数控车床液压系统设计.pdf

机械制造与研究 张志英 数控车床液压 系统设计 数控车床液压系统设计 张志英 南京数控机床有限公司， 江苏 南京 2 l 1 1 0 0 J 摘要 从数控车床液压系统完成加工零件所需要的一些辅助动作， 如提供加工零件的夹紧 力 、 顶紧力以及刀盘锁紧力、 油缸的换位动作及大倾斜拖板的平衡装置等方面， 总结了数控车 床液压系统设计可靠合理的要求和参数， 并给出了典型液压系统设计的实例。 关键词 数控车床； 液压系统； 平衡装置； 拖板； 平衡阀 中图分类号 T H 1 3 7； T G 6 5 9 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 - 5 2 7 6 2 0 1 0 0 1 - 0 0 3 3 -03 Hy d r a ul i c Sy s t e m De s i g n o f CNC La t he s Z HANG Z h i y i n g N a n j i n g C NC Ma c h i n e T o o l Co ． ， L { d ． ， N a n j i n g 2 1 1 1 0 0 ，C h i n a Abs t r a c t Th e p ap er e x p ou n d s r ea s on a b l e d es ign r e qu i r e me n t s， t e c hn ic al p a r a me t e r es， t he r e pr e s en t a t iv e de s ign s c h eme a n d e x - amp l e s o f t h e CNC la t h e s’hy d r au l ic s y s t e m． It d ea l s wit h t he cla mp i n g p r e s s u r e o f s pin dle， p ull e r p r e s s u r e of t a i ls t oc k ， lo c k p r es su r e of t o o l d i s k， c h a n gi n g p o s i t i o n o f c y l i n d e r a n d t h e e q ua l iz er o f o bli q u e c ar r iag e e t c． Ke y wo r ds CNC lat h e s；h y dr au l ic s y s t em；e qu a l iz er ；c a r r i a g e；b a l a n c e v alv e 数控车床用于全 自动加工回转体盘类、 轴类等零件。 零件可在一次装夹后完成 回转体曲面、 沟槽、 镗孔、 钻孔、 扩孔、 攻铰螺纹、 车螺纹等复杂工序， 并要求效率高、 可靠 性强等特点。数控车床液压系统是加工中心铣 、 钻 、 镗类 机床中的一个典型部件。 l 数控车床对液压 系统的要求 数控车床液压系统同液压机、 磨床、 工程机械液压系 统相比有其特定之处， 主要完成加工零件所需的一些辅助 动作。 数控车床液压系统所承担的辅助动作所需力及流量 变化较小， 主要负载是提供加工零件的夹紧力、 顶紧力以 及刀盘的锁紧力和一些油缸换位动作及大倾斜角度拖板 的平衡。为满足上述功能， 一般采用中低压系统， 压力在 7 MP a以下， 液压系统流量一般在 0 ． 51 0 m ／ s 3 O L ／ m i n 以下 。 2 数控车床液压系统的主要动作 a 工件的夹紧、 松开 数控车床因其工件在高速旋转 中进行切削加工， 故对工件的可靠夹紧有其特殊的要求 ， 并要保证在特殊情况下如 机床切削过程中出现故 障、 突 然停电等情况下， 工件被可靠夹持。因此对其工件夹紧液 压装置在安全可靠性方面需有多重保护装置。 工件的夹持通常通过液压旋转油缸提供。轴向推拉 力经拉杆连接到动力卡盘上， 并经斜楔机构等将轴向力放 大成夹紧工件的径向夹紧力。详见示意图 1 。 