數(shù)控車床尾座套筒液壓裝置設計

數(shù)控車床尾座套筒液壓裝置設計,數(shù)控車床,套筒,液壓,裝置,設計 本科畢業(yè)設計（論文） 題目：數(shù)控車床尾座套筒液壓裝置設計 系 別 機電信息系 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 姓 名 學 號 導 師 2013年 4 月 27日 數(shù)控車床尾座套筒液壓裝置設計 摘要 為了完成本課題的設計，在設計之前的準備工作必須做好，首先是搜集和分析資料，主要包括國內外數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀；液壓技術和液壓傳動系統(tǒng)的基本資料；同等機床液壓尾座的圖紙和資料等。其次是初步確定液壓尾座的總體布局，包括配置形式、液壓系統(tǒng)的布置及選擇液壓能源及相應的配套元件等。最后主要是關于尾座的設計計算。 數(shù)控機床變檔卡緊及尾座頂緊的控制方式基本上是手工控制，在通常的加工過程中，需先用手工控制的方式完成變檔和卡緊工作，然后再進行裝夾，在裝夾完畢后還需要使用手工控制的方式完成尾座的頂緊工作。由此可知，在數(shù)控機床的加工作效率效率并不高，而且工人勞動強度大，耗時又耗力，還會增加企業(yè)成本。因此，本課題研究所要達到的預期效果是在數(shù)控車床加工過程中，當需要使用尾座時，使用本課題所設計的尾座可以提高加工過程的機械化和自動化水平，提高生產(chǎn)效率，降低工人的勞動強度，降低企業(yè)成本。 關鍵詞：數(shù)控機床；尾座；液壓系統(tǒng)；液壓缸 II Abstract The design of CNC machine Tailstock Hydraulic system Abstract ?? To accomplish this design, I collected and analysed the information before the design, including domestic and international development of CNC machine tools; hydraulic system of hydraulic technology and the basic information; equal hydraulic machine Tailstock the drawings and information . Then is tentatively determined the overall layout of hydraulic Tailstock, including the allocation of form, layout and the hydraulic system of hydraulic energy, and select the appropriate matching components, such as. This was followed by the main Tailstock the design and calculation. CNC machine tools changed file cards bear and Tailstock top tight is basically manual control, in the conventional process, the change required manual card file and clamping a tight and then again after the fixture also need to use a manual Tailstock The top tight. Therefore, in the process of CNC machine tools in efficiency is not high, workers in labor intensity and great. Therefore, the issue of the Institute to achieve the desired results in the CNC lathe processing, when the need to use Tailstock, the use of this issue by the Tailstock design can improve the process of mechanization and automation level, increase production efficiency and reduce Workers in the labor intensity. Key words：Numerically-controlled machine；Tailstock；Hydraulic system；Hydraulic cylinder inside diameter I I 目錄 1 緒論 1 1.1 研究背景和意義 1 1.2 液壓傳動介紹 1 1.3 國內外數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.3.1 國外數(shù)控機床發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.3.2 國內數(shù)控機床發(fā)展現(xiàn)狀 3 1.4 本文研究對象 4 2 液壓尾座液壓傳動總體設計 5 2.1 尾座簡介 5 2.2 回路設計 5 2.2.1 液壓尾座頂針液壓回路 6 2.2.2 液壓尾座頂針夾緊液壓回路 7 3 尾座部分的設計 9 3.1 液壓系統(tǒng)壓力 9 3.2 頂針油缸的計算 9 3.2.1 頂針軸向力 9 3.2.2 液壓油缸計算 10 3.3 液壓泵的設計 12 