数控车床液压系统的设计(本科高分毕业论文)Word格式.doc
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1.3.2研究内容 2
2液压系统的简介 3
2.1液压系统的组成 3
2.2液压系统的优缺点 3
3液压尾座液压传动总体设计 4
3.1尾座简介 4
3.2回路设计 4
3.2.1液压尾座顶针液压回路 4
3.2.2顶针加紧液压回路 5
4尾座液压系统设计 6
4.1液压系统的压力 6
4.2绘制液压系统原理图 6
4.3顶针油缸的相关计算 7
4.4液压泵的设计 8
4.5阀类元件的选择 9
4.6油管类型的选择 9
4.7油箱的选择 9
4.8过滤器的选择 10
5液压系统性能的验算 11
5.1管路系统压力损失的验算 11
5.2系统发热温升的验算 11
5.3系统效率验算 12
总结 13
参考文献 14
致谢 15
III
1绪论
1.1研究的背景与意义
液压传动在发展现代工程机械的过程中显得尤为重要。
国外由于应用了全新的技术成果，使产品品种、质量和水平都有较大提高。
液压传动朝着小型化、集成化、精密化、高效化等方向不断前进，但是前进的道路肯定有很多需要解决的问题，例如液压油浪费、油污染、液压系统不能与整机完整的结合等问题都需要我们一一克服。
市场竞争越发激烈，产品的更新又极为迅速，精度要求也越来越高。
数控车床型号:
1.最大的切削直径1500mm
2.最大的切削长度1000mm
3.主轴的转速为200r/min
1.2国内外数控机床和液压系统研究现状及发展
数控机床是典型的机电一体化产品。
数控机床的技术水平高低在一定程度上是衡量一个国家经济发展和工业制造水平的一个重要标志[1]。
数控车床是数控机床的代表品种，近些年一直受到各国的重视并得到了较快的发展。
1.2.1数控车床现状与发展趋势
国外数控机床技术现状
1.高精度、高速度与多轴加工成为数控机床技术突破的主流，纳米技术控制已经成为新的潮流。
2.不断扩展的智能处理和监测设备,车间可以实时监控和管理机床本身的工作信息,分析相关数据,预测车床的状态,提前保养,避免风险,减少机床的损坏率,提高机床的利用率。
3.发展迅速的绘图技术为数控机床的精加工提供了很好的辅助。
国内数控车床的现状
近些年来，我国数控车床生产数量和产量一直保持高速增长。
但与其它发达国家相比，我国车床数控化率不到30％，国产数控车床到2000年品种大概为700多种，不到数控车床品种的50％，其中经济型数控车床占大多数。
国产最高主轴转速一般在2000r／min左右，个别高性能机床转速达8000r／min。
国内数控技术还有很大的发展空间。
1.2.2液压系统的现状与发展趋势
液压控制技术回顾与展望
气压与液压压传动相对于机械传动来说是一门新兴的技术。
在各个行业中，液压技术得到了普遍而又广泛的应用。
随着核能、空间技术、电子技术等多方面的发展，液压技术被应用到更广阔的领域，逐步发展成为包括控制、传动和检测在内的一门完整的自动化控制技术。
国内数控车床液压系统的应用发展速度也很快，主要发展方向是小型集成化、多样化等，并且进一步实现高压、高速、高精度、高可靠性的机电一体化[2]；
国外数控车床发展相对较早，相对来说国内与国外有一定差距。
液压行业的发展趋势
液压技术在将部分机械能转换成工作压力能方面，已取得很大进步，但是一直存在着容积损失和机械损耗，一直未能很好解决。
为减少压力能的过多损失，需要解决以下几个问题：
①尽量减少液压元件和液压系统的内部压力损耗，以减少系统功率损失；
②尽量减少或消除液压系统的节流损耗；
③采用新技术，新材料，减少磨擦损失；
④改良液压系统的性能；
1.3研究方法与内容
1.3.1研究方法
液压系统是液压型机械的一个重要组成部分，液压系统的设计要同机床主机的总体设计同步进行。
设计必须与工作环境、工作方式相结合，确定液压系统的作用及需要改进的方向，进而设计出一个适合整机的液压系统，这才是最关键的[1]。
