专用铣床工作台液压
系统设计
Revised on November 25, 2020
目录
专用铣床工作台液压系统设计
1 前言
作为一种高效率的专用铣床，在日常生活中，广泛在大批量机械加工生产中应用。本次课程设计是以专用铣床工作台液压系统为例，介绍该组合机床液压系统的设计方法及设计步骤，其中包括工作台液压系统的工况分析、主要参数确定、液压系统原理图的拟定、液压元件的选择以及系统性能验算等。
液压传动课程设计是整个教学过程中最后一个综合性教学环节，通过课程设计可以让我们了解液压传动系统设计的基本方法和设计要求，提高我们运用所学理论知识解决具体工程技术问题的能力。能根据设计任务要求，按照正确的设计步骤，拟定出液压系统。
2 设计技术要求及参数
一台专用铣床的工作台拟采用单杆液压缸驱动。已知条件如下：铣刀驱动电机功率为P=，铣刀直径为De=120mm ，转速n=350r/min 。工作台质量m1=400kg ，工件及夹具最大质量为m2=150kg 。工作总行程为Lz=400mm ，其中工进行程为Lg=100mm 。快进和快退速度均为vk=min ，工进速度范围为vg=60~1000mm/min ，往复运动时加、减速时间均为Δt=。工作台水平放置，导轨静摩擦系数为μs=，动摩擦系数为μd=,以下为该铣床工作台进给运动的半自动液压系统设计。
3 确定执行元件
液压系统的动力原件是定量叶片泵，执行元件确定为液压缸（主要运动是往复直线运动）。
4 系统工况分析
动力分析
铣床工作台液压缸在快进阶段，启动时的外负载是导轨静摩擦阻力；加速的外负载是导轨动摩擦阻力和惯性力；恒速时是动摩擦阻力；在快退阶段的外负载是动摩擦阻力，由图3-4可知：
铣床工作台液压缸在工进阶段的外负载是工作负载，即刀具铣削力及动摩擦阻力。
静摩擦负载 Ffs=μ（m1+m2）g=（400+150）g=1078(N) 动摩擦负载 Ffs=μ（m1+m2）g=（400+150）g=539（N ） 惯性负载 Fi=（m1+m2））（150400Δt Δv
+=x 60
x 05.05.4=825（N ） 利用铣削力计算公式：
Fi=
2/De T （其中，T 为负载转矩，T=πn
2P
）。算得工作负载为: Fe=2/De T
n πDe 2/e πn 2/P D P ==1
3360
35010120105.7--?????π N ·m =3410N ·m 取液压缸的机械效率ηm=，可算得工作台液压缸在各工况下的外负载和推力，见图表：
表3-7 铣床工作台液压缸外负载和推力计算结果
运动分析
根
据设计要求，可直接画出液压缸的速度循环图（v-l 图），如图3-6。
5 计算液压系统主要参数并编制工况图
预选系统设计压力
专用铣床也归属半精加工机床，参考表1，预选液压缸的设计压力P1=3MPa 。
计算液压缸主要结构尺寸
由于设计要求工作台快速进退速度相等，故选用单杆差动连接液压缸，使缸的无杆腔与有杆腔的有效面积1A 与2A 保持关系1A =22A ，即杆d 和缸径D 满足d=。经查表3，取背压为。
从满足最大推力出发，可算得液压缸无杆腔的有效面积：
工况 外负载F/N 推力（F/ηm ）/N
计算公式 结果
快进
启动
F=Fst 1078 1198 加速 F=Ffd+Fi 1364 1515 恒速 F=Ffd 539 599 工进
F=Fe+Ffd 3949 4388 快退
启动 F=Fst 1078 1198 加速 F=Ffd+Fi 1364 1515 恒速
F=Ffd
539
599
液压缸内径：
按GB/T2348-1993（表2），将液压缸内径圆整为D=50mm=5cm 。 径圆整为d=36mm=。则液压缸实际有效面积为：
19634
5014.342
2
1=?==D A π（2mm ）
94636-50x 4
π
)(4
