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专用铣床液压系统设计


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液压传动课程设计 计算说明书

设计题目: 设计题目:专用铣床液压系统设计 系 机械及自动化 专业 机械 班级 031013 班 学号 20030343 设计者: 设计者: 夏国庆 指导教师: 钱雪松(老师) 指导教师: 钱雪松(老师) 学校: 学校:河海大学常州校区

2006 年 6 月 30 日

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制作人:夏国庆

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一、设计流程图
液压系统设计与整机设计是紧密联系的, 设计步骤的一般流程如 图

明确液压系统的设计要求 执行元件运动与负载分析 确定执行元件主要参数 拟定液压系统原理图 CAD 选择液压元件 验标液压系统性能 否 是否通过? 绘制工作图,编制技术文件 否 是否符合要求? 结 束 是 是 液 压

下面将按照这一流程图来进行本次液压课程设计。

二、设计依据:
专用铣床工作台重量 G1=3000N,工件及夹具重量 G2=1000N,切削力 最大为 9000N,工作台的快进速度为 4。5m/min,工进速度为 60~ 1000mm/min,行程为 L=400mm(工进行程可调) ,工作台往复加速、 减速时间的时间 t=0.05s, 假定工作台用平导轨, 静摩擦系数 fj=0.2,
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动摩擦系数 fd=0.1。设计此专用铣床液压系统。

三、工况分析
液压系统的工况分析是指对液压执行元件进行运动分析和负载分 析,目的是查明每个执行元件在各自工作过程中的流量、压力、功率 的变化规律,作为拟定液压系统方案,确定系统主要参数(压力和流 量)的依据。 负载分析 (一) 外负载
Fc max

=9000N

其中 Fc max 表示最大切削力。 对于专用铣床铣削时铣刀所承受的主切削力大小(单位 N)为:
Fc = Pfa p

(N)

式中

P — 单位切削力( N / mm 2 ) f — 每转进给量(mm/r)
a p — 背吃刀量(mm)

下面将进行具体参数的计算: 由公式 u f = fn 可得 (其中 u f 表示每分钟进给速度,n 表示 ??工进速度 u f =60—

铣刀的转速) 由设计依据可知 n=300r/min 1000mm/min,故我们取 u f =300mm/min。
f = uf n

=

300 = 1mm / r 300
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对于单位切削力 P,由以下的常用金属材料的单位切削力表可 得,我们选 P=2000 N / mm 2 。
类别
易切钢 结构钢 钢 不锈钢 铸铁 铸造 合金 灰铸铁 铸造锡青铜 铸造铝合金

材料
45 40Cr

牌号
Y40Mn

单位切削力 P N / mm ) ( 1700 2000 2500 1140 700 720

2

1Cr17Ni9 HT200 ZcuSn5Pb5Zn5 ZALSn7Mg

对于铣削背吃刀量 a p ,我们选用硬质合金铣刀,查铣工计算手册可得, 取 a p =1.5mm。 根据以上的公式 Fc = Pfa p 可得:
Fc = Pfa p = 2000 ×1× 1.5 = 3000( N )

因为 3000< Fc max =3185N,所以选取的合适 (二) 阻力负载 静摩擦力:Ffj=(G1+G2) ·fj 其中 Ffj—静摩擦力 N 摩擦系数 由设计依据可得:Ffj=(G1+G2) ·fj=(4000+1800)X0.2=1160N 动摩擦力 Ffd=(G1+G2) ·fd 其中 Ffd—动摩擦力 N fd—动摩擦系数 同理可得: Ffd=(G1+G2) ·fd=(4000+1800)X0.1=580N G1、 G2—工作台及工件的重量 N fj—静

(三) 惯性负载

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机床工作部件的总质量 m=(G1+G2)/g=5800/9.81=592kg 惯性力 Fm=m·a= 592 ×
5 = 493 N 60 × 0.1 a=

其中: a—执行元件加速度 m/s? ut—执行元件末速度 m/s? t—执行元件加速时间 s

ut ? u0 t

u0—执行元件初速度 m/s?

