钻镗两用组合机床机液压系统设计.docx
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钻镗两用组合机床机液压系统设计
攀枝花学院
学生课程设计说明书
题目：
钻镗两用组合机床机液压系统设计
学生姓名：
李侃
学号：
200910601046
所在院（系）：
机械工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
2009级机制1班
指导教师：
张勇
职称：
副教授
2012年6月15日
攀枝花学院教务处制
攀枝花学院本科学生课程设计任务书
题 目
钻镗组合两用机床液压系统课程设计
1、课程设计的目的
学生在完成《液压传动与控制》课程学习的基础上，运用所学的液压基本知识，根据液压元件、各种液压回路的基本原理，独立完成液压回路设计任务；从而使学生在完成液压回路设计的过程中，强化对液压元器件性能的掌握，理解不同回路在系统中的各自作用。
能够对学生起到加深液压传动理论的掌握和强化实际运用能力的锻炼。
2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）
设计一台钻镗两用组合机床，完成6个Φ14mm孔的加工进给运动，根据加工需要，该系统的工作循环是：
快速前进----工作进给----快速退回----原位停止。
给定条件为：
快进快退速度4.65m/min,工进速度应在20~120mm/min范围内无极调速。
工作台最大行程449mm,工进行程189mm，最大切削力为18KN，运动部件自重16KN，气动换向时间△t=0.05s，采用水平放置的平导轨，静摩擦系数fs=0.2，动摩擦系数fd=0.1。
3、主要参考文献
1王积伟，章宏甲，黄谊.主编.液压传动.机械工业出版社.2006.12
2成大先.主编.机械设计手册单行——本机械传动.化学工业出版社2004.1
3何玉林，沈荣辉，贺元成.主编.机械制图.重庆大学出版社.2000.8
4路甬祥主编.液压气动技术手册.北京.机械工业出版社.2002
5雷天觉主编.液压工程手册.北京.机械工业出版社.1990
4、课程设计工作进度计划
内容
学时
明确机床对液压系统的要求，进行工作过程分析
6
初步确定液压系统的参数，进行工况分析和负载图的编制
16
确定液压系统方案，拟订液压系统图
8
确定液压制造元件的类型并选择相应的液压元件，确定辅助装置
6
液压系统的性能验算
4
合计
1周
指导教师（签字）
日期
年月日
教研室意见：
年月日
学生（签字）：
接受任务时间：
年月日
注：
任务书由指导教师填写。
课程设计（论文）指导教师成绩评定表
题目名称
评分项目
分值
得分
评价内涵
工作
表现
20%
01
学习态度
6
遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。
02
科学实践、调研
7
通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。
03
课题工作量
7
按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。
能力
水平
35%
04
综合运用知识的能力
10
能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。
05
应用文献的能力
5
能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。
06
设计（实验）能力，方案的设计能力
5
能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。
07
计算及计算机应用能力
5
具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。
08
对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）
10
具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。
成果
质量
45%
09
插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度
5
符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。
10
设计说明书（论文）质量
30
综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。
11
创新
10
对前人工作有改进或突破，或有独特见解。
成绩
指导教师评语
指导教师签名：
年 月 日
摘要
钻镗组合机床是机械、电气、液压三者紧密联系，结合的一个综合体。
液压传动与机械传动、电气传动并列为三大传统形式，液压传动系统的设计在现代机械的设计工作中占有重要的地位。
因此，《液压传动》课程是工科机械类各专业都开设的一门重要课程。
它既是一门理论课，也与生产实际有着密切的联系。
为了学好这样一门重要课程，除了在教学中系统讲授以外，还应设置课程设计教学环节，使学生理论联系实际，掌握液压传动系统设计的技能和方法。
液压传动课程设计的目的主要有以下几点：
1、综合运用液压传动课程及其他有关先修课程的理论知识和生产实际只是，进行液压传动设计实践，是理论知识和生产实践机密结合起来，从而使这些知识得到进一步的巩固、加深提高和扩展。
2、在设计实践中学习和掌握通用液压元件，尤其是各类标准元件的选用原则和回路的组合方法，培养设计技能，提高学生分析和嫁接生产实际问题的能力，为今后的设计工作打下良好的基础。
3、通过设计，学生应在计算、绘图、运用和熟悉设计资料（包括设计手册、产品样本、标准和规范）以及进行估算方面得到实际训练。
关键词板料折弯机，液压传动系统，液压传动课程设计。
ABSTRACT
Verticalplatebendingmachineisamechanical,electrical,hydraulicthreecloselylinked,incombinationwithacomplex.Hydraulicdriveandmechanicaldrive,electricdriveandtiedforthethreemajortraditionalform,thedesignofhydraulictransmissionsysteminmodernmachinerydesignworkoccupiesanimportantposition.Therefore,"hydraulic"courseformechanicalengineeringmajorisanimportantcourseoffering.Itisnotonlyatheory,butalsowiththeactualproductionarecloselylinked.Inordertolearnsuchanimportantcourse,exceptintheteachingsystemteachingoutside,stillshouldsetthecurriculumdesignteaching,enablestudentstointegratetheorywithpractice,tomastertheskillsofdesignofhydraulictransmissionsystemandmethod.
