机电一体化专业毕业论文Y3150E型精密滚齿机液压系统设计.docx
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机电一体化专业毕业论文Y3150E型精密滚齿机液压系统设计
摘要
本文讲述了Y3150E滚齿机液压系统的基本原理和设计过程。
本论文首先概述了滚齿机的发展趋势，了解了滚齿机的基本规格参数，然后明确技术要求对Y3150E滚齿机液压系统进行了分析和设计，其中包括液压系统各个回路的分析和元器件的选择。
同时，对滚齿机的润滑系统和冷却系统进行了分析和设计。
关键词：
Y3150E滚齿机；液压系统；传动；冷却；润滑。
ABSTRACT
ThispaperintroducedtheY3150Egearhobbinghydraulicsystemthebasicprincipleanddesignprocess.
Thispaperfirstoutlinesthedevelopmenttrendofgearhobbing.Understandthebasicspecificationsthegearhobbing,andclarifythetechnicalrequirementofY3150Egearhobbinghydraulicsystemisanalyzedanddesign,includinghydraulicsystemofeachcircuitanalysisandcomponentschoice.Meanwhile,thelubricationsystemofgearhobbingandcoolingsystemanalysisanddesign.
Keyword:
Y3150Egearhobbingmachine;Hydraulicsystem;Transmissionsystem;Coolingsystem;Lubricationsystem.
第一章概述
1.1滚齿机国内外研究现状分析及发展趋势
1.1.1滚齿机国内研究现状
齿轮加工机床是一种技术含量高且结构复杂的机床系统，由于齿轮使用的量大面广，齿轮加工机床已成为汽车、摩托车、工程机械、船舶等行业的关键设备。
特别是，随着汽车工业的高速发展，对齿轮的需求量日益增加:
对齿轮加工的效率、质量及加工成本的要求愈来愈高，使齿轮加工机床在汽车、摩托车等行业中占有越来越重要的作用，滚齿机是齿轮加工机床中的一种，占齿轮加工机床拥有
量的40%，它主要用来加工圆柱齿轮和蜗轮等[1,2]。
我国生产滚齿机的历史始于1953年，经过30年的努力，到80年代初，已进入世界滚齿机主要生产国家行列。
目前，国产滚齿机以传统的机械传动式为主，品种、系列齐全[1]。
传统滚齿机完全依靠机械内联传动实现滚刀与工件的同步运动和差动运动，往往需要经过多级齿轮传动，并且引入蜗杆蜗轮机构，使得机械结构非常复杂，调整维护非常困难，也降低了加工精度。
近几年，我国在滚齿机设计技术方面研究的主要经历了从传统机械式滚齿机通过数控改造发展为2～3轴（直线运动轴）实用型数控高效滚齿机，到全新的六轴四联动数控高速滚齿机的开发[3]，最大主轴转速一般为1200转/分。
与发达国家同类产品相比，我国仍然存在着不小的差距，究其原因，主要还是因为基础研究差，整体设计能力不足，由此导致新技术应用慢和仿制比重较大，如零传动技术、干切技术在齿轮加工机床中的应用一直处于落后状态。
目前国内齿轮加工机床的最高水平如下:
在工作台直线移动方面，采用数控驱动系统代替普通滚齿机的各种交换挂轮，采用交流伺服电机通过多对降速齿轮副和一对滚珠丝杠副来驱动机床的运动部件;在滚刀回转运动方面，采用交流伺服电机通过2-3对降速齿轮副来实现;在工作台回转运动方面，绝大多数齿轮加工机床仍然需要采用多对高精度齿轮副和一对高精度蜗轮蜗杆副实现，由于存在着大量的机械传动元件甲对机床的加工精度产生极大的影响甲也使得机械结构变得更为复杂，调整维修也极不方便，例如，我国最大的齿轮加工机床生产厂——重庆机床厂于2000年通过鉴定的YKS3120六轴四联动数控高速滚齿机曾被列入“国家重大技术装备创新项目”，被称为是国产高档数控滚齿机的里程碑[4],但该机床仍然采用了滚珠丝杠副和齿轮传动链，因此，迄今为止国内在零传动齿轮机床方面还是一个空白。
1.1.2滚齿机国外研究现状
国际上生产滚齿机的强国主要是美国、德国和日本。
美国的Gleason-Pfauter公司，德国的Liebherr公司,日本的三菱重工公司、坚藤、清和公司和意大利的SU公司是国外最具实力的滚齿机制造商。