因此,执行元件在各动作阶段中负载计算如下表所示:

工况 启动 加速 快进 工进 快退

油缸负载(N) F=Ffj F=Ffd+Fm F=Ffd F=Ffd+Fc F=Ffd

负载值(N) 1160 1073 580 3580 580

按上表的数值绘制负载如图所示。 对于速度而言, 设计依据中已经有了明确的说明, 所以按照设计依 据绘制如下:

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图 2 铣床液压缸速度图

四、初步确定油缸参数,绘制工况图
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1、初选油缸的工作压力、 由上可以知道,铣床的最大负载 F=3580N,根据下表可得: 表 按负载选择液压执行元件的工作压力 载荷/(kN) <5 5—10 10—20 2.5~3 20—30 30—50 3~4 4~5 >50 >=5~7

工作压力 (Mpa) <0.8~1 1.5~2 选系统的工作压力 P1=2Mpa。

由设计要求可知,导轨要求快进、快退的速度相等,故液压缸选用 单活塞杆式的,快进时采用差动连接,且液压缸活塞杆直径 d≈0.7D。 快进和工进的速度换接用三位四通电磁阀来实现。 铣床液压系统的功率不大,为使系统结构简单,工作可靠,决定采 用定量泵供油。考虑到铣床可能受到负值负载,故采用调速阀的进油 节流加背压阀的调速回路,所以回油路上具有背压 P2,取背压 P2=0.5Mpa。

2、计算油缸尺寸
可根据油缸的结构及连接方式计算油缸的面积、 油缸直径 D 及活 塞杆直径 d 计算出后应按标准予以圆整,然后再计算油缸的面积: 此时由工进时的负载值按计算公式计算液压缸面积:
A2 = F

η m ( p1? ? p2 )

=

3580 = 1065.5 × 10 ?6 m2 6 0.96(2 × 2 ? 0.5) × 10

A1 = ? A2 = 2 A2 = 2131× 10?6 m 2

D=

4 A1

π

=

4 × 2131× 10?6 = 0.052m 3.14

d = 0.707 D = 0.707 × 0.052m = 0.037 m

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在将这些直径按照国标圆整成标准值得: D=0.06m, d=0.04m

由 此 就 求 得 液 压 缸 两 腔 的 实 际 有 效 面 积 为
A1 =

π D2
4

= 28.26 × 10?4 m 2 , A2 =

π ( D2 ? d 2 )
4

= 15.7 × 10?4 m2 。

3、油缸各工况的压力、流量、功率的计算
(1) 、工进时油缸需要的流量 Q 工进 Q
工进=

m3 / min

A1·U 工进= 28.26 ×10?4 × 0.3 = 0.0008m3 / min

A1:工进时油压作用的面积 m 2 U 工进—工进时油缸的速度 mm/min (2)、快进时油缸需要的流量 Q 快进
m3 / min

差动连接时:Q 快进=(A1-A2) ·U 快进

= (28.26 ? 15.7) 10?4 × 5 = 0.0063m3 / min ×
A1、A2—分别表示油缸活塞腔、活塞杆截面积 m? U 快进—油缸快进时的速度 mm/min (3)、快退时油缸需要的流量 Q 快退 , m3 / min Q 快退= A2·U 快退

= 15.7 ×10?4 × 5 = 0.0078m3 / min
U 快退—油缸退回时的速度, mm/min (4)、工进时油缸的压力
p1 = ( F / η m + p 2 A2 ) / A1 = 1.60 M P a

P2—为工进时回油腔的背压,上面已经选取为 0.5Mpa。
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(5) 、快进时油缸压力
p 启 动 = ( F / η m + △ pA2 ) ( A1 ? A2)= 0.96 M P a / p 加 速 = ( F / η m + △ pA2 ) ( A1 ? A2)= 1.26 M P a / p 快 速 = ( F / η m + △ pA2 ) ( A1 ? A2)= 0.86 M P a /

这里:F 分别表示快速启动、加速、快速时油缸的推力, P—分别表示快速启动、加速、快速时油缸的压力。
?p 表示管路中压力损失大小,这里我们取值为 0.3Mpa。

(6) 、快退时油缸压力
P启动 = F / ηm + P2 A1 ) / A2 = 0.77 MPa ( P加速 = F / ηm + P2 A1 ) / A2 = 1.61MPa ( P快退 = F / ηm + P2 A1 ) / A2 = 1.28MPa (

F—分别表示快速启动、加速、快速时油缸的推力, P—分别表示快速启动、加速、快速时油缸的压力。 P2 的值为 0.5MPa 油缸工作循环中各阶段的压力、流量、功率实际值如表 2 所示:

