转塔车床液压系统设计与plc控制设计文档格式.docx
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衡量数控车床水平的高级数控系统、高速精密电液压系统、高速滚动功能部件和数控动力刀架等还依赖进口。
理顺功能部件生产企业的体制,做大做强一批功能部件生产企业已迫在眉睫。
1.3研究的对象和研究的方法
本课题研究对象是数控车床,本着高效节能、机电一体化、计算机辅助设计及计算机控制、系统集成化与控制技术集结于一身的目的,着重研究液压缸和液压泵,对其进行受力分析和优化设计,是设计一个高效、节能车床的前提。
第二章液压系统的组成
2.1液压系统组件的设计步骤
液压系统包括主泵动力站、和安装在主泵站上的控制件、附件等。
因为液压系统的执行装置带动工件或刀具直接参加工件表面形成运动,所以它的工件性能对加工质量和生产率产生直接的影响,是车床上最重要的部件之一。
2.2技术参数的确定
转塔车床为程序控制半自动组合式车床.他适合于加工各种盘类,套类零件.他工艺范围广,能进行外圆,内孔,外端面,内端面,锥面,倒角,切槽,切断,钻孔,扩孔,铰孔及成形表面等粗,半精和精加工.它的加工精度为2级,车削光洁度▽6.要求机床运动平稳,能无级调速,自动化程度,效率高,系统发热少.机床的主要参数如表14-8所示,他能完成表14-9中的所有工作循环.
为了高效率自动地完成上述任务,机床采用机,电,液联合控制.主轴运动采用双速电机和液压离合器,能变换四种转速.工件的加紧,主轴制动,前后刀架及转塔均采取液压传动.
表14-8机床主要参数
项目
主要技术参数
加工最大棒料直径
40mm
直达加工直径
200mm
前刀架
(水平)
横向最大行程
纵向最大行程
快速进退速度
横向
工进速度纵向
100mm
60mm
4m/min
8~180mm/min
12~180mm/min
后刀架
(倾斜30°
)
让刀最大行程
切断面速度
8mm
8~200mm/min
转塔刀架
刀架微抬
快速进退
工进速度
350mm
0.25mm
3~3.5m/’min
8~500mm/min
主运动
主轴转速范围
主电动机功率
40~1100r/min(12级)
5~6.5Kwn=400r/min
n=800r/min
表14-9机床的工作循环
切
外
圆
工进
让
刀快退
纵工进纵快进
横横
快快
退纵快退进
钻扩饺孔
工进快进
快退
镗
孔
刀工进快进
纵快退
横横
快快
退纵工进纵快进退
切断面
纵横快退
横工进
横快进
纵快进
切内端面
横纵快进
工横
进横快
合成快退快进
退
加工成形表面
纵向快退
退进
刀刀
仿形进给
切槽
横
横工进快
横快进进
横快
工退纵快退
进
纵快进
切内沟造
横横工横纵快退快
进快快
退退
图14-2前刀架液压原理图
2.3主传动系统方案的确定
主传动变速方式可分为无极变级和有级变速两种,本车床采用无极变速的变速方式。
无级变速是指在一定速度(或转速)范围内能连续、任意地变速。
可选用最合适的切削速度,没有速度损失,生产率高;
一般可在运转中变速,减少辅助时间;
操纵方便;
传动平稳等优点。
这次设计采用了交流调速电动机,交流调速电动机通常采用变频调速方式进行调速。
调速效率高,性能好,调速范围较宽,恒功率调速范围可达5甚至更大。
额定转速为1000r/min或1500r/min等。
2.4液压系统结构设计
液压系统组件的主要功能是夹持工件或刀具(包括砂轮)转动进行切削加工、传递运动、动力及承受切削力等,并保证刀具或工件具有准确定的运动轨迹。
液压系统组件是车床的执行件,他它带动工件或刀具直接参与表面成形运动,其工作性能对车床的加工质量及生产率有直接影响,它是车床的一个重要组件。
