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1、ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 说说 明明 书书 AD25AD25 全功能数控车床液压系统设计全功能数控车床液压系统设计 Design on Hydraulic System in the Full-feathered Numerical-controlled Lathe-AD25 系（院）名称： 机械工程学院 专业班级： 07 级机制 2 班 学生姓名： 学生学号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2011 年 5 月 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人
2、郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教师的指 导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢 的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我 为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究 提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示 了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规 定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有 权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提
3、供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为 目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 目目 录录 中文摘要、关键字1 英文摘要、关键字2 引言3 第 1 章 液压系统简介4 1.1 液压技术现状4 1.2 液压技术发展趋势4 1.3 工作原理5 1.4 系统基本组成5 1.5 液压系统优缺点5 1.5.1 优点5 1.5.2 缺点6 第 2 章 液压系统工况分析7 2.1 液压系统工作原理7 2.2 运动分析7 2.3 负载分析7 第 3 章 液压系统基本回路的确定8 3.1 确定换向、调速回路8 3.2 压力控制及保
4、压回路的确定8 3.3 确定顺序动作方案9 第 4 章 确定液压系统的主要参数10 4.1 液压缸尺寸的确定10 4.1.1 液压系统的设计要求10 4.1.2 液压缸尺寸的确定10 4.2 壁厚的验算14 4.2.1 卡盘液压缸的壁厚验算15 4.2.2 尾座液压缸的壁厚验算15 第 5 章 拟定液压系统原理图16 5.1 AD-25 液压系统的组成及作用16 5.1.1 作用16 5.1.2 确定 AD-25 液压系统组成16 5.2 设计选择各液压元件16 5.3 液压原理图设计17 5.3.1 原理图的具体流程分析17 5.3.2 绘制液压原理图18 第 6 章 分油块设计及液压泵站确
5、定20 6.1 分油块设计20 6.2 液压泵站设计22 第 7 章 液压系统的性能验算24 7.1 液压系统性能参数24 7.2 管路系统压力损失的验算24 7.2.1 沿程压力损失的计算24 7.2.2 局部压力损失的计算25 第 8 章 机床的冷却与维护、保养26 8.1 液压油的维护26 8.2 泄漏控制及密封26 8.3 液压冲击控制27 总结29 致谢30 参考文献31 1 AD25 全功能数控车床液压系统设计全功能数控车床液压系统设计 摘要：摘要：本设计是针对 AD25 全功能数控车床的液压系统进行整体设计。整个设计主要是围 绕着液压卡盘的自动卡紧和尾座的自动运行而展开，总共包括
6、八部分内容，涵盖了液压 系统设计过程中的大部分流程，主要有：液压系统工况分析、液压基本回路的确定、确 定液压系统的主要参数、拟定液压系统原理图、分油块设计及液压泵站确定、液压系统 的性能验算。设计主要是根据已知的条件，来确定液压工作方案、液压流量、压力、液 压缸、液压泵及其它元件的。本液压系统的设计，满足了主机在动作和性能方面规定的 要求，且符合体积小、重量轻、成本低、效率高、结构简单、工作可靠、使用和维修方 便等一些公认的普遍设计原则。 关键词关键词：液压系统 液压卡盘 尾座 2 Design on Hydraulic System in the Full-feathered Numeric
