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銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的是銑床的液壓設(shè)計(jì)，銑床是根據(jù)工件加工需要，以液壓傳動(dòng)為基礎(chǔ)，配以少量專(zhuān)用部件組成的一種機(jī)床。在生產(chǎn)中液壓專(zhuān)用銑床有著較大實(shí)用性，可以以液壓傳動(dòng)的大小產(chǎn)生不同性質(zhì)的銑床。此次設(shè)計(jì)主要是將自己所學(xué)的知識(shí)結(jié)合輔助材料運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，鞏固和深化已學(xué)知識(shí)，掌握液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的一般步驟和方法，正確合理的確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)，選用標(biāo)準(zhǔn)液壓元件，能熟練的運(yùn)用液壓基本回路，組成滿(mǎn)足基本性能要求的液壓系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中最主要的是圖紙的繪制，這不僅可以清楚的將所設(shè)計(jì)的內(nèi)容完整的顯示出來(lái)，還能看出所學(xué)知識(shí)是否已完全掌握了。 整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程主要分成六個(gè)部分：參數(shù)的選擇、方案的制定、執(zhí)行元件的設(shè)計(jì)、圖的編制、銑床液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及最后有關(guān)的驗(yàn)算。主體部分基本在執(zhí)行元件和液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)兩部分中完成的。 關(guān)鍵詞 專(zhuān)用銑床，液壓傳動(dòng)，回路，油缸 Abstract The graduation design is semi-automatic hydraulic special milling machine, hydraulic design special milling machine is based on needs of work, based on hydraulic transmission, match with a few special parts of a machine tool. During production has great practical hydraulic special milling machine, can with hydraulic drive size produces different nature of the milling machine. This design is mainly with my own knowledge will be applied to design of auxiliary materials, strengthening and deepening prior knowledge of hydraulic system design calculation, the general procedure and method to determine the correct method of actuator, choose standard hydraulic components, can skilled using hydraulic basic circuit, composition satisfy basic performance requirements of the hydraulic system. In the design process of the main is drawing, which not only can clearly drawn designed by the completeness of the contents will show out, still can see whether the knowledge already complete mastery. The whole design process mainly divided into six parts: parameter selection, plan formulation, the figure card planning, special milling machine design, hydraulic system design and final relevant calculating. Theme part includes graph preparation and hydraulic system design Key Words Special milling machine, Hydraulic transmission, Loop，Cylinder 目 錄 第一章 緒論 5 1.1 選題背景 5 1.2國(guó)內(nèi)外專(zhuān)用銑床的發(fā)展和研究狀況 5 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 5 1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 6 1.3國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì) 7 第二章 工況分析 9 2.1 設(shè)計(jì)要求 9 2.2 工況分析 9 2.2.1 運(yùn)動(dòng)分析 9 2.2.2 負(fù)載分析 10 第三章 執(zhí)行元件液壓缸的設(shè)計(jì) 12 3.1 液壓缸主要尺寸的確定 12 3.1.1液壓缸的工作壓力的確定 12 3.1.2 液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的確定 12 3.1.3 液壓缸工況圖的繪制 16 3.1.4 液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算 18 3.1.5 液壓缸工作行程的確定 19 3.1.6 缸蓋厚度的確定 20 3.1.7 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定 20 3.1.8 缸體長(zhǎng)度的確定 21 3.1.9 固定螺栓得直徑 21 3.1.10 液壓缸強(qiáng)度校核 21 3.2 液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23 3.2.1 缸體與缸蓋的連接形式 23 3.2.2 活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu) 24 3.2.3 活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu) 25 3.2.4 密封裝置 25 3.2.5 緩沖裝置 27 3.2.6 排氣裝置 28 3.2.7 液壓缸的安裝結(jié)構(gòu) 28 第四章 液壓系統(tǒng)方案擬定 29 4.1調(diào)速回路方案選型與分析 29 4.1.1 方案一：節(jié)流調(diào)速 29 4.1.2 方案二：容積調(diào)速 29 4.1.3 方案三：容積節(jié)流調(diào)速 30 4.2 快進(jìn)回路方案選型與分析 31 4.2.1 方案一：液壓缸差動(dòng)連接快速調(diào)速 32 4.2.2 方案二：采用蓄能器的快速調(diào)速 32 4.2.3 方案三：雙泵供油快速調(diào)速 33 4.3夾緊回路的選擇 33 第五章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算和元件選型 35 5.1液壓泵的選擇 35 5.1.1泵工作壓力的確定 35 5.1.2 泵的流量確定 35 5.1.3 選擇液壓泵的規(guī)格 35 5.1.4 確定液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率 36 5.2 液壓閥的選型 37 5.3液壓輔助元件的選擇 38 5.3.1 液壓管道尺寸的確定 38 5.3.2 液壓油箱容積的確定 38 第六章 液壓系統(tǒng)的驗(yàn)算 39 6.1 壓力損失的驗(yàn)算 39 6.2發(fā)熱溫升的驗(yàn)算 41 結(jié) 論 43 致 謝 44 參考文獻(xiàn) 45 附錄：英文文獻(xiàn)翻譯 46 英文文獻(xiàn)翻譯原文 51 58 銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第一章 緒論 1.1 選題背景 銑床是一種主要用于金屬切削的機(jī)床。