这些公司目前生产的滚齿机均是全数控式滚齿机，中小规格滚齿机都在朝着高速方向发展，所有高效机床均采用了全密封护罩加油雾分离器及磁力排屑器的方式部分地解决了环保问题[3]。
国外滚齿机研制的热点是干式切削滚齿机，Liebherr，Gleason-Pfauter,三菱重工、SU、坚藤以及清和均开发了适用于高速干式切削的滚齿机产品。
国外制造商由于基础研究厚实，积累了大量的经验，它们对滚齿机的研究已经达到比较高的水准，将滚刀轴驱动、工件轴驱动、各直线运动轴的驱动、控制以及控制软件的开发等因素作为一体来考虑，将多个因素结合在一起进行优化[5,6]。
目前国外滚齿机研制水平如下[5-10]:
1）为了适应干式切削的需要，床身设计了大角度的斜坡，利于迅速将高温切屑排出机床，同时在床身内部采用循环水冷却以保证热稳定性。
2）尾架采用电机驱动的方式来代替传统的液压方式，不用安装限位装置。
3）刀架和活动支承的轴承采用水冷，可以达到更高的速度和最大的热稳定性。
4）标准的热补偿系统能够根据机床温度的变化自动调整零件的加工尺寸。
5）刀架采用机械方式锁紧，液压方式松开。
6）滚刀轴旋转由电主轴直接驱动:
工件轴旋转由力矩电机直接驱动，极大提升了加工速度。
1.1.3滚齿机研制技术发展趋势
为适应齿轮加工行业对制造精度、生产效率、提高质量及清洁生产的要求，滚齿机及滚齿加工技术出现了以下发展趋势：
a.全数控化
所谓的全数控化，指不仅滚齿机的各轴进给运动是数控的，而且机床的展成运动和差动运动也是数控的，即机床的各运动轴进行CNC控制及轴间实现联动。
b.零传动化
“零传动”即直接驱动，由电机直接驱动滚刀、回转工作台及直线进给系统，完全取消所有机械传动环节，实现动力源对机床工作部件的直接传动，传动链的长度为零。
c.高速、高精度化
滚齿机的高速化，主要是指机床拥有高的刀具主轴转速和高的工作台转速，
它们是影响切削效率的主要指标。
提高加工精度的途径可分为两大类，一是提高机床本身的精度，二是通过误差补偿来减少加工误差。
由于采用了高精度、具有预加负荷的高刚性直线导轨、滚珠丝杠、滚动轴承、电主轴、大扭矩同步力矩伺服电动机，使齿轮加工机床在高速加工的条件下精度得到保证并有所提高。
d.环保化
不使用切削液的干切削已成为改善生态环境，降低生产成本的有效措施，也是实现清洁化生产的一条重要途径。
国内、外著名的齿轮加工机床制造商及齿轮刀具制造商，均把研制满足环保要求的干式切削机床和刀具作为产品开发的一项首要任务。
e.集成化
齿轮机床（特别是大型齿轮机床）有集多种工艺于一体的趋势。
如HURTI公司的WF3500滚齿机，将滚齿、插齿（包括插内齿轮）、磨齿和齿轮检测集于一体，工件一次装夹，只需更换切削头，就可实现相应的齿轮加工功能，同时还可以对加工过程中的齿轮进行检测，以决定加工用量。
f.网络化
数控系统的通讯联网功能不断加强。
开放的CNC系统可以方便地进入各级通用网络，从而可以柔性地实现DNC、FMS、CIMS和FA（自动化工厂）。
g.智能化
由于计算机技术及数控技术的发展，智能技术也逐渐用于高性能数控齿轮机
床中，具体表现在：
a.完成加工质量与加工过程智能控制。
b.智能诊断。
1.2本文研究内容
在本次毕业设计之前，本人对滚齿机进行了大概的了解，总结了以前在工厂中实习的经验，对普通机床的结构、造型有了总体的认识，对滚齿机的工作原理也有了较深的了解。
本人的主要设计内容为机床的液压系统设计。
在正常情况下，其加工精度要求达到7级精度，表面粗糙度Ra达3.2μm。
设计的预期效果是机床应能满足强度、刚度、寿命、工艺性与经济性等方面的要求且运行平稳，工件可靠，结构合理，装卸方便，便于维修与调整，最后能满足加工要求，保证加工精度。
针对自己设计的主要内容，在了解滚齿机的总体构造之外查阅了有关结构部件方面的书。
在设计过程中，先对滚齿机进行总体的结构分析，再对滚齿机的液压系统分析，并设计好液压系统的各个回路。
最后是设计冷却装置，主要满足工作要求及工艺性就行了。
第二章滚齿机的液压系统分析
2.1滚齿机的总体结构
工艺方法、刀具、工件的重量和尺寸对机床的结构和性能影响很大，工艺方法的改变常导致机床的运行、传动布局、结构和性能的变化。
一般情况下，运动件的重量和尺寸越小，则需要电动机功率和传动件尺寸及惯性力也越小，机床的机构也可简化。
根据这次设计的机床的设计依据及实际情况，选择立式布局。
根据机床的刚度要求，选择了非封闭式的框架结构。
