四轴卧式钻孔专用机床液压系统设计.docx
《四轴卧式钻孔专用机床液压系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《四轴卧式钻孔专用机床液压系统设计.docx（23页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
四轴卧式钻孔专用机床液压系统设计
本科毕业设计（论文）
四轴卧式钻孔专用机床液压系统的设计
DesignofHydraulicSystemfor
theFourAxisHorizontalDrillingMachine
学院：
机械工程学院
专业班级：
机械电子工程DZ机电082班
学生姓名：
郭峰
学号：
510824212
指导教师：
陈季萍（副教授）
2012年6月
毕业设计（论文）中文摘要
四轴卧式钻孔专用机床液压及控制系统设计
摘要：
四轴卧式钻孔专用机床适合成批生产或大量生产，且能钻削具有圆柱形外表面的工件。
它特别适合于加工深度直径比大于30，立式加工困难的高粗糙度的小孔径深孔。
广泛用于阀门、法兰、轴承座、汽车配件、工程机械配件等生产钻孔加工。
在设计过程中，通过各阀之间的联合运作来控制液压缸的运动，并且利用电气开关来控制液压系统，最后通过所设计的液压回路完成液压缸在快进、工进、快退之间的转换。
而各阀之间的连接是通过集成块的孔道来实现的，液压泵与集成块连接，使油液通过各集成块里的管道最终到达液压缸。
使用集成块可以节约阀的安装空间，减少管件连接，从而降低由于管道接头引起的泄漏问题，而且集成块价格便宜。
由此可以看出集成块的设计对于液压系统设计尤为重要。
关键词：
四轴卧式钻孔机床；液压系统；集成块
毕业设计（论文）外文摘要
DesignofHydraulicSystemfortheFourAxisHorizontalDrillingMachine
Abstract:
Fouraxishorizontaldrillingmachineissuitableforbatchproductionormassproduction,anddrillinghasacylindricaloutersurfaceofworkpiecesdedicatedmachine.Itisespeciallysuitableforprocessingdepthtodiameterratiogreaterthan30,verticalmachiningdifficulthighroughnessofsmalldiameterdeephole.Widelyusedinvalves,flanges,bearing,autoparts,engineeringmachineryaccessoriessuchasproductionanddrillingprocessing.Inthedesignprocess,throughthevalvebetweenthejointoperationtocontrolthemotionofhydrauliccylinder,andtheuseofelectricalswitchestocontrolhydraulicsystem,finallythroughthedesignofhydrauliccircuitforhydrauliccylindertocompleteinthefastforward,rewind,feedconversionbetween.Eachvalveisconnectedbetweenthethroughintegratedblockchanneltoimplement,hydraulicpumpwithintegratedblockisconnected,sothattheoilthroughtheintegratedblockinthepipeeventuallyreachthehydrauliccylinder.Theuseofintegratedblockcansavevalveinstallationspace,reducingpipeconnection,therebyreducingthepipelinejointcausedbyleakageproblemandintegratedblock,cheapprice.ItcanbeseenthattheICDesignforthehydraulicsystemdesignisparticularlyimportant.