于1818年由美國(guó)數(shù)位機(jī)械工程師共同發(fā)明的。銑床是用于切削平面，或者用特殊的形狀的銑刀銑出成型表面、螺旋槽或齒輪的齒形等。銑床分為臥式銑床、立式銑床、龍門(mén)銑床、仿形銑床、和萬(wàn)能銑床等。由于銑床具有較高的工作效率以及加工出來(lái)的零件精度高等特點(diǎn)，現(xiàn)在已成為各行業(yè)中不可缺少的設(shè)備，特別是數(shù)控銑床。這種銑床更是用于國(guó)防、航空、汽車(chē)、拖拉機(jī)、造船、機(jī)床和工具制造部分發(fā)展品種、推進(jìn)技術(shù)高招的重要設(shè)備。銑床擁有量已占機(jī)床量得1/10以上。 而液壓系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)多應(yīng)用也很廣泛，一般用于液壓傳動(dòng)。在一般工程機(jī)械、加工機(jī)械、壓力機(jī)械、機(jī)床等，行走機(jī)械中的工程機(jī)械、建筑機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、汽車(chē)等，發(fā)電廠渦輪調(diào)速裝置、測(cè)量浮標(biāo)、升降旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)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(jī)起落架的收放裝置和方向舵控制裝置等。土木水利工程用的防洪閘門(mén)及堤壩裝置、河床升降裝置、橋梁操縱機(jī)構(gòu)等。 隨著現(xiàn)代加工行業(yè)在我國(guó)的迅速發(fā)展，數(shù)控銑床在制造業(yè)仲應(yīng)用越來(lái)越廣泛，所以數(shù)控銑床的研制和推廣是加速機(jī)械工業(yè)技術(shù)革命的有效途徑之一，成為了推動(dòng)生產(chǎn)發(fā)站內(nèi)信的重要設(shè)備。液壓技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代傳動(dòng)與控制的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)之一，已成為各行各業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)。而液壓元件及其控制已發(fā)展成為綜合的液壓工程技術(shù)。利用液壓技術(shù)可在較寬范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，具有良好的換向及轉(zhuǎn)接功能，易于實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)等優(yōu)點(diǎn)，完成工件及刀具的夾緊，控制進(jìn)給速度和驅(qū)動(dòng)主軸作業(yè)。易管現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床、加工中心等先進(jìn)制造設(shè)備中采用機(jī)電伺服系統(tǒng)，但采用液壓傳動(dòng)與控制仍然是現(xiàn)代金屬切削機(jī)床自動(dòng)化的重要途徑。 據(jù)1995年全國(guó)第三次工業(yè)普查統(tǒng)計(jì)，我國(guó)液壓、氣動(dòng)和密封件工業(yè)鄉(xiāng)及鄉(xiāng)以上年銷(xiāo)售收入在100萬(wàn)元以上的國(guó)營(yíng)、村辦、私營(yíng)、合作經(jīng)營(yíng)、個(gè)體、“三資”等企業(yè)共有1300余家，其中液壓約700家，氣動(dòng)和密封件各約300余家。按1996年國(guó)際同行業(yè)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)液壓行業(yè)總產(chǎn)值23.48億元，占世界第6位；氣動(dòng)行業(yè)總產(chǎn)值4.19億元，占世界第10位。 1.2國(guó)內(nèi)外專(zhuān)用銑床的發(fā)展和研究狀況 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 在美國(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，它們將機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時(shí)代。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個(gè)“永恒”的課題。在美國(guó)、日本、德國(guó)，用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場(chǎng)，己形成了機(jī)床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國(guó)，機(jī)床改造業(yè)稱(chēng)為機(jī)床再生 (Remanufacturing)業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有:Bertsche工程公司、ayton機(jī)床公司、Devlieg-Bullavd(得寶)服務(wù)集團(tuán)、US設(shè)備公司等。美國(guó)得寶公司己在中國(guó)開(kāi)辦公司。在日本機(jī)床改造業(yè)稱(chēng)為機(jī)床改裝(Retrofitting)業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大限工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工機(jī)公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。而現(xiàn)在國(guó)外現(xiàn)狀偏向于： 1）高速高精與多軸加工成為數(shù)控機(jī)床的主流，納米控制已經(jīng)成為高速高精加工的潮流。 2）多任務(wù)和多軸加工數(shù)控機(jī)床越來(lái)越多地應(yīng)用到能源、航空航天等行業(yè)。 3）機(jī)床與機(jī)器人的集成應(yīng)用日趨普及，且結(jié)構(gòu)形式多樣化，應(yīng)用范圍擴(kuò)大化，運(yùn)動(dòng)速度高速化，多傳感器融合技術(shù)實(shí)用化，控制功能智能化，多機(jī)器人協(xié)同普及化。 4）智能化加工與監(jiān)測(cè)功能不斷擴(kuò)充，車(chē)間的加工監(jiān)測(cè)與管理可實(shí)時(shí)獲取機(jī)床本身的狀態(tài)信息，分析相關(guān)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)機(jī)床的狀態(tài)，提前進(jìn)行相關(guān)的維護(hù)，避免事故的發(fā)生，減少機(jī)床的故障率，提高機(jī)床的利用率。 5）最新的機(jī)床誤差檢測(cè)與補(bǔ)償技術(shù)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)機(jī)床的補(bǔ)償測(cè)量，與傳統(tǒng)的激光干涉儀相比，對(duì)機(jī)床誤差的補(bǔ)償精度能夠提高3～4倍，同時(shí)效率得到大幅度提升。 6）最新的CAD/CAM技術(shù)為多軸多任務(wù)數(shù) 控機(jī)床的加工提供了強(qiáng)有力的支持，可以大幅度提高加工效率。 7）刀具技術(shù)發(fā)展迅速，眾多刀具的設(shè)計(jì)涵蓋了整個(gè)加工過(guò)程，并且新型刀具能夠滿(mǎn)足平穩(wěn)加工以及抗振性能的要求。 1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國(guó)是機(jī)床生產(chǎn)大國(guó)，又是使用大國(guó)。數(shù)控機(jī)床是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵產(chǎn)品，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床在機(jī)床產(chǎn)品中的比例總體水平低。但是我國(guó)是發(fā)展中國(guó)家，許多企業(yè)財(cái)力薄弱，不可能花費(fèi)大量的資金添置許多全新的數(shù)控機(jī)床，同時(shí)大量的通用機(jī)床不可能全部淘汰。 因此，把普通機(jī)床改造為數(shù)控機(jī)床則不失為是一條提高數(shù)控化率的有效途徑，機(jī)床改造花費(fèi)少，改造針對(duì)性強(qiáng)，時(shí)間短，改造后的機(jī)床大多能克服原機(jī)床的缺點(diǎn)和存在的問(wèn)題，生產(chǎn)效率高。