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1.1油压机的基本结构
小型油压机一般为四立柱液压机。
整体结构如图1-1所示
图1-1四立柱液压机结构
1-上横梁2-立柱3-下横梁4-回程缸5-工件
6-回程柱塞7-活动横梁8-工作柱塞9-工作缸
油压机的各个部件都统一安装在机身上,在下横梁的中间孔安装顶出缸,在上横梁的中间孔安装工作缸,并且在工作台台面上开有T型槽,用它来安装压制模具。
活动横梁的四个角上的孔套装在四立柱上方和工作缸活塞相连接,由于其带动横梁上下运动。
机身在油压机工作中承受全部的工作载荷。
工作缸采用活塞式单出杆双作用缸,当液压油进入工作缸上腔且活塞带动横梁向下运动时,其速度较慢,圧力较大,当压力油进入工作缸下腔且活塞向上运动,其运动速度较快,压力较小,一般情况下符合慢速压制、快速回程的液压工艺要求。
活动横梁是立柱式液压机的运动部件,位于油压机机身的中间,中间圆孔和上横梁的工作活塞杆连接,四角孔在工作活塞的带动下,靠立柱导向作上下的运动,活动横梁的底面也开有T型槽,用来安装模具。
在机身下部设有顶出缸,通过顶杆可以将成型后的塑件顶出。
油压机的动力部分是高压泵,将机械能转变为液压能,向液压机的工作缸和顶出缸提供高压液体。
1.2工作原理及基本组成
液压传动是利用流体作为工作介质对能量进行传递动力和进行控制的一种传动形式。
其工作原理如图1-2所示:
1
FL
—二
「
T
4大柱
F2
s—
小柱塞i!
P
1—P■
图1-2液压缸工作原理
液压泵:
将机械能转换成液压能的转化装置。
液压缸:
将液压能转化为机械能。
控制阀:
控制液压油的流量,方向,压力,液压执行机构的工作顺序等及保护液压回路。
对系统中油液压力,流量或者油液流动方向进行控制和调节的元件。
根据控制和调节功能的不同,液压阀可分为流量控制阀、压力控制阀和方向控制阀。
例如单向阀,换向阀,溢流阀,开停阀,顺序阀,节流阀,调速阀等等
1、油压机活动横梁的下行程速度主要取决于液压泵的供液油量,而与制造过程中的锻件变形阻力无密切关系。
如果泵的供液量为常量,则油圧机的工作速度为定值。
2、泵的供油压力与所消耗的功率,被加工工件的变形阻力都有着密切关系,工作过程中工作变形阻力大,那么液压泵的供液压力和所消耗的功率也大,反之亦然。
3、能够利用活动横梁行程速度的恒定性和液压泵供液压力不断变化的一些特点,作为操纵分配器的信号,进一步来实现油压机的自动工作。
1.3油压机液压传动的优缺点
液压传动所以能得到广泛应用,这是由于它具有以下主要优点:
(1)液压传动与机械、电力等传动方式比较,在输出同样功率的条件下体积小、重量轻、结构紧凑。
油马达的外形尺寸约为同功率电机的12%,重量约为电机的10〜20%,1立方米的全液压挖掘机整机重25T、零件总数为750多件,而机械式1立方米的挖掘机的机重是41T,零件总数达1500多件。
(2)传递运动平衡。
由于工作液体弹性大,油液本身有吸振能力,不象机械传动因加工和装配误差会引起过大的振动和撞击。
(3)易于获得很大的力或力矩。
例如一个内径为30cm的油缸,油液压力为20MPa,活塞上便可产生1.4MN推力。
液压传动这个突出的优点,使它广泛应用于工程机械,成为实现省力的最有效的手段。
(4)液压传动系统的运动零件均在油内工作,可以自行润滑,故零件工作寿命长。
(5)能在很大范围内实现无级调速。
如车辆在不同情况下要求不同的行驶速度,可以通过调节液体的流量达到改变速度的要示。
(6)与机械传动相比易于布局和操纵。
(7)液压元件易于实现系列化、标准化、通用化,便于设计、制造和推广。
液压传动也存在以下缺点:
(1)液压传动釆用液体为介质,在相对运动表面有间隙存在,就不可避免的要有泄漏,影响了工作效率。
