YA30-3150KN型四柱万能液压机集成块及其加工工艺的设计

1、分类号 学 号学士学位论文YA30-3150KN型四柱万能液压机集成块及其加工工艺的设计设计总说明关键词：液压系统、集成块的设计、加工工艺Keywords: hydraulic system, manifold design, processing technology21第1章第一章 绪论集成式液压系统广泛应用于机械、冶金、航空、航天、锻压、船舶、车辆等各个行业，在当前的液压生产企业中，液压集成块是其关键性的零件。但是其设计与制造却处于相对落后的局面。因此我们的研究工作是立足于学科前沿，致力于工程应用的紧密结合，较彻底的解决液压集成块自动优化设计难题，从而提高集成块设计水平和质量，以及为自动

2、化程度提供有力的技术保障。液压集成块系统由集成式液压元件构成，是在集成块的表面上安装各种液压元件并在其内部按照液压原理图要求实现元件之间油路连通的复杂系统。用集成式液压元件组成液压系统时，不需要另外的连接管路，它以自身的阀体作为连接体直接叠合而成。该方法是将空间六面的集成块展开到平面上，通过平面图形设计确定集成块上液压油道在空间的位置，便于检查油道之间的相互关系，在实际应用中该方法确实是行之有效的。液压集成块的作用是根据集成块中所包含的集成元件决定的，集成元件不同，作用不同。液压系统中之所以选择集成块为连接装置，是因为它具有以下一个特点：(1)液压系统结构紧凑，安装方便，装配周期短。(2)若液

3、压系统有变化，改变工况需要增减元件时，组装方便迅速，节省时间。(3)元件之间实现无管连接，消除了因油管、管接头等引起的泄漏、振动和噪声等弊端。(4)整个系统配置灵活，外观整齐，维护保养容易。(5)标准化、通用化和集成化程度高。 液压技术是实现现代化传动与控制的关键技术之一，世界各国对液压工业的发展都给予很大重视。20世纪 80 年代以来， 随着计算机技术的发展， 研究人员对液压集成块设计方法进行了较为深入的研究。目前， 国内外研究的各种液压集成块 CAD 技术和应用软件在原理图绘制、 实体造型、 孔道校核、 工程图输出， 以及 CAD/CAM 集成等方面达到了较高的水平，有效地提高了设计质量和

4、工作效率。目前普遍应用的液压集成块设计方法主要体现在建模、 智能优化设计、孔道校核、 虚拟设计、 管网液流特性仿真等方面。目前，国内大部分液压系统都采用集成式系统设计，液压集成块是集成式液压系统中的关键零件，具有结构紧凑、元件密度高和占据面积小等优点，但由于集成块孔道立体交叉，图纸表现不直观，设计和校验都比较困难，因此设计开发已成为集成式液压系统开 的关键环节和瓶颈。近年来国内外学者对此进行了大量研究，在集成块实体造型、油路干涉校核、液压阀布局与油路自动优化设计算法等方面都取得了一定的研究成果。集成块体越来越大，国外集成块尺寸已经达到1米以上，国内也已达到500到800毫米左右。国内加工集成块

5、主要还是用摇臂钻床，但由于普通摇臂钻床的刚度较差，加工行程较短，不能采用其它先进刀具，也有些企业在使用麻花钻加工，即使是加长钻也不能对付这些深长小孔，特别是小10以下的小深孔由于排屑困难，切削条件差以及转速要求高，加工更为困难。当前较好的工艺方法是采用外排屑枪孔钻进行切削。 智能优化算法、 知识工程和智能体技术相结合是开发具有工程实用价值的液压集成块设计软件的有效工具。由于元件布局及油路设计之间强耦合效应， 单纯依靠智能优化算法难以满足工程实际需求。因此， 在油路设计方面， 基于图的智能推理与油路拓扑构型知识库相结合， 快速形成集成块油路设计方案；在冲突求解方面， 以实时有效性验证技术为前提，