7、al- controlled Lathe-AD25 Abstract：This design is a integral design that aims at the hydraulic system in the full-feathered numerical-controlled lathe-AD25, which involves the hydraulic control of hydraulic chuck and the tailstock. It totally includes eight parts, covers most of the hydraulic system
8、 design process. They are hydraulic system condition analysis, hydraulic circuits design, the main parameters of hydraulic system, hydraulic system diagram, worked oil block design and portion hydraulic pump station determination, hydraulic system performance checking. It is according to the known c
9、onditions to determine the hydraulic pressure working scheme, hydraulic flow rate, pressure, hydraulic cylinder, hydraulic pump and other components. This hydraulic system design meets the lathes requirement in its action and performance .whats more, it conforms to specified requirements, such as, s
10、mall volume, light weight, low cost, high efficiency, simply structure, reliable operation, convenient for use and maintenance and some other recognized universal design principles. Key words：Hydraulic system; Hydraulic chuck; Hydraulic cylinder 3 引引 言言 所谓液压传动技术，它是指以液体为工作介质进行能量传递和控制的一种传动形式， 其工作原理基于流
11、体力学的帕斯卡原理，所以又称为容积式液体传动或静液传动。液体 通过各种元件组成不同功能的基本回路，再由若干基本回路有机地组合成具有一定控制 功能的传动系统。液压传动系统主要由能源装置、执行元件、控制元件、辅助元件及工 作介质五部分组成。 液压传动相对于机械传动来说是一门新兴技术，虽然从 17 世纪中叶帕斯卡提出静压 传动原理开始算起已有几百年的历史，但液压传动在工业上被广泛采用和有较大幅度的 发展却是 20 世纪中期以后的事情。由于它具有不少突出优点，所以发展极为迅速。现今， 世界各国都在积极的应用液压技术，尤其在高效率自动机床、组合机床、数控机床上， 应用的更为广泛，采用液压的程度已成为衡量
12、一个国家工业水平的重要标志之一。 本课题主要是研究控制 AD25 全功能数控车床液压卡盘油缸自动卡紧和控制液压尾座 自动运行的液压部分，通过对 AD25 的液压系统进行合理的设计，可提高该型号机床的自 动化程度，降低操作者的劳动强度，提高生产效率。 本设计主要包括以下几部分： 1、车床液压系统的工况分析及原理图的设计； 2、液压元件的选取； 3、液压系统的性能验算、润滑及维护； 4、图纸的绘制和说明书的编写。 4 第第 1 1 章章 液压系统简介液压系统简介 1.1 液压技术现状 液压技术是实现现代化传动与控制的关键技术之一，世界各国对液压工业的发展都 给予很大重视。世界液压元件的总销售额为
