液压半自动专用车床设计

）1 概述1.1液压半自动车床设计的目的本机床为液压半自动专用车床，用来满足自行车变速轴外壳外圆及内孔的加工。适合成批及大批量生产的需要，操作简单可以提高生产效率，降低工人的劳动强度，并保证工件必要的加工精度。1.2液压半自动专用车床的特点及用途1.2.1机床的特点液压半自动专用车床，是采用液压和电气的联合控制，工件可实现自动夹紧及松开动作，采用专用组合刀具切削工件，适合加工各种轴类零件。机床通过液压系统，对主轴箱前端的弹性夹头进行控制，实现一齐工作，同时实现对工件的自动夹紧和松开动作。机床正常车削过程中，刀具的纵向进给与横向退刀均由液压系统自动控制，零件的车削过程中进刀速度可以进行无级变速。主轴通过齿轮啮合实现变速将电机转速转化为1000r/min和800r/min两极转速输出。以上阐述的是本机床的操作及运行特点，所以本机床具有操作简便，劳动强度低，加工可靠等优点。而且实现了半自动化加工，对工人的要求低，减轻了工人的劳动量，适于零件的大批量生产。机床能够保证必要加工精度的前提下，没有设计过多的不必要的功能，主轴只采用两极变速输出，从而也降低了成本，提高了机床的经济性。1.2.2机床的用途液压半自动专用床主要实现了车床加工过程的半自动化，使用专用组合刀具。本次设计主要用于对自行车变速轴外壳的外圆及内孔进行加工，同时也适用于其他任何直径小于60mm的轴类零件的外圆和内孔的加工。1.3机床的结构及其使用1.3.1主轴箱主轴箱电机（Y100L2-4）固定在箱体左端面上，主轴共有两种转速输出（1000r/min；800r/min）可用变速手柄来实现变速，另外，主轴装有弹簧夹头可夹持直径为60毫米以下的棒料和轴类零件，主轴后端的油缸通过液压油路的控制可实现装夹零件。1.3.2刀架刀架主要分为：刀台，上滑板，中滑板，下导轨以及纵向油缸和横向油缸等部分组成。横向油缸的作用是实现一次加工行程之后的横向让刀运动（让刀行程为2mm）。刀架整体可在床身固定底面上的T型槽内前后调整。上滑板两端装有调整用的手轮，可以用它实现刀台在上滑板做横向的微量调节。调节时，首先将锁定螺母松开，旋动手轮（两个手轮均可调节），将刀台调整到所需位置。调整之后，一定要锁紧锁定螺母，以免加工过程中碰到手轮，影响加工精度，甚至产生其他不良后果。另外，在纵向油缸后端盖上有一个球头圆杆，其作用是用以调整快速行程。当球头圆杆插入活塞杆内套筒时，快速行程即告结束，快速进给速度转变为工作进给速度。本机床快速行程的大小，可以通过下导轨前端的调整螺杆调节。其方法是旋动调整杆调整轴套与球头圆杆之间的距离，从而达到调整行程的目的。本机床的快速行程（从起点位置算起），不得小于40mm，因此，在调正调整杆时，应注意不要将球头圆杆与调整轴套之间的距离调到40mm以下，以免他们之间发生碰撞，以至损坏机件。1.3.3液压控制系统液压控制板固定在床身右端面上。液压控制板的进油接头下端与油泵电机出口相连，上端与主轴夹紧油缸和刀架上的纵横油缸相连接；回油接头直接接入油箱油池之中；对于调节纵向油缸工作进给时的进给速度，由单向调速阀实现，单向调速阀安装在控制板上；工作压力由控制板上的压力调节阀来控制，压力的大小通过安装在床身后部纵向油缸前的压力表显示。1.4机床的调整采用试切法来确定机床的加工长度，并对其进行调整。具体办法是试切一个工件，将要达到切削长度时，利用单向调速阀手柄切断回路，停止刀架的进给运动，此时可以测量工件的切削长度，可以将调整阀稍稍打开少许，令刀架运动，直到达到所需要的切削长度为止（将行程开关固定在此位置上），再将单向调速阀关死，停止刀架进给，然后再关闭油泵，并调节反向碰撞螺钉使其与下导轨上的顶块接触，并用螺母（M16）将螺钉锁死。吃刀量的微量调节可以转动调节手轮实现，调节之后锁紧螺母。对于快速行程的长短的调节，可以转动调整螺杆来实现，右旋时，快速行程加长，左旋时缩短。在调整时，注意用力不能过大，以免达到孔点时因用力过猛而损坏机件。另外，快速行程不能小于40mm。