为减少机床振动，采用分离传动，使主轴等工作部件与振动较大的部件分装在两个地方。
为减少热变形对机床加工精度的影响，进行总体布局可用下述措施：
a.采用分离传动等隔离热源；b.对热源采取冷却；c.热源平衡布置，使热传递和变形对称均匀；d.恰当布置热源控制热变形方向，使热变形与机床受力变形相互补偿，利用热变形提高机床精度。
本次设计的滚齿机主要用于单件、小批和成批圆柱齿轮与蜗轮的铣削加工，所以对于机床的万能性和调整方便性很重要。
为适合右手操作的习惯和便于观察测量，机床的主传动箱设在右面，操纵机构也设在右边以便于操作。
工作台高度设在1米左右，以便于装卸工件。
图2-1滚齿机外形图
2.2滚齿机的主要技术规格参数
最大工件直径-----------------------------550mm
最大模数------------------------------------8mm
最大加工螺旋角-----------------------------±45°
最大安装刀具直径×长度----------------160×160mm
工作台直径--------------------------------510mm
刀具主轴轴线至工作台距离：
最大-------------------535mm
最小-------------------235mm
刀具主轴轴线至工作台回转轴线距离：
最大-------------------330mm
最小--------------------30mm
外支架轴承孔下端面至工作台面距离：
最大-------------------630mm
最小-------------------380mm
工作台液压快速移动距离--------------------50mm
刀具最大轴向串味距离----------------------55mm（手动）
主轴转速级数------------------------------9级
主轴转速范围------------------------------40-250r/min
轴向进给量范围----------------------------0.4-4mm/r[6r/min]
工作台最高转速----------------------------7.8r/min
主电动机功率及同步转速--------------------4KW1500r/min
轴向快速电动机功率及同步转速--------------1.1KW1500r/min
液压泵电动机功率及同步转速----------------1.1KW1000r/min
冷却泵电动机功率--------------------------0.25KW
机床净重----------------------------------4500㎏
机床轮廓尺寸（长×宽×高）------------244×137×180㎝
2.3滚齿机液压系统组成及工作原理
2.3.1滚齿机液压系统组成
滚齿机采用液压传动系统，液压系统若能正常工作必须由以下五部分组成：
（1）动力装置它是把原动机输入的机械能转换为液体压力能的能量转换装置，一般由电动机和液压系组成，其作用是为液压系统提供压力油。
（2）执行元件它是将液体的压力能转换为机械能的能量转换装置，其作用是在压力油的推动下输出力和速度（直线运动），或力矩和转速（回转运动）。
这类元件包括各类液压缸和液压马达。
（3）控制调节元件它是能控制或调节液压系统中油的压力、流量或方向，以保证执行装置完成预期工作的元件。
这类元件主要包括各种液压阀，如溢流阀、节流阀以及换向阀等。
（4）辅助元件辅助元件是指油箱、蓄能器、油管、管接头、滤油器、压力在以及流量计等。
这些元件分别起散热贮油、蓄能、输油、连接、过滤、测量压力和测量流量等作用，以保证系统正常工作，是液压系统不可缺少的组成部分。
（5）工作介质它在液压传功及控制今起传递运动、动力从信号的作用。
工作介质为液压油或其它合成液体。
2.3.2滚齿机液压系统工作原理
本机床液压系统工作压力油是由装在床身上的液压泵用电动机带动叶片油泵供给、系统工作压力为1.8-2.5Mpa中选择理想的档次试调合格为止。
压力的大小由装在配油板上的中压溢流阀调节。
将压力表开关的手柄推入，即可从安装在它上面的压力表看出系统压力的大小。
工作油液采用HL46普通液压油。
新安装的机床若打不进油就在泵的出油口加进油液，并清洗滤油器。
