单面多轴钻孔组合机床动力滑台.doc
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攀枝花学院本科学生课程设计任务书
题 目D
单面多轴钻孔组合机床动力滑台
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）
单面多轴钻孔组合机床，动力滑台的工作循环是：
快进——工进——快退——停止。
液压系统的主要性能参数要求如下，轴向切削力为Fa=24000N；滑台移动部件总质量为G=510kg；加、减速时间为0.2s；采用平导轨，静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1，；快进行程为了S1=200mm，工进行程为s2=100mm，快进与快退速度相等，均为3.5m／min，工进速度为v=30mm／min。
工作时要求运动平稳，且可随时停止运动。
试设计动力滑台的液压系统。
完成设计计算，拟定系统方案图，确定各液压元件的型号及尺寸，设计液压缸。
3、主要参考文献
[1]章宏甲主编，《液压与气压传动》，机械工业出版社出版2007.1
[2]路甬祥主编.液压气动技术手册.北京.机械工业出版社.2002
[3]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
4
初步确定液压系统的参数，进行工况分析和负载图的编制
14
确定液压系统方案，拟订液压系统图
4
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
4
液压系统的性能验算
2
液压油箱的结构设计，制图及编制技术文件
12
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。
设计参数
设计参数见表2
表2设计参数
序号
Fa
G
S1
S2
v
μd
μs
D9
30000
600
220
120
40
0.1
0.2
第一章明确液压系统的设计要求
单面多轴钻孔组合机床，动力滑台的工作循环是：
快进——工进——快退——停止。
液压系统的主要性能参数要求如下，轴向切削力为Fa=30000N；滑台移动部件总质量为G=600kg；加、减速时间为0.2s；采用平导轨，静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1，；快进行程为S1=220mm，工进行程为s2=120mm，快进与快退速度相等，均为3.5m／min，工进速度为v=40mm／min。
工作时要求运动平稳，且可随时停止运动。
试设计动力滑台的液压系统。
完成设计计算，拟定系统方案图，确定各液压元件的型号及尺寸，设计液压缸。
第二章负载与运动分析
负载分析中，暂不考虑回油腔的背压力，液压缸的密封装置产生的摩擦阻力在机械效率中加以考虑。
因工作部件是卧式放置，重力的水平分力为零，这样需要考虑的力有：
夹紧力，导轨摩擦力，惯性力。
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）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。
导轨的正压力等于动力部件的重力，设导轨的静摩擦力为，则静摩擦阻力：
=60000.2=1200N
动摩擦阻力：
=60000.1=600N
（2）工作负载
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
（3）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4.5m/min，因此惯性负载可表示为
忽略切削力引起的颠覆力矩对导轨摩擦力的影响，并设液压缸的机械效率=0.9，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1所示。
表2.1液压缸总运动阶段负载表（单位：
N）
工况
负载组成
负载值F/N
推力F//N
启动
1200
1333.3
加速
833.3
925.9
快进
600
666.7
工进
30600
34000
反向启动
1200
1333.3
加速
833.3
925.9
快退
600
666.7
制动
366.7
407.4
第三章负载图和速度图的绘制
根据负载计算结果和已知的个阶段的速度，可绘制出工作循环图如图1（a）所示，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、快进行程S1=220mm、工进行程s2=120mm、快退行程S3=340mm，工进速度。
快进、工进和快退的时间可由下式分析求出。
快进
工进
快退
根据上述已知数据绘制组合机床动力滑台液压系统绘制负载图（F-t）如图
