专用铣床工作台液压系统设计

专用铣床工作台液压系统设计

一、 前言

作为一种高效率的专用铣床，在日常生活中，广泛在大批量机械加工生产中应用。本次课程设计是以专用铣床工作台液压系统为例，介绍该组合机床液压系统的设计方法及设计步骤，其中包括工作台液压系统的工况分析、主要参数确定、液压系统原理图的拟定、液压元件的选择以及系统性能验算等。

«液压传动»课程设计是整个教学过程中最后一个综合性教学环节，通过课程设计可以让我们了解液压传动系统设计的基本方法和设计要求，提高我们运用所学理论知识解决具体工程技术问题的能力。能根据设计任务要求，按照正确的设计步骤，拟定出液压系统。

二、设计技术要求及参数

一台专用铣床的工作台拟采用单杆液压缸驱动。已知条件如下：铣刀驱动电机功率为P=7.5KW，铣刀直径为De=120mm，转速n=350r/min。工作台质量m1=400kg，工件及夹具最大质量为m2=150kg。工作总行程为Lz=400mm，其中工进行程为Lg=100mm。快进和快退速度均为vk=4.5m/min，工进速度范围为vg=60~1000mm/min，往复运动时加、减速时间均为Δt=0.05s。工作台水平放置，导轨静摩擦系数为μs=0.2，动摩擦系数为μd=0.1,以下为该铣床工作台进给运动的半自动液压系统设计。 三、确定动力原件、执行元件

液压系统的动力原件是定量叶片泵，执行元件确定为液压缸（主要运动是往复直线运动）。

四、系统工况分析

4.1动力分析

铣床工作台液压缸在快进阶段，启动时的外负载是导轨静摩擦阻力；加速的外负载是导轨动摩擦阻力和惯性力；恒速时是动摩擦阻力；在快退阶段的外负载是动摩擦阻力，由图3-4可知：

铣床工作台液压缸在工进阶段的外负载是工作负载，即刀具铣削力及动摩擦阻力。 静摩擦负载 Ffs=μ（m1+m2）g=0.2x（400+150）g=1078(N) 动摩擦负载 Ffs=μ（m1+m2）g=0.1x（400+150）g=539（N） 4.5Δv惯性负载 Fi=（m1+m2）x=825（N） （400150）Δt0.05x60利用铣削力计算公式： Fi=TP（其中，T为负载转矩，T=）。 De/22πn算得工作负载为: P/2πnP7.5103TFe== N·m =3410N·m De/2De/2πDe n120103350601取液压缸的机械效率ηm=0.9，可算得工作台液压缸在各工况下的外负载和推力，一并列入表3-7.绘制出的负载循环图（F-L图）可见图3-5。

表3-7 铣床工作台液压缸外负载和推力计算结果 工况 启动 加速 恒速 工进 启动 加速 恒速 外负载F/N 计算公式 F=Fst F=Ffd+Fi F=Ffd F=Fe+Ffd F=Fst F=Ffd+Fi F=Ffd 结果 1078 1364 539 3949 1078 1364 539 推力（F/ηm）/N 1198 1515 599 4388 1198 1515 599 快进 快退

4.2运动分析

根据设计要求，可直接画出液压缸的速度循环图（v-l图），如图3-6。

五、计算液压系统主要参数并编制工况图

5.1预选系统设计压力

专用铣床也归属半精加工机床，参考表1，预选液压缸的设计压力P1=3MPa。 5.2计算液压缸主要结构尺寸

由于设计要求工作台快速进退速度相等，故选用单杆差动连接液压缸，使缸的无杆腔与有杆腔的有效面积A1与A2保持关系A1=2A2，即杆d和缸径D满足

d=0.707D。经查表3，取背压为0.8MPa。

从满足最大推力出发，可算得液压缸无杆腔的有效面积：

FO4388A1m21.69103m216.9cm2

10.8(PP)(3)1061222液压缸内径：

D4A141.69103m0.0464m46.4mm

按GB/T2348-1993（表2），将液压缸内径圆整为D=50mm=5cm。 径圆整为d=36mm=3.6cm。则液压缸实际有效面积为：

3.14502A11963（mm2）

44D24A2(D2d2)πx（502-362）946（mm2） 4A=A1- A2=1017（mm2） 5.3编制液压缸的工况图 根据上述条件，经计算液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率如下： ①压力 a、快进阶段的液压缸压力 启动时，P1 =FA2P11980=1.18(MPa) A1017P1 =加速时，FA2P1515946x0.5=1.95(MPa)(差动回路中一般取被压A1017为0.5Mp)

