1、专用拉床机械装置与液压系统结构设计专用拉床机械装置与液压系统结构设计1.前言1.1选题背景及意义随着互联网的普及和市场经济的发展，人们对产品的需求日益苛刻，不仅要求加工精度高，而且从设计到拿到成品要求时间越来越短，生产企业能够赚取的利润也越来越小了，同行间竞争激烈。所以谁以成本低，制造精度高和制造周期短，谁就是赢家，因此企业都想尽一切办法改良自己的机床。机床是指制造机器的机器，亦称工作母机或工具机，其中拉床是以工件不动刀具作直线切削运动的机床。1898年，美国制造了第一台机械传动卧式内拉床,发展至今拉床已经实现液压传动、FANUC系统数控。虽然我国在机床产值领域世界第一，但在技术方面远不及工业
2、发达国家，现“低端混战，高端失守”的局面，究其根底就是需求企业对现代化的应用不重视，不立足长远目标，得利且利。伴随“十二五”国家重点经济建设，机床领域迎来一个“黄金期”，机床企业百家争鸣，同时机床的技术也日星月异，利用新兴技术机床取代传统机床，这使国内机床技术得到大力发展，技术上将追上世界主流，在经济上创造可观的GDP。1.2课题的发展历史及研究现状拉床，是一种用来加工孔眼、键槽、外表面的金属切削机床，加工时工件一般不动而是拉刀在做直线切削运动。拉床分为卧式和立式，广泛应用于工件圆孔、键槽、成型孔、花键以及平面、成型表面和齿轮等加工，适合成批量大批量生产。虽然拉刀昂贵，但是其加工尺寸精度高、生
3、产效率高、加工简便，特别是加工花键这种要求同轴度特别高的工件时，拉床优于其他机床。1898年，美国的J.N.拉普安特制造了第一台机械传动卧式内拉床，20世纪30年代，德国首先制成双缸立式内拉床，至50年代初出现了连续拉床。发展至今，鉴于FANUC系统在加工机床上的应用普及，出现了数控拉床，真正达到了：快速设计快速反应快速制造快速发货。目前世界各国正在掀起工业现代化的浪潮，机床技术日星月异。我国在机床领域尚且不足，使用的很多都是老式机床，在加工制造上暂时落后，暂不能对某些高工艺的零件进行加工。所以很多零件都依赖进口，至今没有一台独立制造的先进航空发动机，令人堪忧液压传动是根据17世纪帕斯卡提出的
4、液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，液压系统以简单可靠、体积与重量小、推力大等优点在现代轻重设备中取代了传统的机械式，其原理是：在密闭的容器内，利用有压力的液体作为工作介质来实现能量转换和传递动力，以实现机械能转换为压力能，再变为另一种机械能从而达到工作目的。1795年英国约瑟夫布拉曼（Joseph Braman,1749-1814）制造了第一台水压机。1905年将介质改为油以后性能得到改善，逐渐在工业中崭头露角，于第一次世界大战(1914-1918）后液压传动得到广泛应用，第二次世界大战(1941-1945）期间,有30%美国机床应用了液压传动，值得一提的是日本液压传动发展比欧美等国
5、家晚了20年，但在20世纪末发展速度最快，现已处世界领先地位。国内液压传动20世纪后半叶逐渐发展起来的，现也处于较先进地位，但离世界领先水平尚有一段距离。研究液压传动及其应用，有利于液压传动这门学科得到推广应用，也使得其蓬勃发展，争夺世界领先地位。液压传动易于控制，装置简单，要控制液压缸伸缩只需一个换向阀辅以其他器件就能实现，不用复杂的机械结构，节省了人力物力，所以现在的拉床设计都是以液压系统为动力基础，几乎看不到机械式的。PLC（可编程逻辑控制器：Programmable Logic Controller），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算