3.3.1 液壓泵工作壓力的確定 13 3.3.2 液壓泵流量的確定 13 3.3.3 電動機功率的確定 15 3.4 液壓元件的選擇 16 3.4.1 油管及管接頭 16 3.4.2 過濾器的選擇 16 3.4.3 油箱的選擇 17 3.4.4 油箱容積的確定 17 3.5 液壓系統(tǒng)的性能驗算 18 3.5.1 液壓系統(tǒng)壓力損失計算 18 3.5.2 液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗算 19 I 4 液壓尾座結構設計 21 4.1 液壓尾座箱體設計 21 4.2 尾座頂尖的設計 21 4.3 尾座主軸的設計 21 4.4 尾座導軌的設計 22 4.4 尾座孔系設計 23 4.4.1 套筒與尾座體的配合 24 4.4.2 套筒與頂尖、尾座活塞軸的配合 24 4.4.3 孔和鍵的設計 24 5 尾座精度的設計 26 5.1 表面粗糙度的確定 26 5.2 尾座與機床形位公差的確定 26 5.3 底面及立導向面形位公差的確定 26 結 論 28 參考文獻 29 致 謝 30 畢業(yè)設計（論文）知識產(chǎn)權聲明 31 畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 32 IV 1 緒論 1 緒論 1.1 研究背景和意義 隨著科技的進步，生活水平提高，為了減小工人工作強度，自動化技術被廣泛運用到各行各業(yè)。自動化（Automation）是指機器設備、系統(tǒng)或過程（生產(chǎn)、管理過程）在沒有人或較少人的直接參與下，按照人的要求，經(jīng)過自動檢測、信息處理、分析判斷、操縱控制，實現(xiàn)預期的目標的過程。自動化技術廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、科學研究、交通運輸、商業(yè)、醫(yī)療、服務和家庭等方面。采用自動化技術不僅可以把人從繁重的體力勞動、部分腦力勞動以及惡劣、危險的工作環(huán)境中解放出來，而且能擴展人的器官功能，極大地提高勞動生產(chǎn)率，增強人類認識世界和改造世界的能力。因此，自動化是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學技術現(xiàn)代化的重要條件和顯著標志。液壓自動化技術被運用到數(shù)控車床，減小了工人的工作強度和提高了加工質量。 數(shù)控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作 者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟效益的提高。數(shù)控機床是一種高度機電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結構較復雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價格昂貴不允許報廢的關鍵零件、要求精密復制的零件、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。數(shù)控機床的特點及其應用范圍使其成為國民經(jīng)濟和國防建設發(fā)展的重要裝備。 目前，我國已經(jīng)熟練掌握了液壓傳動技術，但是在某些環(huán)節(jié)上還不及發(fā)達國家，但是在五星紅旗的照耀下，一切問題都將被我們所克服。社會主義制度的優(yōu)越性決定了液壓傳動技術絕對能發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟建設帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領域的發(fā)展做出卓越的貢獻。數(shù)控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，從而使機床動作加工零件。數(shù)控機床含蓋了自動化技術、計算機技術、伺服驅動、精密測量和精密機械等各個領域的技術成果，是一門新興的工業(yè)控制技術。 隨著國內數(shù)控機床的迅速發(fā)展, 數(shù)控機床的應用普及，數(shù)控機床出現(xiàn)故障高發(fā)時段。然而,目前的數(shù)控維修工作混亂無序,根本不能適應數(shù)控行業(yè)快速發(fā)展的步伐。為了使數(shù)控維修工作適應現(xiàn)代化制造業(yè)的發(fā)展,提高數(shù)控設備維修質量,那么規(guī)范數(shù)控維護也將會增加難度,所以要大號基礎,熱心研究。 I 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 1.2 液壓傳動介紹 液壓傳動是根據(jù)17世紀帕斯卡提出的液體靜壓力傳動原理而發(fā)展起來的一門新興技 I 術，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣為應用的一門技術，液壓傳動是以流體作為工作介質對能量進行傳動和控制的一種傳動形式。利用有壓的液體經(jīng)過油壓管路以及方向控制閥，壓力控制閥等控制原件來實現(xiàn)指定的動作。相對傳統(tǒng)的機械傳動方式來說，液壓傳動具有輸出力大，重量輕，慣性小，調速方便以及易于控制等優(yōu)點，因而廣泛應用于工程機械，建筑機械和機床等設備上。 液壓傳動的發(fā)展歷史：近代液壓傳動技術是由19世紀崛起并蓬勃發(fā)展的石油工業(yè)推動起來的，最早實踐成功的液壓傳動裝置是艦船上的炮塔轉位器，其后出現(xiàn)了液壓六角車床和磨床。第二次世界大戰(zhàn)(1941-1945)期間，在美國機床中有30%應用了液壓傳動。