设计步骤
一般来说，在明确设计要求之后，大致按如下步骤进行：
① 学习并掌握液压系统原理的基础知识；
② 根据数控机床工况要求及负载分析、对比选出合适的液压回路；
③ 拟定液压系统原理图；
④ 液压系统的计算和元件的选择；
⑤ 液压系统元件尺寸和结构的确定；
⑥ 总结分析，精度和误差的统计。
1.3.2研究内容
根据设计要求，本文的研究内容大致分为以下三点：
1.液压系统的设计。
2.各液压元件的选择。
3.对液压系统的检验。
2液压系统的简介
2.1液压系统的组成
一个完整的液压系统一般由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油[4]。
动力元件：
液压泵是液压系统的动力元件，是能量转换元件，由原动机驱动，把输入的机械能转化为油液的压力能再输出到系统中去，为执行元件提供动力。
执行元件：
主要是将液体的压力能转换为机械能并将其输出。
缸主要是输出力和直线运动，但有的是输出往复摆动运动和扭矩；
马达则是输出连续旋转运动和扭矩。
控制元件：
功能是对流动方向、压力和流量进行控制，以满足执行元件所需要各个要求，从而使系统按照特定的工作要求进行工作。
辅助元件：
包括蓄能器、过滤器、油箱、压力表、管件及密封装置等。
2.2液压系统的优缺点
优点：
能够承受较大的工作压力，便于无级变速，工作相对平稳，便于实现频繁切换，易于实现过载保护，液压元件易于实现标准化、系列化和通用化，便于设计和制造。
缺点：
不宜在较高或较低温度下工作，不可远距离输送动力，元件制造精度要求高，不易实现定比传动，发生故障不易检查和排除，传动效率相对较低。
3液压尾座液压传动总体设计
3.1尾座简介
1.机床采用的是标准的液压型尾座。
尾座安装在机床导轨上，可纵向调整。
可以用顶尖支撑较长的工件，必要时也可以安装铰刀和钻头等相应的孔加工刀具进行孔的加工。
2.尾座的导轨WH为：
9540mm，尾座的套筒的直径80mm。
套筒的锥孔MT-4。
所以，尾座必须具有一定的刚性。
3.尾座的刚度在很大程度上反映了本次设计的合理性；
良好的动态性能够使整机的固有频率不至于和激振频率重合而发生共振；
良好的工艺便于装配和制造。
此尾座是实现套筒和活塞固定座通过螺钉连接，并且可以移动。
油压后座、活塞轴和尾座体固定在一起。
活塞轴、套筒和活塞固定座形成液压缸，分两个腔。
3.2回路设计
大体看来液压尾座有顶针部分和加紧部分。
前者是起轴顶紧的作用，当顶针工作时需要加紧机构进行加紧工步，保证零件装卡的精度，才能保证加工的精度。
3.2.1液压尾座顶针液压回路
液压系统原理图如下：
1.液压缸2.调速阀3.单向阀4.电磁阀5.溢流阀6液压泵7.邮箱
图3-1原理图
3.2.2顶针加紧液压回路
设计尾座液压回路原理图如下：
1.调速阀2.溢流阀3.单向阀4.电磁阀
图3-2顶针夹紧油缸回路
4尾座液压系统设计
前面已经完成尾座的控制回路，本章节将从数据计算的角度来对液压缸和液压泵进行设计。
4.1液压系统的压力
液压缸的压力主要根据负载确定，此外还需要考虑其它因素，例如各类设备的不同点和应用方式，经济、精度、密封性能要求和功能要求都需要考虑在内，根据负载与工作压力关系表4-1和机械类型与工作压力关系表4-2来确定液压系统的工
作力。
表4-1负载与工作压力关系表
负载F/kN
<
5
5～8
10～20
20～30
30-50
>
50
工作压力p/Mpa
0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
5～7
表4-2机械类型与工作压力关系表
机械类型
机床
农业机械
工程机械
磨床
组合机床
龙门刨床
拉床
工作压力/MPa
a≤2
3～5
≤8
8～10
10～16
20～32
根据以上两表，选定工作压力为：
16Mpa
4.2绘制液压系统原理图
