梁萬(wàn)冀

（廣東省高級(jí)技工學(xué)校，廣東 廣州 510800）

斜床身高速高精數(shù)控車(chē)床液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

梁萬(wàn)冀

（廣東省高級(jí)技工學(xué)校，廣東 廣州 510800）

隨著技術(shù)及機(jī)械設(shè)備中零件的不斷改進(jìn)，傳統(tǒng)數(shù)控車(chē)床在機(jī)械設(shè)備零件加工中的效率明顯不高，滿足不了需求。為了解決這些問(wèn)題，本文采用液壓系統(tǒng)，使用變量葉片泵模塊化設(shè)計(jì)，從而降低功耗及發(fā)熱，設(shè)計(jì)了斜床身高速高精數(shù)控車(chē)床液壓系統(tǒng)。此系統(tǒng)布局合理，穩(wěn)定可靠，能夠滿足數(shù)控機(jī)床高速高精的需求。

高速高精；數(shù)控車(chē)床液壓系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床為傳統(tǒng)機(jī)械加工和電子信息兩大技術(shù)的集合，其具有電氣、液壓、信息等技術(shù)，能夠使機(jī)械設(shè)備的制造過(guò)程具有效率高、精度高并且自動(dòng)化的特點(diǎn)。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，高加工精度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜及尺寸越來(lái)越大的零件被廣泛使用在機(jī)械設(shè)備中，也就對(duì)數(shù)控機(jī)床提出了較高的要求?；诖?，就要對(duì)常規(guī)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行改進(jìn)，以滿足零件的加工需求。

1 斜床身高速高精數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文中設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床使用的整體床身為45°，其具有主軸箱、X/Z軸進(jìn)出結(jié)構(gòu)合自動(dòng)尾架，最大的加工零件能夠達(dá)到200mm×500mm，加工精度高達(dá)IT5級(jí)，主軸的最大轉(zhuǎn)速是5000r/min，粗糙度為Ra1.6～Ra0.8。液壓系統(tǒng)中的控制動(dòng)作主要有刀塔換位及鎖緊、液壓卡盤(pán)松開(kāi)和夾緊、自動(dòng)尾架頂緊。因?yàn)橐簤簜鲃?dòng)輸出量較大，并且重量較輕、慣性較小，在工作過(guò)程中便于控制和調(diào)速，能夠有效提高數(shù)控機(jī)床的整體性能。

該數(shù)控機(jī)床中的液壓系統(tǒng)使用的是模塊化設(shè)計(jì)，包含四部分。其一，尾架松開(kāi)和頂緊回路；其二，液壓卡盤(pán)加緊和松開(kāi)回路；其三，OPTION液壓回路；其四，刀塔換位和鎖緊回路。為了能夠使系統(tǒng)中的油液保持潔凈，液壓系統(tǒng)中還具有空氣濾清器和進(jìn)油濾油器。為了能夠有效降低功耗，本系統(tǒng)供油方式使用的是變量葉片泵，降低功耗且正常工作。在液壓泵出口設(shè)計(jì)了單向閥，避免在其工作過(guò)程中突然斷電或者因?yàn)橥饨缲?fù)載過(guò)大導(dǎo)致液壓油倒流。

2 液壓系統(tǒng)元件

2.1 選擇液壓泵

使液壓泵的最大工作壓力為Pp，公式為：

P1表示工作元件最大工作壓力，?P表示從泵出口到工作元件進(jìn)口兩者的管路阻力和。

一般使用的液壓泵的最大壓力為7.0MPa。

使液壓泵流量為Q，系統(tǒng)中設(shè)有蓄能器，液壓泵流量根據(jù)系統(tǒng)中的循環(huán)周期平均量決定，表示為：

式中：Ui表示液壓缸在工作時(shí)候消耗油的總量，單位是m3，Ti表示數(shù)控機(jī)床工作周期，單位是s，Z表示液壓缸的數(shù)量。

2.2 選擇控制閥

根據(jù)額定壓力、最大流量、工作壽命、安裝方式、動(dòng)作方式等條件進(jìn)行選擇控制閥，以數(shù)控機(jī)床中控制閥流量為基礎(chǔ)，一般使用的是疊加壓力閥、方向閥和流量閥。

