液压台式虎钳设计.docx
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液压台式虎钳设计
摘要：
液压虎钳的运动是一种往复直线运动的方式，它对调速、运动平稳性、换向精度、换向频率都有较高的要求，因广泛采用液压传动。
液压虎钳是一种用于精密加工机床的辅助加工设备，对液压系统有着较高的要求。
液压技术作为一门新兴应用学科，虽然历史较短，发展的速度却非常惊人。
液压设备能传递很大的力或力矩，单位功率重量轻，结构尺寸小，在同等功率下，其重量的尺寸仅为直流电机的10%~20%左右；反应速度快、准、稳；又能在大范围内方便地实现无级变速；易实现功率放大；易进行过载保护；能自动润滑，寿命长，制造成本较低。
因此，世界各国均已广泛地应用在锻压机械、工程机械、机床工业、汽车工业、冶金工业、农业机械、船舶交通、铁道车辆和飞机、坦克、导弹、火箭、雷达等国防工业中。
液压传动设备一般由四大元件组成，即动力元件——液压泵；执行元件——液压缸和液压马达；控制元件——各种液压阀；辅助元件——油箱、蓄能器等。
液压阀的功用是控制液压传动系统的油流方向，压力和流量；实现执行元件的设计动作以控制、实施整个液压系统及设备的全部工作功能。
关键词：
液压虎钳，液压传动，机械，功能
Abstract：
Abstract:
themovementofthehydraulicviceisastraightreciprocatingmotion,ithashigherspeed,smoothmovement,reversingprecisionandswitchingfrequencyrequirements,duetotheextensiveuseofhydraulictransmission.Hydraulicviseisusedforauxiliaryprocessingequipmentofprecisionmachines,thereisahighrequirementofthehydraulicsystem.Theapplicationofhydraulictechnologyasanemergingdiscipline,althougharelativelyshorthistory,thespeedofdevelopmentisveryalarming.Hydraulicequipmentcantransmitgreatforceortorqueandpowerunitweightislight,smallstructuresize,underthesamepower,thesizeoftheweightonlyabout10%to20%ofDCmotor;fastreactionspeed,accurateandstable,andcaninalargerangeconvenientlyrealizethesteplessspeedchange;easytorealizepoweramplifier;easytooverloadprotection;canautomaticlubrication,longservicelifeandlowmanufacturingcost.Therefore,allthecountriesintheworldhavewidelyapplicationinthedefenseindustry,forgingmachinery,engineeringmachinery,machinetoolindustry,automobileindustry,metallurgyindustry,agriculturalmachinery,vesseltraffic,railwayvehiclesandaircraft,tanks,missiles,rocketsandradar.
Hydraulictransmissionequipmentgenerallyconsistsoffourcomponents,namely,powercomponents,hydraulicpump,actuator,hydrauliccylindersandhydraulicmotors,controlcomponents,thevarioushydraulicvalves;auxiliarycomponents,oiltank,theaccumulator.Thehydraulicvalvefunctionistocontrolthehydraulicsystemoilflowdirection,pressureandflow;alltheworkfunctionisdesignedtorealizetheactioncomponentstocontrol,implementationofthewholehydraulicsystemandequipment.