根据车床主参数、尺寸参数、运动参数、动力参数,并且遵循①旋转精度;
②刚度;
③抗振性;
④热稳定性;
⑤耐磨性等基本要求的原则确定液压系统总体结构。
2.5拟定液压传动系统图
图2-1液压传动系统框图
机床的液压系统的采用限压式变量叶片泵供油,工作压力调到4MPa,压力由压力表15显示。
泵输出的压力油经过单向阀进入个子系统支路,其工作原理如下。
(1)卡盘的夹紧与松开在要求卡盘处于正卡(卡爪向内夹紧工件外圆)且在高压大夹紧力状态下时,3YA失电,阀4左位工作,选择减压阀8工作。
夹紧力的大小由减压阀8来调整,夹紧压力由压力表14来显示。
在要求卡盘处于正卡且在低压小夹紧力状态下时,3YA通电,阀4右位工作,选择减压阀9工作。
夹紧力的大小由减压阀9来调整,加紧压力也由压力表14来显示,阀9调整压力值小于阀8.换向阀3的工作情况与高压大夹紧力时相同。
卡盘处于反卡(卡爪向外夹紧工件内孔)时,动作与正卡相反,即反卡的夹紧是正卡的松开;
反卡的松开是正卡的夹紧。
(2)回转刀架的换刀回转刀架换刀时,首先是将刀架抬升松开,然后刀架转位到指定的位置,最后刀架下拉复位夹紧。
当4YA通电时,换向阀6右位工作,刀架抬升松开;
8YA通电,液压马达正转带动刀架换刀,转速由单向调速阀11控制(若7YA通电,则液压马达带动刀架反转,转速由单向调速阀12控制),到位后4YA断电,阀6左位工作,液压缸使刀架夹紧。
正转换刀还是反转换刀由数控系统按路径最短原则判断。
(3)尾座套筒的伸缩运动当6YA通电时,换向阀7左位工作,压力油经减压阀10、换向阀7左位流向尾座套筒液压缸的左腔;
液压缸右腔油液经单向调速阀13和阀7流向油箱,液压缸筒带动尾座套筒伸出,顶紧工作。
顶紧力的大小通过减压阀10调整,调整压力值由压力表16显示。
第三章液压缸的设计
3.1液压缸的分类
液压缸有多种分类形式。
按结构特点它可分为活塞式、柱塞式和摆动式3大类;
按照作用方式又可分为单作用式和双作用式两种。
单作用式液压缸只能使活塞(或柱塞)做单方向运动,即压力油只通向液压缸的一腔,而反方向运动则必须依靠外力来实现;
双作用式液压缸,在两个方向上的运动都由压力油推动来实现。
所以此次选用双作用式液压缸。
3.1.1液压缸的设计和计算
缸筒是液压缸的主要零件,缸筒与端盖、缸底、油口等零件构成密封的容腔,用以容纳压力油,同时它还是活塞的运动轨道。
设计液压缸缸筒时,应该正确确定各部分的尺寸,保证液压缸有足够的输出力、运动速度和有效行程,同时还必须有一定的强度,能足以承受液压力、负载力和干扰等冲击力。
另外,缸筒的内表面应该具有合适的配合精度、表面粗糙度和几何精度,已足以保证液压缸的密封性、运动平稳性和耐用性。
(1)液压缸内径的计算
根据液压缸的荷载力和系统工作压力计算
D=3.57*0.01*√F/P
=3.57*0.01*√42.4/4
=11.78(mm)
缸筒壁厚计算
t=p*D/{2[σ]}
=3*11.78/(2*4)
=4.41(mm)
根据GB/T2348-1993得,选用12mm内径的液压缸。
3.2缸体
(1)缸体的材料
液压缸缸体的常用材料是20、35和45号无缝钢管。
因20号钢的力学性能较低,且不能调质,应用较少,一般情况下选用45号钢,并调质到241-285HB。
缸体的毛坯也可以采用锻钢、铸钢或铸铁件。
铸钢一般采用ZG25、ZG35和ZG45等。
铸铁可采用HT200-HT350之间的几个牌号或球墨铸铁QT500-05、QT600-02等。
本设计采用铸钢ZG35。
(2)主要表面粗糙度
当活塞采用橡胶密封圈祢密封时,液压缸内表面粗糙度Ra为0.1~0.4um,当活塞采用活塞密封圈时,液压缸内表面粗糙度Ra为0.2~0.4.