1—邮箱，2—变量液压泵3—电动机4、10—过滤器5—冷却器6—油液注入口7—液位计8—单向阀9—加热器11—溢流阀12—固定尾座的双联液压缸系统13、15—三位四通电磁换向阀14—驱动丝杠的液压马达16—固定套筒的液压缸17—两位四通电磁换向阀
图4-1液压系统原理图
4.3顶针油缸的相关计算
已知车床切削用量f=0.1-0.3mm/r；
切削速度v=50-80m/min；
工件直径400mm，加工长度350mm。
假设液压尾座最大轴向力为，所以液压油缸要想克服这一轴向力，即液压油缸所受的外力，根据相关表格加紧时的压力区2MPa，背压0.5MPa。
则液压缸的内径是：
（4-1）
为输出压力，为系统背压，代入数据可得：
（4-2）
所以选取油缸直径；
活塞杆直径=50mm（4-3）
4.4液压泵的设计
确定液压泵的最大工作压力pB=p1+ΣΔp
其中：
p1为液压缸工作时所需要的最大压力ΣΔp为总的压力损失包括流量阀和其他元件的局部压力损失、管路损失等，根据同类型的系统的经验ΣΔp为（2～5）×
105Pa，复杂系统的ΣΔp为（5～15）×
105Pa，具体也可以参照下表4.4.1：
表4-3常用中、低压各类阀的压力损失（Δpn）
阀名
Δpn（×
105Pa）
单向阀
0.3～0.5
背压阀
3～8
行程阀
转阀
换向阀
1.5～3
节流阀
2～3
顺序阀
调速阀
根据以上数据可知：
卡紧套筒的支路压力损失ΣΔp为0.5+0.3=0.8MP（调速阀和换向阀）
液压马达支路压力损失ΣΔp为0.3MP（换向阀）
主线路上压力损失ΣΔp为0.5MP（单向阀）
卡紧尾座的支路压力损失ΣΔp为0.3MP（换向阀）
pB=p1+ΣΔp=16+0.3+0.8+0.3+0.5=17.9MP（4-4）
泵流量的确定qB
qB由液压缸最大流量和系统泄漏确定
液压缸同时工作时存在容积效率降低，泄露增多的问题，即：
（4-5）
（Σq）max为同时动作的液压缸（或马达）的最大总流量（m3/s），
K为系统泄漏系数，一般取1.1～1.3，大流量取小值，小流量取大值
所以由已知数据得出：
qB≥K=1.3x（1050x2+318.73+628）=3960.75ml/s=237645ml/min（4-6）
液压泵规格的选择
由以上计算的液压泵的最大工作压力和流量，查液压元件产品样本，选择与PB和qB相当的液压泵的规格型号。
pB计算的是静态压力，所以为了性能要求和安全起见，额定压力pB应比系统最高压力大25%～60%，故额定压力为22.375~28.64MP，即选用GPC4型外啮合齿轮泵（公称排量20~80ml/r额定压力25MP转速3000r/min）。
驱动液压泵工作的输入功率
P=pBqB/103ηB（kW）ηB为液压泵的总效率，可根据下表进行合适选择。
表4-4液压泵的总效率
液压泵类型
齿轮泵
螺杆泵
叶片泵
柱塞泵
总效率
0.6～0.7
0.65～0.80
0.60～0.75
0.80～0.85
4.5阀类元件的选择
阀类元件的选择必须根据最大流量，额定压力，动作方式，固定方式，压力损失，性能参数和工作寿命进行综合考虑。
阀类元件选择的注意事项
（1）尽量选择标准件
（2）阀类元件的规格要根据油液的最大压力和最大流量选取。
选择溢流阀，应按液压泵的最大流量选取；
选择节流阀和调速阀时，应考虑其最小稳定流量满足机器低速性能的要求。
（3）参照液压系统原理图
17号换向阀应采用ZS系列多路阀
流量100L/min额定压力20MPa
13号换向阀应采用ZS系列多路阀
流量160L/min额定压力20MPa
15号换向阀应采用ZS系列多路阀
流量40L/min额定压力20MPa
15、17号换向阀流量小于100L/min连接方式采用叠加阀。
13号换向阀流量在100~200L/min之间应采用常规板式阀。
4.6油管类型的选择
液压系统中使用的油管分硬管和软管，合适的油管应有足够的通流截面和承压能力，管路越短越好。
因为此处的油管不用在相对运动的工件之间，且工作压力25MP，故选择金属硬管即钢管，更加安全可靠。
