液压传动钻镗两用组合机床包括集成块设计 2.docx

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液压传动钻镗两用组合机床包括集成块设计2

攀枝花学院

学生课程设计（论文）

题目：

学生姓名：

学号：

所在院（系）：

专业：

班级：

指导教师：

职称：

年月日

攀枝花学院教务处制

攀枝花学院本科学生课程设计任务书

题　目5

钻镗两用组合机床液压系统设计

1、课程设计的目的

《液压与气压传动》课程设计是机制专业学生在学完《液压与气压传动》课程之后进行的Φ一个重要的实践性教学环节。

学生通过设计能进一步熟悉液压与气压传动的基本概念、熟悉液压元件结构原理、熟悉液压基本回路、熟悉液压系统图的阅读方法及基本技能、能够综合运用本课程及工程力学、机械设计等相关课程的知识设计一般工程设备液压系统。

同时，学生得到以下几方面的训练：

1）、正确进行工程运算和使用技术文件、资料的能力；

2）、掌握系统方案设计的一般方法；

3）、正确表达设计思想的方法和能力；

4）、综合运用所学知识解决工程实际问题的能力。

2、课程设计的内容和要求

1）、查阅文献，了解并熟悉设计工况；确定执行元件主要参数；拟定系统原理图；计算选择液压元件；验算系统性能；绘制工作图，编制技术文件；撰写课程设计说明书。

2）、钻镗两用组合机床的液压系统完成8-14个Ф14mm孔的加工进给传动。

工作原理：

系统工作循环：

快进-工进-快退-停止

采用平导轨，其静摩擦系数fs=0.2,动摩擦系数fd=0.1；液压系统执行元件使下用液压缸,油缸机械效率0.9.

