花小涵 - 数控铣床夹紧装置液压系统设计

辽宁工程技术大学毕业设计（论文）

前言

与其他传动方式相比较，液压传动具有其独特的技术优势，其应用领域几乎囊括了国民经济各工业部门。随着科学技术的发展，机电产品日趋精密复杂。产品的精度要求越来越高、更新换代的周期也越来越短，从而促进了现代制造业的发展。用普通的机床加工精度低，效率低，劳动度大，已经无法满足生产要求，从而一种新型的数字程序控制的机床应运而生。这种机床是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化的产品。数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床，它对加工精度和自动化都有严格的要求。数控车床上的工位夹紧装置对于加工的精度有着直接的关系，以往的机床的工位夹紧装置使用简单的机械装置，在加工时容易产生大的加工误差。随着数控车床自动化程度的提高，使用液压系统控制这一过程已经大大提高了自动化和加工精度。液压传动在机械设备中的应用非常广泛。有的设备是利用其能传递大的动力，且结构简单、体积小、重量轻的优点，如工程机械、矿山机械、冶金机械等；有的设备是利用它操纵控制方便，能较容易地实现较复杂工作循环的优点，如各类金属切削机床、轻工机械、运输机械、军工机械、各类装载机等。所以研究液压系统有很好的应用价值和广阔的前景。我国进入世界贸易组织之后，对我国的机械行业是个机遇，更是一个艰难的挑战。因此作为二十一世纪的主人，我们更应该通过作大量的设计制造和广泛地使用各种先进的机器，以便能加快我国国民经济的增长速度，加快我国现代化建设。

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1 概述

1.1 液压传动的现状及展望

目前，液压传动及控制技术不仅用于传统的机械操纵、助力装置，也用于机械的模拟加工、转速控制、发动机燃料进给控制，以及车辆动力转向、主动悬挂装置和制动系统，同时也能够扩展到航空航天和海洋作业等领域。当前液压技术正在继续向以下几个方面发展。

1）节能

近年来，由于世界能源的紧缺，各国都把液压传动的节能问题作为液压技术发展的重要课题。20世纪70年代后期，德、美等国相继研制成功负载敏感泵及低功率电磁铁等。最近美国威克斯公司又研制成功用于功率匹配系统的CMX阀。

2）液压与微电子、计算机技术相结合

20世纪80年代以来，逐步完善和普及的计算机控制技术和集成传感技术为液压技术与电子技术相结合创造了条件。随着微电子、计算机技术的发展，出现了各种数字阀和数字泵，并出现了把单片机直接装在液压组件上的具有位置或力反馈的闭环控制液压元件及装置。

3）提高液压传动的可靠性

由于有限元法在液压元件设计中的应用，可靠性实验、研究工作的广泛开展以及新材料、新工艺的发展等，是液压元件的寿命得到提高。由于对飞机、船舶、冶金等一些重要液压系统采用多裕度设计，并在系统中设置旁路净化回路及具有初级智能的自动故障检测仪表等，加强了油液的污染度控制。上述领域内的一些重要成果，使液压系统的可靠性逐年提高。

4）高度集成化

叠加阀、集成块、插装阀的应用以及把各种控制阀集成于液压泵及液压执行元件上形成组合元件，有些还把单片机等集成在其控制机构上，达到了集机、电、液于一体的高度集成化。

此外，高压、高转速、低噪声组件的研究，高效滤材的研究，环保型工作介质及其相应高压液压组件的研究等也是值得关注的动向。

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1.2 液压传动的优点缺点

工程机械广泛应用的传动方式主要有机械传动、电气传动、气压传动和液压传动。它们各有优缺。

机械传动是发展最早而且应用最普遍的一种传动方式。具有传动准确可靠，操作简单，机构直观易掌握，负荷变化对传动比影响小等优点。但是对自动控制的情况，单纯靠机械传动来完成就显得结构复杂而笨重，而且远距离操纵困难、操作力度大、安装位置变化的自由度小等缺点。

电气传动是通过电来进行传动和控制的，利用交流电机来传动，简单而且价廉，应用最广，也是各种传动的组成部分。但交流电机一般难于进行无级变速，而直流电机虽然可以实现无级变速，但支流电源价格比较昂贵。电气控制，特别是电子计算机控制，具有信号变化方便，远距离操纵容易等独特优点，在自动化程度要求高的场合是必不可少的。

气压传动是以压缩空气为传动介质，可通过调节气量很容易的实现无级变速。同时有传递及变换信号方便、反应快、结构简单、无污染等优点。空气黏度小，故管道压力损失小，流速大，而且可获得高速度。但是气动传动的致命弱点是空气压缩性大，无法获得均匀而稳定的运动。此外为减少泄漏，提高效率，气动系统的压力不能太高。这使其不能用于大功率场合。