6、 基于智能体技术构建元件布局及油路设计冲突排序机制， 通过设计知识库及人机交互建立冲突的求解机制， 开发液压集成块智能设计系统， 使之更具工程实用价值。论文的研究思路和主要内容；理论依据和试验设备条件本课题的研究，是对YA30-3150KN型四柱万能液压机中的液压传动系统进行设计计算，并把该系统通过集成式连接设计出来，较好的提高该液压机的工作性能，更好的实现工作中的各项任务，充分体现出了集成块式连接的优点。在集成块的加工工艺中，运用前人的设计经验，并加入自己的设计理念，对当前的加工工艺进行了适当的改进，如：在选材中，适应当前工作中对设备的要求，采用45号钢；在铣集成块平面中，为适应当前中批量生

7、产的要求，采用立式铣床，这样可以提高制造效率；而在钻孔方面，采用当前较好的工艺方法外屑枪钻进行切削。第二章 液压机的液压系统原理图2.1 液压机的主要设计参数表2-1 YA303150KN四柱万能液压机主要参数产品名称四柱万能液压机滑块快进速度(mm/s)40型号YA30-3150KN工进速度(mm/s)10公称压力(T)100快上行速度(mm/s)40滑块行程(mm)1260顶出力(T)20滑块下平面至工作台最大距离(mm)1260顶出速度(mm/s)50工作台尺寸(前后左右)(mm)9001250回程速度(mm/s)80液体最大工作压力(MPa)16顶出活塞最大行程(mm)500外型尺寸长

8、宽高(mm)178014204391回程力(T)6最大拉伸深度(mm)500电机功率KW31.52.2 液压原理图的制定2.3液压系统工作油路分析 A启动：电磁铁全断电，主泵卸荷。 主泵（恒功率输出）-à 电液换向阀7的M型中位-à 电液换向阀17的K型中位-à 油箱B液压缸15活塞快速下行： 1YA，5YA通电，电液换向阀7右位工作，控制油路经电磁换向阀12打开液控单向阀13，接通液压缸15下腔与液控单向阀13的通道。 进油路：主泵（恒功率输出）-à 电液换向阀7-à单向阀8-à 液压缸15上腔 回油路：液压缸15下腔-à

9、 单向阀13-à 电液换向阀7-à 电液换向阀17的K型中位-à油箱 液压缸活塞依靠重力快速下行形成负压空腔：大气压油-à 吸入阀11-à 液压缸15上腔C液压缸15活塞接触工件，慢速下行（增压行程）： 液压缸活塞碰行程开关2XK使5YA断电，切断液压缸15下腔经液控单向阀13快速回油通路，上腔压力升高，同时切断（大气压油-à 吸入阀11-à 上液压缸15上腔）吸油路。 进油路：主泵（恒功率输出）-à 电液换向阀7-à 单向阀8-à 液压缸15上腔 回油路：液压缸15下腔-à 顺序阀1

10、4-à 电液换向阀7-à 电液换向阀17的K型中位-à 油箱D. 保压： 液压缸15上腔压力升高达到预调压力，电接触压力表9发出信息，1YA断电，液压缸15进口油路切断，（单向阀8和吸入阀11的高密封性能确保液压缸15活塞对工件保压，利用液压缸15上腔压力很高，打开外控顺序阀10的目的是防止控制油路使吸入阀11误动而造成液压缸15上腔卸荷）当液压缸15上腔压力降低到低于电接触压力表9调定压力，电接触压力表9又会使1YA通电，动力系统又会再次向液压缸15上腔供应压力油。 主泵（恒功率输出）-à 电液换向阀7的M型中位-à 电液换向阀17的K型中位

11、-à 油箱，主泵卸荷。E保压结束，液压缸15上腔卸荷后： 保压时间到位，时间继电器电出信息，2YA通电（1YA断电），液压缸15上腔压力很高，打开外控顺序阀10，大部分油液经外控顺序阀10流回油箱，压力不足以立即打开吸入阀11通油箱的通道，只能先打开吸入11的卸荷阀，实现液压缸15上腔先卸荷，后通油箱的顺序动作，此时： 主泵1大部分油液-à 电液换向阀7-à 外控顺序阀10-à 油箱F液压缸15活塞快速上行： 液压缸15上腔卸压达到吸入阀11开启的压力值时，外控顺序阀10关闭。 进油路：主泵1-à 电液换向阀7-à 液控单向阀13-&

