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摘要
本文根據(jù)高速高精密數(shù)控車床的特點(diǎn)，在查閱了相關(guān)文獻(xiàn)及大量資料后進(jìn)行了詳細(xì)分析。對(duì)國(guó)內(nèi)外范圍內(nèi)高速高精密數(shù)控車床的發(fā)展以及與液壓技術(shù)的結(jié)合做了介紹。同時(shí)闡述了高速高精密數(shù)控車床的應(yīng)用領(lǐng)域與在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)今后的發(fā)展趨勢(shì)做了討論。
本設(shè)計(jì)在分析了車床的結(jié)構(gòu)后，通過計(jì)算選定了各主要部件的主要工作參數(shù)。根據(jù)機(jī)床的功能需求確定了液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。先后進(jìn)行了工況分析、分析計(jì)算優(yōu)選了液壓系統(tǒng)、繪制了原理圖、選擇了液壓元件并對(duì)系統(tǒng)的部分零件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 最后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)算以確保該設(shè)計(jì)在實(shí)際工作中能達(dá)到預(yù)期。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；高速高精密數(shù)控車床；液壓系統(tǒng)；AutoCAD
ABSTRACT
According to the characteristics of high speed and high precision CNC lathe, this paper analyzes the relevant documents and a lot of data in detail. The development of high speed and high precision CNC lathes and the combination with hydraulic technology are introduced. At the same time, the application field and development status of high speed and high precision CNC lathe in China are expounded, and the development trend in the future is discussed.
After analyzing the structure of the lathe, the main working parameters of the main components are selected through calculation. According to the functional requirements of the machine tool, the design scheme of the hydraulic system is determined. The hydraulic system was optimized, the principle diagram was drawn, the hydraulic components were selected and some parts of the system were designed. Finally, the design is checked to ensure that the design can achieve the desired results in practical work.
Key words: CNC machine tools; high speed and high precision CNC lathe; hydraulic system; AutoCAD
目錄
摘要 I
ABSTRACT II
1.緒論 1
1.1 高速高精密數(shù)控車床發(fā)展歷史及趨勢(shì) 1
1.2 高速高精密數(shù)控車床的應(yīng)用領(lǐng)域 2
1.3 我國(guó)高速高精密數(shù)控車床的現(xiàn)狀和發(fā)展方向 3
1.4 本文主要研究的內(nèi)容和目標(biāo) 4
1.4.1 重點(diǎn)解決的問題 4
1.4.2 擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路） 4
1.4.3 本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果 4
2.高速高精密數(shù)控車床分析和液壓系統(tǒng)的要求 5
2.1 高速高精密數(shù)控車床總體結(jié)構(gòu)及參數(shù) 5
2.2 液壓卡盤 6
2.3 液壓刀塔 6
2.4 自動(dòng)尾架 7
2.5 車床機(jī)械主軸單元的軸承布置結(jié)構(gòu) 7
2.6 機(jī)床底座外形布置 8
2.7 液壓控制系統(tǒng) 9
2.8 電控系統(tǒng) 9
2.9 本章小結(jié) 10
3.高速高精密數(shù)控車床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11
3.1 數(shù)控車床對(duì)液壓系統(tǒng)的要求 11
3.2 液壓系統(tǒng)方案選擇 11
3.3 工作臺(tái)進(jìn)給缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 12
3.3.1 工作臺(tái)進(jìn)給缸的負(fù)載分析和速度計(jì)算 12
3.3.2 確定液壓缸的主要參數(shù) 14
3.3.3 確定液壓缸在工作循環(huán)各階段的流量 16
3.3.4 計(jì)算液壓缸在工作循環(huán)各階段的壓力、流量和功率 17
3.4 夾緊缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 19
3.4.1 確定液壓缸的主要參數(shù) 19
3.4.2 確定液壓缸在工作循環(huán)各階段的流量 21
3.5 尾架頂緊缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 22
3.5.1 確定液壓缸的主要參數(shù) 22
3.5.2 確定液壓缸在工作循環(huán)各階段的流量 24
4.制定液壓回路方案，擬定液壓系統(tǒng)原理圖。 28
4.1 制定液壓回路方案 28
4.1.1 油源形式及壓力控制 28
4.1.2 調(diào)速回路 28
4.1.3 方向控制回路 29
4.1.4 壓力控制回路 31
4.1.5 輔助回路 31
5.選擇液壓元件 34
5.1 確定液壓泵的容量以及電動(dòng)機(jī)的功率 34
5.1.1液壓泵的確定 34
5.1.2 確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率 34
5.1.3高速高精密數(shù)控車床液壓系統(tǒng)液壓元件的選擇 35
6.液壓系統(tǒng)油液溫升驗(yàn)算 37
7.結(jié)論 38
參考文獻(xiàn) 39
附錄一 外文翻譯 40
附錄二 外文全文 49
致謝 59
高速高精密數(shù)控車床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.緒論
數(shù)控車床是普通車床經(jīng)過多年發(fā)展的產(chǎn)物，它巧妙地將電子信息技術(shù)與傳統(tǒng)的加工技術(shù)結(jié)合在一起，將氣動(dòng)、機(jī)械、微電子、液壓、電氣、和信息技術(shù)集成在一起。該機(jī)床具備精度高、效率高、自動(dòng)化水平高、機(jī)械制造設(shè)備靈活性高等長(zhǎng)處。隨著各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、超薄、加工精度高的零件的廣泛應(yīng)用，普通數(shù)控車床已不能滿足這些零件的加工要求。并且由于高速數(shù)控車床效率也遠(yuǎn)高于普通數(shù)控車床，更好的契合工廠的需求，因此高速數(shù)控車床的發(fā)展速度越來噢快。
1.1 高速高精密數(shù)控車床發(fā)展歷史及趨勢(shì)
高精度加工是從上世紀(jì)六十年代發(fā)展起來的一種工藝，其作為一種全新的機(jī)械加工工藝在許多特點(diǎn)上都與傳統(tǒng)的加工方法有著巨大的差別。該技術(shù)是機(jī)械加工在發(fā)展之路上綜合應(yīng)用的新產(chǎn)物，其最大的特點(diǎn)便是將現(xiàn)代電子技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)等新技術(shù)融入到傳統(tǒng)加工方法中。它是人們?cè)跈C(jī)電一體化研究路上智慧的結(jié)晶。長(zhǎng)久以來，機(jī)械行業(yè)加工者一直想方設(shè)法不斷地努力提高機(jī)床加工技術(shù)精度與效率。也正因如此，各種復(fù)雜的加工零件對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的要求也越來越苛刻，其中尤以模具行業(yè)的復(fù)雜零件以及航空航天領(lǐng)域的高速高精度的加工最為突出。
