专用铣床的设计

目录

1、设计流程图··············································2 2、设计依据················································2 3、工况分析················································3 3.1 外负载··········································3 3.2 阻力负载········································5 3.3惯性负载·········································5 4、初步确定油缸参数，绘制工矿图·····························7 4.1 初选油缸的工作压力······························7 4.2 计算油缸的尺寸··································8 4.3 油缸个工况的压力、流量、功率的计算················9 5、确定液压系统方案和拟订液压系统原理图···················11 5.1 确定油源及调速方式·····························11 5.2 选择基本回路···································12 5.3 选择调压回路···································13 6、选择液压元气件·········································14 6.1 液压泵的选择···································14 6.2 阀类元气件及辅助元气件的选择···················15 6.3 确定直径···································16 6.4 油箱的设计·····································17 7、验算液压系统性能·······································18 参考文献·················································20

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一、设计流程图

液压系统设计与整机设计是紧密联系的，设计步骤的一般流程如图

否 是否符合要求？ 结 束 是 否 是否通过？ 绘制工作图，编制技术文件 是 明确液压系统的设计要求 执行元件运动与负载分析 确定执行元件主要参数 拟定液压系统原理图 选择液压元件 验标液压系统性能 液 压 CAD 下面将按照这一流程图来进行本次液压课程设计。

二、设计依据：

专用铣床工作台重量为3000N，工件及夹具最大重量为1000N，切削力最大达9000N，工作台的快进速度为4.5m/min，进给速度为

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60～1000mm/min，行程为400mm（其中快进340mm、工进60mm）。工

作循环为快进→工进→快退→原位停止。工作台往返运动的加速、减速时间为0.05s，假定工作台采用平面导轨，其摩擦系数fs=0.2，

fd=0.1，试设计其液压系统。

三、工况分析

液压系统的工况分析是指对液压执行元件进行运动分析和负载分析，目的是查明每个执行元件在各自工作过程中的流量、压力、功率的变化规律，作为拟定液压系统方案，确定系统主要参数（压力和流量）的依据。 负载分析 （一） 外负载

Fcmax =9000N 其中Fcmax表示最大切削力。

对于专用铣床铣削时铣刀所承受的主切削力大小（单位N）为：

FcPfap (N)

式中 P — 单位切削力（N/mm2）

f — 每转进给量（mm/r）

ap — 背吃刀量（mm）

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下面将进行具体参数的计算：

由公式 uffn 可得 （其中uf表示每分钟进给速度，n表示铣刀的转速） 由设计依据可知 n=300r/min 工进速度uf=60—1000mm/min，故我们取uf=300mm/min。

f

对于单位切削力P，由以下的常用金属材料的单位切削力表可得，我们选P=2000N/mm2。

ufn3001mm/r

300类别 钢 材料 易切钢 结构钢 合金结构钢 不锈钢 牌号 Y40Mn 45 40Cr 1Cr17Ni9 HT200 ZcuSn5Pb5Zn5 ZALSn7Mg 单位切削力P（N/mm） 1700 2000 2 2500 1140 700 720 铸铁 灰铸铁 铸造锡青铜 铸造铝合金 铸造 合金 对于铣削背吃刀量ap,我们选用硬质合金铣刀，查铣工计算手册可得，

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取ap=1.5mm。

根据以上的公式 FcPfap可得：

FcPfap200011.53000(N)

因为3000（二） 阻力负载

静摩擦力：Ffs=（G1+G2）·fs

其中 Ffs—静摩擦力N G1、G2—工作台及工件的重量N fs—静摩擦系数

由设计依据可得：Ffs=（G1+G2）·fs=(3000+1000)X0.2=800N 动摩擦力Ffd=（G1+G2）·fd 其中 Ffd—动摩擦力N fd—动摩擦系数

