花小涵_数控铣床夹紧装置液压系统设计

辽宁工程技术大学毕业设计（论文）1前言与其他传动方式相比较，液压传动具有其独特的技术优势，其应用领域几乎囊括了国民经济各工业部门。随着科学技术的发展，机电产品日趋精密复杂。产品的精度要求越来越高、更新换代的周期也越来越短，从而促进了现代制造业的发展。用普通的机床加工精度低，效率低，劳动度大，已经无法满足生产要求，从而一种新型的数字程序控制的机床应运而生。这种机床是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化的产品。数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床，它对加工精度和自动化都有严格的要求。数控车床上的工位夹紧装置对于加工的精度有着直接的关系，以往的机床的工位夹紧装置使用简单的机械装置，在加工时容易产生大的加工误差。随着数控车床自动化程度的提高，使用液压系统控制这一过程已经大大提高了自动化和加工精度。液压传动在机械设备中的应用非常广泛。有的设备是利用其能传递大的动力，且结构简单、体积小、重量轻的优点，如工程机械、矿山机械、冶金机械等；有的设备是利用它操纵控制方便，能较容易地实现较复杂工作循环的优点，如各类金属切削机床、轻工机械、运输机械、军工机械、各类装载机等。所以研究液压系统有很好的应用价值和广阔的前景。我国进入世界贸易组织之后，对我国的机械行业是个机遇，更是一个艰难的挑战。因此作为二十一世纪的主人，我们更应该通过作大量的设计制造和广泛地使用各种先进的机器，以便能加快我国国民经济的增长速度，加快我国现代化建设。花小涵:铣床夹紧装置液压系统设计21概述1.1液压传动的现状及展望目前，液压传动及控制技术不仅用于传统的机械操纵、助力装置，也用于机械的模拟加工、转速控制、发动机燃料进给控制，以及车辆动力转向、主动悬挂装置和制动系统，同时也能够扩展到航空航天和海洋作业等领域。当前液压技术正在继续向以下几个方面发展。1）节能近年来，由于世界能源的紧缺，各国都把液压传动的节能问题作为液压技术发展的重要课题。20世纪70年代后期，德、美等国相继研制成功负载敏感泵及低功率电磁铁等。最近美国威克斯公司又研制成功用于功率匹配系统的CMX阀。2）液压与微电子、计算机技术相结合20世纪80年代以来，逐步完善和普及的计算机控制技术和集成传感技术为液压技术与电子技术相结合创造了条件。随着微电子、计算机技术的发展，出现了各种数字阀和数字泵，并出现了把单片机直接装在液压组件上的具有位置或力反馈的闭环控制液压元件及装置。3）提高液压传动的可靠性由于有限元法在液压元件设计中的应用，可靠性实验、研究工作的广泛开展以及新材料、新工艺的发展等，是液压元件的寿命得到提高。由于对飞机、船舶、冶金等一些重要液压系统采用多裕度设计，并在系统中设置旁路净化回路及具有初级智能的自动故障检测仪表等，加强了油液的污染度控制。上述领域内的一些重要成果，使液压系统的可靠性逐年提高。4）高度集成化叠加阀、集成块、插装阀的应用以及把各种控制阀集成于液压泵及液压执行元件上形成组合元件，有些还把单片机等集成在其控制机构上，达到了集机、电、液于一体的高度集成化。此外，高压、高转速、低噪声组件的研究，高效滤材的研究，环保型工作介质及其相应高压液压组件的研究等也是值得关注的动向。辽宁工程技术大学毕业设计（论文）31.2液压传动的优点缺点工程机械广泛应用的传动方式主要有机械传动、电气传动、气压传动和液压传动。它们各有优缺。机械传动是发展最早而且应用最普遍的一种传动方式。具有传动准确可靠，操作简单，机构直观易掌握，负荷变化对传动比影响小等优点。但是对自动控制的情况，单纯靠机械传动来完成就显得结构复杂而笨重，而且远距离操纵困难、操作力度大、安装位置变化的自由度小等缺点。电气传动是通过电来进行传动和控制的，利用交流电机来传动，简单而且价廉，应用最广，也是各种传动的组成部分。