3）设计原始数据见下表

设计题目号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

轴数

8

10

12

14

8

10

12

14

8

14

加工孔径（mm）

14

快进行程（mm）

220

工进行程（mm）

180

160

140

120

120

100

80

80

120

100

进给切削力（kn）

18

22.5

27

31.5

18

22.5

27

31.5

18

31.5

工进速度（mm/min）

120

100

80

60

100

80

60

40

80

20

机床工作部件质量（kn）

25

快进快退速度（m/min）

4.5

启动换向时间（s）

0.05

机械效率

0.9

4）要求：

每人一题，每人必须提交：

系统图1张（尺规绘制）、课程设计说明书一份。

3、主要参考文献

[1]上海市职业技术教育课程改革与教材建设委员会组编.液气压传动.北京：

机械工业出版社.2001.9

[2]章宏甲.液压与气压传动.第2版.北京：

机械工业出版社.2001.9

[3]许福玲.液压与气压传动.武汉：

华中科技大学出版社.2001

[4]中央电大编写小组.液压传动辅导教材.中央电大出版社

[5]张世伟.液压传动系统的计算与结构设计.宁夏人民出版社.1987

[6]成大先.机械设计手册（液压传动单行本）.第5版.北京：

化学工业出版社.2010.1

4、课程设计工作进度计划

（1）查阅文献，了解并熟悉设计工况；（0.5天）

（2）确定执行元件主要参数、拟定系统原理图、计算选择液压元件；（2.5天）

（3）验算系统性能、绘制工作图；（1.5天）

（4）撰写课程设计说明书。

（1.5天）

（5）答辩（1天）

指导教师（签字）

日期

年月日

教研室意见：

年月日

学生（签字）：

接受任务时间：

年月日

注：

任务书由指导教师填写。

课程设计（论文）指导教师成绩评定表

题目名称

评分项目

分值

得分

评价内涵

工作

表现

20%

01

学习态度

6

遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。

02

科学实践、调研

7

通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。

03

课题工作量

7

按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。

能力

水平

35%

04

综合运用知识的能力

10

能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。

05

应用文献的能力

5

能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。

06

设计（实验）能力，方案的设计能力

5

能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。

07

计算及计算机应用能力

5

具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。

08

对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）

10

具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。

成果

质量

45%

09

插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度

5

符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。

10

设计说明书（论文）质量

30

综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。

11

创新

10

对前人工作有改进或突破，或有独特见解。

成绩

指导教师评语

指导教师签名：

年　月　日

1钻镗液压机床的设计

1.1机床的设计要求

设计一台钻镗两用组合机床的液压系统。

钻镗系统的工作循环时快进→工进→快退→停止。

液压系统的主要参数与性能要求如下：

最大切削力18kN，移动部件总重量25kN；最大行程340mm（其中快进行程220mm，工进行程120mm）；快进、快退的速度为4.5m/min，工进速度80mm/min；启动换向时间△t＝0.05s，采用水平放置的导轨，静摩擦系数fs＝0.2；动摩擦系数fd＝0.1。

油缸机械效率取0.9。

1.2机床的设计参数

系统设计参数如表1所示，动力滑台采用平面导轨，其静、动摩擦系数分别为fs=0.2、fd=0.1。

l1=220mm，l2=120mm，l3=340mm其主要设计参数如表1-1

表1-1设计参数

轴数

8

加工孔径（mm）

14

快进行程（mm）

220

工进行程（mm）

120

进给切削力（kn）

18

工进速度（mm/min）

80

机床工作部件质量（kn）

25

快进快退速度（m/min）

4.5

启动换向时间（s）

0.05

机械效率

0.9

2执行元件的选择

2.1分析系统工况

2.1.1工作负载

钻镗两用组合机床的液压系统中，钻镗的轴向切削力为Ft。

根据题意，最大切削力为18000N，则有

2.1.2惯性负载

惯性负载

2.1.3阻力负载

静摩擦阻力

动摩擦阻力

由此可得出液压缸的在各工作阶段的负载如表2-1

表2-1

工况

负载组成

负载值F

推力

启动

5000N

5556N

加速

6250N

6944N

快进

2500N

2778N

工进

20500N

22778N

快退

2500N

2778N

注：

1、此处未考虑滑台上的颠覆力矩的影响。

2、液压缸的机械效率取

2.2负载循环图和速度循环图的绘制

根据表2-1中计算结果，绘制组合机床动力滑台液压系统的负载循环图如图2-1所示。

图2-1

图2-1表明，当组合机床动力滑台处于工作进给状态时，负载力最大为22778N，其他工况下负载力相对较小。

所设计组合机床动力滑台液压系统的速度循环图可根据已知的设计参数进行绘制，已知快进和快退速度V1=V2=4.5m/min、快进行程L1=340-120=220mm、工进行程L2=120mm、快退行程L3=340mm，工进速度V2=80mm/min。

根据上述已知数据绘制组合机床动力滑台液压系统的速度循环图如图2-2所示。

2-2组合机床液压系统速度循环图

2.3主要参数的确定

2.3.1初选液压缸工作压力

所设计的动力滑台在工进时负载最大，其值为22778N，其它工况时的负载都相对较低，参考表2-2和表2-3按照负载大小或按照液压系统应用场合来选择工作压力的方法，初选液压缸的工作压力p1=3MPa。

表2-2按负载选择工作压力

负载/KN

<5

5~10

10~20

20~30

30~50

>50

工作压力/MPa

<0.8~1

1.5~2

2.5~3

3~4

4~5

≥5

表2-3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/MPa

0.8~2

3~5

2~8

8~10

10~18

20~32

2.3.2确定液压缸主要尺寸

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，应确定采用单杆双作用液压缸的差动连接方式。

通常利用差动液压缸活塞杆较粗、可以在活塞杆中设置通油孔的有利条件，最好采用活塞杆固定，而液压缸缸体随滑台运动的常用典型安装形式。

这种情况下，应把液压缸设计成无杆腔工作面积A1是有杆腔工作面积A2两倍的形式即A1=2A2，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，当孔被钻通时，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（通过设置背压阀的方式），执行元件的背压力如表2-4，从表中选取此背压值为p2=0.8MPa。