Keywords:
fouraxishorizontaldrillingmachinetools；hydraulicsystem；integratedpackage
1绪论………………………………………………………………………………1
1.1课题研究的意义………………………………………………………………1
1.2国内外研究现状及水平………………………………………………………1
2液压系统原理图的确定…………………………………………………………2
2.1设计的要求与参数…………………………………………………………2
2.2液压系统基本回路……………………………………………………………2
2.3基本回路的选择……………………………………………………………3
2.4将各回路综合成液压系统回路………………………………………………5
2.5液压系统电磁铁动作顺序表……………………………………………………6
3液压系统计算及液压元件选择…………………………………………………7
3.1分析负载……………………………………………………………7
3.2确定执行元件主要参数………………………………………………………8
3.3液压泵的选择……………………………………………………………10
3.4电动机的选择…………………………………………………………………11
3.5液压元件、辅助元件以及液压油的选型……………………………………11
3.6管道尺寸的确定………………………………………………………………13
4液压集成块的设计………………………………………………………………14
4.1Pro/e软件简介…………………………………………………………14
4.2集成块1的设计……………………………………………………………14
4.3集成块2的设计……………………………………………………………16
5电气控制线路图…………………………………………………………………18
6油箱的设计…………………………………………………………………20
6.1油箱的功用和要求……………………………………………………20
6.2油箱有效容积的确定……………………………………………………20
6.3油箱外形尺寸的确定…………………………………………………21
6.4油箱的分类和结构…………………………………………………………21
7液压系统的验算…………………………………………………………………22
7.1液压系统压力损失的验算……………………………………………………22
7.2液压系统发热温升的验算……………………………………………………22
结论…………………………………………………………………………………23
致谢…………………………………………………………………………………24
参考文献……………………………………………………………………………25
1绪论
1.1课题研究的意义
课题研究的是四轴卧式钻孔专用机床的液压系统。
综合应用各种先进的现代设计方法，充分发挥设计者的创造能力和创新思想，大范围提高产品的设计质量，减少加工成本费，降低研发周期，使产品标准化、普遍化。
它广泛用于阀门、法兰、轴承座、汽车配件、工程机械配件等产品的钻孔加工。
1.2国内外研究现状及水平
这几年来需要加工一些特殊的零件，但这些零件上的孔成任意角度互相交错，或与加工零件的中心线成任意角度。
为了能把这些零件加工出来，各个公司专门成立了研制多轴卧式专用深孔钻床的部门，他们所研发出的机床专门加工曲轴上的油孔、连杆上的斜油孔、平行孔和饲料机械上料模的多个方向且大小不一的出料孔等。
如：
TBT公司研制的BW200-KW型深孔钻床特别适用于加工各种中小型曲轴的油孔；而BW250-KW型深孔钻床特别适用于加工大中型卡车曲轴油孔，它们均具电脑控制X、Y、Z、W四轴的联动。
该公司根据客户所需要的,在一条生产线上可以加工多种不同型号、不同大小的曲轴油孔，在2000年研发成功了第一台柔性曲轴加工中心。
它可以加工4～14缸的所有曲轴上的全部油孔。
英国MOLLART公司开发制造的专用深孔钻床，六根主轴能同时加工同一工件上的不同的六个孔。
即使一个工件上有很多孔，也能由机床的数控系统控制并加工出来。
加工精确且效率极高。
下一阶段的多轴钻床行业要赶紧向某一方向转型升级，全面提高自身的产业竞争力，尤其需要做好以下几个方面：
