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四川大學(xué)錦城學(xué)院本科畢業(yè)論文 專用雙面銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
專用雙面銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘 要
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的是專用雙面銑床液壓系統(tǒng)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)，配以少量專用部件組成的一種機(jī)床。在生產(chǎn)中液壓專用銑床有著較大實(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，組成滿足基本性能要求的液壓系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)過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，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：專用雙面銑床，液壓傳動(dòng)，回路，油缸
Special double-sided milling machine hydraulic system design
Abstract
The graduation project is dedicated sided milling machine hydraulic system design, milling machine is based on the workpiece needs to hydraulic transmission, based on a machine with a small amount of special parts. In the production of special hydraulic milling machine has a large practical, can be the size of the hydraulic drive generating milling different nature. The design is the combination of the knowledge they have learned auxiliary materials applied to the design, to consolidate and deepen the knowledge already learned to master the general procedures and methods of hydraulic system design calculations to determine the correct and reasonable executive body, the choice of standard hydraulic components, can skilled use of hydraulic basic circuit components to meet basic performance requirements of hydraulic systems. In the design process, the most important is to draw drawings, which not only can clearly be designed to display the contents of a complete out, but also to see whether the knowledge has been completely mastered.
Throughout the design process is divided into six parts: selection parameters, program development, design elements designed to perform, prepare graphs, milling machine hydraulic system and, finally, the relevant checking. The body portion substantially completed in the design and implementation of the components of the two parts of the hydraulic system.
Keywords: Special double-sided milling machines, Hydraulic transmission, Circuit, Cylinder
目 錄
1緒論 1
1.1 選題背景 1
1.2國內(nèi)外專用銑床的發(fā)展和研究狀況 1
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 1
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2
1.3國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì) 3
2專用雙面銑床工況分析 4
2.1工作參數(shù)選定 4
2.2系統(tǒng)工況分析 4
2.2.1 運(yùn)動(dòng)分析 5
2.2.2 負(fù)載分析 5
3液壓系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 7
3.1確定主要參數(shù) 7
3.1.1液壓缸的工作壓力的確定 7
3.1.2 液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的確定 7
3.1.3 液壓缸工況圖的繪制 9
3.2液壓系統(tǒng)方案選型與分析 11
3.2.1方案分析 11
3.2.2方案確定 11
3.3液壓回路選擇 11
3.3.1工作臺(tái)部分 11
3.3.2定位夾緊部分 13
3.3.3組成液壓系統(tǒng)原理圖 14
4液壓缸的設(shè)計(jì) 15
4.1 液壓缸的主要零件確定及其技術(shù)要求 15
