二轴钻孔机床液压系统设计毕业设计doc.docx
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二轴钻孔机床液压系统设计毕业设计doc
二轴钻孔机床液压系统设计
第一章组合机床概述
1.1组合机床的特点
在专用机床中某些部件因重复使用,逐步发展成为通用部件,因而产生了组合机床。
组合机床与一般专用机床相比较,具有如下优点：
（1）设计与制造周期短。
这是因为组合机床的通用化程度高,通用部件、通用零件和标准件约占70．90％,其中许多是预先制造好的,在制造新机床时可以根据需要选用。
需要设计、制造的只是少量专用零部件。
（2）组合机床的通用零部件,是经过生产实践考验多次反复修改定型的,因而结构的可靠性和工艺性较好,使用性能较稳定,有利于稳定地保证加工质量。
（3）组合机床的通用零部件都己标准化、系列化,因而可以组织成批生产,这样不仅可提高制造精度,而且可以降低机床的成本,加快专用机床制造的速度。
（4）组合机床自动化程度高,便于维修,通用的易耗易损件可以提前准备,必要时甚至可以改换整个通用部件。
（5）便于产品更新。
当改变加工对象时,通用部件可以重新利用,改装成新的专用机床。
但由于组合机床的通用部件不是为某一种机床设计的,具有较广的适应性,而且规格也有限,这样就使组合机床的结构较一般专用机床稍为复杂。
组合机床改装时,约有10%～20％的零件不能利用,改装劳动量也较大。
1.2组合机床的分类和组成
组合机床的通用部件分大型和小型两大类。
大型通用部件是指电机功率为1.5-30千瓦的动力部件及其配套部件。
这类动力部件多为箱体移动的结构形式。
小型通用部件是指电机功率甾.1-2.2千瓦的动力部件及其配套不见。
这类动力部件多为套筒移动的结构形式。
用大型通用部件组成的机床称为大型组合机床。
用小型通用部件真诚的机床称为小型组合机床。
按设计的要求本次设计的二轴钻孔机床为大型通用机床。
通用部件组成按功能可分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件五类。
动力部件是为组合机床提供主运动和进给运动的部件。
主要有动力箱、切削头和动力滑台。
支承部件是用以安装动力滑台、带有进给机构的切削头或夹具等的部件，有侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等。
输送部件是用以输送工件或主轴箱至加工工位的部件，主要有分度回转工作台、环形分度回转工作台、分度鼓轮和往复移动工作台等。
控制部件是用以控制机床的自动工作循环的部件，有液压站、电气柜和操纵台等。
辅助部件有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。
1.3组合机床的方案选择
（1）制定工艺方案要深入现场了解被加工零件的加工特点、精度和技术要求、定位夹压情况以及生产率的要求等。
确定在组合机床上完成的工艺内容及其加工方法。
这里要确定加工工步数，决定刀具的种类和型式。
（2）机床结构方案的分析和确定根据工艺方案确定机床的型式和总体布局。
在选择机床配置型式时，既要考虑实现工艺方案，保证加工精度，技术要求及生产效率；又要考虑机床操作、维护、修理是否良好；还要注意被加工零件的生产批量，以便使设计的组合机床符合多快好省的要求。
（3）组合机床总体方案这里要确定机床各部件间的相互关系，选择通用部件的刀具的导向，计算切削用量及机床生产率。
给制机床的总联系尺寸图及加工示意图等。
（4）组合机床的部份方案和施工方案制定组合机床流水线的方案时，与一般单个的组合机床方案有所不同。
流水线上由于工序的组合不同，机床的型式和数量都会有较大的变化。
因此，这时应按流水线进行全面考虑，而不应将某一台或几台机床分裂开来设计。
即使暂时不能全面地进行流水线设计，制定方案时也应综合研究，才能将工序组合得更为合理，更可靠地满足工件的加工要求，用较多的工作，也为进一步发展创造了有利条件。
第二章组合机床总体设计
组合机床总体设计，是针对具体的被加工零件，在选定的工艺和结构方案的基础上，进行方案图纸设计。
这些图纸包括：