恒速时，P1 =

FA2P599946x0.5=1.05(MPa) A1017b、工进阶段的液压缸力

P2=

FA2P24388946x0.82.62(MPa) =

A11017c、快退阶段的液压缸压力 启动时，P1=

FA1P2119801.27(MPa) =

A2946

加速时，P1=

FA1P215151963x0.5=2.64(MPa) A2946FA1P25991963x0.5=1.67(MPa) A2946恒速时，P1=②流量

a、快进（恒速时）阶段的流量

36q=Avk=1017x4.5x10x10=4.58（L/min）

b、工进阶段的流量

6qmax= A1vg=1963x1000x10=1.96（L/min）

6qmin= A1vg=1963x60x10=0.12（L/min）

c、快退（恒速时）阶段的流量

63q= A2vk=946x4.5x10x10=4.26（L/min） ③功率

a、快进（恒速时）阶段的功率 3P=P1 q=1.05x4.58x10/60=80.2（W） b．工进（最高速度时）阶段的功率 3P=P1 q=2.62x1.96x10/60=85.6（W） c．快退（恒速时）阶段的功率 3P=P1 q=1.67x4.26x10/60=118.6（W） 由上述计算结果编制出的液压缸工况图3-7~3-9

六、制定液压回路的方案，拟定液压系统原理图

6.1制订液压回路方案

①油源型式及压力控制 工况图表明，系统的压力和流量均较小，故可采用电动机驱动的单定量泵供油油源和溢油阀调压方案，如图3-10所示。

②调速回路 铣床加工零件时，有顺铣和逆铣两种工作状态，故选用单向调速阀的回油节流调速回路（见图3-11）。由于已选用节流调速回路，故系统必然为开式循环。

③换向回路与快速运动回路及换接方式 换向回路选用三位四通“O”型中位机能的电磁换向阀实现液压缸的进退和停止（见图3-12）。采用二位三通电磁换向阀实现液压缸快进时的差动连接（见图3-13）。

由于本机床工作部件终点的定位精度无特殊要求，故采用行程控制方式即活动挡块压下电气行程开关，控制换向阀电磁铁的通断电以及死挡铁即可实现自动换向和速度换接。

④辅助回路 在液压泵进口设置一过滤器以保证吸入液压泵的油液清洁；出口设一单向阀以保护液压泵，在该单向阀与液压泵之间设一压力表及其开关，以便液压阀调压和观测（见图3-14）。

6.2拟定液压系统图 在制定各液压回路方案的基础上，经整理所组成的液压系统原理图如图3-15所示。由电磁铁动作顺序表（图中附表）容易了解系统的工作原理及各工况下的油液流动路线。

附表 系统的电磁铁动作顺序表

工况 电磁铁状态 1YA 2YA 3YA ┼ ┼ ┼ ┼ 快进 工进 快退 工作台原为停止

图3-15 专用铣床液压系统原理图

1-过滤器；2-单向定量泵；3-电动机；4-溢流阀；5-压力表开关；6-单向阀；7-三位四通电磁换向阀；8-单向调速阀；9-二位三通电磁换向阀；10-液压缸

七、计算并选择液压元件

7.1液压泵的计算与选定 ①液压泵的最高工作压力的计算

由工况3-2可以查得液压缸的最高工作压力出现在快退阶段，即p1=2.64 MPa ，由于进油路原件较少，故泵至缸间的进油路压力损失取为Δp=0.3MPa。则液压泵的最高工作压力pp为：

pp=2.64+0.3=2.94（MPa） ②液压泵的流量计算

泵的供油量qp按液压缸的快进（恒速时）阶段的流量q=4.58L/min进行估算。由于系统流量较小，故取泄漏系数K=1.3，则液压泵供油量qp应为： qp≥qv=Kqlmax=1.3×4.58=5.95（L/min） ③确定液压泵的规格

根据系统所需流量，拟初选液压泵的转速为n1=1450r/min，泵的容积效率ηv=0.8，根据式（2-37）可算得泵的排量参考值为： Vg=1000qv10005.95==5.13（mL/r） n1v14500.8根据以上计算结果查阅产品样本，选用规格相近的YB1-6型叶片泵，泵的额定压力为pn=6.3MPa，泵的额定转速为n=1450r/min，容积效z率ηp=0.80。倒推算得泵的额定流量为： q p=Vnηv=6×1450×0.80=6.96（L/min）比系统流量稍大。

