机械设计制造及其自动化专业毕业设计-卧式单面多轴钻孔机床液压系统

1课程设计指导书设计课题：卧式单面多轴钻孔组合机床液压系统设计适用：机械设计制造及其自动化专业2009年2前言液压传动技术是机械设备中发展最快的技术之一，特别是近年来与微电子、计算机技术结合，使液压技术进入了一个新的发展阶段，机、电、液、气一体是当今机械设备的发展方向。在数控加工的机械设备中已经广泛引用液压技术。作为数控技术应用专业的学生初步学会液压系统的设计，熟悉分析液压系统的工作原理的方法，掌握液压元件的作用与选型及液压系统的维护与修理将是十分必要的。液压传动在国民经济的各个部门都得到了广泛的应用，但是各部门采用液压传动的处发点不尽相同：例如，工程机械、压力机械采用液压传动的主要原因是取其结构简单、输出力大；航空工业采用液压传动的主要原因是取其重量轻、体积小；机床上采用液压传动的主要原因则是取其在工作过程中能无级变速，易于实现自动化，能实现换向频繁的往复运动等优点。为此，液压传动常在机床的如下一些装置中使用：1．进给运动传动装置这项应用在机床上最为广泛，磨床的砂轮架，车床、自动车床的刀架或转塔刀架，磨床、钻床、铣床、刨床的工作台或主轴箱，组合机床的动力头或滑台等，都可采用液压传动。2．往复主体运动传动装置龙门刨床的工作台、牛头刨床或插床的滑枕，都可以采用液压传动来实现其所需的高速往复运动，前者的速度可达60～90m/min，后者的速度可达30～50m/min。这些情况下采用液压传动，在减少换向冲击、降低能量消耗，缩短换向时间等方面都很有利。3．回转主体运动传动装置车床主轴可以采用液压传动来实现无级变速的回转主体运动，但是这一应用目前还不普遍。4．仿形装置车床、铣床、刨床上的仿形加工可以采用液压伺服系统来实现，其精度最高可达0.01～0.02mm。此外，磨床上的成型砂轮修正装置和标准四缸校正装置亦3可采用这种系统。5.辅助装置机床上的夹紧装置，变速装置、丝杠螺母间隙消除装置，垂直移动部件的平衡装置，分度装置，工件和刀具的装卸、输送、储存装置等，都可以采用液压传动来实现，这样做有利于简化机床结构，提高机床自动化的程度。液压动力滑台是利用液压缸将泵站提供的液压能转变为滑台运动所需的机械能，来实现进给运动并完成一定得动作循环，是一种以速度变换为主的中、低压液压系统，在高效、专用、自动化程度较高的机床中已得到广泛的应用。因此，在液压传动与控制系统中具有综合性和代表性，通过本毕业设计可以全面的应用和巩固所学的专业技术基础理论知识，提高机械设计能力和绘图能力，培养学生学习新技术、获取信息和理论联系实际的能力，特别是使学生在液压传动与控制的基本理论和应用方面得到进一步的提高。在毕业设计中，每人要完成《卧式单面多轴钻镗组合机床液压设计与说明书》一份，设计图纸六张。在撰写设计计算与说明书和设计图纸时，要严格遵守以下要求：一、撰写设计计算与说明书要求：1．计算过程、步骤。清晰，层次分明，根据充分，数据和结果准确。2．分析说明要重点突出，观点明确，论理正确，逻辑性强，有说服力。3．提倡合理运用必要的附图、表格、曲线等分析说明问题。4．文理通顺，语言确切，论述清晰，文字简练。5．序码编号要层次清楚、合理。6．内容要在个人独立思考、分析理解的基础上，自行计算说明和加工整理。不得盲目抄录参考资料，严禁抄袭他人的设计内容。二、设计图纸要求1．绘制零件图、装配图时，必须先搞清零件的作用功能、结构、相关件的装配连接关系等，明确图纸需要表达的部分和内容。2．根据零件的结构特点按规定确定图幅、比例，合理选择和布置基本视图和剖视、剖面图等。3．绘制每一条图线，标注每一个符号都有弄懂道理，独立绘制图样，不得4拷贝他人图纸。4．图纸内容要完整，应包括：视图、尺寸、加工装配符号、技术要求、标题栏和零件表等。5．图纸要严格按照机械制图等有关标准和规范绘制，图样表达、尺寸标注、公差配合、表面粗糙度和材质等，一律采用新标准。