學(xué)術(shù)界和工業(yè)界等因高速高精密加工技術(shù)發(fā)展過于迅速，對(duì)它有著極高的關(guān)注度與肯定。同時(shí)，數(shù)控加工設(shè)備和高性能刀具技術(shù)也在與時(shí)俱進(jìn)，而作為高速高精技術(shù)的重點(diǎn)之一，高速高精度技術(shù)也與它們一同發(fā)展著。高速高精密數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)主要分為兩種技術(shù)。一種是出現(xiàn)時(shí)間較早，較為成熟的 “旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)和精密高速滾珠絲杠”技術(shù)。另一種為最近才出現(xiàn)，還不夠成熟的新技術(shù)“直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)”技術(shù)。
滾珠絲杠因其出現(xiàn)時(shí)間較早，歷經(jīng)多年發(fā)展已經(jīng)趨于成熟、適應(yīng)各種工作環(huán)境而被絕大部分廠商使用。不僅可以達(dá)到極高的精度（ISO3408A級(jí)），而且完成機(jī)床高速的成本也較為低廉。即使在各種新技術(shù)層出不窮的今天，許多高速機(jī)床仍然在使用這一技術(shù)。目前，雖然使用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的高速機(jī)床的最大速度已經(jīng)可達(dá)到到90m／min，加速度為1.5 g。但仍然由于是機(jī)械傳動(dòng)的原因，伺服電機(jī)和運(yùn)動(dòng)部件之間不可避免的有許許多多的機(jī)械部件。而由于機(jī)械部件的特性，必然有著彈性變形、摩擦和反向間隙這一系列不可避免的干擾。而這些干擾會(huì)引起運(yùn)動(dòng)滯后和其它非線性誤差。目前，滾珠絲杠副的運(yùn)動(dòng)速度和加速度都在隨著技術(shù)的發(fā)展不斷地提高著，仍然具有巨大的發(fā)展空間，尚未達(dá)到極限。
自1993直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)這一技術(shù)出現(xiàn)以來，它就開始在機(jī)床進(jìn)給中得到良好地使用。它是一種較為理想的高速、高精度機(jī)床驅(qū)動(dòng)方式，尤其在大型機(jī)床這一領(lǐng)域內(nèi)。目前，使用直線電機(jī)技術(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的高速高精加工機(jī)床的最大速度可以達(dá)到208m／min，加速度可達(dá)2g（MZAK HMCF3-660L加工中心的水平），但是這也不是它的極限，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，它也具有更多的發(fā)展空間和機(jī)會(huì)。
直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)較傳統(tǒng)技術(shù)有著許多的優(yōu)點(diǎn)，如：1.高剛度。直線電機(jī)可直接連接于負(fù)載之上，無任何間隙，而因此具有較高的動(dòng)剛度。2.更寬的速度范圍?，F(xiàn)代電機(jī)技術(shù)經(jīng)不斷發(fā)展更易于實(shí)現(xiàn)寬調(diào)速，調(diào)速范圍可達(dá)1∶10000。例如，科爾摩根公司DDL永磁直線電機(jī)的速度比5m/s快，并且具有1 m/s的低速3.這一技術(shù)加速度特性優(yōu)良，也具有很小的運(yùn)動(dòng)慣量、更優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。4.操作平穩(wěn)，定位精度高（基本上取決于位置反饋檢測(cè)元件）。5.沒有旅行限制。該模塊結(jié)構(gòu)可用于滿足不同的行駛要求。直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)消除了所有的中間機(jī)械傳動(dòng)，從根本上減少了機(jī)械磨損和傳動(dòng)誤差，減少了維護(hù)工作。6.跟蹤誤差小，能在高速下獲得良好的定位精度。直線電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)正好彌補(bǔ)了滾珠絲杠傳動(dòng)的不足。與滾珠絲杠傳動(dòng)相比，其轉(zhuǎn)速增加30倍，加速度增加10倍，最大10g，剛性增加7倍，最高響應(yīng)頻率為100Hz。
直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)存在一些缺點(diǎn)和問題。除了控制困難（中間沒有緩沖環(huán)節(jié)和存在的末端效應(yīng)）外，外圍磁干擾也有較強(qiáng)的磁場(chǎng)，影響滾動(dòng)導(dǎo)向副的壽命，給芯片的拆卸、裝配和維護(hù)帶來了困難。VER和散熱條件差。要解決機(jī)床零件的散熱、磁力隔離、充分的推力、自鎖和輕量化等問題，才能在機(jī)床上實(shí)際使用。同時(shí)，高成本也影響了其推廣應(yīng)用。目前，這些問題已經(jīng)得到不同程度的解決，越來越多的用戶正在使用。交流直線伺服電機(jī)也有感應(yīng)式（異步）和同步型兩種。同步型（次級(jí)為永久磁鋼）具有效率高、推力密度高、可控性好等優(yōu)點(diǎn)。雖然對(duì)磁性防塵和組裝困難的要求很高，但已成為機(jī)床用直線電機(jī)的主流。例如，由美國(guó)英格索爾車床公司生產(chǎn)的HVM800高速臥式加工中心，X、Y、Z三軸均采用永磁同步直線伺服電機(jī)，最大進(jìn)給速度可達(dá)到762M/min，最大加速度為1。5g。
在高速高精加工機(jī)床領(lǐng)域，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)和滾珠絲杠傳動(dòng)可能會(huì)共存很長(zhǎng)時(shí)間，但總的趨勢(shì)是直線電機(jī)傳動(dòng)的比例會(huì)越來越大，它將成為進(jìn)給傳動(dòng)的主流。未來。目前世界著名的機(jī)床制造商，如日本馬扎克和韓國(guó)大宇公司，以滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)著稱，推出了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床。許許多多的跡象都在表明，越來越多的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)被應(yīng)用在了高速高精密數(shù)控車床上，這將會(huì)是未來發(fā)展的趨勢(shì)。
1.2 高速高精密數(shù)控車床的應(yīng)用領(lǐng)域
綜合我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要需求以及全球數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行綜合考慮，可以總結(jié)出我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的不足，并據(jù)此決定重點(diǎn)發(fā)展方向，即將大型、精密、高速數(shù)控裝備中的重要組件：數(shù)控系統(tǒng)及功能部件作為發(fā)展重點(diǎn)，改變大型、高精度數(shù)控機(jī)床國(guó)內(nèi)無法大批量高水準(zhǔn)生產(chǎn)，主要依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，解決我國(guó)各尖端工業(yè)的發(fā)展問題。
高速高精密數(shù)控車床應(yīng)用領(lǐng)域:
航天領(lǐng)域
航空領(lǐng)域
精密儀器制造
精密儀表制造
電子信息領(lǐng)域
生物工程產(chǎn)業(yè)
模具行業(yè)
1.3 我國(guó)高速高精密數(shù)控車床的現(xiàn)狀和發(fā)展方向