Hydraulictransmissioncoursedesignthepurposeofthefollowingmainpoints:
In1,theintegrateduseofhydraulictransmissioncourseandotherrelatedcoursesoftheoreticalknowledgeandpracticalproductiononly,hydraulictransmissiondesignpractice,theoryandpracticeareclassifiedtogether,sothattheseknowledgegetconsolidatefurther,deepentheenhancingandexpanding.
2,inthedesignpracticetolearnandmasterthegeneralhydrauliccomponents,especiallyallkindsofstandardcomponentsoftheselectionprinciplesandcircuitcombinationmethods,trainingdesignskills,improvestudents'analysisandgraftingproductionactualproblemability,forthedesignoffutureworktolayagoodfoundation.
3,bydesign,drawing,calculation,studentsshouldapplyandbefamiliarwiththedesigndata（includingdesign,productsamples,standardsandnorms）andestimatesofpracticaltraining.
Keywordssheetmetalbendingmachine,hydraulicsystem,hydraulictransmissioncoursedesign.
摘要…………………………………………………………………………………………Ⅰ
ABSTRACT…………………………………………………………………………………Ⅱ
1绪论………………………………………………………………………………………1
2设计的技术要求和设计参数………………………………………………………2
3工况分析……………………………………………………………………………3
3.1确定执行元件………………………………………………………………………3
3.2分析系统工况………………………………………………………………………3
3.3负载循环图和速度循环图的绘制…………………………………………………4
4确定系统主要参数……………………………………………………………………6
4.1初选液压缸工作压力…………………………………………………………………6
4.2确定液压缸主要尺寸…………………………………………………………………6
4.3计算最大流量需求……………………………………………………………………7
5拟定液压系统原理图………………………………………………………………9
5.1速度控制回路的选择………………………………………………………………9
5.2换向和速度换接回路的选择………………………………………………………9
5.3油源的选择和能耗控制……………………………………………………………10
5.4压力控制回路的选择………………………………………………………………11
6液压元件的选择………………………………………………………………………13
6.1确定液压泵和电机规格……………………………………………………………13
6.2阀类元件和辅助元件的选择……………………………………………………14
6.3油管的选择…………………………………………………………………………16
6.4油箱的设计…………………………………………………………………………17
7液压系统性能的验算…………………………………………………………………20
7.1验算系统压力损失并确定压力阀的调整值……………………………………20
7.2油液温升验算………………………………………………………………………22
结论…………………………………………………………………………………………23
参考文献……………………………………………………………………………………24
致谢…………………………………………………………………………………………25
1绪论
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，介绍钻镗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、液压元件的选择和确定辅助装置、液压系统的性能验算以及液压装置的结构设计，绘制工作图及编制技术文件等。
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。
液压系统在组合机床上主要是用于实现工作台的直线运动和回转运动，如图1-1所示，如果动力滑台要实现二次进给，则动力滑台要完成的动作循环通常包括：
原位停止快进I工进死挡铁停留快退原位停止。
图1-1组合机床动力滑台工作循环
2设计的技术要求和设计参数
工作循环：
快进工进快退停止；
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。
表1设计参数
参数
数值
切削阻力（N）
18000
滑台自重（N）
16000
快进、快退速度（m/min）
4.65
工进速度（mm/min）
20~120
最大行程（mm）
449
工进行程（mm）
189
启动换向时间（s）
0.05
液压缸机械效率
0.9
3工况分析
3.1确定执行元件
金属切削机床的工作特点要求液压系统完成的主要是直线运动，因此液压系统的执行元件确定为液压缸。
3.2分析系统工况
在对液压系统进行工况分析时，本设计实例只考虑组合机床动力滑台所受到的工作负载、惯性负载和机械摩擦阻力负载，其他负载可忽略。