为了防止漏油,配合件的制造精度要求较高。
(2)由于油的粘度随温度而变化,因此油温变化时,会影响传动机构的工作性能。
同时在低温或高温条件下采用液压传动有较大的困难。
(3)空气渗入液压系统后容易引起系统的工作不良,如发生振动、爬动、噪音等。
(4)液压系统发生故障不易检查和排除,这给使用和维修带来不便。
(5)为了防止漏油,以及为了满足某些性能上的要求,液压元件制造精度要求较高。
总的来说,液圧传动的优点是主要的,就其缺点而言,随着生产和科学技术的发展,正在逐步加以解决,因此液压传动在现代化的生产中有着广阔的发展前途。
第2章驱动部结构设计及液压系统工况分析
2.1液压缸基本结构设计
液压缸的结构图如图2-1所示
图2-1液压缸的结构图
卜油压缸简2-活塞3-活塞杆4-扛螺母5-导向带6-连接盖
液压缸是驱动部的重要组成部分,它是一种把液体的压力能转换为机械能,以实现直线往复运动的能量转换装置。
山于液压缸结构简单,工作可靠,在锻压设备中应用广泛。
液压缸的类型
液压缸选用单作用活塞液压缸,单作用活塞缸的活塞、活塞杆和导向套上都装有密封圈,因而液压缸被分隔为两个互不相通的油管,当活塞腔通入高压油而活塞杆腔回油时,可实现工作进程,当从反方向进油和回油是,可实现回程。
缸口部分结构
缸口部分釆用了Y形密封圈、导向套、O形防尘圈和锁紧装置等组成,
用来密封和引导活塞杆。
由于在设计中缸孔和活塞杆直径的差值不同,故缸口部分的结构也有所不同。
缸底结构
缸底结构常应用有平底、圆底形式的整体和可拆结构形式。
在本设计中采用平底结构。
平底结构具有易加工、轴向长度短、结构简单等优点。
所以目前整体结构中大多采用平底结构。
2.2载荷的组成和计算
四柱液压机的工作过程如下:
实现“快进一一减速——加压工作行程——保压延时——卸压回程一一回程停止”的工作行程,其参数:
压制力为800000N,彳亍程为350mm,快进速度35mm/s,压制速度6mm/s,回程速度25mm/s
液压系统最高工作压力P=25Mpa
v快二35mm/s,v.,=6mm/s,令启动时间不超过0.2s
选取P=20-25Mpa取P=25Mpa
80吨液压机设计要求
(1)液压系统最高压力P=32Mpa-般选用P=20~25Mpa
(2)主液压缸适用于冲压的压制力与回程力之比值为5-10%塑料制品的压制力与回程力之比为2%
(3)顶出缸公称顶出力取主缸公称吨位的五分之一
(4)顶出缸回程力为主液压缸公称吨位的十五分之一
1主缸公称压力
F=800kN
2主缸回程力
Fi=140KN
3顶出缸公称压力
竹二97KN
4顶出缸回程力
心=33KN
5滑块距工作台最大距离
600mm
(1)驱动缸的内径(活塞直径):
公称力F=800KN,液体最大工作压力P=25MPa。
求得活塞面积:
Sf^=-=0.040Im2
(2-1)
所以
Df=0.200即驱动缸内径0=200。
查表取
(2)主液压缸活塞杆的直径
Di=200mm
dl=140mm
(3)驱动油压缸有效面积:
无
杆
腔
有杆腔出f
图2-2液压缸简图
(2-4)
(2-5)
(2-6)
(2-7)
(2-8)
其中人是有杆腔面积,爲是无杆腔面积如图2-2所示,心为活塞杆的面积=0.0314m2=314cm2
4
A=r^L=nx0-14\.=o.0153m2=153cm2
344
A,=A{—At=314—153=161cm2
(4)主液压缸实际压制力和回程力:
P/^=PAI=8J6.4KN
主缸实际回程压力:
P=-(D,2-df)P=134KN
411
2.4液压缸动作时的流量
液压缸的流量通过工作速度和液压缸的内径来确定。
液压缸的空程速
度为vy=35mms/,工作速度为v,=6mm/s,回程速度为=25mm/s.