但交流电机一般难于进行无级变速，而直流电机虽然可以实现无级变速，但支流电源价格比较昂贵。电气控制，特别是电子计算机控制，具有信号变化方便，远距离操纵容易等独特优点，在自动化程度要求高的场合是必不可少的。气压传动是以压缩空气为传动介质，可通过调节气量很容易的实现无级变速。同时有传递及变换信号方便、反应快、结构简单、无污染等优点。空气黏度小，故管道压力损失小，流速大，而且可获得高速度。但是气动传动的致命弱点是空气压缩性大，无法获得均匀而稳定的运动。此外为减少泄漏，提高效率，气动系统的压力不能太高。这使其不能用于大功率场合。液压传动是用液体作为介质来传递能量的，液压传动与上述三种传动比较有以下一些优点：1）液压传动可在运行过程中方便地实现大范围的无级调速，调速范围可达1000：1。液压传动装置可在极低的速度下输出很大的力，如果采用机械传动装置减速，其减速器结构往往十分庞大；2）在输出相同功率的情况下，液压传动装置的体积小、质量轻、结构紧凑、惯性小。由于液压系统中的压力比电枢磁场中单位面积上的磁力大30倍～40倍，液压传动装置的体积和质量只占相同功率电动机的12%左右。因此，液压传动易于实现快速启动、制动及频繁幻想，每分钟的换向次数可达500次（左右摆动）、1000次（往复移动）；3）液压传动易于实现自动化，特别是采用电液和气液传动时，可实现复杂的自动控制；4）液压装置易于实现过载保护。当液压系统超负荷（或系统承受液压冲击）时，液压油可以经溢流阀排回油箱，系统得到过载保护；花小涵:铣床夹紧装置液压系统设计45）易于设计、制造。液压元件已实现了标准化、系列化和通用化。液压系统的设计、制造和使用都比较方便。液压元件的排列布置也有很大的灵活性。液压传动的缺点：1）不能保证严格的传动比。着是由于液压介质的可压缩性和不可避免的泄露等因素引起的；2）系统工作时，对温度的变化较为敏感。液压截至的粘性随温度变化而变化，从而使液压系统不易保证在高温和低温下都具有良好的工作稳定性；3）在液压传动中，能量需经过两次变换，且液压能在传递过程中有流量和压力的损失，所以系统能量损失较大，传动效率较低；4）元件的制造精度高、造价高，对其使用和维护提出了较高的要求；5）出现故障时，比较难于查找和排除，对维修人员的技术水平要求较高。从液压传动的优缺点来看，优点大于缺点。采用液压传动符合本次设计的工位夹紧装置的工作条件。辽宁工程技术大学毕业设计（论文）52液压系统的设计2.1技术要求本设计是完成某机床需要对零件进行两工位装夹装置（装夹装置静动摩擦因数0.2s，0.1d）的设计，拟采用缸筒固定的液压缸驱动夹紧装置，完成工件装夹运动。夹紧装置由液压与电气配合实现的自动循环要求为：Ⅰ工位夹紧缸夹紧→Ⅰ工位夹紧缸松开→Ⅱ工位夹紧缸夹紧→Ⅱ工位夹紧缸松开。机床工位夹紧装置的运动参数和动力参数如表2-1所列。表2-1机床工位夹紧装置的运动参数和动力参数Tab.2-1ThemovementanddynamicparametersofMachinist-clampingdevice工况行程/mm速度1/vms时间/1ts运动部件重力G/N负载eF/N启动、制动时间t/sⅠ工位夹紧缸夹紧350.0121t245050000.053松开0.0352t—1Ⅱ工位夹紧缸夹紧250.1253t150020000.050.2松开0.254t—0.12.2动力分析和运动分析2.2.1Ⅰ工位夹紧缸的负载计算惯性负载夹紧：花小涵:铣床夹紧装置液压系统设计6iGFgt=2450/9.81×0.012/0.05=59N松开：iGFgt=2450/9.81×0.035/0.05=175N静摩擦负载fssnFGF=0.2×（2450+0）=490N动摩擦负载fddnFGF=0.1×（2450+0）=245N2.2.2Ⅱ工位夹紧缸的负载计算惯性负载夹紧：iGFgt=1500/9.81×0.125/0.05=382N