数控车床尾座顶紧装置液压系统设计毕业设计.doc
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1、目录引 言第一章 数控车床尾座顶紧装置液压系统设计的立题依据及方案论证1.1液压系统设计的立题依据及课题来源1.2 液压系统的负载分析1.3 液压系统的设计计算要求1.4 机床液压系统选型第二章 执行元件的工作参数的确定2.1确定液压缸的参数计算与结构设计2.2液压缸在工作过程中各阶段的负载为2.3初选液压缸的工作压力2.4 液压缸的壁厚2.5缸底厚度计算2.6确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格2.7液压缸的结构设计第三章 液压控制装置集成块的设计3.1液压控制装置的总体设计3.2通道体设计的技术要求3.3通道体设计3.4液压阀的选择第四章 液压站的设计4.1液压油箱的设计第五章 液压系统的
2、验算结 论致谢参考文献引 言液压传动相对机械传动来说是一门新兴技术,但却是机械设备中发展速度最快的技术之一。虽然从17世纪中叶帕斯卡提出静压传递原理、18世纪末英国制造出世界上第一台水压机算起,已有几百年历史,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。近代液压传动是由19世纪崛起并蓬勃发展的石油工业推动起来的,最早实践成功的液压传动装置是第二次世界大战中应用于舰艇上的炮塔转位器,战后才在民用工业,尤其在机床上得到广泛的应用。20世纪60年代以后,随着电子技术、计算机技术、自动控制技术、微电子技术、磨擦磨损技术、可靠性技术及新工艺和新材料等方面的发展,液压技术发展
3、成为包括传动、控制和检测在内的一门完整的自动化技术。至今,由于油缸内的油液具有作用力大,动作的反应速度快、精度高,而且便于自动化操作的特点,使得采用液压传动技术的程度已成为衡量一个国家工业的重要标志之一。如发达国家生产的95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%以上的自动线都采用了液压传动技术。由此可见,液压传动技术在自动化程度越来越高的今天越来越受人青睐,而且掌握液压传动技术是何等的重要。本次设计中在充分借鉴前人经验的同时,融入了在大学三年里学习到的液压传动及机械方面的知识,以及本人的一些创新,将工业上应用比较广泛的数控车床尾座顶紧装置进行设计研究与制造,从而加深自己对液压装置的学习和认
4、识,从而使自己能够对以前所学的液压知识进行深化与运用。由常见的机械装置改装成由液压动力驱动的液压传动装置。其工作原理是:尾座顶紧,通过液压油在油缸上下腔的施压与排放,推动活塞杆在油缸中伸缩,使其对系统实施推力或拉力,完成尾座顶紧。这样设计的优点是,一方面,数控机床的液压油为柔性工作介质,比机械传动时产生的振动要少的多,有利于数控机床的平稳运行。另一方面,由于液压系统采用的行程检测装置测量准确,可更加真实地反映数控机床尾座顶紧的自动化控制。其意义是,将液压系统应用于数控车床,使其与数控NC技术完美结合,从而实现了先进技术的推广,并且完成了机床动作由手动完成向半自动乃至全自动的推进,大大提高了数控
5、车床的自动化程度,大大提高了劳动生产效率,为解放劳动力发展生产力迈出了重要的一步。本次设计的目的,毕业设计是对大学生活中从事机械及液压知识学习的一个总结,也是提高我们大学生综合运用所学知识和技能解决问题能力的一个重要环节,更是对大学阶段所学关于机械及液压知识和实际动手能力的一个考察。通过这次考察,不但可以提高我们的综合训练设计能力、科研能力,其中包括实际动手能力、查阅文献能力,撰写论文能力,以及proe和cad软件的使用来进行图形的测绘与仿真,编程及加工等。还是一次十分难得的提高创新能力的机会,并且使我在以下几个方面得到训练:1、了解液压传动系统设计的基本方法和设计要求,培养运用所学理论知识解
