精数控机床液压技术设计与开发可行性研究方案.docx
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精数控机床液压技术设计与开发可行性研究方案
数控机床液压技术设计与开发可行性研究方案
目录
摘要I
第一章概论1
1.1液压技术的历史发展1
1.2国内数控车床的现状和发展前景1
1.3研究的对象和研究的方法3
第二章液压系统的组成4
2.1液压系统组件的设计步骤4
2.2技术参数确定4
2.3主传动系统方案的确定5
2.4液压系统结构设计5
2.5拟定液压传动系统图6
第三章液压站的设计9
3.1液压缸的参数及设计9
3.1.1液压缸的分类9
3.1.2液压缸的主要参数9
3.1.3液压缸的设计和计算11
3.2液压缸主要零件的材料和技术要求11
3.2.1缸体11
3.2.2活塞11
3.2.3活塞杆12
3.2.4活塞杆直径的计算12
3.3液压泵13
3.3.1液压泵概述13
3.3.2液压泵的安装方式13
3.3.3液压泵的选择13
3.3.4电动机与液压泵的连接方式14
3.4液压油箱14
3.4.1液压油箱的作用14
3.4.2液压油箱的外形尺寸15
3.4.3液压油箱的结构设计15
3.5集成化设计16
3.6化的工作要求16
第四章三爪卡盘的设计17
4.1夹具的特点17
4.2夹具的基本结构和原理20
4.3三爪卡盘螺旋摆动式液压缸增力机构的结构和原理21
4.4主要参数确定与结构计算22
4.5夹具在安装和操作时应注意的事项23
4.6误差分析25
第五章液压系统性能验算及维护27
5.1性能验算27
5.2系统维护27
第一章概论
1.1液压技术的历史发展
液压传动相对于机械传动来说是一门新技术，但从1650年巴斯卡提出静压传递远离，1795年英国的约瑟夫·布拉默利用这一原理在英国制成了世界上第一台水压机，使液压技术开始进入工程领域算起，已有两三百年的历史了。
到了20世纪30年代才较普遍地用于机械、机床及工程领域。
在第二次世界大战期间，由于军事工业迫切需要响应迅速、精度高、功率大的液压传动系统和伺服机构，以装备各种飞机、坦克、大炮和军舰，提高它们的使用性能，因此各种高压元件获得了进一步的发展，并出现了伺服阀。
这里值得一提的是美国马塞诸塞州理工学院的布莱克本、李等人对于高压场合的液压问题以及伺服控制问题进行了深入的研究，大约于1958年他们研制出了电液伺服阀。
当前液压技术在高速、高压、大功率、高效率、低噪声、经久耐用及高度集成化等各项要求方面都取得了重大进展，在完善比例控制、伺服控制、数字控制等技术上也有了许多新成就。
由于伺服阀造价高、抗污染能力弱，后来又发展了比例阀和比例泵。
我国路甬祥博士在比例技术上的5项发明，是20世纪80年代液压技术的新突破。
1.2国内数控车床的现状和发展前景
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。
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研究的对象和研究的方法
本课题研究对象是数控车床，本着高效节能、机电一体化、计算机辅助设计及计算机控制、系统集成化与控制技术集结于一身的目的，着重研究液压缸和液压泵，对其进行受力分析和优化设计，是设计一个高效、节能车床的前提。
第二章液压系统的组成
2.1液压系统组件的设计步骤
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。
2.2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）;
2.3主传动系统方案的确定
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。
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。
2.4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。