6、术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，其实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。1968年美国通用汽车公司提出研究新的技术取代传统继电器，由美国数字设备公司于1969年研制出第一台PLC，后4年中日本与德国西门子相继研制出自己的PLC，我国是1974年研制成功的。20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用，已步入成熟阶段，至20世纪末，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS（Distributed Control System）系统，成为现代过程控
7、制的领军。随着世界经济市场发展的需求，与人工成本的增长，将PLC应用于机床不仅能极大的提高生产效率，更能节省人力物力、创造可观的经济收益，同时，具有稳定可靠且使用寿命长的特性，这是传统机床的人工控制比不了的。在我大学中所学的控制类器件中，PLC能实现直接控制，不同于单片机需要辅助电路，我们都知道电器里面的电路板元件坏了维修非常麻烦，非专业人士望尘莫及。PLC坏了直接更换即可，插线对号入座，所以维修简便，工作可靠，经济性好。1.3选题目的此次设计是我们大学生活的尾声，也是考验我们大学所学知识的时候，我们全力以赴完成学校交给我们的课题。希望通过此次设计，能大大提高我们的实践经验，为我们步入社会打下
8、良好基础。同时也希望通过此次设计，达到以下目的：(1)提高机械设计的经验。(2)了解现在液压行业的先进程度和应用水平。(3)锻炼自己的毅力。(4)将自己的所学应用在实践中，检验自己的能力。(5)增加专业知识。(6)顺利完成毕业设计，拿到学位证，成为一名合格的毕业生。2.明确设计要求2.1课题的工艺性分析2.1.1明确所加工零件的尺寸根据任务书中加工齿轮花键槽宽10mm,其中D为大径，d为小径，B为键宽查询GB/T1144-2001，如图中图2.1 花键系列查出：B=10mm的花键键数为8键，有两种系列两种规格：任务书中未指定齿轮花键的规格，应当选取最大规格8566510，以便向下能通用。则：键
9、数N=8 键宽B=10mm 大径D=65mm 小径d=56mm。 2.1.2计算相关的拉削力根据拉床工作特点可知，最大切削力出现在粗切阶段，因为粗切阶段齿升量大，产生的拉削力就大，虽然精切阶段同时工作的刀齿较多，但齿升量很小，不会产生很大的切削力。固以粗切部分切削力为基准拉削力计算。根据金属切削刀具课程设计指导书75页（下同）表4.21中计算公式 式（2-1）式中 Fz-为切削刃单位长度上的切削力（N/mm）； aw-为总切削宽度，aw =zB (z为花键键数、B为键宽尺寸)； Zemax-为最大同时工作齿数； K0-为切削状态修正系数； K1-为刀齿磨损状态修正系数； K2-为切削液状况修正
10、系数； K3-为刀齿前脚状况修正系数； 根据任务书中齿轮材料为45号钢（中碳钢）由表4.4：矩形花键拉刀齿升量0.050.08mm，取0.07mm；同时工作齿数58，取Zemax =4，；由表4.23查得加工中碳钢齿升量为0.07mm时的单位长度切削力F=213 （N/mm）；由表4.22取K0=1，K1=1.15，K2=1.13，K3=1.13，K4=1.20。由上述公式算得：Fmax=213810411.151.131.131.20 KN=120.106KN2.1.3选择拉刀图 2-2拉刀样图本次设计假想刀具为哈尔滨第一工具制造有限公的JB/T32531983 标准拉刀系列，其图如上，拉床