所以現(xiàn)在的國(guó)內(nèi)現(xiàn)在偏向于： 1）低技術(shù)水平的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)激烈，互相靠壓價(jià)促銷(xiāo)； 2）高技術(shù)水平、全功能產(chǎn)品主要靠進(jìn)口； 3）配套的高質(zhì)量功能部件、數(shù)控系統(tǒng)附件主要靠進(jìn)口； 4）應(yīng)用技術(shù)水平較低，聯(lián)網(wǎng)技術(shù)沒(méi)有完全推廣使用； 5）自行開(kāi)發(fā)能力較差，相對(duì)有較高技術(shù)水平的產(chǎn)品主要靠引進(jìn)圖紙、合資生產(chǎn)或進(jìn)口裝。 1.3國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì) 根據(jù)銑床行業(yè)18家骨干企業(yè)上報(bào)的經(jīng)濟(jì)信處統(tǒng)計(jì)資料顯示，2008年銑床行業(yè)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況基本良好，主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)仍保持增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，但相比2002年以來(lái)機(jī)床行業(yè)的持續(xù)高速增長(zhǎng)，增速明顯減緩。2008年1-4季度完成工業(yè)總產(chǎn)值(現(xiàn)價(jià))74.37億元，比上年增長(zhǎng)15.2%；產(chǎn)品銷(xiāo)售產(chǎn)值71.48億元，比上年增長(zhǎng)17.1%；利稅總額10.7億元，比上年增長(zhǎng)7.3%。 生產(chǎn)情況分析：受金融危機(jī)的影響，自2008年8月份，之后多數(shù)企業(yè)的產(chǎn)量出現(xiàn)了下滑，庫(kù)存量增加，后續(xù)合同減少。企業(yè)的經(jīng)營(yíng)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。 出口情況分析：由于金融危機(jī)對(duì)北美、歐洲以及南美等國(guó)的貨幣匯率波動(dòng)的影響較大，匯率的不穩(wěn)定，造成市場(chǎng)需求出現(xiàn)萎縮，國(guó)外客戶(hù)購(gòu)買(mǎi)能力下降，使機(jī)床出口量持續(xù)下滑。 當(dāng)前市場(chǎng)需求分析：伴隨著國(guó)際經(jīng)濟(jì)危機(jī)的不斷加深及全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的放緩，機(jī)床行業(yè)受宏觀經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的影響，呈現(xiàn)出增長(zhǎng)逐步減緩的趨勢(shì)。自去年下半年以后，機(jī)床市場(chǎng)需求出現(xiàn)了嚴(yán)重滑坡。從用戶(hù)行業(yè)上看，汽車(chē)行業(yè)是機(jī)床行業(yè)的主要下游行業(yè)之一，國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)受?chē)?guó)際、國(guó)內(nèi)整體經(jīng)濟(jì)的影響較大，美國(guó)汽車(chē)三大巨頭正面臨著前所未有的震蕩，其結(jié)果有可能使國(guó)際汽車(chē)行業(yè)重新洗牌，給國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，期待今年下半年能夠恢復(fù)并帶動(dòng)機(jī)床市場(chǎng)的需求；航空航天業(yè)是國(guó)家重點(diǎn)支持的下游行業(yè)，保持著較快的發(fā)展速度，對(duì)機(jī)床產(chǎn)品需求仍較高；電力設(shè)備工業(yè)有望維持正常增長(zhǎng)，繼續(xù)拉動(dòng)中高檔重型數(shù)控機(jī)床的需求；而船舶、模具、一般機(jī)械制造業(yè)，則受宏觀經(jīng)濟(jì)影響很大，下行趨勢(shì)已經(jīng)形成，對(duì)機(jī)床的需求有所下降。從市場(chǎng)需求看，普通機(jī)床和經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品市場(chǎng)需求急劇下滑，傳統(tǒng)普通產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)庫(kù)存量大幅增加。而中、高檔數(shù)控機(jī)床，成套設(shè)備和大型重型數(shù)控機(jī)床需求相對(duì)集中，這說(shuō)明行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生了非常大的變化，單臺(tái)產(chǎn)品平均價(jià)格走高，市場(chǎng)需求繼續(xù)向高端傾斜，重型機(jī)床領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈。 總的來(lái)說(shuō)銑床行業(yè)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢(shì)： 1）高速度與超精度化 速度和精度是數(shù)控機(jī)床的兩個(gè)重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。 2）高可靠性 隨著數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的高可靠性已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)制 造商和數(shù)控機(jī)床制造商追求的目標(biāo)。 3）多功能化 在零件加工過(guò)程中有大量的無(wú)用時(shí)間消耗在工件搬運(yùn)、上下料、安裝調(diào)整、換刀和主軸的升、降速上，為了盡可能降低這些無(wú)用時(shí)間，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺(tái)機(jī)床上，因此數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多能，以最大限度地提高設(shè)備利用率。 4）多軸化 隨著 5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)和編程軟件的普及，5軸聯(lián)動(dòng)控制的加工中心和數(shù) 控銑床已經(jīng)成為當(dāng)前的一個(gè)開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。 5）網(wǎng)絡(luò)化 數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化，主要指機(jī)床通過(guò)所配裝的數(shù)控系統(tǒng)與外部的其它控制系統(tǒng)或上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)控制。 6）柔性化、智能化 數(shù)控機(jī)床向柔性自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)是：從點(diǎn)(數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車(chē)間獨(dú)立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì) 性方向發(fā)展。 7）綠色化 21世紀(jì)的金切機(jī)床必須把環(huán)保和節(jié)能放在重要位置，即要實(shí)現(xiàn)切削加工工 藝的綠色化。目前這一綠色加工工藝主要集中在不使用切削液上。 8）體系開(kāi)放化 向未來(lái)技術(shù)開(kāi)放：由于軟硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，只需少量的重新 設(shè)計(jì)和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)費(fèi)用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于 長(zhǎng)生命周期。 9）極端化（大型化和微型化）國(guó)防、航空、航天事業(yè)的發(fā)展和能源等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)裝備的大型化需要大型且性能良好的數(shù)控機(jī)床的支撐。 第二章 工況分析 2.1 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一臺(tái)銑床液壓系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)“工件夾緊→工作臺(tái)快進(jìn)→工作臺(tái)工進(jìn)→工作臺(tái)快退→工件松開(kāi)“的自動(dòng)工作循環(huán)，其中工作臺(tái)的工進(jìn)分兩步進(jìn)行，兩次工進(jìn)負(fù)載和速度不同。