第一方面是要有自主知识产权，大力提高生产技术水平，争取在核心部件的研发制造方面取得重大突破。
第二方面是要推动多轴钻床向工业化、信息化相融合的方向发展，企业本身能够运用信息技术研发设计、生产制造。
第三方面是要推动绿色低碳发展模式，使资源利用方式向高效、清洁、安全、可持续等方面转变。
第四方面是要加快培养名族品牌，国家能够成立具有国际竞争力的研发制造多轴钻床的公司，并积极促使大中企业融合。
2液压系统原理图的拟定
2.1设计的要求与参数
基本技术要求及设计参数：
钻孔动力部件质量m=1600kg,液压缸的机械效率为0.9，钻削力Fe=14000N,工作循环为：
快进→工进→死挡铁停留→快退→原位停止，行程长度120mm，其中工进长度为40mm，快进、快退速度为60mm/s，工进速度为1.55mm/s。
导轨为矩形，启动、制动时间为0.5s，要求快进转工进平稳可靠，工作台能在任意位置停住。
2.2液压系统基本回路
表2.1工况表
工况
负载F/N
回油腔压力P2/Mpa
进油腔压力P1/Mpa
输入油量q×10-3/m3s-1
输出功率P/kw
计算公式
快进
（差动）
启动
3556
0
0.99
—
—
P1=（F+A2ΔP）/（A1-A2）
q=（A1-A2）v1
P2=P1+ΔP（ΔP=0.3Mpa）
P=p1q
加速
1991
1.18
0.68
—
—
恒速
1778
1.13
0.63
0.30162
（18.097L/min）
0.19
工进
17333
0.6
2.42
0.0122
（0.73L/min）
0.0295
P1=（F+P2A2）/A1
q=A1v2
P=p1q
快
退
启动
3556
0
1.26
—
—
P1=（F+P2A1）/A2
q=A2v3
P=p1q
加速
1991
0.5
2.09
—
—
恒速
1778
2.02
0.1696（10.177L/min）
0.3426
在这个液压系统的工作循环中，快进加快退的时间t1，工进所需的时间t2分别为
，
因此从提高系统工作效率、节省能源的角度来考虑，应采用两个适宜的液压泵通过两级并联的方式自动供油。
油路如图2-1
图2-1双联泵的供油回路图
2.3基本回路的选择
由于不存在负载对系统做功的工况，也不存在负载制动过程，故不需要设置平衡及制动回路。
但必须有快速运动回路、换向回路、速度换接回路以及调压、卸荷等回路。
2.3.1确定换向方式
为了使液压缸在任意位置稳定的停止，液压缸差动连接采用中间泄压式的三位五通电磁换向阀。
（如下图2-2）
图2-2液压缸换向回路图
2.3.2选择工作进给油路
为了实现工进时液压缸回油腔油液能经换向阀的左位流回油箱，快进时液压缸回油腔油液能经换向阀左位流入油腔以及防止高压油液倒流。
在回油路上设置一只液控顺序阀和一只单向阀。
（如下图2-3）
图2-3工作进给油路图
2.3.3确定快进转工进方案
为了使快进能快速且平稳的转换为工进，采用了二位二通电磁换向阀（如图2-4）
图2-4快进转工进回路图
2.3.4选择调压和卸荷回路
油路中有溢流阀，它能调定系统的工作压力，因此调压问题已经在油路中得到解决，没有必要重新设计调压回路。
在图2-1所示的双联液压泵自动供油的油路中设有卸荷阀，当滑台工进和停止时，低压、大流量液压泵都可以经此阀卸荷。
由于工进的过程在整个循环周期中占了很多时间，且高压、小流量液压泵的功率较小，所以就不需要在油路中设计卸荷回路。
2.4将各回路综合成液压系统回路
将以上选出的各种液压回路组合画在一起，就可得到一张如图2-5所示的液压系统原理图。
图2-5系统原理图
2.5液压系统电磁铁动作顺序表
表2-2动作顺序表
电磁铁
液压缸
1Y
2Y
3Y
4Y
快进
+
-
—-
SB1
工进
+
+
SQ3
快退
-
+
-
SQ4
停止
-
-
-
SQ1
3液压系统计算及液压元件选择
3.1分析负载
3.1.1外负载
由已知可得钻削力Fg=14000N
3.1.2惯性负载
机床工作部件总质量m=1600kg，导轨为矩形，启动、制动时间为
t=0.5s快进、快退速度为60mm/s。
3.1.3阻力负载
取摩擦系数
静摩擦阻力为
动摩擦阻力为
表3-1液压缸在各工作阶段的负载（已知ηw=0.9）
工况
计算公式
外负载（F1）
工作负载F=F1/ηw
启动
F1=Ffs
3200
3556
加速
F1=Ffd+Fm
1792
1991
快进
F1=Ffd
1600
1778
工进
