数控车床液压系统的设计

数控车床液压系统的设计

数控车床用于自动加工旋转盘、弹簧等零件。零件可在一次装夹后完成回转体曲面、沟槽、镗孔、钻孔、扩孔、攻铰螺纹、车螺纹等复杂工序,并要求效率高、可靠性强等特点。数控车床液压系统是加工中心铣、钻、镗类机床中的一个典型部件。1辅助动作设计数控车床液压系统同液压机、磨床、工程机械液压系统相比有其特定之处,主要完成加工零件所需的一些辅助动作。数控车床液压系统所承担的辅助动作所需力及流量变化较小,主要负载是提供加工零件的夹紧力、顶紧力以及刀盘的锁紧力和一些油缸换位动作及大倾斜角度拖板的平衡。为满足上述功能,一般采用中低压系统,压力在7MPa以下,液压系统流量一般在0.5×10-3m3/s(30l/min)以下。2数控车床平衡控制分析a)工件的夹紧、松开:数控车床因其工件在高速旋转中进行切削加工,故对工件的可靠夹紧有其特殊的要求,并要保证在特殊情况下如:机床切削过程中出现故障、突然停电等情况下,工件被可靠夹持。因此对其工件夹紧液压装置在安全可靠性方面需有多重保护装置。工件的夹持通常通过液压旋转油缸提供。轴向推拉力经拉杆连接到动力卡盘上,并经斜楔机构等将轴向力放大成夹紧工件的径向夹紧力。详见示意图1。b)工件的轴向顶紧:数控车床加工轴类零件其长径比超过3倍时,根据零件的加工要求,一般需用活动顶尖顶紧工件,以加强工件的刚性,防止在切削过程中发生振动。数控车床为体现其高效、自动化,尾座套筒的伸缩与普通车床有所不同。普车套筒伸缩由手动完成,数控车床尾座套筒的伸缩一般通过液压油缸推动套筒来实现。c)工件的径向辅助支承:车床加工细长轴时,为保证切削的顺利进行,一般需在工件中间加装中心架。普车的中心架通常为手动来完成工件的支承;数控车床的中心架大多采用液压自定心中心架。d)拖板的平衡:数控车床的刀台、刀盘、小拖板等联成一体,由x轴滚珠丝杠通过伺服电动机带动而上下移动。当小拖板倾斜角度>45°时,为保证零件加工精度,减小滚珠丝杠的轴向受力,整个小拖板运动部分的质量所产生的下滑力,需采用平衡法加以处理。小拖板的平衡可由配重法,溢流阀、减压阀或平衡阀加平衡油缸来实现。详见图2和图3。采用溢流阀、减压阀平衡重量时,由溢流阀的启闭特性、响应性及两阀的其余各项静、动态性能可知其平衡效果不很理想。而平衡阀兼具有两重性于一体,大大改善了工作特性。平衡阀一般选用先导式平衡阀,主阀为滑阀式结构,详见图4(a),图4(b)。工作原理详见图5。数控机床在加工时,小拖板向上移动,带动平衡油缸中的活塞向上移动,平衡阀工作状况如图5(a)所示,此时C口压力未到达设定压力,滑阀在弹簧力的作用下处于图示位置,阀口A开启,压力油由P口到C口,平衡缸油腔补油。当小拖板在x轴方向无运动时,即活塞停止时的工况,平衡阀工况见图5(b),当C口压力达到设定压力后,导阀开启,滑阀上的节流孔使滑阀两端产生压差,滑阀左移减压,直至阀口A关闭;若泄漏使C口压力下降,则滑阀右移,P口向C口供油,从而使C口压力恒定,达到平衡状态。当小拖板向下移动时,带动平衡油缸活塞向下移动,平衡阀工况见图5(c),此时由于油缸加上外负载,C口压力大于设定压力,滑阀两端压差增大,滑阀左移到图示位置,阀口B打开,油液由C口流向O口,从而降低油缸油腔压力。为了使平衡效果达到最佳,要求平衡油缸启动压力小,活塞运动灵活,且油缸静动磨擦力小。活塞密封采用格来圈,以保证有效、可靠、低磨擦,采用斯来圈,使其具有极佳的耐磨损与滑动性能,没有忽阻忽滑的毛病,亦即尽可能地消除爬行现象,保证x轴加工零件时上下运动位置精度的准确性。3水平管路及管道安装数控机床对整个液压系统的要求是外观整齐,易于调整维修,在部分管路中需设置压力表,测压接点;油路管道排列整齐,至各个运动部件的液压软管,为防止损伤应尽可能采用管道防护导套。液压泵站在正常工作中,为保证液压油的工作特性,要求系统油温不得超过60℃,从开机至泵站热平衡温升不得超过30℃,泵站噪声不得超过72dB(A)。4压力继电器下面以图6某型数控车床液压系统为例,对其组成及工作中的调整加以简要说明。