表 2 液压缸在不同工作阶段的压力、流量和功率值
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回 油 腔 进油腔 输 入 流 输 入 工况 负载 F/N 快进 启动 1160 1073 580 8580 启动 快退 加速 快退 1160 1073 580 0.5 0 0.5 压力
P2 / MPa

压力
P / MPa 1



功率

q/ m3 / min P/kW — — 0.0063 0.0008 — — 0.0078 — — 0.09 0.021 — — 0.166

0
P + ?P 1

0.96 1.26 0.86 1.60 0.77 1.61 1.28

(差动) 加速 快进 工进

由以上所计算的数据我们绘制出工况图如下所示:

功率 压力 流量

图 3 液压缸工况图

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五、确定液压系统方案和拟订液压系统原理图 (一) 确定油源及调速方式 由以上的计算可以知道, 铣床液压系统的功率不大, 工作负载的 变化情况很小,因此,为使系统结构简单,工作可靠,决定采用定量 泵供油。考虑到铣床可能受到负值负载,故采用回油路调速阀节流调 速方式,并选用开式循环。 从工况图中我们可以清楚的看出,在液压系统的工作循环中,液 压缸要求油源提供的流量变化并不是很大,因此工进和快进的过程 中,所需流量差别较小。故我们选用定量单液压泵供油。

(二)选择基本回路 1. 选择换向回路及速度换接方式 由设计依据可以知道, 设计过程中不考虑工件夹紧这一工序, 并且 从快进到工进时,输入液压缸的流量从 6.3L/min 降到 0.8L/min,速 度变化不是很大,所以采用电磁换向阀来实现速度的换接。压力继电
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器发讯,由电磁换向阀实现工作台的自动启动和换向。同时为了实现 工作台能在任意位置停止,泵不卸载,故电磁阀必须选择 O 型机能 的三位四通阀,如下图所示:

由于要求工作台快进与快退速度相等, 故快进时采用差动连接来实 现快速运动回路,且要求液压缸活塞杆直径 d≈0.7D。 (三)选择调压回路 设计过程中,在油源中采用溢流阀来调定系统的工作压力,因此 调压问题基本上已经在油源中解决,无须在另外设置调压系统。这里 的溢流阀同时还能起到安全阀的作用。 1、 组合成液压系统图 将上面所选 的液压基本回 路组合在一 起,便可得到 以下的液压系 统原理图。同 时电磁铁的动 作顺序表如 下:

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表 3 液压专用铣床电磁铁动作顺序表
工序 工作缸快进 工作缸工进 工作缸快退 1Y + + — 2Y — — + 3Y + — — 4Y — — — 5Y — — — YJ + + +

图 4 专用铣床液压系统原理图

1-油箱;2-过滤器;3-叶片泵;4--溢流阀;5-三位四通电磁换向阀 6 单向调速阀;7-两位三通电磁换向阀;8-工作缸;9-压力继电器

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六、选择液压元气件 (一) 液压泵的选择 由以上的设计可以得到,液压缸在整个工作过程中的最大压力是 1.61Mpa,如取进油路上的压力损失为 0.4Mpa,则此时液压泵的最 大工作压力是 Pp =1.61+0.4=2.01Mpa。 由以上的计算可得, 液压泵提供的最大流量是 7.8L/min,因为系统 较为简单,取泄漏系数 Kl = 1.1 ,则两个液压泵的实际流量应为:
q p = 1.1× 7.8 L / min = 8.58 L / min

由于溢流阀的最小稳定溢流量为 3L/min,而工进时输入到液压缸 的流量是 3.8L/min, 由流量液压泵单独供油, 所以液压泵的流量规格 最少应为 6.8L/min。 根据以上的压力和流量的数值查阅机械设计手册,最后选用 YB1-6.3 型单叶片液压泵,其排量大小为 6.3ml/r,当液压泵的转速为 1450r/min 时,该液压泵的理论流量为 9.14L/min。取液压泵的容积 效率为ηv = 0.9 ,则液压泵的实际流量大小为:
q p = 6.3 × 1200 × 0.9 /1000 = 6.8 L / min

由于由以上的计算过程中, 我们知道了液压缸在快退时的输入功 率最大,此时液压泵的工作压力是 1.28+0.4(进油路上的压力损失)

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=1.68Mpa,流量为 6.8L/min,查表可得,取液压泵的总效率η p = 0.7 , 则液压泵驱动电机所需的功率为
p pq p 1.68 × 6.8 = 0.3kW 60 × 0.7