6、决具体工程技术问题的能力。2、掌握液压传动系统的设计步骤,熟悉设计的有关技术文件,规范设计手册及相关元件的国家标准。3、根据设计任务要求,进行工况分析和确定液压系统的液压元件拟定出液压系统,并对液压系统主要性能作必要的设计计算。针对大学中所学的机械及液压方面的知识,我选择这个课题来完成我的毕业设计,并进行了大量的实地调研考察,尝试和论证。本次设计中主要以课本和搜集来的各种资料作为依据,基于所学的知识,从简单入手,循序渐进,逐步掌握设计的一般方法和步骤,让我把知识掌握的更加牢固,并把所学的知识融成一个体系,以适应将来实际工作的需要。由于初次设计,所学知识又存在大量局限,实际经验也存在着大量的不足
7、,因此对一些问题可能考虑不周,致使设计中难免会存在有某些缺点和错误,恳请各位老师批评指正。第一章 数控车床尾座顶紧装置液压系统设计的立题依据及方案论证1.1液压系统设计的立题依据及课题来源 随着中国经的快速发展,工业也有了长足的进步,各行各业都离不了工业发展的支撑,液压控制技术是一项新兴的具有革命性的技术,它不断改变着工业发展的格局,不论是美国还是世界上其他国家近代的发展,机器设备的革新都离不开液压设备的发展,他们近代设备改进与应用都在不断加入液压装置,不论是数控机床还是工业机器人,他们在研发与改进上都往里注入液压装置。 我们在学校学习了很多液压方面的知识,但是多是纸上谈兵,只是说进入工厂后会
8、对液压设备有所了解罢了,在深入研究与制造设计方面上非常不足,所以我借这次西南科技大学自考毕业设计这次机会,进行一次液压装置方面的设计,从而对自己液压方面的知识进行一次提高。 我所选的课题是数控车床尾座液压装置的设计,设计要求要实现“快进工进停留快退停止” 。快进工进停留快退停止 图1设计步骤如下:1. 快进按下启动按钮,电磁铁1YA通电,电液换向阀4左转接入系统,顺序阀13因系统压力而处于关闭状态,变量泵2则输出较大流量,这时液压缸5两腔连通,实现差动快进,其油路如下。 进油路:过滤器1泵2单向阀3换向阀4行程阀6液压缸5左腔。 回油路:液压缸5右腔换向阀4单向阀12行程阀6液压缸5左腔。 2
9、. 工进 当滑台快进终了时,挡块压下行程阀6,切断快速运动进油路,电磁铁1YA继续通电,阀4仍以左位接入系统。这时液压油只能经调速阀11和二位二通换向阀9进入液压缸5左腔。由于工进时系统压力升高,变量泵2便自动减小其输出流量,顺序阀13此时打开,单向阀12关闭,液压缸5右腔的回油最终经背压阀14流回油箱,这样就使滑台转为第一次工作进给运动。进给量的大小由阀11调节,其油路为: 进油路:过滤器1泵2阀3阀4阀11阀9液压缸5左腔。 回油路:液压缸5右腔阀4阀13阀14油箱3死挡块停留 滑台完成工作进给后,碰上死挡块即停留下来。这时液压缸5左腔的压力升高,使压力继电器8动作,发出电信号给时间继电器
10、,停留时间由时间继电器调定。设置死挡块可以提高滑台加工进给的位置精度。4. 快速退回 滑台停留时间结束后,时间继电器发出信号,使电磁铁1YA、3YA断电,2YA通电这时阀4右位接入系统。因滑台返回时负载小,系统压力低,变量泵2输出流量又自动回复到最大,滑台快速退回,其油路为: 进油路:过滤器1泵2阀3阀4液压缸5右腔。 回油路:液压缸5左腔阀7阀4油箱。6. 原位停止 滑台快速退回原位,挡块压下原位行程开关,发出信号,使电磁铁2YA断电,至此全部电磁铁全部断电,阀4处于中位,液压缸两腔油路均被切断,滑台原位停止。这时变量泵2出口压力升高,输出液量减到最小,其输出功率接近零。表一+ 原位停止快退