13、350 亿美元。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%，在美、日、德等主要国家的比较中以日本人均 产值为最高，其主要原因是日本工厂设备自动化程度高和生产管理完善，此外，日本各 企业外协量大，将一些零件扩散给协作厂加工，实现零件专业化。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。 我国液压工业的真正发展则是在六十年代开始起步的，而液压控制技术的发展则更 晚一些，液压控制技术的水平较国外发达国家相比,存在着一定的差距。目前，液压及控 制技术已成为一种应用极为广泛的基础技术，尽管在我国国民经济各领域中也获得了极 为广
14、泛的应用，但液压及控制技术长期落后于国外的现状还是严重制约了我国主机水平 的提高和工业自动化的实现，因而迅速提高我国液压技术和控制技术的数字化，具有极 为重要的经济意义和社会现实意义。 1.2 液压技术发展趋势 1、向高性能、高质量、高可靠性、系统成套方向发展。 2、向低能耗、低噪声、振动、无泄漏以及污染控制、应用水基介质等适应环保要求 方向发展。 3、向开发高集成化高功率密度、智能化、机电一体化以及轻小型微型液压系统发展 4、积极采用新工艺、新材料和电子、传感等高新技术。 1.3 工作原理 液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。液压系统利用 液压泵将原动机的机械能转换为
15、液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经 过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件(缸或马达)把液体压力能转换为机械能， 从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。驱动机床工作台的液压系统是由油 箱、过滤器、液压泵、溢流阀、开停阀、节流阀、换向阀、液压缸以及连接这些元件的 油管、接头等组成。 5 1.4 系统基本组成 1、能源装置液压泵。它将动力部分（电动机或其它运动机）所输出的机械能转 换成液压能，给系统提供压力油液。 2、执行装置液压机（液压缸、液压马达） 。通过它将液压能转换成机械能，推 动负载做功。 3、控制装置液压阀。通过它们的控制和调节，使液流的压力、流速和方向得以
16、 改变，从而改变执行元件的力（或力矩） 、速度和方向，根据控制功能的不同，液压阀可 分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为溢流阀(安全阀)、减压阀、 顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀 包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同，液压阀可分为开关式 控制阀、定值控制阀和比例控制阀。 4、辅助装置油箱、管路、蓄能器、滤油器、管接头、压力表开关等。通过这些 元件把系统联接起来，以实现各种工作循环。 5、工作介质液压油。绝大多数液压油采用矿物油，系统用它来传递能量或信息。 1.5 液压系统优缺点 1.5.1 优点 1、在相同的
17、体积下，液压执行装置能比电气装置产生出更大的动力。在同等功率的 情况下，液压执行装置的体积小、重量轻、结构紧凑。液压马达的体积重量只有同等功 率电动机的 12%左右。 2、液压执行装置的工作比较平稳。由于液压执行装置重量轻、惯性小、反应快，所 以易于实现快速起动、制动和频繁地换向。液压装置的换向频率，在实现往复回转运动 时可达到每分钟 500 次，实现往复直线运动时可达每分钟 1000 次。 3、液压传动可在大范围内实现无级调速（调速比可达 1：2000） ，并可在液压装置运 行的过程中进行调速。 4、液压传动容易实现自动化。因为它是对液体的压力、流量和流动方向进行控制或 调节，操纵很方便。当
18、液压控制和电气控制或气动控制结合使用时，能实现较复杂的顺 序动作和远程控制。 5、液压装置易于实现过载保护且液压件能自行润滑，因此使用寿命长。 6 6、由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，所以液压系统的设计、制造和 使用都比较方便。 1.5.2 缺点 1、液压传动是以液体为工作介质，在相对运动表面间不可避免地要有泄漏，同时， 液体又不是绝对不可压缩的，因此不宜在传动比要求严格的场合采用，例如螺纹和齿轮 加工机床的内传动链系统。 2、液压传动在工作过程中有较多的能量损失，如摩擦损失、泄漏损失等，故不宜于 远距离传动。 3、液压传动对油温的变化比较敏感，油温变化会影响运动的稳定性。因此，在