在一些兵器上用上了功率大，反應快，動作準的液壓傳動和控制裝置，大大提高了兵器的性能，也大大促進了液壓技術的發(fā)展。戰(zhàn)后，液壓技術迅速轉向民用，并隨著各種標準的不斷制訂和完善，各類元件的標準化，規(guī)格化，系列化而在機械制造，工程機械，材料科學，控制技術，農(nóng)業(yè)機械，汽車制造等行業(yè)中推廣開來。由于軍事及建設需要的刺激，液壓技術日益成熟。20世紀60年代后，原子能技術，空間技術，計算機技術等的發(fā)展再次將液壓技術推向前進，使它發(fā)展成為包括傳動，控制，檢測在內的一門完整的自動化技術，在國民經(jīng)濟的各個方面都得到了應用。如工程機械，數(shù)控加工中心，冶金自動線等。液壓傳動在某些領域內甚至已占有壓倒性優(yōu)勢。 液壓傳動有許多突出的優(yōu)點，因此它的應用非常廣泛，如一般工業(yè)用的塑料加工機械、壓力機械、機床等；行走機械中的工程機械、建筑機械、農(nóng)業(yè)機械、汽車等；鋼鐵工業(yè)用的冶金機械、提升裝置、軋輥調整 裝置等；土木水利工程用的防洪閘門及堤壩裝置、河床升降裝置、橋梁操縱機構等；發(fā)電廠渦輪機調速裝置、核發(fā)電廠等等；船舶用的甲板起重機械（絞車）、船頭門、艙壁閥、船尾推進器等；特殊技術用的巨型天線控制裝置、測量浮標、升降旋轉舞臺等；軍事工業(yè)用的火炮操縱裝置、船舶減搖裝置、飛行器仿真、飛機起落架的收放裝置和方向舵控制裝置。 國內外發(fā)展現(xiàn)狀：今天，為了和最新技術的發(fā)展保持同步，液壓技術必須不斷發(fā)展，不斷提高和改進元件和系統(tǒng)的性能，以滿足日益變化的市場需求。與世界上主要的工業(yè)國家相比，我國的液壓工業(yè)還是相當落后的，標準化的工作有待于繼續(xù)做好，優(yōu)質化的工作須形成聲勢，智能化的工作則剛剛在準備起步，為此必須急起直追，才能迎頭趕上?？梢灶A見，為滿足國民經(jīng)濟發(fā)展需要，液壓技術也將繼續(xù)獲得飛速的發(fā)展，它在各個部門中的應用也越來越廣泛。 1.3 國內外數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀 1.3.1 國外數(shù)控機床發(fā)展現(xiàn)狀 數(shù)控車床、車削中心，是一種高精度、高效率的自動化機床。配備多工位刀塔或動力刀塔，機床就具有廣泛的加工藝性能，可加工直線圓柱、斜線圓柱、圓弧和各種螺紋、槽、 I 蝸桿等復雜工件。具有直線插補、圓弧插補各種補償功能，并在復雜零件的批量生產(chǎn)中發(fā) 揮 了良好的經(jīng)濟效果。 數(shù)控（英文名字：Numerical Control 簡稱:NC）技術是指用數(shù)字、文字和符號組成的數(shù)字指令來實現(xiàn)一臺或多臺機械設備動作控制的技術。數(shù)控一般是采用通用或專用計算機實現(xiàn)數(shù)字程序控制，因此數(shù)控也稱為計算機數(shù)控(Computerized Numerical Control )，簡稱CNC，國外一般都稱為CNC，很少再用NC這個概念了。 國外數(shù)控技術主要以以美、德、日三國為代表。美、德、日三國是當今世上在數(shù)控機床科研、設計、制造和使用上，技術最先進、經(jīng)驗最多的國家。美國1952年研制出世界第一臺數(shù)控機床、1958年創(chuàng)制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首創(chuàng)開放式數(shù)控系統(tǒng)等。數(shù)控技術被廣泛運用到大量大批生產(chǎn)自動化所需的自動線，，故其高性能數(shù)控機床技術在世界也一直領先。當今美國生產(chǎn)宇航等使用的高性能數(shù)控機床，國外國家特別重視數(shù)控機床主機及配套件之先進實用，其機、電、液、氣、光、刀具、測量、數(shù)控系統(tǒng)、各種功能部件，在質量、性能上居世界前列。如西門子公司之數(shù)控系統(tǒng)，均為世界聞名，競相采用。日本通過規(guī)劃、法規(guī)(如“機振法”、“機電法”、“機信法”等)引導數(shù)控機床工業(yè)發(fā)展。 1.3.2 國內數(shù)控機床發(fā)展現(xiàn)狀 我國數(shù)控技術的發(fā)展起步于二十世紀五十年代，中國于1958年研制出第一臺數(shù)控機床，發(fā)展過程大致可分為兩大階段。在1958～1979年間為第一階段，從1979年至今為第二階段。第一階段中對數(shù)控機床特點、發(fā)展條件缺乏認識，在人員素質差、基礎薄弱、配套件不過關的情況下。在第二階段從日、德、美、西班牙先后引進數(shù)控系統(tǒng)技術，并逐步向前發(fā)展。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004年國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)量和消費量的年平均增長率分別為39.3%和34.9%。盡管如此，進口機床的發(fā)展勢頭依然強勁，從2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進口第一大國，2004年中國機床主機消費高達94.6億美元，國內數(shù)控機床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進口。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機床特別是中高檔數(shù)控機床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務意識與能力欠缺、數(shù)控,系統(tǒng)生產(chǎn)應用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。