同理可得： Ffd=（G1+G2）·fd=(3000+1000)X0.1=400N

（三） 惯性负载

机床工作部件的总质量m=（G1+G2）/g=4000/9.81=408kg

5340N

600.1utu0 其中：a—执行元件加速度 m/s a

t 惯性力Fm=m·a408ut—执行元件末速度 m/s u0—执行元件初速度m/s t—执行元件加速时间s

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因此，执行元件在各动作阶段中负载计算如下表所示：

工况 启动 加速 快进 工进 快退 油缸负载（N） F=Ffs F=Ffd+Fm F=Ffd F=Ffd+Fc F=Ffd 负载值（N） 800 740 400 3400 400 按上表的数值绘制负载如图所示。

对于速度而言，设计依据中已经有了明确的说明，所以按照设计依

据绘制如下：

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图1铣床液压缸负载图

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四、初步确定油缸参数，绘制工况图 1、初选油缸的工作压力、

由上可以知道，铣床的最大负载F=9800N，根据下表可得： 表 按负载选择液压执行元件的工作压力 载荷/（KN） <5 5—10 10—20 20—30 30—50 2.5~3 3~4 4~5 >50 >=5~7 图2铣床液压缸速度图

工作压力（Mpa） <0.8~1 1.5~2 选系统的工作压力P1=2Mpa。

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由设计要求可知，导轨要求快进、快退的速度相等，故液压缸选用单活塞杆式的，快进时采用差动连接，且液压缸活塞杆直径d≈0.7D。快进和工进的速度换接用三位四通电磁阀来实现。

铣床液压系统的功率不大，为使系统结构简单，工作可靠，决定采用定量泵供油。考虑到铣床可能受到负值负载，故采用调速阀的进油节流加背压阀的调速回路，所以回油路上具有背压P2，取背压P2=0.5Mpa。 2、计算油缸尺寸

可根据油缸的结构及连接方式计算油缸的面积、油缸直径D及活塞杆直径d计算出后应按标准予以圆整，然后再计算油缸的面积： 此时由工进时的负载值按计算公式计算液压缸面积：

A2AF(PP)m1234000.96(220.5)1061011.91066m

21A22A22023.8106m2 D

4A142023.8103.140.051m

d0.7070.0510.036m

D=0.06m, d=0.04m

在将这些直径按照国标圆整成标准值得：

由此就求得液压缸两腔的实际有效面积为

A1D2428.26104m2，

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A2(D2d2)415.7104m2。

3、油缸各工况的压力、流量、功率的计算

（1）、工进时油缸需要的流量Q工进 m3/min

Q工进AU1工进28.26100.30.0008m/min

432:工进时油压作用的面积 mA1U工进:工进时油缸的速度 mm/min

快进(2)、快进时油缸需要的流量Q差动连接时:

m3/min

QU快进快进（A1A2）•U快进（28.26-15.7）1050.0063mmin2

-43A、A—分别表示油缸活塞腔、活塞杆截面积 m²

1—油缸快进时的速度mm/min

(3)、快退时油缸需要的流量Q快退, m3/min

4315.71050.0078m/min Q= A·U=

快退2

快退 U快退 —油缸退回时的速度, mm/min

(4)、工进时油缸的压力

P1（Fm/APA）2211.45MPa

P2—为工进时回油腔的背压,上面已经选取为0.5Mpa （5）、快进时油缸压力

P

启动（FmP/(AA)1.035MPa A）2129

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（F P加速

mPP/(AA)0.9 MPa A）212P快速(FmA)/(AA)0.705MPa

212这里：F分别表示快速启动、加速、快速时油缸的推力， P—分别表示快速启动、加速、快速时油缸的压力。

p表示管路中压力损失大小，这里我们取值为0.3Mpa。

（6）、快退时油缸压力

p启动(F/mp2A1)/A21.43MPa

pp加速(F/(F/mpA)/A2121.391MPa

快退mpA)/A2121.165MPa

F—分别表示快速启动、加速、快速时油缸的推力， P—分别表示快速启动、加速、快速时油缸的压力。 P2的值为0.5MPa

油缸工作循环中各阶段的压力、流量、功率实际值如表2所示： 表2 液压缸在不同工作阶段的压力、流量和功率值 工况 负载 F/N 快进 启动 800 808 400 3400 800 0.5 0 10

