多軸鉆孔組合機(jī)床動(dòng)力滑臺(tái)的液壓系統(tǒng)

1、單面多軸鉆孔組合機(jī)床動(dòng)力滑臺(tái)液壓系統(tǒng)摘 要制造業(yè)是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，其發(fā)展水平標(biāo)志著該國(guó)家或地區(qū)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科技水平、生活水準(zhǔn)和國(guó)防實(shí)力。而制造業(yè)的生產(chǎn)能力主要取決于制造裝備機(jī)床的先進(jìn)程度。關(guān)鍵詞：組合機(jī)床，動(dòng)力滑臺(tái)，主軸箱AbstractThe Manufacture is an important support of economic development in a country or area. Its level of development stands for the economic power, technical and scientific level

2、, living standard and national defensive power of the country or area. While the capability of production in trade of manufacture mostly depends on the advanced producing equipmentmachine tool .Keyword: Modular Powen-sliding plat, The main axle box一、設(shè)計(jì)要求及工況分析1設(shè)計(jì)要求要求設(shè)計(jì)的動(dòng)力滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)的工作循環(huán)是：快進(jìn) 工進(jìn) 快退 停止。主要性能參數(shù)

3、與性能要求如下：切削阻力FL=30468N；運(yùn)動(dòng)部件所受重力G=9800N；快進(jìn)、快退速度1= 3=0.1m/s，工進(jìn)速度2=0.8810-3m/s；快進(jìn)行程L1=100mm，工進(jìn)行程L2=50mm；往復(fù)運(yùn)動(dòng)的加速時(shí)間t=0.2s；動(dòng)力滑臺(tái)采用平導(dǎo)軌，靜摩擦系數(shù)s=0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)d=0.1。液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件選為液壓缸。2負(fù)載與運(yùn)動(dòng)分析(1) 工作負(fù)載 工作負(fù)載即為切削阻力FL=30468N。(2) 摩擦負(fù)載 摩擦負(fù)載即為導(dǎo)軌的摩擦阻力：靜摩擦阻力 動(dòng)摩擦阻力 (3) 慣性負(fù)載 (4) 運(yùn)動(dòng)時(shí)間 快進(jìn) 工進(jìn) 快退 設(shè)液壓缸的機(jī)械效率cm=0.9，得出液壓缸在各工作階段的負(fù)載和推力，如表1所列

4、。表1液壓缸各階段的負(fù)載和推力工況負(fù)載組成液壓缸負(fù)載F/N液壓缸推力F0=F/cm/N啟 動(dòng)加 速快 進(jìn)工 進(jìn)反向啟動(dòng)加 速快 退19601480980314481960148098021801650109034942218016501090根據(jù)液壓缸在上述各階段內(nèi)的負(fù)載和運(yùn)動(dòng)時(shí)間，即可繪制出負(fù)載循環(huán)圖F-t 和速度循環(huán)圖-t，如圖1所示。二、確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù)1初選液壓缸工作壓力所設(shè)計(jì)的動(dòng)力滑臺(tái)在工進(jìn)時(shí)負(fù)載最大，在其它工況負(fù)載都不太高，參考表2和表3，初選液壓缸的工作壓力p1=4MPa。2計(jì)算液壓缸主要尺寸鑒于動(dòng)力滑臺(tái)快進(jìn)和快退速度相等，這里的液壓缸可選用單活塞桿式差動(dòng)液壓缸（A1=2A2