表2-4执行元件背压力

系统类型

背压力/MPa

简单系统或轻载节流调速系统

0.2~0.5

回油路带调速阀的系统

0.4~0.6

回油路设置有背压阀的系统

0.5~1.5

用补油泵的闭式回路

0.8~1.5

回油路较复杂的工程机械

1.2~3

回油路较短且直接回油

可忽略不计

快进时液压缸虽然作差动连接（即有杆腔与无杆腔均与液压泵的来油连接），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△P≈0.5MPa。

快退时回油腔中也是有背压的，这时选取被压值

=0.6MPa。

工进时液压缸的推力计算公式为

，

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

因此，根据已知参数，液压缸无杆腔的有效作用面积可计算为

液压缸缸筒直径为

由于有前述差动液压缸缸筒和活塞杆直径之间的关系，d=0.707D，因此活塞杆直径为d=0.707×106=74.95mm，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，查表5和表6圆整后取液压缸缸筒直径为D=110mm，活塞杆直径为d=80mm。

表5按工作压力选取d/D

工作压力/MPa

≤5.0

5.0~7.0

≥7.0

d/D

0.5~0.55

0.62~0.70

0.7

 表6按速比要求确定d/D

2/

1

1.15

1.25

1.33

1.46

1.61

2

d/D

0.3

0.4

0.5

0.55

0.62

0.71

注：

1—无杆腔进油时活塞运动速度；2—有杆腔进油时活塞运动速度。

此时液压缸两腔的实际有效面积分别为：

2.3.3计算最大流量需求

工作台在快进过程中，液压缸采用差动连接，此时系统所需要的流量为

q快进=（A1-A2）×v1=22.59L/min

工作台在快退过程中所需要的流量为

q快退=A2×v2=20.16L/min

工作台在工进过程中所需要的流量为

q工进=A1×v1’=0.76L/min

其中最大流量为快进流量为22.59L/min。

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所示。

表2-5各工况下的主要参数值

工况

推力F’/N

回油腔压力P2/MPa

进油腔压力P1/MPa

输入流量q/L.min-1

输入功率P/Kw

计算公式

快进

启动

5556

0

1.55

——

——

P1=

q=（A1-A2）v1

P=p1q

p2=p1+Δp

加速

6944

2.05

1.83

——

——

恒速

2778

2.05

1.00

22.59

0.377

工进

22778

0.8

2.78

0.76

0.352

P1=（F’+p2A2）/A1

q=A1v2

P=p1q

快退

起动

5556

0

1.24

——

——

P1=（F’+p2A1）/A2

q=A2v3

P=p1q

加速

6944

0.6

2.88

——

——

恒速

2778

0.6

1.89

20.16

0.635

把表2-5中计算结果绘制成工况图，如图2-3所示。

图2-3组合机床液压缸工况图

3拟定液压系统原理图方案及选择

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、稳定性和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。

3.1速度控制回路的选择

工况图2-3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。

钻镗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，采用节流阀的节流调速回路即可。

但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调速阀的调速方式，且在回油路上设置背压阀。

由于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。

3.2换向和速度换接回路的选择

所设计多轴钻床液压系统对换向平稳性的要求不高，流量不大，压力不高，所以选用价格较低的电磁换向阀控制换向回路即可。

为便于实现差动连接，选用三位五通电磁换向阀。

为了调整方便和便于增设液压夹紧支路，应考虑选用Y型中位机能。

由前述计算可知，当工作台从快进转为工进时，进入液压缸的流量由22.59L/min降为0.76L/min，可选三位五通行程换向阀来进行速度换接，以减少速度换接过程中的液压冲击，如图3-1所示。