Keywords:
Hydraulicvise,hydraulictransmission,mechanicalfunction
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1液压系统基础知识1
1.2课题的来源与研究的目的与意义2
1.3液压系统简介3
1.4液压系统的基本组成3
1.5液压传动优缺点5
2液压虎钳的总体结构分析7
2.1液压虎钳的基本结构8
2.2液压夹紧系统的组成和特点8
2.3液压虎钳的设计要求8
2.3.1设计液压夹具时需要考虑的问题9
2.4液压虎钳动作循环分析10
2.5液压虎钳负载分析计算11
2.5.1导轨的分析与摩擦力的计算12
2.5.2循环阶段受力分析与计算12
2.6计算液压系统主要参数并编制工况图13
2.6.1预选系统设计压力15
3液压系统的设计16
3.1制定液压回路方案17
3.1.1油源形式及压力控制18
3.1.2调速回路19
4拟定液压系统图19
4.1选择液压基本回路20
4.2选择液压元件20
5液压系统的性能验算21
5.1液压系统的压力损失计算21
5.2液压系统的热量温升计算21
结论22
参考文献23
致谢24
1绪论
1.1液压传动的基础知识
液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。
如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。
1795年英国约瑟夫·布拉曼（JosephBraman,1749-1814），在伦敦用水作为工作介质,以水压机的形式将其应用于工业上,诞生了世界上第一台水压机。
1905年将工作介质水改为油,又进一步得到改善。
第一次世界大战（1914-1918）后液压传动广泛应用,特别是1920年以后,发展更为迅速。
液压元件大约在19世纪末20世纪初的20年间,才开始进入正规的工业生产阶段。
1925年维克斯（F.Vikers）发明了压力平衡式叶片泵,为近代液压元件工业或液压传动的逐步建立奠定了基础。
20世纪初康斯坦丁·尼斯克（G·Constantimsco）对能量波动传递所进行的理论及实际研究;1910年对液力传动（液力联轴节、液力变矩器等）方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。
第二次世界大战（1941-1945）期间,在美国机床中有30%应用了液压传动。
应该指出,日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近20多年。
在1955年前后,日本迅速发展液压传动,1956年成立了“液压工业会”。
近20~30年间，日本液压传动发展之快，居世界领先地位。
液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工。
业用的塑料加工机械、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；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；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；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等；船舶用的甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；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。
液压传动的基本原理是在密闭的容器内，利用有压力的油液作为工作介质来实现能量转换和传递动力的。
其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。
在液压传动中，液压油缸就是一个最简单而又比较完整的液压传动系统，分析它的工作过程，可以清楚的了解液压传动的基本原理.机械工程的服务领域广阔而多面，凡是使用机械、工具，以至能源和材料生产的部门，都需要机械工程的服务。
概括说来，现代机械工程有五大服务领域：
研制和提供能量转换机械、研制和提供用以生产各种产品的机械、研制和提供从事各种服务的机械、研制和提供家庭和个人生活中应用的机械、研制和提供各种机械武器。
不论服务于哪一领域，液压系统的工作内容基本相同，主要有：
建立和发展液压工程的理论基础。
