卧式单面多轴钻孔组合机床设计说明书

液压系统创新训练课程设计任务书一、 题目卧式单面多轴钻孔组合机床设计二、 原始数据：设计一台卧式单面多轴钻孔组合机床，要求设计出驱动它的动力滑台的液压系统，以实现“快进一f工进-f快退f停止”的工作循环。机床上有主轴16个，加工613.9mm的孔14个、68.5mm的孔2个；刀具材料为高速钢，工件材料为铸铁，硬度为240HBW;机床工作部件总质量m=1000kg快进、快退速度分别为u]=u3=5.6m/min，快进行程长度『100mm,工进行程长度l2=50mm,往复运动的加速、减速时间不希望超过0.16s动力滑台采用平导轨，其静摩擦因数fs=0.2，动摩擦因数fd=0.17液压系统中的执行元件使用液压缸。三、 设计任务：总体参数的设计；液压系统原理图的设计；液压元件的选择计算。四、 工作量要求：课程设计说明书一份；电脑绘制液压系统原理图；液压元件清单表一份。学生： 指导教师:摘要组合机床是以大量的通用部件为基础，配以少量的按被加工零件特殊要求而设计的专用部件，以实现对一种或几种零件按预先确定的工序进行加工的高效机床。它既具有专用机床的结构简单、生产率及自动化程度较高的特点，又具有一定的重新调整能力，以适应工件变化的要求，是当今制造业应用很广的一类机床。本设计以卧式钻孔组合机床为对象，依据液压系统设计的基本原理，拟出合理的液压系统图,通过系统主要参数的计算确定了液压元件的规格，验算了液压系统的性能，设计出结构简单、工作可靠、效率高、经济性好、使用维修方便的液压系统。最后对整个设计过程做了总结，对设计过程中出现的问题、设计的液压系统的不足进行了思考并对未来的工作作了展望。关键词：卧式；钻孔；组合机床；液压系统目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章引言 1\o"CurrentDocument"1.1液压系统 1\o"CurrentDocument"1.2组合机床 1\o"CurrentDocument"第二章 液压系统的工况分析 2\o"CurrentDocument"2.1负载分析 22.1.1工作负载 22.1.2惯性负载 22.1.3阻力负载 2\o"CurrentDocument"2.2负载图和速度图的绘制 3\o"CurrentDocument"第三章确定液压缸主要参数 4\o"CurrentDocument"3.1确定液压缸工作压力 4\o"CurrentDocument"3.2计算液压缸主要结构参数 4\o"CurrentDocument"第四章液压系统图拟定 6\o"CurrentDocument"4.1速度控制回路的选择 6\o"CurrentDocument"4.2快速运动和换向回路 8\o"CurrentDocument"4.3速度换接回路的选择的选择 8\o"CurrentDocument"4.4压力控制回路的选择 9\o"CurrentDocument"4.5组成液压系统原理图 9\o"CurrentDocument"4.6系统原理图分析 11\o"CurrentDocument"第五章液压元件的选择 12\o"CurrentDocument"5.1确定液压泵的规格和电动机功率 125.1.1计算液压泵的最大工作压力 125.1.2计算总流量 12\o"CurrentDocument"5.2确定阀类元件和辅助元件 13\o"CurrentDocument"5.3油管 14\o"CurrentDocument"5.4油箱 14\o"CurrentDocument"第七章结论 15\o"CurrentDocument"参考文献 16iii第一章引言1.1液压系统液压系统已经在各个部门得到越来越广泛的应用，而且越先进的设备，其应用液压系统的部分就越多。液压传动是用液体作为来传递能量的，液压传动有以下优点:易于获得较大的力或力矩，功率重量比大，易于实现往复运动，易于实现较大范围的无级变速，传递运动平稳，可实现快速而且无冲击，与机械传动相比易于布局和操纵，易于防止过载事故，自动润滑、元件寿命较长，易于实现标准化、系列化。液压传动的基本目的就是用液压介质来传递能量，而液压介质的能量是由其.所具有的压力及力流量来表现的。而所有的基本回路的作用就是控制液压介质的压力和流量，因此液压基本回路的作用就是三个方面：控制压力、控制流量的大小、控制流动的方向。所以基本回路可以按照这三方面的作用而分成三大类：压力控制回路、流量控制回路、方向控制回路。1.2组合机床组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定外形和加工工艺设计的专用部件和夹具而组成的半自动或自动专用机床。组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。组合机床通常采用多轴、多刀、多面、多工位同时加工的方式，能完成钻、扩、铰、镗孔、攻丝、车、铣、磨削及其他精加工工序，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。液压系统由于具有结构简单、动作灵活、操作方便、调速范围大、可无级连读调节等优点，在组合机床中得到了广泛应用。