具體參數(shù)要求如下： 1）運(yùn)動(dòng)部件的重力為25000N； 2）速度：快進(jìn)、快退速度均為5m/min，工進(jìn)速度為0.1~1.2 m/min； 3）最大行程為400mm，其中工進(jìn)行程為180mm； 4）最大切削力（工作負(fù)載）為18000N，一工進(jìn)負(fù)載力為27000N； 5）啟動(dòng)換向時(shí)間Δt=0.05s； 6）采用矩形導(dǎo)軌，靜摩擦因數(shù)fs=0.2，動(dòng)摩擦因數(shù)fa=0.1； 7）夾緊缸的行程為20mm，夾緊力為30000N，夾緊時(shí)間為1s； 8）液壓缸在各個(gè)工作階段的負(fù)載值其中，也就是效率為90%。 2.2 工況分析 2.2.1 運(yùn)動(dòng)分析 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該銑床的工作循環(huán)為：“工件夾緊→工作臺(tái)快進(jìn)→工作臺(tái)工進(jìn)→工作臺(tái)快退→工件松開(kāi)“的自動(dòng)工作循環(huán)，其中工作臺(tái)的工進(jìn)分兩步進(jìn)行，兩次工進(jìn)負(fù)載和速度不同，且個(gè)工部速度如下： 快進(jìn)、快退速度為：5m/min 繪制運(yùn)動(dòng)部件的速度循環(huán)圖如圖2-1所示。 圖2-1 速度循環(huán)圖 2.2.2 負(fù)載分析 液壓缸所受外載荷F包括三種類(lèi)型，分別為工作負(fù)載、摩擦阻力負(fù)載、慣性負(fù)載即： F = Fw+ Ff+ Fa 1）工作負(fù)載Fw 對(duì)于金屬切削機(jī)床來(lái)說(shuō)，即為沿活塞運(yùn)動(dòng)方向的切削力，在本設(shè)計(jì)中： 一工進(jìn)工作負(fù)載Fw1=27000N，二工進(jìn)工作負(fù)載Fw2=18000N。 2）導(dǎo)軌摩擦阻力負(fù)載Ff 啟動(dòng)時(shí)為靜摩擦力，啟動(dòng)后為動(dòng)摩擦力，對(duì)于平行導(dǎo)軌Ff可以由下式求的： Ff = f ( G + FRn ) G ——運(yùn)動(dòng)部件重力； FRn ——垂直于導(dǎo)軌的工作負(fù)載，此設(shè)計(jì)中為零； f——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取靜摩擦系數(shù)為0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1。求得 Ffs = 0.2×25000N = 5000N Ffa = 0.1×25000N = 2500N 上式中Ffs 為靜摩擦力，F(xiàn)fa 為動(dòng)摩擦力。 3）運(yùn)動(dòng)部件速度變化時(shí)的慣性負(fù)載Fa Fa = 式中g(shù)——重力加速度； ——加速或減速時(shí)間，本設(shè)計(jì)中 = 0.05s； ——時(shí)間內(nèi)的速度變化量。 故： Fa = ×N = 4230N 根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，列出各工作階段所受的外負(fù)載（見(jiàn)表2-1），并畫(huà)出如圖2-2所示的負(fù)載循環(huán)圖。 表2-1 工作循環(huán)各階段的外負(fù)載 序 工作循環(huán) 外負(fù)載F(N) 1 啟動(dòng)、加速 F = Ffs + Fa 9230 2 快進(jìn) F = Ffa 2500 3 一工進(jìn) F = Fw1+ Ffa 29500 4 二工進(jìn) F = Fw2+ Ffa 20500 5 快退啟動(dòng)加速 F = Ffs + Fa 9230 6 快退 F = Ffa 2500 圖2-2 負(fù)載循環(huán)圖 第三章 執(zhí)行元件液壓缸的設(shè)計(jì) 液壓缸是液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，它的職能是將液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。液壓缸的輸入量是液體的流量和壓力，輸出量是直線速度和力。液壓缸的活塞能完成往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，輸出有限的直線位移。 如圖3-1所示，液壓缸由缸體1、活塞2、活塞桿3、端蓋4、活塞桿密封件5組成。 圖3-1 液壓缸組成 液壓缸按作用方式分為單作用液壓缸、雙作用液壓缸和復(fù)合式缸。單作用液壓缸：一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)依靠液壓作用力實(shí)現(xiàn)，另一個(gè)方向依靠彈簧力、重力等實(shí)現(xiàn)。雙作用液壓缸：兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)都依靠液壓作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)。復(fù)合式缸：活塞缸與活塞缸的組合、活塞缸與柱塞缸的組合、活塞缸與機(jī)械結(jié)構(gòu)的組合等。 3.1 液壓缸主要尺寸的確定 3.1.1液壓缸的工作壓力的確定 液壓缸工作壓力p主要根據(jù)液壓設(shè)備的類(lèi)型來(lái)確定，對(duì)不同用途的液壓設(shè)備，由于工作條件不同，通常采用的壓力范圍也不同。設(shè)計(jì)時(shí)，可以用類(lèi)比法來(lái)確定。現(xiàn)參閱表3-1來(lái)取液壓缸的工作壓力為3MPa。 表3-1 液壓設(shè)備常用的工作壓力 設(shè)備 類(lèi)型 機(jī) 床 農(nóng)業(yè)機(jī)械或中型 工程機(jī)械 液壓機(jī)、重型 機(jī)械等 磨床 組合 機(jī)床 龍門(mén) 刨床 拉床 工作壓力 0.8~2.0 3~5 2~8 8~10 10~16 20~32 3.1.2 液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的確定 圖3-2 單活塞液壓缸計(jì)算示意圖 由圖3-2可知 = = （4-1） 式中——液壓缸的工作壓力，初算時(shí)可取系統(tǒng)工作壓力。 ——液壓缸回油腔背壓力，可以根據(jù)表3-2估計(jì)。 ——活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑之比，可以按表3-3選取。 ——工作循環(huán)中最大的外負(fù)載。 ——液壓缸密封處的摩擦力，它的精確值不易求得，常用液壓缸的機(jī)械效率進(jìn)行估算。 （3-2） 式中 ——液壓缸的機(jī)械效率，一般= 0.9~0.97，根據(jù)已知本次為0.9。 將代入式（4-1），可以求得D為 D = （3-3） 活塞桿直徑可以由值算出，由計(jì)算所得的D與d的值分別按表3-4和表3-5圓整到相近的標(biāo)準(zhǔn)直徑，以便采用標(biāo)準(zhǔn)的密封元件。 表3-2 執(zhí)行元件背壓的估計(jì)值 系 統(tǒng) 類(lèi) 型 背壓p1 （MPa） 中、低壓系統(tǒng)0~8MPa 簡(jiǎn)單的系統(tǒng)和一般輕載的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 0.2~0.5 回油路帶調(diào)速閥的調(diào)速系統(tǒng) 0.5~0.8 回油路帶背壓閥 0.5~1.5 采用帶補(bǔ)液壓泵的閉式回路 0.8~1.5 中高壓系統(tǒng)＞8~16MPa 同上 比中低壓系高50%~100% 高壓系統(tǒng)＞16~32MPa 如鍛壓機(jī)等 出算可忽略 表3-3 液壓缸內(nèi)徑D與活塞桿直徑d的關(guān)系 按機(jī)床類(lèi)型選取d/D 按液壓缸工作壓力選取工作壓力d/D 機(jī)床類(lèi)別 d/D 工作壓力p/(MPa) d/D 磨床、研磨機(jī)床 0.2~0.3 ≤2 0.2~0.3 插床、拉床、刨床 0.5 ＞2~5 0.5~0.58 鉆、鏜、車(chē)、銑床 0.7 ＞5~7 0.62~0.70 —— —— ＞7 0.7 表3-4 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列 (GB2348--80) (mm) 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （90） 100 （110） 125 （140） 160 （180） 200 （220） 250 320 400 500 630 注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為非優(yōu)先選用值 表3-5 活塞桿直徑系列 (GB2348--80) (mm) 4 5 6 8 10 12 14 16 18 2 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 對(duì)選定后的液壓缸內(nèi)徑D，必須進(jìn)行穩(wěn)定速度的驗(yàn)算。