回油腔进油腔输入流输入压力 P2/MPa 压力 量 功率 Pq/m3/min P/kW 1/MPa 0 P1P 1.035 0.9 0.705 1.45 1.43 — — 0.0063 0.0008 — — — 0.07 0.019 — (差动) 加速 快进 工进

启动 工程学院

快退 加速 快退

由以上所计算的数据我们绘制出工况图如下所示：

.07808 400 0.5 1.391 1.165 — 0.0078 — 0.151

五、确定液压系统方案和拟订液压系统原理图 (一) 确定油源及调速方式

图3液压缸工况图

功率压力流量 11

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由以上的计算可以知道，铣床液压系统的功率不大，工作负载的变化情况很小，因此，为使系统结构简单，工作可靠，决定采用定量泵供油。考虑到铣床可能受到负值负载，故采用回油路调速阀节流调速方式，并选用开式循环。

从工况图中我们可以清楚的看出，在液压系统的工作循环中，液压缸要求油源提供的流量变化并不是很大，因此工进和快进的过程中，所需流量差别较小。故我们选用定量单液压泵供油。

图4差速回路

（二）选择基本回路

1. 选择换向回路及速度换接方式

由设计依据可以知道，设计过程中不考虑工件夹紧这一工序，并且从快进到工进时，输入液压缸的流量从6.3L/min降到0.8L/min，速度

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变化不是很大，所以采用电磁换向阀来实现速度的换接。压力继电器发讯，由电磁换向阀实现工作台的自动启动和换向。同时为了实现工作台能在任意位置停止，泵不卸载，故电磁阀必须选择O型机能的三位四通阀，如下图所示：

图5O型机能的三位四通阀

由于要求工作台快进与快退速度相等，故快进时采用差动连接来实现快速运动回路，且要求液压缸活塞杆直径d≈0.7D。 （三）选择调压回路

设计过程中，在油源中采用溢流阀来调定系统的工作压力，因此调压问题基本上已经在油源中解决，无须在另外设置调压系统。这里的溢流阀同时还能起到安全阀的作用。

将上面所选的液压基本回路组合在一起，便可得到以下的液压系统原理图。同时电磁铁的动作顺序表如下：

表 3 液压专用铣床电磁铁动作顺序表

工序 工作缸快进 1Y + 2Y — 3Y + 4Y — YJ + 13

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工作缸工进 工作缸快退 + — — + — — — — + + 图6 专用铣床液压系统原理图

1-油箱； 2-过滤器； 3-叶片泵； 4--溢流阀； 5-三位四通电磁换向阀； 6-单向调速阀； 7-两位三通电磁换向阀； 8-工作缸； 9-压力继电器

六、选择液压元气件 （一） 液压泵的选择

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由以上的设计可以得到，液压缸在整个工作过程中的最大压力是1.45Mpa，如取进油路上的压力损失为0.4Mpa，则此时液压泵的最大工作压力是Pp=1.45+0.4=1.85Mpa。

由以上的计算可得，液压泵提供的最大流量是7.8L/min,因为系统较为简单，取泄漏系数Kl1.1，则两个液压泵的实际流量应为：

qp1.17.8L/min8.58L/min

由于溢流阀的最小稳定溢流量为3L/min，而工进时输入到液压缸的流量是3.8L/min，由流量液压泵单独供油，所以液压泵的流量规格最少应为6.8L/min。

根据以上的压力和流量的数值查阅机械设计手册，最后选用YB1-6.3型单叶片液压泵，其排量大小为6.3ml/r,当液压泵的转速为 1450r/min时，该液压泵的理论流量为9.14L/min。取液压泵的容积效率为v0.9，则液压泵的实际流量大小为：

qp6.312000.9/10006.8L/min 由于由以上的计算过程中，我们知道了液压缸在快退时的输入功率最大，此时液压泵的工作压力是1.165+0.4（进油路上的压力损失）=1.565Mpa，流量为6.8L/min，查表可得，取液压泵的总效率p0.7，则液压泵驱动电机所需的功率为