4.1.1 缸體 15
4.1.2 缸蓋 16
4.1.3 活塞 16
4.2液壓缸主要尺寸的確定 16
4.2.1 液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算 16
4.2.2 液壓缸工作行程的確定 18
4.2.3 缸蓋厚度的確定 18
4.2.4 最小導(dǎo)向長度的確定 18
4.2.5 缸體長度的確定 19
4.2.6 固定螺栓得直徑 19
4.2.7 液壓缸強(qiáng)度校核 20
4.3 液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
4.3.1 缸體與缸蓋的連接形式 21
4.3.2 活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu) 22
4.3.3 活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu) 23
4.3.4 密封裝置 23
4.3.5 緩沖裝置 24
4.3.6 排氣裝置 25
4.3.7 液壓缸的安裝結(jié)構(gòu) 26
5液壓元件的計(jì)算和選擇 26
5.1確定液壓泵和電機(jī)的規(guī)格 26
5.2 油箱的設(shè)計(jì) 27
5.2.1液壓油箱有效容積的確定 27
5.2.2液壓油箱的外形尺寸 27
5.2.3液壓油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 27
5.3閥類元件和輔助元件的選擇 27
5.4其它元件的選擇 28
5.4.1過濾器的選擇 28
5.4.2 壓力表及壓力表開關(guān)的選擇 29
5.4.3 液位計(jì)的選擇 29
5.4.4油管的選擇 30
6液壓系統(tǒng)的驗(yàn)算 30
6.1 壓力損失的驗(yàn)算 31
6.2發(fā)熱溫升的驗(yàn)算 33
致 謝 35
參考文獻(xiàn) 36
38
1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、龍門銑床、仿形銑床、和萬能銑床等。由于銑床具有較高的工作效率以及加工出來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防、航空、汽車、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)在我國的迅速發(fā)展，數(shù)控銑床在制造業(yè)仲應(yīng)用越來越廣泛，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年全國第三次工業(yè)普查統(tǒng)計(jì)，我國液壓、氣動(dòng)和密封件工業(yè)鄉(xiāng)及鄉(xiāng)以上年銷售收入在100萬元以上的國營、村辦、私營、合作經(jīng)營、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年國際同行業(yè)統(tǒng)計(jì)，我國液壓行業(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國內(nèi)外專用銑床的發(fā)展和研究狀況
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家，它們將機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(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、日本、德國，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，機(jī)床改造業(yè)稱為機(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。美國得寶公司己在中國開辦公司。在日本機(jī)床改造業(yè)稱為機(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)加工過程，并且新型刀具能夠滿足平穩(wěn)加工以及抗振性能的要求。
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國是機(jī)床生產(chǎn)大國，又是使用大國。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。但是我國是發(fā)展中國家，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)和存在的問題，生產(chǎn)效率高。所以現(xiàn)在的國內(nèi)現(xiàn)在偏向于：
1）低技術(shù)水平的產(chǎn)品競爭激烈，互相靠壓價(jià)促銷；
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)沒有完全推廣使用；
5）自行開發(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)仍保持增長的態(tài)勢(shì)，但相比2002年以來機(jī)床行業(yè)的持續(xù)高速增長，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15.2%；產(chǎn)品銷售產(chǎn)值71.48億元，比上年增長17.1%；利稅總額10.7億元，比上年增長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，庫存量增加，后續(xù)合同減少。企業(yè)的經(jīng)營面臨著巨大的挑戰(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，國外客戶購買能力下降，使機(jī)床出口量持續(xù)下滑。
