钻镗两用组合机床液压系统的设计.docx
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钻镗两用组合机床液压系统的设计
毕业设计（论文）
钻、镗两用组合机床液压系统的设计
Drillingandboringamphibiouscombinationmachinetoolshydraulicsystemdesign
系名：
专业班级：
学生姓名：
学号：
指导教师姓名：
指导教师职称：
二〇**年六月
任务书
课题名称
钻、镗两用组合机床液压系统设计
同组学生姓名
无
设计（研究）内容：
设计一套液压系统，能完成快进-工进-死挡铁停留-快退-原位停止的工作循环，并完成工件的定位与夹紧。
机床的快进速度为5m/min，快退速度与快进速度相等。
工进要求是：
能在20～100mm/min范围内无级调速。
最大行程为500mm，工进行程为300mm。
最大切削力为12000N。
运动部件自重为20000N。
导轨水平放置。
工件所需夹紧力不得超过6500N，最小不低于4000N。
夹紧缸的行程为50mm，由松开到夹紧的时间△t1=1s，启动换向时间△t2=0.2s。
符合以下要求，方可参加答辩：
（1）液压系统原理图及速度循环图、负载循环图、电磁阀动作循序表一张A1
（2）液压缸装配图一张A1
（3）液压缸主要零件的零件图五张A3
（4）设计计算说明书，字数不少于5000字一份
（5）以上资料打印稿和电子版（图纸用AutoCAD2004版本存盘、说明书及任务书用Word2003存盘）各一份
参考文献：
1．《液压传动》丁树模主编机械工业出版社
2．《液压与气压传动》左健民主编机械工业出版社
3．《液压与气动技术》张宏友主编大连理工大学出版社
4．《液压系统设计简明手册》杨培元、朱福元主编机械工业出版社
5．《液压传动设计指南》张利平主编化学工业出版社
6．《液压与气压传动》游有鹏主编科学出版社
钻、镗两用组合机床液压系统的设计
摘要液压传动是以液压油为工作介质，通过动力元件将原动机的机械能变为液压油的压力能，再通过控制元件，然后借助执行元件将压力能转换成机械能，驱动负载实现直线或回转运动。
液压系统是液压设备的重要组成部分，它与设备主体的关系密切，两者的设计通常需要同时进行。
本次设计介绍了液压系统的设计过程，具体讲解了设计的步骤，分析了液压系统的功能设计、需求分析所达到的目的，介绍总体设计方案的拟定方法、液压系统原理图的拟定过程、液压元件的选择方法及液压系统性能验算方法。
液压系统设计原则是：
深入调研，充分认识设备应具有的功能，从而分解出液压系统的详细设计需求；同时应注意设备的特殊性，吸取国内外先进技术，力求设计出的系统有质量轻、体积小、效率高、结构简单等优点。
关键词液压传动功能设计液压系统原理图性能验算
Drillingandboringamphibiouscombinationmachinetoolshydraulicsystemdesign
AbstractHydraulicsystemisanimportantpartofhydraulicequipment,Itwithequipmentsubjectclosely,boththedesignusuallyneedtosimultaneously.Introducedthedesignofhydraulicsystemsdesignprocess,explainindetailthedesignsteps,analyzesthefunctionaldesignofhydraulicsystem,whichachievedthegoalofneedsanalysis,introducestheoveralldesignscheme,theproposedmethod,thehydraulicsystemdiagramformulatingprocess,hydrauliccomponentsselectionmethod,andhydraulicsystemperformancecalculatingmethod.Hydraulicsystemdesignprincipleis:
thein-depthresearch,fullyrealizetheequipmentshouldhavethefunctionofthehydraulicsystem,therebydecompositionofdetaileddesigndemand;Andshouldalsopayattentiontotheparticularityofequipment,drawdomesticandinternationaladvancedtechnology,andstrivetodesignasystemhaslightquality,smallvolume,highefficiency,simplestructure,etc.
