液压专用铣床液压系统的设计

摘要

现代机械一般多是机械、电气、液压三者紧密联系、结合的综合体，液压传动系统的设计在现代机械设计中占有重要地位。液压专用铣床是以电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油，通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出不同行程、不同方向的动作。完成铣床各种不同的动作。同时液压专用铣床是用来加工简单工序的零件的，在结合液压缸的直线运动、效率高的特点，使其在低成本加工中得到广泛应用。

本液压系统的设计，除了满足铣床在动作和性能方面规定的要求外，还必须符合体积小、重量轻、成本低、效率高、机构简单、工作可靠、使用和维修方便等一些公认的普通设计原则。液压系统的设计主要是根据已知的条件，来确定液压工作方案、液压流量、压力和液压泵及其它元件的设计。

关键词：液压传动、稳定性、铣床、直线运动

Abstract

Modern machinery in general and more complex mechanical, electrical, hydraulic, three closely linked, combined, The hydraulic drive system design plays an important role in the modern mechanical design. Hydraulic special milling machine is the motor to power the base. Using the hydraulic pump mechanical energy converted into pressure, and promote the hydraulic oil. Change the flow of hydraulic fluid through the control of a variety of valves, thus promoting the hydraulic cylinder to make a different itinerary, the action of different directions. Completion of milling a variety of different actions. Same time, hydraulic special milling is used to process a simple process parts, The combination of the linear motion of the hydraulic cylinder, high efficiency features, it has been widely used in low-cost processing.

The hydraulic system design, In addition to meet the milling machine in action and performance requirements，also must conform to the small size, light weight, low cost, high efficiency, and organization is simple, reliable operation, use and maintenance convenience, some general design principles recognized. The hydraulic system design is based on the known conditions to determine the hydraulic program of work, hydraulic flow, pressure, and hydraulic pumps and other components of the design

Key words: hydraulic transmission, control system, Milling machine，Linear motion

目录

第一章绪论 (1)

1.1液压专用铣床概述 (1)

1.2液压专用铣床的研究目的和意义 (1)

1.3国内外专用铣床的发展和研究状况 (2)

1.4国内外专用铣床的发展趋势 (4)

1.5本课题研究的主要内容 (4)

第二章液压系统的设计 (5)

2.1液压专用铣床液压系统设计的已知条件 (5)

2.2工况分析 (5)

2.3拟定液压系统原理图 (6)

2.3.1确定供油方式 (6)

2.3.2调速方式的选择 (7)

2.3.3速度换接方式的选择 (7)

2.3.4夹紧回路的选择 (7)

2.4液压系统的计算和选择液压元件 (8)

2.4.1液压缸的主要尺寸的确定 (8)

2.4.2确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格 (9)

2.4.3液压阀的选择 (11)

2.4.4确定管道尺寸 (12)

第三章液压缸的设计 (13)

3.1液压缸的主要尺寸的确定 (13)

3.1.1液压缸的工作压力的确定 (13)

3.1.2液压缸内径D和活塞杆直径d的确定 (14)

3.1.3液压缸壁厚和外径的计算 (16)

3.1.4液压缸工作行程的确定 (17)

3.1.5缸盖厚度的确定 (17)

3.1.6最小导向长度的确定 (17)

3.1.7缸体长度的确定 (18)

d (18)

3.1.8固定螺栓得直径

s

3.1.9液压缸强度校核 (19)

3.2液压缸的结构设计 (19)

3.2.1 缸体与缸盖的连接形式 (20)

3.2.2 活塞杆与活塞的连接结构 (21)

3.2.3 活塞杆导向部分的结构 (22)

3.2.4 排气装置 (22)

3.2.5 液压缸的安装结构 (22)

第四章液压站的设计 (24)

4.1液压油箱的设计 (24)

4.1.1液压油箱有效容积的确定 (24)

4.1.2液压油箱的外形 (25)

4.1.3液压油箱的结构设计 (26)

4.2液压站的结构设计 (28)

4.2.1液压泵的安装方式 (28)

4.2.2电动机与液压泵的联接方式 (28)