如前文所述，將我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的主要要求以及全球數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展相結(jié)合，可以得出數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向?yàn)?大力發(fā)展大型、精密、高速數(shù)控裝備的重要部件——數(shù)控系統(tǒng)及功能部件，改變大型、高精度數(shù)控機(jī)床國(guó)內(nèi)無法大批量高順準(zhǔn)生產(chǎn)，主要依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，解決我國(guó)各尖端工業(yè)的發(fā)展問題。
而這其中最為重要的便是關(guān)鍵功能部件和數(shù)控系統(tǒng)，將他們作為主要發(fā)展目標(biāo)，從基礎(chǔ)開始為數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品升級(jí)做好準(zhǔn)備。其中我國(guó)主要發(fā)展項(xiàng)目包括：高速主軸及其伺服單元、全功能數(shù)控刀架和數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)、高性能刀庫機(jī)械手、高速滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌副、直線電機(jī)、中高檔數(shù)控系統(tǒng)、高速防護(hù)裝置等。
機(jī)床的發(fā)展程度代表了是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的高低，而現(xiàn)代機(jī)床技術(shù)的核心便是數(shù)控系統(tǒng)。但是就現(xiàn)在來看，不單單是系統(tǒng)，就是國(guó)內(nèi)廠商生產(chǎn)的質(zhì)料較為優(yōu)秀的數(shù)控機(jī)床，其中所采用的高精度滾珠絲杠，軸承都是進(jìn)口的，而進(jìn)口主要來自德國(guó)，我國(guó)廠商自主研發(fā)生產(chǎn)的的滾珠絲杠以及軸承在精度、使用年限上都存在著許許多多的問題。目前國(guó)內(nèi)的各大機(jī)床廠，全部的數(shù)控系統(tǒng)都是進(jìn)口自國(guó)外，廠商們一般都去購買日本法那科、三菱的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)占比達(dá)到70%，同時(shí)也會(huì)少量購入有德國(guó)西門子的系統(tǒng)。因?yàn)樵谠缙谖覈?guó)的電網(wǎng)與德國(guó)系統(tǒng)并不適配，我國(guó)電網(wǎng)穩(wěn)定性無法達(dá)到系統(tǒng)的運(yùn)行要求。因?yàn)殡妷翰环€(wěn)的原因，德國(guó)進(jìn)口的數(shù)控系統(tǒng)的伺服模塊極易損毀，而日本的系統(tǒng)因?yàn)橄嘈暂^好而非常耐用。如今我國(guó)電網(wǎng)逐漸趨于穩(wěn)定，與此同時(shí)西門子的系統(tǒng)也在不斷改進(jìn)，與我國(guó)相性越來越好，但是仍然存在價(jià)格問題。并且中國(guó)市場(chǎng)并未能引起德國(guó)廠商的重視，以至于直到近幾年才在系統(tǒng)語言中加入了漢語，但是日本廠商在這方面就做的很周到，早在十幾年前就做出了漢化版本。
然而目前國(guó)產(chǎn)高級(jí)數(shù)控車床廠商效益并不是很好，盈利增長(zhǎng)緩慢，究其原因還是其利潤(rùn)的主體技術(shù)都在外國(guó)廠商那里，中國(guó)廠商必須繳納專利費(fèi)。
目前，我國(guó)政府已經(jīng)制定了一些相應(yīng)政策，鼓勵(lì)群眾使用國(guó)產(chǎn)的高速高精密數(shù)控車床，各機(jī)床制造商也在努力追趕。國(guó)內(nèi)購置高速高精密數(shù)控車床最多的是軍工企業(yè)，然后在一個(gè)購買計(jì)劃里，進(jìn)口數(shù)量達(dá)到80%之多，國(guó)產(chǎn)車床并不能滿足如此龐大的需求。并且這一現(xiàn)象還會(huì)持續(xù)至少五年。但是放眼國(guó)內(nèi)總市場(chǎng)，不單單看高端產(chǎn)品，我國(guó)的數(shù)控車床生產(chǎn)能力完全能滿足現(xiàn)在中低檔產(chǎn)品的供給需求。
高速高精密數(shù)控車床液壓系統(tǒng)目前還處在發(fā)展階段，仍然有許多地方都需要完善。我們應(yīng)該從多角度去了解高速高精密數(shù)控車床液壓系統(tǒng)，使得它能夠在一個(gè)較為穩(wěn)定的軌道上發(fā)展，少走彎路，使它的各方面的應(yīng)用可以為我們創(chuàng)造出更多的價(jià)值。
1.4 本文主要研究的內(nèi)容和目標(biāo)
1.4.1 重點(diǎn)解決的問題
高速高精密數(shù)控車床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.4.2 擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路）
（1）根據(jù)用戶加工要求，制定切實(shí)可行的方案；
（2）工作臺(tái)進(jìn)給控制系統(tǒng)液壓系統(tǒng)；
（3）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)；
（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要求繪制機(jī)床總圖、主軸部件圖、工件臺(tái)部件圖及部分零件圖，總圖紙量為四張以上0號(hào)圖；
（5）對(duì)機(jī)床個(gè)部分進(jìn)行校核，完善設(shè)計(jì)；
（6）總結(jié)完成的所有工作，并對(duì)本設(shè)計(jì)的應(yīng)用前景及下一步深入工作進(jìn)行展望。
1.4.3 本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果
（1）根據(jù)機(jī)床動(dòng)作需求，確定液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
（2）進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，液壓系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)。
（3）繪制泵站、集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖，部件圖及零件圖。
（4）對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行必要的校核。
（5）考慮計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方案。
（6）編寫設(shè)計(jì)說明書一份。
2.高速高精密數(shù)控車床分析和液壓系統(tǒng)的要求
2.1 高速高精密數(shù)控車床總體結(jié)構(gòu)及參數(shù)
高速高精密數(shù)控車床，是發(fā)展自20世紀(jì)60年代的一種新型車床，較傳統(tǒng)車床有著精度高、效率高、自動(dòng)化程度高等等優(yōu)點(diǎn)，可以完成普通車床無法勝任的高難度加工。通過選用超高轉(zhuǎn)速的高速中控回轉(zhuǎn)液壓缸，使得機(jī)床得以在高轉(zhuǎn)速工況下進(jìn)行加工，主要滿足航天、航空、儀器、儀表、電子信息和生物工程等產(chǎn)業(yè)的需要。由輸入、輸出裝置、可編程控制器、伺服系統(tǒng)等構(gòu)成了其主要電氣部分，同時(shí)還有檢測(cè)反饋裝置、機(jī)床主機(jī)液壓控制系統(tǒng)等等。其主要液壓部分包括回轉(zhuǎn)液壓缸、液壓卡盤、液壓刀塔、尾架等。由各種伺服電機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)，采用全液壓驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)各軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、刀塔的旋轉(zhuǎn)、自動(dòng)尾架的頂緊等功能。其床身結(jié)構(gòu)包括底座、鞍座、主軸頭、刀塔、滑板、尾架、主軸等。采用了全封閉式的防護(hù)裝置，可以防止切屑或切削液飛出，有效地避免了可能給操作者帶來的意外傷害。電氣控制系統(tǒng)主要由電源模組、輸入輸出裝置、數(shù)控裝置、PLC、檢查反饋裝置、警報(bào)裝置、操作面板以及電磁閥組模塊等組成：液壓控制系統(tǒng)由液壓馬達(dá)、液壓泵、液壓閥組、液壓缸等組成。
高速高精密數(shù)控車床整體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示
圖2.1 高速高精密數(shù)控車床整體結(jié)構(gòu)示意圖