我們應看清形勢，充分認識國產(chǎn)數(shù)控機床的不足，努力發(fā)展先進技術，加大技術創(chuàng)新與培訓服務力度，以縮短與發(fā)達國家之問的差距。 在20余年間，數(shù)控機床的設計和制造技術有較大提高，主要表現(xiàn)在三大方面：培訓一批設計、制造、使用和維護的人才；通過合作生產(chǎn)先進數(shù)控機床，使設計、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進技術的差距；通過利用國外先進元部件、數(shù)控系統(tǒng)配套，開始能自行設計及制造高速、高性能、五面或五軸聯(lián)動加工的數(shù)控機床，供應國內市場的需求，但對關鍵技術的試驗、消化、掌握及創(chuàng)新卻較差。至今許多重要功能部件、自 I 動化刀具、數(shù)控系統(tǒng)依靠國外技術支撐，不能獨立發(fā)展，基本上處于從仿制走向自行開發(fā) 6 階段，與日本數(shù)控機床的水平差距很大。存在的主要問題包括：缺乏象日本“機電法”、“機信法”那樣的指引；嚴重缺乏各方面專家人才和熟練技術工人；缺少深入系統(tǒng)的科研工作；元部件和數(shù)控系統(tǒng)不配套；企業(yè)和專業(yè)間缺乏合作，基本上孤軍作戰(zhàn)，雖然廠多人眾，但形成不了合力。我們國家機床業(yè)最薄弱的環(huán)節(jié)在數(shù)控系統(tǒng)。機床精度 （1）機械加工機床精度分靜精度、加工精度（包括尺寸精度和幾何精度）、定位精度、重復定位精度等5種。（2）機床精度體系 目前我們國家內承認的大致是四種體系：德國VDI標準、日本JIS標準、國際標準ISO標準、國標GB，國標和國際標準差不多。（3）看一臺機床水平的高低，要看它的重復定位精度，一臺機床的重復定位精度如果能達到0.005mm(ISO標準.、統(tǒng)計法),就是一臺高精度機床，在0.005mm(ISO標準.、統(tǒng)計法)以下，就是超高精度機床，高精度的機床，要有最好的軸承、絲杠。（4）加工出高精度零件，不只要求機床精度高，還要有好的工藝方法、好的夾具、好的刀具。 1.4 本文研究對象 在機械制造行業(yè)中，數(shù)控車床被廣泛用來加工盤類或軸類零件。在加工這類零件的時候，有許多零件需要用內孔作為定位夾緊面來進行外圓、端面、螺紋等的切削加工。目前，用數(shù)控車床對這類零件進行加工時的定位裝夾通常采用人工手動夾緊，因此數(shù)控車床的尾座結構普遍是手動控制結構，用手動方式旋轉手輪帶動尾座套筒使尾座上的頂尖伸出以頂緊工件，實現(xiàn)對工件的定位，再扳動手柄實現(xiàn)鎖緊。采用這種手動控制方式，工作效率低，勞動強度大，夾緊力大小難以精確控制，定位準確性和穩(wěn)定性都比較差。故設計一種車床尾座的液壓控制機構代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動式控制是完全有必要的，可進一步完善和提高數(shù)控車床的自動化程度。數(shù)控車床的尾座是在加工軸類零件時，使用其頂尖頂緊工件，保證加工的穩(wěn)定性。尾座的運動包括尾座體的移動和尾座套筒的移動。 尾座體的移動有兩個作用:一個作用是在加工軸類零件時，將尾座調整到使用位置;另一個作用是在加工短軸和盤類零件時，將尾座調至非干涉位置。尾座套筒的移動是為了使頂尖頂緊或松開工件的，通常是由液壓缸控制的。 本文主要研究數(shù)控機床尾座的設計，并將液壓傳動運動運用到尾座上，實現(xiàn)尾座的自動頂緊與松開。設計出液壓尾座的結構以及液壓傳動圖、液壓缸。其要求具體參數(shù)：數(shù)控車床的切削用量f=0.1-0.3mm/r；切削速度為v=50-80m/min；最大車削工件直徑400mm,最大加工長度350mm,切削粗糙度為Ra1.6-3.2μm。 2 液壓尾座液壓傳動總體設計 I 2 液壓尾座液壓傳動總體設計 尾座是車床的重要部件，其作用是固定軸類零件，當加工軸類零件時，除用卡盤外，還需要尾座將其加緊，同時具有輔助支撐和夾緊的功能。本文設計的尾座采用的是整體式結構，整體式結構尾座由尾座體、套筒、芯軸結構、套筒液壓測力裝置、尾座和套筒移動機構、尾座和套筒夾緊與放松結構及液壓裝置等組成，其夾緊與松開，靠液壓控制，液壓控制具有，沖擊小，對零件的損害小，抗震性好，能吸收一定震動，能實現(xiàn)高精度的加工。液壓系統(tǒng)設計對整個尾座來說，非常重要，因此液壓系統(tǒng)的設計十分關鍵。 2.1 尾座簡介 （1）機床采用標準液壓尾座，尾座套筒可編程控制，尾座體移動通過銷軸由托板帶動。根據(jù)用戶需求也可提供可程控尾座、內置旋轉活絡頂尖等（特殊配置）。尾座單元安裝在床身導軌上，可沿導軌縱向調整其位置。它的功用是用頂尖支承長工件，也可以安裝鉆頭、鉸刀等孔加工刀具進行孔加工。 （2）尾座應具有足夠的凈剛度和較高的剛度-重量比，后者在很大程度上反應了設計的合理性；應具有良好的動態(tài)性，這包括較大的動剛度和阻尼，與其它件配合，使整機的各個固有頻率不致與激振頻率重合而發(fā)生共振；應具有良好熱變形性，使整機的熱變形較小或熱變形對加工精度的影響最??；應具有良好的工藝性，以便于制造和裝配。 圖2.1 液壓尾座組成 I 2.2 回路設計 液壓尾座主要由兩部分組成，頂針部分，加緊部分。頂針部分是將軸頂緊；加緊部分：當頂針已經(jīng)到工作狀態(tài)時，這時需要加緊機構將其加緊，保證零件裝夾的精度，進而保證加工精度，其組成如圖2.1所示。尾座頂針實現(xiàn)的是加緊與松開兩個動作，因此其動作主要分為：夾緊，保壓，松開。其運動時序圖如圖2.2所示。 圖2.2 液壓缸運動時序圖 2.2.1 液壓尾座頂針液壓回路 為了實現(xiàn)尾座的這些過程，設計如圖2.3所示，液壓系統(tǒng)原理圖，該液壓回路主要有：液壓缸，電磁閥，調速閥，單向閥，溢流閥等組成，下面將分別對其進行說明。 