液压传动是用液体作为介质来传递能量的，液压传动与上述三种传动比较有以下一些优点：

1）液压传动可在运行过程中方便地实现大范围的无级调速，调速范围可达1000：1。液压传动装置可在极低的速度下输出很大的力，如果采用机械传动装置减速，其减速器结构往往十分庞大；

2）在输出相同功率的情况下，液压传动装置的体积小、质量轻、结构紧凑、惯性小。由于液压系统中的压力比电枢磁场中单位面积上的磁力大30倍～40倍，液压传动装置的体积和质量只占相同功率电动机的12%左右。因此，液压传动易于实现快速启动、制动及频繁幻想，每分钟的换向次数可达500次（左右摆动）、1000次（往复移动）；

3）液压传动易于实现自动化，特别是采用电液和气液传动时，可实现复杂的自动控制；

4）液压装置易于实现过载保护。当液压系统超负荷（或系统承受液压冲击）时，液压油可以经溢流阀排回油箱，系统得到过载保护；

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5）易于设计、制造。液压元件已实现了标准化、系列化和通用化。液压系统的设计、制造和使用都比较方便。液压元件的排列布置也有很大的灵活性。

液压传动的缺点：

1）不能保证严格的传动比。着是由于液压介质的可压缩性和不可避免的泄露等因素引起的；

2）系统工作时，对温度的变化较为敏感。液压截至的粘性随温度变化而变化，从而使液压系统不易保证在高温和低温下都具有良好的工作稳定性；

3）在液压传动中，能量需经过两次变换，且液压能在传递过程中有流量和压力的损失，所以系统能量损失较大，传动效率较低；

4）元件的制造精度高、造价高，对其使用和维护提出了较高的要求； 5）出现故障时，比较难于查找和排除，对维修人员的技术水平要求较高。 从液压传动的优缺点来看，优点大于缺点。采用液压传动符合本次设计的工位夹紧装置的工作条件。

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2 液压系统的设计

2.1技术要求

本设计是完成某机床需要对零件进行两工位装夹装置（装夹装置静动摩擦因数

?s?0.2，?d?0.1）的设计，拟采用缸筒固定的液压缸驱动夹紧装置，完成工件装夹运动。夹紧装置由液压与电气配合实现的自动循环要求为：Ⅰ

松开→Ⅱ工位夹紧缸夹紧→Ⅱ工位夹紧缸松开。机床工位夹紧装置的运动参数和动力参数如表2-1所列。

表2-1 机床工位夹紧装置的运动参数和动力参数

Tab.2-1 The movement and dynamic parameters of Machinist - clamping device 速度 时间

行程

工况

/mm ?v/m?s?1 /t?s?1

运动部件重力

G/N

负载

启动、制动时间

?t/s

Fe/N

工位夹紧缸夹紧

35

松开

0.012

t1

3

2450

2.2动力分析和运动分析

2.2.1 Ⅰ工位夹紧缸的负载计算

惯性负载 夹紧：

Ⅰ Ⅱ 5000

0.05

—

0.035

t2

1

夹紧

25

松开

工位夹紧缸0.125

t3

0.2

1500

2000

0.05

—

0.25

t4

0.1

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3.4液压动力源的分析与选择

液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多数是用变量泵供油，用安全阀限定系统的最高压力。

为节省能源提高效率，液压泵的供油量要尽量与系统所需流量相匹配。对在工作循环各阶段中系统所需油量相差较大的情况，一般采用多泵供油或变量泵供油。对长时间所需流量较小的情况，可增设蓄能器做辅助油源。

油液的净化装置是液压源中不可缺少的。一般泵的入口要装有粗过滤器，进入系统的油液根据被保护元件的要求，通过相应的精过滤器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁性过滤器或其他型式的过滤器。根据液压设备所处环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。

本设计采用节流调速，所以使用定量泵供油。

3.5 液压回路的分析、选择与合成

1）选择系统一般都必须设置的基本回路，包括调压回路、向回路、卸荷回路及安全回路等。

2）根据系统的负载特性和特殊要求选择基本回路，在本系统中考虑到安全的要求，设置了背压回路，同时由于是两个执行元件先后动作，且没有顺序联动关系，所以设置了互不干扰回路。

3）合成系统 选定液压基本回路之后，配以辅助性回路，如控制油路，润滑油路、测压油路等，可以组成一个完整的液压系统。

在合成液压系统时要注意以下几点：防止油路间可能存在的相互干扰；系统应力求简单，并将作用相同或者相近的回路合并，避免存在多余回路；系统要安全可靠，力求控制油路可靠；组成系统的元件要尽量少，并应尽量采用标准元件；组成系统时还要考虑节省能源，提高效率减少发热，防止液压冲击；测压点分布合理等。

3.6液压原理图的拟定与设计

根据上述分析，可以拟定整个液压系统的原理图如下：

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1－油箱 2－空气滤清器 3－液位计 4－吸油过滤器 5－液压泵 6－单向阀 7－压力表开关 8－压力表 9－通道体10－叠加式溢流阀