KeywordsFunctionaldesignhydraulicsystemdiagramperformancechecked
引言
制造业的历史可追溯到几百万年前的旧石器时代。
猿进化成人的一个重要的标志就是工具的。
社会的制造。
可见，工具的制造对人类的影响是极其巨大的。
从某种程度上说，工具的先进水平决定着生产力的高低发展与变革，是伴随着劳动工具的发展与变革。
制造业是任何一个发达国家的基础工业，是一个国家综合国力的重要体现。
而在制造业中，液压系统又是制造业的基础，得到了各个国家的高度重视。
尤其在今天以知识为驱动的全球化经济浪潮中，由于激烈的市场竞争，夹具工业的内涵、深度和广度都发生着深刻的变化，各种新的液压系统、制造加工方法不断出现，推动着我们的社会不断的向前发展。
液压系统是现代工业的基础。
它的技术水平在很大程度上决定了产品的质量和市场的竞争力。
随着我国加入“WTO”步伐的日益加快。
“入世”将对我国夹具工业产生重大而深远的影响，经济全球化的趋势日益明显，同时世界众多知名公司不断进行结构调整，国内市场的国际性进一步显现，该行业的将经受更大的冲击，竞争也会更加剧烈。
在如此严峻的行业背景下，我国的技术人员经过不断的改革和创新使得我国的模具水平有了较大的提高，大型、复杂、精密、高效和长寿命的液压又上了新台阶。
液压是每个机制制造方面目前普遍用的，它可以大批量生产，节省人力物资，效率相对高，操作方便，结构合理，它的成本低廉，适合广大人群所承受的能力。
毕业设计的意义：
毕业设计是学生从学习向工作过度的综合锻炼，也是一次提高和再学习的机会。
毕业设计从准备到设计结束几乎要花去一个学期的时间，最后要形成一整套的文档资料。
毕业设计也是对学生最后的综合考核，因此，扎实认真高质量的完成毕业设计任务，具有重要意义！
1.通过毕业设计的准备工作，进一步提高我们独立调研能力以及专业业务素质。
并通过文献查阅、现场收集资料等工作。
锻炼解决液压系统的问题的能力。
2.能巩固深化扩充我们的专业知识，并通过毕业设计中对涉及到的问题的分析研究，提出我们自己的见解和观点。
3.通过毕业设计，树立良好的工作思想和细致、严谨、科学的工作态度，为一个未来的工程师奠定基础！
这次设计使我能综合运用机械制造工艺学中的基本理论，并结合生产实习中学到的实践经验知识，独立的分析和解决工艺问题，初步具备了设计一个中等复杂程度零件（输出轴）的工艺规程的能力和运用夹具设计的基本原理和方法，拟订液压设计方案，完成液压结构设计的能力，为未来从事的工作打下良好的基础。
由于能力所限，经验不足，设计中还有许多不足之处，希望各位老师多加指教。
第一章设计任务
液压系统的设计是整个机器设计的一部分，它的任务是根据机器的用途、特点和要求，利用液压传动的基本原理，拟定出合理的液压系统原理图，再经过必要的计算来确定液压系统的参数，然后按照这些参数来选用液压元件的规格和进行系统的结构设计。
1.1要求
液压系统完成快进—工进—死挡铁停留—快退—原位停止的工作循环，并完成工作的定位与夹紧。
机床的快进速度为5m/min，快退速度与快进速度相等。
工进要求是能在20-100mm/min范围内无级调速。
最大行程为500mm,工进行程为300mm。
最大切削力为12000N运动部件自重为20000N。
导轨水平放置。
工件所需夹紧力不得超过6500N，最小不低于4000N。
夹紧缸的行程为50mm，由松开到夹紧的时间△t1=1s，启动换向时间△t2=0.2s。
1.2功能分析、需求设计
1.设备用途、操作过程、周期时间、工作特点、性能指标和作业环境的要求。
2.液压系统必须完成的动作、运动形式、执行元件的载荷特性、行程和对速度的要求。
3动作的顺序、控制精度、自动化程度和连锁要求。
4防尘、防寒、噪爆、噪声控制要求。
5效率、成本、经济性和可靠性要求等。
第二章工况分析
2.1运动参数分析
根据主机要求画出动作循环图，如图1所示；然后根据动作循环图和速度要求画出速度v与行程s的工况图，2（a）所示。
2.2动力参数分析
2.2.1计算各阶段的负载
启动和加速阶段的负载Fq
从静止到快速的启动时间很短，故以加速过程进行计算，但摩擦阻力仍按静摩擦阻力考虑。
式中Fj—静摩擦阻力，计算时，其摩擦系数可取0.16～0.2；