2.5拟定液压传动系统图
图2-1液压传动系统框图
机床的液压系统的采用限压式变量叶片泵供油，工作压力调到4MPa,压力由压力表15显示。
泵输出的压力油经过单向阀进入个子系统支路，其工作原理如下。
（1）卡盘的夹紧与松开在要求卡盘处于正卡（卡爪向内夹紧工件外圆）且在高压大夹紧力状态下时，3YA失电，阀4左位工作，选择减压阀8工作。
夹紧力的大小由减压阀8来调整，夹紧压力由压力表14来显示。
当1YA通电时，阀3左位工作，系统压力油从油泵→单向阀2→减压阀8→换向阀4左位→换向阀左位→液压缸右腔；液压缸左腔的油液经阀3直接会油箱。
这时，活塞杆左移，操纵卡盘夹紧。
当2YA通电时，阀3右位工作，系统压力油进入液压缸左腔，液压缸右腔的油液经阀3直接回油箱。
这时，活塞杆右移，操纵卡盘松开。
在要求卡盘处于正卡且在低压小夹紧力状态下时，3YA通电，阀4右位工作，选择减压阀9工作。
夹紧力的大小由减压阀9来调整，加紧压力也由压力表14来显示，阀9调整压力值小于阀8.换向阀3的工作情况与高压大夹紧力时相同。
卡盘处于反卡（卡爪向外夹紧工件内孔）时，动作与正卡相反，即反卡的夹紧是正卡的松开；反卡的松开是正卡的夹紧。
（2）回转刀架的换刀回转刀架换刀时，首先是将刀架抬升松开，然后刀架转位到指定的位置，最后刀架下拉复位夹紧。
当4YA通电时，换向阀6右位工作，刀架抬升松开；8YA通电，液压马达正转带动刀架换刀，转速由单向调速阀11控制（若7YA通电，则液压马达带动刀架反转，转速由单向调速阀12控制），到位后4YA断电，阀6左位工作，液压缸使刀架夹紧。
正转换刀还是反转换刀由数控系统按路径最短原则判断。
（3）尾座套筒的伸缩运动当6YA通电时，换向阀7左位工作，压力油经减压阀10、换向阀7左位流向尾座套筒液压缸的左腔；液压缸右腔油液经单向调速阀13和阀7流向油箱，液压缸筒带动尾座套筒伸出，顶紧工作。
顶紧力的大小通过减压阀10调整，调整压力值由压力表16显示。
当5YA通电时换向阀7右位工作，压力油经减压阀10、换向阀右位、组合13的单向阀流向液压缸右腔；液压缸左腔的油液经发7流向油箱，套筒快速缩回。
3.MJ-50型数控车床液压系统的特点
（1）采用限压式变量液压泵供油，自动调整输出流量，能量损失大小。
（2）采用减压阀稳定夹紧力，并用换向阀切换减压阀，实现高压和低压夹紧的转换，并且可分别调节高压加紧或低压夹紧力的大小。
这样可根据工艺要求调节夹紧力，操作也简单方便。
（3）采用液压马达实现刀架的转位，可实现无极调速，并能控制刀架正、反转。
（4）采用换向阀控制尾座套筒液压缸的换向，实现套筒的伸出或缩回，并能调节尾座套筒伸出工作的顶紧力大小，以适应不同工艺的要求。
（5）采用三个压力计14、15、16可分别显示系统相应部位的压力，便于调试和故障诊断。
表2-1液压元件明细表
序号
元件名称
型号
个数
1
调速阀
MRV-02-P1-K-20
3
2
二位四通电磁换向阀
WE-2B3-02-G-D2-30
3
3
三位四通电磁换向阀
WE-3C4-02-G-D2-30
2
4
单向节流阀
MCT-02-P-20
3
5
过滤器
XU-16-80-J
1
6
电机
A02-8014-B3
1
7
油泵
CB-B6
1
8
压力表
YZT-60
1
第三章液压站的设计
液压站是由液压油箱、液压泵装置及液压控制装置三大部分组成。
液压油箱装有空气滤清器、滤油器、液面指示器和清洗孔等。
液压泵装置包括不同类型的液压泵、驱动电机及其它们之间的联轴器等。
液压控制装置是指组成液压系统的各阀类元件及其联接体。
参考同类产品的设计，本液压站采用了集中式结构。
3.1液压缸的参数及设计
3.1.1液压缸的分类
液压缸有多种分类形式。
按结构特点它可分为活塞式、柱塞式和摆动式3大类；按照作用方式又可分为单作用式和双作用式两种。
单作用式液压缸只能使活塞（或柱塞）做单方向运动，即压力油只通向液压缸的一腔，而反方向运动则必须依靠外力来实现；双作用式液压缸，在两个方向上的运动都由压力油推动来实现。
所以此次选用双作用式液压缸。
3.1.2液压缸的主要参数