图 1 工件的夹紧 b 工件的轴向顶紧 数控车床加工轴类零件其长径 比超过3倍时， 根据零件的加工要求 ， 一般需用活动顶尖 顶紧工件 ， 以加强工件的刚性 ， 防止在切削过程中发生振 动。数控车床为体现其高效、 自动化 ， 尾座套筒的伸缩与 普通车床有所不同。普车套筒伸缩由手动完成 ， 数控车床 尾座套筒的伸缩一般通过液压油缸推动套筒来实现。 c 工件的径向辅助支承 车床加工细长轴时， 为保证 切削的顺利进行， 一般需在工件中间加装中心架。普车的 中心架通常为手动来完成工件的支承； 数控车床的中心架 大多采用液压 自定心中心架。 d 拖板的平衡 数控车床的刀台、 刀盘、 小拖板等联 成一体 ， 由 轴滚珠丝杠通过伺服 电动机带动而上下移 动。当小拖板倾斜角度 4 5 。 时， 为保证零件加工精度， 减 小滚珠丝杠的轴向受力 ， 整个小拖板运动部分的质量所产 生的下滑力， 需采用平衡法加以处理。小拖板的平衡可由 配重法， 溢流阀、 减压阀或平衡阀加平衡油缸来实现。详 见图 2和图 3 。 采用溢流阀、 减压阀平衡重量时， 由溢流阀的启闭特 性、 响应性及两阀的其余各项静、 动态性能可知其平衡效 果不很理想。而平衡阀兼具有两重性于一体， 大大改善了 工作特性。平衡阀一般选用先导式平衡阀， 主阀为滑阀式 作者简介 张志英 1 9 6 7 一 ， 男， 江苏常州人， 高级工程师， 工程学士， 主要从事数控机床的设计制造工作。 Ma i n eB u i l d i n g Au t o m a t io n ， F e b 2 0 1 0， 3 9 J 3 3～ ， 6 D 3 3 机械制造与研究 张志英 数控车床液压系统设计 图 2 溢流 阀、 减压 阀平衡重量原理图 a 结构原理图 图4 平衡阀 图 3 平衡阀平衡 重量原理 图 b符号 ] a活塞上升时工况 b活塞停止时工况 c活塞下降时工况 图 5 平衡阀工作原 理图 结构， 详见图4 a ， 图4 b 。工作原理详见图5 。数控机 床在加工时， 小拖板 向上移动， 带动平衡油缸中的活塞向 上移动， 平衡阀工作状况如图5 a 所示， 此时 C口压力未 到达设定压力， 滑阀在弹簧力的作用下处于图示位置， 阀 口A开启， 压力油由P口到C口， 平衡缸油腔补油。当小 拖板在 轴方向无运动时， 即活塞停止时的工况， 平衡阀 工况见图5 b ， 当C口压力达到设定压力后 ， 导阀开启， 滑阀上的节流孔使滑阀两端产生压差， 滑阀左移减压， 直 至阀口A关闭； 若泄漏使 C口压力下降， 则滑阀右移， P口 向 c口供油， 从而使 c口压力恒定， 达到平衡状态。当小 拖板向下移动时， 带动平衡油缸活塞向下移动， 平衡阀工 况见图5 c ， 此时由于油缸加上外负载， C口压力大于设 定压力， 滑阀两端压差增大， 滑阀左移到图示位置， 阀口 B 打开， 油液由C口流向0口， 从而降低油缸油腔压力。 为了使平衡效果达到最佳， 要求平衡油缸启动压力 小， 活塞运动灵活， 且油缸静动磨擦力小。活塞密封采用 格来圈， 以保证有效、 可靠、 低磨擦， 采用斯来圈， 使其具有 极佳的耐磨损与滑动性能， 没有忽阻忽滑的毛病， 亦即尽 3 4 t 可能地 肖 除爬行现象， 保证 轴加工零件时上下运动位置 精度的准确性。 3 液压系统的其他要求 数控机床对整个液压系统的要求是外观整齐， 易于调 整维修， 在部分管路中需设置压力表， 测压接点； 油路管道 排列整齐， 至各个运动部件的液压软管， 为防止损伤应尽 可能采用管道防护导套。液压泵站在正常工作中， 为保证 液压油的工作特性 ， 要求系统油温不得超过6 0℃， 从开机 至泵站热平衡温升不得超过 3 O℃， 泵站噪声不得超过 7 2 d B A 。 4 典型数控车床液压系统举例 下面以图6某型数控车床液压系统为例， 对其组成及 工作中的调整加以简要说明。 