被加工零件工序图、加工示意图（刀具布置图）、机床联系尺寸图、生产率计算卡（三图一卡的设计）。
本机床要完成的工艺内容：
完成汽车转向节零件的钻孔加工工序；机床的结构方案是:
单工位、立式、多品种（两个不同规格的零件）加工，PLC控制的组合机床。
2.1被加工零件工序图
2.1.1被加工零件的工序图作用和要求
被加工零件工序图是根据选定的工艺方案，表示在一台机床上或自动线上完成的工艺内容。
加工部件的尺寸及精度、技术要求，加工用定位基准，夹压部件，以及被加工另加的材料，硬度和在本机床加工前毛坯情况的图纸。
它是在原有的工件图基础上，以突出本机床或自动线加工内容，加上必要的说明绘制的。
它是组合机床设计的主要依据，也是制造使用时调整机床、检查精度的重要技术文件。
2.1.2被加工零件工序图内容
被加工零件工序图应包括下列内容：
1.在图上应表示出被加工零件的形状，尤其是要设置中间导向时，应表示出工件内部筋的布置和尺寸，以便检查工件装进夹具是否相碰，以及刀具通过的可能性。
2.在图上应表示出加工用基面和夹压的方向及位置，以便依次进行夹具的支撑，定位及夹压系统的设计。
3.在图上应表示出加工面的尺寸、精度、光洁度、位置尺寸及精度和技术条件（包括对上道工序的要求及本机床保证的部分）。
4.图中还应注明被加工零件的名称、编号、材料、硬度以及被加工部位的余量。
5.本机床上需要钻下列孔：
钻孔2-Φ16.4钻深10（通孔）孔距120.位置度Φ0.3钻深10（通孔）孔距120.位置度Φ0.3
被加工工件材料、硬度分别为:
Mn50/GB1348-85、HBS235-277。
2.2加工示意图（刀具布置图）
2.2.1加工示意图的作用
加工示意图是根据生产率要求和工序图的要求而拟定的机床工艺方案。
它是刀具、辅具的布置图，是刀具、辅具、夹具、电气、液压、主轴箱等部件设计的重要依据，是机床布局和机床性能的原始要求，是机床试车前对刀和调整机床的技术资料。
2.2.2加工示意图的内容
1.加工部位结构尺寸，精度分布情况。
2.刀具、刀杆及其与主轴的连接结构。
3.导向结构的大镗杆的托架结构。
4.上述各类结构的联系尺寸，配合尺寸及必要的配合精度。
5.标有刀具种类及数量，刀具长度及加工尺寸，主轴尺寸及伸出长度及切削用量的数据。
6.工作循环及工作行程。
7.多工位机床的工位区别以及各工位的上述内容。
本机床的选用：
1）刀具的选择：
被加工工件材料为Mn50/GB1348-85，钻孔加工，选用锥柄麻花钻，因加工汽车前转向轴孔为2个φ16.4。
故根据国标选用φ16.5-245/GB1438-85钻头（2把）。
2）导向结构的选择：
夹具选用可换钻套，来保证孔的位置精度。
3）确定主轴类型、尺寸、外伸长度
4）选择接杆
除主轴外，组合机床主轴与刀具间常用接杆连接。
当钻头磨损后，可通过调整接杆长度来保证进给行程。
根据选用原则选取可调接杆。
5）标注联系尺寸
6）标注切削用量
各主轴的切削用量应标注在相应主轴后端。
其内容包括：
主轴转速、相应刀具的切削速度、每转进给量。
7）动力部件工作循环及行程的确定
动力部件的工作循环是指加工时，动力部件从原始位置开始运动到终了位置，又返回到原位的动作过程。
a）工作进给长度
的确定
：
工作进给长度
：
切入长度
：
加工长度
：
切出长度
工件一：
=10.5mm
=5mm
=6mm
=10.5+5+6=21.5（mm）
工件二：
=18.5mm
=5mm
=6.5mm
=18.5+5+6.5=30（mm）
b）快速引进长度的确定：
快速引进是指动力部件把刀具送到工作进给位置，其长度由具体情况确定。
本工序选取快速引进长度为540mm。
c）快速退回长度的确定：
快速退回长度是快速引进长度和工作进给长度之和。
本工序为350mm。
d）动力部件总行程的确定：
根据要求与机床结构性能定滑台总行程为400mm,前备量为20mm，后备量为30mm。
2.2.3加工示意图的画法
1.非加工部位用细线画出外，加工部位及其他图形均用粗实线画出。
2.运动部分图形，按加工终了位置画。
3.对于一些标准的通用结构如钻头接杆可以不剖视。
4.结构尺寸相同的主轴，只画一根即可，但必须在主轴上写出轴号，主轴的分布不受真实距离限制。