各參數(shù)數(shù)據(jù)：
床身傾斜角度45°
可加工最大直徑2.00mm
可加工最大長(zhǎng)度500mm
主軸最大轉(zhuǎn)速5000r/min
加工精度可達(dá)IT5
可加工粗糙度Ra1.6~0.8μm
2.2 液壓卡盤
卡盤安裝在主軸前端并進(jìn)行固定，高速中空回轉(zhuǎn)缸依靠一根空心拉桿來驅(qū)動(dòng)卡盤的夾緊與松開。由于高速高精密數(shù)控車床要在高轉(zhuǎn)速（最高5000r/min）工況下進(jìn)行切削加工，對(duì)工件的夾持有較高需求，且對(duì)不同的工件類型要采取不同的夾持力。另外，為保證車床切削過程中出現(xiàn)故障及突然停電等特殊情況下仍可保持工件的可靠夾持，工件夾緊在安全可靠性方面需要有多重保護(hù)裝置。為此，一是選用最高使用轉(zhuǎn)速6200r/min的告訴中空回轉(zhuǎn)液壓缸，缸還自帶液壓雙向鎖；二是在液壓系統(tǒng)中設(shè)直了單向閥與機(jī)械式定位電磁換向閥，以防止機(jī)床因不可預(yù)料的突發(fā)狀況導(dǎo)致卡盤突然松開導(dǎo)致操作人員受到人身傷害或機(jī)床被損傷。
2.3 液壓刀塔
該車床采用凸輪式液壓刀塔，刀盤的換位通過數(shù)控系統(tǒng)T指令控制。通過控制液壓刀塔中的分度馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)角度，來實(shí)現(xiàn)刀塔的就近換刀。
如圖2.2所示是液壓刀塔的工作流程，液壓系統(tǒng)控制刀盤的換位與鎖緊。
圖2.2 液壓刀塔工作流程
2.4 自動(dòng)尾架
為了避免車床主軸轉(zhuǎn)速較高，在加工較長(zhǎng)工件時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)和彎曲，影響零件的加工精度，用尾架支撐工件，以加強(qiáng)工件的剛性，實(shí)現(xiàn)車床高精度加工的要求。液壓缸推動(dòng)車床尾架套筒伸縮，套筒伸出，其上的頂尖頂緊工件。并通過疊加式減壓閥，根據(jù)實(shí)際工況要求調(diào)整頂緊力大小。
2.5 車床機(jī)械主軸單元的軸承布置結(jié)構(gòu)
車床機(jī)械主軸單元的軸承布置結(jié)構(gòu)需要考慮的因素：
第一，因車床高轉(zhuǎn)速需要，要考慮到軸承的高速性，選用軸承支撐結(jié)構(gòu)時(shí)要保證轉(zhuǎn)速。
第二，由于加工的高精度，軸承結(jié)構(gòu)選定后配合相應(yīng)刀具能獲得較高的工件粗糙度。
因此選用高速輕載型。該主軸配置的軸承結(jié)構(gòu)為前三后二的角接觸軸承組合結(jié)構(gòu)，本身具有很強(qiáng)的高速性，配合CBN或其他硬質(zhì)合金刀具，可以獲得較高的工件粗糙度。
其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.2所示
2.6 機(jī)床底座外形布置
機(jī)床全部重量集中在底座上，且要承受機(jī)床工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)所帶來的載荷。并且所有模塊都要以底座為基礎(chǔ)安裝，所以底座的形狀和大小決定了機(jī)床各模塊的安排，同時(shí)也決定著車床的重量以及穩(wěn)定性。
在設(shè)計(jì)過程中，首先需要對(duì)各零件和車床主體所承載的力的大小及方向做吹分析，合理的受力分析是設(shè)計(jì)合理的底座的重要的一環(huán)。在受力分析中至關(guān)重要的便是橫向彎曲、負(fù)載彎曲等情況下的壓力影響。
圖2.3為本設(shè)計(jì)的車床底座示意圖
圖2.2 車床機(jī)械主軸單元的軸承布置內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖2.3 車床底座示意圖
1— 底座；2—回流槽；3—連接塊
2.7 液壓控制系統(tǒng)
本文將液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作為重點(diǎn)進(jìn)行研究。進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)車床主體進(jìn)行了綜合分析。而液壓系統(tǒng)也是滿足該車床總體功能要求的主要控制部分，其余控制部分為電氣控制部分等。為了保證設(shè)計(jì)完成后機(jī)床不僅能夠使用而且整機(jī)性能的優(yōu)良，就需要滿足工作循環(huán)所需的全部技術(shù)要求。
設(shè)計(jì)該車床時(shí)，需要滿足車床的三種需求，分別是液壓卡盤、液壓刀塔、液壓尾架。三個(gè)部分的工作相互較為獨(dú)立，液壓卡盤主要完成對(duì)工件的夾緊與松開，控制閥采用電磁換向閥，油缸采用等行程等速缸。自動(dòng)尾架可以在切削時(shí)支撐工件，以此來加強(qiáng)長(zhǎng)、細(xì)工件的剛性，完成對(duì)工件加工的高精度要求。采用電磁換向閥作為方向控制閥，油缸采用等行程等速油缸。液壓刀塔作為液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，選用電磁換向閥進(jìn)行控制，選用等行程等速油缸與液壓馬達(dá)配合。
2.8 電控系統(tǒng)
高速高精密數(shù)控車床的電控系統(tǒng)主要的控制對(duì)象主要是液壓系統(tǒng)回路中的電磁閥以及數(shù)控裝置、PLC等。
在液壓卡盤的控制系統(tǒng)中，電磁換向閥受控制電信號(hào)的控制，電磁換向閥上的電磁鐵在接受到控制信號(hào)之后會(huì)通過改變換向閥閥芯的位置達(dá)到控制卡爪卡緊及松開，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的夾緊及放松。在液壓刀塔的控制系統(tǒng)中，電磁換向閥受控制電信好的控制，電磁鐵受電信號(hào)控制，通電時(shí)電磁鐵4YA和3YA分別控制刀盤斷面鼠齒盤的嚙合定位與松開。根據(jù)刀具定位指令，電磁換向閥17接收到控制信號(hào)后通過改變閥芯的位置，達(dá)到控制液壓馬達(dá)進(jìn)行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的目的，從而控制刀塔的旋轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)就近換刀。軸向頂緊液壓回路中，電磁鐵8YA和7YA接收到控制信號(hào)后分別控制尾架的頂緊和松開，當(dāng)兩者均斷電后，該閥處于Y型機(jī)能中位。使頂尖既不會(huì)繼續(xù)頂緊工件而導(dǎo)致工件彎曲，也不會(huì)退回導(dǎo)致較長(zhǎng)工件掉落，提高了車床的調(diào)整的方便性和安全可靠性。
數(shù)控裝置以及PLC作為車床控制的核心元件，根據(jù)高速高精密數(shù)控車床的工作要求與功能，選擇合適的元件作為系統(tǒng)的控制核心，以此來保證車床的性能與系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
當(dāng)然電控系統(tǒng)還包括顯示屏燈光、鍵盤燈光、報(bào)警指示燈、電源指示燈、開關(guān)按鈕等，并完成控制啟動(dòng)、照明、報(bào)警燈外部功能，再此不一一贅述。
2.9 本章小結(jié)
本章對(duì)高速高精密數(shù)控車床的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，對(duì)主軸軸承、底座、液壓卡盤、液壓刀塔、自動(dòng)尾架等進(jìn)行了力學(xué)分析及元件選擇等分析，分析車床液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)在數(shù)控車床中的功能，進(jìn)而為整個(gè)機(jī)床的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。
3.高速高精密數(shù)控車床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 數(shù)控車床對(duì)液壓系統(tǒng)的要求
數(shù)控車床主要放在室內(nèi)，要求地面平整。但車床在加工時(shí)仍無可避免的會(huì)有劇烈震動(dòng)。即使在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行減震處理后或多或少也會(huì)不斷震動(dòng)。液壓系統(tǒng)對(duì)工件的夾緊、刀塔的控制、頂尖的控制起著主導(dǎo)的作用，因此為了保證車床的安全性，保障操作者的人身安全，對(duì)于車床的液壓系統(tǒng)，有著一下幾方面的需求：
（1） 因?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速極快，高速高精密數(shù)控車床要在高轉(zhuǎn)速（最高可達(dá)5000r/min）工況下進(jìn)行切削加工，此對(duì)工件的夾持有較高需求，且對(duì)不同的工件類型要采取不同的夾持力。因此元件可靠性必須要強(qiáng)，能承受切削時(shí)的高轉(zhuǎn)速。