當(dāng)前市場(chǎng)需求分析：伴隨著國際經(jīng)濟(jì)危機(jī)的不斷加深及全球經(jīng)濟(jì)增長的放緩，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。從用戶行業(yè)上看，汽車行業(yè)是機(jī)床行業(yè)的主要下游行業(yè)之一，國內(nèi)汽車行業(yè)受國際、國內(nèi)整體經(jīng)濟(jì)的影響較大，美國汽車三大巨頭正面臨著前所未有的震蕩，其結(jié)果有可能使國際汽車行業(yè)重新洗牌，給國內(nèi)汽車行業(yè)帶來新的機(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，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)域競爭將更加激烈。
總的來說銑床行業(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 在零件加工過程中有大量的無用時(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）體系開放化 向未來技術(shù)開放：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 長生命周期。
9）極端化（大型化和微型化）國防、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。
2專用雙面銑床工況分析
2.1工作參數(shù)選定
選定專用雙面銑床的要求參數(shù)如下：
要求循環(huán)：工作定位→工件夾緊→工作臺(tái)快進(jìn)→工作臺(tái)工進(jìn)→加工到位后停留→快退→原位停止→工件松開→定位銷拔出；
切削推力：25000N；
行程：快進(jìn)行程400mm，工進(jìn)行程50mm；
運(yùn)行速度：V快進(jìn)=V快退=6m/min、V工進(jìn)=0.05-0.10m/min；
運(yùn)動(dòng)部件重G=9800N；
摩擦系數(shù)：靜摩擦系數(shù)fs=0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)fa=0.1；
液壓缸機(jī)械效率：；
快速起動(dòng)時(shí)間不大于0.2s。
2.2系統(tǒng)工況分析
2.2.1 運(yùn)動(dòng)分析
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該專用雙面銑床的工作循環(huán)可分解為：
工作臺(tái)主缸：快進(jìn)→工進(jìn)→加工到位后停留→快退→原位停止
夾緊缸：工件夾緊→工件松開
定位缸：工作定位→定位銷拔出
快進(jìn)、快退速度為：V快進(jìn)=V快退=6m/min
工進(jìn)速度為：V工進(jìn)=0.05-0.10m/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)床來說，即為沿活塞運(yùn)動(dòng)方向的切削力，在本設(shè)計(jì)中工進(jìn)工作負(fù)載即為切削推力故：
Fw=25000N
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9800N；
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 = 0.2×9800N = 1960N
Ffa = 0.1×9800N = 980N
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)中要求不大于0.2s，取=0.1s；
——時(shí)間內(nèi)的速度變化量。
故：
Fa = ×N =1000N
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（見表2-1），并畫出如圖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
2960
2
快進(jìn)
F = Ffa
980
3
工進(jìn)
F = Fw+ Ffa
25980
4
快退啟動(dòng)加速
F = Ffs + Fa
2960
5
快退
F = Ffa
980
圖2-2 負(fù)載循環(huán)圖
3液壓系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
3.1確定主要參數(shù)
3.1.1液壓缸的工作壓力的確定
執(zhí)行元件的工作壓力可以根據(jù)負(fù)載循環(huán)圖中的最大負(fù)載來選取，也可以根據(jù)主機(jī)的類型了確定（見表3-1和表3-2）。
表3-1 按負(fù)載選擇執(zhí)行元件的工作壓力
負(fù)載/ KN
<5
510
1020
2030
3050
>50
工作壓力/MPa
<0.81
1.52
2.53
34
45
≥5
表3-2 各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力
設(shè)備
類型
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
刨床
拉床
工作壓力
0.8~2.0
3~5
2~8
8~10
10~16
20~32
所設(shè)計(jì)的動(dòng)力滑臺(tái)在工進(jìn)時(shí)負(fù)載最大，其值為25980N，其它工況時(shí)的負(fù)載都相對(duì)較低，參考表3-1和表3-2按照負(fù)載大小或按照液壓系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合來選擇工作壓力的方法，初選液壓缸的工作壓力。
在鏜孔加工時(shí)，為了防止孔被鏜通時(shí)負(fù)載突然消失而產(chǎn)生的鏜頭前沖，液壓缸回油腔應(yīng)有一定的背壓，查液壓工程手冊(cè)（回油路帶背壓閥<0.51.5>）取背壓為。
表3-3 執(zhí)行元件背壓的估計(jì)值
系 統(tǒng) 類 型
背壓p1 （MPa）
中、低壓系統(tǒng)0~8MPa
簡單的系統(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
3.1.2 液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的確定
為了節(jié)省能源宜選用較小流量的油源。利用單活塞缸差動(dòng)連接滿足快進(jìn)速度的要求，且往復(fù)快速運(yùn)動(dòng)速度相等，這樣就給液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d規(guī)定了的關(guān)系。由此求得液壓缸無桿腔面積為:
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3-4 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列 (GB2348--1980) (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--1980) (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
由GB/T2348-1980查得標(biāo)準(zhǔn)值為D=125mm，d=90mm。由此計(jì)算出液壓缸的實(shí)際有效面積為:
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＞
=
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，以滿足速度穩(wěn)定的要求。
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 =10cm2
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)該選取液壓缸無桿腔的實(shí)際面積，即
A = A1 = 122.7cm2
可見上述不等式滿足，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
（2）計(jì)算各工作階段液壓缸壓力
快速進(jìn)給時(shí)液壓缸做差動(dòng)連接。由于管路中有壓力損失，取此項(xiàng)損失為△P= P2- P1=0.5MPa，同時(shí)假定快退時(shí)回油壓力損失為0.5MPa。
（3）計(jì)算各工作階段系統(tǒng)輸入功率
根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出液壓缸在一個(gè)工作循環(huán)各階段的壓力、流量和功率，如表3-6所示，并根據(jù)此繪制出其工況圖如圖3-1所示。
表3-6液壓缸在不同階段所需壓力、流量和功率
工作階段
系統(tǒng)負(fù)載/N
回油腔壓力/MPa
工作腔壓力/MPa
輸入流量q/L/min
輸入功率P/W
快速前進(jìn)
1089
1.036
0.636
38.2
240
工作進(jìn)給
28867
0.6
2.64
1.22
32
快速退回
1089
0.5
1.22
35.5
430
注：取液壓缸機(jī)械效率
圖3-1 液壓缸的工況圖
3.2液壓系統(tǒng)方案選型與分析
3.2.1方案分析
(1)以速度變換為主的液壓系統(tǒng)
1）能實(shí)現(xiàn)工作部件的自動(dòng)工作循環(huán)，生產(chǎn)率高；
2）快進(jìn)與工進(jìn)時(shí)，其速度與負(fù)載相差較大；
3）要求進(jìn)給速度平穩(wěn)、剛性好，有較大的調(diào)速范圍；
4）進(jìn)給行程終點(diǎn)的重復(fù)位置精度高，有嚴(yán)格的順序動(dòng)作。
（2）以換向精度為主的液壓系統(tǒng)
1）要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)姓高，有較低的穩(wěn)定速度；
2）啟動(dòng)與制動(dòng)迅速平穩(wěn)、無沖擊，有較高的換向頻率（最高可達(dá)150次/min）；
3)換向精度高，換向前停留時(shí)間可調(diào)。
（3）以壓力變換為主的液壓系統(tǒng)
1）系統(tǒng)壓力要經(jīng)常變換調(diào)節(jié)，且能產(chǎn)生很大的推力；
2）空程時(shí)速度大，加壓時(shí)推力大，功率利用合理；
3）系統(tǒng)多采用高低壓泵組合或恒功率變量泵供油，以滿足空程與壓制時(shí)，其速度與壓力的變化。
（4）多個(gè)執(zhí)行元件配合工作的液壓系統(tǒng)
1）在各執(zhí)行元件動(dòng)作頻繁換接，壓力急劇變化下，系統(tǒng)足夠可靠，避免誤動(dòng)作；
2）能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的順序動(dòng)作，完成工作部件規(guī)定的工作循環(huán)；
3）滿足各執(zhí)行元件對(duì)速度，壓力及換向精度的要求。
3.2.2方案確定
專用雙面銑床的主要部件是動(dòng)力滑臺(tái)。動(dòng)力滑臺(tái)其中的液壓滑臺(tái)是利用液壓缸將泵站所提供的液壓能轉(zhuǎn)變成滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)所需的機(jī)械能。它的液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)功率一般屬于中小功率，速度變化范圍大，附在變化也大。為了保證加工元件的表面質(zhì)量，要求液壓系統(tǒng)的速度穩(wěn)定性要好，所以選擇以速度變換為主的液壓系統(tǒng)作為專用雙面銑床的液壓系統(tǒng)。
根據(jù)工況分析，所設(shè)計(jì)雙面銑床對(duì)調(diào)速范圍、低速穩(wěn)定性有一定要求，因此速度控制是該機(jī)床要解決的主要問題。速度的換接、穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)是該機(jī)床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。
3.3液壓回路選擇
3.3.1工作臺(tái)部分
（1）調(diào)速方式的選擇
由于機(jī)床液壓系統(tǒng)調(diào)速是關(guān)鍵問題，因此首選調(diào)速回路。有工況圖可知：所設(shè)計(jì)的機(jī)床液壓系統(tǒng)功率小，為了防止孔被鉆通時(shí)負(fù)載突然消失而產(chǎn)生的鉆頭前沖，液壓缸回油腔應(yīng)有一定的背壓，故可采用回油路調(diào)速閥調(diào)速回路。
（2）調(diào)速與速度換接回路