空程:
ft=vyx—D:
=0.889m3/s
4(2-9)
工作:
Q^v^x-D,2=0.1524m3/s
4(2-10)
回程:
(D2-d2)=0.1325m3/s
4(2-11)
针对不同零件的具体加工要求,系统的流量可以通过控制元件调速阀来调节。
缸筒的结构和材料
一般情况下,缸筒和缸盖的结构形式和使用材料有关。
在此液压缸筒用45号无缝钢管。
可保证结构通用性好,缸体加工容易,装卸方便,能充分满足设计要求。
缸筒所选材料性能如表2-1。
表2-1缸简所选材料
型号
5b>
/MPa
MPa
55>
45
600
355
16
2.5立柱的设计
立柱是四柱液压机重要的支承件和受力件,同时乂是活动横梁的导向基准。
因此,立柱应有足够的强度与刚度,导向表面应有足够的精度,光洁度和必要的硬度。
连结形式
立柱式机架是常见的机架形式,一般由4根立柱通过螺母将上、下横梁紧固地连结在一起,组成一个刚性的空间框架。
在这个框架中,既安装了液压机本体的主要零部件,乂在液压机工作时,承受液压机的全部工作载荷,并作为液压机运动部分的导向。
整个机架的刚度与精度,在很大程度上取决于立柱与上、下横梁的连接形式与连接的紧固程度。
图2-3液压机立柱连接形式
在中、小型液压机中,常用的连结形式有以下4利-
1.立柱用台肩分别支承上、下横梁,然后用外锁紧螺母上、下予以锁紧。
这种结构中,上横梁下表面(工作台)上表面间的距离与平行度,全靠4根立柱台肩间尺寸的一致性来保证,因此装配简单,不需调整,装配后机架的精度也无法调整,且对立柱台肩间尺寸精度的加工要求很高。
因此,这种结构仅在无精度要求的小型简易液压机中采用。
如图2-1-a所示。
2.内外螺母式,即在立柱上分别用内、外两个螺母来固定上、下横梁,用内螺母来起上述台肩的支承作用,用外锁紧螺母上、下予以锁紧。
上横梁下表面的水平度以及下横梁上表面的水平度,两个表面之间的平行度与间距的保持,全靠安装时内螺母的调整,因此,对立柱的有关轴向尺寸要求不高,但对立柱螺纹精度及内螺母精度要求较高,安装时调整比较麻烦。
如图2-1-b所示。
3.在与上横梁连结处用台肩代替内螺母,精度调节和加工均不很复杂,但立柱预紧不如第2种方便。
如图2-1-c所示。
4.与第3种形式基本相同,只是在下横梁处用台肩代替内螺母,但精度调节比第3种简便可靠。
如图2-1-d所示。
在设计中选用的是第二种连结方式。
立柱的螺母及预紧
立柱螺母一般为圆柱形,小液压机的立柱螺母是整体的,立柱直径在150mm以上时,做成组合式,由两个半螺栓紧固而成,材料用35~45锻钢或铸钢。
因为在设计中我选用的立柱为300mm,所以采用此种结构。
立柱螺母的尺寸已有机械行业标准JB/T2001.73——1999,螺母外径约为螺纹直径的1.5倍,内螺母一般与螺母等高,约为螺纹直径的0.9倍。
25MN以下的液压机,其立柱多做成实心的,实心的立柱的两端要钻出预紧螺母用的加热孔。
立柱的预紧分加热预紧与液压预紧。
本次设计选用的是加热预紧方式。
加热预紧比较常用的方法,为此,立柱端部应钻有加热孔,其深度应大于横梁的高度。
在立柱及上横梁安装好后,先将内、外螺母冷态拧紧,然后用电热棒或通入蒸汽等加热方法使立柱端部伸长,达到一定温度后,将外螺母再向下拧过一个角度,一般是用螺母外径上一点转过的弧长来度量。
立柱冷却后,就在螺母与横梁之间产生一个很大的预紧力,使螺母不易松动。
加热时应注意两对角立柱同时加热。
立柱的导向装置
活动横梁运动及工作时,一般以立柱为导向,由于活动横梁往复运动频繁,且在偏心加压时有很大的侧推力,因此,不可能让活动横梁与立柱直接接触,互相磨损,必须选择耐磨损、易更换的材料作为两者之间的导向装置。