4.2.3液压站结构设计的注意事项 (28)

第五章液压阀块的设计 (30)

5.1液压阀的配置形式 (30)

5.2液压阀块的结构设计 (30)

第六章辅助元件的选择 (32)

6.1管道的选择 (32)

6.2管接头的选择 (32)

6.3密封件 (32)

6.4滤油器的选择 (32)

6.5空气滤清器的选择 (32)

6.6液位计的选择 (32)

第七章液压系统的验算 (33)

7.1压力损失的验算 (33)

7.2系统温升的验算 (35)

结论 (36)

致谢 (37)

参考文献 (38)

第一章绪论

1.1液压专用铣床概述

液压专用铣床是在铣床的基础上以液压传动进给的方式取代传统的电机进给的方式，因为液压装置液压装置的体积小、重量轻、结构紧凑，能做到对速度的无级调节，而且调速范围大，对速度的调节还可以在工作过程中进行。液压专用铣床工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向。液压专用铣床易于实现自动化，可以很方便地对液体的流动方向、压力和流量进行调节和控制，并能很容易地和电气、电子控制或气压传动控制结合起来，实现复杂的运动和操作。但也有弊端，在液压系统出现故障的时候不易诊断，铣床液压传动有较多的能量损失（泄漏损失、压力损失等），因此，传动效率相对低。

1.2液压专用铣床的研究目的和意义

铣床是一种主要用于金属切削的机床，于1818年由包括埃里·惠特尼在内的数位美国机械工程师共同发明。以铣刀作为刀具加工工件表面这种方法叫做铣削。铣床用来切削平面，或者用特殊形状的铣刀铣出成型表面、螺旋槽或齿轮的齿形等。铣削时，工件装在工作台上或分度头等附件上，铣刀作旋转的切削运动，辅以工作台作进给运动。铣床可分为卧式铣床、立式铣床、龙门铣床、仿形铣床和万能铣床等，铣床由于具有高效率，精度高等特点，已成为各行业中不可缺少的设备，特别是各种精密铣床、数控铣床更是国防、航空、汽车、拖拉机、造船、机床和工具制造部门发展品种、推进技术改造的重要设备。铣床拥有量已占机床量的1/10以上。

经过40多年的努力，我国液压、气动和密封件行业已形成了一个门类比较齐全，有一定生产能力和技术水平的工业体系。据1995年全国第三次工业普查统计，我国液压、气动和密封件工业乡及乡以上年销售收入在100万元以上的国营、村办、私营、合作经营、个体、“三资”等企业共有1300余家，其中液压约700家，气动和密封件各约300余家。按1996年国际同行业统计，我国液压行业总产值23.48亿元，占世界第6位；气动行业总产值4.19亿元，占世界第10位[1]。

液压传动有很多优点，应用十分广泛，在一般工程机械、加工机械、压力机械、机床等，行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等，发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等，特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等，军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等。

1.3国内外专用铣床的发展和研究状况

“十五”以来，尤其是最近二、三年，随着国民经济的持续发展和国家对国产数控机床的大力支持，我国许多重要行业对加工中心和数控铣床的需求愈来愈大。有需求有市场，就有生产，这是市场经济规律。所以国内不少从未涉及制造铣床的厂家，都纷纷上阵，通过引进技术、合作生产等形式，开发研制各种加工中心和数控铣床，满足广大用户的需求。根据中国机床工具工业协会对重点骨干企业的统计资料和其他有关资料表明，2005年我国已有11个企业批量生产各种加工中心422台，生产特种数控铣床75台。其中年产超过80台的企业有3家：沈阳机床（集团）有限责任公司、宁波海天精工机械有限公司、威海华东数控股份有限公司。而沈阳机床集团在2005年生产包括五轴联动加工中心等各种产品135台，占铣床加工中心总产量的32%。

