液压与气动技术课程设计卧式单面多轴钻镗两用组合机床液压系统.docx
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液压与气动技术课程设计卧式单面多轴钻镗两用组合机床液压系统
一、液压传动课程设计的目的
1、巩固和深化已学的理论知识，掌握液压系统设计计算的一般方法和步骤。
2、锻炼机械制图，结构设计和工程运算能力。
3、熟悉并会用有关国家标准、部颁标准、设计手册和产品样本等技术资料。
4、提高学生使用计算机绘图软件（如AUTOCAD、PRO/E等）进行实际工程设计的能力。
二、液压课程设计题目
题目
（一）设计一台卧式单面多轴钻镗两用组合机床液压系统，要求完成如下的动作循环：
夹紧——快进——工进——死挡铁停留——快退——松开——原位停止；机床有16个主轴，钻削加工￠13.9mm的孔14个，￠8.5mm的孔2个，工件材料为铸铁，硬度HB240。
动力滑台采用平导轨，工进速度要求无级调速，如用高速刚钻头进行加工，其他参数如下表所示。
数
参据
数
数据
I
II
III
IV
V
运动部件自重（N）
9810
10000
9990
9500
11000
快进快退速度（m/min）
7
7.5
6.5
7.8
8
快进行程（mm）
100
120
110
95
120
工进行程（mm）
50
60
65
70
60
工进速度（mm/min）
30~90
30~90
30~90
30~90
30~90
静摩擦系数fg
0.2
0.15
0.2
0.18
0.15
动摩擦系数fd
0.1
0.08
0.09
0.12
0.14
启动制动时间t（s）
0.2
0.25
0.21
0.23
0.3
试完成以下工作：
1、进行工况分析，绘制工况图。
2、拟定液压系统原理图（A3）。
3、计算液压系统，选择标准液压元件。
4、绘制液压缸装配图（A1）。
5、编写液压课程设计说明书。
机床加工示意图如下：
∙组合机床工况分析……………………………………3
第2章液压缸的主要参数的确定……………………………4
第3章拟定液压系统图……………………………………………6
第4章液压缸的机构设计………………………………………8
设计总结…………………………………………………………………12
参考资料………………………………………………………………13
附录A………………………………………………液压系统原理图
附录B……………………………………………………液压缸结
第1章组合机床工况分析
负载分析
∙工作负载：
高速钻头钻铸铁空时的轴向切削力Ft与钻头直径D，每转进给量s（以mm/r计）和铸件硬度HB之间的经验算式为
根据组合机床加工特点，钻孔时的主转速n和每转进给量s可选下列数值：
对直径13.9的孔来说＝360r/min，=0.147mm/r
对直径8.5的孔来说=550r/min，=0.096mm/r
带入公式得：
＝（14x25.5x13.9xx+2x25.5x8.5x）N
=30468N
2）惯性负载=（G/g）（△V/△t）=（9500/9.81）（7.8/（60/0.236））=533.4N
3）阻力分析静摩擦分析=0.18X9500N=1710N
动摩擦分析=0.12X9500N=1140N
液压缸的机械效率取∮＝0.9，由此得出液压缸在各工作的负载如下表
：
工况
负载组成
负载值F/N
推力F*/N
启动
F=
1710N
1900N
加速
F=+
2243.4N
2492.7N
快进
F=
1140
1266.7N
工进
F=+
31608N
35120N
快退
F=
1140
1266/7N
负载图和速度图的绘制
负载图上按上面数值绘制，如下图A所示。
速度图按已知数值V1=V3=7.8m/min、L1=95mm、L2=70mm、快退行程L3=L2+L2=165mm和工进速度V2等绘制。
如图B所示。
其中V2有主轴转速及每转进给量求出，即V2=＝=＝53mm/min
v/m/min7.8
F/N
35120
0.053
50100150
19002492L/mm
1266.7
050100150
-1266.7L/mm-7.8
图A图
第2章液压缸的主要参数的确定
由表1.0可知，组合机床液压系统在最大负载35000N时宜取P1＝4Mpa。
液压缸工作负载
＜5000
5000～10000
10000～20000
