張錦

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030000）

數(shù)控機床的液壓系統(tǒng)設(shè)計與研究

張錦

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030000）

液壓系統(tǒng)是一項很重要的現(xiàn)代傳動控制技術(shù)，廣泛應(yīng)用于包括數(shù)控機床在內(nèi)的各種機械設(shè)備上，其體積小，重量輕，布局靈活方便，并且操作也非常簡便，在執(zhí)行運動控制系統(tǒng)中非常實用，能夠在很大的方位內(nèi)實現(xiàn)無級變速，也能滿足過載保護的需求?？筛鶕?jù)工作環(huán)境選擇適當?shù)囊簤河停m用范圍很廣，同時因為其以液壓油作為傳動介質(zhì)，所以可自行潤滑，很大程度延長了維護日期，減少的維護工作量，增加了設(shè)備的使用壽命。

數(shù)控機床；液壓；液壓缸；工作腔

對于機床來說，常見的有車床、銑床、刨床、磨床、鉆床、鏜床、鍛壓機床等，最早出現(xiàn)的是純手動機床，是電機通過多級齒輪傳動來實現(xiàn)切削工作的，所有加工量和加工速度都是操作人員參照刻度盤和經(jīng)驗來手動調(diào)節(jié)的。隨著不斷的改進，帶有自動走刀功能的機床逐漸面世，最初的自動走刀是以齒輪傳動方式實現(xiàn)的。每個速度級別都需要配備一套齒輪組，齒輪的重量和體積限制使得這樣的機床只有幾個速度級別，齒輪需要加潤滑油，增加了維護的人工成本，眾多齒輪的磨損和更換增加了材料成本，這三個缺點使古老的機床逐漸被其他科技淘汰。

1 機床液壓系統(tǒng)作用和優(yōu)勢

機床最常見運動方式有軸向運動和旋轉(zhuǎn)運動兩類，相當幾部分機床的工作都需要兩種運動方式結(jié)合來完成，旋轉(zhuǎn)運動一直都是通過電機搭配皮帶和齒輪來實現(xiàn)的，而軸向運動即可以通過電機搭配齒輪和齒條實現(xiàn)也可以通過液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)，齒輪傳動必須要額外附加過載保護部件，最常見的就是利用壓力傳感器檢測載荷，再通過電磁繼電器斷電來實現(xiàn)過載保護。這種過載保護的滯后性會對零件造成很大的損傷，而液壓系統(tǒng)則可以根據(jù)需要事先設(shè)定液壓缸的壓力，從根源上實現(xiàn)過載保護，幾乎不會對零部件產(chǎn)生任何損傷。

所有機械設(shè)備都不可能達到百分之百的的精準，除了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t外和計量系統(tǒng)的誤差外，慣性也是其中一項很重要的原因，齒輪傳動的制動方式主要是以制動輪或者直接以主動輪的強行停止或瞬間反轉(zhuǎn)來完成的，所有的齒輪都難以避免的存在一定的間隙，這樣的話強行停止就會產(chǎn)生撞擊同時引起震動，這樣不僅損傷設(shè)備也會很大程度的引起誤差。液壓傳動的制動則是依靠液壓閥的關(guān)閉通過平衡壓力進行制動，這種軟制動方式能起到一定的緩沖效果，在很大程度上保護了設(shè)備，同時減小震動，對提高機床精度有非常大的作用。

2 數(shù)控機床液壓系統(tǒng)設(shè)計的基本工作原理

液壓系統(tǒng)在數(shù)控機床的上的應(yīng)用主要有自動加緊、刀盤轉(zhuǎn)換和卡盤移動這幾個方面，自動加緊功能的設(shè)計思路很簡單，打開加緊方向的進液閥使液壓缸的高壓液壓油推動卡盤，同時打開松開方向的泄壓閥卸掉反作用力將工件夾緊。需要取下工件時則相反，需要打開加緊方向的泄壓閥，同時打開松開方向的進液閥使得液壓油推動卡盤反方向運動松開工件，需要注意的是在完成夾緊和松開后，之前打開的液壓閥需要自動關(guān)閉，同時液壓缸暫停工作，這樣可以使液壓腔內(nèi)的保持一個平衡未定的壓力，減小振動幅度，也能使液壓缸暫時泄壓，延長液壓缸的使用壽命。