要保證液壓缸節(jié)流腔的有效工作面積A，必須大于保證最小穩(wěn)定速度的最小有效工作面積，即 A＞ = （3-4） 式中 ——流量閥的最小穩(wěn)定流量，一般從選定流量閥的產(chǎn)品樣本中查得。 ——液壓缸的最低速度，由設(shè)計(jì)要求給定。 如果液壓缸節(jié)流腔的有效工作面積A不大于計(jì)算所得的最小有效工作面積，則說(shuō)明液壓缸不能保證最小穩(wěn)定速度，此時(shí)必須增大液壓缸的內(nèi)徑，以滿(mǎn)足速度穩(wěn)定的要求。 現(xiàn)計(jì)算液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d。由負(fù)載圖知最大負(fù)載F為29500N，按表3-2可以取得p2為0.5Mp, cm為0.90考慮到快進(jìn)、快退速度相等，所以取d/D = 0.7。將上述數(shù)據(jù)代入式（4-3）可以得到 D = 根據(jù)表3-4，將液壓缸內(nèi)徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列直徑D=125mm，活塞桿直徑d，按d/D = 0.7以及表2-5活塞桿系列取d = 90mm。 按工作要求夾緊力由兩個(gè)夾緊缸提供，考慮到夾緊缸的穩(wěn)定，夾緊缸的工作壓力應(yīng)該低于進(jìn)給工作缸的工作壓力，現(xiàn)取夾緊缸的工作壓力為零，cm為0.9，則按照式（3-3）可得 D = m =9.2×10-2m 按照表3-4以及表3-5液壓缸和活塞桿的尺系列，取夾緊缸的D和d分別為100mm和70mm。 按最低工進(jìn)速度驗(yàn)算液壓缸的最小穩(wěn)定速度，由式（3-4）可得 A = cm2 = 5 cm2 式中qmin是由產(chǎn)品樣品查得GE系列調(diào)速閥AQF3-E10B的最小穩(wěn)定流量為0.05L/min。調(diào)速閥安裝在進(jìn)油路上，故液壓缸節(jié)流腔有效工作面積應(yīng)該選取液壓缸無(wú)桿腔的實(shí)際面積，即 A = ×（12.5cm）2 = 122.7cm2 可見(jiàn)上述不等式滿(mǎn)足，液壓缸能夠達(dá)到所需低速。 3.1.3 液壓缸工況圖的繪制 油缸各工況的壓力、流量、功率的計(jì)算如下： （1）計(jì)算各工作階段液壓缸所需的流量 q快進(jìn) =×d2×v快速 = ×0.092×5m3/min = 31.81×10-3 m3/min = 31.81L/min q工進(jìn)一=×D2×v工進(jìn) = ×0.1252×1.2m3/min= 14.73×10-3 m3/min = 14.73L/min q工進(jìn)二=×D2×v工進(jìn) = ×0.1252×0.1m3/min= 1.23×10-3 m3/min =1.23L/min q快退=××v快退=××5m3/min= 29.53L/min q夾 = D2 v夾=×0.12×20×10-3 m3/min = 9.42×10-3 m3/min = 9.42L/min （2）計(jì)算各工作階段液壓缸壓力 由參考文獻(xiàn)一，初選液壓缸的設(shè)計(jì)壓力P1=3MPa. 為了滿(mǎn)足工作臺(tái)進(jìn)退速度相等，并減小液壓泵的流量，今將液壓缸的無(wú)桿腔作為主工作腔，并在快進(jìn)時(shí)差動(dòng)連接，則液壓缸無(wú)桿腔的有效面積A1 與A2應(yīng)滿(mǎn)足A1=2A2（即液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d間應(yīng)滿(mǎn)足：D=d，前述設(shè)計(jì)D=125mm,d=90mm滿(mǎn)足此要求） 為防止工進(jìn)結(jié)束時(shí)發(fā)生前沖，液壓缸需保持一定回油背壓。由參考文獻(xiàn)一，暫取背壓為0.8MPa，并且液壓缸機(jī)械效率ηm=0.9,則可計(jì)算出液壓缸無(wú)桿腔的有效面積： 則液壓缸的實(shí)際有效面積為 差動(dòng)連接快進(jìn)時(shí)，液壓缸有桿腔壓力P2必須大于無(wú)桿腔壓力P1；其差值估取△P= P2- P1=0.5MPa,并注意到啟動(dòng)瞬間液壓缸尚未移動(dòng)，此時(shí)△P=0；另外，取快退時(shí)的回油壓力損失為0.5MPa。 根據(jù)上述條件經(jīng)計(jì)算得到液壓缸工作循環(huán)中各階段的壓力、流量和功率匯總?cè)绫?-6，并可繪出其油缸的工況圖（圖3-2）。 表3-6 液壓缸工作循環(huán)中各階段的壓力、流量和功率 工作階段 計(jì)算公式 負(fù)載 F（N） 回油腔 壓力 P2(MPa) 工作腔 壓力 P1(MPa) 輸入流量 q(L/min) 輸入功率 N(W) 快進(jìn) 啟動(dòng) 5000 - 0.87 - - 加速 9230 0.5 1.61 - - 恒速 2500 0.5 0.44 31.81 231.6 工進(jìn)一 29500 0.8 2.67 14.73 656.1 工進(jìn)二 20500 0.8 1.86 1.23 38.1 快退 啟動(dòng) 5000 - 0.94 - - 加速 9230 0.5 1.74 - - 恒速 2500 0.5 0.47 29.53 231.4 注：1.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=0.5MPa; 2.快退時(shí)液壓缸有桿腔進(jìn)油，壓力為，無(wú)桿腔回油，壓力為。 圖3-2 液壓缸的工況圖 3.1.4 液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算 液壓缸的壁厚由液壓缸的強(qiáng)度條件來(lái)計(jì)算。 液壓缸的壁厚一般指液壓缸中最薄處的厚度。從材料力學(xué)可以知道，承受內(nèi)壓力的圓筒，其內(nèi)應(yīng)力分別規(guī)律因?yàn)楸诤竦牟煌鳟?。一般?jì)算時(shí)可以分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。 液壓缸的內(nèi)徑D與其壁厚的比值D/≥10的圓筒稱(chēng)為薄壁圓筒。起重運(yùn)輸機(jī)械和工程機(jī)械的液壓缸，一般采用無(wú)縫鋼管，大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒壁厚公式計(jì)算 ≥ 式中 ——液壓缸壁厚（m）。 D——液壓缸內(nèi)徑（m）。 ——試驗(yàn)壓力，一般取最大工作壓力的（1.25~1.5）倍（MPa）。額定壓力≤16Mpa,取=1.5 MPa。 ——缸筒材料的許用應(yīng)力。 = ，其中為材料抗拉剛度，n為安全系數(shù)，一般取n = 5。的值為：鍛鋼： = 110~120 MPa；鑄鋼： = 100~110 MPa；無(wú)縫鋼管： = 110~110 MPa；高強(qiáng)度鑄鐵： = 60MPa；灰鑄鐵： = 25MPa。 在中低壓液壓系統(tǒng)中，按上式計(jì)算所得液壓缸的壁厚往往很小，使得液壓缸的剛度往往不夠，如在切削加工過(guò)程中的變形、安裝變形等引起液壓缸工作過(guò)程卡死或者漏油。因此一般不作計(jì)算，按經(jīng)驗(yàn)選取，必要時(shí)按上式公式進(jìn)行校核。 對(duì)于D/＜10時(shí)，應(yīng)該按材料力學(xué)中的厚壁圓筒公式進(jìn)行壁厚的計(jì)算。 對(duì)于脆性材料以及塑性材料 ≥ 式中的符號(hào)意思與前面相同。 液壓缸壁厚算出后，即可以求出缸體的外徑為 ≥ + 式中值應(yīng)該按無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)，或者按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)圓整為標(biāo)準(zhǔn)值。 在設(shè)計(jì)中，取試驗(yàn)壓力為最大工作壓力的1.5倍，即 = 1.5×3MPa =4.5MPa。而缸筒材料許用應(yīng)力取為= 100 MPa。 應(yīng)用公式 ≥ 得， ≥ 下面確定缸體的外徑，缸體的外徑 ≥ + = 125+2×14.06mm = 153.12mm。在液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)中查得選取標(biāo)準(zhǔn)值 = 155mm。在根據(jù)內(nèi)徑D和外徑重新計(jì)算壁厚， = = mm = 15mm。 3.1.5 液壓缸工作行程的確定 液壓缸工作行程長(zhǎng)度，可以根據(jù)執(zhí)行元件機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最大行程來(lái)確定，并且參照表3-6中的系列尺寸來(lái)選取標(biāo)準(zhǔn)值。 