11、死挡块停留工进快进1YA2YA3YA电磁铁行程阀+磁阀 动作 电磁阀和行程阀动作顺序表 图2 液压系统原理图1.过滤器 2.变量阀 3.7.12. 单向阀 4.9 换向阀 5.液压缸 6.行程阀 8.压力继电器 10.11.调速阀 13.顺序阀 14.背压阀 1.2 液压系统的负载分析 根据对液压动力滑头的运动分析,液压缸的负载可分为惯性负载、弹性负载、粘性负载、各种摩擦负载(如静摩擦、动摩擦等)以及其它不随时间、位置等参数变化的恒值负载等。但主要的负载有:(1)启动时的静摩擦负载;(2)向前卡紧工进时的工作负载;(3)工作进给时的最大切削力;(4)后退时的动摩擦负载。这些负载都是单向负载,是
12、与运动方向相反的正值负载,近似为恒定的负载,并且负载力的方向与液压缸活塞轴线重合。液压顶尖的主要作用是在加工工件时限制工件两个自由度,以卡紧工件,保证加工的顺利完成。此次我自行设计的液压顶尖还具备如以前老式车床的钻削能力,因此在运动方式上增加了工作进给。 1.3 液压系统的设计计算要求 1、液压系统的设计要求是进行每项程序设计的依据。在制定基本方案并进行进一步着手液压系统各部分设计之前,必须把设计要求以及与该设计内容有关的其他方面了解清楚。(1)机床的概况:用途、性能、工艺流程、作业环境、总体布局等;(2)液压系统要完成哪些动作,动作顺序及彼此关系如何;(3)液压驱动机构的运动形式,运动速度;
13、(4)各动作机构的载荷大小及其性质;(5)对调整范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求;(6)自动化程度、操作控制方式的要求;(7)对防尘、防爆、防寒、噪声、安全可靠性的要求;(8)对效率、成本等方面的要求。2、各个液压传动装置的设计要求为: (1)滑台的进给速度范围:快进快退速度范围为4.5m/min(0.075m/s) 工作进给速度应该能在20120m/min(0.00030.002m/s)。(2)液压尾座设计要求:最高压力5 MPa,换挡时间t=6s,尾座活塞杆最大行程L=280mm。(3)运动部件自重25Kg,起动换向时间t=0.05s,采用水平放置导轨,静摩察系数fs=0.2动摩
14、擦系数fd=0.1,摩擦因数m=0.9。(4)液压系统压力(0.24.5MPa),预计液压系统使用流量:23L/min。液压系统作为数控机床的传动装置, 应采用结构比较简单,设备外形尺寸小,能远距离传递大能量;能承受较大的载荷;没有复杂的传动机构;在室内的空气里能保证安全,动作迅速;操作、调节简单;过载保护简单可靠。1.4 机床液压系统选型1、液压回路的选择根据液压系统的设计要求,本液压系统采用开式回路,即执行元件(即液压缸)的排油回油箱,工作介质油液经过冷却、沉淀后再进入液压泵的进口,再进行循环工作。2、液压油液的选择由于本次设计的液压系统为普通液压系统,因此选用矿油型液压油作为工作介质。又
15、根据室内的工作状况,及北方冬夏工作温度变化较大的特点,冬季选用N32#液压油,夏季选用N46#液压油,通过液位计YWZ-80T可观察油位和油温。液压油需半年更换一次,并清理油箱。3、执行元件的选择根据液压系统的运动分析,本设计中要实现的运动均为直线运动,故可采用活塞液压缸或柱塞液压缸。又因为只要求一个方向工作,反向退回,故采用单活塞杆液压缸,并且由于负载力与活塞杆轴线重合,故不必采用柱塞缸。4、液压泵的选择根据液压系统的设计要求,该系统最高压力p=4.5Mpa,故可以采用双作用叶片泵或齿轮泵。第二章 执行元件的工作参数的确定2.1确定液压缸的参数计算与结构设计液压尾座液压缸:外作用力R=800