1.5机床备件的生产本车床实现了工件加工的半自动化，不需要工人在加工过程中进行全程职守，但本机床在正常的零件车削过程中与其他普通车床一样，有许多零部件会不断的磨损，当磨损到一定程度时，将无法保证车床所必要的加工精度，同时大大的影响了零件的尺寸精度和加工范围，无法进行正常工作，浪费能源。因此必须对机床定期作精度检查，对于已不能达到要求精度的零件要及时更换。1.5.1非标准件非标准零件是一个机械设备中不可或缺的重要组成，为了保证设备能在长时间内保证加工进程，不影响生产周期，必须生产有备件，以备磨损后更换。另外一方面就是要设法延长其使用寿命，其方法是可以选择使用一些耐磨性好的材料加工此类零件，然后对磨损表面进行一些必要的表面处理。比如说，主轴上夹紧工件的弹性夹头在车削过程中不断的受力，装卸工件时不断磨损，属于易磨损件，在加工时，我们选择强度、硬度以及耐磨性都比较好的65Mn制造此零件。又如机床的导轨，刀架不断进行往复运动，当然也容易磨损。同时，导轨的精度一定要高。在导轨的制造过程中，我们一定要考虑到这一点。导轨属于铸件，我们可以在导轨上采用镶钢结构，淬火提高整体刚度之后，可以对其进行表面处理，如渗碳、渗氮或者喷漆等，然后进行磨削。现将易损件及检查精度列表如下：表1-1易损件名称及检查精度列表Table 1-1 Wearing parts and to check the accuracy of the list of names序号零件名称或检查位置公差类别公差值1主轴装弹性夹头处的内孔径向跳动0.01mm2主轴装弹性夹头的座孔锥面径向跳动0.01mm3导轨在刀架移动方向上对主轴平行度0.01mm4弹性夹头装夹工件的内端面端面跳动0.02mm5弹性夹头装夹工件的内孔径向跳动0.02mm1.5.2标准件标准件是按国家统一标准生产的零件，可直接购买，不需要另行生产，只需定期更换就可以。易磨损标准件主要有O型橡胶密封圈，现在对其分类列表如下：表1-2固定及往复式密封环明细表Table 1-2 Reciprocating seal ring fixed and schedules名称规格数量材料标准O型橡胶密封圈12.52.651耐油橡胶GB3452.1-92O型橡胶密封圈20.0 2.653耐油橡胶GB3452.1-92O型橡胶密封圈28.0 2.652耐油橡胶GB3452.1-92O型橡胶密封圈52.0 5.33耐油橡胶GB3452.1-92O型橡胶密封圈80.0 5.34耐油橡胶GB3452.1-92O型橡胶密封圈85.0 5.33耐油橡胶GB3452.1-92O型橡胶密封圈90.0 5.34耐油橡胶GB3452.1-92表1-3活塞杆密封环明细表Table 1-3 Piston rod sealing ring schedule名称规格数量材料标准活塞杆密封圈302耐油橡胶GB10708.1-89活塞杆密封圈401耐油橡胶GB10708.1-89用O形密封圈密封是最常用的一种密封方式，密封圈密封属于挤压弹性体密封，是靠密封环预先被挤压由弹性变形产生预紧力，使之产生自紧力。2液压半自动专用车床总体结构设计2.1机床重要技术参数的确定2.1.1机床的主要技术参数机床主要技术参数包括主参数和基本参数。主参数是机床参数中最主要的，它必须满足下列要求：能直接反映出机床的加工能力和特性；决定其他参数数值的大小；作为机床设计的出发点；作为用户选用机床的主要依据。无论是通用机床或者是专用机床，其主参数通常是以机床的最大加工尺寸表示，只有在不适于用工件最大尺寸表示时，才采用其他尺寸或物理量。2.1.2其他主要技术参数除主参数之外，机床的主要技术参数还包括下列基本参数：与工件有关的参数；工件、夹具、量具标准化有关的参数；与机床结构有关的参数；与机床运动特性和动力特性有关的参数。这些基本参数可以归纳为尺寸参数、运动参数和动力参数三种。尺寸参数是表示机床工作范围的主要尺寸和工、夹、量具的标准化及机床结构有关的主要尺寸。运动参数包括机床主运动的速度范围和级数，进给范围和级数以及辅助运动的速度等，它是由加工表面成形运动和工艺要求所决定的。