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ppqppp1.5656.80.25KW

600.7 根据以上的数据查机械设计手册选用Y801型电动机，其额定功率为0.55kW，额定转速为1200r/min。 （二）阀类元气件及辅助元气件的选择

根据阀类及辅助元气件所在油路的最大工作压力和通过的最大实际流量，可选择这些器件的型号和规格如下表：

序号 1 2 元件名称 额定流量额定压力质量(kg) 5.5 — YB1-6.3 34D-25BOP 型号 表4 元气件的型号及规格

（L/min） (Mpa) 单叶片泵 9.2 三位四通电磁阀 25 6.3 6.3 3 二位三通电磁阀 25 6.3 — 23D-25B 4 单向调速阀 0.05（最小） 20 0.5-6.3 3.2 QI-10B 5

溢流阀 0.4-6.3 16

1.7 Y-10B 工程学院

6 压力继电器 7 8

（三）确定直径

由于液压泵在选定之后液压缸在各个工作阶段的进、出流量已 与原来的数值不同，所以要重新计算，计算如下表4所示：

输入流量 （L/min） 输出流量 (L/min) 运动速度 (m/min) 快进 q1Aq1p/(A1A2)(28.266.8)/(28.2615.7) 15.3— 1.0-6.3 0.7 DP1-63B 滤油器 开关阀 16 25 2.5 6.3 0.18 — XU-B16X100 22D-25B 表5 液压缸的进出、流量

工进 q10.8 快退 q1qp6.8 q2A2q1/A1(15.715.3)/28.26 8.5u1qp/(A1A2)6.810/(28.2615.7) 5.4q2A2q1/A1q2A1q1/A215.70.8/28.26 28.266.8/15.7 0.4412.24u2q1/A10.810/28.26 0.28u3q1/A26.810/15.7 4.33由上表中的数值，按照书中推荐的油液在压的流速u=3m/s可得，液压缸有杆腔和无杆腔相连的内径分别为：

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d2q/(u)2(6.8106/60)/3.1431036.94mm

d2q/(u)2(15.3106/60)/3.14310310.4mm 两根按YB231—选用外径为13mm，壁厚为1.2mm的冷拔无缝钢管。 （四） 油箱的设计

对油箱容积我们进行估算，取经验数据7，故其容积为： Vqp76.8L47.6L 取靠其最近的标准值V=50L 七、验算液压系统性能

——油液温升的验算

工进在整个工作循环中所占的时间比例是很长的，所以系统发热和油液温升可按工进时的工况来计算。

工进时液压缸的有效功率是

pcFu234000.28601030.0159KW

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由以上的计算可知，液压泵在工进时的工作压力为

p=1.45+0.4( 进油路上的压力损失)=1.85Mpa,流量为6.8L/min,所以液压泵的输入功率为：

1.856.8Ppppq600.210KW

所以可得，液压系统的发热功率为：

PPpPc0.2100.01590.194KW 油箱的散热面积为： A6.5V236.5(50103)230.88m2

查表可得油箱的散热系数K9W/(m2.oC)，则可得油液的温升为：

tp0.194310c27.6c KA80.88 查表知，此温升值没有超出允许范围，故液压系统不需要设置冷却器。

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参考文献： 液压传动设计手册 上海科学技术出版社

机床设计手册——液压、气动系统设计及机床现代设计方法 机械工业出版社 新编铣工计算手册 刘承启 主编 机械零件手册 高等教育出版社 液压与气压传动 机械工业出版社

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