表3-6 液壓缸活塞行程參數(shù)系列 （mm） Ⅰ 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 Ⅱ 40 63 90 110 140 180 220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 1800 2200 2800 3900 Ⅲ 240 260 300 340 380 420 480 530 600 650 750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 3800 注：液壓缸活塞行程參數(shù)依Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次序優(yōu)先選用。 由已知條件知道最大工作行程為400mm,參考上表，取液壓缸工作行程為400mm。 3.1.6 缸蓋厚度的確定 一般液壓缸多為平底缸蓋，其有效的厚度t按強(qiáng)度要求可以用下面兩式進(jìn)行進(jìn)似計(jì)算。 無(wú)孔時(shí)： 有孔時(shí)： 式中 ——缸蓋有效厚度（m）。 ——缸蓋止口內(nèi)徑（m）。 ——缸蓋孔的直徑（m）。 3.1.7 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定 當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支撐面中點(diǎn)到缸蓋滑動(dòng)支撐面的距離H稱(chēng)為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度（圖3-2）。如果導(dǎo)向長(zhǎng)度過(guò)小，將使液壓缸的初始撓度（間隙引起的撓度）增大，從而影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須保證有一定得最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。 對(duì)于一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H應(yīng)滿(mǎn)足以下要求 式中 ——液壓缸的最大行程。 ——液壓缸的內(nèi)徑。 活塞的寬度B一般取得B =（0.6~1.0）D；缸蓋滑動(dòng)支撐面的長(zhǎng)度，根據(jù)液壓缸內(nèi)徑D而定。 當(dāng)D＜80mm時(shí)，?。? 當(dāng)D＞80mm時(shí)，取。 為了保證最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H，如果過(guò)分增大和B都是不適宜的，必要時(shí)可以在缸蓋和活塞之間增加一個(gè)隔套K來(lái)增加H的值。隔套的長(zhǎng)度C由需要的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H決定，即 在此設(shè)計(jì)中，液壓缸的最大行程為400mm，液壓缸的內(nèi)徑為125mm，所以應(yīng)用公式的 =mm = 82.5mm。 活塞的寬度B = 0.8D = 100mm。 3.1.8 缸體長(zhǎng)度的確定 液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長(zhǎng)度還要考慮到兩端端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長(zhǎng)度不應(yīng)該大于內(nèi)徑的20~30倍。缸體長(zhǎng)度L = 400+100mm=500mm。 3.1.9 固定螺栓得直徑 液壓缸固定螺栓直徑按照下式計(jì)算 式中 F——液壓缸負(fù)載。 Z——固定螺栓個(gè)數(shù)。 k——螺紋擰緊系數(shù)，k = 1.121.5。 根據(jù)上式求得 = = 10.3mm 3.1.10 液壓缸強(qiáng)度校核 1）缸筒壁厚校核： 。 。 前面已經(jīng)通過(guò)計(jì)算得：D = 125mm, = 15mm。則有＜10，所以為厚壁缸。 = 15mm≥ = = 11.12mm，可見(jiàn)缸筒壁厚滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。 2）活塞桿穩(wěn)定性的驗(yàn)算： 活塞桿受軸向壓縮負(fù)載時(shí)，它所承受的軸向力F不能超過(guò)使它穩(wěn)定工作所允許的臨界負(fù)載，以免發(fā)生縱向彎曲，從而破壞液壓缸的正常工作。的值與活塞桿材料性質(zhì)、截面的形狀、直徑和長(zhǎng)度以及液壓缸的安裝方式等因素有關(guān)?；钊麠U的穩(wěn)定性的校核依照下式（穩(wěn)定條件）進(jìn)行 式中 ——安全系數(shù)，一般取=24。 當(dāng)活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比＞時(shí) = 當(dāng)活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比≤時(shí)，且 = 20120時(shí)，則 = 式中 ——安裝長(zhǎng)度，其值與安裝方式有關(guān)。 ——活塞桿截面最小回轉(zhuǎn)半徑， = 。 ——柔性系數(shù)。 ——由液壓缸支承方式?jīng)Q定的末端系數(shù)。 E——活塞桿材料的彈性模量，對(duì)剛?cè) = 。 J——活塞桿橫截面慣性矩，A為活塞桿橫截面積。 f——由材料強(qiáng)度決定的實(shí)驗(yàn)值。 根據(jù)驗(yàn)算，液壓缸滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。 3.2 液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 液壓缸主要尺寸確定以后，就進(jìn)行各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要包括：液壓缸缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu)、活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)、活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)、密封裝置、緩沖裝置、排氣裝置、以及液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu)等。由于工作條件的不同，結(jié)構(gòu)形式也各不相同。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。 3.2.1 缸體與缸蓋的連接形式 缸體與缸蓋常見(jiàn)連接方式有法蘭連接式、半環(huán)連接式 、螺紋連接式 、拉桿連接式 、焊接式連接等。 圖4-3 常見(jiàn)的缸筒和缸蓋結(jié)構(gòu) 圖3-3所示為常見(jiàn)的缸蓋和缸筒連接形式。圖2-3a 為法蘭式連接結(jié)構(gòu)，這種連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，容易加工，便于裝卸，強(qiáng)度較大，能夠承受高壓。但是外形尺寸較大，常用于鑄鐵制的缸筒上。 圖3-3b 為半環(huán)式連接結(jié)構(gòu)，這種連接分為外半環(huán)連接和內(nèi)半環(huán)連接兩者形式。它們的缸筒壁部由于開(kāi)了環(huán)形槽而削弱了強(qiáng)度，為此有時(shí)要增加壁厚。它容易加工和裝卸、重量較輕，半環(huán)連接是一種應(yīng)用較為普遍的連接結(jié)構(gòu)，常用于無(wú)縫鋼管和鍛鋼制的缸筒上。 圖3-3c、f 為螺紋連接形式，這種連接分為外螺紋連接和內(nèi)螺紋連接兩者形式。它的缸筒端部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外徑加工必須要求同時(shí)保證內(nèi)外徑同心，裝卸要使用專(zhuān)用工具，它的外形尺寸和重量都比較小，結(jié)構(gòu)緊湊，常常用于無(wú)縫鋼管和鍛鋼制的缸筒上。 圖3-3d 為拉桿式連接形式，這種連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好、通用性強(qiáng)、易于裝拆，但是端蓋的體積和重量都非常大，拉桿在受力后容易拉伸變長(zhǎng)，從而影響密封效果，僅適用于長(zhǎng)度不大的中低壓缸。 圖3-3d 為焊接式連接，這種連接形式強(qiáng)度高，制造簡(jiǎn)單，但是焊接時(shí)容易引起缸筒的變形。 缸體端部與缸蓋的連接形式與工作壓力、缸體材料以及工作條件有關(guān)。通過(guò)綜合考慮，在此設(shè)計(jì)中，缸體端部與缸蓋采取法蘭連接的形式。 3.2.2 活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu) 活塞和活塞桿的結(jié)構(gòu)形式有很多，常見(jiàn)的有一體式、錐銷(xiāo)式連接外、還有螺紋式連接和半環(huán)式連接等多種形式，如圖3-4所示。