夾緊：加緊的過程是尾座緩緩移動，將零件頂住，為了避免大的碰撞，對工件以及機 I 床本身造成傷害，因此加緊的速度應十分緩慢。 保壓：保壓是零件正處于加工中，這時尾座壓力系統(tǒng)的穩(wěn)定性因足夠的好，這樣才能保證零件的位置沒有便宜，這樣零件的精度才會比較高。 松開：松開是零件加工完后，將零件卸下，這時尾座應該先快速的松開，這樣才能提高生產(chǎn)效率，因此尾座松開時的速度應該比較快。 為了實現(xiàn)快速的加緊與慢慢的松開兩中功能，因此在回路中采用了調速閥，以及增速回路，先接受緩慢加緊的回路：當電磁發(fā)工作位在左邊時，這時，單向閥截至，不能通過，回路只能從調速閥過，因此油缸的速度將是比較慢的。當電磁閥位于右邊工位時，這時系統(tǒng)構成一個增速回路，實現(xiàn)尾座的快速縮回。同時在油路還設有溢流閥，主要設置油路的最高工作范圍，防止超負荷運行，保證工人，機器的安全。 10 1.液壓缸 2.調速閥 3.單向閥 4.電磁閥 5.溢流閥 6.液壓泵 7.油箱 圖2.3 原理圖 2.2.2 液壓尾座頂針加緊液壓回路 當頂針頂住工件時，這時加緊油缸需要運動，并將頂針加緊。其動作比較簡單，只需實現(xiàn)，工步頂緊，和快速松開兩個功能，因此為了實現(xiàn)這個設計液壓回路如圖2.4所示。 液壓油缸加緊：當頂針頂針軸后，加緊油缸控制電磁閥將處于左邊工作為，通過調速閥，油缸將緩慢的伸出，將頂針夾緊。 液壓油缸縮回：當零件加工完，需要拆下零件時，這時夾緊油缸電磁閥處于右邊工作位，油缸將快速縮回，松開頂針。 這樣，液壓缸就能進行完整的工作，為尾座提供頂緊工件的動力，順利的保壓給工件提供相應的穩(wěn)定壓力，安全穩(wěn)定的進行相關生產(chǎn)，當工件完成加工后，頂尖又能快速的退回，提高工作效率，讓生產(chǎn)安全順利的進行下去。 1.調速閥 2.溢流閥 3.單向閥 4.電磁閥 圖2.4 頂針夾緊油缸回路 I 3 尾座液壓系統(tǒng)設計 I 3 尾座液壓系統(tǒng)設計 前面章節(jié)已經(jīng)設計好液壓尾座的控制回路，本章將從計算方面來設計液壓缸的，以及液壓泵的設計。液壓缸的設計主要分為頂針油缸，頂針夾緊油缸。 3.1 液壓系統(tǒng)壓力 液壓缸工作壓力主要根據(jù)運動循環(huán)各階段中的最大總負載力來確定，此外，還需要考慮以下因素： (1)各類設備的不同特點和使用場合,如表3.1所示。 (2)考慮經(jīng)濟和重量因素，壓力選得低，則元件尺寸大，重量重；壓力選得高一些，則元件尺寸小，重量輕，但對元件的制造精度，密封性能要求高，如表3.2所示。 所以，液壓缸的工作壓力的選擇有兩種方式：一是根據(jù)機械類型選；二是根據(jù)切削負載選。 表3.1 負載與工作壓力的關系表 負載F/kN <5 5～8 10～20 20～30 30-50 >50 工作壓力p/Mpa <0.8～1 1.5～2 2.5～3 3～4 4～5 >5～7 表3.2 機械類型與工作壓力的關系表 機床類型 磨床 車床銑床 龍門刨床 拉床 組合機床 工作壓力p/Mpa ≤2 2～4 ≤8 8～10 3～5 根據(jù)表3.1與3.2，選定液壓尾座的工作壓力為：2Mpa。 3.2 頂針油缸的計算 液壓尾座工作要求：主要技術參數(shù)：數(shù)控車床的切削用量f=0.1-0.3mm/r；切削速度為v=50-80m/min；最大車削工件直徑400mm,最大加工長度350mm,切削粗糙度為Ra1.6-3.2μm。 畢業(yè)設計（論文） 3.2.1頂針軸向力 尾座頂針如圖3.1所示。 頂針在受到外力主要來自于兩部分：第一部分，來自與工件的自重在軸向產(chǎn)生的軸向分力；第二部分，來自與工件在切削時，刀具對工件產(chǎn)生一個切削力，這個切削力將會在軸向產(chǎn)生一個分力。因此頂針收到外力應該是這兩個分力之和。 圖3.1 頂針示意圖 （1） 工件重力產(chǎn)生的分力 根據(jù)工件最大長度和最大旋轉外徑假設工件最大重量，頂尖和三爪卡盤支撐工件可簡化為簡支梁，如圖3.2所示。 圖3.2 尾座頂尖受力分析圖 因此尾座負重 （3-1） 其中G為工件重力，取最大加工工件的重量,其直徑為400mm，長度為350mm，代入公式得 a為頂針與工件之間的夾角，取60o。 帶入公式得： （2） 切削力的計算 根據(jù)本文設計要求：要技術參數(shù)：數(shù)控車床的切削用量；切削速度為。由于切削量越大，切削速度越大，其切削力越大，因此取切量為0.3mm/r,切削速度為80m/min的切削力，材料為不銹鋼。根據(jù)表3.3[14]所示常見的工件材料的單位切削力Kc值。 表3.3 常見的工件材料的單位切削力Kc值 工件材料 HB硬度 材質粗略分類 Kc（） 非合金鋼類 110 C<0.25% 2200 150 C<0.8% 2600 310 C<14% 3000 低合金鋼 125-225 未硬化 2500 220-420 硬化 3300 高合金鋼 150-300 退火 3000 250-350 硬化的工具鋼 4500 超硬鋼 >450 硬化、調質 4500 根據(jù)公式 (3-2) 其中Kc為單位切削力，由表3.3取Kc值為2453； 為背吃刀量，由表3.3取。 將上面參數(shù)帶入公式3-2，得切削力 切削力將會在軸向上產(chǎn)生一個軸向分力，這個就是尾座需要克服的反作用力，根據(jù)根據(jù)《金屬切削原理與刀具》切削時產(chǎn)生的軸向分力 (0.1~0.6) （3-3） 為了安全，取 為了滿足加工后的工件的精度要求，在工件重量較大和切削力較大的情況下機床不發(fā)生共振，取軸向力。 