11、本身尺寸也按照其刀具接受范围内设计。2.2拉床综合概述2.2.1明确拉床的工况拉床是工件不动，液压缸推动刀架，刀架带着拉刀做直线切削运动的机床,卧式拉床工作流程大致为：图 2-3 拉床工况图当然，本次设计的是立式拉床，快进无意义且增加制造成本，故取消传统拉床中的快进阶段，直接工进。2.2.2拉床整体结构的初步构想1、若占地面积小该为立式下拉床。2、众所周知液压缸压力越高制造越困难，所以尽可能降低工作压力，选用双缸同步比较适合。3、若要使劳动强度降低，还要有辅助卸刀和上刀装置，故采用一个小缸配合夹紧油缸实现。液压缸伸出为工进，缩回为快退，正好与卧式拉床的液压缸工作方式相反，具体图示如下：图 2-
12、4 拉床整体主、侧视图其中1处为工作液压缸，即同步缸1和缸2；2处为拉床床身；3处为导柱，引导刀架4工作；5为夹紧油缸；6为单杆双作用油缸，7处为顶板；8处为工作台。3.液压缸的主要参数计算3.1概述作为液压系统的执行元件，液压缸能将液体流动的能量转化为机械能，输入是液体的流量和压力，输出的是直线速速和力，液压缸的结构简单，工作可靠性高，被广泛地应用于工厂生产、日常设备及运输设备中，由于液压缸使用场合与条件的各所不同，为了满足不同类型机械的各种需求，液压缸具有多种不同的类型，除了能从现有标准产品系列选型外，基本上需要根据具体使用场合来自行进行设计，比如此次设计的插销油缸、装卸刀油缸、夹紧油缸能
13、从市场选购得到合适的产品，推动拉刀的油缸则不能选购，需自行设计。液压缸的设计是整个液压系统设计的一部分，通常需要对整个液压系统进行工况分析后才能进行。设计内容为确定各组成部分（缸盖和缸筒、活塞杆和活塞、活塞杆导向套和排气装置、密封装置、缓冲装置等等）的结构形式、尺寸、材料及相关技术要求等，并在所绘制的液压缸装配图和非标准零件图中反映这些内容。但是，在现有液压缸的设计中某些基本公式还不够合理，只能用来作初步的计算，实际应用中还得根据使用情况适量调整数据。通常要采用保守的计算方法，选取较大的安全系数，以弥补计算中的某些不足，就是宁可取其大，不可取其小。相信今后通过科学家丰富的实验数据，不断完善其设
14、计制造及其应用，向着重量轻、载荷大、制造简单的方向发展。目前液压缸可广泛的分为通用型结构和专用型结构，通用型结构液压缸可分为三种典型结构形式：（1）拉杆型液压缸。（2）焊接型液压缸（3）法兰型液压缸。拉杆型牢固，结构紧凑，适用于工作空间有限的地方；焊接型经济，结构稳定；法兰型安装方便，应用广。因此我们在设计时应当考虑以上要素，从实际出发，结合国内外设计经验。3.1.1已知参数通过前面2.12计算出的拉削力Fmax=120.106 KN，因为是双缸同步，所以每个缸的受力是120.106/2=60.053 KN，加工键槽宽度B=10mm,材料为45号钢，拉刀行程速度为10m/min。取速度比为1;
15、2，则液压缸快退的速度为20m/min.3.1.2液压缸的工况分析根据拉床初步想象图和任务书中拉刀行程速度10m/min,可知速度变换无需频繁，也无需装好工件后以快进的方式达到工进工位，所以只有工进，快退两个阶段，启动和制动阶段肯定很短，暂时不考虑。(a)液压缸工作循环图（b）液压缸位移循环图（c）液压缸速度循环图图 3-1 液压缸的工作循环图、位移循环图和速度循环图3.2 液压缸的负载分析与计算3.2.1负载分析液压缸的负载外负载包括惯性负载、摩擦负载（垂直安装的液压缸可忽略不计）和惯性负载三个类别。其中工作负载主要来源于拉削力；摩擦负载来源于液压缸所驱动的工作机构产生的摩擦力；惯性负载主要