半環(huán)式連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝卸不便，但是工作可靠。 圖3-4 活塞桿與活塞的結(jié)構(gòu) 此外，活塞和活塞桿也有制成整體式結(jié)構(gòu)的，但是它只能適應(yīng)于尺寸較小的場(chǎng)合?；钊话阌媚湍ヨT鐵制造，活塞桿則不論是空心的還是實(shí)心的，大多用鋼料制造。經(jīng)過(guò)綜合考慮，在此設(shè)計(jì)中，活塞桿與活塞的連接采取螺紋連接的形式，如圖3-5所示。 圖3-5 活塞桿與活塞的連接形式 這種連接方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于拆卸，成本低廉，但是在震動(dòng)的過(guò)程中容易松動(dòng)，所以加了防松裝置，應(yīng)用范圍較廣。 3.2.3 活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu) 活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)，包括活塞桿與端蓋、導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)，以及密封、防塵和鎖緊裝置等。導(dǎo)向套的結(jié)果可以做成端蓋整體式直接導(dǎo)向，也可以做成與端蓋分開(kāi)的導(dǎo)向套導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。后者導(dǎo)向套磨損后便于更換，所以應(yīng)用比較普遍。導(dǎo)向套的位置可以安裝于密封圈的內(nèi)側(cè)，也可以安裝于密封圈的外側(cè)。機(jī)床和工程機(jī)械中一般采用裝在內(nèi)測(cè)的結(jié)構(gòu)，有利于導(dǎo)向套的潤(rùn)滑；而壓油機(jī)常采用裝在外測(cè)的結(jié)構(gòu)，在高壓下工作時(shí)，使得密封圈由足夠的油壓將唇邊張開(kāi)，以提高系統(tǒng)的密封性能。 活塞桿處的密封形式由O型、V型、Y型和型密封圈。為了清除活塞桿處外漏部分粘附的灰塵，保證油液清潔以及減少磨損，在端蓋外側(cè)增加防塵圈。此設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)綜合考慮，采取端蓋直接導(dǎo)向。 3.2.4 密封裝置 液壓缸中常見(jiàn)的密封裝置有間隙密封，摩擦環(huán)密封，密封圈密封等。 間隙密封依靠運(yùn)動(dòng)件間的微笑間隙來(lái)防止泄露。為了提高這種裝置的密封能力，常在活塞的表面制造出幾條微小的環(huán)形槽，用以增大油液通過(guò)間隙時(shí)的阻力。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，摩擦阻力小，可以耐高溫，但是泄露大，加工要求高，磨損后無(wú)法恢復(fù)原有能力，只有在尺寸小、壓力較低、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較高的缸筒和活塞間使用。 摩擦環(huán)密封依靠活塞上的摩擦環(huán)（尼龍或者其他高分子材料制成）在“O”形圈彈力作用下貼緊缸壁而防止泄露。這種材料密封效果好，摩擦阻力較小并且穩(wěn)定，可以耐高溫，磨損后有自動(dòng)補(bǔ)償能力，但是加工要求高，裝拆不方便，適用于缸筒和活塞之間的密封。 油缸主要采用密封圈密封，密封圈有O形、V形、Y形及組合式等數(shù)種，其材料為耐油橡膠、尼龍、聚氨脂等。它利用橡膠或者塑料的彈性使各種截面的環(huán)形圈貼緊在靜、動(dòng)配合面之間來(lái)防止泄露。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，磨損后有自動(dòng)補(bǔ)償能力，性能可靠，在缸筒和活塞之間、活塞和活塞桿之間、缸筒和缸蓋之間都能使用。 （1）O形密封圈（如圖3-6） O形密封圈的截面為圓形，主要用于靜密封。與唇形密封圈相比，運(yùn)動(dòng)阻 力較大，作運(yùn)動(dòng)密封時(shí)容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，故一般不單獨(dú)用于油缸運(yùn)動(dòng)密封。 圖3-6 O形密封圈 （2）V形密封圈（如圖3-7） V形圈的截面為V形，如圖所示，V形密封裝置是由壓環(huán)、V形圈和支承環(huán)組成。當(dāng)工作壓力高于10MPa時(shí)，可增加V形圈的數(shù)量，提高密封效果。安裝時(shí)，V形圈的開(kāi)口應(yīng)面向壓力高的一側(cè)。 圖3-7 V形密封圈 （3）Y形密封圈（如圖3-8） Y形密封圈的截面為Y形，屬唇形密封圈(Lip Seal)。它是一種摩擦阻力小、壽命較長(zhǎng)的密封圈，應(yīng)用普遍。Y形圈主要用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的密封。根據(jù)截面長(zhǎng)寬比例的不同，Y形圈可分為寬斷面和窄斷面兩種形式，圖所示為寬斷面Y形密封圈。 圖3-8 Y形密封圈 對(duì)于活塞桿外伸部分來(lái)說(shuō)，由于它很容易把臟物帶入液壓缸，使油液受到污染，使密封件磨損，因此常需要在活塞桿密封處增添防塵圈，并且放在向著活塞桿外伸的一段。 3.2.5 緩沖裝置 液壓缸帶動(dòng)質(zhì)量較大的部件作快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)部件具有很大的動(dòng)能，因此當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到液壓缸終端時(shí)，會(huì)與端蓋碰撞，而產(chǎn)生沖擊和噪聲。這種機(jī)械沖擊不僅引起液壓缸的有關(guān)部分的損壞，而且會(huì)引起其它相關(guān)機(jī)械的損傷。為了防止這種危害，保證安全，應(yīng)采取緩沖措施，對(duì)液壓缸運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行控制。 當(dāng)活塞移至端部，緩沖柱塞開(kāi)始插入缸端的緩沖孔時(shí)，活塞與缸端之間形成封閉空間，該腔中受困擠的剩余油液只能從節(jié)流小孔或緩沖柱塞與孔槽之間的節(jié)流環(huán)縫中擠出，從而造成背壓迫使運(yùn)動(dòng)柱塞降速制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)緩沖。 液壓缸中常用的緩沖裝置有節(jié)流口可調(diào)式（如圖3-9）和節(jié)流口變化式（如圖3-10）兩種。 圖3-9 節(jié)流口可調(diào)式緩沖裝置 圖3-10 節(jié)流口變化式緩沖裝置 在此設(shè)計(jì)中，為了適當(dāng)?shù)臏p輕加工難度，決定采取如圖3-9所示的緩沖裝置。這種緩沖裝置可以調(diào)節(jié)。 3.2.6 排氣裝置 排氣裝置在液壓缸中是十分必要的，這是因?yàn)橛鸵褐谢烊氲目諝饣蛘咭簤焊组L(zhǎng)期不使用，外界侵入的空氣都積聚在液壓缸內(nèi)的最高部位處，影響液壓缸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，低速時(shí)引起爬行現(xiàn)象、啟動(dòng)時(shí)造成沖擊、換向時(shí)降低精度等。 液壓缸中的排氣裝置通常有兩種形式：一種是在缸蓋的最高部位處開(kāi)排氣孔，用長(zhǎng)管道接向遠(yuǎn)處排氣；另外一種是在液壓缸缸蓋最高部位安裝排氣塞。兩種排氣裝置都是在液壓缸排氣時(shí)打開(kāi)（讓它全行程往復(fù)移動(dòng)多次），排氣完畢后關(guān)閉。 圖3-11 常見(jiàn)排氣裝置 3.2.7 液壓缸的安裝結(jié)構(gòu) 液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu)包括液壓缸的安裝結(jié)構(gòu)、液壓缸的進(jìn)、出油口的連接等。 1）液壓缸的安裝形式 液壓缸的安裝形式根據(jù)安裝位置和工作要求得不同可以有長(zhǎng)螺栓安裝、腳架安裝、法蘭安裝、軸銷(xiāo)和耳環(huán)安裝等。 2）液壓缸進(jìn)、出油口形式以及大小的確定 液壓缸進(jìn)、出油口，可以布置在端蓋或者缸體上。對(duì)于活塞桿固定的液壓缸，液壓缸進(jìn)、出油口可以設(shè)在活塞桿的端部。如果液壓缸沒(méi)有專(zhuān)用得排氣裝置，液壓缸進(jìn)、出油口應(yīng)該設(shè)在液壓缸的最高處，以便空氣能首先從液壓缸排出。液壓缸進(jìn)、出油口得形式一般選用螺孔或者法蘭連接?，F(xiàn)列出壓力小于16MPa小型系列單桿液壓缸螺孔連接油口得安裝尺寸，見(jiàn)表3-7。 