动力参数指主运动、进给运动和辅助运动的动力消耗，它主要由机床的切削载荷和驱动的工件重量等因素所决定的。2.1.3已知技术参数1.主参数 加工工件的最大外径尺寸：60毫米；刀架纵向行程：120毫米；刀架横向行程（让刀）：2毫米；2.运动参数 主轴转速（二级）：1000转/分；800转/分3.动力参数 主轴电机：额定功率3千瓦，额定转速1430转/分2.2机床的总体布局2.2.1有关机床总体布局原则的论述参考机床设计手册第3卷，可知设计本半自动专用车床，安排其基本布局应满足以下基本要求：1.车床布局应首先满足题目给出的各种要求，如加工范围、工作精度、生产率和经济性等等。2.确保实现既定工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置与相对运动。在经济合理的条件下，尽量采用较短的传动链，以简化机构，提高传动精度和传动效率。3.确保机床具有与要求的加工精度相适应的刚度，抗振性、热变形及噪声水平。4.应力求便于自动上下料及纳入自动线。5.应便于观察加工过程；便于操作、调整和维修机床；便于输送、装卸工件和排除切屑；注意机床防护，确保安全生产。6.车床结构要力求简单，合理可靠，便于加工和装配并尽量采用此技术新的国家标准。7.要力求体积小，重量轻，节省原材料，降低制造成本，缩小机床占地面积，然后在此基础之上力求外形美观大方。2.2.2具体的车床布局方案1.机床整体上采用卧式布局，由床身、主轴箱、刀架、液压系统和电气系统组成。2.主轴箱安排在床身的左侧（观察者面对视图），刀架在右侧3.主轴电机固定在主轴箱的左端面上，油泵电机嵌于床身左端，水泵电机尽量安装在床身右后上方。4.导轨嵌于床身上，刀架在上滑板上横向运动，在中滑板上纵向移动5.按钮板、变速手柄安装于车床前侧，距地面约0.9米高处并尽量集中，以便于工人操作。6.液压系统采用集成板安装在床身后侧，结构简单、维修方便、安全可靠。7.排屑口置于主轴后下方，排屑口宽敞，便于排屑，不易堆积。2.3机床传动系统的方案论证2.3.1主轴变速方案论证主轴只需要二级转速且变速比不高，通常都采用齿轮传动。因此，决定采用二级圆柱直齿轮传动，以得到要求的二级主轴转速。当然，可以满足要求的传动方案有许多种，例如可以使用涡轮蜗杆传动；斜圆柱齿轮传动；皮带轮以及各种传动方案的综合运用等。但在本车床设计当中，对传动的精度要求不是太多，选择二组圆柱齿轮变速体积小，经济性好，故可行。2.3.2刀架的传动方案论证此处的传动可以应用电气系统或者液压系统实现。但相同功率的电气传动和液压传动，液压系统具有体积小，重量轻的特点。另外，液压传动工作平稳，横向冲击小，适于换向频繁的场合；此外，液压传动还有转速范围大，低速传动平稳，易实现无级变速，反应灵敏，控制精度高，操作方便等许多优点。因此，刀架的纵、横向进给运动采用液压传动的方式实现自动夹紧。2.3.3夹紧方案论证在普通通用车床上，对工件的夹紧多用三爪卡盘，手动实现，夹紧力大小不易掌握，夹紧不够安全可靠，更重要的是效率太低，不适于大批量零件的生产加工，且工人劳动强度较高。本机床设计为专用车床，用于零件的大批量加工，因此夹紧及松开动作必须能自动实现，以提高生产效率。在刀架的纵向与横向进给传动方案设计中，以确定采用液压系统自动的实现。因此，只需在另行设计一条油路，就可自动实现对工件的夹紧。所以，专用车床的夹紧方法采用液压系统控制弹性夹头实现对工件的自动夹紧和松开。2.4对于一些未知重要技术参数的计算和确定2.4.1主轴功率 (2-1)式中 电机额定功率；传动效率； (2-2)所以： KW 2.4.2计算极限切削速度1.计算最大切削速度当最大工件尺寸进行外圆车削时，切削速度在主轴高转速情况下的有最大值，其值为：V=1000/1000=188.496m/min2.计算最小切削速度因设计题目中未给出车床加工的最小尺寸，但对于弹簧夹头，装夹工件尺寸为一个区间，不能无限小，所以最小加工半径必然出现在对内孔加工。