16、来源于速度变化而产生的负载。设运动机构自重m=190kg，（包括活塞杆、拉刀架、拉刀、拉刀卡头等）,另外液压缸密封装置的摩擦是不定的，难以计算，故归入机械机械效率中，=0.900.95，由于现在的机加工精确度高，所以机械效率=0.93。工作负载Fe 已知拉削力F=120.106KN，考虑运动机构自重G。机械摩擦负载Ff 液压缸垂直安装忽略不计。惯性负载Fi 惯性负载是机构加速减速过程中产生的惯性力，其平均值可按下式中公式计算 (N) 式(3-1)式中 g-重力加速度，g=9.81； -速度变化量,m/s； -启动或制动时间，s；一般机械=0.10.5s，轻载低速运动部件取最小，重载高速部件取最
17、大值，这里取0.2S; G-部件自重，N，G=mg;其中=190kg ，a为加速度；计算下拉 计算退刀 计算运动机构自重 G=mg=1909.81N=1864N上述三种负载的和就为液压缸的外负载F。本次拉床的液压缸在工作过程中分为两种情况，工进和快退，都要经过启动、工进、制动、快退四个阶段，其中恒速为工进或快退，分别有自己的负载。设下拉为正，各阶段的计算公式如下(Ff已忽略)启动阶段 F=Fe GFi (N) 式(3-2)恒速阶段 F=Fe G） （N） 式(3-3)制动阶段 F=Fe G ) Fi （N） 式(3-4)由于只有工进阶段才有工作负载Fe，故下列计算可适当去掉，但要考虑机械效率。
18、3.2.2负载计算工进的负载分析与计算： （1）启动阶段 F=(-G+Fi)=-1864+185.530.93N=-1678.7N （2）工进阶段 F=(Fe-G)/=(120.106-1.864)/0.93KN=127.14KN （3）制动阶段 F=(-G-Fi)=（-1864-185.53）0.93N=-1906.06N退刀的负载分析与计算： （1）启动阶段 F=(G-Fi)/=(1864-185.53)/0.93N=1678.48N （2）快退阶段 F=(G+Fi)/=(1864+316.7)/0.93N=2344.84N （3）制动阶段 F=(G-Fi)=1864-316.7)0.93
19、N=1438.99N因此由上述计算可看出液压缸的最大负载在工进阶段，而且下拉启动阶段和制动阶段还会出现负压！因此液压缸会产生前冲和缸内空穴，损坏液压缸。为有效防止这种现象发生，只能在回油路上装背压阀解决，采用溢流阀背压阀。查阅书籍液压与气压传动184页表9-1，选取背压力0.6MPa.3.3液压缸的设计与计算根据液压传动设计指南17页表2-3拉床的设计压力810MPa取Ps=9MPa；背压力Ps= MPa；液压缸效率同样取0.93；拉削力Fmax=120.106KN。由于液压缸垂直于地面，摩擦负载Ff据经验按拉削力的5%10%取5%，即Ff=120.1065%=6.0053KN。故总负载F为1
20、20.106KN+6.0053KN=126.1113KN。设置无杆腔为工作腔。3.3.1液压缸内径的计算根据上述数据，查液压系统经典设计实例11页公式可计算无杆腔活塞面积A，即： () 式(3-5)() 式(3-6)式中 F-液压缸的工作压力； -液压缸机械效率，通常为0.850.99； D-活塞直径。由式计算得 由于是双缸同步，A只取一半计算，A/2=0.007535再由式2变换得 根据GB/T2348-1993进行整圆得D=100mm。3.3.2液压缸壁厚的计算因为工作压力9MPa属于低压系统，所以壁厚按薄壁缸计算，根据液压传动设计指南122页公式（m） 式(3-7) (MPa) 式(3-
