设计一台钻镗两用组合机床的液压系统.docx
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设计一台钻镗两用组合机床的液压系统
课程设计说明书
钻镗两用组合机床液压系统
学院：
机械与车辆学院
专业：
姓名：
指导老师：
机械工程及自动化专业
学号：
职称：
中国·珠海
二○一二年五月
北京理工大学珠海学院
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
机械工程及自动化
指导教师：
工作部门：
机械与车辆学院
一、课程设计题目
设计一台钻、镗两用组合机床的液压系统，要求液压系统完成“快进→工进→快退→停止”的工作循环及工件的定位与夹紧。
已知：
最大切削力为12000N，运动部件自重为18000N，工作台快进行程为200mm，工进行程为200mm，快进、快退速度为5m/min，工进速度为20—100mm/min，加、减速时间为0.2s，导轨为平导轨，静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1。
工件所需夹紧力不得超过6000N，最小不低于3330N，由松开到夹紧的时间为1s，夹紧缸的行程为40mm。
二、课程设计内容
液压传动课程设计一般包括以下内容：
（1）明确设计要求进行工况分析；
（2）确定液压系统主要参数；
（3）拟定液压系统原理图；
（4）计算和选择液压元件；
（5）验算液压系统性能；
（6）结构设计及绘制零部件工作图；
（7）编制技术文件。
三、进度安排
阶段
主要内容
时间安排
1．设计准备
（1）阅读、研究设计任务书，明确设计内容和要求，了解原始数据和工作条件；
（2）收集有关资料并进一步熟悉课题。
10％
2．液压系统设计计算
（1）明确设计要求进行工况分析；
（2）确定液压系统主要参数；
（3）拟定液压系统原理图；
（4）计算和选择液压件；
（5）验算液压系统性能；
20％
3．绘制工作图
（1）绘制零、部件图；
（2）绘制正式的液压原理图。
40％
4．编制技术文件
（1）编写设计计算说明书；
（2）编写零部件目录表。
20％
5．答辩
整理资料，答辩
10％
四、基本要求
（1）液压传动课程设计是一项全面的设计训练，它不仅可以巩固所学的理论知识，也可以为以后的设计工作打好基础。
在设计过程中必须严肃认真，刻苦钻研，一丝不苟，精益求精。
（2）液压传动课程设计应在教师指导下独立完成。
教师的指导作用是指明设计思路，启发学生独立思考，解答疑难问题，按设计进度进行阶段审查，学生必须发挥主观能动性，积极思考问题，而不应被动地依赖教师查资料、给数据、定方案。
（3）设计中要正确处理参考已有资料与创新的关系。
任何设计都不能凭空想象出来，利用已有资料可以避免许多重复工作，加快设计进程，同时也是提高设计质量的保证。
另外任何新的设计任务又总有其特定的设计要求和具体工作条件，因而不能盲目地抄袭资料，必须具体分析，创造性地设计。
（4）学生应按设计进程要求保质保量的完成设计任务。
五、课程设计内容（含技术指标）
设计中等复杂程度的机床液压传动系统，确定液压传动方案，选择有关液压元件，设计液压缸的结构，编写技术文件并绘制有关图纸。
六、学生提交材料一览表
序号
材料名称及顺序
规格
单位
数量
1
课程设计材料装订本
课程设计任务书
A4
张
2
设计计算说明书
A4
份
1
3
4
5
Pro/E三维造型
份
1
6
液压系统原理图
2#图纸
张
1
7
液压缸的装配图
1#图纸
张
1
8
零件图
4#图纸
张
3
9
课程设计档案袋
A4
个
1
10
课程设计材料清单
写在档案袋封面上
七、工作要求
1．液压系统的工况分析时，要作出负载循环图和速度循环图。
2．拟订液压系统原理图，采用合理的执行机构，确定正确的调速方案和速度换接方法，完善系统的调压、卸荷及执行元件的换向和安全互锁等要求。
3．正确计算液压缸的主要尺寸以及所需的压力和流量；正确计算液压泵的工作压力、流量和传动功率；合理选择液压泵和电动机的类型和规格；合理选择阀类元件和辅助元件的规格。
4．用CAD绘图，图纸应符合国家标准。
液压系统原理图中应附有液压元件明细表、各执行元件的动作顺序工作循环图和电器元件动作顺序表
5．设计计算说明书用A4纸打印。
6.用专用的本子做设计，每天由指导教师审阅签字。
7.在指定的教室内进行设计。
8.作息时间：
8：
30~11：