22222==
-=
）（d D A π
（2mm ） A =1A - 2A =1017（2mm ）
编制液压缸的工况图
根据上述条件，经计算液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率如下： ①压力
a 、快进阶段的液压缸压力 启动时，1P =
A
P A F ?+2=)(18.110170
1198MPa =+ 加速时，1P =
A P A F ?+2=)(95.110175.0x 9461515MPa =+(一般取被压为
恒速时，1P =
A
P A F ?+2=)(05.110175.0x 946599MPa =+
b 、工进阶段的液压缸力
2P =
122A P A F +=)(62.21017
8
.0x 9464388MPa =+ c 、快退阶段的液压缸压力 启动时，1P =
221A P A F +=
)(27.19460
1198MPa =+ 加速时，1P =
221A P A F +=
)(64.2946
5
.0x 19631515MPa =+
恒速时，1P =221A P A F +=)(67.1946
5
.0x 1963599MPa =+ ②流量
a 、快进（恒速时）阶段的流量
q=A vk=3106
10-=（L/min ）
b 、工进阶段的流量
qmax= 1A vg=1963x1000x 6
10-=（L/min ） qmin= 1A vg=1963x60x 6
10-=（L/min ）
c 、快退（恒速时）阶段的流量
q= 2A vk=610-3
10=（L/min ） ③功率
a 、快进（恒速时）阶段的功率
P=1P 3
10/60=（W ）
b ．工进（最高速度时）阶段的功率
P=1P 3
10/60=（W ）
c ．快退（恒速时）阶段的功率
P=1P 3
10/60=（W ）
由上述计算结果编制出的液压缸工况图3-7~3-9
6 制定液压回路的方案，拟定液压系统原理图
制订液压回路方案
①油源型式及压力控制 工况图表明，系统的压力和流量均较小，故可采用电动机驱动的单定量泵供油油源和溢油阀调压方案，如图3-10所示。
②调速回路 铣床加工零件时，有顺铣和逆铣两种工作状态，故选用单向调速阀的回油节流调速回路（见图3-11）。由于已选用节流调速回路，故系统
必然为开式循环。
③换向回路与快
速运动回路及换接方式 换向回路
选用三位四通“O ”型中位机能的电磁换向阀实现液压缸的进退和停止（见图3-12）。采用二位三通电磁换向阀实现液压缸快进时的差动连接（见图3-13）。
由于本机床工作部件终点的定位精度无特殊要求，故采用行程控制方式即活动挡块压下电气行程开关，控制换向阀电磁铁的通断电以及死挡铁即可实现自动换向和速度换接。
④辅助回路 在液压泵进口设置一过滤器以保证吸入液压泵的油液清洁；出口设一单向阀以保护液压泵，在该单向阀与液压泵之间设一压力表及其开关，以便液压阀调压和观测（见图3-14）。
拟定液压系统图
在制定各液压回路方案的基础上，经整理所组成的液压系统原理图如图3-15所示。由电磁铁动作顺序表（图中附表）容易了解系统的工作原理及各工况下的油液流动路线图3-15 专用铣床液压系统原理图
1-过滤器；2-单向定量泵；3-电动机；4-溢流阀；5-压力表开关；6-单向阀；7-三位四通电磁换向阀；8-单向调速阀；9-二位三通电磁换向阀；10-液压缸
7 计算并选择液压元件
液压泵的计算与选定
①液压泵的最高工作压力的计算
由工况3-2可以查得液压缸的最高工作压力出现在快退阶段，即p1= MPa ，由于进油路原件较少，故泵至缸间的进油路压力损失取为Δp=。则液压泵的最高工作压力pp 为：
附表 系统的电磁铁动作顺序表
pp=+=（MPa ） ②液压泵的流量计算