5.在确定工作进给行程时，钻孔出量等于5+0.3d（d为钻头直径）,本机床加工的产品有盲孔，只考虑保证加工长度即可。
6.本机床加工示意图如下：
图2-2加工示意图
2.3机床联系尺寸图
2.3.1机床联系尺寸图作用
机床联系尺寸图表示了机床的形式布局。
是开展各专用部件设计和确定机床最大占地面积的指导图纸。
组合机床是有一些通用部件和专用部件组成的，为了使所有设计的机床既能满足预期的性能要求，又做到配置上匀称合理，符合多快好省的精神，必须对所设计的组合机床各个部件间的关系进行全面的分析研究。
这是通过绘制机床联系尺寸图来达到的。
2.3.2联系尺寸图主要内容
1）机床的布局形式。
2）标有通用部件的型号规格。
3）主要专用部件轮廓尺寸。
4）机床分组，电机功率。
5）各部件间的主要联系尺寸。
2.3.3联系尺寸图的画法
机床联系尺寸图是在被加工零件工序图与加工示意图绘制之后进行。
图中只画出各部件轮廓及相关尺寸。
尽量减少不必要的线条和尺寸，各部件应严格按同一比例绘制。
本机床联系尺寸图如下：
图2-3机床联系尺寸图
2.3.4机床装料高度的确定
装料高度是工件安装基面与地面的距离。
要根据工件大小、工件最低孔的位置。
主轴箱最低主轴高度（h1）和通用部件高度尺寸的限制来确定。
本机床装料高度选为900mm，低座内安装自动排屑机构的需要。
2.4机床生产率计算卡
2.4.1生产率计算卡的作用
生产率计算卡是反映所设计机床工作循环过程及每一过程所用的时间，切削过程所选择的切削用量，本机床每小时生产率与负荷率的关系的表格。
2.4.2计算
1）计算单件时间
计算单件时间是指机床加工每个工件的总时间，这个时间等于机动时间与辅助时间之和。
即：
T单=T机+T辅=L1/SM+T辅（分/件）=0.87+1.6=2.5（min/件）
T机=L1/SM+t停留=30/37+0.06=0.87（min）
T辅=t快+t移+t装卸=（L快进+L快退）/v快+t移+t装卸=（0.54+0.57）/4+1.3=1.58（min）
L1——工作行程长度（mm）取值为30mm
T停留——死挡铁停留时间（0.03~0.1）分取值为0.03min
SM——每分钟进给量（mm/min）取值为37mm/min
L快进、L快退——动力头快进和快退行程长度（m）分别取值为0.54m、0.57m
v快——动力头快速行程的速度，一般（3.2~10）m/min取值为4m/min
T移——工作台的回转或移动时间（3~8）秒
t装卸——工件装卸定位、夹紧以及清除定位基面切屑的时间，一般（0.5~1.5）分钟取值为1.2min
2）机床生产率
机床理想生产率是指机床在百分百负荷情况下每小时的生产能力。
仅考虑加工一个工件所需的机动时间（T机）和辅助时间（T辅）。
Q=60/T单=60/2.5=24件/小时
3）机床负荷率
机床负荷率是指使用单位要求的生产率Q1与理想生产率Q之比。
Л负=Q1/Q
当全年工时为1800小时（按单班制7.5小时，一周5天制）则
Q1=年产量/4600（件/小时）=30000/1800=17件/小时
Л负=Q1/Q=17/27=0.70=70%
表2-1生产率计算卡
被
加
工
零
件
图号
毛坯种类
铸件
名称
汽车转向节
毛坯重量
3kg
材料
Mn50/GB1348-85
硬度
HBS235-277
工序名称
钻孔
Ф16.4深20
工序号
序
号
工步
名称
零件
数
加工
直径
（mm）
加工
长度
（mm）
工进
行程
（mm）
切削
速度
（m/min）
每分钟转速
（r/min）
进刀量
工时（min）
（mm/r）
（mm/min）
工进时间
辅助时间
共计
1
装上工件
1
0.15
0.6
0.75
2
工件定位夹紧
0.02
0.08
0.1
3
动力部件快进
320
0.045
0.002
0.047
4
动力部件工进
Φ16.4
20
40
15.3
298
0.16
47.6
0.84
0.84
5
死挡铁停留
0.02
0.02
6
动力部件快退
360
0.045
0.045
7
松开工件
0.03
0.03
8
卸下工件
0.7
0.7
备注
机床能满足厂家要求
总计
2.5min