30点，2：
30~5：
30
执笔者：
（签名）指导老师：
（签名）
2012年5月21日
绪论
随着科学技术和工业生产的飞跃发展，国民经济各个部门迫切需要各种各样的质量优、性能好、能耗低、价格廉的液压机床产品。
其中，产品设计是决定产品性能、质量、水平、市场竞争能力和经济效益的重要环节。
产品的设计包括液压系统的功能分析、工作原理方案设计和液压传动方案设计等。
这些设计内容可作为液压传动课程设计的内容。
很明显，液压系统设计本身如果存在问题，常常属于根本性的问题，可能造成液压机床的灾难性的失误。
因此我们必须重视对学生进行液压传动设计能力的培养。
作为一种高效率的专用机床，组合机床在大批、大量机械加工生产中应用广泛。
本次课程设计将以组合机床动力滑台液压系统设计为例，介绍该组合机床液压系统的设计方法和设计步骤，其中包括组合机床动力滑台液压系统的工况分析、主要参数确定、液压系统原理图的拟定、液压元件的选择以及系统性能验算等。
组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定外形和加工工艺设计的专用部件和夹具而组成的半自动或自动专用机床。
组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。
组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。
组合机床通常采用多轴、多刀、多面、多工位同时加工的方式，能完成钻、扩、铰、镗孔、攻丝、车、铣、磨削及其他精加工工序，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。
液压系统由于具有结构简单、动作灵活、操作方便、调速范围大、可无级连读调节等优点，在组合机床中得到了广泛应用。
1钻镗液压机床的设计
1.1机床的设计要求
设计一台钻镗两用组合机床的液压系统,要求液压系统完“快进→工进→快退→停止”的工作循环及共建的定位与夹紧。
已知：
最大切削力12000N，移动部件总重量18000N；工作台快进行程为200mm，工进行程为200mm，快进、快退的速度为5m/min，工进速度应在（20～100）mm/min范围内无级调速；加、减速时间为0.2s，导轨为平导轨，静摩擦系数0.2，动摩擦系数0.1。
共建所需夹紧力不得超过6000N，最小不低于4000N，有松开到夹紧的时间为1s，夹紧缸的行程为40m。
1.2机床的设计参数
系统设计参数如表1所示，动力滑台采用平面导轨，其静、动摩擦系数分别为fs=0.2、fd=0.1。
l1=200mm，l2=200mm，l3=400mm其主要设计参数如表1-1
表1-1设计参数
参数
数值
切削阻力（N）
12000
滑台自重（N）
18000
快进、快退速度（m/min）
5
工进速度（mm/min）
20—100
最大行程（mm）
400
工进行程（mm）
200
启动换向时间（s）
0.2
液压缸机械效率
0.9
2执行元件的选择
2.1分析系统工况
2.1.1工作负载
钻镗两用组合机床的液压系统中，钻镗的轴向切削力为Ft。
根据题意，最大切削力为12000N。
2.1.2惯性负载
惯性负载
2.1.3阻力负载
静摩擦阻力
动摩擦阻力
由此可得出液压缸的在各工作阶段的负载如表2-1
表2-1液压缸的在各工作阶段的负载
工况
负载组成
负载值F
推力
启动
3600N
4000N
加速
2565N
2850N
快进
1800N
2000N
工进
13800N
15333N
快退
1800N
2000N
2.2负载循环图和速度循环图的绘制
根据表2-1中计算结果，绘制组合机床动力滑台液压系统的负载循环图如图2-1所示。
图2-1
图2-1表明，当组合机床动力滑台处于工作进给状态时，负载力最大为15333N，其他工况下负载力相对较小。
所设计组合机床动力滑台液压系统的速度循环图可根据已知的设计参数进行绘制，已知快进和快退速度V1=V2=5m/min、快进行程L1=200mm、工进行程L2=200mm、快退行程L3=400mm，工进速度V2=20～100mm/min。
根据上述已知数据绘制组合机床动力滑台液压系统的速度循环图如图2-2所示。
2-2组合机床液压系统速度循环图
2.3主要参数的确定
2.3.1初选液压缸工作压力