12、#224; 液压缸15下腔 回油路：液压缸15上腔-à 吸入阀11-à 油箱G顶出工件 液压缸15活塞快速上行到位，碰行程开关1XK，2YA断电，电液换向阀7复位，3YA通电，电液换向阀17右位工作。 进油路：主泵1-à 电液换向阀7的M型中位-à 电液换向阀17-à 液压缸16下腔 回油路：液压缸16上腔-à 电液换向阀17-à 油箱H. 顶出活塞退回：4YA通电，3YA断电，电液换向阀17左位工作 进油路：主泵1-à 电液换向阀7的M型中位-à 电液换向阀17-à 液压缸16有杆腔 回油路：

13、液压缸16无杆腔-à 电液换向阀17-à 油箱 第三章 负载工况分析计算及液压元件的选择3.1设计计算主液压缸、顶出液压缸结构尺寸3.1.1主要参数确定液压系统最高工作压力P=30MPa，在本系统中选用P=25MPa；主液压缸公称吨位3150KN；顶出缸公称顶出力取主缸公称吨位的五分之一，取650KN；顶出缸回程力为主液压缸公称吨位的十五分之一，210KN行程速度主液压缸 快速空行程 V=40mm/s 工作行程 V=10mm/s 回程 V=40mm/s顶出液压缸 顶出行程 V=50mm/s 回程 V=80mm/s3.1.2 主缸 A. 主液压缸内径D： 根据GB/T2346

14、-1993，取标准值 D主=400mm B. 主液压缸活塞杆径d: 根据GB/T2346-1993，取标准值d主=250mm C. 主液压缸有效面积：（其中A1为无杆腔面积，A2为有杆腔面积） D. 主液压缸实际压制力和回程力: E. 主液压缸的工作力: （1）主液压缸的平衡压力 （2）主液压缸工进工作压力 （3）液压缸回程压力 表3-1 液压缸各阶段中的负载3.1.3顶出缸 A. 顶出液压缸内径: 根据GB/T2346-1993，取标准值D顶=200mm B. 顶出液压缸活塞杆径 根据GB/T2346-1993，取标准d顶=160mm C. 顶出液压缸有效面积（其中A3为无杆腔面积，A4为有

15、杆腔面积） D. 顶出液压缸的实际顶出力和回程力 E. 顶出压缸的工作力 3.2 液压缸运动中的供油量3.2.1 主液压缸的进出油量:1主液压缸的进出油量 A. 主液压缸空程快速下行的进出油量： B. 主液压缸工作行程的进出油量： C. 主液压缸回程进出油量： 3.2.2 顶出液压缸的进出油量: A. 顶出液压缸顶出行程的进出油量： B. 顶出液压缸退回行程的进出油量： 3.3确定快速空程供油方式，液压泵规格，驱动电机功率1液压系统快速空程供油方式： 由于供油量大，不宜采用由液压泵供油方式，利用主液压缸活塞等自重快速下行，形成负压空腔，通过吸入阀从油箱吸油，同时使液压系统规格降低档次。2选定液

16、压泵的流量及规格：设计的液压系统最高工作压力P=25MPa，主液压缸工作行程，主液压缸的无杆腔进油量为： 主液压缸的有杆腔进油量为: 顶出液压缸顶出行程的无杆腔进油量为： 设选主液压缸工作行程和顶出液压缸顶出行程工作压力最高（P=25MPa）工件顶出后不需要高压。主液压缸工作行程（即压制）流量为75.36L/min，主液压缸工作回程流量为229.6L/min，选用5ZKB732型斜轴式轴向柱塞变量泵，该泵主要技术性能参数如下：排量 234.3ml/r， 额定压力 16MPa， 最大压力 25MPa， 转速 970r/min， 容积效率 96%。该液压泵基本能满足本液压系统的要求。3液压泵的驱动

17、功率及电动机的选择：主液压缸的压制力与顶出液压缸的顶出工作压力均为P=25MPa，主液压缸回程工作压力为10.45MPa，顶出液压缸退回行程工作压力为18.58MPa，液压系统允许短期过载，回此快速进退选10.45MPa，q=200L/min，工进选P=25MPa，q=75.36L/min，液压泵的容积效率v=0.96，机械效率m=0.95，两种工况电机驱动功率为：由以上数据，查机械设计手册，选取Y280S-6三相异步电动机驱动液压泵，该电动机主要性能参数如下：额定功率 45KW， 满载转速 980r/min。 3.4绘制液压缸的压力图和流量图根据上述计算，绘制出该液压系统中液压缸的工作压力表