Fg—惯性阻力，可按牛顿第二定律求出：
Fm—密封产生的阻力。
按经验可取Fm＝0.1Fq，所以
故
②快速阶段的负载Fk
式中Fdm—动摩擦阻力，取其摩擦系数为0.1；
Fm—密封阻力，取Fm＝0.1Fk，所以
故
③工进阶段的负载Fgj
式中Fdm—动摩擦阻力，取其摩擦系数为0.1﹔
Fqx—切削力﹔
Fm—密封阻力，取Fm＝0.1Fgj，所以
故
其余制动负载及快退负载等也可按上面类似的方法计算。
2.2.2绘制工况图
根据上述计算得出的负载，可初步绘制出负载F与行程S的工况图，如图2所示。
第三章计算液压缸尺寸和所需流量
3.1工作压力的确定
工作压力可根据负载来确定。
现按有关要求，取工作压力
P＝3Mpa。
3.2计算液压缸的尺寸
3.2.1液压缸的有效工作面积A1（如图3所示）
图3液压缸工作示意图
液压缸内径为
根据有关要求，取标准值D=80mm。
3.2.2活塞杆直径
要求快进与快退的速度相等，故用差动连接的方式，所以取d=0.7D=56mm，再取标准值为d=55mm。
3.2.3缸径、杆径取标准值后的有效工作面积
无杆腔有效工作面积为
活塞杆面积为
有杆腔有效工作面积为
表4—4液压缸内径尺寸系列（GB2348-80）（mm）
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
（220）
250
320
400
500
630
注：
括号内的数值为非优先选用值。
表4—5活塞杆直径尺寸系列（mm）
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
136
400
3.3确定液压缸所需的流量
快进流量qkj为
快退流量qkt为
工进流量
为
3.4夹紧缸的有效工作面积、工作压力和流量的确定
3.4.1确定夹紧缸的工作压力
根据最大夹紧力，参考第四章内容，取工作压力Pj=1.8Mpa。
3.4.2计算夹紧缸有效面积、缸径、杆径
夹紧缸有效面积Aj为
夹紧缸直径Dj为
取标准值为Dj=70mm，则夹紧缸有效面积为
活塞杆直径dj为
夹紧缸在最小夹紧力时的工作压力为
3.4.3计算夹紧的流量qj
第四章液压系统图的拟定
4.1确定执行元件的类型
1.工作缸：
根据本设计的特点要求，选用无杆腔面积等于两倍有杆腔面积的差动液压缸。
2.夹紧缸：
由于结构上的原因并为了有较大的有效工作面积，采用单杆液压缸。
4.2换向方式确定
为了便于工作台在任意位置停止，使调整方便，所以采用三位换向阀。
为了便于组成差动连接，应采用三位五通换向阀。
考虑本设计机器工作位置的调整方便性和采用液压夹紧的具体情况，采用Y型机能的三位五通换向阀。
4.3调速方式的选择
在组合机床的液压系统中，进给速度的控制一般采用节流阀或调速阀。
根据钻、镗类专机工作时对低速性能和速度负载都有一定要求的特点，采用调速阀进行调速。
为了便于实现压力控制，采用进油节流调速。
同时为了保证低速进给时的平稳性并避免钻通孔终了时出现前冲现象，在回油路上设有背压阀。
4.4快进转工进的控制方式的选择
为了保证转换平稳、可靠、精度高，采用行程控制阀。
4.5终点转换控制方式的选择
根据镗削时停留和控制轴向尺寸的工艺要求，本机采用行程开关和压力继电器加死挡铁控制。
4.6实现快速运动的供油部分设计
因为快进、快退和工进的速度相差很大，为了减少功率损耗，采用双联泵驱动（也可采用变量泵）。
工进时中压小流量泵供油，并控制液控卸荷阀，使低压大流量泵卸荷；快进时两泵同时供油。
4.7夹紧回路的确定
由于夹紧回路所需压力低于进给系统压力，所以在供油路上串联一个减压阀。
此外为了防止主系统压力下降时影响夹紧系统的压力，所以在减压阀后串接一个单向阀。
夹紧缸只有两种工作状态，故采用二位阀控制。
这里采用二位五通带钢球定位的电磁换向阀。
为了实现夹紧后才能让滑台开始快进的顺序动作，并保证进给系统工作时夹紧系统的压力始终不低于所需的最小夹紧压力，故在夹紧回路上安装一个压力继电器。
当压力继电器动作时，滑台进给；当夹紧压力降到压力继电器复位值时，换向阀回到中位，进给停止。
根据以上分析，绘出液压系统原理图
钻、镗两用组合机床液压系统原理图
第五章选择液压元件
5.1选择液压泵
5.1.1泵的工作压力的确定.