图3.1
第四章确定液压系统主要参数
4.1确定液压缸工作压力
由表2和表3可知，组合机床液压系统在最大负载约为35000N时宜取4MP。
表4.1各种机械常用的系统工作压力
机械类型
机床
农业机械
小型工程机械建筑机械
液压凿岩机
液压机
大中型挖掘机
重型机械
起重运输机械
磨床
组合机床
龙门刨床
拉床
工作压力/MPa
0.8~2
3~5
2~8
8~10
10~18
20~32
表4.2按负载选择工作压力
负载/KN
<5
5~10
10~20
20~30
30~50
>50
工作压力/MPa
<0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
≥5
4.2计算液压缸主要结构参数
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,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，估算取0.5MPa。
快退时回油腔中也是有背压的，这时选取背压值=0.6MPa。
工进时液压缸的推力计算公式为
，
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=0.707×110=77.77mm，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：
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
工作台在快退过程中所需要的流量为
工作台在工进过程中所需要的流量为
q工进=A1×=0.38L/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4所示。
表4.3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
1333.3
0
0.78
——
——
加速
925.9
1.50
0.70
——
——
快进
666.7
1.14
0.64
16.63
0.177
工进
34000
0.8
3.98
0.38
0.025
快退
起动
1333.3
0
0.28
——
——
加速
925.9
0.6
1.39
——
——
快退
666.7
0.6
1.34
16.64
0.372
制动
407.4
0.6
1.29
——
——
注：
。
4.3绘制液压缸工况图
并据表4可绘制出液压缸的工况图，如图2所示。
图2组合机床液压缸工况图
第五章液压系统方案设计
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。
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。
从工况图中可以清楚地看到，在这个液压系统的工作循环内，液压要求油源交替地提供低压大流量和高压小流量的油液。
而快进快退所需的时间和工进所需的时间分别为
亦即是=18.75因此从提高系统效率、节省能量角度来看，如果选用单个定量泵作为整个系统的油源，液压系统会长时间处于大流量溢流状态，从而造成能量的大量损失，这样的设计显然是不合理的。
如果采用一个大流量定量泵和一个小流量定量泵双泵串联的供油方式，由双联泵组成的油源在工进和快进过程中所输出的流量是不同的，此时液压系统在整个工作循环过程中所需要消耗的功率估大，除采用双联泵作为油源外，也可选用限压式变量泵作油源。
但限压式变量泵结构复杂、成本高，且流量突变时液压冲击较大，工作平稳性差，最后确定选用双联液压泵供油方案，有利于降低能耗和生产成本，如图3所示。
图5.1双泵供油油源
5.2选用执行元件
因系统运动循环要求正向快进和工进，反向快退，且快进，快退速度相等，因此选用单活塞杆液压缸，快进时差动连接，无杆腔面积A1等于有杆腔面积A2的两倍。
5.3速度换接回路的选择
所设计多轴钻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17.58L/min降0.38L/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5.2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。
a.换向回路b.速度换接回路
图5.2换向和速度切换回路的选择
参考同类组合机床，选用双作用叶片泵双泵供油，调速阀进油节流阀调速的开式回路，溢流阀做定压阀。
为了换速以及液压缸快退时运动的平稳性，回油路上设置背压阀，初定背压值Pb=0.8MPa。
5.4选择快速运动和换向回路
根据本设计的运动方式和要求，采用差动连接与双泵供油两种快速运动回路来实现快速运动。