[1]第二章液压系统的工况分析2.1负载分析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。2.1.1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。[2]即用高速钢钻头钻铸铁孔时的轴向切削力4（单位为N）为Ft=22"s0.8（HBW）0.6 2-1式中：D——钻头直径，单位为mm；s——每转进给量，单位为mm/r；HBW——铸件硬度。根据组合机床加工特点，钻孔时主轴转速n和每转进给量s按《组合机床设计手册》取：对^13.9mm的孔：n1=360r/min，s]=0.147mm/r；对^8.5mm的孔：n2=550r/min，s2=0.096mm/r；所以，系统总的切削负载Ft为：Ft=14x25.5X13.9X0.1470-8X240。.6+2X25.5X8.5X。.。沏8X2400.6TOC\o"1-5"\h\z=30468N 2-22.1.2惯性负载往复运动的加速，减速时间为0.16s，所以成为0.16sF=血也=1100x^^N=699.6N 2-3mAt 60X0.162.1.3阻力负载机床工作部件对动力滑台导轨的法向力为：稣=G=mg=11772N 2-4静摩擦阻力:F^s=fsFn=0.2x9810N=2354N 2-5动摩擦阻力：F^=fdFn=0.1x9810N=1177.2N 2-6如果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^m=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2-1。表2-1液压缸在各工作阶段的负载(单位：N)工况负载组成负载值F推力F/如启动F=命23542613加速¥="如1878.82086快进F=Ffdrd1177.21306工进F="Ft31645.235126快退F=F*rd1177.213062.2负载图和速度图的绘制快进、快退速度分别为U]=U3=5.6m/min，快进行程长度匕=110mm，工进行程长度l2=50mm,往复运动的加速、减速时间不希望超过0.16s根据工作循环总行程工进速度七+匕=160mm2-7'2=n1s1=n2s2就53mm/min快进、工进和快退的时间可由下式分析求出。2-8快进t=h=011x60=1.17s1% 5.62-9工进t=虹=0,05x60=56.6s2 V2 0.0532-10快退t=‘2+'1=015x60=1.61sV3 5.62-11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如图2-1(a),速度循环图如图2-1(b)所示。第三章确定液压缸主要参数3.1确定液压缸工作压力由表3-1和表3-2可知，本设计组合机床液压系统在最大负载约为35000N时取工作压力p1=4MP。⑶表3-1按负载选择工作压力负载/KN<55〜1010~2020~3030~50>50工作压力/MPa0.8〜11.5〜22.5〜33~44〜5N5表3-2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/Mpa0.8〜23〜52〜88〜1010〜1820〜323.2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，应确定采用单杆式液压缸，并在快进时做差动连接。这种情况下，应把液压缸设计成无杆腔工作面积4是有杆腔工作面积人2两倍的形式，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，在钻孔加工时，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，根据《现代机械设备设计手册》选取此背压值为&=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P，且有杆腔的压力必须大于无杆腔，估算时取叩就0.5MPa。快退时回油腔中也是有背压的，这背压值按p2=0.6MP估算。工进时液压缸的推力计算公式为E=气0—弓驾=41P1-(&)P2^m 2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 液压有无杆腔压力根据已知参数，液压缸无杆腔的有效作用面积为TOC\o"1-5"\h\zA=f=35126x106m就0.0098m 3-21"m408液压缸缸筒直径为 2D=j441/"=111.3mm 3-3由差动液压缸缸筒和活塞杆直径之间的关系得活塞杆直径为d=0.707D=78.7mm 3-4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，将这些直径园整成就近标准值时得液压缸缸筒直径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：41=四！=95.03冰 3-54妃=啪2d2）=44.77cg 3-64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3-3所示。