(3)技术要求
内径用H8~H9的配合。
缸体内径D的圆度公差值可按9,10或11级精度选取,圆柱度公差值可按8级精度选取。
缸体端面T的垂直公差度公差值可按7级精度选取。
3.3工作状况分析
(1)前后刀架及转塔刀架最大切削力的计算表14—10列出了前后刀架及转塔刀架的切削要素和有关参数,并且计算出它们的最大切削力F。
前后刀架的最大切削力为切向切削力FZ,根据转塔车床多刀加工和刀具形状复杂的特点,他们的轴向切削力FX和经向切
削力FY分别取PX=0.5PZ=2940N
PY=0.5PZ=2940N
表14—10切削要素
刀架
刀具
V(m/min)
S(mm/min)
t(mm)
P(N)
工件材料
前(后)
T5
70
0.4
8
FZ=5880
钢件
σb=7.35MPa
转塔
Φ45麻花钻
W18Cr4V
0.2
Fqr=9800
σb=7.35MPa
(2)前刀架在矩形—V形导轨上滑动,纵向液压缸力的计算结果如表14—11所示。
图14—3是根据计算结果绘制的负载—速度—行程图。
表14—11前刀架纵缸力的计算
名称
计算公式
已知数据
结果(N)
导轨摩擦力
启动时
Fmq=3/5Gf+2/5Gf/sinα/2
f=0.15;
G=980N;
α=90º
171.4
快速时
Fmk=3/5Gf+2/5Gf/sinα/2
f=0.07
80
工进时
Fmh=∑F.f
f=0.1;
∑F=8330N
833
惯性力
启动与停止惯性力
Fgq=Fgz=G./g.∆V/∆t
启动0~4m/min
制动4~0m/min
∆t=0.15S
44.7
背压力
快进时
Fbk=Pbk.π/4(D2-d2)
液压缸直径D=70mm
活塞杆直径d=25mm
快速时背压pbk=0.5MPa
工进时背压pbk=0.4MPa
1677.9
快退时
F'
bk=Pbk.π/4D2
1923.3
Fbh=Pbh.π/4(D2-d2)
1342.4
密封力
Fmi=0.1∑F
液压缸外负载∑F=Fx+Fm
=2940+833
377.3
液压缸牵引力
加速时
Fj=Fgq+Fmq+Fmi+Fbk
2271.3
Fk=Fmk+Fmi+Fbk
2135.2
Fh=Fx+Fmh+Fmi+Fbh
5492.7
反向启动
Fq'
=Fgq+Fmq+Fmi+F'
bk
2516.7
反向快退
Fk'
'
=Fmk+Fmi+F'
2830.6
制动时
Fq=Fq'
(3)前刀架横向液压缸力的计算前刀架横向液压缸除了刀架重量比纵向液压缸重量轻,而且采用燕尾形导轨外,其他参数如导轨摩擦系数,起动,制动时间,背压等均与纵向液压缸相同。
它的力的计算结果如表14—12所示。
图14—4是根据计算结果绘制的负载—速度—行程图。
图14—3纵向液压缸负载图14—4横向液压缸负载速度
表14—12前刀架横缸力的计算
Fmg=Gf
G=294N;
f=0.15
44.1
Fmk=Gf
20.6
作用在导轨上除有FZ,FX,FY,F外,尚有FZ,FX,FY引起的附加扭矩,这些力在导轨上产生的支反力,将其合成可得:
Fmh=∑F.f
∑F=13230N;
f=0.1
1323
启动与停止
∆V=4m/min
∆t=0.15s
13.5
Fbk=Pbk.π/4D2
活塞杆直径d=30mm
快速时背压Pbk=0.5MPa
工进时背压Pbk=0.4MPa
bk=Pbk.π/4(D2-d2)
1570
Fbh=Pbh.π/4D2-
1538.6
∑F=Fx+Fm=2940+1323
426.3
Fj=Fgq+Fmq+Fmi+Fbk
2407.2
Fk=Fmk+Fmi+Fbk
2370.2