液压缸的主要参数包括液压缸的工程压力、液压缸内径、活塞杆直径以及活塞行程等，见下表。
液压缸公称压力系列
（GB/T7938-1987）（MPa）
0.63，1.0，1.6，2.5，4，6.3，10，16，25，31.5，40.0
液压缸内径系列
（GB/T2348-1993）（mm）
8,10,12,16,20,25,32,40,50,63,80,（90）,100,（110）,125,（140）,160,200,250,2850,320,360,400,500
液压缸活塞杆外径尺寸系列（GB/2348-1993）（mm）
4，5，6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40，45，50，56，63，70，80，90，100，110，125，140，160，180，200，220，250，280，320，360
液压缸行程系列（GB/2349-1980）（mm）
第一系列
25，50，80，100，125，160，200，250，320，400，500，630，800，1000，1250，1600，2000，2500，3200，4000
第二系列
40，63，90，110，140，180，220，280，360，450，550，700，900，1100，1400，1800，2200，2800，3600
第三系列
240，260，300，340，380，420，480，530，600，650，750，850，950，1050，1200，1300，1500，1700，1900，2100，2400，2600，3000，3400，3800
注：
1.括号内尺寸为非优先选用尺寸
2.活塞行程参数依优先次序按表第一，第二，第三系列选用。
3.当活塞行程〉4000mm时，按GB/T321《优先数和优先数系》中R10数系选用，如不能满足要求，允许按R40数系选用。
3.1.3液压缸的设计和计算
缸筒是液压缸的主要零件，它与端盖、缸底、油口等零件构成密封的容腔，用以容纳压力油，同时它还是活塞的运动轨道。
设计液压缸缸筒时，应该正确确定各部分的尺寸，保证液压缸有足够的输出力、运动速度和有效行程，同时还必须有一定的强度，能足以承受液压力、负载力和干扰等冲击力。
另外，缸筒的内表面应该具有合适的配合精度、表面粗糙度和几何精度，已足以保证液压缸的密封性、运动平稳性和耐用性。
1.液压缸内径的计算
（1）根据液压缸的荷载力和系统工作压力计算
D=3.57*0.01*√F/P
=3.57*0.01*√42.4/4
=11.78（mm）
2.缸筒壁厚计算
t=p*D/{2[σ]}
=3*11.78/（2*4）
=4.41（mm）
根据GB/T2348-1993得，选用12mm内径的液压缸。
3.2液压缸主要零件的材料和技术要求
3.2.1缸体
1.缸体的材料
液压缸缸体的常用材料是20、35和45号无缝钢管。
因20号钢的力学性能较低，且不能调质，应用较少，一般情况下选用45号钢，并调质到241-285HB。
缸体的毛坯也可以采用锻钢、铸钢或铸铁件。
铸钢一般采用ZG25、ZG35和ZG45等。
铸铁可采用HT200-HT350之间的几个牌号或球墨铸铁QT500-05、QT600-02等。
我采用铸钢ZG35。
2.主要表面粗糙度
当活塞采用橡胶密封圈祢密封时，液压缸内表面粗糙度Ra为0.1～0.4um,当活塞采用活塞密封圈时，液压缸内表面粗糙度Ra为0.2～0.4.
3.技术要求
（1）内径用H8～H9的配合。
（2）缸体内径D的圆度公差值可按9，10或11级精度选取，圆柱度公差值可按8级精度选取。
（3）缸体端面T的垂直公差度公差值可按7级精度选取。
（4）缸体与端盖采用螺纹连接时，螺纹采用6H级精度。
（5）为防止腐蚀和提高寿命，内径表面可以镀0.03～0.04mm厚的硬铬，镀后再进行打磨和抛光，缸体外涂耐蚀油漆。
3.2.2活塞
1.活塞的材料
缸体较小的整体式活塞一般用35钢，45钢；其它常用耐磨铸铁、灰铸铁HT300、HT350钢以及铝合金等。
2.主要表面粗糙度
活塞外圆柱表面粗糙度Ra为0.8～1.6um.