所设计的动力滑台在工进时负载最大，其值为15333N，其它工况时的负载都相对较低，参考表2-2和表2-3按照负载大小或按照液压系统应用场合来选择工作压力的方法，初选液压缸的工作压力p1=3MPa。
表2-2按负载选择工作压力
负载/KN
<5
5~10
10~20
20~30
30~50
>50
工作压力/MPa
<0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
≥5
表2-3各种机械常用的系统工作压力
机械类型
机床
农业机械
小型工程机械
建筑机械
液压凿岩机
液压机
大中型挖掘机
重型机械
起重运输机械
磨床
组合机床
龙门刨床
拉床
工作压力/MPa
0.8~2
3~5
2~8
8~10
10~18
20~32
2.3.2确定液压缸主要尺寸
由于工作进给速度与快速运动速度差别较大，且快进、快退速度要求相等，从降低总流量需求考虑，应确定采用单杆双作用液压缸的差动连接方式。
通常利用差动液压缸活塞杆较粗、可以在活塞杆中设置通油孔的有利条件，最好采用活塞杆固定，而液压缸缸体随滑台运动的常用典型安装形式。
这种情况下，应把液压缸设计成无杆腔工作面积A1是有杆腔工作面积A2两倍的形式，即活塞杆直径d与缸筒直径D呈d=0.707D的关系。
工进过程中，当孔被钻通时，由于负载突然消失，液压缸有可能会发生前冲的现象，因此液压缸的回油腔应设置一定的背压（通过设置背压阀的方式），执行元件的背压力如表2-4，从表中选取此背压值为p2=0.8MPa。
表2-4执行元件背压力
系统类型
背压力/MPa
简单系统或轻载节流调速系统
0.2~0.5
回油路带调速阀的系统
0.4~0.6
回油路设置有背压阀的系统
0.5~1.5
用补油泵的闭式回路
0.8~1.5
回油路较复杂的工程机械
1.2~3
回油路较短且直接回油
可忽略不计
快进时液压缸虽然作差动连接（即有杆腔与无杆腔均与液压泵的来油连接），但连接管路中不可避免地存在着压降△P，且有杆腔的压力必须大于无杆腔，估算时取△P≈0.5MPa。
快退时回油腔中也是有背压的，这时选取被压值
=0.5MPa。
工进时液压缸的推力计算公式为
，
因此，根据已知参数，液压缸无杆腔的有效作用面积可计算为
液压缸缸筒直径为
由于有前述差动液压缸缸筒和活塞杆直径之间的关系，d=0.707D，因此活塞杆直径为d=0.707×87=62mm，取整后取液压缸缸筒直径为D=90mm，活塞杆直径为d=70mm。
表2-5按工作压力选取d/D
此时液压缸两腔的实际有效面积分别为：
2.3.3计算最大流量需求
工作台在快进过程中，液压缸采用差动连接，此时系统所需要的流量为
q快进=（A1-A2）×v1=14.14L/min
工作台在快退过程中所需要的流量为
q快退=A2×v2=17.67L/min
工作台在工进过程中所需要的流量为
q工进=A1×v1’=0.13~0.64L/min
其中最大流量为快进流量为17.67L/min。
根据上述液压缸直径及流量计算结果，进一步计算液压缸在各个工作阶段中的压力、流量和功率值，如表3所示。
表2-5各工况下的主要参数值
工况
推力F’/N
回油腔压力P2/MPa
进油腔压力P1/MPa
输入流量q/L.min-1
输入功率P/Kw
计算公式
快进
启动
4000
0
1.41
——
——
P1=
q=（A1-A2）v1
P=p1q
p2=p1+Δp
加速
2850
2.13
1.63
——
——
恒速
2000
1.83
1.33
14.14
0.31
工进
15333
0.8
2.85
0.13～0.64
0.06～0.31
P1=（F’+p2A2）/A1
q=A1v2
P=p1q
快退
起动
4000
0
1.13
——
——
P1=（F’+p2A1）/A2
q=A2v3
P=p1q
加速
2850
0.5
1.71
——
——
恒速
2000
0.5
1.47
17.67
0.49
把表2-5中计算结果绘制成工况图，如图2-3所示。
图2-3组合机床液压缸工况图
3拟定液压系统原理图
根据组合机床液压系统的设计任务和工况分析，所设计机床对调速范围、低速稳定性有一定要求，因此速度控制是该机床要解决的主要问题。
速度的换接、稳定性和调节是该机床液压系统设计的核心。
此外，与所有液压系统的设计要求一样，该组合机床液压系统应尽可能结构简单，成本低，节约能源，工作可靠。
3.1速度控制回路的选择
工况图2-3表明，所设计组合机床液压系统在整个工作循环过程中所需要的功率较小，系统的效率和发热问题并不突出，因此考虑采用节流调速回路即可。