F1=Ffd+Fg
15600
17333
反向启动
F1=Ffs
3200
3556
反向加速
F1=Ffd+Fm
1792
1991
后退
F1=Ffd
1600
1778
已知快进、快退的速度
、
为60mm/s,工进速度
为1.55mm/s，工进长度40mm行程120mm。
根据负载计算结果和已知的各阶段的速度，可绘出负载图（F-l）和速度图（v-l），见图3-1、3-2。
纵坐标正数部分为液压缸活塞杆前进时的曲线：
分为快进和工进，负数部分为液压缸活塞杆快退时的曲线。
图3-1负载图
图3-2速度图
3.2确定执行元件主要参数
由表3-1可知机床最大负载
查表3-2、表3-3、表3-4得液压系统取工作压力
，d=0.707D，（D为缸筒内径d为活塞杆外径，A1为无杆腔的有效面积，A2为有杆腔的有效面积）
查表3-5得到液压缸回油路的背压值
表3-2不同负载作用下液压缸的工作压力
表3-3常用液压设备工作压力
表3-4按活塞杆受力情况选取活塞杆的直径
表3-5液压系统中一般情况下的背压值
国标的液压缸内径系列有：
810121620253240506380（90）100（110）125（140）（160）（180）（110）200250320400500630
国标的活塞杆外径系列有：
45681012141618202528324045505663708090100110125140160180200220250280320360400
d=0.707D=0.0707m圆整D=100mmd=80mm
这样可以求出液压缸进油腔和回油腔的有效面积分别为
经计算，活塞杆和液压缸均符合要求。
3.3液压泵的选择
液压缸在整个工作循环中的最大压力为2.42Mpa，如果进油路上的压力损失为0.5Mpa，为使压力继电器能正常工作，取其调整压力略高出系统最大工作压力0.5Mpa，则小油量液压泵的最大工作压力应为
大流量液压泵只有在快进、快退时才向液压缸输油，由表3-1可知，快退时液压缸的工作压力比快进时大，如果取进油路上的压力损失为0.5Mpa，则大流量液压泵的最高工作压力为
由表2-1可知，两个液压泵应向液压缸提供的最大流量为18.0972L/min，因系统较简单，取泄漏系数KL=1.1,则两个液压泵的实际流量应为
由于溢流阀的最小稳定溢流量为2.5L/min，而工进时输入液压缸的流量为0.73L/min，由小流量液压泵单独供油，所以小液压泵的流量规格最少应为3.23L/min。
根据以上压力和流量的数值查阅产品样本，最后确定选取YB-4/20型双叶片液压泵其小液压泵和大液压泵的排量分别为4ml/r和20ml/r,当液压泵的转速np=960r/min时该液压泵的理论流量为23.04L/min，若取液压泵的容积效率
，则液压泵的实际输出流量为
=[（4+20）×960×0.81/1000]L/min=18.7L/min
3.4电动机的选择
由于液压缸在快退时输入功率最大，取小泵的出口压力损失
P1=4.5×105Pa,取大泵出口到小泵出口压力损失
P2=1.5×105Pa，于是计算出小泵出口压力为2.39MPa（小泵总效率
），大泵出口压力为2.54MPa（大泵的总效率
），则液压泵的电动机所需功率为
根据此数据值查阅电机产品样本选取Y100L1-4型电动机，其额定功率Pn=2.2KW，额定转速nn=1430r/min。
3.5液压元件、辅助元件以及液压油的选型
3.5.1液压元件、辅助元件选型
选型如下表
表3-6液压元件明细栏
3.5.2液压油选型
根据实际需要选用L-HL32型液压油（油的密度为920kg/m3）
3.6管道尺寸的确定
根据选定液压阀的油口尺寸确定各种管道尺寸。
液压缸进、出油管则按输入、输出的最大流量值计算。
由于所选液压泵的液压值在不同工作阶段的进、出流量与原定数值不同，所以需要重新计算。
如表3-7所示
表3-7各工作阶段流量表
快进
工进
快退
输入流量L/min
q1=（A1qp）/（A1-A2）=（78.54×18.7）/50.27=29.2
q1=0.73
q1=qp=18.7
输出流量L/min
q2=（A2q1）/A1=（28.27×29.2）/78.54=10.51
q2=（A2q1）/A1=（28.27×0.73）/78.54=0.26
q2=（A1q1）/A2=（18.7×78.54）/28.27=51.59