④确定液压泵驱动功率由功率循环图3-9可知，最大功率出现在快退阶段，已知泵的总效率为ηp=0.80，则液压泵快退所需的驱动功率为：

Pp=

pqppp=

(p1p1)qpp=

(1.670.3)61450=0.357（KW） 30.8060107.2电机的选定

查表得，选用Y系列（IP44）中规格相近的Y801-4型卧式三相异步电动机，其额定功率为0.55kw，转速为1390r/min。用此转速驱动液压泵时，泵的实际输出流量为6.67L/min，仍能满足系统各工况对流量的要求。

表3-8 专用铣床液压系统中控制阀和部分辅助原件的型号规格 通过流量额定流量额定压名称 /(L/min） /(L/min） 力/MPa 型号 过滤器 6.67 16 2.5 XU-B16×100 定量叶片泵 6.67 6 6.3 YB-6 交流异步电动机 Y801-4 溢流阀 6.67 63 6.3 YF3-10B 压力表开关 —— —— 6.3 AF6EP30/Y63 单向阀 6.67 80 16 AF3-Ea10B 三位四通电磁换向阀 4.58 6 16 34DF3-E4B 单向调速阀 4.26 6.3 6.3 AQF3-6aB 二位三通电磁换向阀 4.26 10 6.3 23D-10B 液压缸 自行设计 单向调速阀8中调速阀的最小稳定流量为0.01L/min，小于系统工进速度时的回油量qmin=A2vg=946×60×10 V×10-6=0.057（L/min） 7.3液压控制阀和液压辅助原件的选定 根据系统工作压力与通过各液压控制阀及部分辅助原件的最大流量，查产品样本所选择的原件型号规格见表3-8，其中液压缸需自行设计。 管件尺寸由选定的标准件油口尺寸确定。 本系统属于中低压系统，取经验系数α=5，得油箱容量为： V=apq=5×6.67L=33.35≈33L 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 说明 八、验算 8.1液压系统的效率 （经计算p10.63105Pa，p22.625105Pa）取泵的效率Ｂ＝0.75，液压缸的机械效率G0.9，回路效率为： Cp1Q1pBQBFA2p2p1A1

p13960.466.26510.011041055(0.6310)Pa 419.631024105Pa1.96241050.29 当工进速度为1m/min时，c562710

0.12241050.0178 当工进速度为60mm/min时，c6271050.750.9(0.29~0.0178)0.196~0.012 8.2液压系统的温升

（只验算系统在工进时的发热和温升）定量泵的输入功率为：

PpyQB271056kW0.36kW30.756010

工进时系统的效率＝0.012，系统发热量为：

P(1)0.36(10.012)kW0.36kW ，油箱散热面积32取散热系数K1510kW/mCＡ＝O.0653V2m2时， 计算出油液温升的近似值： H0.356103 T固合理。 C33.5C50~55C，32KA150.06536 参考文献： 液压传动系统设计与使用 化学工业出版社 张利平编著 液压传动设计指南 化学工业出版社 张利平编著 液压传动（第三版）机械工业出版社 丁树模、丁问司

附表：

表1 按主机类型选择设计压力 主机类型 设计压力/Mp 精加工机床 0.8～2 半精加工机床 3～5 龙门刨创 2～8 拉床 8～10 10～16 20～32 25～100 当压力超过32Mp时，称为超高压压力 说明 机床 农业机械、小型工程机械、工程机械辅助机构 液压机、大中型挖掘机、起重运输机械 地质机械、冶金机械、铁道车辆维护机械、各类液压机具等 表2 缸的内径和活塞杆外径尺寸系列（GB/T 2348-1993） 内经尺寸系列 活塞杆外径尺寸系列 40 125 280 4 16 36 90 50 140 320 5 18 45 110 63 160 360 6 20 50 125 80 180 400 8 22 56 140 90 200 450 10 25 63 160 100 220 500 12 28 70 180 110 250 14 32 80 200 8 10 12 16 20 25 32 220 280 320 360

表3 液压执行元件的背压力 系统类型 背压力/Mp 简单系统和一般轻载节流调速系统 0.2～0.5 回油带背压阀 调整压力一般为0.5～1.5 回油路设流量调节阀的进给系统满载工作时 0.5 设补油泵的闭式系统 0.8～1.5 高压系统 初算时可忽略不计 中低压系统

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