泵的供油量qp 按液压缸的快进（恒速时）阶段的流量q=min 进行估算。由于系统流量较小，故取泄漏系数K=，则液压泵供油量qp 应为：
qp ≥qv=Kqlmax=×=（L/min ） ③确定液压泵的规格
根据系统所需流量，拟初选液压泵的转速为n1=1450r/min ，泵的容积效率ηv=，根据式（2-37）可算得泵的排量参考值为：
Vg=
v n qv η11000=8
.0145095
.51000??=（mL/r ） 根据以上计算结果查阅产品样本，选用规格相近的YB1-6型叶片泵，泵的额定压力为pn=，泵的额定转速为n=1450r/min ，容积效z 率ηp=。倒推算得泵的额定流量为：
q p=Vn ηv=6×1450×=（L/min ）比系统流量稍大。
④确定液压泵驱动功率由功率循环图3-9可知，最大功率出现在快退阶段，已知泵的总效率为ηp=，则液压泵快退所需的驱动功率为：
Pp=
p
q
p p
p
η=
p
p p q
p
η)11(?+=
3
106080.01450
6)3.067.1(????+=（KW ）
电机的选定
查表得，选用Y 系列（IP44）中规格相近的Y801-4型卧式三相异步电动机，其额定功率为，转速为1390r/min 。用此转速驱动液压泵时，泵的实际输出流量为min ，仍能满足系统各工况对流量的要求。
表3-8 专用铣床液压系统中控制阀和部分辅助原件的型号规格
液压控制阀和液压辅助原件的选定
根据系统工作压力与通过各液压控制阀及部分辅助原件的最大流量，查产品样本所选择的原件型号规格见表3-8，其中液压缸需自行设计。
管件尺寸由选定的标准件油口尺寸确定。
本系统属于中低压系统，取经验系数α=5，得油箱容量为： V=apq=5×=≈33L
8 验算
液压系统的效率
（经计算510.6310p Pa ?=?∑，52 2.62510p Pa ?=?∑）取泵的效率ηＢ＝0.75，液压缸的机械效率0.9G η=，回路效率为：
当工进速度为1/min m 时，5
5
1.9624100.2962710c η??==?? 当工进速度为60/min mm 时，5
5
0.1224100.017862710c η??=
=??
液压系统的温升
（只验算系统在工进时的发热和温升）定量泵的输入功率为： 工进时系统的效率η＝0.012，系统发热量为：
取散热系数321510/K kW m C -?
=??，油箱散热面积
2Ａ＝O.065时，
计算出油液温升的近似值：
3
33.550~55H T C C C KA ?
???===<，故合理。
设计总结
这次液压系统课程设计，是我们第一次较全面的液压知识的综合运用，通过这次练习，使得我们对液压基础知识有了一个较为系统全面的认识，加深了对所学知识的理解和运用，将原来看来比较抽象的内容实现了具体化，初步掊养了我们理论联系实际的设计思想，训练了综合运用相关课程的理论，结合生产实际分析和解决工程实际问题的能力，巩固、加深和扩展了有关液压系统设计方面的知识。
通过制订设计方案，合理选择各液压零件类型，正确计算零件的工作能力，以及针对课程设计中出现的问题查阅资料，大大扩展了我们的知识面，培养了我们在本学科方面的兴趣及实际动手能力，对将来我们在此方面的发展起了一个重要的作用。本次课程设计是我们对所学知识运用的一次尝试，是我们在液压知识学习方面的一次有意义的实践。
在本次课程设计中，我独立完成了自己的设计任务，通过这次设计，弄懂了一些以前书本中难以理解的内容，加深了对以前所学知识的巩固。在设计中，通过老师的指导，使自己在设计思想、设计方法和设计技能等方面都得到了一次良好的训练。
参考文献
1 张利平编着《液压传动系统设计与使用》化学工业出版社
2 张利平编着《液压传动设计指南》化学工业出版社
3 丁树模、丁问司《液压传动》（第三版）机械工业出版社
4 杨慧敏《液压与气压传动》西北工业大学出版社