20000～30000
30000～40000
﹥50000
液压缸工作压力
0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～6
7～10
表1.0
鉴于动力滑台要求快进快退速度相等，这里的液压缸可选用单杆式的，并在快进时做差动连接。
这种情况下液压缸无杆腔面积为A1取为有杆腔工作面积的两倍，即活塞杆直径d与缸筒D成d＝0.707D的关系。
在钻孔加工时，液压缸回油路上必须具有背压p2，取p2＝0.8Mpa，以防空杯钻通时滑台突然前冲。
快进时液压缸虽然差动连接，单由于油管中有压降△p存在，有杆腔的压力必须大于无杆腔，估算时△p约等于0.5Mpa。
快退时会有腔中有背压的，这时p2亦可按0.5Mpa估算。
由工进时的推力计算液压缸面积：
F/=A1P1–A2P2=A1P1-（A1/2）P2
故有A1=（F/）/（P1-P2/2）=（35120）/（4–0.8/2）㎡=0.0098㎡=98
D==11.12㎝d=0.707D=7.86㎝
当按GB2348---80将这些直径圆整成就将近标准值时得：
D=11㎝,d＝8㎝。
由此求得液压缸两腔的实际有效面积为：
A1=3.14/4=95.03,A2=3.14（-）/4＝44.77。
经检验，活塞杆的强度和稳定性均符合要求。
根据上述D与d的值，可估算液压缸在各个工作阶段中的压力、流量和功率，如表2.0所示，并据此绘出工况图C所示：
表2.0液压缸在各个工作阶段中的压力、流量和功率值
工况
负载F/N
回油腔压力P2/Mpa
进油腔压力P1/Mpa
输入流量Q/（L/min）
输入功率P/kw
计算式
快进（差动）
启动
1900N
P2=0
0.434
-----------
-----------
P1=（F+A2S2）/（A1-A2）
Q=（A1-A2）V1
P=P1Q1
回速
2492.7N
P2=P1+△P
0.791
-------------
------------
恒速
1266.7N
0.622
35.19
0.39
工进
35120N
0.8
4.054
0.5
0.034
P1=（F+P2A2）
Q=A1V2
P=P1Q
启动
1900N
P2=0
0.487
------------
------------
P1=（F+P2A1）/A2
Q=A2V2
P=P1Q
快退
回速
2492.7N
0.5
1..45
------------
------------
恒速
1266.7N
1.305
31.34
0.68
第3章拟定液压系统图
3.1选择液压回路
（1）调速方式的选择
液压系统的调速方式可分为节流调速回路、容积调速回路和容积节流调速回路三种形式。
由工况得知，该液压系统功率小，滑台运动速度低，工作负载为阻力负载且工作中变化小，故可选用进油路节流调速回路，为防止钻通孔时负载突然消失引起运动部件的前冲现象，在回油路上加背压阀。
（2）液压泵形式的选择
系统工作循环主要由低压大流量和高压小流量两个阶段组成，最大流量与最小流量的时间之比
。
根据该情况，本方案决定采用大、小两个液压泵自动并联供油的油源方案。
（3）速度换接方式的选择
因钻孔工序对位置精度及工作平稳性要求不高，可选用行程调速阀和电磁换向阀。
动作可靠，转换精度较高。
（4）快速回路与工进转快退控制方式的选择
为使快进快退速度相等，选用差动回路作快速回路。
（5）调压和卸荷回路的选择
在双泵供油的油源形式确定后，调压和卸荷问题都已基本解决。
即滑台工进时，高压小流量泵的出口压力由油源中的溢流阀调定，无需另设调压回路。
在滑台工进和停止时，低压大流量泵通过液控顺序阀卸荷，高压小流量泵在滑台停止时虽未卸荷，但功率损失较小，故可不需再设卸荷回路。
（6）夹紧油路的选择
夹紧油路中串接减压阀，可根据工件夹紧力的需要调节并稳定其压力，即使主油路压力低于减压阀所调压力，因为有单向阀的存在，夹紧系统也能维持其压力（保压）。
二位四通电磁换向阀的常态位置是夹紧工件，保证了操作安全可靠。
3.2组成系统
系统原理图
3.3液压系统工作分析
工件夹紧：
电液换向阀处于中位状态，液压泵输出的压力油进入夹紧缸的左腔，右腔回油，活塞杆向右移动，将工件夹紧。
夹紧后，液压缸左腔的压力升高，当油压超过压力继电器的调定值时，压力继电器发出信号指令使电磁铁1YA通电，液压缸8动作。
快速前进：