表3-3液压缸在不同工作阶段的压力、流量和功率值工况负载F/N回油腔压力P2/MPa进油腔压力P1/MPa输入理论流量Q/（L/min）输入功率P/kW计算式快迸（差动）启动218000.524--_F+A2ApPi气-弓Q=(A1-A2)viP=P1Q加速1738P1+Ap0.351--恒速10900.22128.150.312工进349430.86.9570.500.034°—F+P见Pi A-1Q=5P=P1Q快退启动218000.584--D—F+P/1P1 A2QF%p=p1Q加速17380.64.019--恒速10902.56225.070.634并据表3-3可绘制出液压缸的工况图，如图3-1所示。第四章液压系统图拟定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。速度的换接和稳定性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。4.1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。钻削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，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节流调速的形式，并在回油路上设置背压阀。由于液压系统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。最大流量与最小流量之比约为56,而快进快退所需的时间匕和工进所需的时间12分别为TOC\o"1-5"\h\zt=土+虹=(60x100+60x15)s=1.2s 4-11v1v3 5.6x10005.6x1000/t=上=(60x50)s=56.6s 4-22 V2 0.053x1000/t二F7 4-3t1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。可以采用大小两个液压泵自动并联供油方式，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，图4-1双泵供油油源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4-1所示。

4.2快速运动和换向回路根据本设计的运动方式和要求，选用价格较低的电磁换向阀控制换向回路即可。不论采用什么油源形式都必须有单独的油路直接通向液压缸两腔实现差动连接，单杆液压缸采用差动连接，所以快进快退换向回路采用选用三位五通电磁换向阀如图4-2的形式。图4-2换向回路4.3速度换接回路的选择的选择由前述计算可知，当工滑台从快进转为工进时，进入液压缸的流量由28.15L/min降0.5L/min，滑台的速度变化较大，为减少速度换接过程中的液压冲击，本设计选两位两通行图4-3速度换接回路程换向阀来进行速度换接如图43。当滑台由工进转为快退时，回路中通过流量很大，进油路中通过25.07L/min，回油路通过53.21L/min。所以采用电液换向阀式换接回路如图42，保证换向平稳。4.4压力控制回路的选择因为系统跳崖和卸荷问题已经在油源中解决（见图41），所以不需再设置专用的元件和油路。4.5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，如图44所示。

图44液压系统原理图1—双联叶片液压泵；2—三位五通电液阀；3—行程阀；4—调速阀；5—单向阀;6—单向阀；7—顺序阀；8—背压阀；9—溢流阀；10—单向阀；11—过滤器；12一压力表接点；13—单向阀；14一压力继电器。4.6系统原理图分析快进如图44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f单向阀10f三位五通换向阀2（1YA得电）f行程阀3-液压缸左腔。回油路：液压缸右腔f三位五通换向阀2（1YA得电）f单向阀6f行程阀3f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f单向阀10f三位五通换向阀2（1YA得电）f调速阀4f调速阀15f液压缸左腔。回油路：液压缸右腔f三位五通换向阀2f背压阀8f液控顺序阀7f油箱。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f单向阀10f三位五通换向阀2（2YA得电）f液压缸右腔。回油路：液压缸左腔f单向阀5f三位五通换向阀2（右位）f油箱。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。第五章液压元件的选择5.1确定液压泵的规格和电动机功率5.1.1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Z4p=0.8MPa，同时考虑到压力继电器调整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Pp1=(6.957+0.8+0.5)MPa=8.257MPa 5-1大流量泵只在快进和快退时向液压缸供油，根据工况图，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：Pp2=(8.0257+0.5)MPa=8.7257MPa 5-25.1.2计算总流量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28.15L/min，若整个回路中总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：q^=1.1x28.15L/min=30.97L/min 5-3工作进给时，液压缸所需流量约为0.007L/S，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3.5L/min。据据以上液压油源最大工作压力和总流量的计算数值，查阅产品赝品，确定选取PV2R126/26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t^v=0.9，则当泵的转速％=940r/min时，液压泵的实际输出流量为TOC\o"1-5"\h\zq=[(6+26)x940x-°^L/min=27.1L/min 5-4PL I。。。」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 2.017MPa、流量为27.1r/min。取泵的总效率缶=0.75，则液压泵驱动电动机所需的功率为：p=心=2.0i7x27.1kw=i.2k* 5-5Vp 60x0.75

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^Pn=15kW，额定转速％=940r/min。冏5.2确定阀类元件和辅助元件根据系统的最高工作压力和通过各阀类元件及辅件的最大实际流量，查阅手册，选出的阀类元件和辅件规格如表5-1所列[5]O表5-1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qJL/min额定压力Pn/MPa额定压降Pn/MPa1双联叶片泵—PV2R12-6/26V=(6+26)mL/r—P (5.1+22)-16/14一2三位五通电液换向阀5035DYF3Y—E10B8016<0.53行程阀60AXQF—E10B6316<0.34调速阀0.5（单向行程调速阀）0.07~5016一5单向阀604冲乂=100L/min63160.26单向阀25AF3-Ea10B^『…=80L/min6316<0.27液控顺序阀22XF3—E10B6316<0.38背压阀0.5YF3—E10B6316一9溢流阀5.1YF3—E10B6316一10单向阀22AF3-Ea10Bq^”=80L/min6316<0.211滤油器30XU—63X80-J63一<0.0212压力表开关一KF3-E3B3测点一16一13单向阀60AF3-Ea10Bq=80L/mi