表3-7 單桿液壓桿油口安裝尺寸（ISO8138） (mm) 缸體內(nèi)徑D 進(jìn)、出油口 缸體內(nèi)徑D 進(jìn)、出油口 25 M14×1.5 80 M27×1.5 32 M14×1.5 100 M27×1.5 40 M18×1.5 125 M27×1.5 50 M22×1.5 160 M33×1.5 63 M22×1.5 200 M42×1.5 第四章 液壓系統(tǒng)方案擬定 因?yàn)樵谖覈?guó)油壓機(jī)械設(shè)備需求越來(lái)越多，所以液壓系統(tǒng)的速度和工作效率成為了現(xiàn)在液壓系統(tǒng)的主要競(jìng)爭(zhēng)方面，所以現(xiàn)在為了快速運(yùn)動(dòng)和提高工作進(jìn)給速度，以及提高工作的需要，社會(huì)的需要，最終決定設(shè)計(jì)的方案為：設(shè)計(jì)速度控制回路。 4.1調(diào)速回路方案選型與分析 4.1.1 方案一：節(jié)流調(diào)速 節(jié)流調(diào)速，采用定量泵供油，由流量控制閥改變流入和流出執(zhí)行元件的流量以調(diào)節(jié)速度，這種系統(tǒng)稱(chēng)閥控系統(tǒng)。如圖（7） 圖（7）為節(jié)流調(diào)速原理圖 其優(yōu)點(diǎn)是：能量損失較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單，使用維護(hù)方便。 而缺點(diǎn)是：效率較低，發(fā)熱大。 4.1.2 方案二：容積調(diào)速 容積調(diào)速，采用變量泵或變量馬達(dá)，以改變泵或馬達(dá)的排量調(diào)節(jié)速度。這種系統(tǒng)稱(chēng)泵控系統(tǒng)。如圖（8） 圖（8）為容積調(diào)速原理圖 其優(yōu)點(diǎn)是：效率高，發(fā)熱小，使用維護(hù)方便。缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜 4.1.3 方案三：容積節(jié)流調(diào)速 容積節(jié)流調(diào)速，采用壓力反饋式變量泵供油，由流量控制閥改變流入或流出執(zhí)行元件的流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)速度，同時(shí)又使變量泵的流量與通過(guò)流量控制閥的流量相適應(yīng)。如圖（9） 圖（9）為容積節(jié)流調(diào)速原理圖 其優(yōu)點(diǎn)是：沒(méi)有溢流損失，效率較高，速度穩(wěn)定性相對(duì)好。缺點(diǎn)是：會(huì)有節(jié)流損失。 以上方案，每個(gè)都有它們的優(yōu)缺點(diǎn)。在中小型專(zhuān)用機(jī)床的液壓系統(tǒng)中，進(jìn)給速度的控制一般采用節(jié)流閥或者調(diào)速閥。根據(jù)銑削類(lèi)專(zhuān)用機(jī)床工作時(shí)對(duì)低速性能和速度負(fù)載特性都有一定要求的特點(diǎn)，因此本次設(shè)計(jì)采用限壓式變量葉片泵和調(diào)速閥組成的容積節(jié)流調(diào)速。這種調(diào)速回路具有效率高、發(fā)熱小和速度剛性好的特點(diǎn)，并且調(diào)速閥安裝在回油路上，這樣具有承受負(fù)切削力的能力。 橫向一工進(jìn)可以選用的調(diào)速方式有： 方案一、使用二位二通電磁換向閥加一個(gè)調(diào)速閥，這樣的目的是可以更方便的控制液壓的操作，以及更好的控制液壓流動(dòng)的速度和液壓回路的自動(dòng)順序動(dòng)作。 方案二、使用二位二通電液換向閥和一個(gè)調(diào)速閥，電液換向閥一般適用于大流量的液壓設(shè)備，而且具有換向以及節(jié)流的作用。 圖（13）橫向一工進(jìn)的液壓原理圖 而最終選用的是方案一，因?yàn)檫@里并不算流量特別大，所以選擇方案一。如圖（14） 橫向二工進(jìn)最終選擇的液壓回路方法是：加一個(gè)調(diào)速閥。如圖（15） 圖（14）橫向一工進(jìn)液壓原理圖 圖（15）橫向二工進(jìn)液壓原理圖 4.2 快進(jìn)回路方案選型與分析 4.2.1 方案一：液壓缸差動(dòng)連接快速調(diào)速 差動(dòng)連接是，活塞無(wú)桿端面比有桿端面的受壓 面積大（大桿的面積），（這面積差 是差動(dòng)的根本原因。）在兩端面受 壓力（壓強(qiáng)）相同時(shí)，無(wú)桿端面的總壓力大，會(huì)將活塞推著向有桿端移動(dòng)，這就是差動(dòng)。這時(shí)，將有桿腔排出的油導(dǎo)入無(wú)桿腔，就在泵油的基礎(chǔ)上增加了流量，能使活塞更快移動(dòng)，形成差的快速。這種油路的連接方法如圖（10）。 圖（10）為液壓缸差動(dòng)連接原理圖 其優(yōu)點(diǎn)是：活塞桿伸出時(shí)能獲得較快的速度,即使泵的流量較小.但這時(shí)油缸的出力較小,不適合重載.?油缸設(shè)計(jì)合理時(shí),不需要調(diào)節(jié),就可以使活塞桿伸出和回縮時(shí)速度相等。缺點(diǎn)：噪聲大。 4.2.2 方案二：采用蓄能器的快速調(diào)速 蓄能器是，液壓或氣動(dòng)系統(tǒng)中的一種能量?jī)?chǔ)蓄裝置。它在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)將系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s能或位能儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)系統(tǒng)需要的時(shí)，又將壓縮能或位能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤夯驓鈮旱饶芏尫懦鰜?lái)，重新補(bǔ)供給系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)瞬間壓力增大時(shí)，它可以吸收這部分的能量，以保證整個(gè)系統(tǒng)壓力正常。如圖（11） 圖（11）為蓄能器快速調(diào)速原理圖 其優(yōu)點(diǎn)是：反應(yīng)靈敏，工作可靠。缺點(diǎn)是：制造困難，密封性要求高。 4.2.3 方案三：雙泵供油快速調(diào)速 雙泵供油是，用兩個(gè)泵來(lái)提供動(dòng)力，其中一個(gè)為大流量泵，用以實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)；另外一個(gè)是小流量泵，則用以實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給，如圖（12） 圖（12）為雙泵供油快速調(diào)速 其優(yōu)點(diǎn)是：功率損耗小，系統(tǒng)效率高，應(yīng)用較為普遍。而缺點(diǎn)是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比快速調(diào)速方法選用液壓缸差動(dòng)連接快速調(diào)速。因?yàn)槠涔ぷ餍矢叨矣偷难h(huán)利用，速度的調(diào)節(jié)也比較好，而且結(jié)構(gòu)相對(duì)雙泵供油，容積調(diào)速等方式簡(jiǎn)單，制造難度比蓄能器低，而且反應(yīng)靈敏。很符合現(xiàn)在社會(huì)的發(fā)展需要和工業(yè)生產(chǎn)需要。 4.3夾緊回路的選擇 用二位四通電磁閥來(lái)控制夾緊，松開(kāi)換向動(dòng)作時(shí)，為了避免工作時(shí)因?yàn)橥蝗粩嚯姸砷_(kāi)，應(yīng)該采用失電夾緊方式?？紤]到夾緊時(shí)間可以調(diào)節(jié)和當(dāng)油路壓力瞬時(shí)下降時(shí)還能保持夾緊力，所以要接入節(jié)流閥調(diào)速和單向閥保壓。在該回路中還裝有減壓器，用來(lái)調(diào)節(jié)夾緊力的大小和保持夾緊力的穩(wěn)定。如下圖示 圖（16） 夾緊回路原理圖 最后把所選的液壓回路組合起來(lái)，即可以組成圖3-3所示液壓系統(tǒng)原理圖。 圖3-3 銑床液壓系統(tǒng)原理圖 第五章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算和元件選型 5.1液壓泵的選擇 5.1.1泵工作壓力的確定 考慮到正常工作中進(jìn)油管路有一定得壓力損失，所以泵的工作壓力為 pp = P1 + 式中 pp——液壓泵最大工作壓力。 p1——執(zhí)行元件最大工作壓力。 ——進(jìn)油管路中的壓力損失，初算時(shí)簡(jiǎn)單系統(tǒng)可以取0.2~0.5MPa，復(fù)雜系統(tǒng)可以取0.5~1.5 MPa，此設(shè)計(jì)中取0.5MPa。 pp = p1 + =（3+0.5）MPa 上述計(jì)算所得的pp是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，考慮到系統(tǒng)在各種工況的過(guò)渡階段出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)壓力往往超過(guò)靜壓力。另外考慮到一