虽然节流调速回路效率低，但适合于小功率场合，而且结构简单、成本低。
该机床的进给运动要求有较好的低速稳定性和速度-负载特性，因此有三种速度控制方案可以选择，即进口节流调速、出口节流调速、限压式变量泵加调速阀的容积节流调速。
钻镗加工属于连续切削加工，加工过程中切削力变化不大，因此钻削过程中负载变化不大，采用节流阀的节流调速回路即可。
但由于在钻头钻入铸件表面及孔被钻通时的瞬间，存在负载突变的可能，因此考虑在工作进给过程中采用具有压差补偿的进口调速阀的调速方式，且在回油路上设置背压阀。
由于选定了节流调速方案，所以油路采用开式循环回路，以提高散热效率，防止油液温升过高。
3.2换向和速度换接回路的选择
所设计多轴钻床液压系统对换向平稳性的要求不高，流量不大，压力不高，所以选用价格较低的电磁换向阀控制换向回路即可。
为便于实现差动连接，选用三位五通电磁换向阀。
为了调整方便和便于增设液压夹紧支路，应考虑选用Y型中位机能。
由前述计算可知，当工作台从快进转为工进时，进入液压缸的流量由14.14L/min降为0.13～0.64L/min，可选二位二通行程换向阀来进行速度换接，以减少速度换接过程中的液压冲击，如图3-1所示。
由于工作压力较低，控制阀均用普通滑阀式结构即可。
由工进转为快退时，在回路上并联了一个单向阀以实现速度换接。
为了控制轴向加工尺寸，提高换向位置精度，采用死挡块加压力继电器的行程终点转换控制。
a.换向回路b.速度换接回路
图3-1换向和速度切换回路的选择
3.3油源的选择
最大流量与最小流量之比约为135，而快进所需的时间比工进所需的时间少得多，因此从提高系统效率，节省能量的角度来看，采用单个单个定量泵作为油源显然不适合的，宜采用双泵供油系统，也可选用限压式变量泵作油源。
但限压式变量泵结构复杂、成本高，且流量突变时液压冲击较大，工作平稳性差，最后确定选用双联液压泵供油方案，有利于降低能耗和生产成本，如图3-2所示。
图3-2双泵供油油源
3.4压力控制回路的选择
由于采用双泵供油回路，故采用液控顺序阀实现低压大流量泵卸荷，用溢流阀调整高压小流量泵的供油压力。
为了便于观察和调整压力，在液压泵的出口处、背压阀和液压缸无杆腔进口处设测压点。
将上述所选定的液压回路进行整理归并，并根据需要作必要的修改和调整，最后画出液压系统原理图如图3-3所示。
为了解决滑台快进时回油路接通油箱，无法实现液压缸差动连接的问题，必须在回油路上串接一个液控顺序阀7，以阻止油液在快进阶段返回油箱。
同时阀8起背压阀的作用。
为了避免机床停止工作时回路中的油液流回油箱，导致空气进入系统，影响滑台运动的平稳性，图中添置了一个单向阀13。
考虑到这台机床用于钻孔（通孔与不通孔）加工，对位置定位精度要求较高，图中增设了一个压力继电器14。
当滑台碰上死挡块后，系统压力升高，压力继电器发出快退信号，操纵电液换向阀换向。
在进油路上设有压力表开关和压力表，钻孔行程终点定位精度不高，采用行行程开关控制即可。
3-3（a）液压工作循环图
3-3（b）电磁铁和阀的动作图
图3-3（c）液压系统原理图
1—双联叶片泵2—三位五通电液阀3—行程阀
4—调速阀5、6、10、13—单向阀7—顺序阀
8—背压阀9—溢流阀11—过滤器
12—压力开关14—压力继电器
4液压元件的选择
本设计所使用液压元件均为标准液压元件，因此只需确定各液压元件的主要参数和规格，然后根据现有的液压元件产品进行选择即可。
4.1确定液压泵和电机规格
4.1.1计算液压泵的最大工作压力
由于本设计采用双泵供油方式，根据图2-3液压系统的工况图，大流量液压泵只需在快进和快退阶段向液压缸供油，因此大流量泵工作压力较低。
小流量液压泵在快速运动和工进时都向液压缸供油，而液压缸在工进时工作压力最大，因此对大流量液压泵和小流量液压泵的工作压力分别进行计算。
根据液压泵的最大工作压力计算方法，液压泵的最大工作压力可表示为液压缸最大工作压力与液压泵到液压缸之间压力损失之和。
对于调速阀进口节流调速回路，选取进油路上的总压力损失
，同时考虑到压力继电器的可靠动作要求压力继电器动作压力与最大工作压力的压差为0.5MPa，则小流量泵的最高工作压力可估算为
大流量泵只在快进和快退时向液压缸供油，图2-3表明，快退时液压缸中的工作压力比快进时大，如取进油路上的压力损失为0.5MPa，则大流量泵的最高工作压力为：
4.1.2计算总流量