18、如图3-3和工作周期系统的流量图如图3-4图3-4 工作周期系统的流量图3.5液压元件的选择参照上述中各个过程中的流量和压力，参考文献液压设计手册，选取本液压系统中的液压元件如下表3-3所示 表3-3 液压元件明细表3.6 确定油道尺寸油管内径尺寸的确定一般可参照选用的液压元件接口尺寸而定，也可按管路允许流速进行计算。选本系统主油路主液压缸工进时流量为q=75.36，压油管的允许流速取v=6，则内径d为d=4.6(3.30)=16.30mm顶出缸快退时流量q=54.2，压油管的允许流速取v=6，则计算内径d为d=4.6(3.31)=13.8mm综上所述，选取管道尺寸为17mm。第四章 液压系统

19、集成块的结构设计4.1 集成块的结构集成块，是按通用的液压回路设计成的通用组件。它由集成块、基块和顶块按一定的顺序叠积，用四只长螺钉垂直固紧而成。底座是将若干中间块组件固定在油箱面板或其它机体上，起支撑作用，通过它引进压力油和引出回油以及卸油，中间块是一六面体通道块，其体内不仅有构成该块单元回路所需的各种起管路作用的油孔通道和安装控制元件的螺钉孔，而且设有公用压油孔P、回油孔T、泄漏油孔L，用以联系每块上的各单元回路；其三个侧面安装板式控制元件，另一例面安装执行元件管接头，其上、下面即顶面和底面为块与块的叠积结合面。中间块的叠积块数决定于液压系统的复杂程度，一般为17块，本设计中叠积块数选为3

20、。为了操纵方便，通常把需要经常调节的元件，如调速阀、溢流阀、减压阀等，布置在右侧面或前面。元件之间的联系借助于块体内部的油孔道。根据单元回路块在系统中的作用可分为调压、调速、减压等若干种回路块。每块的上下两面为叠加面，设有公用的压力油孔P、回油孔T、泄漏油孔L和连接螺栓孔。4.2 集成块初步设计集成块的设计过程可以分为装配关系设计和连通关系设计两个阶段。设计的初始连通要求是从原理图转换的单元回路图得到的。装配关系设计即液压元件布局的设计，它是确定阀块体的总体尺寸、安装底板尺寸、液压阀的安装面/安装位置/安装角度、公共油口/管接口/控制油口以及其它特殊油口的设计过程。连通关系设计即集成块内部油孔

21、的孔道设计，它是确定各个液压阀之间、阀与主油路及控制油路之间的连接的设计过程。4.2.1绘制集成块的单元回路图集成块单元回路图实质上是液压系统原理的一个等效转换，它是设计块式集成液压控制装置的基础，也是设计集成块的依据。设计集成块前，首先要读通原理图，然后确定哪一部分油路可以集成，每个块体上包括哪些元件。将液压系统图分解，绘制成图2.21所示的集成块单元回路图。图4-1 集成块单元回路图4.2.2集成块设计与孔道的布置按单元回路的通路要求在集成块上钻孔，在集成块的三个侧面安装所需的板式控制元件，每个液压元件安装地板尺寸大小可以参考文献。集成块尺寸由四个侧面所安装的元件类型及对应阀安装地板尺寸决

22、定，在保证块体内油道孔间的最小允许壁厚的原则下，力求结构紧凑、体积小、重量轻。钻孔的布置要保证百分之百实现液压原理图的连通关系，尽量减少工艺孔数目，连通路径长度要短，否则孔道间很容易发生干涉，甚至无法保证正确连通。找出所需要的各个液压阀的油口位置，以便在集成块上合理布置液压元件和正确安排通孔。元件的布置应以在集成块上加工的孔最少为好，液压元件在水平面上的孔道若与公共油孔相通，应尽可能地布置在同一垂直位置或在直径范围内。液压集成块设计中，集成块设计和孔道设计是相互影响、不可分割的两个阶段。该液压系统集成块的设计中，在不改变工作性能的前提下，将基块与底块设计为一个块，其余的按照单元回路图中所示，设