由上表可以看出，液压缸在各个工作阶段的实际运动速度符合要求。
根据表3-7中数值，并按一般情况取油液在压油管内的流速v=3m/s，按式
算得，与液压缸无杆腔及有杆腔相连的油管内径分别为
mm
mm
这两根油管都按国标选用内径φ18mm、外径φ20mm的冷拔无缝钢管。
4液压集成块的设计
4.1Pro/E软件简介
Pro/Engineer是一套从设计到生产一体化的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个基于产品特征的参数化实体造型系统，并且具有单一数据库。
各种设计软件的区别：
（1）Pro/E是偏重设计的软件，而且偏重产品设计。
优点是全参数化设计，方便设计修改。
当然它也有很多的其它的功能模块，效果也不错，但从它的市场占有率来看，在产品设计和工业设计方面使用的人更多。
（2）MASTERCAM严格来说不能算设计软件，只能说是一个CAM加工软件，在数控机床加工方面的功能比较全面。
主要用来给各类数控机床（包括加工中心、数控车床、线切割、数控雕刻机等）编写加工程式。
（3）Solidworks更简单，更易于学习，操作上更加人性化。
尤其是在出图要转化成CAD格式的时候，Solidworks更方便。
个人认为如果是普通的开发和简单产品设计，用Solidworks足够！
4.2集成块1的设计
如图4-1所示，集成块1上放置主油路的阀体
图4-1集成块1的油路图
集成块1的实体图4-2和管道图4-3如下图所示
图4-2集成块1实体图
图4-3集成块1孔道位置图
4.3集成块2的设计
在集成块2上所要布置的液压元件如图4-4所示。
图4-4集成块2油路图
集成块2的设计与集成块1的设计相同，但要注意的是，集成块2的油路P，T口必须要与集成块1的P，T口相匹配，这里就不多作介绍了，集成块2的实体图如图4-5所示，孔道位置图如图4-6所示
图4-5集成2实体图
图4-6集成块2孔道位置图
5电气控制线路图
液压缸的自动工作循环是由控制线路控制液压系统来实现的，图5-1是一次工作进给电气控制线路图。
这种线路的自动工作循环是：
液压缸快进，工进，快速退回到原位。
其工作过程如下：
图5-1液压缸完成一次往复运动的电器控制线路图
1）液压缸原位停止液压缸可作前后进给运动。
当电磁铁1Y、2Y、3Y都断电时，三位五通电磁换向阀处于中间位置，液压缸停止不动。
液压缸在原位时，限位开关SQ1，由挡铁压动，其动合触点闭合，动断触点断开。
2）液压缸快进把转换开关SA放在“l”位置。
按动按钮SB1，KA1得电动作，并自锁，其动合触点闭合使电磁铁1Y通电。
1Y通电使三位五通电磁换向阀推向右端，液压缸向前运动。
由于3Y未通电，除了接通工进油路外，还通过两位两通电磁换向阀将液压缸小腔内的回油排入大腔，加大了油的流量，所以液压缸作快速向前进给运动。
3）液压缸工进在液压缸快进过程中，当挡铁压动开关SQ3时，其动合触点闭合，使KA2得电动作，KA2的动断触点断开使3Y得电，使液压缸自动换为工进状态。
KA2的动合触头接通自锁电路（即当挡铁离开SQ3时，SQ3触点恢复分断时，KA2仍保持动作）。
4）液压缸快退当液压缸工作进给到终点后，挡铁压动开关SQ4，其动合触点闭合，使KA3得电动作，并自锁。
KA3动作结果，其动断触点打开，使1Y，、3Y断电，液压缸停止工进。
其动合触点KA3闭合，使2Y得电，两位两通电磁换向阀左移，液压缸快速退回。
液压缸退回原位后，SQ1被压动，其动断触点断开，使KA3断电，因此2Y也断电，动力头停止。
5）液压缸“点动调整”将转换开关SA放在“2”位置时，按动按钮SB1，也可接通KA1，使电磁铁1Y通电，动力头可向前快进。
但由于KA1，不能自锁，因此放松SB1后，液压缸立即停止，故液压缸可点动向前调整。
当液压缸还在原位（SQ1原态），需要快退时，可按动按钮SB2，使KA3得电动作，2Y得电，液压缸作快退运动，直到退回原位，SQ1被压下，KA3断电，液压缸停止。
6油箱的设计
6.1油箱的功用和要求
液压油箱的作用是贮存液压油,将液压油中的杂质和空气分隔，同时还起到散热的作用。
油箱的容量应满足以下要求：
具有足够大的储存量，以满足液压系统对油量的要求。
同时当系统工作时，油面应保持一定的高度，当系统停止工作或检修时，应容纳下返回的油液。
液压油箱在不同的工作条件下，有很多影响散热的条件。
油箱的散热能力是决定油箱容量和结构的主要
升级会员 