导向装置的质量直接关系到活动横梁的运动精度及被加工件的尺寸精度,也会影响到工作缸密封件与导向面的磨损情况,对模具寿命及机身的受力情况也均有影响,为此,必须合理选择导向装置的结构及配合要求。
对于圆截面的立柱,都是在活动横梁的立柱孔中采用导套结构,乂可分为圆柱面导套和球面导套。
圆柱面导套在活动横梁的立柱孔中,各装有上、下两个导套,它们由两半组成,为了拆装方便,两半导套的剖分面最好有斜度,导套两端装有防尘用的毡垫。
这种导套结构简单,制造方便。
第3章油压缸的设计计算
3.1对缸筒的要求
a・内表面与活塞密封件及导向套的摩擦力作用下,能长期工作而磨损少,尺寸公差等级和形位公差等级足以活塞密封件的密封性。
b.有足够的强度,能长期承受最高工作压力,而不至产生永久变形以及能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不至产生弯曲。
缸筒内壁厚度:
当3.2<
^-<
16时,用使用公式:
6=丫+c
(2.3[a]-Pv)cp(3_i)
只•一试验压力(MPa),工作压力P<
16MPa时,Pv=1.5p:
工作压力P>
16MPa时,Pv=1.25p;
因为工作压力为P=25MPa,所以/\=1.25P
求得5为0.028m,取整5=0.02mo
0—液压缸内径(m);
[b]-缸体材料的许用应力(MPa):
叭一缸体材料的抗拉强度(MPa);
安全系数,n=3.5-5,般取n=5;
°
一强度系数,一般取1;
c-计入壁厚公差及腐蚀的附加厚度,通常圆整到标准厚度值;
P—缸体内最大工作压力为25MPa.
当%<
3.2时,材料使用不够经济,应改用高屈服强度的材料。
(3)缸筒的强度校验
(5)液压缸固定螺栓直径校核
心¥
恤门(3-6)
式中:
Z—固定螺栓数,取Z=8(均布);
F-液压缸负载;
k—螺纹拧紧系数k二(1.12-1.5),这里取1.3;
【C-9/1.2—2.5),屯.为材料的屈服极限
由于Z取得较小的值时,螺栓的直径将会变大,从而加大安装空间,可能会发生安装是干涉的悄况;
如果Z值取得太大,则势必加大调整时的难度,经过综合考虑,这里取Z=8o
所以:
<
>
23.7925=23.1mm(3-7)
选取标准值为24mmo根据实际情况,选取普通圆柱螺栓。
由《机械设计指导》查的该螺栓的规格为M24。
(6)缸筒制造加工要求
a.缸筒端面的垂直度公差值可按照7级精度选取0.06mmo
b.缸筒内径的圆度公差值可按9、10、11级精度选取0.046mm,圆柱度公差值应该按照8级精度选取0.02mmo
c.热处理调质,硬度为HB241—285.缸体内表面镀锯,厚度为30-40微米,镀后硏磨或者抛光。
油压缸筒的零件图如3-1所示:
图3-1油压缸筒
3.2活塞的设计
由于活塞在液体压力的作用下沿缸筒往复滑动,因此,它与缸筒的配合应适当,既不能过紧,也不能有间隙过大。
配合过紧,不仅使最低启动压力增大,降低机械效率,而且容易损坏缸筒和活塞的滑动配合表面;
间隙过大,会引起液压缸内部泄露,降低容积效率,使液压缸达不到要求的设计性能。
(1)活塞材料
查书《液压工程手册》,可知:
无导向环活塞:
用高强度铸铁HT200〜300或球墨铸铁。
有导向环活塞:
用优质碳素钢20号、35号及45号。
本设计釆用有导向环的活塞,因此选用45号钢。
(2)活塞结构型式
根据密封装置型式来选用活塞结构型式。
通常分为整体活塞和组合活塞两类。
整体活塞在活塞四周上开沟槽,安置密封圈,结构简单,但给活塞的加工带来困难,密封圈安装时也容易拉伤和扭曲。
组合式活塞结构多样,主要受密封型式决定。
组合式活塞大多可以多次拆装,密封件使用寿命长。
依据以上知识,本设计釆用整体式活塞。
(3)活塞的尺寸确定
活塞的外径应略小于缸筒的内径,活塞与缸筒之间是用密封圈来连接的。