由于工作压力较低，控制阀均用普通滑阀式结构即可。

由工进转为快退时，在回路上并联了一个单向阀以实现速度换接。

为了控制轴向加工尺寸，提高换向位置精度，采用死挡块加压力继电器的行程终点转换控制。

a.换向回路

b.速度换接回路

图3-1换向和速度切换回路的选择

3.3油源的选择和能耗控制

表2-5表明，本设计多轴钻床液压系统的供油工况主要为快进、快退时的低压大流量供油和工进时的高压小流量供油两种工况，若采用单个定量泵供油，显然系统的功率损失大、效率低。

在液压系统的流量、方向和压力等关键参数确定后，还要考虑能耗控制，用尽量少的能量来完成系统的动作要求，以达到节能和降低生产成本的目的。

在图4工况图的一个工作循环内，液压缸在快进和快退行程中要求油源以低压大流量供油，工进行程中油源以高压小流量供油。

其中最大流量与最小流量之比qmax/qmin=22.59/0.76=29.72，而快进和快退所需的时间

与工进所需的时间

分别为：

t1=（l1/v1）+（l3/v3）=[（60x220）/（4.5x1000）+（60x340）/（4.5x1000）]=7.47s

t2=（l2/v2）=（60x120）/80=90s

上述数据表明，在一个工作循环中，液压油源在大部分时间都处于高压小流量供油状态，只有小部分时间工作在低压大流量供油状态。

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。

如果采用单个定量泵供油方式，液压泵所输出的流量假设为液压缸所需要的最大流量22.59L/min，假设忽略油路中的所有压力和流量损失，液压系统在整个工作循环过程中所需要消耗的功率估算为

快进时P=122.59=0.377Kw

工进时P=pqmax=2.7822.59=1.05Kw

快退时P=1.8922.59=0.72Kw

如果采用一个大流量定量泵和一个小流量定量泵双泵串联的供油方式，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算为