a 液压系统泵站运动时序 打 机床电源， 启动电动 h t t p ／ ／ Z Z HD ． c h i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n E - ma i l Z Z HD c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自动化 机械制造与研 究 张志英 数控车床液压 系统设计 图6 某型数控机床液压系统原理图 机 1 ， 变量叶片泵 2运转 ， 溢流阀 3 起安全阀作用 ， 调节变 量泵 2 ， 使其输出压力到达 5 MP a ， 并将安全阀 6调至 6 MP a ， 以确保限压式变量叶片泵在限压失效时起溢流安全 阀作用。泵站上同时装有液位计和压力管路滤油器 4 ， 滤 油器过滤精度为 1 0 I,r m， 当压力管路滤油器进出口压差 0 ． 3 MP a时， 机床电器系统报警。 b 工件夹紧 数控车床切削工件通过动力卡盘夹紧， 在高速液压旋转油缸规格确定后 ， 其夹紧方式 正夹、 反 撑 和夹紧力的大小通过压力口减压阀5和电磁换向阀 6 和手动转位阀7 在油管不变的情况下实现夹与撑工件的 切换 完成 ， 压力继电器 8用以检测工作压力达到设定值 后， 主轴方能旋转， 以确保工件被可靠夹持。液压锁 9确 保意外故障等情况下油缸两腔油被 困， 确定工件不松脱， 起安全保障锁作用。 C 工件轴向顶紧和中心辅助支承 数控车床加工细 长轴时经常采用中心架支承或跟刀架支承， 轴向由尾顶针 顶紧， 以确定工件加工刚性和精度。执行动作分别由换向 阀 1 0和 1 2完成。力的大小控制分别 由减压阀 1 1和 1 3 来调整。压力继电器 1 2 、 1 4则分别检测工件是否被可靠 支承和轴向顶紧。 d 尾架的紧固与移动 当尾架体需在工件加工过程 中进行 z 轴前后移动时， 可由多种方式实现。尾架体实现 与拖板耦合， 由 向丝杠带动前后移动为其之一。阀 l 6 控制尾架体与拖板耦合、 分离同时通过薄膜油缸实现尾架 体与尾架导轨的松开、 夹紧。当尾架体与拖板分离， 薄膜 油缸实现尾架体与导轨的夹紧后， 压力继电器 l 8发讯， 此 时尾架套筒伸出顶紧工件。 e 液压平衡装置的调整 此处溢流阀2 1 起安全阀作 用， 调至平衡压力的 1 ． 2倍。调整平衡压力时， 调节平衡 阀2 2的先导阀， 在 轴伺服电机上接测量电流装置， 使得 小拖板上、 下移动时测得电流值相近， 变化最小， 则表示平 衡油缸处于最佳工作状态。 Ma c h i n e B u il d in g 8 Au to ma t i o n ， F e b 2 0 1 0， 3 9 J 3 3 3 5， 6 0 f 主轴变速 当主轴变速箱需换档变速时， 主轴处于 低速状态 ； 通过阀 l 9完成高低速之间的转换。油缸移动 速度由双单向节流阀2 0调节。 g 刀盘的换位与锁紧 采用液压马达实现刀盘换位 是数控车床刀盘换位中常见的方式之一。换向阀2 3控制 刀架端面齿盘的啮合与分离， 阀 2 4完成刀盘逻辑就近换 位 即液压马达的正、 反转 ， 液控节流调速阀 2 5通过阀 2 6的左右换位来控制刀盘旋转时快速和慢速 ， 以节省换 位时间并确保到位时的减速 ， 防止刀盘越位和端齿盘啮合 时的冲击， 确保换位的正确性和定位精度。 5 液压系统元件的选择 a 液压 泵的选择 1 确定液压泵的最大工作压力 P 液压泵的最大工 作压力 P 。 由下式确定 P p ≥ Pl △ P M P a 式中 P ． 工作元件的最大工作压力 进口 ； A P由泵出口到工作元件进 口之间的管路沿程阻 力损失和局部阻力损失之和。 一 般选用最大工作压力为7 ． 0 MP a的液压泵。 2 确定液压泵的流量 Q 液压泵系统中使用蓄能器 ， 液压泵流量按系统在一个 循环周期 中的平均流量选取。即 Q ≥∑罕 m 3／ s 式中 液压缸 马达 在工作周期中的总耗油量， m 3 ； 数控车床的工作周期 ， s ； z执行元件 液压缸 、 马达 的个数。 一 般选用限压式变量叶片泵 ， 以实现节能、 降低温升。 