例如，研究流体和压力的工程力学和流体力学；研究金属和非金属材料的性能，及其应用的工程材料学；研究热能的产生、传导和转换的热力学；研究各类有独立功能的机械元件的工作原理、结构、设计和计算的机械原理和机械零件学；研究金属和非金属的成形和切削加工的金属工艺学和非金属工艺学等等。
研究、设计和发展新的机械产品，不断改进现有液压产品和生产新一代液压产品，以适应当前和将来的需要。
液压产品的生产，包括：
生产设施的规划和实现；生产计划的制订和生产调度；编制和贯彻制造工艺；设计和制造工具、模具；确定劳动定额和材料定额；组织加工、装配、试车和包装发运；对产品质量进行有效的控制。
液压制造企业的经营和管理。
液压系统的机械部件一般是由许多各有独特的成形、加工过程的精密零件组装而成的复杂的制品。
生产批量有单件和小批，也有中批、大批，直至大量生产。
销售对象遍及全部产业和个人、家庭。
而且销售量在社会经济状况的影响下，可能出现很大的波动。
因此，液压元件制造企业的管理和经营特别复杂，企业的生产管理、规划和经营等的研究也多是肇始于机械工业。
液压产品的应用。
这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证液压产品在长期使用中的可靠性和经济性。
液压产品的应用。
这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套液压装备，以保证液压产品在长期使用中的可靠性和经济性。
1.2课题的来源与研究的目的与意义
液压虎钳作为平面液压虎钳磨削工件不可或缺的加工辅助结构，在当代机械工业占据着非常重要的地方，随着国民经济的飞速发展，液压虎钳也在不断地发展。
液压虎钳首先是从美国开始研制的。
1958年美国联合控制公司研制出第一台液压虎钳。
日本是液压虎钳发展最快、应用最多的国家。
自1969年从美国引进二种典型液压虎钳后，大力研究液压虎钳的研究。
据报道，1976年从事液压虎钳的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。
1979年120多个大学和国家研究部门用在液压虎钳的研究费用42%。
1979年日本液压虎钳的产值达443亿日元，产量为14535台。
其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。
具有记忆功能的液压虎钳产值约为67亿日元，比1978年增长50%。
智能液压虎钳约为17亿日元，为1978年的6倍。
截止1979年，液压虎钳累计产量达56900台。
在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。
使用液压虎钳最多的是汽车工业，其次是电机、电器。
预计到1990年将有55万液压虎钳投入到矿山开采行业工作。
第三代液压虎钳则能独立地完成工作过程中的任务。
它与电子计算机和电视设备保持联系。
并逐步发展成为柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingsystem）和柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell）中重要一环。
随着液压虎钳的研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。
当代科技发展越来越迅猛，工业的发展与经济的强大与否有着直接关系，所以迫切需要不断地研发出新型的适合多种工件的通用的液压虎钳。
1.3液压系统简介
液压系统是一种以油液作为工作介质，利用油液的压力能并通过控制阀门等附件操纵液压执行机构工作的整套装置，包括动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件（附件）和液压油。
原动机的输出特性往往不能和执行机构的要求（力，速度，位移）理想匹配。
因此，就需要某种传动装置，将原动机的输出量进行适当变换，使其满足工作机构的要求。
液压系统就是用液压原理来实现这种变换功能的装置。
1.4液压系统的基本组成
液压系统主要由：
动力元件（油泵）、执行元件（油缸或液压马达）、控制元件（各种阀）、辅助元件和工作介质等五部分组成。
1、动力元件（油泵）它的作用是把液体利用原动机的机械能转换成液压力能；是液压传动中的动力部分。
2、执行元件（油缸、液压马达）它是将液体的液压能转换成机械能。
其中，油缸做直线运动，马达做旋转运动。
3、控制元件包括压力阀、流量阀和方向阀等。