P=

ηp

=

根据以上的数据查机械设计手册选用 Y801 型电动机,其额定功率 为 0.55kW,额定转速为 1200r/min。 (二)阀类元气件及辅助元气件的选择 根据阀类及辅助元气件所在油路的最大工作压力和通过的最大实 际流量,可选择这些器件的型号和规格如下表: 表 4 元气件的型号及规格 序 号 1 2 单叶片泵 三位四通 电磁阀 3 二位三通 电磁阀 4 单向调速 阀 5 溢流阀 0.05(最 小) 20 0.4-6.3
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元件名称

额定流量

额定压力

质量 (kg) 5.5 —

型号

(L/min) (Mpa) 9.2 25 6.3 6.3

YB1-6.3 34D-25BOP

25

6.3



23D-25B

0.5-6.3

3.2

QI-10B

1.7

Y-10B
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压力继电 器



1.0-6.3

0.7

DP1-63B

7 8

滤油器 开关阀

16 25

2.5 6.3

0.18 —

XU-B16X100 22D-25B

(三)确定油管直径 由于液压泵在选定之后液压缸在各个工作阶段的进、 出流量已 与原来的数值不同,所以要重新计算,计算如下表 4 所示: 表 5 液压缸的进出、流量 快进 输入流量 (L/min) 输出流量 (L/min) 运动速度 (m/min)
q1 = A1q p /( A1 ? A2 ) = (28.26 × 6.8) /(28.26 ? 15.7) = 15.3
q2 = A2 q1 / A1 = (15.7 × 15.3) / 28.26 = 8.5 u1 = q p /( A1 ? A2 ) = 6.8 ×10 /(28.26 ? 15.7) = 5.4 q2 = A2 q1 / A1 = 15.7 × 0.8 / 28.26 = 0.44 u2 = q1 / A1 = 0.8 × 10 / 28.26 = 0.28 q2 = A1q1 / A2 = 28.26 × 6.8 /15.7 = 12.24 u3 = q1 / A2 = 6.8 × 10 /15.7 = 4.33

工进
q1 = 0.8

快退
q1 = q p = 6.8

由上表中的数值, 按照书中推荐的油液在压油管的流速 u=3m/s 可得, 液压缸有杆腔和无杆腔相连的油管内径分别为:
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d = 2 × q /(π u ) = 2 × (6.8 × 106 / 60) / 3.14 × 3 × 103 = 6.94mm d = 2 × q /(π u ) = 2 × (15.3 × 106 / 60) / 3.14 × 3 × 103 = 10.4mm

两根油管按 YB231—64 选用外径为 13mm, 壁厚为 1.2mm 的冷 拔无缝钢管。 (四) 油箱的设计 对油箱容积我们进行估算,取经验数据 ξ = 7 ,故其容积为:
V = ξ q p = 7 × 6.8 L = 47.6 L

取靠其最近的标准值 V=50L

七、验算液压系统性能 ——油液温升的验算 工进在整个工作循环中所占的时间比例是很长的, 所以系统发热 和油液温升可按工进时的工况来计算。 工进时液压缸的有效功率是
Pe = Fu2 = 3580 × 0.28 = 0.0167 kW 103 × 60

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由以上的计算可知,液压泵在工进时的工作压力为 p=1.6+0.4( 进油路上的压力损失)=2Mpa,流量为 6.8L/min,所以液压 泵的输入功率为:
Pp = p p q = 2 × 6.8 / 60 = 0.227 kW

所以可得,液压系统的发热功率为:
?P = Pp ? Pe = 0.227 ? 0.0167 = 0.21kW

油箱的散热面积为:
A = 6.5V 3 = 6.5(50 × 10?3 ) 3 = 0.88m 2
2 2

查表可得油箱的散热系数 K = 9W /(m 2 .o C ) ,则可得油液的温升为:
?t =
o ?P 0.21 = × 103 C = 29.8O C KA 8 × 0.88

查表知,此温升值没有超出允许范围,故液压系统不需要设置冷却 器。

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参考文献:

液压传动设计手册

上海科学技术出版社

机床设计手册——液压、 气动系统设计及机床现代设 计方法 新编铣工计算手册 机械零件手册 液压与气压传动 机械工业出版社 刘承启 主编 高等教育出版社 机械工业出版社

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