单件工时
2.5min
机床生产率
17件/小时
机床负荷率
70%
表2-1生产率计算卡
第三章液压系统设计
3.1技术要求
机床整体设计分析与计算时对本机床的液压系统有了下面具体要求:
1）机床用液压油缸驱动滑台实现钻孔主轴箱的快进.工进.快退,要求运动平稳。
2）滑台工作循环：
快进工进快退停止；
3）工件夹紧,定位,辅助定位由液压力完成:
其中工件定位油缸一个,夹紧油缸二个,角度定位缸二个，辅助定位缸一个。
4）机床滑台运动平稳,速度可调,随时可停止运动;夹紧.定位油缸力可调并且动作协调.机床半自动循环时互不干扰。
5）本设计以主轴箱进给动力滑台液压系统为主进行论述计算，参数如表1所示，动力滑台采用平面导轨，其静、动摩擦系数分别为fs=0.2、fd=0.1。
表1设计参数
表1设计参数（2轴钻孔机）
参数
数值
切削阻力（N）
10000
滑台自重（N）
8000
快进、快退速度（m/min）
8
工进速度（mm/min）
40
最大行程（mm）
350
工进行程（mm）
50
启动换向时间（s）
0.2
液压缸机械效率
0.9
3.2分析系统工况
在对液压系统进行工况分析时，本设计只考虑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）工作负载FW
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
FW=10000N
（2）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0.1s，工作台最大移动速度，即快进、快退速度为8m/min，因此惯性负载可表示为
（3）摩擦负载
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。
静摩擦阻力Ffj=fj×N=Ffj=0.2×8000=1600N
动摩擦阻力Ffd=fd×N=Ffd=0.1×8000=800N
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2所示。
表2液压缸在各工作阶段的负载（单位：
N）
=0.9
工况
负载组成
负载值F
液压缸推力
=F/
起动
=
1600N
1777N
加速
=
+
1210N
1344N
快进
=
800N
888N
工进
=
+
10800N
12000N
反向起动
=
1600N
1777N
加速
=
+
1210N
1344N
快退
=
800N
888N
注：
此处未考虑滑台上的颠覆力矩的影响。
（4）负载循环图
根据表2中计算结果，绘制机床动力滑台液压系统的负载循环图如图2所示
12000
工进
1600
800
启动加速快进
-1344
-800-1600
图2组合机床动力滑台液压系统负载循环图
图2表明，当组合机床动力滑台处于工作进给状态时，负载力最大为10800N，其他工况下负载力相对较小。
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
、工进行程
、快退行程
，工进速度
。
根据上述已知数据绘制机床动力滑台液压系统的速度循环图如图3所示。
V
8
0.04
0
380t
-8
图3机床液压系统速度循环图
3.3确定系统主要参数
3.3.1初选液压缸工作压力
所设计的动力滑台在工进时负载最大，其值为12000N，其它工况时的负载都相对较低，液压系统的工作压力,一般为3.0—5.0Mpa，初选液压缸的工作压力p1=3.0MPa。
3.3.2确定液压缸主要尺寸
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=0.6MPa
快进时液压缸虽然作差动连接（即有杆腔与无杆腔均与液压泵的来油连接），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，估算时取
0.5MPa。
快退时回油腔中也是有背压的，这时选取被压值
=0.7MPa。
工进时液压缸的推力计算公式为
，
式中：
F——负载力
m——液压缸机械效率
A1——液压缸无杆腔的有效作用面积（）