這臺(tái)機(jī)床的液壓滑臺(tái)工作進(jìn)給速度低，傳遞功率也較小，很適宜選用節(jié)流調(diào)速方式，由于鉆孔時(shí)切削力變化小，而且是正負(fù)載，同時(shí)為了保證切削過程速度穩(wěn)定，采用調(diào)速閥進(jìn)口節(jié)流調(diào)速，為了增加液壓缸運(yùn)行的穩(wěn)定性，在回油路設(shè)置背壓閥，分析液壓缸的V-L曲線可知，滑臺(tái)由快進(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)時(shí)，速度變化較大，選用行程閥換接速度，以減小壓力沖擊。
圖3-2調(diào)速與速度換接回路
從工況圖上可以清楚地看到：整個(gè)工作循環(huán)過程中，液壓缸要求交替提供快行程的低壓大流量和慢行程的高壓小流量油液。最大流量與最小流量之比約為24。而快進(jìn)、快退所需時(shí)間為：
工進(jìn)時(shí)間為：
則有：
因此該液壓系統(tǒng)運(yùn)行過程中88%的時(shí)間處于小流量工進(jìn)狀態(tài)，從降低成本的角度出發(fā)，不宜選用雙聯(lián)泵，只需用單個(gè)定量泵就可以?，F(xiàn)確定定量泵方案如圖3-3所示。
圖3-3 泵供油油源
（3）換向回路
此雙面銑床快進(jìn)時(shí)采用液壓缸差動(dòng)連接方式，使其快速往返運(yùn)動(dòng)，即快進(jìn)、快退速度基本相等。滑臺(tái)在由停止轉(zhuǎn)快進(jìn)，工進(jìn)完畢轉(zhuǎn)快退等換向中，速度變化較大，為了保證換向平穩(wěn)，采用有電液換向閥的換向回路，由于液壓缸采用了差動(dòng)連接，電液換向閥宜采用三位四通閥，為了保證機(jī)床調(diào)整時(shí)可停在任意位置上，現(xiàn)采用中位機(jī)能O型。
快進(jìn)時(shí)，液壓缸的油路差動(dòng)連接，進(jìn)油路與回油路串通，且又不允許經(jīng)背壓閥流回油箱。轉(zhuǎn)為工進(jìn)后進(jìn)油路與回油路則要隔開，回油則經(jīng)背壓閥流回油箱，故須在換向閥處、在進(jìn)、回路連通的油路上增加一單向閥，在背壓閥后增加一液控順序閥，其控制油與進(jìn)入換向閥的壓力油連通，于是快進(jìn)時(shí)液壓缸的回油被液控順序閥切斷（快進(jìn)空行程為低壓，此閥打不開），只有經(jīng)單向閥與進(jìn)油匯合，轉(zhuǎn)工進(jìn)后（行程閥斷路），由于調(diào)速閥的作用，系統(tǒng)壓力升高，液控順序閥打開，液壓缸的回油可經(jīng)背壓閥回油箱，與此同時(shí)，單向閥將回油路切斷，確保液壓系統(tǒng)形成高壓，以便液壓缸正常工作。繪出該部分回路圖。
為了控制軸向加工尺寸，提高換向位置精度，采用行程開關(guān)做終點(diǎn)轉(zhuǎn)換控制。
圖3-4換向回路
3.3.2定位夾緊部分
本系統(tǒng)采用了電磁閥換向控制系統(tǒng)動(dòng)作迅速，由二位二通電磁閥控制。保證工作迅速可靠。油泵也采用變量泵供油，在定位夾緊過程中，壓力較低，流量較大，當(dāng)定位、夾緊后需要壓力較高。流量較小，排油量隨壓力變化的限壓式變量泵正好滿足這種要求。同時(shí)可減少功率損失，降低溫升。夾緊后，系統(tǒng)壓力升高，達(dá)到壓力繼電器調(diào)定值后，壓力繼電器發(fā)出信號(hào)，開始工進(jìn)。
3.3.3組成液壓系統(tǒng)原理圖
根據(jù)上面選定的基本回路，在綜合考慮設(shè)計(jì)要求，便可組成完整的液壓系統(tǒng)原理圖，如圖3-5所示。
圖3-5 雙面銑床液壓系統(tǒng)圖
4液壓缸的設(shè)計(jì)
液壓缸是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，用來實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或小于360°擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換裝置?；钊捉Y(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，因此在液壓系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。在完成了液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，還必須對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算與校核，確定液壓缸的材料，并對(duì)液壓缸各部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
4.1 液壓缸的主要零件確定及其技術(shù)要求
4.1.1 缸體
液壓缸缸體的常用材料一般為20、35、45號(hào)無縫鋼管，鑄鐵可采用HT200—HT350間的幾個(gè)牌號(hào)或球墨鑄鐵。由于球墨鑄鐵具有較高的抗拉強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度，也具有良好的塑性和韌性，其屈服度比鋼高。因此，球墨鑄鐵制造承受靜載荷的構(gòu)件比鑄鋼節(jié)省材料，重量也輕。所以本設(shè)計(jì)的液壓缸采用Q235。鑄件需進(jìn)行正火消除內(nèi)應(yīng)力處理。
1）缸體的內(nèi)徑因?yàn)轫毰c活塞配合，防止漏油，所以要盡量減少表面粗糙度，可采用H8、H9配合。當(dāng)活塞采用橡膠密封圈時(shí)，Ra為0.1～0.4μm，當(dāng)活塞用活塞環(huán)密封時(shí)，Ra為0.2～0.4μm，且均需研磨。
2）缸體內(nèi)徑的圓度公差值可按9、10、11級(jí)精度選取，圓柱度公差應(yīng)按8級(jí)精度選取。
3）缸體端面的垂直度公差可按7級(jí)精度選取。
4）缸體與缸頭采用螺紋連接時(shí)，螺紋應(yīng)用6級(jí)精度的米制螺紋。
5）當(dāng)缸體帶有耳環(huán)或軸銷時(shí)，孔徑或軸徑的中心線對(duì)缸體內(nèi)孔軸線垂直公差值按9級(jí)精度選取。
此液壓缸體的外徑需要與機(jī)架配合，應(yīng)進(jìn)行加工，且與中心線同軸度的要求。裝卸時(shí)需把吊環(huán)螺栓吊起。所以缸體端部選用螺紋連接，螺紋連接徑向尺寸小，質(zhì)量輕，使用廣泛。裝卸需用專用工具，安裝時(shí)應(yīng)防止密封圈扭曲。