它们的作用是根据需要无级调节液动机的速度，并对液压系统中工作液体的压力、流量和流向进行调节控制。
4、辅助元件除上述三部分以外的其它元件，包括压力表、滤油器、蓄能装置、冷却器、管件及油箱等，它们同样十分重要。
5、工作介质工作介质是指各类液压传动中的液压油或乳化液，它经过油泵液动机实现能量转换。
1.5液压传动优缺点
优点：
〈1〉体积小、重量轻，单位重量输出的功率大（一般可达32MPa,个别场合更高）。
〈2〉可在大范围内实现无级调速。
〈3〉操纵简单，便于实现自动化。
特别是和电气控制联合使用时，易于实现复杂的自动工作循环。
〈4〉惯性小、响应速度快，起动、制动和换向迅速。
（液压马达起动只需0.1s）
〈5〉易于实现过载保护，安全性好；采用矿物油作为工作介质，自润滑性好。
〈6〉液压元件易于实现系列化标准化和通用化。
缺点：
〈1〉由于液压传动系统中存在的泄漏和油液的压缩性，影响了传动的准确性，不易实现定比传动。
〈2〉不适应在温度变化范围较大的场合工作。
〈3〉由于受液体流动阻力和泄漏的影响，液压传动的效率还不是很高，不易远距离传动。
〈4〉液压传动出现故障不易查找。
2液压虎钳的总体结构分析
2.1液压虎钳的基本结构
液压虎钳主要由油马达、直线滑轨副、滚珠丝杆螺母副，夹板等部分组成，目前各生产厂家的液压虎钳的结构都不尽相同，各有自己的特点。
如有带行程调节装置的，也有无此装置的；有采用气缸的，也有采用液压缸的；缸体内有带缸套的也有无缸套的，其总体结构图如下：
整个液压虎钳安装在平面液压虎钳上面，其工作原理为：
油马达进油后旋转，从而带动滚珠丝杆旋转，于是滚珠螺母开始在滚珠丝杆上面移动，从而带动上面的夹板之间的距离产生位移，从而达到夹紧工件的目的。
2.2液压夹紧系统的组成和特点
液压夹紧系统主要由油马达，滚珠丝杆螺母副，直线滑轨副，以及夹板，夹具体等组成，其特点是通过油压来控制油马达动作，负载力矩大，运动平稳，安全可靠。
2.3液压虎钳的设计要求
2.3.1设计液压夹具时需要考虑的问题
在进行液压夹具装置之前，需要我们了解夹具设计的基本要求。
首先，夹具设计的原则是经济和适用，它可以概括为：
好用，经济，好修等特点，其中好用是主要特点。
其具体要求如下：
（1）夹具的构造应与其用途和生产规模相适应。
正确处理好质量、效率、方便性与经济性之间的关系。
（2）保证工件的加工精度。
（3）保证使用方便，方便拆卸。
（4）注意结构工艺性，并对加工，装配等方面进行综合考虑。
2.4液压虎钳动作循环分析
一般的立式卧轴平面液压虎钳，轴的线性运动具有：
1、工作台的左右运动；
2、砂轮座的上下运动；
3、砂轮座得前后运动。
由于平面液压虎钳的工作台左右移动一般要求高速运动以及平稳，因此大部分平面液压虎钳此轴通常采用液压系统控制。
此处设计为平面液压虎钳夹紧装置采用液压系统传动，砂轮及砂轮座采用电动机带动丝杠传动，本设计中只研究平面液压虎钳的液压系统，对后者不做研究。
因此，设计中只分析设计液压泵带动液压缸的左右运动。
平面液压虎钳夹紧装置循环运动设计为：
快进-工进-快退。
其中快进与快退均设计为13m/min，加速时间为0.13秒。
2.5液压虎钳负载分析计算
2.5.1导轨的分析与摩擦力的计算
主要性能参数与性能要求如下：
假设工件为45号钢：
ρ=7.85g/cm³
m=ρ×v=7.85×（630×200×320）=316.512kg
G=m·g=3101.82N 设工作台及夹具质量为500kg
导轨摩擦系数为μs=0.2
动摩擦系数μd=0.1
静摩擦力：
Ffs=μs·（m1+m2）=0.2×（500+316.5）=1600N
动摩擦力：
Ffd=μd·（m1+m2）=0.1×（500+316.5）=800N
惯性负载：
Fi=（m1+m2）ΔV/Δ
t=（500+316.5）×13/0.13×60=1360.8N
Ft=500N
F′=T/（De/2）=P/n/（πDe·n）=170.6N·m
2.5.2循环阶段受力分析与计算
a快进阶段受力分析：
启动：
F=Ffs1600N
推力：
1778N
加速：
F=Ffd+Fi 2160.8N
推力：
2400N
恒速：
F=Fd 800N
推力：
889N
b 工进：
F=F′+Ffd 970N
推力：
1078N
c 快退阶段：
启动：
F=Ffs 1600N
推力：
1778N
加速：
F=Ffd+Fi 2160.8N
推力：
2400N
恒速：
F=Fd 800N
推力：
889N
根据液压缸在上述各阶段内的负载和运动时间，即可绘制出负载循环图F-L。
