0LS38压力管路堵塞
443回油过滤器8.0蓝1.0LS49回油管路堵塞
2013蓝1.011信号公共线DC24V
2013蓝1.012信号公共线DC24V
464液位开关6.0蓝1.0LS213主油箱液位高
580A电磁换向阀25.3蓝1.0S814尾架进
581A电磁换向阀25.3蓝1.0S715尾架退
582A电磁换向阀27.0蓝1.0S616尾架高低压电磁阀
583A电磁换向阀25.1蓝1.0S1171号对刀进
584A电磁换向阀25.2蓝1.0S3182号对刀进
585A电磁换向阀26.0蓝1.0S519测量进退电磁阀
586A电磁换向阀25.1蓝1.0S2201号对刀退
587A电磁换向阀25.2蓝1.0S4212号对刀退
590A蓝1.022备电磁阀
591A蓝1.023备电磁阀
2000蓝1.024电磁公共线
2000蓝1.025电磁公共线
2000蓝1.026电磁公共线
2.2.4液压系统润滑油箱液压动力站结构原理图
2.2.5液压系统润滑油箱液压动力站实图
2.2.6液压系统润滑油箱液压动力站组成
3数控车床卡盘夹紧的原理分析
3.1数控车床卡盘夹紧结构分解说明
3.2数控车床卡盘夹紧方案的选用
3.3数控车床卡盘夹紧液压元件的选用及功能
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