松开：iGFgt=1500/9.81×0.25/0.05=765辽宁工程技术大学毕业设计（论文）7静摩擦负载fssnFGF=0.2×（1500+0）=300N动摩擦负载fddnFGF=0.1×（1500+0）=150N由此得Ⅰ工位夹紧缸和Ⅱ工位夹紧缸在工作的各个阶段所受的负载，由表2-2所示表2-2Ⅰ工位夹紧缸的外负载计算结果Tab.2-2TheloadcalculationresultsofclampingcylinderⅠ工况负载组成外负载F/N启动fsF490加速fdGFgt304夹紧efdFF5245反向启动fsF490加速fdGFgt420松开fdF245表2-3Ⅱ工位夹紧缸的外负载计算结果Tab.2-3TheloadcalculationresultsofclampingcylinderⅡ工况负载组成外负载F/N启动fsF300花小涵:铣床夹紧装置液压系统设计8加速fdGFgt532夹紧efdFF2150工况负载组成外负载F/N反向启动fsF300加速fdGFgt915松开fdF1502.3液压系统主要参数的确定2.3.1系统工作压力1p的确定根据液压执行元件的负载表可以确定系统的最大负载数，在充分考虑系统所需的流量、性能等因素后，可参照表2-4或者2-5选择系统的工作压力表2-4按负载选择工作压力Tab.2-4Chooseactuatingpressureaccordingtotheloads负载/kN55-1010-2020-3030-5050系统压力/MPa0.8-11.6-22.5-33-44-55-7表2-5按主机类型选择系统工作压力Tab.2-5SelectsystempressureBythetypes主机类型设计压力/MPa机床精加工机床0.8～2半精加工机床3～5龙门刨床2～8拉床8～10农业机械、小型工程机械、工程机械辅助机构10～16液压机、大中型挖掘机、中型机械、起重运输机械20～32地质机械、冶金机械、铁道车辆维护机械、各类液压机具等25～100本设计根据主机类型是数控铣床，初步选择系统压力为4MPa。辽宁工程技术大学毕业设计（论文）9为了防止夹紧时发生冲击，液压缸需保持一定回油背压。参考表2-6液压执行器的背压力取0.2MPa表2-6液压执行器的背压力Tab.2-6TheselectionoftheBackpressurevalue系统类型背压力(MPa)中低压系统简单系统和和一般轻栽节流调速系统0.20.5回油带背压阀调整压力一般为0.51.5回油路设流量调节阀的进给系统满载工作时0.5设补油泵的闭式系统0.81.5高压系统初算是可忽略不计2.4液压执行器主要结构参数的计算2.4.1Ⅰ工位夹紧缸主要结构参数的确定本设计将Ⅰ工位夹紧缸的有杆腔作为主工作腔，则有公式：1221maxcmPAPAF（2－1）公式中214AD——液压缸无杆腔的有效面积2m；2224ADd——液压缸有杆腔的有效面积2m；maxF——液压缸的最大负载力N；m——液压缸的机械效率（一般取0.9-0.97）本设计取0.95；1p——液压缸工作腔压力；2p——系统的背压，本设计取0.2Mpa。当计算液压缸的结构参数时，还需确定活塞杆直径与液压缸内径的关系，以便在计算出液压缸内径D时，利用这一关系获得活塞杆的直径d。通常是由液压缸的往返速比确定这一关系，即1dD，按这一关系得到的d的计算公式入如下表表2-7根据往返速度比计算活塞杆直径d的公式Tab.2-7TherecommendedvaluesofThepistonroddiameterd花小涵:铣床夹紧装置液压系统设计10往返速度比1.11.21.331.461.612活塞杆直径d0.3D0.4D0.5D0.55D0.62D0.7D油缸的速比，可由机械设计手册查得。本设计取=1.33。则由上表查得d=0.5D。22243.1440.23.144cmDdDF得D=49.9（mm）按GB/T2