Fh=Fx+Fmh+Fmi+Fbh
6227.9
q=Fgq+Fmq+Fmi+F'
2053.9
k=Fmk+Fmi+F'
2016.9
Fq=F'
q
(4)后刀架力的计算与前刀架相同
(5)转塔车床液压系统中刀架力的计算:
转塔刀架包括进给液压缸,转位液压缸,抬起液压缸。
转塔进给液压缸力的计算如表14—13所示。
图14—5是根据计算结果绘制的负载—速度—行程图。
表14—13转塔刀架力的计算
Fmq=Gf
G=2646N;
f=0.15;
462.7
215.9
作用在导轨上除有FZ,FX,FY,G外,尚有FZ,FX,FY引起的附加扭矩,这些力在导轨上产生的支反力,将其合成可得:
快速进退速度2.5~3m/min
∆t=0.25s
54
液压缸直径D=100mm
活塞杆直径d=35mm
快速时背压Pbk=0.3MPa
2355
2066.5
Fbh=Pbk.π/4D2-
3140
∑F=Fqr+Fm=9800+833
1063.3
式中Fqr为切削力
3935
Fk=Fmk+Fmi+Fbk
3634.2
Fh=Fqr+Fmh+Fmi+Fbh
14051.3
q=Fgq+Fmq+Fmi+F'
3646.5
3345.7
图14—5转塔刀架负载速度—行程循环图
转塔刀架的辅助运动力和速度的情况如图14—14所示。
为了保证镗孔和精车外圆退刀时刀尖不划伤已加工的表面,用三根压簧使刀台产生0.25mm为抬量,弹簧所产生的微抬量力为8134N,为保证加工过程不使刀台转动,估计需压紧力为24500N,因此刀台需总压下力为32634N。
转塔抬起部分重量为980N,抬起量为3.0mm,估计抬起量力为4214N。
(6)工件夹紧液压缸,离合器液压缸和制动液压缸力的计算比较简单(此处从略)。
3.4液压缸的计算
从以上工作情况分析中我们已经计算出各液压缸的最大出力如果液压泵预选工作压力为196×
102Mpa,并且取D≈2d(D为液压缸直径,d为活塞杠直径),就可以分别计算液压缸的尺寸,然后圆为整数,按标准系类尺寸取值,可以得到表14—15所列得数值。
前刀架纵向液压缸工进时由活塞肝腔排油,这个时候回油流量最小,所以为了保证工作运动稳定,就必须校验调速阀到最小稳定流量。
如表14—8所示,纵向进给的最底工作速度为12mm/min,那么,它的最小流量Qmin为
Qmin=1.2×
π/4(D2-d2)=1.2×
33.6=40.3cm2/min
如果取最小稳定流量为40cm2/min的调速阀即可满足系统要求。
根据已定的液压缸尺寸D,d,工作出力P和给定的运动速度V,计算出所需要的夜压力P和流量Q,然后根据表14—16中的计算结果,绘出压力,流量—行程图(图14—6)。
3.5液压泵的计算
根据表14—16中计算结果和图14—6压力流量行程图可以看出:
Qmax=20.7L/min,Pmax=1.74MPa,若取该系统的压力损失∑∆P为0.098Mpa则
Pb≥Pmax+∑∆P=1.74+0.098=1.84MPa
圆整后取2MPa
如果考虑泄露和溢流系数K植取1.25,那么,液压泵的流量可取
Qb≥K。
Qmax=1.25×
20.7=25.9L/min
由于叶片泵比齿轮泵工作平稳,根据计算结果,可以选择公称压力为0.4MPa,
流量为40L/min的叶片泵YB—40,工作时调整压力为2Mpa。
因为此系统消耗功率不太大,所以没有绘制功率循环图,在计算液压泵电机的工率时,采用最大压力和流量计算,即
表14—14转塔刀架辅助液压缸力的选定
状态
项目
压下
抬起
转位
力
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