油液首先由吸油管上的网式滤油器净化，流入油泵，再经过线式滤油器进一步将油液净洁后，经单向阀，通到配油板内。
经配油板上的各电磁换向阀，然后分路通往各油缸。
2.4初拟定液压系统原理图
图2-2——液压系统原理图
1-油箱2-线式过滤器3-单向定量液压泵4-溢流阀5-压力表开关6-压力表7-单向阀8-手动三位转阀9-双液控单向阀10、11-三位四通电磁换向阀12-溢流阀13、14、15-油缸
2.5滚齿机液压系统回路分析
本机床液压系统工作压力油是由装在床身上的液压泵用电动机带动叶片油泵供给、系统工作压力为1.8-2.5Mpa中选择理想的档次试调合格为止。
压力的大小由装在配油板上的溢流阀调节。
将压力表开关的手柄推入，即可从安装在它上面的压力表看出系统压力的大小。
新安装的机床若打不进油就在泵的出油口进油液，并清洗滤油器。
油液首先由吸油管上的网式滤油器净化，流入油泵，再经单向阀，通到配油板内。
经配油板上各电磁换向阀，然后通往各油缸。
（1）工作台快速移动油缸回路分析
图2-3工作台快速移动油缸回路
当电磁换向阀得电时，压力油经电磁换向阀，管路进入油缸无活塞杆腔，推动活塞带动工作台向前快速移动。
当电磁阀失电时，压力油经电磁换向阀，管路进入油缸有活塞杆腔，使工作台快速向后移动，回油流回油池。
为操作安全，每次初始开机前，工作台进退旋钮，必需扳回退得位置。
（2）刀架平衡移动油缸回路分析
图2-4刀架平衡移动油缸回路
在刀架快速向上和轴向进给式，电磁阀失电，系统压力油经电磁换向阀、管路进入平衡油缸。
只有当刀架快速向下时，电磁阀失电，压力油不再进入平衡油缸。
此时，刀架平衡油缸向外排油经管路，电磁阀，溢流阀流回油池。
其回油背压力由溢流阀调节，将压力调整为1.5-2Mpa。
从装在配油板上的压力表可看出。
（3）小立柱油缸回路分析
图2-5小立柱油缸回路
压力油经管路进入手动三位转阀后再经双液控单向阀进入小立柱油缸，操纵转阀在不同的三个位置可使压力油路德方向改变，从而使小立柱外支架上升，下降，或停留在任何位置。
双液控单向阀使外支架在停留位置时不会自动爬向上或向下，可靠地保证停留在任何位置。
第三章液压系统工作台液压回路设计
3.1确定设计要求
Y3150滚齿机机床，其卧式动力滑台（导轨为水平导轨，其静摩擦因素us=0.2，动摩擦因素ud=0.1）拟采用液压缸驱动，以完成工件加工时进给运动；工件的夹紧采用液压方式，以保证自动化要求。
液压实现自动循环为：
定位——夹紧——快进——工进——快退——原位停止。
工件部件终点定位精度无特殊要求。
工件情况及动力滑台的以知参数见表3-1。
表3-1工件情况及动力滑台的已知参数
动力滑台
工况
行程
L/mm
速度
v/（m/s）
运动部件重量G/N
启动、制动时间△t/s
快速
L1:
50
V1:
待定
9800
0.2
快退
L2:
50
V2:
待定
3.2选择执行原件
根据上述技术要求，选择杆固定的单杆活塞缸作为驱动滑台实现切削进给运动的液压执行元件；夹紧控制则选用缸筒固定的单杆活塞缸作为液压执行元件。
3.3液压系统分析以及主要参数计算
1、对动力滑台液压缸进行分析计算
（1）运动分析
a.速度分析与相近金属切削机床相类比，确定滑台液压缸的快速进、退的速度相等，且v1=v2=0.1m/s
b.各工况的动作持续时间由行程和运动速度算得各工况的动作持续时间为
快进t1=L1/v1=1（s）
快退t3=（L1+L2）/v3=1.5（s）
（2）动力分析
动力滑台液压缸在快速进、退阶段，启动时的外负载时导轨静摩擦阻力，加速时的外负载是导轨动摩擦阻力和惯性力，恒速时是动摩擦阻力；
由式算得静摩擦负载
Ffs=us（G+Fn）=1960（N）
由式算得动摩擦负载
Ffd=ud（G+Fn）=980（N）
由式算得惯性负载
Fi=G/g×△v/△t=500（N）
上述各式中G——运动部件重力，N;
Fn——工作负载在导轨上的垂直分力，N；
μs、μd——静摩擦，动摩擦因素，根据摩擦表面的材料及性质选定。
表3-2——动力滑台液压缸外负载计算结果
工况
外负载F/N
计算公式
结果
快进
启动
F=Ffs
1960
加速
F=Ffd+G/g×△v/△t
1480
恒速
F=Ffd
980
快退
启动
F=Ffs
1960
加速
F=Ffd+G/g×△v/△t
1480
恒速
F=Ffd
980
2、预选系统设计压力
本机床属于精加工阶段，载荷最大时为启动阶段，其它工况时载荷都不大，预选液压缸设计压力P1=4MPa.