16、kg,最大工作压力p=4MPa;液压缸负载F,其受力分析如图3,查文献2表20-2-15中公式F= (1)式中 R液压缸外作用力液压缸总效率查参考文献2表20-6-3及参考文献1中的经验公式,在额定压力下的液压缸,总效率为=0.9-0.95 ,取=0.93,变档阶段液压缸所受外作用力F=800kg,代入公式(1)得: F= =860kg 计算油缸面积A=0.002107=2107图3 液压缸受力分析图F-负载力 -摩擦力 v-速度 D-液压缸直径 d-活塞杆直径 -液压油进口 -液压油出口计算液压缸直径D= =51.8mm,可圆整为D=80mm,活塞杆直径d=0.5D=40mm。有杆腔有效作用
17、面积A2=21.5无杆腔有效作用面积A1=62.5 计算所需流量Q油缸无杆腔充满油液时油缸容积V=50.2428=1.407因为顶紧时间为300/50=6秒,也就是油缸的无杆腔充满油液需要6秒,因此计算流量QQ=V60/6=1.40760/6=14.07L/min根据压力和流量可选择流量为23L/min,压力调整范围为0.85Mpa的液压泵即可满足要求。2.2液压缸在工作过程中各阶段的负载为: 启动加速阶段 快速或快退阶段 工进阶段 2.3 初选液压缸的工作压力参考同类机床顶尖的工作压力选取液压缸的工作压力为3MPa 表二背压Pb/Mpa简单系统,一般轻载节流调速系统0.2-0.5中低压系统(
18、08Mpa)回油路带调速阀的调速系统0.5-0.8回油路带背压阀的调速系统0.5-1.5带补油泵的闭式回路0.8-1.5中高压系统(816Mpa)同上比中低压系统高50%-100%初算时背压可忽略不计初算时背压可忽略不计初算时背压可忽略不计根据表二提供的信息本系统的背压估计值可在0.50.8Mpa范围内选取,故暂定:工进时Pb=0.8Mpa;快速运动时,Pb=0.5Mpa。液压缸在工作循环各阶段的工作压力P1即可按公式:差动快进阶段 差动快进阶段 有杆腔进油快退阶段 式中A1,A2液压缸无杆腔和有杆腔的有效面积;F液压缸在各工作阶段的最大机械总负载;Pb液压缸回油路的背压,即回油路的总压力损失
19、。在系统设计完成之前,Pb无法准确计算,可按表二估值。差动快进阶段 工作进给阶段 快速退回阶段 计算液压缸的输入流量因快进快退速度=0.075m/s,最大工进速度=0.002m/s,则液压缸各阶段的输入流量需为: 快进阶段 工进阶段 快退阶段 计算液压缸的输入功率 快进阶段 工进阶段 快进阶段 表三 工作阶段工作压力P1/mpa输入流量qv1/mpa输入功率p/mpa快速前进1.4418.50.43工作进给3.90.750.05快速退回2.750.440.442.4 液压缸的壁厚(1)液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知,承受内压力的圆筒,其内应力分布规律因壁厚的不同而各
20、异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸,一般用无缝钢管材料,大多属于薄壁圆筒结构,查参考文献16表4-17,其壁厚按薄壁圆筒公式有为: (2)式中 液压缸壁厚,m; D 液压缸内径,m; 试验压力,一般取最大工作压力的12515倍,低压系统取1.5倍; 缸筒材料的许用应力。其值为:锻钢:110-120 MPa;无缝钢管100-110 MPa。采用无缝钢管,取110 MPa,试验压力=1.54=6 MPa。代入公式(2)得:尾座液压缸壁厚:= =0.0022m=2.2mm,故取其壁厚为7.5mm。缸筒壁厚的验算液压缸的额定压力值应低于一定的极限值,保证工作安全。
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