5、），快進(jìn)時(shí)液壓缸差動(dòng)連接。工進(jìn)時(shí)為防止孔鉆通時(shí)負(fù)載突然消失發(fā)生前沖現(xiàn)象，液壓缸的回油腔應(yīng)有背壓，參考表4選此背壓為p2=0.6MPa。表2 按負(fù)載選擇工作壓力負(fù)載/KN50工作壓力/MPa0.811.522.5334455表3 各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力機(jī)械類型機(jī)床農(nóng)業(yè)機(jī)械小型工程機(jī)械建筑機(jī)械液壓鑿巖機(jī)液壓機(jī)大中型挖掘機(jī)重型機(jī)械起重運(yùn)輸機(jī)械磨床組合機(jī)床龍門(mén)刨床拉床工作壓力/MPa0.82352881010182032表4 執(zhí)行元件背壓力系統(tǒng)類型背壓力/MPa簡(jiǎn)單系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)0.20.5回油路帶調(diào)速閥的系統(tǒng)0.40.6回油路設(shè)置有背壓閥的系統(tǒng)0.51.5用補(bǔ)油泵的閉式回路0.81.5回

6、油路較復(fù)雜的工程機(jī)械1.23回油路較短且直接回油可忽略不計(jì)表5 按工作壓力選取d/D工作壓力/MPa5.05.07.07.0d/D0.50.550.620.700.7表6 按速比要求確定d/D2/11.151.251.331.461.612d/D0.30.40.50.550.620.71注：1無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)活塞運(yùn)動(dòng)速度；2有桿腔進(jìn)油時(shí)活塞運(yùn)動(dòng)速度。由式得 則活塞直徑 參考表5及表6，得d0.71D =77mm，圓整后取標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值得 D=110mm， d=80mm。由此求得液壓缸兩腔的實(shí)際有效面積為根據(jù)計(jì)算出的液壓缸的尺寸，可估算出液壓缸在工作循環(huán)中各階段的壓力、流量和功率，如表7所列，由此繪制的液

7、壓缸工況圖如圖2所示。表7液壓缸在各階段的壓力、流量和功率值工況推力F0/N回油腔壓力p2/MPa進(jìn)油腔壓力p1/MPa輸入流量q10-3/m3/s輸入功率P/KW計(jì)算公式快進(jìn)啟動(dòng)21800.43加速1650p1+p0.77恒速1090p1+p0.660.50.33工進(jìn)349420.63.960.8410-20.033快退啟動(dòng)21800.49加速16500.51.43恒速10900.51.310.450.59注：1. p為液壓缸差動(dòng)連接時(shí)，回油口到進(jìn)油口之間的壓力損失，取p=0.5MPa。2 快退時(shí)，液壓缸有桿腔進(jìn)油，壓力為p1，無(wú)桿腔回油，壓力為p2。三、擬定液壓系統(tǒng)原理圖1選擇基本回路(1

8、) 選擇調(diào)速回路 由圖2可知，這臺(tái)機(jī)床液壓系統(tǒng)功率較小，滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度低，工作負(fù)載為阻力負(fù)載且工作中變化小，故可選用進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路。為防止孔鉆通時(shí)負(fù)載突然消失引起運(yùn)動(dòng)部件前沖，在回油路上加背壓閥。由于系統(tǒng)選用節(jié)流調(diào)速方式，系統(tǒng)必然為開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)。(2) 選擇油源形式 從工況圖可以清楚看出，在工作循環(huán)內(nèi)，液壓缸要求油源提供快進(jìn)、快退行程的低壓大流量和工進(jìn)行程的高壓小流量的油液。最大流量與最小流量之比qmax/qmin=0.5/(0.8410-2)60；其相應(yīng)的時(shí)間之比(t1+t3)/t2=(1+1.5)/56.8=0.044。這表明在一個(gè)工作循環(huán)中的大部分時(shí)間都處于高壓小流量工作。從提高系統(tǒng)效率