5第一部分液压系统的设计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。液压系统的设计步骤一般如下：一、明确设计要求在液压系统的设计中，首先应明确系统设计的要求。具体内容包括：1．主机的用途、结构、总体布局；2．主机要求液压系统实现的动作顺序或互锁要求；3．主机采用液压系统的各执行元件在力和运动方面的要求；4．对液压系统的工作性能、工作效率、自动化程度等方面的要求；5．液压系统的工作环境和工作条件等；6．液压装置的重量、外形尺寸、经济性等方面的要求。二、系统工况分析1．运动分析按设备的工艺要求，把所研究的执行元件在完成一个工作循环时的运动规律用图表示出来，一般用速度——时间（v—t）或速度——位移（v—s）曲线表示，称执行元件的速度循环图（速度图）。2．负载分析按设备的工艺要求，把执行元件在各阶段的负载用曲线表示出来，称执行元件的负载——位移（时间）曲线图（负载图）。由此图可直接的看出在运动过程充何时受力最大，何时受力最小等各种情况，以此作为以后的设计依据。F液压缸驱动执行机构进行直线往复运动时，所受的负载为F=Ft+Ff+Fa（1-1）（1）工作负载Ft工作负载是液压缸负载的主要组成部分，它与设备的运动情况有关，不同机械的工作负载其形式各不相同，对于机床，切削力是工作负载。工作负载可以是恒定的，也可以是变化的；可能是正值，也可能是负值，负载的方向与液压缸（或6活塞）的运动方向相反者为正，相同者为负。由切削原理可知：高速钢钻头钻铸铁时的轴向切削力Ft与钻头直径D、每转进给量s和铸铁硬度HB之间的经验算式为：Ft=25.5Ds0.8（HB）0.6（1-2）根据组合机床加工特点，钻孔时的主轴转速n和进给量s可选用下列数值：对φ=13.9mm的孔来说n1=360r/mins1=0.147mm/r对φ=8.5mm的孔来说n2=550r/mins1=0.096mm/r（2）摩擦阻力负载摩擦阻力是指主机执行机构在运动时与导轨或支撑面间的摩擦力，其值恒为正值。Ff=fFN（1-3）式中：FN——运动部件及外负载对支撑面的正压力；f——摩擦系数，分为静摩擦系数（fs≤0.2～0.3）和动摩擦系数（fd≤0.05～0.1）。（3）惯性负载Fm惯性负载是指运动部件在启动或制动过程中，因速度变换由其惯性而产生的负载，可由牛顿第二定律计算。Fs=ma=G/g×△v/△t（1-4）式中：m——运动部件的质量，Kg；a——运动部件的加速度，m/s2；G——运动部件的重力Ng——重力加速度，m/s2；△v——速度的变化量，m/s；△t——速度变化所需要的时间，s。除此之外，液压缸的受力还有活塞和活塞杆处的密封装置的摩擦阻力，其计算方法和密封装置的类型、液压缸的制造质量和工作压力有关，由于详细计算比较麻烦，为了简化计算，一般将其考虑在液压缸的机械效率中，初步设计时可取ηm=0.85～0.97，另外，还有背压力，可在最后计算时确定。三、液压缸主要参数的确定71．确定工作压力液压缸工作压力可根据负载大小及机器设备的类型来确定。一般来说，工作压力选大些，可以减少液压缸内径及液压系统其它元件的尺寸，使整个系统紧凑，重量轻，但是要用价格较贵的高压泵，并使密封复杂化，而且会导致换向冲击大等缺点；若工作压力选的过小，就会增大液压缸的内径和其它液压元件的尺寸，但密封简单。所以应根据实际情况选取适当的工作压力，设计时可用类比法来确定，参考下表。表一按负载选择系统工作压力负载/KN＜55～1010～2020～3030～50＞50系统压力/MPa＜0．8～11.6～22.5～33～44～5＞5～7表二按主机类型选择系统工作压力设备类型机床农业机械、汽车工业、小型工程机械及辅助机械工程机械重型机械锻压机械液压支架船用机械磨床组合机床牛头刨床插床齿轮加工机床车床铣床镗床机床拉床龙门刨床压力/MPa＜2.5＜6.32.5～6.3＜1010～1616～3214～252．