CK6152数控车床变档液压系统Word格式文档下载.docx

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可以实现大范围的无级变速；

体积小；

频响高；

压力、流量可控性好；

可柔性传送动力；

易实现直线运动等优点；

并易与微电子、电气技术相结合，形成自动控制系统[4]。

基于以上一系列优点，液压技术已经广泛应用于机床、工程机械、农业机械和其它国民经济方面。

以数控机床为代表的数控设备的生产与应用水平反映了一个国家的机械与电子工业水平[6]。

它的推广应用对提高劳动生产率和产品质量，改变我国制造技术落后的状况起着极为重要的作用。

液压技术是实现数字控制与机电液一体的关键技术之一，世界各国对液压工业的发展都给予很大重视。

据统计，世界各主要国家液压工业销售额占机械工业产值的2%-3.5%，而我国只占1%左右，这充分说明我国液压技术使用率较低，努力扩大其应用领域，将有广阔的发展前景。

通过表0-1可以粗略知道国内外液压技术的发展方向。

表0-1国内外液压发展方向

国外

国内

高集成化、高功率、高密度

高性能、高质量、高可靠性、系统成套

机电一体化集成元件和系统

低能耗、低噪声、低振动、

智能化自动控制元件和系统

集成化、轻小型微型、多样化

水基介质传动与控制技术

机电一体化

三、液压产品技术发展趋势：

（1）减少损耗，充分利用能量

液压技术在将机械能转换成压力能及反转换过程中，总存在能量损耗。

为减少能量的损失，必须解决下面几个问题：

减少元件和系统的内部压力损失，以减少功率损失；

减少或消除系统的节流损失，尽量减少非安全需要的溢流量；

采用静压技术和新型密封材料，减少摩擦损失；

改善液压系统性能，采用负荷传感系统、二次调节系统和蓄能器回路。

（2）泄漏控制

泄漏控制包括：

防止液体泄漏到外部造成环境污染和外部环境对系统的侵害两个方面。

今后，将发展无泄漏元件和系统，如发展集成化和复合化的元件和系统，实现无管连接，研制新型密封和无泄漏管接头，电机油泵组合装置等。

无泄漏将是世界液压界今后努力的重要方向之一。

（3）污染控制

过去，液压行业主要致力于控制固体颗粒的污染，而对水、空气等的污染控制往往不够重视，今后应重视并解决。

严格控制产品生产过程中的污染，发展封闭式系统，防止外部污染物侵入系统；

应改进元件和系统设计，使之具有更大的耐污染能力。

同时开发耐污染能力强的高效滤材和过滤器。

研究对污染的在线测量；

开发油水分离净化装置和分离元件，以及开发能清除油中的气体、水分、化学物质和微生物的过滤元件及检测装置。

（4）主动维护

开展液压系统的故障预测，实现主动维护技术。

必须使液压系统故障诊断现代化，加强专家系统的开发研究，建立完整的、具有学习功能的专家知识库，并利用计算机和知识库中的知识，推算出引起故障的原因，提出维修方案和预防措施。

（5）机电液一体化

机电液一体化可实现液压系统柔性化、智能化，充分发挥液压传动动力大、惯性小、响应快等优点，其主要发展方向如下：

液压系统将有过去的电液系统和开环比例控制系统转向闭环比例伺服系统，同时对压力、流量、位置、温度、速度等传感器实现标准化；

提高液压元件性能，在性能、可靠性、智能化等方面更适应机电液一体化需求，发展与计算机直接接口的高频，低功耗的电磁电控元件；

液压系统的流量、压力、温度、油污染度等数值将实现自动测量和诊断；

电子直接控制元件将得到广泛采用，如电控液压泵，可实现液压泵的各种调节方式，实现软启动、合理分配功率、自动保护等；

借助现场总线，实现高水平信息系统，简化液压系统的调节、争端和维护。

（6）液压CAD技术

充分利用现有的液压CAD设计软件，进行二次开发，建立知识库信息系统，它将构成设计-制造-销售-使用-设计的闭环系统。

下一个目标是，利用CAD技术实现液压产品快速设计，并把CAD/CAM/CAPP/CAT，以及现代管理系统集成在一起建立集成计算机制造系统（CIMS），使液压设计与制造技术有一个突破性的发展。