（2） 車床切削過程中可能出現(xiàn)故障及突然停電等特殊情況下，為保障在該情況下車床仍可保證工件能被牢牢地固定住，工件的夾緊裝置需要設(shè)置多重保護(hù)裝置以保證它的安全可靠。
（3） 為了提高車床的調(diào)整的方便性和安全可靠性，要求頂尖位置適中，既不會(huì)繼續(xù)頂緊工件而導(dǎo)致工件完全，也不會(huì)退回使較長(zhǎng)工件掉落。
3.2 液壓系統(tǒng)方案選擇
高速高精密數(shù)控車床的生產(chǎn)效率，工件裝夾的緊密度以及定位的精確度取決于夾緊以及定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)情況。選擇夾緊、定位系統(tǒng)的時(shí)候，主要考慮的因素是：工作臺(tái)進(jìn)給速度、夾緊方式、定位基準(zhǔn)的選擇、液壓油的流量和夾緊力的實(shí)際情況等等。滿足高速高精密數(shù)控車床液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型主要有以下兩種：
（一）液壓進(jìn)給為主，機(jī)械夾緊定位為輔的液壓系統(tǒng)
液壓進(jìn)給為主，機(jī)械夾緊定位為輔的液壓系統(tǒng)是工作臺(tái)的進(jìn)給采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，工件的定位夾緊采用機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作方便，可靠性高，準(zhǔn)確度好，在采用了合適的機(jī)械元件之后能保證良好的穩(wěn)定性，采用齒輪傳動(dòng)的話還具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確、穩(wěn)定，工作壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。但是，該系統(tǒng)的制造和安裝精度要求很高，成本很高，且需要較大的運(yùn)行空間，傳動(dòng)效率相比液壓系統(tǒng)較低。
（二）全液壓工作系統(tǒng)
全液壓工作系統(tǒng)是指機(jī)床的各主要運(yùn)動(dòng)部分如工作臺(tái)的進(jìn)給、工件夾持裝置、尾架等均采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行。該系統(tǒng)安裝所需的空間較其他方案較為小巧，布局靈活，在一定范圍內(nèi)可以反復(fù)調(diào)整，結(jié)構(gòu)緊湊，進(jìn)一步減少所占空間；動(dòng)作響應(yīng)快，能快速執(zhí)行換向變速等突然操作：可實(shí)現(xiàn)速度、扭矩、功率等的無級(jí)變速；系統(tǒng)的安全性、可靠性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，元件易于實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。但是該系統(tǒng)也有明顯的缺點(diǎn)，液壓油的泄露，傳動(dòng)效率較低，故障不易檢查等。
該車床在進(jìn)行工件的車削加工時(shí)，要求能夠進(jìn)行快速生產(chǎn)，對(duì)加工表面也有很高的精度要求，所以要求車床工作時(shí)平穩(wěn)、快速、效率高。綜合分析之后，優(yōu)先考慮選擇更合理的全液壓工作系統(tǒng)。
3.3 工作臺(tái)進(jìn)給缸的設(shè)計(jì)計(jì)算
查閱相似車床參數(shù)后擬定車床最大切削力在軸向?yàn)?5KN，所要移動(dòng)的總重量為15KN，工作臺(tái)進(jìn)給缸快進(jìn)、快退速度一致，為4m/min，工進(jìn)速度能在20～1200mm/min范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)節(jié)；采用平導(dǎo)軌， 。。
3.3.1 工作臺(tái)進(jìn)給缸的負(fù)載分析和速度計(jì)算
1.負(fù)載分析
已知工作負(fù)載：Fw=12 KN
油缸所要移動(dòng)負(fù)載總重量：G=15000 N
選擇工進(jìn)時(shí)速度變化量的最大值：Δv=0.02 m/s
選?。害=0.2 s
則慣性力為
摩擦阻力Ff=1500N
取液壓缸機(jī)械效率ηm=0.9，則液壓缸在工作階段的負(fù)載值經(jīng)計(jì)算于表3.1
表3.1 液壓缸在各工作階段的負(fù)載值 （單位：N）
工作循環(huán)
計(jì)算公式
負(fù)載
起動(dòng)加速
1837
快進(jìn)
1667
工進(jìn)
18333
快退
1667
2.速度分析
已知快進(jìn)、快退速度為4m/min，工進(jìn)速度范圍為20～1200mm/min，繪制速度循環(huán)圖如圖3.1
圖3.1高速高精密數(shù)控車床工作臺(tái)速度循環(huán)圖
圖3.1高速高精密數(shù)控車床工作臺(tái)負(fù)載循環(huán)圖
3.3.2 確定液壓缸的主要參數(shù)
（1） 初選液壓缸的工作壓力
查閱液壓元件手冊(cè)，根據(jù)最大負(fù)載查表格取最大工作壓力為3MPa
負(fù)載F/KN
＜5
5～10
10～20
20～30
30～50
＞50
工作壓力p/MPa
＜0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
＞5
表3.2
則工作臺(tái)液壓缸主要參數(shù)如表3.3
項(xiàng)目
參數(shù)
工作臺(tái)進(jìn)給缸
最大工作壓力
3MPa
速度
快進(jìn)
4m/min
工進(jìn)
500mm/min
快退
4m/min
表3.3
（2） 計(jì)算液壓缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作壓力
表3.4 液壓系統(tǒng)背壓力選取表
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)情況
背壓力/MPa
采用節(jié)流閥的回路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)
0.3~0.5
對(duì)中高壓液壓系統(tǒng)背壓力數(shù)值應(yīng)放大50%~100%
采用調(diào)速閥的回路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)
0.5~0.8
回油路上有背壓閥的系統(tǒng)
0.5~1.5
采用輔助泵補(bǔ)油的閉式回路
0.8~1.5
選用雙作用桿缸作為工作臺(tái)進(jìn)給缸，假設(shè)液壓缸左右兩腔的有效面積分別為，且,取工作腔無桿狀態(tài)面積為A3，A3=1.25A1，根據(jù)液壓系統(tǒng)背壓力表選出背壓為0.5MPa。
工作腔的有效工作面積和活塞直徑分別為：
m2
m=97mm
根據(jù)液壓技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)表3.5、表3.6選取標(biāo)準(zhǔn)直徑
表3.5 缸筒內(nèi)徑尺寸系列（mm）
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
表3.6活塞桿外徑d（mm）
面積比
缸筒內(nèi)徑D
32
40
50
63
80
90
100
110
125
1.06
—
10
12
16
20
22
25
28
32
1.12
10
12
16
20
25
28
32
36
40
1.25
14
18
22
28
36
40
45
50
56
圓整后 D=100mm
d=45mm
液壓缸的有效工作面積A=6283mm2
由于切削頭工作時(shí)需要保持低速以完成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，因此在通過初步計(jì)算擬定油缸面積A1之后仍然還必須要按照最低的進(jìn)給速度對(duì)油缸面積進(jìn)行驗(yàn)算，若滿足行業(yè)要求才可最終選用。
即應(yīng)保證油缸有效工作面積A1為
式中：
qmin—流量閥最小穩(wěn)定流量
vmin—活塞最低進(jìn)給速度，設(shè)計(jì)要求最低工進(jìn)速度vmin=20mm/min
經(jīng)計(jì)算可知滿足上式要求，說明可以滿足最小穩(wěn)定速度的要求。
則液壓缸實(shí)際計(jì)算工作壓力為：
Pa
實(shí)際選取工作壓力為：
P=29x105Pa
3.3.3 確定液壓缸在工作循環(huán)各階段的流量
快進(jìn)階段液壓缸流量計(jì)算：
式中：—工作臺(tái)進(jìn)給缸快進(jìn)速度；
—液壓缸左腔有效面積。
代入?yún)⒖贾岛蟮茫?