电磁铁1YA通电，电液换向阀左位接入系统，溢流阀17因系统压力不高仍处于关闭状态，这时液压缸8作差动连接，液压泵18输出最大量。
系统中油液流动的情况为：
进油路：
液压泵18→单向阀16→换向阀10（左位）→行程阀7（左位）→液压缸8左腔
回油路：
液压缸8右腔→换向阀10（左位）→单向阀3→行程阀7（左位）→液压缸8左腔
工进阶段：
工进在滑台前进到预定位置，挡块压下行程阀7时开始，这时系统压力升高，溢流阀17打开，液压泵单泵供油，系统中油液流动情况为：
进油路：
液压泵18→单向阀16→换向阀10（左位）→调速阀4→液压缸8左腔
回油路：
液压缸8右腔→换向阀10（左位）→溢流阀2→顺序阀1→油箱
停留阶段：
停留在工进行进到碰上死挡块不再前进时开始，并在系统压力进一步升高，压力继电器9发出信号后终止。
快退阶段：
快退在压力继电器9发出信号后，电磁铁1YA断电、2YA通电时开始，这时系统压力下降，液压泵供油量增加，系统中油液的流动情况为：
进油路：
液压泵18→单向阀16→换向阀10（右位）→液压缸8右腔
回油路：
液压缸8→左腔单向阀6→换向阀12（右位）→油箱
松开：
松开在挡块压下终点开关时3YA通电，夹紧缸松开。
其油液流动情况为：
进油路：
液压泵18→单向阀16→减压阀15→单向阀14→换向阀13（右位）→夹紧缸右腔
回油路：
夹紧缸左腔→换向阀13（右位）→油箱
停止
停止在滑台快速退回到原位，挡块压下终点开关，电磁铁2YA断电、换向阀10处于中位，液压泵卸荷，滑台停止运动。
油路：
液压泵18→单向阀16→换向阀10（中位）→油箱
第四章液压缸的机构设计
4.1为满足本题目中液压系统快进—工进—快退的使用要求，选用双作用单杆活塞缸。
1）液压缸的组成：
液压缸的结构基本上可分成缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置，以及排气装置五个部分。
2）液压缸组件的连接方式：
缸筒与缸盖的连接形式，因法兰连接结构简单，容易加工，也易拆卸，故采用法兰连接，
缸筒与缸底的连接形式也用法兰连接。
活塞杆与活塞的连接方式选用螺纹连接，其结构简单，安装方便可靠。
活塞杆导向部分的结构活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导套的结构，以及密封、防尘、锁紧装置等。
3）活塞及活塞杆处密封圈的选用
活塞及活塞杆处密封圈的选用，应根据密封部位、使用部位、使用的压力、温度、运动速度的范围不同而选择O型的密封圈。
4）液压缸的缓冲装置
液压缸带动工作部件运动时，因运动件的质量大，运动速度较高，则在达到行程终点时，会产生液压冲击，甚至使活塞与缸筒端盖产生机械碰撞。
为防止此现象的发生，在行程末端设置缓冲装置。
常见的缓冲装置有环状间隙节流缓冲装置，三角槽式节流缓冲装置，可调缓冲装置。
5）液压缸排气装置
对于速度稳定性要求的机床液压缸，则需要设置排气装置。
6）密封装置的选择
选0形密封圈，因为其具有良好的密封性能，且结构紧凑，运动件的摩擦阻力小，装卸方便，容易制造，价格便宜等优点。
4.2液压缸设计需要注意的事项
1）尽量使液压缸有不同情况下有不同情况，活塞杆在受拉状态下承受最大负载。
2）考虑到液压缸有不同行程终了处的制动问题和液压缸的排气问题，缸内如无缓冲装置和排气装置，系统中需有相应措施。
3）根据主机的工作要求和结构设计要求，正确确定液压缸的安装、固定方式，但液压缸只能一端定位。
4）液压缸各部分的结构需根据推荐结构形式和设计标准比较，尽可能做到简单、紧凑、加工、装配和维修方便。
4.3液压缸主要零件的材料和技术要求
1）缸体
材料---灰铸铁:
HT200,HT350。
粗糙度---液压缸内圆柱表面粗糙度为Ra＝0.2～0.4um
技术要求：
a内径用H8-H9的配合
b缸体与端盖采用螺纹连接，采用6H精度
2）缸盖
材料---35钢
粗糙度---导向表面粗糙度为Ra＝0.8～1.6um
技术要求：
同轴度不大于
分析：
缸体组件有与活塞组件构成密封的空腔，承受油压，因此缸体组件要有足够的强度，较高的表面精度，以承受活塞频繁的往复摩擦，保证活塞密封件的可靠密封，缸体组件指的是缸筒与缸盖，其使用材料与工作压力有关，当工作压力p＜10Mpa时使用铸铁，当工作压力10Mpa＞p＜20Mpa时使用铸刚或锻刚，本题目中工作压力的最大值为3.98Mpa，故选用铸铁缸筒。