（7）新材料、新工艺的应用

新型材料的使用，如陶瓷、聚合物或涂敷料，可使液压的发展引起新的飞跃。

为了保护环境，研究采用生物降解迅速的压力流体，如采用菜油基和合成脂基或者水基海水等介质替代矿物液压油。

铸造工艺的发展，将促进液压元件性能的提高，如铸造流道在阀体和集成块中的广泛使用，可优化元件内部流动，减少压力损失和降低噪声，实现元件小型化。

本次毕业设计是对我所学基础知识和专业知识的一个总结，同时也是提高综合运用所学专业知识的能力、实际动手能力和解决问题能力的一个重要环节，更是对大学阶段机械结构设计和液压设计综合能力的一个考察。

通过本次考察，不仅可以提高我学习新知识、调研取材、查阅文献和撰写科研论文的能力，而且是我踏入工作前的一次历练。

由于能力有限，本次设计中难免存在纰漏和不当之处，敬请各位老师和同学批评指正。

第一章CK6152数控车床变档液压系统方案研究和论证

1.1液压系统设计的立题依据

液压传动系统的设计在现代机械系统的设计工作中占有重要的地位，对于自动化程度要求越来越高的现代数控机床设计来说更是如此。

液压系统有着其它系统无法比拟的优点，它与机械和电气三者相互结合，大大提高了现代数控机床的机电一体化、智能化，同时使机床的稳定性、可靠性、可控性得到提高[11]。

可见液压系统对数控机床的设计和发展具有相当重要的作用。

对于CK6152数控车床而言，采用液压系统变档具有快速、准确、可控性好、自动控制等优点；

若采用机械变档，操作人员劳动强度大，变档速度太慢，效率太低，进而对生产效率产生影响。

基于以上一些因素，这里采用液压系统来实现变挡。

1.2液压系统方案的研究和论证

1.2.1液压系统方案研究的背景和特点

与机械传动相比，液压传动更容易实现其运动参数（流量）和动力参数（压力）的控制，而液压传动较之液力传动具有良好的低速负荷特性。

由于具有传递效率高，可进行恒功率输出控制，功率利用充分，系统结构简单，输出转速无级调速，可正、反向运转，速度刚性大，动作实现容易等突出优点。

液压传动在现代机械中得到了广泛的应用，几乎所有工程机械装备都能见到液压技术的踪迹，其中不少已成为主要的传动和控制方式。

极限负荷调节闭式回路，发动机转速控制的恒压，恒功率组合调节的变量系统开发，给液压传动应用于现代机械（尤其是工程机械）提供了广阔的发展前景[13]。

1.2.2本课题研究的主要内容

本文所研究的变档液压系统，是在手动变档系统的基础上，研究并开发的。

液压变档系统可以实现自动变档的功能，以适应数控机床的智能化、机电液一体化的发展趋势。

基于本文所要达到的要求，对CK6152变档液压系统进行研究，主要内容有：

（1）液压系统的总体设计：

主要包括液压系统的工作原理、设计要求、方案设计、参数计算和液压元件及辅件的选择等；

（2）液压站的设计和计算：

主要包括油箱的机构设计、安装方式，电机与液压泵的连接等；

（3）集成块的设计和计算；

（4）液压系统的安装、调试和维护。

1.2.3方案论证和技术路线

使用液压变档系统可以提高加工过程的机电液一体化和智能化，提高机床生产率及加工成品的互换性，降低操作者劳动强度，降低机床对操作者熟练程度的要求。

表1-1液压变档系统阀体方案对比

阀体类型

优点

缺点

成本

综合性能

常规阀

性能可靠、安全性高

自动化程度低、生产效率低

低

电磁控制阀

系统安全性高、可连续工作、生产效率高

成本高

高

通过表1-1进行液压系统方案对比和论证。

基于对自动化、生产效率和安全性的生产要求，变档液压系统采用第二种方案更适合本课题设计，因此CK6152数控机床变档液压系统采用电磁控制阀。

本课题设计采用集中式液压站控制液压系统，以单向定量液压泵为动力元件，单向节流阀和三位四通方向控制阀为控制元件，双作用单活塞杆推力液压缸为执行元件，主轴箱润滑系统与液压系统相结合的技术路线。

1.3本课题研究的主要意义

机电液一体化是数控机床发展的必然趋势，在CK6152数控车床上使用液压系统实现自动变档功能可以提高机床的自动化程度，提高机床生产率及加工成品的一致性，降低操作者劳动强度，降低机床对操作者熟练程度的要求。