泵的工作压力可按缸的工作压力加上管路和元件的压力损失来确定，所以要等到系统压力损失后，才能最后确定。
采用调速阀调速，初算时可取
。
考虑背压，现取
泵的工作压力初定为
式中:
—液压缸的工作压力；
—系统的压力损失。
5.1.2泵的流量的确定：
①快速快退时泵的流量
由于液压缸采用差动连接方式，而有杆腔有效面积A2大于活塞杆面积A3，故在速度相同的情况下，快退所需的流量大于快进的流量，故按快退考虑。
快退时缸所需的流量
，故快退时泵应供油量为
式中，K为系统的泄漏系数，一般取
此处取1.1。
②工进时泵的流量
工进时缸所需的流量
，故工进时泵应供流量为
考虑到节流调速系统中溢流阀的性能特点，需加上溢流阀的最小溢流量（一般取3L/min），所以
根据组合机床的具体情况，从产品样本中选用YB—4/10型双联叶片泵。
此泵在快速进退时（低压状态下双泵供油）提供的流量为
在工进时（高压状态下小流量的泵供油）提供的流量为
故所选泵符合系统要求。
5.1.3验算快进、快退的实际速度
当泵的流量规格确定后，应验算快进、快退的实际速度，与设计要求相差太大则要重新计算。
5.2选择阀类元件
各类阀可按通过该阀的最大流量和实际工作压力选取。
阀的调整压力值必须在确定了管路的压力损失和阀的压力损失后才能确定，阀的具体选取可参考各种产品样本手册。
5.3确定油管尺寸
5.3.1油管的确定：
可按公式：
泵的流量最大为14l/min,但在系统快进时，部分油管的流量可达28l/min，故按28l/min计算，取v为4m/s,则
5.3.2按标准选取油管
可按标准选取内径d=12mm、壁厚为1mm的紫铜管。
安装方便处也可选内径d=12mm、外径D=18mm的无缝钢管。
5.4确定邮箱容量
本设计为中压系统，邮箱有效容量可按泵每分内公称流量的
倍来确定。
邮箱有效容量为
5.5液压缸的结构设计
5.5.1缸体与缸盖的连接形式：
一般连接形式有法兰连接、螺纹连接、外半环连接和内半环连接。
根据它们的优缺点，选用法兰连接：
结构简单、成本低，容易加工、便于装拆，能承受高压。
5.5.2活塞杆与活塞的连接结构：
一般连接形式有整体式结构、螺纹连接、半环连接、锥销连接。
根据各自特点选择整体式结构连接。
5.5.3活塞杆导向部分的结构：
活塞杆导向部分的结构包括活塞杆与端盖、导向套的结构，以及密封、防尘和锁紧装置等。
导向套的结构可以做成端盖整体式直接导向，也可以做成与端盖分开的导向套结构。
后者导向套磨损后便于更换，所以应用较普遍。
导向套的位置可安装在密封圈的内侧，也可以装在外侧。
一般油压机常采用装在外侧的结构，在高压下工作时，使密封圈有足够的油压将唇边张开，以提高密封性能。
活塞杆处的密封形式有O形、V形、Y形和Yx形密封圈。
为了清除活塞杆处外露部分沾附的灰尘，保证油液清洁及减少磨损，在端盖外侧增加防尘圈。
常用的有无骨架防尘圈和J形橡胶密封圈，也可用毛毡圈防尘。
5.5.4活塞及活塞杆处密封圈的选用：
活塞及活塞杆处的密封圈的选用应根据密封的部位、使用的压力、温度、运动速度的范围不同而选择不同类型的密封圈。
根据表2-10中的密封圈及其使用参数，选择O形圈加挡圈。
5.5.5液压缸的缓冲装置：
液压缸带动工作部件运动时，因运动件的质量较大，运动速度较高，则在到达行程终点时，会产生液压冲击，甚至使活塞与缸筒端盖之间产生机械碰撞。
为防止这种现象的发生，在行程末端设置缓冲装置。
环状间隙式节流缓冲装置：
活塞端部的缓冲柱塞向端盖方向运动进入圆柱形油腔时，将封闭在柱塞与端盖间的油液从环状间隙中挤出去，由于间隙很小，因而起节流缓冲作用。
圆柱形缓冲柱塞，间隙大小不变，缓冲柱塞长度一般为10毫米左右，这种结构制造容易，但在缓冲开始时会出现压力的峰值，采用圆柱形缓冲柱塞，缓冲时有明显的渐减过程，锥的参数参照表2-11。
5.5.6液压缸的排气装置：
对于运动速度稳定性要求较高的机床液压缸和大型液压缸，则需要设置排气装置，如排气阀等。
排气阀一般安装在液压缸两端的最高处。
双作用液压缸需装设两个排气阀，当液压缸需要排气时，打开相应的排气阀，空气连同油液经过锥部缝隙和小孔排出缸外，直接连续排油时（不冒气），就将排气阀关死。
5.5.7液压缸的安装连接结构
液压缸的安装连接结构包括液压缸的安装结构、液压缸进出油口的连接等。
