1、. 設計題目 設計一臺臥式鉆、鏜組合機床液壓系統1.液壓系統用途（包括工作環境和工作條件）及主要參數： 1）工作循環：“快進工進死擋鐵停留快退原位停止”。 組合機床動力滑臺工作循環 2）工作參數軸向切削力12000N，移動部件總重10000N，快進行程 200mm，快進與快退速度 4.2mmin，工進行程 30mm，工進速度 0.05mmin，加、減速時間為0.2s，靜摩擦系數0.2，動摩擦系數0.1，動力滑臺可在中途停止。要求動力部件可以手動調整，快進轉工進平穩、可靠。2.執行元件類型：液壓油缸設 計 內 容1. 擬訂液壓系統原理圖；2. 選擇系統所選用的液壓元件及輔件；3. 驗算液壓系統性

2、能；4. 編寫上述1、2、3的計算說明書。 目 錄序言：51 設計的技術要求和設計參數62 工況分析62.1 確定執行元件62.2 分析系統工況62.3負載循環圖和速度循環圖的繪制82.4確定系統主要參數2.4.1初選液壓缸工作壓力92.4.2 確定液壓缸主要尺寸92.4.3 計算最大流量需求112.5擬定液壓系統原理圖2.5.1速度控制回路的選擇122.5.2 換向和速度換接回路的選擇122.5.3 油源的選擇和能耗控制132.5.4 壓力控制回路的選擇142.6液壓元件的選擇2.6.1確定液壓泵和電機規格162.6.2 閥類元件和輔助元件的選擇172.6.3 油管的選擇192.6.4 油箱

3、的設計202.7液壓系統性能的驗算2.7.1回路壓力損失驗算222.7.2 油液溫升驗算22 序言作為一種高效率的專用機床，組合機床在大批、大量機械加工生產中應用廣泛。本次課程設計將以組合機床動力滑臺液壓系統設計為例，介紹該組合機床液壓系統的設計方法和設計步驟，其中包括組合機床動力滑臺液壓系統的工況分析、主要參數確定、液壓系統原理圖的擬定、液壓元件的選擇以及系統性能驗算等。組合機床是以通用部件為基礎，配以按工件特定外形和加工工藝設計的專用部件和夾具而組成的半自動或自動專用機床。組合機床一般采用多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時加工的方式，生產效率比通用機床高幾倍至幾十倍。組合機床兼有低成本和

4、高效率的優點，在大批、大量生產中得到廣泛應用，并可用以組成自動生產線。組合機床通常采用多軸、多刀、多面、多工位同時加工的方式，能完成鉆、擴、鉸、鏜孔、攻絲、車、銑、磨削及其他精加工工序，生產效率比通用機床高幾倍至幾十倍。液壓系統由于具有結構簡單、動作靈活、操作方便、調速范圍大、可無級連讀調節等優點，在組合機床中得到了廣泛應用。液壓系統在組合機床上主要是用于實現工作臺的直線運動和回轉運動，如圖1所示，如果動力滑臺要實現二次進給，則動力滑臺要完成的動作循環通常包括：原位停止快進I工進II工進死擋鐵停留快退原位停止。 1. 設計的技術要求和設計參數工作循環：快進工進快退停止；系統設計參數如表1.1所

5、示，動力滑臺采用平面導軌，其靜、動摩擦系數分別為fs = 0.2、fd = 0.1。 表1 .1 設計參數參 數數 值切削阻力（N）12000滑臺自重 (N)10000 快進、快退速度(m/min)4.2快進行程（mm)200工進速度(mm/min)50工進行程(mm)30加、減速時間（s)0.2 液壓缸機械效率0.92. 工況分析2.1. 確定執行元件金屬切削機床的工作特點要求液壓系統完成的主要是直線運動，因此液壓系統的執行元件確定為液壓缸。2.2. 分析系統工況在對液壓系統進行工況分析時，本設計實例只考慮組合機床動力滑臺所受到的工作負載、慣性負載和機械摩擦阻力負載，其他負載可忽略。 （1）

6、工作負載FW工作負載是在工作過程中由于機器特定的工作情況而產生的負載，對于金屬切削機床液壓系統來說，沿液壓缸軸線方向的切削力即為工作負載，即 =12000N （2）慣性負載最大慣性負載取決于移動部件的質量和最大加速度，其中最大加速度可通過工作臺最大移動速度和加速時間進行計算。已知加、減速時間為0.2s，工作臺最大移動速度，即快進、快退速度為5m/min，因此慣性負載可表示為 (2-1)（3）阻力負載阻力負載主要是工作臺的機械摩擦阻力，分為靜摩擦阻力和動摩擦阻力兩部分。靜摩擦阻力 (2-2)動摩擦阻力 (2-3)根據上述負載力計算結果，可得出液壓缸在各個工況下所受到的負載力和液壓缸所需推力情況，

