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

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

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）

20 12年5月21日

目录

绪论 0

1 钻镗液压机床的设计 (1)

1.1机床的设计要求 (1)

1.2 机床的设计参数 (1)

2 执行元件的选择 (2)

2.1分析系统工况 (2)

2.1.1工作负载 (2)

2.1.2惯性负载 (2)

2.1.3阻力负载 (2)

2.2负载循环图和速度循环图的绘制 (2)

2.3主要参数的确定 (4)

2.3.1 初选液压缸工作压力 (4)

2.3.2 确定液压缸主要尺寸 (5)

2.3.3 计算最大流量需求 (6)

3 拟定液压系统原理图 (8)

3.1 速度控制回路的选择 (8)

3.2 换向和速度换接回路的选择 (8)

3.3 油源的选择 (9)

3.4 压力控制回路的选择 (10)

4 液压元件的选择 (13)

4.1 确定液压泵和电机规格 (13)

4.1.1计算液压泵的最大工作压力 (13)

4.1.2计算总流量 (13)

4.1.3电机的选择 (14)

4.2 阀类元件和辅助元件的选择 (15)

4.2.1．阀类元件的选择 (15)

4.3油管的选择 (16)

4.4 油箱的设计 (17)

4.4.1油箱长宽高的确定 (17)

4.4.2各种油管的尺寸 (18)

5 验算液压系统性能 (18)

5.1验算系统压力损失 (18)

5.2验算系统发热与温升 (22)

6 设计总结 (23)

7 参考文献 (24)

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

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 N t v m F m 7652.06058

.912000=??=??= 2.1.3阻力负载

静摩擦阻力 N F fs 3600180002.0=?=

动摩擦阻力 N F fd 1800180001.0=?=

由此可得出液压缸的在各工作阶段的负载如表2-1

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。

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

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0.8~3~52~88~110~1820~32

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A 1是有杆腔工作面积A 2两倍的形式，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 。

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2p =0.5MPa 。

工进时液压缸的推力计算公式为

11221112/(/2)m F A p A p A p A p η=-=-，

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

26211006.0)2

8.03/(1015333)2/(m P P F

A m =-?=-=η 液压缸缸筒直径为

mm A D 8710006.0446

1

=??==ππ

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：

22162.634cm D A ==π

222134.354)(cm d D A =-=π

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 =（A 1-A 2）×v 1=14.14L/min

工作台在快退过程中所需要的流量为

q 快退 =A 2×v 2=17.67L/min

工作台在工进过程中所需要的流量为

q 工进 =A 1×v 1’=0.13~0.64 L/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。 工况

推力

F ’/N 回油腔压力P 2/MPa 进油腔压力P 1/MPa 输入流量q/L.mi

n -1

输入功

率P /Kw 计算公式 快进 启动

4000 0 1.41 —— —— P 1= q=(A 1-A 2)v 1 P=p 1q p 2=p 1+Δp

加

速 2850

2.13 1.63 —— —— 恒2000 1.83 1.33 14.14 0.31

速

工进1533

3

0.8 2.85

0.13～

0.64

0.06～

0.31

P

1

=(F’+p2A2)/A

1

q=A

1

v2

P=p

1

q

快退起

动

4000 0 1.13 ————

P

1

=(F’+p

2

A

1

)/A

2

q=A2v3

P=p

1

q

加

速

2850 0.5 1.71 ————

恒

速

2000 0.5 1.47 17.67 0.49

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14.14 L/min降为0.13～0.64 L/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