3.技术要求
（1）外径D的圆度、圆柱度公差值，按9、10或11级精度选取。
（2）外径D对内径D1的径向跳动公差值，按7、8级精度选取。
（3）端面T对内孔D1轴线的垂直度公差值，按7级精度选取。
（4）活塞外径用橡胶密封时可取f7～f9配合，内孔与活塞的配合可取H8。
3.2.3活塞杆
1.材料
实心活塞杆材料为35，35钢；空心活塞杆材料为35，45缸的无缝钢管。
我采用实心45号钢。
2.主要表面粗糙度
杆外圆面粗糙度Ra为0.4～0.8um。
3.技术要求
（1）活塞杆的热处理：
粗加工后调质硬度为229～285HB，必要时再经高频淬火，硬度达45～55HRC。
（2）活塞杆d和d2的圆度公差值，按9、10或11级精度选取；霍斯阿甘d的圆柱度公差值，应按8级精度选取。
（3）端面T的垂直度公差值，则应按7级精度选取。
（4）活塞杆与导向套采用H8/f7配合，与活塞的连接可采用H8/h8配合。
（5）活塞杆上若有连接销孔时，该孔应该按H11级加工。
该孔轴线与活塞杆轴线的垂直度公差值，按6级精度选取。
（6）活塞杆上的螺纹一般按6级精度加工，如载荷较小，机械震动也较小时，允许按7级或8级精度制造。
（7）活塞杆上下工作表面必要时可以镀铬，镀层厚度约为0.05mm，镀后抛光。
3.2.4活塞杆直径的计算
图3-1活塞杆受力图
-缸筒内径；d-活塞杆直径;F-轴向推力;
活塞杆径的计算：
d=D{1/3～1/5}
=11.78*{1/3～1/5}
=23.56～39.3（mm）
根据查《机械手册》可知，选用直径为36mm的活塞杆。
3.3液压泵
3.3.1液压泵概述
液压泵是液压系统中的能源装置，即动力元件。
它的作用是把原动机的机械能转化成油液压力能，向系统提供一定的压力和流量的油液，拖动外负载或做工。
3.3.2液压泵的安装方式
液压泵装置包括不同类型的液压泵、驱动电动机及其联轴器等。
其安装方式分为立式和卧式两种[]。
1、卧式安装：
将液压泵和与之相联的油管放在液压油箱外，这种结构型式紧凑、美观，同时电动机与液压泵的同轴度能保证，吸油条件好，漏油可直接回液压油箱，并节省占地面积。
本液压站采用了卧式安装。
电机和泵均安装在油箱的上侧。
2、立式安装：
当液压支架所需要的功率很大且电动机和泵的尺寸也很大时，宜采用此种安装方式。
3.3.3液压泵的选择
液压泵的选择：
Pp>=P+Σ∆P
P执行元件的最大压力；
Σ∆P管路总压力，查《液压气动技术手册》取Σ∆P=0.8MPa
所以：
Pp>=4.2+0.8=5MPa
《二》计算泵的流量：
Qp>=K（Σq）max取k=1.1
Qmax=39.7Qp>=1.1*39.7=43.67L/min
液压泵的选取：
根据上述计算的液压系统的最高压力和流量查《机械设计手册》选取额定转速为1300r/min，排量为40ml/min的单作用叶片泵。
其型号为PFE-330032知其泵的总效率为0.75.额定的流量为：
Q=40*1300=52L/min
以上满足设计要求。
3.3.4电动机与液压泵的连接方式
1、法兰式：
液压泵安装在法兰上，法兰再与带法兰盘的电机联接，电动机与液压泵依靠法兰盘上的止口来保证同轴度。
这种结构装拆很方便。
2、液压泵直接装在支架的止口里，然后依靠支架的底面与底板相连，再与带底座的电动机相联。
3、法兰支架式：
电动机与液压泵先以法兰联接，法兰再与支架联接，最后支架再装在底板上，它的优点是大底板不用加工，安装方便，电动机与液压泵的同轴度靠法兰盘上的止口来保证。
本系统采用支架式结构，这种结构对于保证同轴度比较困难，为避免安装时产生同轴度误差带来的不良影响，该电机与液压泵联接时采用ML8梅花弹性柱塞联轴器。