因此尾座需要克服的最大反作用力為： 3.2.2液壓油缸計算 由前面計算可得尾座最大軸向力為，因此尾座液壓油缸需要克服這一軸向力，因此，液壓油缸的外作用力為,根表據(jù)3.1與3.2，取尾座液壓系統(tǒng)加緊時的壓力為2，背壓取0.5。 則液壓油缸的內徑為： （3-4） 其中D:油缸內徑； ：輸出力； ：液壓系統(tǒng)輸出壓力； ：液壓系統(tǒng)背壓； 將以上數(shù)據(jù)帶入公式可得，液壓油缸的直徑為： 元整選取液壓油缸的，。 得出活塞桿直接。 如在計算液壓缸尺寸時需要考慮背壓，可初定參考數(shù)值，回路確定之后再修改，參考背壓值見表3.4[13]所示。 表3.4 液壓缸背壓參考 系統(tǒng)類型 背壓 回油路上有節(jié)流閥的調速系統(tǒng) 2-5 回油路上有調速閥的調速系統(tǒng) 5-8 回油路上裝有背壓閥 5-15 帶補油泵的閉式回路 8-15 3.3液壓泵的設計 液壓泵是液壓系統(tǒng)中的動力裝置，也是能量轉換元件，起著向系統(tǒng)提供動力源的作用。原動機驅動偏心輪1旋轉時，柱塞2將做往復運動。使密封容積a的大小發(fā)生周期性的交替變化。當a由小變大就行程部分真空，油箱中的油液在大氣壓作用下，經(jīng)吸油管頂開單向閥6進入郵箱a而實現(xiàn)吸油；當a有大變小時，a中吸滿的油液將頂開單向閥5流入系統(tǒng)而實現(xiàn)壓油。原動機驅動偏心輪不斷旋轉，液壓泵就不斷地吸油和壓油，這樣液壓泵就將原動機輸入的機械能轉換成液體的壓力能輸出。原理圖如圖3.3所示。 液壓泵為整個液壓系統(tǒng)提供動力，能使液壓缸穩(wěn)定安全的工作，是整個液壓系統(tǒng)中的最根本裝置。 1.偏心輪 2.柱塞 3.缸體 4.彈簧 5.6.單向閥 a.油箱 圖3.3 單柱塞液壓泵的工作原理圖 3.3.1液壓泵工作壓力的確定 液壓泵的工作壓力p是液壓泵實際工作時的輸出壓力稱為工作壓力。工作壓力的大笑取決與外負載的大小和排油管路上的壓力損失，而與液壓泵的流量無關。 液壓泵工作壓力計算公式： （3-5） 是液壓執(zhí)行元件的最高工作壓力，對于本系統(tǒng)，工作壓力為2MPa；取1.5安全系數(shù)，。 是泵到執(zhí)行元件間總的管路壓力損失。由系統(tǒng)圖可見，從泵到增壓缸之間取∑。 具體壓力損失見表3.5[7]所示。 表3.5 液壓系統(tǒng)元件壓力損失表 元件名稱 額定壓力損失 單向閥 電磁閥 調速閥 液壓泵工作壓力為 當系統(tǒng)壓力p<21,選用齒輪泵或葉片泵；p>21,選用柱塞泵。 3.3.2液壓泵流量的確定 因為液壓泵的流量由得出， 由工況圖看出，系統(tǒng)最大流量發(fā)生在頂緊油缸工作頂緊過程中，根據(jù)車床的通常參數(shù)，通常情況下取活塞桿的最大速度為v＝2m/s。 （3-6） 其中D為液壓缸的直徑，v為液壓的速度 取泄漏系數(shù)K為1.2，求得液壓泵流量 液壓泵一般分為齒輪泵，葉片泵，柱塞泵。齒輪泵由于油壓變化比較大，不適合作為精密儀器供給留量，柱塞泵通常用于高壓系統(tǒng)，根據(jù)本文實際要求：一般油壓系統(tǒng)，且系統(tǒng)工作精度高，因此本系統(tǒng)選擇葉片泵，為了提高液壓系統(tǒng)的壽命，選用雙作用式。根據(jù)液壓泵的選型手冊，確定液壓泵的型號為YYB-BCl71/48B型雙聯(lián)葉片泵，當壓力為時，泵流量為。 雙作用式葉片泵的組成同單作用式葉片泵一樣。它分別有兩個吸油口和兩個壓油口。定子1和轉子2的中心重合，定子內表面近似于長徑為R、短徑為r的橢圓形，并有兩對均布的配油窗口。兩個相對的窗口連通后分別接近、出油口，構成兩個吸油口和兩個壓油口。轉子每轉一周，每個密封工作空間完成考兩次吸油和壓油。其工作原理如圖3.4所示。 1.定子 2.轉子 3.葉片 圖3.4 雙作用式葉片泵的工作原理圖 一般來說。各種類型的液壓泵由于其結構原理，運轉方式和性能特點各有不同，因此應根據(jù)不同的使用場合選擇合適的液壓泵。一般在負載小、功率小的機械設備中，選擇齒輪泵、雙作用葉片泵；精度較高的機械設備（如磨床）選擇螺桿泵、雙作用葉片泵；對于負載較大，并有快速和慢速工作的機械設備（如組合機床）選擇限壓式變量葉片泵；對于負載大、功率大的設備（如龍門刨床、拉床等）選擇柱塞泵；一般不太重要的液壓系統(tǒng)（機床輔助裝置中的送料、夾緊等）選擇齒輪泵。 各類液壓泵的性能參數(shù)與比較見表3.6[7]所示。對于液壓泵的選取具有一定的參考作用 及指導作用。 表3.6 各類液壓泵的性能比較 齒輪泵 單作用式葉片泵 雙作用式葉片泵 軸向柱塞泵 徑向柱塞泵 壓力范圍/(MPa) 2-21 2.5-6.3 6.3-21 21-40 10-20 排量范圍/(mL/r) 0.3-650 1-320 0.5-480 0.2-3600 20-720 轉速范圍/(r/min) 300-7000 500-2000 500-4000 600-6000 700-1800 容積效率（%） 70-95 85-92 80-94 88-93 80-90 總效率（%） 63-87 71-85 65-82 81-88 81-83 流量脈動（%） 1-27 功率質量比/(kW/kg) 中 小 中 中 大 小 噪聲 稍高 中 中 大 中 耐污能力 中等 中 中 大 中 價格 最低 中 中低 高 高 3.3 .3電動機功率的確定 液壓尾座系統(tǒng)的壓力和流量都是變化的，所需功率變化較大。小泵供油壓力為P1＝3.8，其流量q=108,取泵的總效率＝0.8，泵的總驅動功率為： (3-7) 其中p為液壓系統(tǒng)的壓力，其最大壓力為3.8Mpa，q為泵的流量為，q=108L/min，n為系統(tǒng)效率，帶入公式得： 考慮頂緊過程時間短，不過3s，而電動機一般允許短時間超載25%，這樣電動機功率還可降低一些,。驗算其他工況時，液壓泵的驅動功率均小于或近于此值。查產(chǎn)品樣本，選用的電動機。 