7、如表2.1所示。表2 .1液壓缸在各工作階段的負載（單位：N）工況負載組成負載值F總機械負載=F/起動=2000N2222.2N加速=+1357.14N1507.9N快進=1000N1111.1 N工進=+13000 N14444.4N反向起動=2000N2222.2 N加速=+1357.14 N1507.9N快退=1000 N1111.1N注：此處未考慮滑臺上的顛覆力矩的影響。2.3. 負載循環圖和速度循環圖的繪制 根據表2.1中計算結果，繪制組合機床動力滑臺液壓系統的負載循環圖如圖2-1所示。圖2-1 組合機床動力滑臺液壓系統負載循環圖圖2-1表明，當組合機床動力滑臺處于工作進給狀態時，負

8、載力最大為14444.4N，其他工況下負載力相對較小。所設計組合機床動力滑臺液壓系統的速度循環圖可根據已知的設計參數進行繪制，已知快進和快退速度、快進行程，工進行程、快退行程，工進速度=50mm/min。根據上述已知數據繪制組合機床動力滑臺液壓系統的速度循環圖如圖2-2所示。圖2-2 組合機床液壓系統速度循環圖2.4. 確定系統主要參數2.4.1. 初選液壓缸工作壓力所設計的動力滑臺在工進時負載最大，其值為14444.4N，其它工況時的負載都相對較低，按照負載大小或按照液壓系統應用場合來選擇工作壓力的方法，初選液壓缸的工作壓力=4MPa。2.4.2. 確定液壓缸主要尺寸由于工作進給速度與快速運

9、動速度差別較大，且快進、快退速度要求相等，從降低總流量需求考慮，應確定采用單桿雙作用液壓缸的差動連接方式。通常利用差動液壓缸活塞桿較粗、可以在活塞桿中設置通油孔的有利條件，最好采用活塞桿固定，而液壓缸缸體隨滑臺運動的常用典型安裝形式。這種情況下，應把液壓缸設計成無桿腔工作面積是有桿腔工作面積兩倍的形式，即活塞桿直徑d與缸筒直徑D呈d = 0.707D的關系。工進過程中，當孔被鉆通時，由于負載突然消失，液壓缸有可能會發生前沖的現象，因此液壓缸的回油腔應設置一定的背壓(通過設置背壓閥的方式)，選取此背壓值為=0.8MPa?？爝M時液壓缸雖然作差動連接（即有桿腔與無桿腔均與液壓泵的來油連接），但連接管

10、路中不可避免地存在著壓降，且有桿腔的壓力必須大于無桿腔，估算時取0.5MPa?？焱藭r回油腔中也是有背壓的，這時選取背壓值=0.6MPa。工進時液壓缸的推力計算公式為 (2-4)式中：F 負載力 hm液壓缸機械效率 A1液壓缸無桿腔的有效作用面積 A2液壓缸有桿腔的有效作用面積 p1液壓缸無桿腔壓力 p2液壓有無桿腔壓力因此，根據已知參數，液壓缸無桿腔的有效作用面積可計算為 (2-5)液壓缸缸筒直徑為 (2-6)由于有前述差動液壓缸缸筒和活塞桿直徑之間的關系，d = 0.707D，因此活塞桿直徑為d=0.70771.36=50.45mm，根據GB/T23481993對液壓缸缸筒內徑尺寸和液壓缸活

11、塞桿外徑尺寸的規定，圓整后取液壓缸缸筒直徑為D=80mm，活塞桿直徑為d=50mm。此時液壓缸兩腔的實際有效面積分別為： (2-7) (2-8) 2.4.3. 計算最大流量需求工作臺在快進過程中，液壓缸采用差動連接，此時系統所需要的流量為 q快進 =（A1-A2）v1=8.27 L/min (2-9)工作臺在快退過程中所需要的流量為 q快退 =A2v2=12.85L/min (2-10)工作臺在工進過程中所需要的流量為 q工進 =A1v1=0.25 L/min (2-11)其中最大流量為快退流量為12.85L/min。根據上述液壓缸直徑及流量計算結果，進一步計算液壓缸在各個工作階段中的壓力、流