3、计算液压缸主要结构尺寸
为了满足滑台快速进退速度相等，并减小液压泵的流量，将液压缸无杆腔作为主工作腔，并在快进时差动连接，则液压缸无杆腔与有杆腔的有效面积A1与A2应满足A1=2A2，即活塞杆直径d和液压缸内径D的关系应为d=0.71D.
为了防止工作台发生前冲，液压缸需保持一定的回油背压。
暂取背压0.6MPa,并取液压缸机械效率为0.9，则可算得液压缸无杆腔的有效面积
A1=
=94×10-4（㎡）
液压缸内径
D=
=0.109（m）
按GB/T2348-1993,将液压缸内径圆整为D=110mm=11cm
因A1=2A,故活塞杆的直径为
d=0.71D=78.1（mm）
按GB/T2348-1993,将活塞杆直径圆整为d=80mm
则液压缸实际有效面积为
A1=
D2=
×112/4=95（cm2）
A2=
（D2-d2）=44.7（cm2）
A=A1-A2=50.3（㎝2）
式中p1——主工作腔压力，Pa
P2——回油腔压力，Pa
A1——无杆腔活塞的有效面积，㎡
A2——液压缸有杆腔活塞的有效面积，㎡
D、d——液压缸活塞内径、活塞杆直径，m
η㎝——液压缸机械效率，一般取0.90~0.97
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=0.5（Mpa）,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0.7MPa。
4、计算液压缸所需流量
液压缸的最大流量qmax=Avmax
式中A——液压缸的有效面积，㎡
Vmax——液压缸的最大速度，m/s
5、根据上述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。
表3-3——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/（10-3m3/s）
输入功率
P/W
快进
启动
P1=F/0.9+A2△p/Aq=Av1;P=p1q
1960
-
0.48
-
-
加速
1480
1.27
0.77
-
-
恒速
980
1.16
0.66
0.5
330
快退
启动
P1=F/0.9+p2A1/A2
q=A2v1P=p1q
1960
-
0.48
-
-
加速
1480
0.7
1.86
-
-
恒速
980
0.7
1.73
0.45
780
3.4制定液压回路方案，拟定液压系统原理图
图3-1——液压系统原理图
1-油箱2-线式过滤器3-单向定量液压泵4-溢流阀5-压力表开关6-压力表7-单向阀8-手动三位转阀9-双液控单向阀10、11-三位四通电磁换向阀12-溢流阀13、14、15-油缸
3.5计算选择液压元件
a.液压泵及其驱动电机计算与选定
液压泵最高工作压力的计算由工况图可以查的液压缸的最高工作压力出现在后退阶段，即p1=1.86Mpa,快退时液压缸的工作压力比快进时大，取进油路压力损失为△p=0.4MPa,则流量泵的最高工作压力pP=1.86+0.4=2.26Mpa
液压泵的流量计算泵的最小供油流量qP按液压缸的最大输入流量qmax=0.5×10-2m3/s进行估算，根据式取泄露系数K=1.2，泵最小供油流量qP应为
qP≥qv=Kqmax=0.016×10-3m3/s=16L/min
式中qV——系统所需流量；
K——系统的泄露系数，一般取1.1~1.3
确定液压泵的规格根据系统所需流量，拟初选液压泵为转速为n1=1000r/min,泵的容积效率ηv=0.9，根据式可算得泵的排量参考值为Vg=1000qv/nηv=9.5ml/r
根据以上计算结果查阅产品样本，选用规格相近的YB1-10叶片油泵供给，泵额定压力为pn=6.3Mpa,泵排量为V=10ml/r,转速为1450r/min,驱动功率为2.2KW.容积效率为ηv=0.90,总效率为0.80。
与系统所需流量相符合。
确定液压泵驱动功率及电机的规格、型号由工况知，最大功率出现在快退阶段，以知泵的总功率为ηp=0.80,则液压泵快退所需的去驱动功率为
Pp=pPqP/ηP=0.883（KW）
式中pP、qP为液压泵的最大工作压力和最大流量；ηP为液压泵的总效率
查表得，选用Y系列（IP44）中规格相近的Y90I－6型卧式三相异步电动机，其额定功率1.1KW,转速为1000r/min,用此转速驱动液压泵时，能满足系统各工况对流量的要求。
b.液压控制阀和液压辅助元件的选定
首先根据所选择的液压泵规格及系统工况，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，以便为其他液压控制阀及辅件的选择的性能计算奠定基础。
表3-4-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
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