21、8)式中 Py-试验压力，MPa，工作压力P16MPa时，Py=1.5P；工作压力16MPa时，Py=1.25P； D-液压缸内径，m； -缸体材料的许用应力，MPa；-缸体材料的抗拉强度，MPa； n-安全系数，n=3.55，一般取5；对于锻钢=100120MPa;铸钢=100110MPa;钢管=100110MPa；铸铁=60MPa。缸筒材料取45号钢的高精度冷拔无缝钢管，参考厂家为成都油缸厂，则取110MPa，查询材料力学中GB/T699-1999的 45钢抗拉强度不低于为600MPa。 则 ，所以110MPa绰绰有余；计算 Py=1.59MPa=13.5MPa；就可计算 因设计只是纸上谈
22、兵，在实际应用中要考虑液压缸因长度带来的刚性问题和制图问题，只能根据长度按一定比例增厚液压缸缸壁，以达到实际使用要求，这是目前液压缸设计公式的缺陷。根据拉床初步设想，拉刀长度会在1300mm左右，加上需要装刀卸刀装料的移动空间，液压缸长度不太会低于1500mm，故6.14mm的厚度不满足缸筒的刚度要求，参考以往小缸设计经验，缸壁增厚至11mm较合理。3.3.3液压缸外径的计算D1=D+2 （mm） 式(3-9)式中 D1-液压缸外径,mm; D-液压缸内径,mm; -液压缸壁厚,mm;D1=100mm+211mm=122mm，由于厂家生产可能会产生偏差，请以实际为准。3.3.4液压缸行程S的确
23、定液压缸的行程S主要是靠工作机构实际运动的距离来确定，因为拉床加工工件有自定位作用，不需要考虑稳定性。根据拉刀长度1300，通常花盘厚度加上工件厚度、床壁厚度不会超过200mm，且为了加工简便和降低成本，尽量按照液压缸标准行程系列，所以按照GB/T2349-1980上第二系列选取S=1400mm。3.3.5液压缸油口尺寸的确定液压缸的油口包括油口孔和连接螺纹，布置在缸筒上面密封难解决，而且拆装维护不便，故将油口布置在缸底端盖上与活塞杆同轴心，这样就能在侧面制作缓冲。由液压传动设计指南120页公式确定油口尺寸 （m） 式(3-10)其中 D-液压缸内径，m； -液压缸最大输出速度，m/min；
24、-油口液流速度，m/s，一般不大于5m/s。油口连接螺纹应当符合GB/T2878-1993液压元件螺纹连接-油口形式和尺寸的规定。计算 (m)所以油口按照标准取20mm。3.3.6液压缸缸底的计算缸底材料选为铸铁，选用缸底有 油孔的缸底，预留缓冲装置，根据液压传动设计指南123页公式计算缸底厚度h(m) 式(3-11)式中 -缸底材料的许用应力，MPa; -缸底油孔直径，m;其余符号均与前式相同。计算 但实际应用中尺寸千变万化，不是一成不变，根据已得出数据，最终h54mm即可。实物图以图纸为准。3.3.7液压缸缸头的计算由于在缸筒头部有活塞杆和导向孔，还有油口，所有其厚度计算和缸底是不同的，常
25、用的法兰式缸头计算据液压传动设计指南124页公式 (m) 式(3-12)式中 F-法兰受力总和，N, 式(3-13) d-密封环内径，m； -密封环外径，m； p-工作压力，Pa； q-附加密封压力，Pa，若采用金属材料密封时，其值取其屈服点； -螺钉孔分布圆直径，m； -密封环平均直径，m； -法兰材料的需用应力，Pa。查询缸筒结构图纸得：d=114mm =130mm p=9MPa q=2MPa =172mm =122mm =60MPa 计算=97995.39N =0.0253m所以，缸头法兰厚度为h=25.3mm，至于附加密封，实际应用中密封材料通常不为金属材料，因此附加密封压力会远远低于