即快进时，由大小泵同时供油，液压缸实现差动连接。
本设计采用二位二通电磁阀的速度换接回路，控制由快进转为工进。
与采用行程阀相比，电磁阀可直接安装在液压站上，由工作台的行程开关控制，管路较简单，行程大小也容易调整，另外采用液控顺序阀与单向阀来切断差动油路。
因此速度换接回路为行程与压力联合控制形式。
5.5组成液压系统原理图
选定调速方案和液压基本回路后，再增添一些必要的元件和配置一些辅助性油路，如控制油路、润滑油路、测压油路等，并对回路进行归并和整理，就可将液压回路合成为液压系统，即组成如图5所示的液压系统图。
为便于观察调整压力，在液压泵的进口处，背压阀和液压腔进口处设置测压点，并设置多点压力表开关，这样只需一个压力表即能观察各压力。
要实现系统的动作，即要求实现的动作顺序为：
启动→加速→快进→减速→工进→快退→停止。
则可得出液压系统中各电磁铁的动作顺序如表5.1所示。
表中“+”号表示电磁铁通电或行程阀压下；“—”号表示电磁铁断电或行程阀复位。
表5.1电磁铁的动作顺序表
图5液压系统图
5.5系统图的原理
1．快进
快进如图所示，按下启动按钮，电磁铁1YA通电，由泵输出地压力油经2三位五通换向阀的左侧，这时的主油路为：
进油路：
泵→向阀10→三位五通换向阀2（1YA得电）→行程阀3→液压缸左腔。
回油路：
液压缸右腔→三位五通换向阀2（1YA得电）→单向阀6→行程阀3→液压缸左腔。
由此形成液压缸两腔连通，实现差动快进，由于快进负载压力小，系统压力低，变量泵输出最大流量。
2．减速
当滑台快到预定位置时，此时要减速。
挡块压下行程阀3，切断了该通路，电磁阀继续通电，这时，压力油只能经过调速阀4，电磁换向阀16进入液压缸的左腔。
由于减速时系统压力升高，变量泵的输出油量便自动减小，且与调速阀4开口向适应，此时液控顺序7打开，单向阀6关闭，切断了液压缸的差动连接油路，液压缸右腔的回油经背压阀8流回油箱，这样经过调速阀就实现了液压油的速度下降，从而实现减速，其主油路为：
进油路：
泵→向阀10→三位五通换向阀2（1YA得电）→调速阀4→电磁换向阀16→液压缸左腔。
回油路：
液压缸右腔→三位五通换向阀2→背压阀8→液控顺序阀7→油箱。
3．工进
减速终了时，挡块还是压下，行程开关使3YA通电，二位二通换向阀将通路切断，这时油必须经调速阀4和15才能进入液压缸左腔，回油路和减速回油完全相同，此时变量泵输出地流量自动与工进调速阀15的开口相适应，故进给量大小由调速阀15调节，其主油路为：
进油路：
泵→向阀10→三位五通换向阀2（1YA得电）→调速阀4→调速阀15→液压缸左腔。
回油路：
液压缸右腔→三位五通换向阀2→背压阀8→液控顺序阀7→油箱。
4．死挡铁停留
当滑台完成工进进给碰到死铁时，滑台即停留在死挡铁处，此时液压缸左腔的压力升高，使压力继电器14发出信号给时间继电器，滑台停留时间由时间继电器调定。
5．快退
滑台停留时间结束后，时间继电器发出信号，使电磁铁1YA、3YA断电，2YA通电，这时三位五通换向阀2接通右位，，因滑台返回时的负载小，系统压力下降，变量泵输出流量又自动恢复到最大，滑快速退回，其主油路为：
进油路：
泵→向阀10→三位五通换向阀2（2YA得电）→液压缸右腔。
回油路：
液压缸左腔→单向阀5→三位五通换向阀2（右位）→油箱。
6．原位停止
当滑台退回到原位时，挡块压下原位行程开关，发出信号，使2YA断电，换向阀处于中位，液压两腔油路封闭，滑台停止运动。
这时液压泵输出的油液经换向2直接回油箱，泵在低压下卸荷。
系统图的动作顺序表如表5所示。
第六章液压元件的选择
6.1确定液压泵的规格和电动机功率
本设计所使用液压元件均为标准液压元件，只需确定各液压元件的主要参数和规格，然后根据现有的液压元件产品进行选择即可。
（1）计算总流量
表2表明，在整个工作循环过程中，液压油源应向液压缸提供的最大流量出现在快进工作阶段，为23.07L/min，若整个回路中总的泄漏量按液压缸输入流量的10%计算，则液压油源所需提供的总流量为：
工作进给时，液压缸所需流量约为0.38L/min，但由于要考虑溢流阀的最小稳定溢流量3L/min，故小流量泵的供油量最少应为3.38L/min。
据据以上液压油源最大工作压力和总流量的计算数值，因此选取PV2R12-6/26型双联叶片泵，其中小泵的排量为6mL/r，大泵的排量为26mL/r，若取液压泵的容积效率=0.9，则当泵的转速=940r/min时，液压泵的实际输出流量为
由于液压缸在快退时输入功率最大，这时液压泵工作压力为2.36MPa、流量为27.072r/min。
取泵的总效率，则液压泵驱动电动机所需的功率为：
根据上述功率计算数据，此系统选取Y100L-6型电动机，其额定功率，额定转速。
（2）计算液压泵的最大工作压力
由于本设计采用双泵供油方式，根据液压系统的工况图，大流量液压泵只需在快进和快退阶段向液压缸供油，因此大流量泵工作压力较低。