2.3 選擇管道

根據(jù)發(fā)熱量、壓力受損及液壓沖擊選擇管道，并且根據(jù)管道的內(nèi)徑、材料及元件的接口選擇管道尺寸，一般使用的是液壓軟管。

2.4 油箱容量

確定合理的油箱容量能夠使液壓系統(tǒng)在工作過(guò)程中保持穩(wěn)定。一般使用的公式為：

V=α°Q

α表示經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Q表示液壓箱總額定流量，單位是L/min。

2.5 選擇濾油器

根據(jù)壓力的承受能力、阻力壓降、過(guò)濾精度、通流能力及安裝方式選擇濾油器，一般要求精度為10～15μm。

3 數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)的工作原理

3.1 液壓卡盤(pán)松開(kāi)和夾緊回路

液壓卡盤(pán)指的就是在主軸前端固定安裝的物體，通過(guò)高速中空回轉(zhuǎn)液壓缸得空心拉桿驅(qū)動(dòng)能夠松開(kāi)或者夾緊卡盤(pán)。通過(guò)螺紋連接液壓活塞和拉桿后端，還是通過(guò)螺紋連接液壓卡盤(pán)滑套和拉桿前端。液壓缸和軸套使用螺釘相互連接，軸套和主軸后端使用螺紋進(jìn)行連接，能夠?qū)⒅鬏S和液壓缸兩者進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。如果液壓缸中的壓力能夠?qū)⒗瓧U和活塞向下轉(zhuǎn)動(dòng)，那么滑套就會(huì)朝著左邊進(jìn)行移動(dòng)，卡爪就會(huì)朝著外面進(jìn)行移動(dòng)，這個(gè)時(shí)候卡盤(pán)就自動(dòng)松開(kāi)了。反之，液壓缸壓力油導(dǎo)致拉桿和活塞桿向主軸后邊移動(dòng)的時(shí)候，可以使用啟動(dòng)機(jī)構(gòu)，這個(gè)時(shí)候液壓卡盤(pán)就會(huì)自動(dòng)夾緊，工作原理詳見(jiàn)圖1。

1.配油回轉(zhuǎn)環(huán) 2.回轉(zhuǎn)液壓缸 3.活塞桿 4.滑套 5.卡爪圖1 液壓卡盤(pán)工作的基本原理

上文說(shuō)到此機(jī)床的最高轉(zhuǎn)速為5000r/min，在高轉(zhuǎn)速工作中切削加工，要求工作夾持力度較大，并且要針對(duì)不同的零件具有不同的夾持力度。比如，在加工實(shí)心零件的時(shí)候，就要求具有較大的夾持力度，在加工薄壁零件的時(shí)候，就要求具有較小的夾持力度，如果在加工零件壁較薄的時(shí)候使用較大的夾持力度，那么就會(huì)使零件受力過(guò)多導(dǎo)致變形，大大的降低了加工的精度。為了使機(jī)床在工作過(guò)程中不會(huì)因?yàn)橥蝗煌ｋ娀蛘叱霈F(xiàn)故障，在等待工作中仍具有可靠夾持，就要對(duì)其具有多重保護(hù)，在此可以使用最高轉(zhuǎn)速為6200r/min的高速中空回轉(zhuǎn)液壓缸，使車(chē)床進(jìn)行高速切削加工?；剞D(zhuǎn)液壓缸中具有液壓雙向鎖，能夠使車(chē)床在工作過(guò)程中發(fā)生特殊情況還能夠把零件夾緊。由于回轉(zhuǎn)液壓缸的旋轉(zhuǎn)速度較快的時(shí)候，其內(nèi)部的液壓油會(huì)有較高的溫度，并且還會(huì)出現(xiàn)剪切的現(xiàn)象，那么就會(huì)使配油環(huán)卡死，從而導(dǎo)致主軸發(fā)生系統(tǒng)故障。因此就要系統(tǒng)在供油的時(shí)候使用變量液壓泵，這樣能夠有效降低功耗，以此使液壓系統(tǒng)中油液的溫度不會(huì)持續(xù)上升，使油液的溫度有所下降，那么機(jī)床就能夠在轉(zhuǎn)速較快的時(shí)候還能夠正常工作。此系統(tǒng)中還有配有疊加減壓閥，它的主要目的就是根據(jù)不同的工作狀況對(duì)于零件夾緊的力度進(jìn)行有效調(diào)整；機(jī)械定位電磁換向閥和單向閥能夠有效使卡盤(pán)不會(huì)出現(xiàn)松開(kāi)的情況，從而有效保證工作人員的安全，也避免了出現(xiàn)問(wèn)題對(duì)機(jī)床產(chǎn)生傷害。