A2——液压缸有杆腔的有效作用面积
p1——液压缸无杆腔压力
p2——液压有无杆腔压力
因此，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
mm
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=0.707×75=74.7mm，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=80mm，活塞杆直径为d=55mm。
此时液压缸两腔的实际有效面积分别为：
3.3.3计算最大流量需求
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
q快进=（A1-A2）×v1=18.5L/min
工作台在快退过程中所需要的流量为
q快退=A2×v2=4.48×8=21.2L/min
工作台在工进过程中所需要的流量为
q工进=A1×v1’=9.5×0.084=0.2L/min
其中最大流量为快进流量为30.24L/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3所示。
表3各工况下滑台油缸的主要参数值
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
1777
0
0.75
——
——
q=（A1-A2）v1
P=p1q
p2=p1+Δp
加速
1344
0.6
1.166
18.5
0.591
恒速
888
0.6
0.994
18.5
0.362
工进
12000
0.7
3.09
0.2
0.0103
P1=（F’+p2A2）/A1
q=A1v2
P=p1q
快退
起动
1777
0
0.67
——
——
P1=（F’+p2A1）/A2
q=A2v3
P=p1q
加速
1344
0.6
1.707
20.67
0.591
恒速
888
0.6
1.525
20.67
0.591
3.4拟定液压系统原理图
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。
此外，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。
考虑系统的稳定性滑台与夹具分开油泵供油。
3.4.1速度控制回路的选择
工况计算表中表明，所设计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。
但由于在钻头钻入工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。
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。
3.4.2换向和速度换接回路的选择
3.4.2.1换向回路
所设计的钻床液压系统换向回路中换向阀的选择
A.主轴箱滑台进给要求换向平稳，控制方便，选用了三位五通电液的换向阀进行控制
B.工件的定位，夹紧（辅助定位）油路换向的平稳性要求不高，流量不大，选用了价格较低的，有定位的二位五通阀进行控制
3.4.2.2速度换接回路
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18L/min降为0.82L/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。
图5换向和速度切换回路的选择
3.4.3压力控制回路的选择
由于采用变量叶片泵供油回路，当活塞运动到终点,泵压力升高,输出流量减小,当泵压高到顸调的最大值,泵的流量减少到只需补充液压缸或换向伐的泄漏,，并实现保圧卸荷。
为了便于观察和调整压力，在液压泵的出口处、背压阀和液压缸无杆腔进口处设测压点。
将上述所选定的液压回路进行整理归并，并根据需要作必要的修改和调整，最后画出液压系统原理图。
为了实现滑台快进时回油路接通实现液压缸差动连接的问题，必
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