刀盤轉(zhuǎn)換功能大多數(shù)機床是通過齒輪實現(xiàn)的，但也可以用液壓系統(tǒng)來完成，這項功能是利用環(huán)形液壓腔利用液壓完成旋轉(zhuǎn)作業(yè)，其利用兩個完全反向的環(huán)形液壓腔使刀盤完成正反兩個方向的旋轉(zhuǎn)運動，同時用另一個普通液壓腔完成卡盤的固定，數(shù)控機床的控制系統(tǒng)利用簡單的計算和位置記憶功能精準的判斷換刀需要的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動工位數(shù)完成換刀，換刀前夾緊液壓腔的泄壓閥打開松開刀架，對應(yīng)旋轉(zhuǎn)液壓腔的進液閥打開刀架開始旋轉(zhuǎn)，當?shù)都苄D(zhuǎn)到預(yù)定工位時，該旋轉(zhuǎn)液壓腔的泄壓閥打開，同時夾緊液壓腔的進液閥打開將刀架固定。

不同的機床運動軸數(shù)量和運動距離不同，比如車床有兩個運動軸，其中一個距離很長，另一個則相對較短，銑床有三個運動軸，而多功能加工機床有三個軸向運動和三個旋轉(zhuǎn)運動。運動軸長的機床需要容積比較大的液壓缸和較長的液壓腔，運動軸短的則相反，軸向運動的液壓原理比較簡單，通過分別打開液壓腔兩端的進液閥來改變移動方向，當液壓腔一段個液壓閥開啟時，同一液壓腔另一端的泄壓閥必須打開，這是其中一種設(shè)計思路，這樣的運動方式的另一種設(shè)計是將該液壓腔兩端直接接在同一液壓缸的兩端，通過液壓缸的運動方向和運動量直接控制該運動部件。

3 現(xiàn)階段機床液壓系統(tǒng)的不足之處

液壓系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到非常普遍的應(yīng)用，數(shù)控機床的液壓系統(tǒng)也經(jīng)過了一代又一代的更新，最初的液壓系統(tǒng)在完成多個運動時只能輪流作業(yè)，而如今多軸聯(lián)動的機器早已普遍應(yīng)用，剛開始每個軸向運動的每個方向都需要一個獨立的液壓缸，使得多軸運動的機床液壓系統(tǒng)太過繁瑣，現(xiàn)在多個會不影響的液壓腔共用一個液壓缸早已非常普遍。雖然經(jīng)過不斷更新和改進，機床的液壓系統(tǒng)已經(jīng)相當完善，但有些功能還是存在以下幾個問題，需要進一步的改進。

最常見的問題就是液壓油污染嚴重，不易清理。液壓缸長期運動過程中磨損所產(chǎn)生的固體混在液壓油中很容易堵塞和損壞液壓系統(tǒng)的部件，這個問題一直是一個難點，為了低能耗的利用液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)的工作管路、工作腔和液壓缸容積都很小，不易加裝過濾組件。同時即便加裝了過濾組件，如果過濾精度太低也沒有明顯效果，精度高又會影響液壓油的流速，降低了工作效率。增大工作腔和工作管路雖然能適當減小對流量的影響，但這不僅增加了能耗還降低了系統(tǒng)精度。

液壓系統(tǒng)相比純機械結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)勢，但也會產(chǎn)生一些缺點，相比于純機械結(jié)構(gòu)，液壓系統(tǒng)啟動相對遲緩，因為它比機械結(jié)構(gòu)多了一個增壓的過程?？梢酝ㄟ^減小工作管路和工作腔來減小其影響，但受各方面限制減小的程度有限，目前液壓系統(tǒng)的啟動速度還是明顯不及機械結(jié)構(gòu)。