26、2MPa,所以法兰厚度25.3mm是足够的。另外前端盖应当分为两部分，后部分是有油口和排气孔的，前部分装导向套的，不然因为法兰式端盖难以加工。3.4活塞杆及活塞的设计与计算根据液压缸无杆腔活塞有效面积A及速比确定活塞杆直径d当遵循以下原则：若活塞杆承受的的是拉力，一般取d/D的0.30.5；当活塞杆受的是压力时，为了保证活塞杆的稳定性一般取d/D的0.50.7。或者按原则： d/D=0.50.55 (P5.0MPa)； d/D=0.60.7 (5.0MPap7.0MPa); d/D=0.7 (p7.0MPa)。另外，活塞杆选用45号调质钢，调质硬度241285HB3.4.1活塞杆直径计算依据工
27、作压力原则和速比原则，选取活塞杆直径d=0.7D=70mm3.4.2活塞杆强度校验活塞杆在稳定状态下多受轴向压应力，极少的拉应力，由前面工况分析可知最大应力出现在工进拉削阶段，根据液压传动设计指南117页校核公式 (m) 式(3-14)式中 F-活塞杆输出力，N； -活塞杆材料的许用应力，Pa；已知拉削力F=120.106KN，与缸筒材料相符取110MPa,计算m所以我所设计的活塞杆直径0.07m0.0264m,符合使用条件。3.4.3活塞杆长度计算此项设计较灵活，因素不定，但基本尺寸能满足行程要求即可，请参考本设计图纸活塞杆零件图。3.5导向套的设计全金属导向套通常采用摩擦因数小、耐磨性好的
28、铸造青铜或铸铁，此处应当用铸铁制造，降低成本，非金属材料就不用考虑了。3.5.1导向长度的确定导向长度太短会因为油缸配合间隙引起初始挠度增大，影响液压缸的工作性能和稳定性，从而影响加工产品的质量，因此，设计时必须保证液压缸的最小导向长度，根据液压传动设计指南134页公式 （mm） 式(3-15)式中 L-液压缸最大行程，mm； D-缸筒内径，mm；计算mm所以只要导向长度超过120mm都是可以的。3.5.2导向套的结构设计本导向套制成法兰式，选择端盖式加导向环，密封形式选用O型密封圈密封，导向孔中分别压入防尘圈、导向环、密封环，请参阅图纸导向套零件，与油口端盖视为一体，满足使用即可。3.6活塞
29、尺寸的确定根据液压传动设计134页说明，B活塞宽度，单位mm，B=(0.61.0)D,此设计取B=1.0D=100mm。具体图形请参照活塞零件图。3.7确定油缸各零件间的结构形式及密封3.7.1活塞与活塞杆的连接形式查阅液压传动设计指南（下同）129页表4-10活塞和活塞杆的连接形式，选择半环连接，密封采用O型密封圈密封。具体为活塞前加缓冲套，活塞后加半环卡键、轴套、轴用弹性挡圈。具体请参阅液压缸装配图。3.7.2活塞与缸筒的密封第130页表4-12选择O型密封圈密封。4.液压系统的设计本次设计液压系统中执行元件除了同步工作的两个油缸外，还需要：一个夹紧油缸，用作夹紧拉刀尾部；一个长型小缸，用
30、于把刀从卡头中退出或插装；一个短型小缸，用于插销。所以整个液压系统中负载是变化的，但不会叠加，4.1液压系统的流量分析图4-1 液压系统流量输出如图，1处为夹紧缸夹紧拉刀；2为上面长型小缸伸出装刀；3为夹紧缸放松和下面短型小缸插销；4为加工工进；5为快退；6为夹紧缸夹紧和下面短型小缸拔销；7为上面长型小缸缩回卸刀。除1第一次夹紧需要手动，5需手动按，其余均为自动控制。结合图3-1，液压系统最大负载均在加工工进阶段，此阶段不光是整个液压系统中压力最大的时候，也是泄露最严重和压力损失最大的时候，所以一切参照均按照此阶段来进行。另外最大流速出现在快退阶段，因此要考虑最大流速问题。4.2液压系统的流量计算根据已设计好的液压缸，内径为100mm，活塞杆直径为70mm，液压缸机械效率=0.93，工进时速度为10m/min，快退时20m/s，且双缸同步，计算时应当考虑。这部分还不包括长型小缸、短型小缸和液压卡盘的流量，由于它们不是同时工作的，而且所需的流量非常小，所以还是以大缸消耗