12、量和功率值，如表2.2所示。表2.2 各工況下的主要參數值工作循環計算公式負載F進油壓力回油壓力所需流量Q輸入功率PNMPaMPaL/minkW差動快進=(F+p A2)/（-）Q=v（-）P=Q1111.111.351.858.250.186工進=(F+)/Q=P= Q14444.443.360.80.250.014快退=(F+)/ Q=P= Q1111.111.680.512.90.361注：1.差動連接時，液壓缸的回油口之間的壓力損失，而。2. 快退時，液壓缸有桿腔進油，壓力為，無桿腔回油，壓力為。2.5. 擬定液壓系統原理圖根據組合機床液壓系統的設計任務和工況分析，所設計機床對調速范圍

13、、低速穩定性有一定要求，因此速度控制是該機床要解決的主要問題。速度的換接、穩定性和調節是該機床液壓系統設計的核心。此外，與所有液壓系統的設計要求一樣，該組合機床液壓系統應盡可能結構簡單，成本低，節約能源，工作可靠。2.5.1. 速度控制回路的選擇工況表3表明，所設計組合機床液壓系統在整個工作循環過程中所需要的功率較小，系統的效率和發熱問題并不突出，因此考慮采用節流調速回路即可。雖然節流調速回路效率低，但適合于小功率場合，而且結構簡單、成本低。該機床的進給運動要求有較好的低速穩定性和速度-負載特性，因此有三種速度控制方案可以選擇，即進口節流調速、出口節流調速、限壓式變量泵加調速閥的容積節流調速。

14、鉆鏜加工屬于連續切削加工，加工過程中切削力變化不大，因此鉆削過程中負載變化不大，采用節流閥的節流調速回路即可。但由于在鉆頭鉆入鑄件表面及孔被鉆通時的瞬間，存在負載突變的可能，因此考慮在工作進給過程中采用具有壓差補償的進口調速閥的調速方式，且在回油路上設置背壓閥。由于選定了節流調速方案，所以油路采用開式循環回路，以提高散熱效率，防止油液溫升過高。2.5.2. 換向和速度換接回路的選擇所設計多軸鉆床液壓系統對換向平穩性的要求不高，流量不大，壓力不高，所以選用價格較低的電磁換向閥控制換向回路即可。為便于實現差動連接，選用三位五通電磁換向閥。由前述計算可知，當工作臺從快進轉為工進時，進入液壓缸的流量由

15、8.25L/min降為0.25 L/min，可選二位二通行程換向閥來進行速度換接，以減少速度換接過程中的液壓沖擊。由于工作壓力較低，控制閥均用普通滑閥式結構即可。由工進轉為快退時，在回路上并聯了一個單向閥以實現速度換接。為了控制軸向加工尺寸，提高換向位置精度，采用死擋塊加壓力繼電器的行程終點轉換控制。 a.換向回路 b.速度換接回路圖2-3 換向和速度切換回路的選擇2.5.3. 油源的選擇和能耗控制表2.2表明，本設計多軸鉆床液壓系統的供油工況主要為快進、快退時的低壓大流量供油和工進時的高壓小流量供油兩種工況，若采用單個定量泵供油，顯然系統的功率損失大、效率低。在液壓系統的流量、方向和壓力等關

16、鍵參數確定后，還要考慮能耗控制，用盡量少的能量來完成系統的動作要求，以達到節能和降低生產成本的目的。在圖2-2工況圖的一個工作循環內，液壓缸在快進和快退行程中要求油源以低壓大流量供油，工進行程中油源以高壓小流量供油。其中最大流量與最小流量之比，而快進和快退所需的時間與工進所需的時間分別為： (2-12) (2-13)上述數據表明，在一個工作循環中，液壓油源在大部分時間都處于高壓小流量供油狀態，只有小部分時間工作在低壓大流量供油狀態。從提高系統效率、節省能量角度來看，如果選用單個定量泵作為整個系統的油源，液壓系統會長時間處于大流量溢流狀態，從而造成能量的大量損失，這樣的設計顯然是不合理的。如果采

17、用單個定量泵供油方式，液壓泵所輸出的流量假設為液壓缸所需要的最大流量12.9L/min，假設忽略油路中的所有壓力和流量損失，液壓系統在整個工作循環過程中所需要消耗的功率估算為快進時 工進時快退時 如果采用一個大流量定量泵和一個小流量定量泵雙泵串聯的供油方式，由雙聯泵組成的油源在工進和快進過程中所輸出的流量是不同的，此時液壓系統在整個工作循環過程中所需要消耗的功率估算為快進時 工進時，大泵卸荷，大泵出口供油壓力幾近于零，因此快退時 除采用雙聯泵作為油源外，也可選用限壓式變量泵作油源。但限壓式變量泵結構復雜、成本高，且流量突變時液壓沖擊較大，工作平穩性差，最后確定選用雙聯液壓泵供油方案，有利于降低