确定液压缸内径D和活塞杆直径d鉴于动力滑台要完成的动作循环是快进——工进——快退，且要求快进和快退的速度相等，这里的液压缸需选用单杠式的，并在快进时作差动连接。这种情况下的液压缸无杆腔工作面积A1取为有杆腔工作面积A2的两倍，即活塞杆直径d与液压缸缸筒直径D的关系是d=0.707D。在钻孔加工时，液压缸回油路上必须有背压p2，取p2=0.8Mpa，以防止被钻孔时动力滑台突然前冲。由工进时的推力，列出活塞的力平衡方程式，计算液压缸面积：8F/ηm=A1p1-A2p2=A1p1-（A1/2）p22112mFppA（1-6）D=14A（1-7）式中p1——液压缸的工作压力，初算时可取系统工作压力；p2——液压缸回油腔背压力，初算时无法准确计算，可先根据机械设计手册进行估计；（本设计可参考以下选择：在钻孔加工时，液压缸回油路上必须有背压p2，取p2=0.8Mpa，以防止被钻孔时动力滑台突然前冲。快进时液压缸作差动连接，油管中有压力损失，有杆腔的压力应略大于无杆腔，但其差值较小，可先按0.5MPa考虑。快退时回油腔中是有背压的，这是也可按p2=0.5MPa考虑。）F——工作循环中的最大外负载；Fc——液压缸密封处的摩擦力，它的精确值不易求出，常用液压缸的机械效率ηm进行估算，F+Fc=F/ηm；ηm——液压缸的机械效率，一般ηm=0.85～0.97；由计算所得的液压缸内径D和活塞杆直径d值应按GB2348—1993圆整到相近的标准直径，以便于采用标准的密封件。表3液压缸内径尺寸系列（GB2348-1993）810121620253240506380(90)100(110)125(140)160(180)200(220)250320400500630表4活塞杆直径系列（GB2348-1993）456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400液压缸最小稳定速度的验算：对选定后的液压缸内径D，必须进行最小稳定速度的验算，要保证液压缸节流腔的有效工作面积A，必须大于最小稳定速度的最小有效面积Amin，即A＞Amin。9Amin=qmin/vmin（1-8）式中qmin——流量阀的最小稳定流量，一般从选定流量阀的产品样本中查得；vmin——液压缸的最低速度，由设计要求给定。3．确定液压缸所需的最大流量液压缸所需的最大流量qmax等于液压缸有效面积A和液压缸最大移动速度vmax的乘积，即qmax=Avmax（1-9）如果液压缸节流腔的有效工作面积A不大于计算所得的最小有效面积Amin，则说明液压缸不能保证最小稳定速度，此时必须增大液压缸内径，以满足速度稳定的要求。4．绘制液压执行元件的工况图液压执行元件的工况图指的是压力图，流量图和功率图。（1）工况图的绘制按照上面所确定的液压执行元件的工作面积和工作循环中各阶段的负载，即可绘制出压力图；根据执行元件的工作面积以及工作循环中各阶段所要求的运动速度，即可绘制流量图；根据所绘制的压力图和流量图，即可计算出各阶段所需的功率，绘制功率图。（2）工况图的作用从工况图上可以直观的、方便的找出最大工作压力、最大流量和最大功率，根据这些参数即可选择液压泵及其驱动电动机，同时是系统中所有液压元件的选择的依据，对拟定液压基本回路也具有指导意义。四、拟定液压系统原理图液压系统原理图是整个液压系统设计中最重要的一环，它的好坏从根本上影响整个液压系统。拟定液压系统原理图一般应考虑以下几个问题：（1）采用何种结构的执行元件；（2）确定供油方式；（3）调速方式的选择；（4）快速回路和速度换接方式的选择；10（5）如何完成执行机构的自动循环和顺序动作；（6）系统的调压、卸荷及执行机构的换向和安全互锁等要求；（7）压力测量点的合理选择。根据上述要求选择基本回路，然后将各基本回路归并、整理，在增加一些必要的元件或辅助油路，使之成为完整的液压