钢管分为无缝钢管和焊接钢管，中高压系统选用无缝钢管，低压系统选用焊接钢管，钢管价格低，性能好，使用广泛。
管接头的选择需要满足连接牢固、密封可靠，装配方便、工艺性好、外形尺大小、通油能力强等性能要求。
综上所述，查阅相关资料，液压系统压力为25MPa，选用的是无缝钢管，因此管接头选用卡套式管接头。
4.7油箱的选择
油箱的作用是储油，散发油的热量，沉淀油中污物，逸出渗入油中的空气，有时它还兼作液压元件和阀块的安装平台。
其形式有开式和闭式两种：
开式油箱油液液面与大气相通；
闭式油箱油液液面与大气隔绝。
开式油箱应用较多。
油箱容量计算
油箱的有效容量V可按下述经验公式确定，即：
V=mqp=4x240=960L（4-7）
式中：
m为系数，低压系统取2～4，中、高压系统取5～7,中、高压或高压大功率系统时6～12；
qp为液压泵的流量。
查表得爱用AB40-1型带支撑脚的矩形邮箱规格为1000，工作容积为1100L。
4.8过滤器的选择
在液压系统中，大多数故障时由于介质被污染而造成的，液压油中存在各种污染物，油液的污染能加速液压元件的磨损，卡死阀芯，堵塞工作间隙和小孔，腐蚀元件，元件表面划伤，寿命降低。
在适当的部位安装过滤器可以截留油液中不可溶的污染物，使油液保持清洁，保证液压系统的正常工作。
过滤器的选择应该满足有足够的过滤能力，能承受一定的工作压力，有足够的过滤精度，易于清洗和更换，足够长的的工作寿命等条件。
过滤器按过滤精度可分为四级：
粗过滤器
普通过滤器
精过滤器
特精过滤器
过滤精度只要取决于系统的压力。
由相关表格确定系统压力大于21，由表中得出选用精过滤器。
5液压系统性能的验算
5.1管路系统压力损失的验算
当执行元件的工作压力确定以后，调整压力可由管路中的压力损失来进行计算。
但是为了尽早地评估系统的主要性能，避免后面的设计工作出现大的反复，在系统方案初步确定之后，通常用液流通过阀类元件的局部压力损失来对管路的压力损失进行概略地估算，因为这部分损失是系统的主要损失。
本系统的阀类元件有单向阀、调速阀、电磁阀。
压力损失包括：
液压油流经管道的沿程压力损失、局部压力损失和,管路总的压力损失为，即：
（5-1）
计算沿程压力损失时，如果管中为层流流动，可按下经验公式计算：
=4.3V·
q·
L×
106/d4（Pa）（5-2）
式中：
q为通过管道的流量（0.004m3/s）；
L为管道长度（2m）；
d为管道内径（50mm）；
υ为油液的运动粘度（1xm2）。
=0.55MP
局部压力损失可按下式估算：
=（0.05～0.15）（5-3）
=0.0825MP
系统的调整压力：
p0≥p1+Δp（5-4）
p0为液压泵的工作压力或支路的调整压力（25MP）；
p1为执行件的工作压力（16MP）。
5.2系统发热温升的验算
系统发热来源于系统内部的能量损失，压力损失、容积损失和机械损失所消耗的能量多数转化为热能[6]。
系统发热使油温升高，油液的温升使粘度下降、油液变质，泄漏增加，影响正常工作[6]。
因此必须控制温升在允许范围内，如一般机床液压系统正常工作油温为25～30℃；
数控机床低于25℃；
粗加工机械、工程机械和机车车辆工作油温为35～40℃。
单位时间的发热量Ø
（kW）为：
（5-5）
P1为系统的输入功率，P2为系统的输出功率
若在一个工作循环中有几个工作阶段，则根据各阶段的发热量求出系统的平均发热量，即：
（5-6）
T为工作循环周期；
i为工作阶段的序号；
ti为各工作阶段的持续时间
假设液压系统全部热量都是由油箱散发的。
油箱在单位时间内的散热量可按下式计算：
（5-7）
h为油箱的表面传热系数，当自然风冷却很差时h=（8~9）×
10-3kW/（m2•℃），当自然冷却通风良好时h=15×
10-3kW/（m2•℃）；
用风扇冷却时h=
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