小流量液压泵在快速运动和工进时都向液压缸供油，而液压缸在工进时工作压力最大，因此对大流量液压泵和小流量液压泵的工作压力分别进行计算。
根据液压泵的最大工作压力计算方法，液压泵的最大工作压力可表示为液压缸最大工作压力与液压泵到液压缸之间压力损失之和。
对于调速阀进口节流调速回路，选取进油路上的总压力损失，同时考虑到压力继电器的可靠动作要求压力继电器动作压力与最大工作压力的压差为0.5MPa，则小流量泵的最高工作压力可估算为
大流量泵只在快进和快退时向液压缸供油，图4表明，快退时液压缸中的工作压力比快进时大，如取进油路上的压力损失为0.5MPa，则大流量泵的最高工作压力为：
6.2确定其它元件及辅件
（1）确定油管
在选定了液压泵后，液压缸在实际快进、工进和快退运动阶段的运动速度、时间以及进入和流出液压缸的流量，与原定数值不同，重新计算的结果如表7所列。
表6.1各工况实际运动速度、时间和流量
流量、速度
快进
工进
快退
输入流量/（L/min）
排出流量/（L/min）
运动速度/（m/min）
由表可以看出，液压缸在各阶段的实际运动速度符合设计要求。
根据表中数值，当油液在压力管中流速取3m/s时，可算得与液压缸无杆腔和有杆腔相连的油管内径分别为：
取标准值20mm；
取标准值15mm。
因此与液压缸相连的两根油管可以按照标准选用外径，内径的无缝钢管或高压软管。
如果液压缸采用缸筒固定式，则两根连接管采用无缝钢管连接在液压缸缸筒上即可。
如果液压缸采用活塞杆固定式，则与液压缸相连的两根油管可以采用无缝钢管连接在液压缸活塞杆上或采用高压软管连接在缸筒上。
（2）油箱的设计
油箱的主要用途是贮存油液，同时也起到散热的作用，参考相关文献及设计资料，油箱的设计可先根据液压泵的额定流量按照经验计算方法计算油箱的体积，然后再根据散热要求对油箱的容积进行校核。
油箱中能够容纳的油液容积按JB/T7938—1999标准估算，取时，求得其容积为
按JB/T7938—1999规定，取标准值V=250L。
（3）确定阀类元件及辅件
根据系统的最高工作压力和通过各阀类元件及辅件的实际流量，查阅产品样本，选出的阀类元件和辅件规格如表6所列。
表6液压元件规格及型号
序号
元件名称
通过的最大流量q/L/min
规格
型号
额定流量qn/L/min
额定压力Pn/MPa
额定压降∆Pn/MPa
1
双联叶片泵
—
PV2R12-6/26
（5.1+22）
16/14
—
2
三位五通电液换向阀
50
35DYF3Y—E10B
80
16
<0.5
3
行程阀
60
AXQF—E10B
63
16
<0.3
4
调速阀
<1
AXQF—E10B
6
16
—
5
单向阀
60
AXQF—E10B
63
16
0.2
6
单向阀
25
AF3-Ea10B
63
16
0.2
7
液控顺序阀
22
XF3—E10B
63
16
0.3
8
背压阀
0.3
YF3—E10B
63
16
—
9
溢流阀
5.1
YF3—E10B
63
16
—
10
单向阀
22
AF3-Ea10B
63
16
<0.02
11
滤油器
30
XU—63×80-J
63
—
<0.02
12
压力表开关
—
KF3-E3B3测点
—
16
—
13
单向阀
60
AF3-Fa10B
100
6.3
0.2
14
压力继电器
—
PF—B8L
—
0
—
*注：
此为电动机额定转速为940r/min时的流量。
6.3主要零件强度校核
1.）杆径d
由公式：
式中：
F是杆承受的负载（N），F=12700N
是杆材料的许用应力，=100
① 缸盖和缸筒联接螺栓的底径d1
式中K------拧紧系数，一般取K=1.25~1.5；
F-------缸筒承受的最大负载（N）；
z-------螺栓个数；
----螺栓材料的许用应力，，为螺栓材料的屈服点（MPa），安全系数n=1.2~2.5
2.）缸底厚度δ=11㎜
对于平缸底，厚度有两种情况：
a.缸底有孔时：
其中
b.缸底无孔时，用于液压缸快进和快退；
其中
3.）缸筒壁厚δ=4㎜
因为方案是低压系统，校核公式
式中：
-缸筒壁厚（）
-实验压力,其中是液压缸的额定工作压力
D-缸筒内径D=0.11M
-缸筒材料的许用应力。
，为材料抗拉强度（MPa）,n为安全系数，取n=5。
对于P1<16MPa.材料选45号调质钢，对于低压系统
因此满足要求。
第七章液压系统性能验算
7.1验算系统压力损失并确定压力阀的调整值
系统的管路布置尚未具体确定，整个系统的压力损失无法全面估算，只能先按课本式（3-46）估算阀类元件的压力损失，待设计好管路布局图后，加上管路的沿程损失和局部损失即可。
但对于中小型液压系统，管路的压力损失
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