卡盤(pán)油液主要根據(jù)二位四通機(jī)械定位電磁換向閥對(duì)其的方向進(jìn)行調(diào)整的，當(dāng)系統(tǒng)接收到要卡緊的信號(hào)時(shí)，電磁就會(huì)及時(shí)通電，然后閥門(mén)左位就會(huì)工作，壓力油就會(huì)流經(jīng)疊加減壓閥，然后壓力油進(jìn)入到液壓缸中，那么活塞桿就會(huì)朝著左邊移動(dòng)，從而卡盤(pán)就會(huì)逐漸夾緊，此時(shí)，液壓缸中的油液就會(huì)通過(guò)液壓鎖流入油箱中?？ūP(pán)在接收到要松開(kāi)指令的時(shí)候，電磁鐵就會(huì)開(kāi)始通電，那么油液就會(huì)轉(zhuǎn)換方向流動(dòng)，這時(shí)卡盤(pán)就會(huì)自動(dòng)松開(kāi)。

3.2 液壓回路鎖緊及刀塔換位

此液壓系統(tǒng)中刀塔換為是由數(shù)控系統(tǒng)T指令控制的，也就是說(shuō)通過(guò)液壓刀塔中的分度馬達(dá)控制器正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)和角度，以此使刀塔就近換刀。刀塔工作流程見(jiàn)圖2，刀盤(pán)換位和鎖緊由液壓系統(tǒng)控制。

圖2 刀塔工作流程

刀塔根據(jù)刀具定位指令，實(shí)現(xiàn)就近換刀。疊加雙向單向節(jié)流閥調(diào)整馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的速度，能夠在滿足換刀時(shí)間的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)刀位換刀減速，避免刀盤(pán)越位，保證車(chē)刀換位正確及定位的精度。

3.3 工件軸向頂緊液壓回路

由于車(chē)床的轉(zhuǎn)速比較大，那么它在進(jìn)行長(zhǎng)工件加工的過(guò)程中就容易出現(xiàn)彎曲、震動(dòng)等現(xiàn)象，從而降低加工的進(jìn)度。那么，為了有效提高工件的剛性，使其在加工過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)上述情況，從而提高工件技工的速度，就可以在此車(chē)床尾部設(shè)置尾架支撐，以此滿足高速高精車(chē)床的加工需求。工件的長(zhǎng)度和切削的力度會(huì)影響頂緊工件的力，可以以實(shí)際情況為基礎(chǔ)，科學(xué)調(diào)整車(chē)床架套筒。必要的時(shí)候還可以在尾架頂緊液壓回路中設(shè)計(jì)一個(gè)減壓閥，減少工作過(guò)程中的壓力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的斜床身高速高精車(chē)床液壓系統(tǒng)的工作原理主要是通過(guò)高速中空回轉(zhuǎn)液壓缸的控制來(lái)調(diào)節(jié)液壓卡盤(pán)，通過(guò)分度馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的角度及方向?qū)⑵錅?zhǔn)確定位，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)工件加工主要是通過(guò)尾架進(jìn)行的。此液壓系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)化、集成化的優(yōu)點(diǎn)，并且系統(tǒng)機(jī)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，設(shè)計(jì)周期短，維修較為方便，在工作過(guò)程中性能可靠且實(shí)用，能夠有效滿足零件加工的需求。

[1]劉樂(lè)平, 董啟政, 鄧國(guó)洪. 高速高精數(shù)控車(chē)床液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 液壓與氣動(dòng), 2011(7):77-79.

[2]何敏佳, 王繼武, 劉高潔. 應(yīng)用于普通車(chē)床數(shù)控化改造的數(shù)控滑臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)床與液壓, 2015(16):182-184.

TG519.1

A

1671-0711（2017）05（下）-0175-02