19、低温 和高温条件下，采用液压传动有一定的困难。 4、为了减少泄露，液压元件的制造精度要求高，因此，液压元件的制造成本高，而 且对油液的污染比较敏感。 5、液压系统故障的诊断比较困难，因此对维修人员提出了更高的要求，既要系统地 掌握液压传动的理论知识，又要有一定的实践经验。 6、随着高压、高速、高效率和大流量化，液压元件和系统的噪声日益增大，这也是 要解决的问题。 总而言之，液压传动的优点是突出的，随着科学技术的进步，液压传动的缺点将得 到克服，液压传动将日益完善，液压技术与电子技术及其它传动方式的结合更是前途无 量。 7 第第 2 2 章章 液压系统工况分析液压系统工况分析 2.1 液压系统工
20、作原理 电动机驱动液压泵经滤油器从油箱中吸油，油液被加压后,从泵的输出口输入管路。 油液经开停阀、节流阀、换向阀进入液压缸，推动执行机构移动。液压缸里的油液经换 向阀和回油管排回油箱。 执行机构的移动速度是通过节流阀来调节的。当节流阀开大时，进入液压缸的油量 增多，工作台的移动速度增大；当节流阀关小时，进入液压缸的油量减少，工作台的移 动速度减少。由此可见，速度是由油量决定的。 2.2 运动分析 1、卡盘部分：液压缸的左右移动，使得活塞杆带动着一个连杆机构运动，连杆带动 滑块移动，滑块右侧面制作的一些齿，与一个卡盘爪安装左面上制作的齿相啮合，从而 使得此卡盘爪做径向移动，三爪同时做径向的运动，
21、可以达到卡盘夹紧和松开的目的。 控制卡盘的液压缸的运动过程由简单的直线运动组成，可分解为：向前卡紧，保持 不动，向后松开。 2、顶紧部分：如图 2.1 所示，尾座液压缸的左右直线运动，带动顶尖的移动，从而 实现对工件顶紧及松开功能。 图 2.1 尾座液压缸 控制尾座的液压缸的运动过程也同卡盘一样由几个简单的直线运动组成，可分解为： 向前顶紧，保持不动，向后松开。 2.3 负载分析 因为液压卡盘油缸和液压尾座油缸运动过程本质是很相似的，所以二者的负载特点 类同。二者的液压缸负载均由恒值负载，惯性负载，弹性负载，粘性负载，各种摩擦负 载等。这些负载都是单向负载，是与运动方向相反的正值负载，近似为恒
22、定的负载，并 且负载力的方向与液压缸活塞轴线重合。 8 第第 3 3 章章 液压系统基本回路的确定液压系统基本回路的确定 3.1 确定换向、调速回路 液压执行元件确定之后，其运动方向和速度的控制是拟定液压回路的核心问题。 方向控制用换向阀或逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，大多通 过换向阀的有机组合的叠加阀实现所要求的动作。对高压大流量的液压系统，现多采用 插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。本系统采用叠加阀。 速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来 实现。相应的调整方式有节流调速、容积调速以及二者的结合容积节流调速。这里 采用单双向节流阀回油调
23、速。 3.2 压力控制及保压回路的确定 液压执行元件工作时，要求系统保持一定的工作压力或在一定压力范围内工作，也 有的需要有级或无级调节压力，一般在节流调速系统中，通常由定量泵供油，用溢流阀 调节所需压力，并保持恒定。而本系统用变量泵供油。 保压回路的选择 有时还需要使系统在液压缸不动或因工件变形而产生微小位移的工况下保持稳定不 变的压力，这就要考虑选择使用保压回路。 保压性能的两个指标为保压时间和压力稳定性。 1、采用单向阀和液控单向阀的保压回路是最简单的保压回路，阀座的磨损和油液的 污染是影响起性能的关键。它适用于保压时间短、对压力稳定性要求不高的场合。 2、采用液控单向阀和电接触式压力表
24、的自动补油保压回路。它是利用液控单向阀结 构简单并具有一定保压性能的长处，避开了直接开泵保压消耗功率的缺点。这种回路保 压时间长、压力稳定性高。 3、采用辅助泵的保压回路。它是在回路中增设一台小流量高压泵，当液压缸加压完 毕要求保压时，由压力继电器发讯，使换向阀动作处于某一特定位置，主泵泄载，同时 另一换向阀动作，由辅助泵向封闭的保压系统供油，维持系统压力稳定。辅助泵只需补 偿系统的泄露量，故一般选用小流量泵、功率损失小。压力稳定性取决于溢流阀的稳压 性能。 4、用蓄能器代替辅助泵亦可以达到保压过程中向系统供油、补偿系统泄露的目的， 并且这种方法更加经济。 9 结合本系统的特殊工况及公司生产能
25、力，AD-25 全功能数控车床液压系统采用小排 量变量泵持续供油保压，这也是最安全的保压方法。 3.3 确定顺序动作方案 主机各执行机构的顺序动作，根据设备类型不同，有的按固定程序运行，有的则是 随机的或人为的。工程机械的操纵机构多为手动，一般用手动的多路换向阀控制。加工 机械的各执行机构的顺序动作多采用行程控制，当工作部件移动到一定位置时，通过电 气行程开关发出电信号给电磁铁推动电磁阀或直接压下行程阀来控制接续的动作。行程 开关安装比较方便，而用行程阀需连接相应的油路，因此只适用于管路联接比较方便的 场合。 为方便、快捷的实现动作要求，顺序动作方案用继电器控制器来实现。 因为卡盘和尾座的执行