（1）液压缸的安装形式
根据安装位置和工作要求不同有长螺栓安装、脚架安装、法兰安装、轴销和耳环安装等。
（2）液压缸进、出油口形式及大小的确定：
液压缸的进出油口，可布置在端盖或缸体上。
对于活塞杆固定的液压缸，进、出油口可设在活塞杆端部。
如果液压缸无专用的排气装置，进出油口应设在液压缸的最高处，以便空气能首先从液压缸排出。
进、出油口的形式一般选用螺孔或法兰连接。
第六章计算压力损失和压力阀的调整值
根据计算慢上时管道内的油液流动速度约为0.50m/s，通过的流量为1.5L/min，数值较小，主要压力损失为调整阀两端的压降；此时功率损失最大；而在快下时滑台及活塞组件的重量由背压阀所平衡，系统工作压力很低，所以不必验算。
所以有快进做依据来计算卸荷阀和溢流阀的调定压力，由于供油流量的变化，快进时液压缸的速度为
6.1沿程压力损失
首先要判别管中的流态，设系统采用N32液压油。
室温为20℃时，动力粘度
，所以
，管中为层流，则阻力损失系数
，若取进、回油管长度均为2m，油液的密度为
，则其进油路上的沿程压力损失为
6.2局部压力损失
局部压力损失包括管道安装和管接头的压力损失和通过液压阀的局部压力损失，前者视管道具体安装结构而定，一般取沿程压力损失的10％；而后者则与通过阀的流量大小有关，若阀的额定流量和额定压力损失为
和
，则当通过阀的流量为q时的阀的压力损失
式为
因为25mm通径的阀的额定流量为260L/min，所以通过整个阀的压力相比14MPa很小，且可以忽略不计。
同理，快上时回油路上的流量
，
则回油路油管中的流速
。
由此可计算出
（层流），
所以回油路上沿程压力损失为:
6.3总的压力损失
同上面的计算所得可求出
6.4压力阀的调定值
溢流阀的调节器定压力应大于
压力0.3~0.6MPa，所以取溢流阀定压力为2.3MPa
背压阀的调定压力以平衡滑台自重为根据，即
取
。
结论
毕业论文是大学学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次液压系统设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业知识，解决实际问题的能力。
这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。
在这个设计过程中，使我对液压系统有了更加全面的认识和理解。
用户和系统的交换性能都需要去不断的完善，只有发现问题，才能解决问题。
我在做这个设计中学会了如何发现问题，解决问题，独立完成任务。
对一些常用软件要一一熟悉和练习，从中得到错误问题的解决，同时提高对软件的学习。
总之，别人的帮助只是起引导作用，自己动手才会彻底解决问题。
由于能力有限，经验不足，设计中还有许多不足之出，希望老师多加指教。
致谢
经过了五个月的忙碌和工作，本次毕业设计圆满完成，其中有苦也有乐。
苦的是我付出了不少的汗水，乐的是在付出的过程中我得到了许多，也学会了许多。
因为一个人的能力毕竟有限，在设计方面难免会出现这样那样的错误，但正是这些错误促进了我的进步。
在这次课程设计中，我真正体会到了知识的重要性。
在设计的过程中，遇到问题我会先独立思考，到自己不能解决的时候我就会和同学讨论，实在解决不了我就会向老师请教，应该说从功能的实现到流程图的绘制，从元件的选择到整个系统的检查，从每一步的计算到论文的写作，其间每一个过程都凝聚着大家对我的帮助。
最后，在设计的过程中我进一步养成了液压系统设计的方法，完成一个项目的的设计，进一步了解了设计的步骤，进一步加深了对《液压与气动技术》这门课的理解，增强了以后学习的兴趣，为以后的工作积累了一定的经验，感谢老师给我们提供这次设计的机会。
参考文献
[1]《液压传动》丁树模主编机械工业出版社
[2]《液压与气压传动》左健民主编机械工业出版社
[3]《液压与气动技术》张宏友主编大连理工大学出版社
[4]《液压系统设计简明手册》杨培元、朱福元主编机械工业出版社
[5]《液压传动设计指南》张利平主编化学工业出版社
[6]《液压与气压传动》游有朋主编科学出版社
附件图纸
液压缸装配图
液压系统原理图
前缸盖
后缸盖
缸体
活塞杆
活塞
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