9、、節(jié)省能量角度來(lái)看，選用單定量泵油源顯然是不合理的，為此可選用限壓式變量泵或雙聯(lián)葉片泵作為油源。考慮到前者流量突變時(shí)液壓沖擊較大，工作平穩(wěn)性差，且后者可雙泵同時(shí)向液壓缸供油實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)，最后確定選用雙聯(lián)葉片泵方案，如圖2a所示。(3) 選擇快速運(yùn)動(dòng)和換向回路 本系統(tǒng)已選定液壓缸差動(dòng)連接和雙泵供油兩種快速運(yùn)動(dòng)回路實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)?？紤]到從工進(jìn)轉(zhuǎn)快退時(shí)回油路流量較大，故選用換向時(shí)間可調(diào)的電液換向閥式換向回路，以減小液壓沖擊。由于要實(shí)現(xiàn)液壓缸差動(dòng)連接，所以選用三位五通電液換向閥，如圖2b所示。(4) 選擇速度換接回路 由于本系統(tǒng)滑臺(tái)由快進(jìn)轉(zhuǎn)為工進(jìn)時(shí)，速度變化大（1/2=0.1/(0.8810-3)114

10、），為減少速度換接時(shí)的液壓沖擊，選用行程閥控制的換接回路，如圖2c所示。(5) 選擇調(diào)壓和卸荷回路 在雙泵供油的油源形式確定后，調(diào)壓和卸荷問(wèn)題都已基本解決。即滑臺(tái)工進(jìn)時(shí)，高壓小流量泵的出口壓力由油源中的溢流閥調(diào)定，無(wú)需另設(shè)調(diào)壓回路。在滑臺(tái)工進(jìn)和停止時(shí)，低壓大流量泵通過(guò)液控順序閥卸荷，高壓小流量泵在滑臺(tái)停止時(shí)雖未卸荷，但功率損失較小，故可不需再設(shè)卸荷回路。2組成液壓系統(tǒng)將上面選出的液壓基本回路組合在一起，并經(jīng)修改和完善，就可得到完整的液壓系統(tǒng)工作原理圖，如圖3所示。在圖3中，為了解決滑臺(tái)工進(jìn)時(shí)進(jìn)、回油路串通使系統(tǒng)壓力無(wú)法建立的問(wèn)題，增設(shè)了單向閥6。為了避免機(jī)床停止工作時(shí)回路中的油液流回油箱，導(dǎo)致

11、空氣進(jìn)入系統(tǒng)，影響滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，圖中添置了一個(gè)單向閥13。考慮到這臺(tái)機(jī)床用于鉆孔（通孔與不通孔）加工，對(duì)位置定位精度要求較高，圖中增設(shè)了一個(gè)壓力繼電器14。當(dāng)滑臺(tái)碰上死擋塊后，系統(tǒng)壓力升高，它發(fā)出快退信號(hào)，操縱電液換向閥換向。四、計(jì)算和選擇液壓件1確定液壓泵的規(guī)格和電動(dòng)機(jī)功率(1) 計(jì)算液壓泵的最大工作壓力小流量泵在快進(jìn)和工進(jìn)時(shí)都向液壓缸供油，由表7可知，液壓缸在工進(jìn)時(shí)工作壓力最大，最大工作壓力為p1=3.96MPa，如在調(diào)速閥進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路中，選取進(jìn)油路上的總壓力損失?p=0.6MPa，考慮到壓力繼電器的可靠動(dòng)作要求壓差Dpe=0.5MPa，則小流量泵的最高工作壓力估算為 大流量泵只在

12、快進(jìn)和快退時(shí)向液壓缸供油，由表7可見(jiàn)，快退時(shí)液壓缸的工作壓力為p1=1.43MPa，比快進(jìn)時(shí)大?？紤]到快退時(shí)進(jìn)油不通過(guò)調(diào)速閥，故其進(jìn)油路壓力損失比前者小，現(xiàn)取進(jìn)油路上的總壓力損失?p=0.3MPa，則大流量泵的最高工作壓力估算為 (2) 計(jì)算液壓泵的流量由表7可知，油源向液壓缸輸入的最大流量為0.510-3 m3/s ，若取回路泄漏系數(shù)K=1.1，則兩個(gè)泵的總流量為考慮到溢流閥的最小穩(wěn)定流量為3L/min，工進(jìn)時(shí)的流量為0.8410-5 m3/s =0.5L/min，則小流量泵的流量最少應(yīng)為3.5L/min。(3) 確定液壓泵的規(guī)格和電動(dòng)機(jī)功率根據(jù)以上壓力和流量數(shù)值查閱產(chǎn)品樣本，并考慮液壓泵存