a)液压系统泵站运动时序:打开机床电源,启动电动机1,变量叶片泵2运转,溢流阀3起安全阀作用,调节变量泵2,使其输出压力到达5MPa,并将安全阀6调至6MPa,以确保限压式变量叶片泵在限压失效时起溢流安全阀作用。泵站上同时装有液位计和压力管路滤油器4,滤油器过滤精度为10μm,当压力管路滤油器进出口压差>0.3MPa时,机床电器系统报警。b)工件夹紧:数控车床切削工件通过动力卡盘夹紧,在高速液压旋转油缸规格确定后,其夹紧方式(正夹、反撑)和夹紧力的大小通过压力口减压阀5和电磁换向阀6和手动转位阀7(在油管不变的情况下实现夹与撑工件的切换)完成,压力继电器8用以检测工作压力达到设定值后,主轴方能旋转,以确保工件被可靠夹持。液压锁9确保意外故障等情况下油缸两腔油被困,确定工件不松脱,起安全保障锁作用。c)工件轴向顶紧和中心辅助支承:数控车床加工细长轴时经常采用中心架支承或跟刀架支承,轴向由尾顶针顶紧,以确定工件加工刚性和精度。执行动作分别由换向阀10和12完成。力的大小控制分别由减压阀11和13来调整。压力继电器12、14则分别检测工件是否被可靠支承和轴向顶紧。d)尾架的紧固与移动:当尾架体需在工件加工过程中进行z轴前后移动时,可由多种方式实现。尾架体实现与拖板耦合,由z向丝杠带动前后移动为其之一。阀16控制尾架体与拖板耦合、分离同时通过薄膜油缸实现尾架体与尾架导轨的松开、夹紧。当尾架体与拖板分离,薄膜油缸实现尾架体与导轨的夹紧后,压力继电器18发讯,此时尾架套筒伸出顶紧工件。e)液压平衡装置的调整:此处溢流阀21起安全阀作用,调至平衡压力的1.2倍。调整平衡压力时,调节平衡阀22的先导阀,在x轴伺服电机上接测量电流装置,使得小拖板上、下移动时测得电流值相近,变化最小,则表示平衡油缸处于最佳工作状态。f)主轴变速:当主轴变速箱需换档变速时,主轴处于低速状态;通过阀19完成高低速之间的转换。油缸移动速度由双单向节流阀20调节。g)刀盘的换位与锁紧:采用液压马达实现刀盘换位是数控车床刀盘换位中常见的方式之一。换向阀23控制刀架端面齿盘的啮合与分离,阀24完成刀盘逻辑就近换位(即液压马达的正、反转),液控节流调速阀25通过阀26的左右换位来控制刀盘旋转时快速和慢速,以节省换位时间并确保到位时的减速,防止刀盘越位和端齿盘啮合时的冲击,确保换位的正确性和定位精度。5控制阀、管道和液压器的选择1)确定液压泵的最大工作压力Pp:液压泵的最大工作压力Pp由下式确定:Pp≥P1+∑ΔP(MPa)式中:P1——工作元件的最大工作压力(进口);ΔP——由泵出口到工作元件进口之间的管路沿程阻力损失和局部阻力损失之和。一般选用最大工作压力为7.0MPa的液压泵。2)确定液压泵的流量Qp液压泵系统中使用蓄能器,液压泵流量按系统在一个循环周期中的平均流量选取。即:Qp≥∑i=1zUi−KTi(m3/s)Qp≥∑i=1zUi-ΚΤi(m3/s)式中:Ui——液压缸(马达)在工作周期中的总耗油量,m3;Ti——数控车床的工作周期,s;Z——执行元件(液压缸、马达)的个数。一般选用限压式变量叶片泵,以实现节能、降低温升。b)控制阀的选择:选择依据为额定压力、最大流量、动作方式、安装固定方式、压力损失数值、工作性能参数和工作寿命等。根据数控车床上用控制阀其流量小,普遍选用具备国际标准连接尺寸的各类6通径的叠加式压力阀、流量阀和方向阀。c)管道的选择:选择管道主要根据压力损失、发热量和液压冲击,合理确定管道内径、壁厚和材料往往根据已定的元件的连接口来确定管道尺寸。一般选用外径为6,8,10,12,14壁厚为1mm冷拔无缝钢管及其相应的液压软管。d)确定油箱容量:合理确定油箱容量是保证液压系统正常工作的重要条件。数控车床油箱容量一般按经验公式选定:V=α·Q式中:Q——液压箱的总额定流量,l/min;α——经验系数,中压系统:α=5～7;并根据国家标准确定液压泵站油箱公称容量。f)滤油器的选择:根据其承受压力能力、过滤精度、通流能力、阻力压降、安装方式确