1）工作负载FW
工作负载是在工作过程中由于机器特定的工作情况而产生的负载，对于金属切削机床液压系统来说，沿液压缸轴线方向的切削力即为工作负载，即
FW=18000N
2）惯性负载
最大惯性负载取决于移动部件的质量和最大加速度，其中最大加速度可通过工作台最大移动速度和加速时间进行计算。
已知启动换向时间为0.05s，工作台最大移动速度，即快进、快退速度为4.65m/min，因此惯性负载
Fm=
=
3）阻力负载
阻力负载主要是工作台的机械摩擦阻力，分为静摩擦阻力和动摩擦阻力两部分。
静摩擦阻力Ffj=fj×N=
=0.2×16000=3200N
动摩擦阻力Ffd=fd×N=
=0.1×16000=1600N
根据上述负载力计算结果，可得出液压缸在各个工况下所受到的负载力和液压缸所需推力情况，如表2所示。
表2液压缸在各工作阶段的负载（单位：
N）
工况
负载组成
负载值F
液压缸推力
=F/
起动
=
3200N
3556N
加速
=
+
4080N
4533N
工况
负载组成
负载值F
液压缸推力
=F/
快进
=
1600N
1778N
工进
=
+
19600N
21778N
反向起动
=
3200N
3556N
加速
=
+
4080N
4533N
快退
=
1600N
1778N
注：
此处未考虑滑台上的颠覆力矩的影响。
图3-1组合机床动力滑台液压系统负载循环图
图3-1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21778N，其他工况下负载力相对较小。
3.3负载循环图和速度循环图的绘制
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=V3=4.65m/min、快进行程L1=449-189=260mm、工进行程L2=189mm、快退行程L3=400mm，工进速度V2=20~120mm/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3-2所示。
图3-2组合机床动力滑台液压系统的速度循环图
4确定系统主要参数
4.1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21778N，其它工况时的负载都相对较低，参考表11-2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。
4.2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
是有杆腔工作面积
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），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
，且有杆腔的压力必须大于无杆腔，估算时取
0.5MPa。
快退时回油腔中也是有背压的，这时选取被压值
=0.6MPa。
工进时液压缸的推力计算公式为
，
式中：
F——负载力
m——液压缸机械效率
A1——液压缸无杆腔的有效作用面积
A2——液压缸有杆腔的有效作用面积
p1——液压缸无杆腔压力
p2——液压有无杆腔压力
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=0.707×103.4=73.1mm，根据GB/T2348—1993对液压缸缸筒内径尺寸和液压缸活塞杆外径尺寸的规定，圆整后取液压缸缸筒直径为D=110mm，活塞杆直径为d=80mm。
此时液压缸两腔的实际有效面积分别为：
m2
4.3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=23.34L/min
工作台在快退过程中所需要的流量为
q快退=A2×v2=20.83L/min
工作台在工进过程中所需要的流量为
q工进=A1×v1’=0.19~1.14L/min
其中最大流量为快进流量为23.34L/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3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
3556
0
1.15
——
——
q=（A1-A2）v1
P=p1q
p2=p1+Δp
加速
4533
1.85
1.35
——
——
恒速
1778
1.3
0.80
23.34
0.29
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
工进
21778
0.8
2.67
0.19~1.14
0.0085~0.0507
P1=（F‘+p2A2）/A1
q=A1v2
P=p1q
快退
起动
3556
0
0.79
——
——
P1=（F‘+p2A1）/A2
q=A2v3
P=p1q
加速
4533
0.6
2.28
——
——
恒速
1778
0.6
1.67
20.83
0.580
把表3中计算结果绘制成工况图，如图4-1所示。
图4-1液压系统工况图
5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。
5.1速度控制回路的选择
工况图4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。
5.2换向和速度换接回路的选择
所设计多轴钻镗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23.34L/min降为0.19~1.14L/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5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。
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