其内孔的大小是根据与之相配合的活塞杆的直径来确定的。
根据密封圈的大小来确定槽的深度和宽度。
根据设计和安装要求,本设计活塞外径取为240mm,宽度B=0.6D取得144mm。
(4)活塞的密封
密封、形式与活塞的结构有关,可根据液压缸的不同作用和不同工作压力来选择,一般有密封圈密封、活塞环密封、间隙密封。
这里采用O形加挡圈密封。
(5)活塞的技术要求
a・外径的圆柱度公差值,按10级精度选取,公差值为0.04mm
b.端面对内孔轴线的垂直度公差值,应该按照7级精度选取,公差值
0.04mmo
活塞的结构如图3・2所示
图3-2活塞
3.3活塞杆的设计
(1)活塞杆的材料
活塞杆的材料为45号钢,采用实心结构。
其两个端部均釆用螺纹连接。
活塞杆所选材料如表3-1所示。
表3T活塞杆所选材料
刃>
/MPa6>
/
%/%
1030835
9
(2)活塞杆尺寸的确定
活塞杆的总长要根据油缸的行程来确定,本课题的工作台行程为600
mm,综合其技术要求,选取活塞杆的总长为800mmo
由于L>
A+B+L-1/2B
L>
100+140+30+600-70=800mm
A-导向套滑动面长度;
B—活塞宽度;
L-液压缸的最大行程;
(3)活塞杆的技术要求
a安装活塞的轴肩端面与活塞杆的轴线的垂直度公差不大于
0.04mni/100mmo
b活塞杆的外圆粗糙度Ra值一般为0.1〜0.3"
"
。
c活塞杆在导向套中滑动,采用H8/h7配合。
d安装活塞的轴颈与外圆的同轴度公差不大于0.01mmo
c活塞杆的热处理:
粗加工后调质到硬度为229-285HB,必要时,再经高频淬火,硬度达到HRC45-55o
f为了提高耐磨性和防锈性,活塞杆表面需镀珞处理,并进行抛光或磨削加工。
g活塞杆内端的卡环槽、螺纹和缓冲柱塞也要保证与轴线的同心,特别是缓冲柱塞,最好与活塞杆做成一体。
(4)活塞杆直径d的校核:
I4F
飞兀【b]>
o04lm(3-8)
取d=0.14m,满足要求。
F-活塞杆上的作用力;
2/一活塞杆材料的许用应力,【门=6屮.4。
(5)活塞与活塞杆的连接
活塞与活塞杆连接有多种型式,所有型式均需有锁紧措施,以防止工作时由于往复运动而松开,它分为卡环型,轴套型,螺母型等儿种型式。
本设计采用卡环型连接,如图3・3所示:
图3-3活塞杆
3.4导向环的设计
导向环安装在活塞外圆的沟槽内或活塞杆导向套内圆的沟槽内,以保持活塞与缸筒或活塞杆与其导向套同轴度,并用以承受活塞或活塞杆的侧向力。
(1)导向环的型式
导向环有嵌入型和浮动型
嵌入型导向环:
在活塞外圆加工出燕尾型截面沟槽,用QAL9-4或紫铜制的铜带,表面加工成略带拱形,用木槌钏入沟槽内,最后加工导向环外圆。
导向环圆周切出一个45度斜口。
浮动型导向环:
用高强度塑料等制的带,装在活塞外圆的矩形截面沟槽内,侧向保持有间隙,导向环可在沟槽内移动,并有一个45度斜开口。
也可在沟槽底用粘合剂固定导向环。
本设计采用浮动型导向环。
(2)导向环的尺寸
采用不同的材料,导向环的尺寸也不同。
聚四氟乙烯(也有掺青铜粉)导向环:
根据活塞外圆直径或导向套内圆直径,导向环厚度可为1.5〜2.5mm,宽度可为5.6〜25mm。
纤维增强酚醛树脂掺石墨导向环,厚度可为3〜5mm,宽度可为2.5〜
25mmo
基于此,本设计采用聚四氟乙烯导向环,其厚度为2.5mm,宽度为
(4)导向套的加工技术要求
a、导向套外圆与端盖的配合为H8/f7o
b、内孔与活塞杆外圆的配合为H8/h7o
c、外圆与内孔的同轴度公差不大于0.03mmo
d、内孔中的环形油槽和直油槽要浅而
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