18、能耗和生產成本，如圖2-4所示。圖2-4 雙泵供油油源2.5.4. 壓力控制回路的選擇由于采用雙泵供油回路，故采用液控順序閥實現低壓大流量泵卸荷，用溢流閥調整高壓小流量泵的供油壓力。為了便于觀察和調整壓力，在液壓泵的出口處、背壓閥和液壓缸無桿腔進口處設測壓點。將上述所選定的液壓回路進行整理歸并，并根據需要作必要的修改和調整，最后畫出液壓系統原理圖如圖2-5所示。為了解決滑臺快進時回油路接通油箱，無法實現液壓缸差動連接的問題，必須在回油路上串接一個液控順序閥8，以阻止油液在快進階段返回油箱。同時閥7起背壓閥的作用。為了避免機床停止工作時回路中的油液流回油箱，導致空氣進入系統，影響滑臺運動的平穩性

19、，圖中添置了一個單向閥13?？紤]到這臺機床用于鉆孔（通孔與不通孔）加工，對位置定位精度要求較高，圖中增設了一個壓力繼電器12。當滑臺碰上死擋塊后，系統壓力升高，壓力繼電器發出快退信號，操縱電液換向閥換向。在進油路上設有壓力表開關和壓力表，鉆孔行程終點定位精度不高，采用行程開關控制即可。 圖2-5 液壓系統原理圖 動作 1YA 2YA 行程閥快進工進快退停 止2.6. 液壓元件的選擇 本設計所使用液壓元件均為標準液壓元件，因此只需確定各液壓元件的主要參數和規格，然后根據現有的液壓元件產品進行選擇即可。2.6.1. 確定液壓泵和電機規格（1）計算液壓泵的最大工作壓力由于本設計采用雙泵供油方式，大流

20、量液壓泵只需在快進和快退階段向液壓缸供油，因此大流量泵工作壓力較低。小流量液壓泵在快速運動和工進時都向液壓缸供油，而液壓缸在工進時工作壓力最大，因此對大流量液壓泵和小流量液壓泵的工作壓力分別進行計算。根據液壓泵的最大工作壓力計算方法，液壓泵的最大工作壓力可表示為液壓缸最大工作壓力與液壓泵到液壓缸之間壓力損失之和。對于調速閥進口節流調速回路，選取進油路上的總壓力損失=0.5MPa，同時考慮到壓力繼電器的可靠動作要求壓力繼電器動作壓力與最大工作壓力的壓差為0.5MPa，則液壓泵最高工作壓力為=+0.5MPa=4.36MPa。因此泵的額定壓力1.254.36Pa=5.45MPa （2）計算總流量 工

21、進時所需要流量最小是0.25L/min,設溢流閥最小流量為2.5L/min,則小流量泵的流量 （1.10.25+2.5）L/min=2.775L/min (2-14)快進快退時液壓缸所需的最大流量為12.9L/min,則泵總流量 =1.112.9L/min=14.2L/min。即大流量泵的流量 (2-15) -=（14.2-2.775）L/min=11.43L/min (2-16) 據據以上液壓油源最大工作壓力和總流量的計算數值，查閱有關樣本，采用YB-4/12型的雙聯葉片泵，該泵額定壓力6.3MPa，額定轉速為960r/min。表2-5 液壓泵參數元件名稱規格額定流量額定壓力MPa型號雙聯葉

22、片泵166.3MPaYB-4/12取容積效率為0.95，則液壓泵的實際輸出流量為 (2-17)3電機的選擇由于液壓缸在快退時輸入功率最大，這時液壓泵工作壓力為2.18MPa，流量為14.6L/min。取泵的總效率，則液壓泵驅動電動機所需的功率為： (2-18)根據上述功率計算數據，此系統選取Y90L-6型電動機，其額定功率，額定轉速r/min。2.6.2. 閥類元件和輔助元件的選擇圖2-5液壓系統原理圖中包括調速閥、換向閥、單項閥等閥類元件以及濾油器、空氣濾清器等輔助元件。1閥類元件的選擇根據上述流量及壓力計算結果，對圖2-5初步擬定的液壓系統原理圖中各種閥類元件及輔助元件進行選擇。其中調速閥