13、在容積損失，最后確定選取PV2R12-6/33型雙聯(lián)葉片泵。其小流量泵和大流量泵的排量分別為6mL/r和33mL/r，當(dāng)液壓泵的轉(zhuǎn)速np=940r/min時(shí)，其理論流量分別為5.6 L/min和31L/min，若取液壓泵容積效率v=0.9，則液壓泵的實(shí)際輸出流量為由于液壓缸在快退時(shí)輸入功率最大，若取液壓泵總效率p=0.8，這時(shí)液壓泵的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率為根據(jù)此數(shù)值查閱產(chǎn)品樣本，選用規(guī)格相近的Y100L6型電動(dòng)機(jī)，其額定功率為1.5KW，額定轉(zhuǎn)速為940r/min。2確定其它元件及輔件(1) 確定閥類元件及輔件根據(jù)系統(tǒng)的最高工作壓力和通過(guò)各閥類元件及輔件的實(shí)際流量，查閱產(chǎn)品樣本，選出的閥類元件和輔件

14、規(guī)格如表8所列。其中，溢流閥9按小流量泵的額定流量選取，調(diào)速閥4選用Q6B型，其最小穩(wěn)定流量為0.03 L/min，小于本系統(tǒng)工進(jìn)時(shí)的流量0.5L/min。表8液壓元件規(guī)格及型號(hào)序號(hào)元件名稱通過(guò)的最大流量q/L/min規(guī)格型號(hào)額定流量qn/L/min額定壓力Pn/MPa額定壓降?Pn/MPa1雙聯(lián)葉片泵PV2R12-6/335.1/27.9*162三位五通電液換向閥7035DY100BY1006.30.33行程閥62.322C100BH1006.30.34調(diào)速閥1Q6B66.35單向閥70I100B1006.30.26單向閥29.3I100B1006.30.27液控順序閥28.1XY63B63

15、6.30.38背壓閥1B10B106.39溢流閥5.1Y10B106.310單向閥27.9I100B1006.30.211濾油器36.6XU80200806.30.0212壓力表開(kāi)關(guān)K6B13單向閥70I100B1006.30.214壓力繼電器PFB8L14*注：此為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為940r/min時(shí)的流量。(2) 確定油管在選定了液壓泵后，液壓缸在實(shí)際快進(jìn)、工進(jìn)和快退運(yùn)動(dòng)階段的運(yùn)動(dòng)速度、時(shí)間以及進(jìn)入和流出液壓缸的流量，與原定數(shù)值不同，重新計(jì)算的結(jié)果如表9所列。表9各工況實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度、時(shí)間和流量快進(jìn)工進(jìn)快退表10允許流速推薦值由表9可以看出，液壓缸在各階段的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度符合設(shè)計(jì)要求。根據(jù)表9數(shù)

16、值，按表10推薦的管道內(nèi)允許速度取=4 m/s，由式計(jì)算得與液壓缸無(wú)桿腔和有桿腔相連的油管內(nèi)徑分別為為了統(tǒng)一規(guī)格，按產(chǎn)品樣本選取所有管子均為內(nèi)徑20mm、外徑28mm的10號(hào)冷拔鋼管。(3) 確定油箱油箱的容量按式估算，其中為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，低壓系統(tǒng)，=24；中壓系統(tǒng)，=57；高壓系統(tǒng)，=612。現(xiàn)取=6，得五、驗(yàn)算液壓系統(tǒng)性能1驗(yàn)算系統(tǒng)壓力損失由于系統(tǒng)管路布置尚未確定，所以只能估算系統(tǒng)壓力損失。估算時(shí)，首先確定管道內(nèi)液體的流動(dòng)狀態(tài)，然后計(jì)算各種工況下總的壓力損失?，F(xiàn)取進(jìn)、回油管道長(zhǎng)為l=2m，油液的運(yùn)動(dòng)粘度取=1?10-4m2/s，油液的密度取r=0.9174?103kg/m3。(1) 判斷流動(dòng)狀