11－叠加式减压阀 12－叠加式双单向节流阀13－电磁换向阀 14－叠加式双液控单向阀 15－压力继电器 16－电动机

图3-1 液压系统的原理图 Fig.4-1 Hydraulic system diagram

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4 计算和选择液压元件

液压元件的计算是指计算元件在工作中承受的压力和流量，以便选择零件的规格和型号，此外还要计算原动机的功率和油箱的容量。选择元件时应尽量选择标准件。

4.1 液压泵的选择

4.1.2 液压泵站组件的选择

液压泵站一般由液压泵组、油箱组件、过滤器组件和蓄能器组件等组成。根据系统的实际需要，本设计选择液压泵组、油箱组件、过滤器组件。液压泵组由液压泵，原动机，连轴器及管路附件等组成。油箱组件由油箱面板，空气滤清器，，液位显示计等组成。过滤器组将是保持工作介质清洁度必备的组将，可根据系统对介质清洁度的不同要求设置不同等级的粗过滤器，精过滤器等。

4.1.3 液压泵的计算与选择

液压泵的最大工作压力：

pp>=p1max＋??p （4－1）

其中 p1max——液压执行元件最大工作压力；

??p——液压泵出口大执行元件入口之间所有的沿程压力损失和局部压力损失之和。

初算时按经验数据选取：管路简单，管中流速不大时，取 ??p＝0.2Mpa～0.5Mpa；管路复杂而且管中流速较大或者有调速元件时，取??p＝0.5MPa～1.5MPa。

由上述选取??p＝0.5MPa，然后带入公式（4-1）计算得：

pp≥4.38+0.5＝4.88MPa

在选择泵的额定压力时应考虑到动态过程和制造质量等因素，要使液压泵有一定的压力储备。一般泵的额定工作压力应比上述最大工作压力高20％－60％，所有最后算得的液压泵的额定压力应为：

4.88×（1+0.25）＝6.1MPa

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表4-1 液压泵的总效率

Tab.4-1 The total efficiency of hydraulic pumps

液压泵类型 总效率

齿轮泵 0.65～0.90

螺杆泵 0.70～0.85

叶片泵 0.55～0.85

柱塞泵 0.80～0.90

液压泵的流量qp按下式计算

qp＝K??q)max （4－2） 式中 K——考虑系统泄漏和溢流阀保持最小溢流量的系数，一般取K＝1.1～1.3，

??q)max——同时工作的执行元件的最大总流量（4.116?3=12.348L/min）

本设计取泄漏系数为1.1，所以：

qp＝1.1×12.348＝13.583L/min

由液压元件产品样本查得CBN-E312齿轮泵满足上述估算得到的压力和流量要求：该泵的额定压力为16MPa，公称排量V＝12 mL/rev，额定转速为1800r/min。现取泵的容积效率?v＝0.85，当选用转速n＝1400 r/min的驱动电机时，泵的流量为：

qp＝Vn?v

＝12 mL/rev×0.85×1400r/min×10?3 ＝14L/min

由前面的计算可知泵的最大功率出现在Ⅱ工位夹紧阶段，现取泵的总效率为

?p＝0.85，则：

Np＝

ppqp?p

3.06?106????10?3 ＝

60?0.85 ＝840W

选用电动机型号：Y90S—4B5型封闭式三相异步电动机满足上述要求，其转速为1400r/min，额定功率为1.5kW。电动机与泵之间采用连轴器联结。

根据所选择的液压泵规格及系统工作情况，可计算出液压缸在各个阶段的实际进出流量，运动速度和持续时间，从而为其他液压元件的选择及系统的性能计算奠定了基础。计

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算结果如下表所示：

表4-2Ⅰ工位夹紧缸的实际工况

Tab.4-2 The actual working conditions of the clamping cylinderⅠ

流量

工作阶段

速度 时间

/L?min?1

无杆腔

有杆腔

/m?s?1

/s

qA1q进1出＝q进A v1＝

2A t1?L2V 1夹紧

=

0.972?19.6q13.5

进＝0.972

=??????10?335?10?3 =1.41

60?13.5?10?4 =0.012 =0.012

=3

q进=qP3

q出=qA2进vL12＝

q进A t2?1V 2 =

14A 1松开

3 =4.67×13.5?3 =4.67

19.6

=

?????10?335?10 ＝3.21

60?19.6?10?4 =0.039 =0.039

＝1

表4-3Ⅱ工位夹紧缸的实际工况

Tab.4-3 The actual working conditions of the clamping cylinderⅡ

流量

速度 时间 工作阶段

/L?min?1

?1无杆腔

有杆腔

/m?s

/s

qA2进出＝q进A v1＝

q1A t1?L1V 1夹紧

q进＝6.03

=

6.03?4.898.04

?????10?325?10?3= =3.67

60?8.04?10?4 =0.125 =0.125

=0.2

qA1进=q进

v进2＝

q松开

A 2q出=qpA t2?L2V 2 =14×

8.04 =14

4.89 20

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gxnv.html