取机床最小加工孔径为10mm，则在对此孔径尺寸镗削时，在低主轴转速情况下，切削速度有最小值，其值为：V=800/1000=25.133m/min2.4.3计算极限切削力查阅机械设计手册第3卷可知，主轴功率与切削速度和切削力有如下关系： (2-3) 所以： (2-4)1.当切削速度V为最大时，有最小值：2.当切削速度V取最小值时，有最大值： 2.4.4计算进给抗力和径向力参见参考资料10可知极限切削力为： （2-5）式中 主切削力；进给抗力， 取；径向力， 取；则可求得： 2.4.5估算夹紧力弹簧夹头施于工件上的夹紧力主要是抵抗切削加工时，主切削力对工件产生的扭转力矩。则分析可知，夹紧力是作用于工件的整个圆周表面上， 依靠其与工件外表面之间的静摩擦力避免产生相对转动。则由此可知，夹紧力的分作用力与之间的关系为： （2-6）式中，为弹簧夹头与工件外表面之间的静摩擦系数，参见1（卷一）表7.2-6知淬硬钢和软钢之间的摩擦系数=0.350.40，取=0.35。则求得： 3液压半自动专用车床主传动系统设计本液压半自动专用车床的传动系统主要由两个部分组成，第一部分是主传动系统，传递切下切屑的运动亦既是主轴转动。第二部分是液压传动系统，此部分传递的是实现维持切屑得以继续进行的运动和用于实现使工件表面达到所需尺寸的运动以及用于实现使切削加工过程得以正常进行的辅助运动，此三者在此车床上的实现就是刀架的纵向进给、横向进给、工件的夹紧运动。主传动系统的传动方案在前面已经确定为用二级直圆柱齿轮实现主轴的二级转速：800转/分和1000转/分，现对其进行以下具体设计。3.1主轴电机的选择在此专用车床设计中，给出所需要电机的额定功率和额定转速分别为3KW和1430r/min，在一般情况下，机床动力源没有特殊要求的情况下，应优先选用Y系列三相异步电动机，故本液压半自动专用车床的主轴电机选择为Y系列封闭式（IP44）三相笼型异步电动机，型号为：Y100L2-4。其主要结构特点是能防止灰尘、铁屑及其他杂物侵入电机。具有效率高、耗电少、性能好、噪声低、振动小、体积小、重量轻、运行可靠、维护方便等优点。3.2传动比的确定因为本车床设计只要求主轴输出两种转速：800转/分和1000转/分，故在第一组齿轮变速过程中就将电机转速（1430转/分）变为主轴的高转速（1000转/分），这样使齿轮级数最少，可使体积减小，成本减低且传动能量损失变小，精度提高。则传动比为： 则在第二组变速中，传动比为：在直齿轮进行主传动时，一般要求，降速比分配应尽量“前慢后快”。此设计符合这两个要求，而且传动链最短，故降速比分配合适。3.3转速图根据上述内容，现绘制本液压半自动专用车床的转速图，如下：图3-1转速图Figure 3-1 Speed Chart3.4齿轮齿数的确定查资料9表2.3-3，选择，S为变速组的齿数和。在选择时，为防止产生根切现象，应满足最少齿数。现对各齿轮齿数列表如下：表3-1齿轮齿数列表Table 3-1 List of gear teeth第一变速组第二变速组齿数和齿轮齿数2637383834423.5计算转速误差1.计算主轴的各级实际转速已知公式： （3-1）则： =1005r/min 同理可知主轴低级转速：=809r/min2.验算转速误差转速误差用主轴实际转速与标准转速相对误差的绝对值表示： （3-2）则对主轴各级转速计算如下页表3-2。参见公式7.1-9和7.1-102知 表3-2主轴各级转速表Table 3-2 Spindle speed table at all levels高级转速低级转速标准转速1000800实际转速10058090.5%1.125%所以，由此可见，通过齿轮变速所获得的主轴各级转速均符合要求。3.6齿轮模数的初估在同一变速系统中，为了设计与制造方便，最好选用一种或两种模数。参见2.4-179可知齿轮模数估算公式，如下：按齿面接触疲劳强度：mm （3-3）按齿轮弯曲疲劳强度： mm （3-4）确定公式中涉及到的各参数如下：1.齿数比 2.齿宽系数 取 3.齿轮传递功率 4.载荷系数K通常取1.01.2，故取 K=1.25.系数 6.复合齿形系数 7.许用接触应力 N/mm 8.许用齿根接触应力 N/mm 则可知： 所以取，模数为2.5；，模数为3，即： 3.7轴径的初估1.