17、態(tài)在快進(jìn)、工進(jìn)和快退三種工況下，進(jìn)、回油管路中所通過(guò)的流量以快退時(shí)回油流量q2=70L/min為最大，此時(shí)，油液流動(dòng)的雷諾數(shù)也為最大。因?yàn)樽畲蟮睦字Z數(shù)小于臨界雷諾數(shù)（2000），故可推出：各工況下的進(jìn)、回油路中的油液的流動(dòng)狀態(tài)全為層流。(2) 計(jì)算系統(tǒng)壓力損失將層流流動(dòng)狀態(tài)沿程阻力系數(shù)和油液在管道內(nèi)流速同時(shí)代入沿程壓力損失計(jì)算公式，并將已知數(shù)據(jù)代入后，得可見(jiàn)，沿程壓力損失的大小與流量成正比，這是由層流流動(dòng)所決定的。在管道結(jié)構(gòu)尚未確定的情況下，管道的局部壓力損失?p常按下式作經(jīng)驗(yàn)計(jì)算各工況下的閥類元件的局部壓力損失可根據(jù)下式計(jì)算其中的Dpn由產(chǎn)品樣本查出，qn和q數(shù)值由表8和表9列出。滑臺(tái)在快進(jìn)

18、、工進(jìn)和快退工況下的壓力損失計(jì)算如下：1快進(jìn)滑臺(tái)快進(jìn)時(shí)，液壓缸通過(guò)電液換向閥差動(dòng)連接。在進(jìn)油路上，油液通過(guò)單向閥10、電液換向閥2，然后與液壓缸有桿腔的回油匯合通過(guò)行程閥3進(jìn)入無(wú)桿腔。在進(jìn)油路上，壓力損失分別為在回油路上，壓力損失分別為將回油路上的壓力損失折算到進(jìn)油路上去，便得出差動(dòng)快速運(yùn)動(dòng)時(shí)的總的壓力損失2工進(jìn)滑臺(tái)工進(jìn)時(shí)，在進(jìn)油路上，油液通過(guò)電液換向閥2、調(diào)速閥4進(jìn)入液壓缸無(wú)桿腔，在調(diào)速閥4處的壓力損失為0.5MPa。在回油路上，油液通過(guò)電液換向閥2、背壓閥8和大流量泵的卸荷油液一起經(jīng)液控順序閥7返回油箱，在背壓閥8處的壓力損失為0.6MPa。若忽略管路的沿程壓力損失和局部壓力損失，則在進(jìn)油

19、路上總的壓力損失為此值略小于估計(jì)值。在回油路上總的壓力損失為該值即為液壓缸的回油腔壓力p2=0.66MPa，可見(jiàn)此值與初算時(shí)參考表4選取的背壓值基本相符。按表7的公式重新計(jì)算液壓缸的工作壓力為此略高于表7數(shù)值?？紤]到壓力繼電器的可靠動(dòng)作要求壓差Dpe=0.5MPa，則小流量泵的工作壓力為此值與估算值基本相符，是調(diào)整溢流閥10的調(diào)整壓力的主要參考數(shù)據(jù)。3快退滑臺(tái)快退時(shí)，在進(jìn)油路上，油液通過(guò)單向閥10、電液換向閥2進(jìn)入液壓缸有桿腔。在回油路上，油液通過(guò)單向閥5、電液換向閥2和單向閥13返回油箱。在進(jìn)油路上總的壓力損失為此值遠(yuǎn)小于估計(jì)值，因此液壓泵的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率是足夠的。在回油路上總的壓力損失為此值與表