4.1.2 缸蓋
本液壓缸采用在缸蓋中壓入導(dǎo)向套，缸蓋選用HT200鑄鐵，導(dǎo)向套選用鑄鐵HT200，以使導(dǎo)向套更加耐用。
4.1.3 活塞
液壓缸活塞常用的材料為耐磨鑄鐵，灰鑄鐵，鋼及鋁合金等。本設(shè)計(jì)液壓缸活塞材料選用45號(hào)鋼，需要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。
1）活塞外徑D對(duì)內(nèi)孔d的徑向跳動(dòng)公差值，按7、8級(jí)精度選取。
2）端面T對(duì)內(nèi)徑d軸線的垂直度公差值，應(yīng)按7級(jí)精度選取。
3）外徑D的圓柱度公差值，按9、10、11級(jí)精度選取。
4）活塞與缸體的密封結(jié)構(gòu)由前可以選用O型密封圈。
4.2液壓缸主要尺寸的確定
液壓缸工作壓力主要根據(jù)液壓設(shè)備的類型來確定，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。所以設(shè)計(jì)時(shí)，可用類比法來確定。
液壓缸的工作壓力MPa，缸筒內(nèi)徑 D=125mm，活塞桿外徑d=90mm。
4.2.1 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)楸诤竦牟煌鳟悺Ｒ话阌?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，如在切削加工過程中的變形、安裝變形等引起液壓缸工作過程卡死或者漏油。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。
4.2.2 液壓缸工作行程的確定
液壓缸工作行程長度，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確定，并且參照表4-1中的系列尺寸來選取標(biāo)準(zhǔn)值。
表4-1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450mm,參考上表系列Ⅱ，取液壓缸工作行程為450mm。
4.2.3 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）。
在此次設(shè)計(jì)中，利用上式計(jì)算可取t=40mm
4.2.4 最小導(dǎo)向長度的確定
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稱為最小導(dǎo)向長度（圖3-2）。如果導(dǎo)向長度過小，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)向長度。
對(duì)于一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長度H應(yīng)滿足以下要求
式中 ——液壓缸的最大行程。
——液壓缸的內(nèi)徑。
為了保證最小導(dǎo)向長度H，如果過分增大和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來增加H的值。隔套的長度C由需要的最小導(dǎo)向長度H決定，即
在此設(shè)計(jì)中，液壓缸的最大行程為450mm，液壓缸的內(nèi)徑為125mm，所以應(yīng)用公式的 =mm =85mm。
活塞的寬度B一般取得B =（0.6~1.0）D；缸蓋滑動(dòng)支撐面的長度，根據(jù)液壓缸內(nèi)徑D而定。
當(dāng)D＜80mm時(shí)，取；
當(dāng)D＞80mm時(shí)，取。
活塞的寬度B = （0.6~1.0）d =54~90mm，取70mm
4.2.5 缸體長度的確定
液壓缸缸體內(nèi)部長度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長度還要考慮到兩端端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長度不應(yīng)該大于內(nèi)徑的20~30倍。缸體長度L = 400+100mm=500mm。
4.2.6 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——液壓缸最大負(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
4.2.7 液壓缸強(qiáng)度校核
1）缸筒壁厚校核：
。
。
前面已經(jīng)通過計(jì)算得：D = 125mm, = 15mm。則有＜10，所以為厚壁缸。
= 15mm≥ = = 11.12mm，
可見缸筒壁厚滿足強(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)長比＞時(shí)
=
當(dāng)活塞桿的細(xì)長比≤時(shí)，且 = 20120時(shí)，則
=
式中 ——安裝長度，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，液壓缸滿足穩(wěn)定性要求。
4.3 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。
4.3.1 缸體與缸蓋的連接形式
缸體與缸蓋常見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4-1 常見的缸筒和缸蓋結(jié)構(gòu)
圖4-1所示為常見的缸蓋和缸筒連接形式。圖4-1a 為法蘭式連接結(jié)構(gòu)，這種連接結(jié)構(gòu)簡單、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4-1b 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)，常用于無縫鋼管和鍛鋼制的缸筒上。
圖4-1c、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，常常用于無縫鋼管和鍛鋼制的缸筒上。
圖4-1d 為拉桿式連接形式，這種連接結(jié)構(gòu)簡單，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，從而影響密封效果，僅適用于長度不大的中低壓缸。