23、计完成后一共包括四个块，设计过程如下所示： 1. 基块的结构如图4-2：卸油口O 接2泵 进油口P 回油口T （接泵1）图4-2基块的作用是将外接油口接到集成块侧面，以便于集成块的安装，上端面油口尺寸与底块油孔重合，前端面有空如图，从做到右分别为，卸油口O，接2泵口，进油口P，以及回油口T。 2. 底块的结构如图4-3：直动式溢流阀 二位四通电磁换向阀 先导式溢流阀图4-3初步设定前侧是BG-10-V-BZ先导式溢流阀，左侧是24D-H10B TZ二位四通电磁换向阀，后端面上是DBDA 20 P 10/10型溢流阀。根据液压设计手册得先导式溢流阀底板尺寸长132mm、宽110mm，二位四通电磁

24、换向阀底板尺寸长75mm、宽72mm，直动式溢流阀底板尺寸长135mm、宽100mm。综上所述，初步设定该块长400mm、宽300mm、高200mm。 3.中间块结构如图4-4：三位四通 液控单向阀 单向阀 压力继电器 顺序阀 液控单向阀电液换向阀 图4-4初步设定前侧面是34DYF3-E20BZ型三位四通电液换向阀，YAF3-Ea20B型液控单向阀，SG-307-SCN-350型压力继电器和CRG-10-04-50型单向阀，右侧面是YAF3-Ea20B型液控单向阀。后侧面是XD2F-L32H型顺序阀。右侧面两个油孔分别连接主液压缸的有杆腔和无杆腔。根据液压设计手册得三位四通电液换向阀底板尺寸

25、长154mm、宽130mm，液控单向阀底板尺寸长105mm、宽78mm，压力继电器底板尺寸长127mm，宽50mm，单向阀底板尺寸长150mm，宽102mm，顺序阀底板尺寸长100mm，宽90mm。综上所述，初步设定该块长400mm、宽300mm、高300mm。 4. 顶块结构如图4-5：先导式溢流阀 三位四通电液换向阀图4-5初步设定左侧面是BG-10-V-BZ先导式溢流阀,后侧面是34DYF3-E20BZ型三位四通电液换向阀，前侧面的两个油口分别接顶出缸的有杆腔和无杆腔。根据液压设计手册得先导式溢流阀底板尺寸长132mm、宽110mm，三位四通电液换向阀底板尺寸长154mm、宽130mm。

26、综上所述，初步设定该块长400mm、宽300mm、高200mm。经过对四个集成块的初步设计，整合到一起，最终得到集成块整体尺寸为长400mm、宽300mm、高800mm。绘制出整体结构如图4-6所示：图4-6第五章 液压集成块加工工艺的设计5.1零件的分析5.1.1绘制集成块的加工图1 绘制集成块四个侧面和顶面的视图,如图5-1所示；图5-1a 块一视图图5-1b 块二视图2 根据各层孔道布局绘出各层剖视图；3 零件的工艺分析；YA303150KN四柱万能液压机，属中高压系统，集成块材料选择45钢，所用毛坯不得有砂眼、夹层等缺陷，应对其进行探伤。在加工前应对45号钢进行时效处理或退火处理，以消

27、除内应力。对45号钢锻造成型，最后由零件的尺寸公差选择模锻加工成型，5.2 毛坯的设计5.2.1确定毛坯该零件的材料为45号钢，零件通过锻造成型，由于该生产为中批量，需要一定得生产效率，锻造后的表面质量要好，加工余量较小，所以选择锻造中的模锻，另外模锻还能节省金属材料，减少切削加工工作量，降低劳动强度。 5.2.2确定毛坯个参数零件模锻成型，参考文献得 锻件的公差等级为1214级，取13级。公差带相对于基本尺寸对称分布。参考文献得 锻件材料为45号钢的机械加工余量等级E-G级，选择F级。根据锻件质量、形状复杂程度、零件表面粗糙度，选取表面的单边余量为2mm，则零件的最大轮廓尺寸为长402mm，宽302mm，高302mm。该集成块系统中基块和底块的接触面，底块和中间快的接触面，中间块和顶块的接触面要求很好的密合，因此粗糙度选0.8，而除此之外的表面没有要求密合，也没有相对的运动，因此粗糙度