表2-5表明，在整个工作循环过程中，液压油源应向液压缸提供的最大流量出现在快退工作阶段，为17.67L/min，若整个回路中总的泄漏量按液压缸输入流量的10%计算，则液压油源所需提供的总流量为：
工作进给时，液压缸所需流量约为1.9L/min，但由于要考虑溢流阀的最小稳定溢流量3L/min，故小流量泵的供油量最少应为4.9L/min。
据据以上液压油源最大工作压力和总流量的计算数值，查阅液压设计手册，确定PV2R型双联叶片泵能够满足上述设计要求，因此选取PV2R126/26型双联叶片泵，其中小泵的排量为6mL/r，大泵的排量为26mL/r，若取液压泵的容积效率
=0.9，则当泵的转速
=940r/min时，小泵的输出流量为
qp小=69400.9/1000=5.076L/min
该流量能够满足液压缸工进速度的需要。
大泵的输出流量为
qp大=26*940*0.9/1000=22.00L/min
双泵供油的实际输出流量为
该流量能够满足液压缸快速动作的需要。
液压泵参数如表4-1所示。
表4-1液压泵参数
元件名称
估计流量
规格
额定流量
额定压力MPa
型号
双联叶片泵
—
（5.1+22）
最高工作压力为21MPa
PV2R12-6/26
4.1.3电机的选择
由于液压缸在快退时输入功率最大，这时液压泵工作压力为2.39MPa，流量为27.1L/min。
取泵的总效率
，则液压泵驱动电动机所需的功率为：
根据上述功率计算数据，按JB/T9616-1999，此系统选取Y100L-6型电动机，其额定功率
，额定转速
。
4.2阀类元件和辅助元件的选择
图3-3液压系统原理图中包括调速阀、换向阀、单项阀等阀类元件以及滤油器、空气滤清器等辅助元件。
4.2.1．阀类元件的选择
根据上述流量及压力计算结果，对图3-3初步拟定的液压系统原理图中各种阀类元件及辅助元件进行选择。
其中调速阀的选择应考虑使调速阀的最小稳定流量应小于液压缸工进所需流量。
通过图3-3中4个单向阀的额定流量是各不相同的，因此最好选用不同规格的单向阀。
图3-3中溢流阀9、背压阀8和顺序阀7的选择可根据调定压力和流经阀的额定流量来选择阀的型式和规格，其中溢流阀2的作用是调定工作进给过程中小流量液压泵的供油压力，因此该阀应选择先导式溢流阀，连接在大流量液压泵出口处的顺序阀7用于使大流量液压泵卸荷，因此应选择外控式。
背压阀8的作用是实现液压缸快进和工进的切换，同时在工进过程中做背压阀，因此采用内控式顺序阀。
最后本设计所选择方案如表4-2所示，表中给出了各种液压阀的型号及技术参数。
表4-2阀类元件的选择
序号
元件名称
通过的最大流量q/L/min
规格
型号
额定流量qn/L/min
额定压力Pn/MPa
额定压降∆Pn/MPa
1
双联叶片泵
—
PV2R12-6/26
5.1/22*
16
—
2
三位五通电液换向阀
50
35DY—E10B
80
16
<0.5
3
行程阀
60
AXQF-E10B
63
16
<0.3
4
调速阀
<1
AXQF-E10B
0.07~50
16
—
5
单向阀
60
AXQF-E10B
63
16
0.2
6
单向阀
25
AF3-Ea10B
63
16
0.2
7
液控顺序阀
22
YF3—E10B
63
16
0.3
8
背压阀
0.3
YF3—E10B
63
16
—
9
溢流阀
5.1
YF3—E10B
63
16
—
10
单向阀
26
AF3-Ea10B
63
16
0.2
11
滤油器
30
XU—63×80-J
36
16
0.02
12
压力表开关
—
KF3-E3B
—
—
—
13
单向阀
60
AF3-Ea10B
63
16
0.2
14
压力继电器
—
HED1KA/10
—
10
—
4.3油管的选择
图3-3中各元件间连接管道的规格可根据元件接口处尺寸来决定，液压缸进、出油管的规格可按照输入、排出油液的最大流量进行计算。
由于液压泵具体选定之后液压缸在各个阶段的进、出流量已与原定数值不同，所以应对液压缸进油和出油连接管路重新进行计算，如表4-3所示。
表4-3液压缸的进、出油流量和运动速度
流量、速度
快进
工进
快退
输入流量
排出流量
运动速度
根据表4-3中数值，当油液在压力管中流速取3m/s时，可算得与液压缸无杆腔和有杆腔相连的油管内径分别为：
，
因此与液压缸相连的两根油管可以按照标准GB/T2351-20
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