快进时P=122.59=0.377Kw

工进时，大泵卸荷，大泵出口供油压力几近于零，因此

P=pqmax=2.7822.59=1.05Kw

快退时P=1.8922.59=0.72Kw

故可采用双联泵作为油源外，也可选用限压式变量泵作油源。

两种液压泵的工作简图分别如下

图3-2双泵供油油源

图3-3限压式变量泵

3.4压力控制回路的方案

方案一

由于采用双泵供油回路，故采用液控顺序阀实现低压大流量泵卸荷，用溢流阀调整高压小流量泵的供油压力。

为了便于观察和调整压力，在液压泵的出口处、背压阀和液压缸无杆腔进口处设测压点。

本方案中速度控制回路选择进口节流调节回路

将上述所选定的液压回路进行整理归并，并根据需要作必要的修改和调整。

最后画出液压系统原理图如图3-4所示

为了解决滑台快进时回油路接通油箱，无法实现液压缸差动连接的问题，必须在回油路上串接一个液控顺序阀7，以阻止油液在快进阶段返回油箱。

同时阀8起背压阀的作用。

为了避免机床停止工作时回路中的油液流回油箱，导致空气进入系统，影响滑台运动的平稳性，图中添置了一个单向阀13。

考虑到这台机床用于钻孔（通孔与不通孔）加工，对位置定位精度要求较高，图中增设了一个压力继电器14。

当滑台碰上死挡块后，系统压力升高，压力继电器发出快退信号，操纵电液换向阀换向。

在进油路上设有压力表开关和压力表，钻孔行程终点定位精度不高，采用行行程开关控制即可。

图3-4（a）电磁铁和阀的动作

图3-4（b）液压系统原理图

1—双联叶片泵2—三位五通电液阀3—行程阀

4—调速阀5、6、10、13—单向阀7—顺序阀

8—背压阀9—溢流阀11—过滤器

12—压力开关14—压力继电器

方案二

由于采用限压式变量回路。

为了便于观察和调整压力，在液压泵的出口处、背压阀和液压缸无杆腔进口处设测压点。

本方案中速度控制回路选择出口节流调节回路

将上述所选定的液压回路进行整理归并，并根据需要作必要的修改和调整，最后画出液压系统原理图如图3-4所示

为了解决滑台快进时回油路接通油箱，无法实现液压缸差动连接的问题，必须在回油路上串接一个液控顺序阀7，以阻止油液在快进阶段返回油箱。

同时阀8起背压阀的作用。

为了避免机床停止工作时回路中的油液流回油箱，导致空气进入系统，影响滑台运动的平稳性，图中添置了一个单向阀13。

考虑到这台机床用于钻孔（通孔与不通孔）加工，对位置定位精度要求较高，图中增设了一个压力继电器14。

当滑台碰上死挡块后，系统压力升高，压力继电器发出快退信号，操纵电液换向阀换向。

在进油路上设有压力表开关和压力表，钻孔行程终点定位精度不高，采用行行程开关控制即可。

图3-5（a）电磁铁和阀的动作

图3-5（b）液压系统原理图

1—双联叶片泵2—三位五通电液阀3—行程阀

4—调速阀5、6、13—单向阀7—顺序阀

8—背压阀9—溢流阀11—过滤器

12—压力开关14—压力继电器

3.5方案的选择及系统原理图绘制

在速度控制回路的选择中，由于钻镗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，采用节流阀的节流调速回路即可。

但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调速阀的调速方式，且在回油路上设置背压阀。

由于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。

故选择节流调速回路方案一更好。

在油源的选择和能耗控制选择中，限压式变量泵与双向泵的选择中由于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。

最后综合考虑液压系统回路的成本和功能，方案一的性能更好，最后决定选择方案一。

4液压集成块设计

液压集成块具有结构紧凑、元件密度高、占据面积小、运用方便灵活、易于实现标准化等优点,在液压系统中得到广泛应用。

液压集成块实体是一个三维六面体[1],集成块外部安装所需各种元件如液压阀、管接头、压力测点,压力表等。

集成块是安装元件的支承体。

集成块内部有许多相互连通或相互交错的圆柱孔道,这些孔道与安装元件底面孔道相沟通构成液压系统某个回路。

设计液压集成块,首先要满足液压系统的动作要求,其次要保证安装在集成块上元件装配合理,互不干涉,而最重要的是保证集成块内部孔道连通,无危险孔,工艺孔少。

由于集成块内部孔道多,孔深不一,有的应该相通,有的却不能相通,且立体交叉,错综复杂,图纸表示不直观。

因此,提出了一种将空间六面体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,该方法还便于油道之间的相互关系检查。

本次设计将液压元件放于三个集成块上分别是底板、中板、顶板三块，最终组合出本次液压设计的液压以实现功能。

所有版块的设计均以长400mm，宽300mm，高150mm的块体上，液压进油p与出油T均为30mm如图4-1。

最后组装出长400mm，宽300mm，高450mm的立体六面体液压集成块。

最后由于本次液压元件的还未选择孔道均采用10mm的孔。

图4-1集成块立体图

4.1底板的设计

（1）孔1、2位于F面和上,且它们位于同一水平面内,孔1、2中心线在R面平行，且孔2与进油孔p连通，孔1.2位置用于安装单向阀10且分别用于进油与出油。

（2）孔4、7分别位于F面和R面上,且它们在同一水平面内,相互连通做通孔，并且连接于孔2相通，孔3位于L平面上且与孔4在U平面中心线平行，在F平面中心线叠加，且孔3中心线与T中心线在F平面相交，孔3与孔4位置用于安装溢流阀9，孔4为进油，孔3为出油。

（3）孔8、9位于R表面于F面中心线平行、U面中心线叠加且孔8与T口中心线连接，孔9与孔6相通中心线相交，孔7、8、9位置用于安装顺序阀7

（4）