第二章CK6152数控车床变档液压系统的工况分析

对CK6152数控车床液压系统进行工况分析的目的是对各个执行元件在其工作行程中的流量、压力、功率等参数进行研究，为拟定液压系统方案，确定系统主要参数提供依据。

CK6152机床具有高刚性、高精度等特点。

整体式底座结构，刚性好，精度保持性好；

本机床床身最大回转直径520mm，刀架上最大工件回转直径300mm，顶尖距为1000mm，主轴转速为12.5—1000r/min（四段无级）,对于Φ520系列中型数控车床来说,已基本覆盖了所有工作速度范围。

由变频电机实现无级调速，以获得恒线速切削；

为了解决低速扭矩输出小（变频电机在额定转速之下减速时扭矩不增加）的问题，主轴箱内安排了齿轮减速，以求通过减速而增加扭矩输出，之所以采用四档机械变速，是为了扩大调速范围；

四挡机械自动变速通过两个两位油缸操纵来实现。

卡盘分手动、自动两种，自动夹紧又有液压、电动两种形式；

尾座也分手动、自动两种，尾座自动运行一般是靠液压控制。

对于顶尖距较长的床身,有时也要配置液压中心架。

2.1变档液压系统的运动分析

根据对CK6152数控车床变档动作进行研究和分析，液压缸为变档执行元件，即变档运动过程可分解为：

油缸1向右推动滑移齿轮使主轴箱档位变为Ⅰ档，油缸1向左推动滑移齿轮使主轴箱档位变为Ⅱ档；

同理，油缸2向右使主轴箱档位变为Ⅲ档，油缸2向左使主轴箱档位变为Ⅳ档，以下为变档示意图：

Ⅰ档

Ⅱ档

图2.1油缸1变档示意图

Ⅲ档

Ⅳ档

图2.2油缸2变档示意图

2.2变档液压系统的负载分析

根据对变档液压系统的运动分析，变档液压系统的负载主要有：

（1）启动时的静摩擦负载；

（2）变档时的工作负载。

这两项负载都是单向负载，运动方向与液压缸的运动方向在一条直线上。

液压变档主要是通过液压缸的推杆推动齿轮箱中的滑移齿轮来实现变档。

第三章CK6152数控车床变档液压系统的总体设计

3.1变档液压系统的技术要求

1、变档液压系统的设计要求是进行设计的依据。

在制定基本方案并进行液压系统各部分设计之前，必须要把技术要求以及与该设计内容有关的情况了解清楚：

（1）机床的工艺目的、结构布局、使用条件、技术特性等，由此确定液压系统所需执行装置的形式、数量、工作范围、尺寸、重量和安装等限制条件。

（2）机床对液压系统的工作性能如运动平稳性、转换精度、传动效率、控制方式及自动化程度等要求；

（3）液压驱动装置的运动类型、功率和转矩特性；

（4）执行机构所承受的负载大小和性质；

（5）工作环境条件，如室内或室外、温度、湿度、尘埃、冲击振动及腐蚀情况等；

（6）限制条件，如压力脉动、冲击、振动噪音的允许值等；

（7）经济性要求，如投资费用、运行能耗和维护保养费用等；

2、液压传动装置的设计要求：

（1）液压缸运动时工作压力为：

1.5-2.0MPa，换档时间为t=1s；

（2）液压系统压力：

压力表允许承受的最大压力为6MPa，油泵的额定压力为2.5MPa，液压缸允许最高压力为3.0MPa；

液压系统作为CK6152数控机床的变档装置，应使其结构比较简单，外形尺寸较紧凑，能远距离传递高能量；

能承受较大的载荷；

没有复杂的传动转换装置；

能够保证动作准确、迅速、安全；

操作简单、维修方便；

使用过载保护使系统安全可靠。

3.2变档液压系统方案设计

3.2.1确定液压类型和调速方式

对同一类型的数控车床进行参考和研究，选用单向定量液压泵供油和单向节流阀进油调速的开式回路，溢流阀作定压阀。

3.2.2选用执行元件

根据系统变档要求和工作原理，可知系统需要两个二位液压缸即可实现所需功能。

3.2.3液压系统工作介质的选择

本液压系统属于普通低压系统并且回油去润滑，所以选择H-HM-32矿物油。

3.2.4换向回路的选择

由于本系统对液压系统自动化和安全性要求较高，故优先选用电磁换向阀的换向回路，因此两个换向阀都选用三位四通电磁换向阀。

3.2.5绘制液压系统原理图

将以上所选元件和液压回路进行组合，并根据实际需要进行必要的调整，即组成如下图3-1所示的液压系统原理图。

液压系统中电磁铁的动作顺序如表3-1所示。

图3-1液压系统原理图

1—油箱2—过滤器3—油泵4—电机5—底板块6、10—单向节流阀

7、8—换向阀9—溢流阀11—压力表

表3-1电磁铁动作顺序表

动作顺序

油缸1

油缸2

电磁铁

1TV

2TV

3TV

4TV

Ⅰ档

+（-）

液压系统原理:

液压站集中控制液压系统，液压泵为单向定量液压泵，主轴箱润滑系统与液压系统相结合，简化了液压系统，降低了制造成本，并使液压油得到了充分利用；

液压自动变档是通过两个二位液压缸控制主轴箱内的滑移齿轮来实现的。

1.液压系统的功用：

（1）主轴的换挡；

（2）主轴箱内齿轮和轴承的润滑；

2.液压系统元件和作用：

（1）液压回路由一个齿轮泵、一个压力表、两个单向节流阀、一个溢流阀、两个电磁换向阀和两个二位液压缸组成。

（2）齿轮泵公称流量为4L/min，工作压力为2.5MPa，用于为液压变档提供动力。

一部分回油的液压油进入主轴箱去实现润滑功能，这样既降低了成本，又优化了结构。

（3）两个单向节流阀分别控制两个液压缸的速度。

（4）溢流阀在液压系统中起到限制液压缸最高压力的作用。

（5）两个电磁换向阀分别控制两个二位液压缸的运动方向。

（6）两个二位液压缸实现液压四档变速功能。

3.3变档液压系统的参数设计和元件选择

3.3.1液压缸的参数设计

1.液压缸的负载F:

查参考文献[1]可知

（3-1）

式中：

F——液压缸负载；

R——液压缸外作用力；

η——液压缸总效率；

查参考文献[1]可知液压缸的总效率为

（3-2）

——液压缸的机械效率；

——液压缸的容积效率；

——液压缸的作用力效率；

由于此液压缸采用的是弹性体密封圈，所以

≈1.0；

又因为回油直接去润滑，所受回油压力很小，所以

≈1；

液压缸的机械效率

=0.9～0.95，取

=0.93。

所以

变档阶段液压缸所受外作用力R=200kg，代入公式（3-1）得：

2.计算液压缸面积：

查参考文献[4]可知

（3-3）

3.计算液压缸压力：

假设液压缸压力为P,查参考文献[4]可知

（3-4）

4.计算所需流量q:

油缸无杆腔油液流动速度v为：

（3-5）

由于换档时间为1秒，也就是说油缸无杆腔充满油液需要1秒，因此查参考文献[4]可知所需流量q:

（3-6）

根据液压系统所需的功能，可选出液压缸的类型，选用双作用单活塞杆推力液压缸；

根据流量和压力，查参考文献[8],选用内径为Φ40通用液压缸，流量为3L/min，压力为3.0MPa。

5.液压缸的壁厚δ：

液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。

由《材料力学》可知，承受内压力的筒体，其内应力分布规律因壁厚的不同而异，一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。