3.4液壓元件的選擇 3.4.1油管及管接頭 液壓系統(tǒng)中的油管，主要分金屬鋼管和耐壓軟管，一般使用硬管，它比軟管安全可靠，而且經(jīng)濟。軟管則通常用于兩個有相對運動的部件之間的連接。所以本系統(tǒng)選用鋼管。 鋼管，分為無縫鋼管和焊接鋼管兩大類。壓力大于2.5MPa的場合可用無縫鋼管，壓力小于2.5MPa的場合用焊接鋼管，鋼管的特點是耐高壓，變形小，耐油性、抗腐蝕性比較好，價格較低，彎曲與裝配比較困難。 綜上所述，本液壓系統(tǒng)最大壓力3.8MPa，所以選用無縫鋼管。 管接頭是油管與油管、油管與液壓元件之間的連接件，它與滿足連接牢固、密封可靠，裝配方便、工藝性好、外形尺大小、通油能力強等性能要求，特別是管接頭的密封性能是影響系統(tǒng)外泄的重要原因。常用管接頭的性能特點比較如表3.7[15]所示。 表3.7 常用管接頭的性能特點比較 類型 特點 應用 許用壓力/MPa 擴口式管接頭 結構簡單，造價低 適用于銅管、薄壁鋼管、尼龍管和塑料管的鏈接 焊接式管接頭 結構簡單、制造方便、耐高壓和振動、密封性能好 適用于厚壁鋼管的鏈接 卡套式管接頭 不用密封件、工作可靠，拆卸方便，抗振性好，應用廣泛 應用場合廣泛 扣壓式管接頭 連接軟管用，需要在專用設備上扣押而成 適用于軟管鏈接 快換管接頭 不需要任何工具就能實現(xiàn)迅速連接和斷開 用于經(jīng)常拆裝的液壓管路 綜上所述，液壓系統(tǒng)壓力為3.8MPa，選用的是無縫鋼管，因此管接頭選用擴口式管接頭。 3.4.2 過濾器的選擇 在液壓系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)內污染物的形成或外界污染物的侵入，液壓油中難免會存在各種污染物，油液的污染能加速液壓元件的磨損，卡死閥芯，堵塞工作間隙和小孔，使元件失效，導致液壓系統(tǒng)不能正常工作，據(jù)統(tǒng)計，約75%的故障和液壓油的污染有關，因此必須對油液中的雜質和污染物進行清理，目前，控制液壓油的清潔程度的最有效的方法就是采用過濾器。 過濾器按過濾精度可分為四級： 粗過濾器 普通過濾器 精過濾器 特精過濾器 過濾精度只要取決于系統(tǒng)的壓力。表3.8[15]所示為過濾精度推薦值。 系統(tǒng)類型 潤滑系統(tǒng) 傳動系統(tǒng) 伺服系統(tǒng) 壓力p/ 過濾精度/ 25-50 表3.8 過濾精度推薦值 系統(tǒng)壓力小于14，由表中得出選用普通過濾器網(wǎng)式過濾器。 網(wǎng)式過濾器的優(yōu)點是通油能力大，壓力損失小，容易清洗，但過濾精度不高，主要用于泵吸油口，本系統(tǒng)恰好用于泵吸油口，所以選用網(wǎng)式過濾器經(jīng)濟劃算。 3.4.3 油箱的選擇 油箱主要用來儲存油液，此外還起到散熱、溢出油液中的空氣以及沉淀雜質的作用。油箱有開式和閉式兩種。 （1）開式油箱中的油液具有與大氣相同的自由液面，常用于各種固定設備，應用廣泛。開式油箱又分為整體式和分離式。整體式油箱利用主機的底座內腔作為油箱，這種油箱結構緊湊，各處液壓元件的漏油易于回收，但增加了設計和制造的復雜性，維修不便，散熱條件不好，且會使主機產(chǎn)生熱變形。分離式油箱單獨設置，與主機分開，減小了油箱發(fā)熱的液壓源振動對主機工作精度的影響，因此得到了普遍的應用，特別是在精密機械上。 （2） 閉式油箱完全封閉，油箱中的油液與大氣是隔絕的，由空壓機向氣罐充氣，再由充氣罐經(jīng)過濾清、干燥、減壓后進入油箱使液面壓力高于大氣壓，從而改善了泵的吸油性能、減少了氣蝕和噪聲。常應用于水下設備、行走設備及車輛。 綜上所述。本課題選用開式整體式油箱。 3.4.4油箱容積的確定 從油箱的散熱、沉淀雜質等職能來看，油箱的容積越大越好，單容積過大會造成體積大，質量大，浪費材料又不節(jié)約空間。因此要合理地確定油箱容積。 一般來說，油箱的有效容積可以按液壓泵的額定流量估計出來。一般容量可取最大流量的倍。 對于機床的估算公式為 （3-8） 式中 V為油箱的有效容積，單位為； 為與系統(tǒng)有關的經(jīng)驗數(shù)字。低壓系統(tǒng)=，中壓系統(tǒng)=，高壓系統(tǒng) =； 為液壓泵的額定流量，單位為。 上面已經(jīng)計算出,流量代入公式得油箱的有效容積 一般來說，油箱的有效容積指油面高度為油箱整體高度80%時的容積。所以油箱的總容積 油箱的選定應符合GB2876-81《液壓泵站油箱公稱容量系列》的規(guī)定，選取容量為4.0 的油箱 3.5 液壓系統(tǒng)的性能驗算 在前面的設計過程中，由于系統(tǒng)還沒有完全計算完畢，很多參數(shù)都是粗略估算的。液壓系統(tǒng)設計完成后，需要在對其的技術性能進行驗算，以便判斷設計質量。 3.5.1液壓系統(tǒng)壓力損失驗算 驗算系統(tǒng)壓力損失的目的之一是為了正確確定泵的工作壓力即系統(tǒng)的調整壓力（系統(tǒng)溢流閥的調整壓力），當系統(tǒng)執(zhí)行元件的工作壓力已確定時，系統(tǒng)的調整壓力可根據(jù)管路中的壓力損失進行計算。本系統(tǒng)選用的閥類元件有調速閥、單向閥、電磁閥。 系統(tǒng)總壓力損失： （3-9） 式中 —管路的沿程壓力損失； —為局部壓力損失。 油路壓力損失經(jīng)驗值見下表3.9[7]所示。 表3.9 油路壓力損失經(jīng)驗值 系統(tǒng)結構情況 總壓力損失 一般節(jié)流調速及管路間單的系統(tǒng)? 進油路有調速閥及管路復雜的系統(tǒng) 本系統(tǒng)進油路上存在調速閥，所以取其壓力損失最大值1.5MPa,即=1.5. 局部壓力損失在本文中3.3.1液壓泵工作壓力的確定中已經(jīng)確定,=0.8。那么將、代入公式（3-9）得到 液壓泵應用一定的壓力儲備量，如果計算出的系統(tǒng)調整壓力大于液壓泵額定壓力的75%，則應該重新進行計算。 前面已計算液壓泵的工作壓力。 