图1.2 X5032A立式升降台铣床图1.3 山东大汉机床ZX6350Ｃ钻铣床“十五”期间，是我国机床工具行业发展最快的五年，通过引进技术合作生产等形式，在新产品研发方面取得较大进展。在高速、高精、多轴、复合等方面都有较大突破，尤其是加工中心和数控铣床更为突出。从1999年江苏多棱（原常州机床总厂）带头打破西方封锁，试制成功具有自主知识产权的我国第一台五轴联动数控龙门镗铣床以来，已有济南二机、桂林机床、北京一机等多家公司推出五轴联动加工中心和数控铣床。尤其是今年2月份在上海举办的中国数控机床展览会（CCMT2006）上，实力雄厚的沈阳机床集团，一次推出6台大型加工中心，其中3台具有五轴联动功能，1台具有五面加工功能，1台为车铣加工中心，这也突出体现了我国加工中心和数控铣床在五轴联动功能上，开始走向成熟。近年来，有的厂产品在主轴转速、快速进给、机床精度等主要技术参数已接近或达到国际先进水平。尤其是北京一机截止到今年6月底，仅一年半的时间就签约生产工作台宽度4米、5米的超重型动梁加工中心和数控铣床10台，说明我国生产中、高档重型和超重型加工中心和数控铣床的厂家在产量和技术水平上有的已迈进国际机床大厂的行列。

在近几届国内机床展览会上，看到我国加工中心和数控铣床在结构性能、技术水平、产品质量等方面，都有很大提高。但是，与发达国家同类产品相比，还有较大差距，首先是自主创新能力不够，当前多以仿制为主，或引进技术合作生产，缺乏自主知识品牌的高档产品，往往关键的核心技术，关键的功能部件，还是从国外购买。例如，在今年CCMT2006上海机床展会上，共展出了8台五轴联动龙门加工中心，采用的关键部件——双摆角铣头，除了济南二机和桂林机床是自己开发的以外，其余6台都是购买意大利意萨、菲迪亚等国外公司产品。其次是产品质量，尤其是整机可靠性，还有较大差距，这也是用户最关注的问题之一。应该看到，目前除少数企业外，龙门类产品技术含量普遍较低，数控机床产业化程度不高。这些都是国内主机厂需要下大力气认真改进、努力提高的地方。

图1.4德国FZ35高架式五轴联动图1.5 意大利五轴龙门高

龙门加工中心图速铣床目前的知名生产厂家有：

（1）北京第一机床厂，从1960年北一试制X212龙门铣床以来，至今已有四十多年的历史，尤其是1984年至今的22年间，北一在引进世界上生产数控龙门镗铣床著名厂家德国瓦德里希科堡公司的先进技术及合作生产的基础上，通过消化吸收和科研攻关，不但成功地合作生产了8台重型和超重型加工中心和数控铣床，而且掌握了其中的关键核心技术，实现了技术创新和技术进步。

（2）济南二机床集团有限公司，从1992年开始，引进著名机床制造商法国福斯特里纳公司的先进技术，进行长期合作生产以来，开发了工作台移动式、移动式、定梁、动梁等多种形式的数控铣床和加工中心。目前，济二生产的五轴联动加工中心和数控铣床，已经被水泵业、轨道客车等用户所认可。

（3）沈阳机床（集团）有限责任公司，多年来，一直以生产钻镗床著称的沈阳机床（集团）公司旗下的中捷机床有限公司、中捷摇臂钻床厂，近年来，通过引进国外龙门五面加工制造技术，消化、吸收，大力开发适合我国国情的五面数控加工机床，在CIMT2005和CCMT2006机床展览会上，都推出多台五轴联动和五面加工加工中心和数控铣床。

（4）桂林机床股份有限公司，多年来，通过与北京航空航天大学、华中科技大

学、清华大学等国内名校进行卓有成效的产学研合作和请国外专家讲课等协作形式，开发出具有自主知识产权的自动万能铣头，并利用自动万能铣头，成功开发了五轴联动数控龙门铣床。自2001年在第七届中国国际机床展览会上，展出采用华中数控系统的国内首台具有自主知识产权的五轴联动数控龙门铣床以来，已开发多台五轴联动产品。

（5）宁波海天精工机械有限公司，隶属于宁波海天集团公司的宁波海天精工机械有限公司，是机床行业的新兵，但是起点较高，通过引进国外先进技术，目前主要生产龙门加工中心、卧式加工中心和数控车床三大系列产品。