缸盖的材料常用35号，40钢号锻件，或ZG270-500.ZG310-570及HT250.HT300等灰铸铁。
3）活塞
材料---灰铸铁：
HT300
粗糙度---活塞外圆柱粗糙度Ra＝0.8～1.6um
技术要求：
活塞外径用橡胶密封即可取f7~f9的配合，内孔与活塞杆的配合可取H8。
4）活塞杆
材料---实心：
45钢，调质处理，
粗糙度---杆外圆柱粗糙度为Ra＝0.4～0.8um
技术要求：
a调质20~25HRC
b活塞与导向套用
的配合，与活塞的连接可用
分析：
活塞组件主要包括活塞，活塞杆，连接件等。
活塞杆是液压传力的主要零件，由于液压缸被用于不同的条件，因此要求活塞杆能经受压缩，拉伸，弯曲，
振动，冲击等载荷作用，还必须具有耐磨，耐腐蚀性能，故活塞杆材料可用35号钢，45号钢或无缝钢管做成实心杆或空心杆，为提高耐磨和防锈能力，可在活塞杆表面镀铬并抛光，活塞材料通常采用钢.耐磨铸铁，有时也用黄铜或铝合金。
5）导向套
材料---青铜，球墨铸铁
粗糙度---导向表面粗糙度为
技术要求：
a导向套的长度一般取活塞杆直径的60%~80%
b外径D内孔的同轴度不大于内孔公差之半
分析：
导向套按材料分为金属型和非金属型两种，金属型一般选用摩擦系数小耐磨好的青铜材料制造，非金属型导向套可采用塑料，聚四氟乙烯或聚三氟乙烯等材料制作。
4.4液压缸主要尺寸的计算
液压缸的主要尺寸包括液压缸的内径D，活塞杆直径d，液压缸筒的长度L，
1）液压缸内径D的计算，
根据最大负载和选取的工作压力来确定内径D=110mm，
2）活塞杆直径d的计算
在前面的计算中已经确定d=80mm，
3）液压缸筒长度L的计算
液压缸筒长度L由活塞最大行程l，活塞宽度B，活塞杆导向长度H和有特殊要求的其他长度确定。
查手册选取活塞行程L=250mm，活塞宽度B=（0.6—1.0）d，选B=88mm，导向套长度H=（0.6—1.0）d，选H=0.8d=64mm，且液压缸筒长度不超过内径110mm的20倍，综上所述，得液压缸筒长度L=450mm。
6）液压缸参数的计算
液压缸的结构参数，主要包括缸筒壁厚，油口直径，缸底厚度
1）壁厚的计算
查表取缸筒外径为133mm，则壁厚
=（133－110）/2=11.5mm
2）液压缸油口直径在计算
设定液压缸油口液流速度为1.0m/min
则液压缸油口直径应根据活塞最高运动速度V和油口最高液流速度Vo=而定
Do=0.13D
Do————液压缸油口直径
=0.13X0.11
D————液压缸内径
=40mmV————液压缸最高输出速度
Vo————油口液流速度
7）缸底厚度计算
D————液压缸内径（mm）
【
】——缸底材料的许用应力（Mpa）
Py————试验压力（Mpa）
8）缸头厚度计算
由于在液压缸缸头上有活塞杆导向孔，因此其厚度的计算方法与缸底有所不同，这里选用螺钉联结法兰式缸头。
H=
F=
+
（d
-
）q
F————法兰受力总和（N）q————附加密封压力（pa）
————螺钉孔分布圆直径（m）
————密封环平均直径（m）【
】————法兰材料许用应力（pa）d————密封环内径（m）
————密封环外径（m）P————系统工作压力（pa）
选取d=90mm
=100mm
=110mm
=130mmP=3.98Mpaq=0.5Mpa
将数据代入式中，求得h=28mm
设计总结
通过这次的课程设计，我基本学会了液压系统的设计和计算，强化了对液压元件性能的掌握，理解不同回路在系统中的各自作用，进一步巩固、加深和拓宽了所学的知识。
在设计的过程中，培养了我综合应用液压传动课程及其他课程的理论知识在实际生产中应用所学知识解决工程实际问题的能力，在设计的过程中还培养出了我们的团队精神，大家共同解决了许多个人无法解决的问题，在这些过程中我们深刻地认识到了自己在知识的理解和接受应用方面的不足，在今后的学习过程中我们会更加努力和团结。
参考资料
1、赵波，王宏元﹒液压与气动技术【M】﹒北京：
机械工业出版社，2008
2、左键民﹒液压与气动技术【M】﹒北京：
机械工业出版社，2007
3、路甬祥﹒液压气动技术手册【M】﹒北京：
机械工业出版社，2002
4、张利平﹒液压与气动设计手册【M】﹒北京：
机械工业出版社，1997
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