为增加电机与液压泵的联接刚性，避免产生共振，把液压泵和电机先装在刚性较好的底板上使其成为一体，然后底板再焊接到油箱上侧。
3.4液压油箱
3.4.1液压油箱的作用
液压油箱的作用是贮存液压油、分离液压油中的杂质和空气，同时还起到散热作用。
3.4.2液压油箱的外形尺寸
液压油箱的有效容积确定以后，需设计液压油箱的外形尺寸，这次采用的外型尺寸为：
长730mm；宽406mm；高295mm的外型尺寸[7]。
3.4.3液压油箱的结构设计
液压油箱多采用钢板焊接的分离式液压油箱[]。
1.隔板
（1）作用：
增长液压油流动循环时间，除去沉淀杂质，分离、清除水和空气，调整温度，吸收液压油压力的波动及防止液面的波动。
（2）安装形式：
隔板的安装形式有多种，可以设计成高出液压油面，使液压油从隔板侧面流过；还可以把隔板设计成低于液压油面，其高度为最低油面的2/3，使液压油从隔板上方流过。
该液压油箱设计时，采用了后一种方式。
（3）过滤网的配置：
过滤网设计成将液压油箱内部一分为二，使吸油管与回油管隔开，这样液压油可以经过一次过滤。
过滤网通常使用50—100目左右的金属网。
2.吸油管：
吸油管前设置滤油器，其精度为100—200目的网式或线隙式滤油器。
滤油器与箱底距离为40mm。
为防止吸油时卷吸空气或因流入液压油箱的液压油搅动油面，致使油中混入气泡，吸油管插入液压油面以下。
（1）吸油管与回油管的方向：
为了使油液流动具有方向性，综合考虑隔板、吸油管和回油管的配置，尽量把吸油管和回油管用隔板隔开，为了不使回油管的压力波动波及吸油管，吸油管及回油管的斜口方向一致。
3.顶盖及清洗孔
（1）顶盖：
在液压油箱顶盖上装设阀组、空气滤清器时，必须十分牢固。
液压油箱同它们的接合面要平整光滑，将密封填料、耐油橡胶密封垫圈以及液压密封胶衬入其间，以防杂质、水和空气侵入，并防止漏油。
同时，防止由阀和管道泄漏在箱盖上的液压油流回液压油箱内，电机和泵放在液压油箱的的上面。
（2）清洗孔：
液压油箱上的清洗孔，最大限度地易于清扫液压油箱内的各个角落和取出箱内的元件。
（3）杂质和污油的排放：
为了便于排放污油，液压油箱底部做成了倾斜式箱底，并将放油塞安放在了最低处。
（4）液面指示：
检查液压油箱内的液面情况，在箱的侧面安装了液面指示计，指示最高、最低油位。
（5）液压油箱的防锈：
为了防止液压油箱内部生锈，应在油箱内壁涂耐油防锈涂料。
3.5集成化设计
使用集成块可以将阀类安装在一起，便于集成控制，便于维修和调节压力，方便油路的连接及控制线路的连接等。
通常情况下，集成块由螺钉紧固在液压油箱上。
根据装配图可知,该液压站由一个集成块组成,由两个螺钉将其紧固在液压油箱上，组成一个完整的液压系统。
下面简要地介绍其设计。
在这个集成块上,与其连接的有两组阀，一个油缸，因此需要设计P1,T1,P2,T2以及与油缸相连的A1,B1，A2,B2。
具体设计过程见附的详细设计图纸。
3.6化的工作要求
集成块的工作要求有如下几个：
（1）通道体及叠加阀中工作介质为N32#或N46#液压油，固密封性要求较高，各个连接件之间必须加密封圈；
（2）块内油道纵横分布，比较复杂，故应注意各个油路中间的距离，两孔中间的壁厚不得小于5mm；
（3）以底面为基准，上表面与下表面的平行度公差不超过0.03mm，各个侧面与底面垂直度公差不超过0.1mm。
块接合面光洁度0.8，其余面为3.2；
（4）所有棱边倒圆角，去毛刺；
（5）表面镀铬处理；
（6）钢坯不得有影响使用的气孔裂纹和杂质等缺陷；
（7）其余孔的定位尺寸公差为0.2mm。
第四章
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