2.6计算液压系统主要参数并编制工况图
2.6.1预选系统设计压力
平面液压虎钳也归属精加工机床，所设计的工作台在工进时负载最大，在其它工况负载都不太高，参考表2和表3初选油马达的工作压力p1=2MPa。
3液压系统的设计
3.1制定液压回路方案
3.1.1油源形式及压力控制
液压油泵工况图如下：
从以上工况图表明，系统压力和流量均小，故可采用电动机驱动的单定量泵供油油源和溢流阀调压方案。
3.1.2调速回路
液压虎钳加工零件时，可以精加工和粗加工两种状态，故选用单向调速阀的回油节流调速回路。
由于已选用节流调速回路，故系统必然为开式循环。
其工作原理图如下：
4拟定液压系统图
4.1选择液压基本回路
选择调速回路。
该系统的流量、压力较小，可选用定量泵和溢流阀组成的供油源，液压系统功率小，滑台运动速度低，工作负载变化小，铣床加工有顺锉和逆锉之分，可采用进流口节流的调速形式，具有承受负切削的能力，如图（a）
（a）
选择快速运动回路和换向回路。
系统采用节流调速回路后，不管采用什么油源形式都必须有单独的油路直接通向液压缸两腔，以实现快速运动。
在本系统中，单杆液压缸要作差动连接，为保证换向平稳，采用电液换向阀式换接回路，如图（b）
（b）
选择速度换接回路。
避免液压冲击，宜选用行程阀来控制速度换接，如图（c）
（c）
4.2选择液压元件
1确定液压泵的容量及电机功率
1）液压泵油路压力损失△P=0.5MPa，回油路泄露系数取1.1，则液压泵的最高工作压力为：
pB=p1+△p=（2.54+0.5）MPa=3.04MPa。
总流量：
QB=KQmax=（1.1x5.01）L/min=5.511L/min。
根据上述计算数据查泵的产品目录,选用YB-A9B定量式叶片泵,输出流量6.9L/min。
２）确定驱动电动机功率。
由工况图表明，最大功率出现在快退阶段，液压泵总效率η＝0.75
则电动机功率为：
P=
=
kW=0.283kW;
根据此数据按JB/T9616—1999，查阅电动机产品样本选取Y90S型三相异步电动机，其额定功率P=0.75Kw,额定转速n=1000r/min。
2控制阀的选择
根据阀类及辅助元件所在油路的最大工作压力和通过该元件的最大实际流量，可选出这些液压元件的型号及规格，如下表：
序号
元件名称
额定流量L/min
额定压力MPa
型号规格
1
滤油器
16
6.18
XU—10x200
2
定量式叶片泵
6.9
7
YB-A9B
3
单向阀
63
16
AF3-Ea10B
4
三位五通电液阀
80
18
35DYF3Y-E10B
5
行程阀
63
16
AXQF-E10B
6
调速阀
0.07~50
16
7
单向阀
63
16
9
单向阀
63
16
AF3-Ea10B
10
背压阀
63
6.3
YF3-10B
11
顺序阀
20
3~7
X2F-L10F
12
溢流阀
63
6.3
YF3-10B
13
单向阀
63
16
AF3-Ea10B
3定油管直径
各元件间连接管道的规格按原件接口尺寸决定，液压缸则按输入、排出的最大流量计算。
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，所以要重新计算，如下表所示。
油液在压油管中的流速取3m/min，
d≥2
=2×
mm=9.3mm
油液在吸油管中的流速取1m/min,
d≥2
=2×
mm=11.3mm
两个油管都按GB/T2351-2005选用外径Φ15mm、内径Φ12mm的无缝钢管。
流量、速度
快进
工进
快退
输入流量L/min
q1=（A1qp）/（A1-A2`）
=（19.63x6）/（19.63-10.01）
=12.24
q1=0.5
q1=qp=6
排出流量L/min
q2=（A2q1）/A1
=（10.01x12.24）/19.63
=6.24
q2=（A2q1）/A1
=（0.5x10.01）/19.63
=0.25
q2=（A1q1）/A2
=（19.63x6）/10.01
=11.76
4定油箱容积
取ξ为7时，求得其容积为：
V=ξqp=7×6L=42L
按JB/T7938-1999规定，取标准值V=100L。
5液压系统的性能验算
5.1液压系统的压力损失计算
1）、快进
滑台快进时，液压缸差动连接，进油路上通过单向阀3的流量是6L/min，通过电液换向阀4，液压缸有杆腔的回油与进油路汇合，以12.24L/min通过行程阀5并进入无杆腔。
因此进油路上的总压降为：
∑△
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