23、的選擇應考慮使調速閥的最小穩定流量應小于液壓缸工進所需流量。通過圖2-5中4個單向閥的額定流量是各不相同的，因此最好選用不同規格的單向閥。圖2-5中溢流閥2、背壓閥7和順序閥8的選擇可根據調定壓力和流經閥的額定流量來選擇閥的型式和規格，其中溢流閥2的作用是調定工作進給過程中小流量液壓泵的供油壓力，因此該閥應選擇先導式溢流閥，連接在大流量液壓泵出口處的順序閥8用于使大流量液壓泵卸荷，因此應選擇外控式。背壓閥7的作用是實現液壓缸快進和工進的切換，同時在工進過程中做背壓閥，因此采用內控式順序閥。最后本設計所選擇方案如表2.3所示，表中給出了各種液壓閥的型號及技術參數。 表2.3 閥類元件的選擇序號元

24、件名稱最大通過流量規格額定流量額定壓力MPa型號5三位五通電磁閥32636.335-63BY11行程閥32636.322C-63BH11調速閥0.25106.3Q-10B6單向閥616256.3I-25B7背壓閥70.125106.3B-10B2溢流閥4106.3Y-10B13單向閥1316256.3I-25B3單向閥312256.3I-25B8順序閥16256.3XY-25B2過濾器的選擇按照過濾器的流量至少是液壓泵總流量的兩倍的原則，取過濾器的流量為泵流量的2.5倍。由于所設計組合機床液壓系統為普通的液壓傳動系統，對油液的過濾精度要求不高，故有 (2-19)因此系統選取自封式吸油過濾器YC

25、X-40，參數如表6所示。表2.4 自封式吸油過濾器YCX-63參數型號通徑mm公稱流量過濾精度尺寸M（d）dYCX-402040100M2722561103空氣濾清器的選擇按照空氣濾清器的流量至少為液壓泵額定流量2倍的原則，即有 (2-20)選用EF系列液壓空氣濾清器，其主要參數如表2.5所示。表2.5 液壓空氣濾清器參數型號注油流量L/min空氣流量L/min油過濾面積L/minAmmBmmammbmmcmm四只螺釘均布mm空氣過濾精度mm14175970M4100.279注：液壓油過濾精度可以根據用戶的要求進行調節。2.6.3. 油管的選擇圖2-5中各元件間連接管道的規格可根據元件接口處

26、尺寸來決定，液壓缸進、出油管的規格可按照輸入、排出油液的最大流量進行計算。由于液壓泵具體選定之后液壓缸在各個階段的進、出流量已與原定數值不同，所以應對液壓缸進油和出油連接管路重新進行計算，如表2.6所示。 表2.6 液壓缸的進、出油流量和運動速度流量、速度快進工進快退輸入流量排出流量運動速度根據表2.6中數值，當油液在壓力管中流速取3m/s時，可算得與液壓缸無桿腔和有桿腔相連的油管內徑分別為：，取標準值13mm。，取標準值10mm。因此與液壓缸相連的兩根油管可以按照標準選用公稱通徑為和的無縫鋼管或高壓軟管。如果液壓缸采用缸筒固定式，則兩根連接管采用無縫鋼管連接在液壓缸缸筒上即可。如果液壓缸采用

27、活塞桿固定式，則與液壓缸相連的兩根油管可以采用無縫鋼管連接在液壓缸活塞桿上或采用高壓軟管連接在缸筒上。2.6.4. 油箱的設計 1油箱長寬高的確定油箱的主要用途是貯存油液，同時也起到散熱的作用，參考相關文獻及設計資料，油箱的設計可先根據液壓泵的額定流量按照經驗計算方法計算油箱的體積，然后再根據散熱要求對油箱的容積進行校核。中壓系統的油箱容積一般取液壓泵額定流量的57倍，本例取7倍，故油箱容積為 (2-21)按JB/T79381999規定，取標準值V=120L。 (2-22)如果取油箱內長l1、寬w1、高h1比例為3：2：1，可得長為：=877mm，寬=585mm，高為=292mm。對于分離式油箱采用普通鋼板焊接即可，鋼板的厚度分別為：油箱箱壁厚3mm，箱底厚度5mm，因為箱蓋上需要安裝其他液壓元件，因此箱蓋厚度取為10mm。為了易于散熱和便于對油箱進行搬移及維護保養，取箱底離地的距離為160mm。因此，油箱基體的總長總寬總高為：長為：寬為：高為：為了更好的清洗油箱，取油箱底面傾斜角度為。2隔板尺寸的確定為起到消除氣泡和使油液中雜質有效沉淀的作用，油箱中應采用隔板把油箱分成兩部分。根據經驗，隔板高度取為箱內油面高度的，根據上述計算結果，隔板的高度應為： ， 隔