液压缸材料一般采用无缝钢管，其结构属于薄壁圆筒。

查阅参考文献[2]表4-17，可知壁厚计算公式为：

（3-7）

δ——缸筒壁厚，m；

——试验压力，工作压力p≤16MPa时，

=1.5p；

工作压力p≥16Mpa时，

=1.25p

D——液压缸内壁，m；

[σ]——缸体材料的许用应力，MPa；

采用35#无缝钢管，取[σ]=110Mpa，

=1.5‌×

1.68Mpa=2.52Mpa，D=40mm把数据代入公式（3-7）可得液压缸的壁厚：

可取壁厚δ=5mm，所以外径

=50mm。

对于最终采用的缸筒壁厚应作相应的验算：

额定压力

应低于一定极限值，以保证工作安全,查参考文献[1]可知：

（3-8）

，故满足要求

——液压缸的额定压力，MPa；

——液压缸的外径，mm；

——缸筒材料屈服强度，MPa；

同时额定工作压力也应与完全塑性变形压力有一定得比例范围，以避免塑性变形的发生，查参考文献[1]可知：

（0.35～0.42）

（3-9）

故满足要求。

—缸筒发生完全塑性变形的压力，MPa

；

6.液压缸缸底厚度

查参考文献[1]表17-6-8可知

（3-10）

将

，[σ]=110Mpa代入公式（3-11）可得：

可取液压缸缸底厚度为10mm。

7.查参考文献[1]表17-6-16可知液压缸活塞杆直径的d：

（3-11）

查参考文献[1]表17-6-2活塞杆直径系列，可取活塞杆直径

=10mm。

3.3.2液压阀和过滤器的选择

根据液压缸所需的最大流量和最高压力，并参考同类数控机床，可选定液压阀的型号和规格。

本系统中所用液压阀的额定压力都为2.5MPa，额定流量为4L/min；

可选用间隙式过滤器。

所有元件的规格型号如下表3-2。

表3-2液压元件明细表

序号

名称

型号

个数

1

油箱

81011

2

电机

A02-7124-B3

3

油泵

CB-B4

4

过滤器

XU-10×

80T

5

压力表

YZT-60

6

底板块

7

溢流阀

MRV-02-P1-K-20

8

单向节流阀

MCT-02-P-20

9

换向阀

WE-3C2-02-G-D2-30

3.3.3液压泵的参数设计

表3-3液压泵类型

类别

吸入性能

额定压力/MPa

最高转速

变量

噪音

价格

齿轮泵

较好

低压2.5，高压25

不能

有

叶片泵

一般

低压6.3，中压16，高压32

能

小

较高

柱塞泵

差

40

中

很大

螺杆泵

最好

10

很高

很小

对比上表3-3，基于液压系统的使用要求和CK6152的经济性要求，齿轮泵最适合本液压系统。

3.3.4油管的选择

油管选用的主要依据是液压系统的工作压力、通过流量、工作环境和液压元件的安装位置等。

查参考文献[1]可知管路内径

：

（3-12）

——管路内径，m；

q——通过管路的最大流量，

v——管路中允许流速，

，吸油管取v=0.5～1.5

高压管取v=2.5～5

回管路取v=1.5～2.5

短管及局部收缩处取v=5～7

本系统最大流量为4L/min，高压管的允许流速取v=3m/s，则内径

为

可取油管的内径

为6mm，外径

为10mm。

第四章液压站的设计和计算

液压站是由液压油箱、液压泵装置和液压控制装置三大部分组成。

液压油箱装置主要有滤清器、滤油器、液面指示器和清油孔组成；

液压泵装置主要包括不同类型的液压泵、驱动电机和相应的联轴器；

液压控制装置主要由各类阀体元件和连接体组成。

对同类的数控车床液压系统进行研究和参考，本液压站采用集中式结构，通过图4-1可以粗略了解集中式液压站的结构。

图4-1集中式液压站

4.1液压油箱的设计

4.1.1液压油箱的作用和选择

液压油箱起到储存液压油、分离液压油中的空气和杂质，同时还起到散热的作用。

为了减少液压站的振动和油液的发热等问题对液压系统的影响，本次设计油箱采用钢板焊接的分离式液压油箱。

4.1.2液压油箱有效容积的确定

液压油箱在不同的工作条件下，影响散热的条件很多，通常按压力范围来考虑。

查参考文献[1]表6-17可知液压油箱的有效容量V为：

（L）（4-1）

ζ——与系统压力有关的经验系数：

低压系统ζ=2～4,中压系统ζ=6～7,高压系统ζ=10～12；

——液压泵的额定流量，L/min；

本液压系统工作压力p=2.5MPa，属于低压系统，取ζ=4，所以油箱的容积

考虑到该油箱还要用于液压卡紧和液压顶紧，所以油箱的容积

4.1.3液压油箱的结构设计

（1）油箱必须有足够大的容量，以保证系统工作时能够保持一定的液位高度；

在油箱容积不能增大而又不能满足散热要求时，需要设冷却装置。

（2）设置过滤器：

油箱的回油口一般都设置系统所要求的过滤精度的回油过滤器，以保证返回油箱的油液具有允许的污染等级。

油箱的排油口（即泵的吸口）为了防止意外落入油箱中污染物，有时也装吸油网式过滤器。

由于这种过滤器侵入油箱的深处，不好清理，因此，即使设置，过滤网目也是很低的，一般为60目以下。

（3）设置油箱主要油口：

油箱的排油口与回油口之间的距离应尽可能远些，管口都应插入最低油面之下，以免发生吸空和回油冲溅产生气泡。

管口制成450的斜角，以增大吸油及出油的截面，使油液流动时速度变化不致过大。

管口应面向箱壁，吸油管离箱底距离

（D为管径），距箱边不小