所以液壓系統(tǒng)壓力損失在允許范圍之內。 3.5.2液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗算 液壓系統(tǒng)工作時，液壓泵和執(zhí)行元件存在著容積損失和機械損失，管路和各種閥類元件通過液流時要產(chǎn)生壓力損失和泄露。所有的這樣損失所消耗的能量均轉變成熱能，使油溫升高。連續(xù)工作一段時間后，系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量與散發(fā)到空氣中的熱量相等即達到熱平衡狀態(tài)，此后溫度不再升高。不同的主機，因工作條件與工況的不同，最高允許油溫是不同的，系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗算，就是計算系統(tǒng)的實際油溫，如果實際油溫小于最高允許油溫，則系統(tǒng)滿足要求。系統(tǒng)中發(fā)熱的主要元件是油箱。 系統(tǒng)單位時間的發(fā)熱量為 （3-10） 式中 為液壓泵的輸入功率； 為系統(tǒng)的輸出功率，執(zhí)行元件是液壓缸時為液壓缸的輸出功率。 油箱單位時間的散熱量為 (3-11) 式中 A—為油箱散熱面積（）； —為系統(tǒng)升溫，(℃)； 　　　—系統(tǒng)達到熱平衡時的油溫（℃）； 　　 —為環(huán)境溫度即工作場地溫度取27℃； —為油箱散熱系數(shù)（）。當自然冷卻通風很差時,=()；自然冷卻通風良好時，；當油箱專用冷卻器時，。 液壓系統(tǒng)系統(tǒng)達到熱平衡時，，即 (3-12) 如果油箱三個邊長的比例在1:1:1到1:2:3范圍內，且油箱高度為油箱高度的80%，其散熱面積近似為 (3-13) 式中 為油箱有效面積（L）。 為液壓泵的輸入功率即為電機功率，=0.55kW， 將、代入式（3-10）得 。 因為油箱容積，將其代入公式（3-13）得 。 取自然冷卻通風良好時，油箱散熱系數(shù)。 因為時，將以上得出的數(shù)據(jù)代入公式（3-12）得 。 有溫升驗算公式 （3-14） 式中 為最高允許油溫，對于一般機床，=℃；對粗加工機械、=℃。 將、代入公式（3-14）得 油溫在最高允許油溫范圍之內。 34 4 液壓尾座結構設計 4 液壓尾座結構設計 尾座是臥式車床的重要附件，其主要作用：軸類零件定心，同時具有輔助支撐和夾緊的功能。本文設計的尾座采用的是整體式結構。整體式尾座的組成為：尾座體、套筒、芯軸結構、尾座和套筒移動機構、尾座和套筒夾緊與放松結構及液壓裝置等組成。整體式尾座，將分體式尾座上、下體合為一個尾座整體，經(jīng)有限元分析、計算，通過對尾座內部筋板的合理布置，提高了尾座的剛度和固有頻率，尾座采用高強度低應力鑄鐵鑄造，經(jīng)良好的時效處理，熱變形小，剛度高、抗震性能好，精度高，精度保持性好動、靜剛度好，精度高。在承受最大工件重量和最大額定切削力的情況下芯軸結構選用高精度的進口軸承支承。結構更加簡單、優(yōu)化、合理，整體式尾座將分體式尾座上、下體合為一個尾座整體，取消了分體式尾座聯(lián)結的定位鍵和把合螺釘，總零件數(shù)和標準件數(shù)更少，取消了分體式尾座上、下體的配合加工面，取消了分體式尾座上、下體的裝配環(huán)節(jié)，加工、裝配工藝性更好，節(jié)約了加工、裝配總費用，降低了尾座的總重量和總成本。下面將從尾座座體，尾座主軸，尾座頂針，尾座導軌設計。 4.1液壓尾座箱體設計 尾座體的材料采用HT200，鑄造加工而成。在尾座體的設計過程中考慮到加工工藝，需要設計出工藝凸臺和工藝孔。在鑄造設計過程中應注意：尾座體的壁厚要盡量均勻，拐角處要設計成圓角以減少集中應力。將尾座箱體固定在導軌上，這樣才能使尾座工作。從尾座上為導軌加潤滑油，油杯選擇為直徑為10，此油杯為壓配式壓注油杯，此油杯使用比較方面，當潤滑主軸時只需將油口對準油杯口即可往里注油，不用拆裝尾座即可起到潤滑的作用。此尾座殼體的前面有防塵罩，此防塵罩的作用是防止主軸伸出時有雜質粘在上面，也防止雜質滲入影響主軸伸出的速度及穩(wěn)定性。此鍵的作用是固定主軸，使其不能左右旋轉只能伸縮，在其旁邊有一定位螺釘，此作用是將鍵牢牢固定于殼體，防止鍵定位不準。 4.2尾座頂尖的設計 頂針是定位工件，它安裝在尾座前端軸內的套筒，并起到定心的作用，因此要求具有較高的精度。尾座總體尺寸并不是很大所以選擇莫氏4號的頂尖。莫氏錐度是一個錐度的國際標準，用于靜配合以精確定位。由于錐度很小，可以傳遞一定的扭距，又因為有錐度，又便于拆卸。在使用中要使尾座的軸心線與機床主軸的軸心線保證較高的同軸度在進行工件的加工過程中多采用前后頂尖來支承工件，來確定工件的旋轉中心并承受刀具作用在工件上的切削力。頂尖是機械加工中的機床的重要部件，它可對端面復雜的零件和不允許打中心孔的零件進行支承。頂尖的一端可頂中心孔或管料的內孔，另一端則放入到尾座套筒內。頂尖的鎖緊主要是靠頂緊力和液壓缸提供的壓力，加工時一般緊縮在尾座套筒內。頂 畢業(yè)設計（論文） 尖一般由專門的工廠生產(chǎn)，我們只要根據(jù)自己的需要買產(chǎn)品。利用的就是摩擦力的原理，在一定的錐度范圍內，工件可以自由的拆裝，同時在工作時又不會影響到使用效果，比如鉆孔的錐柄鉆。在錐柄上好后，鉆頭可以將工件鉆出需要的孔，而錐柄處不會出現(xiàn)轉動現(xiàn)象。又比如鉆孔的錐柄鉆，如果使用中需要拆卸鉆頭磨削，拆卸后重新裝上不會影響鉆頭的中心位置。如圖4.1所示。 圖4.1 莫氏4號頂尖 4.3尾座主軸的設計 液壓尾座主軸的作用就是安裝尾座活塞軸和頂尖，利用液壓缸提供的壓力和莫氏錐度本身的結構特性頂緊頂尖，使頂尖在頂著工件加工時不會隨工件一起轉動。頂尖在頂著工件加工時也不會隨工件一起轉動了。從而提高了套筒的使用壽命。由于頂尖是利用莫氏錐度本身的結構特性卡緊的，但是在工作中需要拆卸頂尖，因此需要在尾座體的后面