快退階段液壓缸流量計(jì)算：
式中：—工作臺(tái)進(jìn)給缸快退速度；
—液壓缸右腔有效面積。
代入?yún)⒖贾岛蟮茫?
工進(jìn)階段液壓缸流量計(jì)算：
式中：—工作臺(tái)進(jìn)給缸工進(jìn)速度；
代入?yún)⒖贾岛蟮茫?
根據(jù)下表選出活塞行程：
表3.7 活塞行程系列（mm）
25
50
80
100
125
160
200
250
320
400
500
選擇標(biāo)準(zhǔn)活塞行程位400mm。
3.3.4 計(jì)算液壓缸在工作循環(huán)各階段的壓力、流量和功率
背壓損失由上文可知為0.5MPa，則P2=P1+0.5MPa。根據(jù)上述所有數(shù)值，可計(jì)算液壓缸在各個(gè)工作階段中的壓力、流量和功率，如表3.8（見下頁）
根據(jù)以上計(jì)算可得出工作臺(tái)進(jìn)給缸的各項(xiàng)參數(shù)，如下表（見下頁）：
工作
循環(huán)
計(jì)算公式
負(fù)載F/KN
回油背壓p2/MPa
進(jìn)油壓力p1/MPa
輸入流量q1/10-3m3·s-1
輸入功率P/kW
快
進(jìn)
起動(dòng)加速
1837
1.02
—
—
恒速
1667
0.84
0.42
0.35
工 進(jìn)
18333
0.6
3.52
0.0021~0.013
0.0073~
0.046
快
退
起動(dòng)加速
1837
0.5
1.02
—
—
恒速
1667
0.5
0.84
0.42
0.35
表3.8 液壓缸工作循環(huán)各階段壓力、流量和功率表
表3.9 工作臺(tái)進(jìn)給缸技術(shù)參數(shù)表
項(xiàng)目
參數(shù)
工作臺(tái)進(jìn)給缸
規(guī)格
Φ100/Φ45mm*400mm（1個(gè)）
最大工作壓力
3MPa
速度
快進(jìn)
4m/min
工進(jìn)
500mm/min
快退
4m/min
流量
快進(jìn)
25.13L/min
工進(jìn)
3.14L/min
快退
25.13L/min
3.4 夾緊缸的設(shè)計(jì)計(jì)算
表3.10 夾緊缸的主要參數(shù)選擇
夾緊缸
夾緊工作負(fù)載
2500N
速度
夾緊
50mm/min
松開
50mm/min
3.4.1 確定液壓缸的主要參數(shù)
（1）初選液壓缸的工作壓力
已知夾緊工作負(fù)載為2500N，查閱液壓元件手冊(cè)，根據(jù)最大負(fù)載查表格3.2取最大工作壓力為3MPa。
（2）計(jì)算液壓缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作壓力
已知夾緊工作負(fù)載為2500N，夾緊缸選用雙出桿活塞缸，假設(shè)液壓缸左右兩腔的面積分別為，且，取工作腔無桿狀態(tài)面積為A3，A3=1.4A1。根據(jù)表3.4選出背壓力為0.5MPa。
由平衡方程
式中：—夾緊缸左腔工作壓力
—夾緊缸右腔工作壓力
—夾緊缸的最大負(fù)載
可化得
所以A1=A2=1000mm2
液壓缸內(nèi)徑D為：
根據(jù)液壓技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)表3.5、表3.10選取標(biāo)準(zhǔn)直徑
表3.11 活塞桿外徑d（mm）
面積比
缸筒內(nèi)徑D
32
40
50
63
80
90
100
110
125
1.25
14
18
22
28
36
40
45
50
56
1.32
16
20
25
32
40
45
50
56
63
1.4
18
22
28
36
45
50
56
63
70
D=50mm
d=28mm
所以最后可得
由于切削頭工作時(shí)需要執(zhí)行低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，在初算確定油缸面積A1之后沒還必須按照最低的進(jìn)給速度對(duì)油缸面積進(jìn)行驗(yàn)算，若滿足才可選用。
即應(yīng)保證油缸有效工作面積A1為
式中：
qmin—流量閥最小穩(wěn)定流量
vmin—活塞最低進(jìn)給速度， vmin=50mm/min
經(jīng)計(jì)算可知滿足上式要求，說明可以滿足最小穩(wěn)定速度的要求。
則液壓缸實(shí)際計(jì)算工作壓力為：
Pa
實(shí)際選取工作壓力為：
P=13x105Pa
3.4.2 確定液壓缸在工作循環(huán)各階段的流量
夾緊階段液壓缸流量計(jì)算：
式中：—夾緊缸夾緊速度；
—液壓缸左腔有效面積。
代入上文中的參考值后得：
松開階段液壓缸流量計(jì)算：
式中：—夾緊缸松開速度；
—液壓缸右腔有效面積。
代入?yún)⒖贾岛蟮茫?