絕大多數(shù)液體的熱脹冷縮相比于固體都更加明顯，液壓油也如此，摩擦和壓縮產(chǎn)生的大量熱能會讓液壓油的溫度快速提高，溫度引起的體積變化會嚴重影響系統(tǒng)精度。溫度的升高會使得油液粘稠度下降，這樣很容易產(chǎn)生泄漏，如果泄漏嚴重不但影響精度，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)失效。

4 機床液壓系統(tǒng)未來可能的改進方向

液壓缸的摩擦是不可避免的，摩擦就必然伴隨著磨損，解決磨損最好的方法是通過增加材料表面光滑度，同時選用不易磨損的新型材料。這樣就能很大程度減少磨損產(chǎn)生的鐵屑污染液壓油，而且還能降低因摩擦產(chǎn)生的熱量。而對于系統(tǒng)啟動遲緩的問題則可以將進液閥盡量靠近工作腔進行安裝，同時利用數(shù)控機床自身自控系統(tǒng)在進液閥開啟之前預(yù)加壓，從而把動作延遲降到最低。液壓油的發(fā)熱是不可避免的，但減小摩擦力的新型材料能減小其發(fā)熱量，同時可以盡量選用導(dǎo)熱快的材料制作液壓系統(tǒng)的部件，必要時可額外加裝水冷乃至液氮等冷卻系統(tǒng)，同時增加系統(tǒng)密封性，避免泄漏引起的問題。

除了以上新型材料和附加部件，新的結(jié)構(gòu)才是更新?lián)Q代的重點，多個液壓缸的液壓系統(tǒng)完全可以修改成單個液壓缸，在液壓缸的出液口增加一個高壓緩沖腔，用于儲存高壓液壓油，高壓緩沖腔連接所有進液閥的入口管，在工作過程中該區(qū)域一直處于設(shè)定好的高壓狀態(tài)，內(nèi)部壓力穩(wěn)定于一個恒定的范圍。當其壓力降低時液壓缸開始工作，給高壓緩沖腔增壓，直到增加到設(shè)定值。在液壓缸的進液口設(shè)一個與外界空氣聯(lián)通的常壓儲液腔，用于儲存液壓油供給液壓缸，同時各工作腔的泄壓閥出口連通低壓儲液腔，用于泄壓時排放液壓油。泄壓閥出口和液壓缸進液管分別接在儲液腔的兩個方向，中間加裝過濾網(wǎng)，儲液腔內(nèi)可增設(shè)沉淀系統(tǒng)。

當機床任一部位需要液壓時，只需打開該工位的進液閥即可，液壓油會立即從高壓緩沖腔進入對應(yīng)的工作腔，無需液壓缸先動作，泄壓時在泄壓閥打開的瞬間液壓油便會瞬間流入儲液腔，加快了系統(tǒng)的啟停速度。

常壓儲液腔的過濾和沉淀裝置能有效的凈化液壓油，而且這個新增加的出油區(qū)域體積較大，完全可以有很大的過濾面積，不會對工作效率有任何負面的影響。這種結(jié)構(gòu)液壓缸事先給高壓緩沖腔充壓，能一定程度減小液壓缸的工作頻率，減小發(fā)熱量，與此同時與空氣連通的常壓儲液腔也能有效的快速散熱，此外，還可以在高壓緩沖腔的外壁上加裝散熱翅片，綜合散熱效率將會有很大的提升，極大程度的減小了液壓油溫度升高帶來的副作用。

[1]邵俊鵬等.液壓系統(tǒng)設(shè)計禁忌[M].機械工業(yè)出版社，2007.

[2]孫桓,陳作模,葛文杰主編.機械原理[M].高等教育出版社, 2006.

[3]張利平編著.液壓控制系統(tǒng)及設(shè)計[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[4]畢承恩等編著.現(xiàn)代數(shù)控機床[M].機械工業(yè)出版社，1991.

[5]機床設(shè)計手冊.編寫組編.機床設(shè)計手冊[M].機械工業(yè)出版社，1978.

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1671-0711（2017）05（上）-0105-02