b 控制阀的选择 选择依据为额定压力 、 最大流量、 下转第6 0页J 3 5 机械制造与研究 喻强， 等 压缩机用双气阀式止回阀 共同作用来防止气体倒流的， 阀片通过气阀弹簧的缓冲， 撞击力很小， 不容易损坏 ， 寿命更长； 并且噪声小， 相对升 降式、 旋启式等止回阀效果更明显 ； 由于是通过气阀来止 回的， 其压力损失小， 节能高效； 止回阀中的气阀失效后更 换时， 不需要拆卸管道， 大大减少了维修工作量。 通过客户多年的使用， 证明效果 良好， 此结构已申请 专利并获得了批准。 参考文献 [ 1 ] 邱晓来， 林洁． 阀门产品样本[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 1 收稿 日期 2 0 0 9 0 52 2 上接第2 7页 图 6 总体位移图 仿真， 结果与实验结果是大致一致 ， 证 明了所用理论方 法和所建模型的正确性。齿轮变形和应力 的仿真分析 是齿轮结构设计的必然趋势 ， 因此这个分析对 于齿轮 宏观应力的分布有着积极 的借鉴意义， 具体应力值可 作参考。 参考文献 [ 1 ]博弈创作室． A N S Y S 9 ． 0经典产品基础教程与实例详解 [ M] ． 北京 中国水利水 电出版社， 2 0 0 7 ． [ 2 ]博弈创作 室． A P D L参 数化 有 限元分 析技 术 及其应 用 实例 [ M] ． 北京 中国水利水电出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ]孙桓， 陈作模． 机械原理[ M ] ． 2 版， 北京 高等教育出版社， 2 O 0 4 ． [ 4 ]刘晓波， 沈予洪． 基于A P D L语言的参数化建模技术 [ J ] ． 电 脑学 习， 2 0 0 5， 7 3 3 4 ． 3 6 ． 收稿 日期 2 0 0 9～0 6 0 4 上接第 3 5页 动作方式、 安装固定方式、 压力损失数值、 工作性能参数和 工作寿命等。根据数控车床上用控制阀其流量小， 普遍选 用具备国际标准连接尺寸的各类 6 通径的叠加式压力阀、 流量 阀和方 向阀。 c 管道的选择 选择管道主要根据压力损失、 发热量 和液压冲击， 合理确定管道内径、 壁厚和材料往往根据已 定的元件的连接13来确定管道尺寸。一般选用外径为 6 ， 8 ， 1 0 ， 1 2 ， 1 4壁厚为 1 m m冷拔无缝钢管及其相应的液压 软管。 d 确定油箱容量 合理确定油箱容量是保证液压系 统正常工作的重要条件。 数控车床油箱容量一般按经验公式选定 V Q 式中 9 液压箱的总额定 流量 ， 1／ m i n ； 经验系数， 中压系统 O ／ 5～ 7 ； 通流能力、 阻力压降、 安装方式确定其型号， 一般过滤精度 在 1 O～1 5 m等级。选用压力管路滤油器或回油管路滤 油器 。 液压油一般选用机械油或精密机床液压油， 由其工作 环境等要求确定。 后置在倾斜角度4 5 。 拖板的平衡若采用平衡阀 加平衡油缸， 一般选用 日本东京计器的 B L G型先导式平 衡阀或德国 R e x r o t h公司生产的 3 D R1 0 P 2 - 4 0 ／ 2 5 Y O O M2 型平衡阀或 i3 本油研公司生产的 R B G - 0 3 - 1 0 。 参考文献 [ 1 ]徐灏． 机械设计手册[ M] ． 五卷． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 8 ． [ 2 ]卢光贤． 机床液压传动与控制[ M] ． 西安 西北工业大学出版 社 ． 2 0 0 2 ． 并根据国家标准确定液压泵站油箱公称容量。 f 滤油器的选择 根据其承受压力能力、 过滤精度、 收稿日 期 2 0 0 9 0 6 0 3 6 O h t t p ／ ／ Z Z HD ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． 3 11 E - ma i l Z Z HD c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． e n 机械 制造与 自动化