根據(jù)下表選出活塞行程：
表3.12 活塞行程系列（mm）
25
50
80
100
125
160
200
250
320
400
500
選擇標(biāo)準(zhǔn)活塞行程為25mm。
液壓缸夾緊時(shí)容積為：
式中：
—定位缸左腔有效面積
—定位缸活塞行程
代入數(shù)值計(jì)算得：
液壓缸松開時(shí)容積為：
由此可得出夾緊缸的各項(xiàng)參數(shù)，如下表：
表3.13 夾緊缸參數(shù)表
夾緊缸
規(guī)格
Φ50/Φ28mm*25mm
夾緊工作壓力
3MPa
速度
夾緊
50mm/min
松開
50mm/min
流量
夾緊
6.74L/min
松開
6.74L/min
容積
夾緊
62mL
松開
62mL
3.5 尾架頂緊缸的設(shè)計(jì)計(jì)算
表3.14頂緊缸的主要參數(shù)選擇
頂緊缸
頂緊工作負(fù)載
3500N
速度
頂緊
50mm/min
松開
50mm/min
3.5.1 確定液壓缸的主要參數(shù)
（1）初選液壓缸的工作壓力
已知頂緊工作負(fù)載為3500N，查閱液壓元件手冊(cè)，根據(jù)最大負(fù)載查表格3.2取最大工作壓力為4MPa。
（2）計(jì)算液壓缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作壓力
已知頂緊工作負(fù)載為3500N，頂緊缸選用雙出桿活塞缸，假設(shè)液壓缸左右兩腔的面積分別為，且，取工作腔無桿狀態(tài)面積為A3，A3=1.4A1。根據(jù)表3.4選出背壓力為0.5MPa。
由平衡方程
式中：—頂緊缸左腔工作壓力
—頂緊缸右腔工作壓力
—頂緊缸的最大負(fù)載
可化得
所以A1=A2=1400mm2
液壓缸內(nèi)徑D為：
根據(jù)液壓技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)表3.5、表3.10選取標(biāo)準(zhǔn)直徑
表3.15 活塞桿外徑d（mm）
面積比
缸筒內(nèi)徑D
32
40
50
63
80
90
100
110
125
1.25
14
18
22
28
36
40
45
50
56
1.32
16
20
25
32
40
45
50
56
63
1.4
18
22
28
36
45
50
56
63
70
D=50mm
d=28mm
所以最后可得
由于切削頭工作時(shí)需要執(zhí)行低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，在初算確定油缸面積A1之后沒還必須按照最低的進(jìn)給速度對(duì)油缸面積進(jìn)行驗(yàn)算，若滿足才可選用。
即應(yīng)保證油缸有效工作面積A1為
式中：
qmin—流量閥最小穩(wěn)定流量
vmin—活塞最低進(jìn)給速度， vmin=50mm/min
經(jīng)計(jì)算可知滿足上式要求，說明可以滿足最小穩(wěn)定速度的要求。
則液壓缸實(shí)際計(jì)算工作壓力為：
Pa
實(shí)際選取工作壓力為：
P=18x105Pa
3.5.2 確定液壓缸在工作循環(huán)各階段的流量
頂緊階段液壓缸流量計(jì)算：
式中：—頂緊缸頂緊速度；
—液壓缸左腔有效面積。
代入上文中的參考值后得：
松開階段液壓缸流量計(jì)算：
式中：—頂緊缸松開速度；
—液壓缸右腔有效面積。
代入?yún)⒖贾岛蟮茫?
根據(jù)下表選出活塞行程：
表3.16 活塞行程系列（mm）
25
50
80
100
125
160
200
250
320
400
500
選擇標(biāo)準(zhǔn)活塞行程為25mm。
液壓缸頂緊時(shí)容積為：
式中：
—頂緊缸左腔有效面積
—頂緊缸活塞行程
代入數(shù)值計(jì)算得：
液壓缸松開時(shí)容積為：
由此可得出頂緊緊缸的各項(xiàng)參數(shù)，如下表：
表3.17 頂緊缸參數(shù)表
頂緊缸
規(guī)格
Φ50/Φ28mm*25mm
頂緊工作壓力
3MPa
速度
頂緊
50mm/min
松開
50mm/min
流量
頂緊
6.74L/min
松開
6.74L/min
容積
頂緊
62mL
松開
62mL
所以根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可以繪制高速高精密數(shù)控車床液壓系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)表，如下表所示（見下頁）：
表3.18高速高精密數(shù)控車床液壓系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)表
項(xiàng)目
參數(shù)
工作臺(tái)進(jìn)給缸
規(guī)格
Φ100/Φ45mm*400mm
最大工作壓力
3MPa
速度
快進(jìn)
4m/min
工進(jìn)
500mm/min
快退
4m/min
流量
快進(jìn)
25.13L/min
工進(jìn)
3.14L/min
快退
25.13L/min
頂緊缸
規(guī)格
Φ50/Φ28mm*25mm
頂緊工作壓力
3MPa
速度
夾緊
50mm/min
松開
50mm/min
流量
夾緊
6.74L/min
松開
6.74L/min
容積
夾緊
62mL
松開
62mL
夾緊缸
規(guī)格
Φ50/Φ28mm*25mm
夾緊工作壓力
3MPa
速度
夾緊
50mm/min
松開
50mm/min
流量
夾緊
6.74L/min
松開
4.74L/min
容積
夾緊
62mL
松開
62mL
4.制定液壓回路方案，擬定液壓系統(tǒng)原理圖。
4.1 制定液壓回路方案
4.1.1 油源形式及壓力控制
由工況表3.8可得知，在液壓系統(tǒng)的工作循環(huán)內(nèi)，油源持續(xù)地提交替地向油缸提供著壓力高流量小與壓力低同時(shí)流量大的油液，。并且在循環(huán)中，泵幾乎一直處于高壓、小流的狀態(tài)下進(jìn)行工作。因此從節(jié)省能源、提高效率的角度來看，并不能使用單個(gè)定量泵作為油源。應(yīng)該擦用雙聯(lián)式液壓泵或者限壓式變量泵。這里我們采用限壓式變量泵供油回路。
液壓系統(tǒng)的油源為電動(dòng)機(jī)4驅(qū)動(dòng)的變量液壓泵（葉片泵）3供油油源，并通過安裝單向閥5防止油液倒灌，以達(dá)到保護(hù)液壓泵的目的。并通過壓力表6觀察壓力。
如圖4.1所示
圖4.1
4.1.2 調(diào)速回路
由工況表3.8可知，該車床液壓系統(tǒng)功率小，工作臺(tái)工進(jìn)速度低，工作負(fù)載變化小，完全可以采用進(jìn)口節(jié)流的調(diào)速形勢(shì)。
調(diào)速閥11對(duì)在刀塔定位缸的速度進(jìn)行著控制。雙路單向節(jié)流閥12對(duì)刀塔定位馬達(dá)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。單向節(jié)流閥16控制著尾座頂緊缸的速度。分別如圖4.2、4.3及4.4所示
圖4.2 刀塔定位缸的調(diào)速回路
圖4.3 刀塔定位馬達(dá)的調(diào)速回路
圖4.4 尾座頂緊缸的調(diào)速回路
4.1.3 方向控制回路
回轉(zhuǎn)缸和刀塔定位缸的換向回路采用電磁換向閥9和18。選擇二位四通機(jī)械電磁換向閥。
刀塔定位液壓馬達(dá)和尾座頂緊缸的換向回路由電磁換向閥13與17控制，采用三位四通“Y”型中位機(jī)能的液動(dòng)換向閥實(shí)現(xiàn)液壓缸的夾緊與松開的運(yùn)動(dòng)。由于液壓缸兩腔接油箱，從靜止到起動(dòng)有沖擊，制動(dòng)性能較平穩(wěn)。