26、顺序是完全独立的，且在结构上有安全保证，所以两者都由 机床控制面板上的按钮发出信号来控制。 10 第第 4 4 章章 确定液压系统的主要参数确定液压系统的主要参数 4.1 液压缸尺寸的确定 4.1.1 液压系统的设计要求 1、液压卡盘油缸的最高工作压力 为 4.5MPa；液压缸流量：Q=30L/min；有效行程 为 40mm。 2、液压尾座油缸的最高工作压力为3.5MPa；液压缸流量：Q=3.75L/min；有效行 程为 80mm。 3、液压卡盘油缸的最大外作用力为 39.2KN，液压尾座油缸的最大外作用力为 9.8KN。 4.1.2 液压缸尺寸的确定 1、卡盘液压缸主要参数的计算 （1）卡盘
27、液压缸内径和活塞杆直径的计算 查参考文献7 ，液压缸的总效率由机械效率、容积效率和作用力效率组成，液压 缸机械效率由各运动件的摩擦损失造成，通常可取为 0.90.95，参考同类机床，这里取 为 0.93；液压缸的容积效率由各密封件的泄露所造成，当采用弹性密封圈时可取为 1.0； 作用力效率是由排出口被压所产生的反向作用力造成。 液压缸的总效率为 （4-1） tmvd 式中：液压缸的机械效率； m 液压缸的容积效率； v 液压缸的作用力效率。 d 表 4.1 液压缸工作压力与活塞杆直径 液压缸工作压 力 p/MPa 5577 推荐活塞杆直 径 d （0.50.55）D（0.60.7）D0.7D
28、根据表 4.1，同时参考同类机床产品，选取。0.5dD 则可推出液压缸无杆腔面积 A1与液压缸有杆腔面积 A2的关系为： 11 12 4AA 表 4.2 液压缸参考背压 系统类型背压 p2(105pa) 回油路上有节流阀的调速系统25 回油路上有调速阀的调速系统58 回油路上装有背压阀515 带补油泵的闭式回路815 根据上表并参照同类机床可选取背压值为 0.1MPa 因为背压值=0.1MPa，液压缸工作压力为 4.5MPa，所以 2 p （4-2） 994. 0 4.5 25 . 0 0.1-4.5 p p2-p d 所以由公式（4-1）液压缸的总效率为： （4-3） 0.9250.9941
29、0.93 t 卡盘卡紧时采用单活塞液压缸卡紧，活塞杆直径可依据表 4.2 选择。 卡盘液压缸的负载 F： （4-4） t R F 式中：F液压缸负载； R液压缸外作用力； 液压缸总效率。 t 卡盘液压缸所需卡紧力 R=4000kg/m2，代入公式（4-3）得： （4-5） N41176 925. 0 1000 2 . 39R F t 由公式 （4-6） 1122m FA pA P 12 式中：F液压缸的外作用力 液压缸工作压力 1 p 液压缸的背压力 2 p 液压缸无杆腔面积 1 A 液压缸有杆腔面积 2 A 得液压缸无杆腔面积 222 6 m 1m1002 . 1 m 101 . 0 4 1
30、 10 5 . 49 . 0 41176 p2 4 1 p1 F A 6 ）（）（ 液压缸直径 （4-7） mm 9 . 113m 9 . 113. 0m 1002. 14A4 D 2 1 活塞杆直径mm95.56mm9 .1135 . 0D5 . 0d 按 GB/T23481993 将 D 与 d 值圆整为标准直径，圆整后得： D=115mm d=60mm （2）卡紧时间计算： （4-8） 33 22 dm42. 0mm415265 4 4011514. 3 4 LD V （4-9） s84. 0s60 L/min30 42. 0 Q V t （3）卡盘液压缸壁厚的计算 由文献6了解到一般工
31、作压力小于 20MPa 时使用无缝钢管，大于 20MPa 时使用铸钢 和锻钢。所以卡盘液压缸采用无缝钢管。根据文献7表 4-17 有： （4-10） 2 Y p D 式中：缸体壁厚（mm） ； 试验压力，工作压力 p16MPa 时，=1.5p； Y P Y P P液压缸的最高工作压力（MPa） ； D液压缸的内径（mm） ； 缸体材料的许用应力（MPa） 。其值为：锻钢：110120 MPa； 13 无缝钢管100110 MPa。 取=100MPa，试验压力=1.54.5=6.75MPa，代入公式（4-8）得： Y P 卡盘液压缸液压缸壁厚 （4-11） mm88 . 3 1002 11575. 6 2 DPY 取：mm4 2、尾座液压缸的主要参数的确定 （1）尾座液压缸尺寸的确定 尾座液压缸的顶紧原理与卡盘卡紧原理类似，采用单活塞杆液压缸，顶紧压力 4.5MPa，依据表 4.2 可选取 d=0.5D。 那么，液压缸无杆腔面积与液压缸有杆腔面积的关系有： 12 4AA 由表 4.2，并参照同类机床可取背压值为