1.4国内外专用铣床的发展趋势

当前市场需求分析：伴随着国际经济危机的不断加深及全球经济增长的放缓，机床行业受宏观经济形势的影响，呈现出增长逐步减缓的趋势。自去年下半年以后，机床市场需求出现了严重滑坡。从用户行业上看，汽车行业是机床行业的主要下游行业之一，国内汽车行业受国际、国内整体经济的影响较大，美国汽车三大巨头正面临着前所未有的震荡，其结果有可能使国际汽车行业重新洗牌，给国内汽车行业带来新的机遇与挑战，期待今年下半年能够恢复并带动机床市场的需求；航空航天业是国家重点支持的下游行业，保持着较快的发展速度，对机床产品需求仍较高；电力设备工业有望维持正常增长，继续拉动中高档重型数控机床的需求；而船舶、模具、一般机械制造业，则受宏观经济影响很大，下行趋势已经形成，对机床的需求有所下降。从市场需求看，普通机床和经济型数控机床产品市场需求急剧下滑，传统普通产品生产企业库存量大幅增加。而中、高档数控机床，成套设备和大型重型数控机床需求相对集中，这说明行业产品结构发生了非常大的变化，单台产品平均价格走高，市场需求继续向高端倾斜，重型机床领域竞争将更加激烈。

1.5本课题研究的主要内容

本课题主要研究的是液压专用铣床液压系统的设计，重点在液压设计，设计过程所要完成的是对工作缸的参数设计和结构设计，液压阀块的设计、液压站的设计、和每个过程中的标准件、常用件的选择和设计，最后要进行系统验算，查验压力损失和系统温升是否符合要求，最后要得出结论，此系统是否为最优系统，效率的高低，加工的难易程度都要考虑进去。

第二章 液压系统的设计

2.1液压专用铣床液压系统设计的已知条件

1）已知切削力FQ=20000N ；2）运动部件重力30000N ；3）液压系统完成的工作循环：工件夹紧-工作台快进-工作台工进-工作台快退-工件松开；4）快进、快退速度：v 1=5m/min ;5）工进速度v 2=0.2~1.2m/min ;6)最大行程400mm , 工进行程180mm ;7)夹紧缸行程20mm ,夹紧力为32000N ，夹紧时间为1.0s ;8)采用平面导轨。

2.2工况分析

根据已知条件，绘制运动部件的速度循环图，然后计算各阶段的外负载并绘制负载图，速度循环图如2.1所示。

图2.1 速度循环图

液压缸所受外载荷F 包括三种类型，即

w f a F F F F =++ （2.1）

式中 w F ——工作负载，对于金属切削机床来说，即为沿活塞运动方向的切削

力，在本设计中w F 为20000N 。

a F ——运动部件速度变化时的惯性负载。

f F ——导轨摩擦力负载，启动时为静摩擦力，启动后为动摩擦力，对于

平行导轨F f 可以由下式求的：

()f R F f G F =+ （2.2）

G ——运动部件重力。

R F ——垂直于导轨的工作负载，此设计中为零。

f ——导轨摩擦系数，取静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1。求得

fs F = 0.230000N = 6000N ? （2.3）

fa F = 0.130000N = 3000N ?

上式中fs F 为静摩擦力，fa F 为动摩擦力。

a F =G v g t

?? （2.4） 式中 g ——重力加速度。

t ?——加速或减速时间，一般t ?= 0.01~0.5s 。

v ?——t ?时间内的速度变化量。

此设计中：

a 300005F =N=5102N 9.80.0560

?? （2.5） 根据计算结果得知，列出各阶段所受的外负载（见表2.1），并画出如图2.2所示的负载循环图。

图2.2 负载循环图

2.3拟定液压系统原理图

2.3.1确定供油方式

考虑到该机床在工作进给时负载较大，速度较低。而在快进、快退时负载较小，速度较高。从节能、减少发热考虑，泵源系统适宜选用双泵供油或者变量泵供油。现采用带压力反馈的限压式变量叶片泵。