圖4-1d 為焊接式連接，這種連接形式強(qiáng)度高，制造簡單，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。
4.3.2 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，常見的有一體式、錐銷式連接外、還有螺紋式連接和半環(huán)式連接等多種形式，如圖4-2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4-2 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。活塞一般用耐磨鑄鐵制造，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4-3所示。
圖4-3 活塞桿與活塞的連接形式
這種連接方式結(jié)構(gòu)簡單，便于拆卸，成本低廉，但是在震動(dòng)的過程中容易松動(dòng)，所以加了防松裝置，應(yīng)用范圍較廣。
4.3.3 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，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)過綜合考慮，采取端蓋直接導(dǎo)向。
4.3.4 密封裝置
液壓缸中常見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，用以增大油液通過間隙時(shí)的阻力。它結(jié)構(gòu)簡單，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)配合面之間來防止泄露。它結(jié)構(gòu)簡單，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4-4）
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4-4 O形密封圈
（2）V形密封圈（如圖4-5）
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形圈的開口應(yīng)面向壓力高的一側(cè)。
圖4-5 V形密封圈
（3）Y形密封圈（如圖4-6）
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4-6 Y形密封圈
對(duì)于活塞桿外伸部分來說，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。
4.3.5 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4-7）和節(jié)流口變化式（如圖4-8）兩種。
圖4-7 節(jié)流口可調(diào)式緩沖裝置
圖4-8 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4-8所示的緩沖裝置。這種緩沖裝置可以調(diào)節(jié)。
4.3.6 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排氣孔，用長管道接向遠(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（讓它全行程往復(fù)移動(dòng)多次），排氣完畢后關(guān)閉。
圖4-9 常見排氣裝置
4.3.7 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螺栓安裝、腳架安裝、法蘭安裝、軸銷和耳環(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。如果液壓缸沒有專用得排氣裝置，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，見表4-2。
表4-2 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
5液壓元件的計(jì)算和選擇
5.1確定液壓泵和電機(jī)的規(guī)格
由工況圖可知，整個(gè)工作循環(huán)過程中液壓缸的最大工作壓力為3.12MPa。選取油路總壓力損失為0.8MPa。則泵的最大工作壓力為：
其次確定液壓泵的最大供油量，由工況圖可知，液壓缸所需的最大流量為38.2L/min，若取系統(tǒng)泄漏系數(shù)K=1.05，則泵的流量為
最后根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù)查閱產(chǎn)品樣本，確定選擇YB-40型葉片泵，當(dāng)液壓泵轉(zhuǎn)速為n=960r/min時(shí)，液壓泵的輸出流量為40L/min。
由于液壓缸在快退時(shí)輸入功率最大，如果取泵的效率為，這時(shí)驅(qū)動(dòng)液壓泵所需電動(dòng)機(jī)功率為
根據(jù)此數(shù)據(jù)查閱電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品目錄，選擇Y110L-6型電動(dòng)機(jī)，其額定功率，額定轉(zhuǎn)速。
5.2 油箱的設(shè)計(jì)
液壓油箱的作用是貯存液壓油，分離液壓油中的雜質(zhì)和空氣，同時(shí)還起到散熱的作用。
5.2.1液壓油箱有效容積的確定
液壓油箱在不同的工作條件下，影響散熱的條件很多，通常按壓力范圍來考慮。液壓油箱的有效容量v可概略的確定為：
已知該系統(tǒng)為中壓系統(tǒng)（p=3MP）?。?
V=(5～7)=200L～280L
取V=250L
式中，V —液壓油箱的有效容積
—液壓泵的額定流量
5.2.2液壓油箱的外形尺寸
液壓油箱的有效容積確定后，需設(shè)計(jì)液壓油箱的外形尺寸，一般尺寸為（長：寬：高）1：1：1～1：2：3，為提高冷卻效率，在安裝位置不受限制時(shí)，可將液壓油箱的容量予以增大。
5.2.3液壓油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
液壓油箱簡稱油箱，它往往是一個(gè)功能組件，在液壓系統(tǒng)中的主要功能是存儲(chǔ)液壓油液、散發(fā)油液熱量、溢出空氣及消除泡沫和安裝元件等