分別如圖4.4、4.5、4.6、4.7所示。
圖4.5 回轉(zhuǎn)缸的換向回路
圖4.6 刀塔定位缸的換向回路
圖4.7 刀塔定位液壓馬達(dá)的換向回路
圖4.8尾座頂緊缸的換向回路
4.1.4 壓力控制回路
回轉(zhuǎn)缸的壓力由減壓閥7設(shè)定，單向閥8用于短時(shí)保壓。尾座頂緊缸的壓力由減壓閥14設(shè)定，單向閥15用于短時(shí)保壓。如圖4.9與4.10所示
圖4.9 回轉(zhuǎn)缸的壓力控制回路
圖4.10 尾座頂緊缸的壓力控制回路
4.1.5 輔助回路
為滿足車床切削過程中出現(xiàn)故障和突然停電等特殊情況下工件仍被可靠家吃的要求，使用雙向液壓鎖10用于鎖緊回轉(zhuǎn)缸。
同時(shí)液壓系統(tǒng)設(shè)有吸油過濾器2和空氣過濾器20，保證系統(tǒng)油液的潔凈，降低液壓元件的特別是回轉(zhuǎn)液壓缸回轉(zhuǎn)配油環(huán)的磨損，延長(zhǎng)液壓元器件的使用壽命。（1為郵箱
分別如圖4.11與4.12所示
圖4.11
圖4.12
除換向閥外，其余液壓閥均為疊加式液壓閥。
在制定并完善各液壓回路方案的基礎(chǔ)上，為使標(biāo)準(zhǔn)化、通用化以及集成化成都更高，液壓系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)。將各模塊整理所組成的液壓系統(tǒng)原理圖如4.13所示。
如表4.1所示，由電磁鐵動(dòng)作順序表可以清晰地了解到整個(gè)系統(tǒng)的工作原理以及系統(tǒng)在各工況下的油液流動(dòng)路線。
圖4.13
表4.1 電磁鐵動(dòng)作順序表
液壓缸
工況動(dòng)作
電磁鐵狀態(tài)
1YA
2YA
3YA
4YA
5YA
6YA
7YA
8YA
刀塔定位缸
快進(jìn)
+
工進(jìn)
快退
+
頂緊缸
頂緊
+
松開
+
夾緊缸
夾緊
+
松開
+
刀塔定位液壓馬達(dá)
正轉(zhuǎn)
+
反轉(zhuǎn)
+
5.選擇液壓元件
5.1 確定液壓泵的容量以及電動(dòng)機(jī)的功率
5.1.1液壓泵的確定
（1）液壓泵的工作壓力
液壓缸在工作循環(huán)中的最大壓力為3.52MPa，如取進(jìn)油路上的壓力損失為1MPa，則泵在小流量工作狀態(tài)下最大工作壓力應(yīng)為4.52MPa。
選擇泵的額定壓力應(yīng)為
泵在大流量狀態(tài)下，由表3.8可知，于液壓缸快退時(shí)工作壓力較高，取液壓缸快退時(shí)進(jìn)油路上的壓力損失為0.5MPa，則泵于大流量狀態(tài)下的最高工作壓力為：
（1.02+0.5）MPa=1.52MPa
（2）液壓泵流量計(jì)算
取系統(tǒng)的泄露系數(shù)K=1.1，由表3.8可知，液壓泵向液壓缸提供的最大流量為25.2L/min，則泵的總流量為
L/min
（3）確定液壓泵規(guī)格
根據(jù)所得數(shù)值查閱電機(jī)產(chǎn)品目錄并對(duì)照產(chǎn)品樣本，最終選用PVS系列變量葉片泵（Parker），型號(hào)為PVS25，其轉(zhuǎn)速范圍為1000-1800rpm，1500r/min時(shí)流量為35L/min，排量為24cm3/rev，可以滿足系統(tǒng)需求。
5.1.2 確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率
液壓泵在快退階段時(shí)功率最大，取液壓缸在進(jìn)油路上壓力損失為0.5MPa，則液壓泵輸出壓力為1.34MPa。液壓泵的總效率為，液壓泵流量為25L/min，則液壓泵驅(qū)動(dòng)快退所需的功率P為：
據(jù)此選用Y80M2-4型三相異步電動(dòng)機(jī)，其額定功率為0.75KW，轉(zhuǎn)速為1390rpm，仍能滿足系統(tǒng)需求。
5.1.3高速高精密數(shù)控車床液壓系統(tǒng)液壓元件的選擇
葉片泵工作時(shí)由單向閥5保護(hù)液壓泵，防止油液倒灌。經(jīng)計(jì)算后查閱《液壓元件手冊(cè)》，選擇YAF3-EB10B。
快進(jìn)時(shí)，由電磁換向閥18控制。工作臺(tái)進(jìn)給缸快進(jìn)時(shí)，速度為4m/min，流量為25.13L/min。
查閱《機(jī)床液壓元件產(chǎn)品樣本》可知，選擇24D-10B型二位四通電磁換向閥，其參數(shù)如下：
額定壓力為15MPa
回轉(zhuǎn)缸工作時(shí)通過疊加式減壓閥減壓，經(jīng)計(jì)算后查閱《機(jī)床液壓元件產(chǎn)品樣本》可知，選擇J-25B型減壓閥。額定流量為25L/min；壓力調(diào)整范圍為5-63kgf/
經(jīng)計(jì)算及反復(fù)查閱《機(jī)床液壓元件產(chǎn)品樣本》及《液壓元件手冊(cè)》等參考資料后，結(jié)合上述液壓元件的選擇，可制出如下表5.1高速高精密數(shù)控車床液壓元件選型表。
表5.1 高速高精密數(shù)控車床液壓元件選型表
序號(hào)
元件
型號(hào)
規(guī)格
額定壓力
（MPa）
額定流量
（L/min）
排量（cm3/r）
1
油箱
2
吸油過濾器
?
3
葉片變量泵
PVS25
14
35
24
4
電動(dòng)機(jī)
Y80M2-4
5
單向閥
YAF3-EB10
16
6
壓力表
7
疊加式減壓閥
J-25B
5～63
25
8
疊加式單向閥
23E-25B型
15
25
9
二位四通電磁換向閥
24D-10B
15
25
10
雙向液壓鎖
RC-8型自帶液壓鎖
11
疊加式單向節(jié)流閥
L-25
15
25
12
疊加式雙路節(jié)流閥
LI-10B型
15
25
13
三位四通電磁換向閥
34Y-10B
15
25
14
疊加式減壓閥
J-25
15
25
15
疊加式單向閥
23E-25B型
15
25
16
疊加式單向節(jié)流閥
L-25
15
25
17
三位四通電磁換向閥
34Y-10B
15
25
18
二位四通電磁換向閥
24D-10B
15
19
液位液溫計(jì)
20
空氣過濾器
86
高速高精密數(shù)控車床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
6.液壓系統(tǒng)油液溫升驗(yàn)算
葉片泵在小流量狀態(tài)下的工作壓力為4.52MPa，流量為3.77L/min，經(jīng)計(jì)算可知泵在小流量狀態(tài)下的輸入功率為355W。泵在大流量狀態(tài)下的工作壓力1.52MPa，流量為23.25L/min，輸入功率為736.25W。
液壓缸的最小有效功率為：
系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量為：
假設(shè)油箱的長(zhǎng)、寬、高的比例在1:1:1~3:2:1的區(qū)間內(nèi)，且油液表面的高度等于油箱總高度的時(shí)，油箱的有效散熱
面積大約為：
式中：V—油箱的有效容積（）
A—散熱面積（）
設(shè)油箱的有效容積，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為K=15，將有效容積與K帶入上式可得：
所以在安全溫升范圍內(nèi)。
7.結(jié)論
高速高精密數(shù)控車床具備精度高、效率高、自動(dòng)化水平高、機(jī)械制造設(shè)備靈活性高等長(zhǎng)處。在現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)中所占地位已