确定各传动轴的转速此车床主轴只有两级转速（1000转/分和800转/分），因此，取计算转速，则各轴的计算转速确定如下：电机轴： =1430r/min中间轴： =1000r/min主 轴： =800r/min2.确定主轴前轴颈直径参见表2.3-29可知。对于功率为04KW的卧式车床，其前轴径通常取7090mm，但考虑到本车床对加工工件的尺寸以及其他一些实际情况。故取前支撑处轴径： 则后轴径： 取 ： 3.估算传动轴直径按扭转刚度估算中间轴的直径，需依据资料公式2.4-19：（mm） （3-5）式中： 为轴危险截面处直径；为该传动轴的输入功率；电动机额定功率；从电动机到该传动轴之间各传动件的传动效率乘积（不计该轴的轴承的效率）；该轴的计算转速(r/min)；该轴允许的扭转角(dcg/m)，一般情况下，主轴=1.51，一般传动轴=11.5。对于长键轴，一般将估算值减少70%作花键轴的小径，再选择相近的标准花键轴。则根据公式可以计算结果如下：，取；因II轴为花键轴，所以：取花键轴尺寸为故前面所确定主轴的前后轴颈尺寸合理。3.8传动系统图基于以上对各参数的计算合分析，对液压半自动专用车床的传动系统图绘制如下：图3-2车床主传动系统Figure 3-2 Lathe main drive system4液压传动系统设计液压传动系统主要实现此液压半自动车床的进给运动和夹紧、松开的动作。在本车床工作时，液压控制系统完成的工作循环是：工件夹紧刀架横向进给刀架纵向快进刀架的纵向工进刀架横向让刀刀架快退工件松开。4.1工况分析1.绘制运动部件的速度循环图图3-3速度循环图Figure 3-3 The speed of the cycle map2.确定工作负载 液压缸所受到的负载包括三种类型，即： （4-1）式中 工作负载，对于此液压半自动车床来说，即为沿活塞运动方向上的切削力，即是进给抗力；运动部件速度变化时的惯性负载，在此车床中，刀架的重量不大，故此负载可忽略不计；摩擦阻力负载，启动时为静摩擦阻力负载（可忽略不计）；启动后为动摩擦阻力负载，对于水平方向上的运动；可由下式求得： （4-2）运动部件，即刀架重力（可忽略）；垂直于运动平面及中滑板的工作负载，在此车床设计中即为刀具与工件之间的主切削力；摩擦系数取为0.1。因此，可求得： 4.2拟订液压系统原理图1.确定供油方式考虑到本车床在工作进给时负载较大，速度较低。而在快进快退时的负载较小，速度较高。从节省能量，减少发热的角度考虑，泵源系统选用双泵供油或用变量泵供油。现采用带压力及反馈的限压式变量叶片泵。2.调速方式的选择在中小型专用车床的液压系统中，对于进给速度的控制一般都采用节流阀或调速阀。对于此液压半自动专用车床对低速性能和速度负载特性都有一定要求的特点，所以决定采用限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速。这种调速回路具有效率高、发热小和速度刚性好的特点，并且调速阀装在回油路上，具有承受负载切削力的能力。3.速度换接方式的选择本系统采用电磁阀的快慢速来接回路，它的特点是结构简单、调节行程比较方便，阀的安装也较容易，但速度换接的平稳性较差（若要提高系统的换接平稳性，则可改用行阀切换的速度换接回路）。4.夹紧回路的选择有二位四通电磁阀来控制夹紧、松开换向动作时，为了避免突然失电而松开，采用失电夹紧方式。考虑到夹紧时间可调节，当进油路压力瞬时下降时仍然保持夹紧力，所以接入节流阀调速和单向阀保压。在该回路中还装有减压阀，用来调节夹紧力的大小和保持夹紧力的稳定。5.绘制液压系统原理图把上述所选择的液压回路组合起来，即可组成如附图一所示的液压系统原理图。4.3液压系统的工作原理当油泵启动后，压力油分别进入三个二位四通电磁换向阀1M、2M和3M（参见液压系统原理图），此时纵向油缸退回到起点位置，横向油缸（让刀油缸）处于让刀位置，当需要刀架进给时，3M得电，油路换向（图中所示为断电位置），压力油进入纵向油缸后腔，纵向油缸后腔的油液分两路：一路直接经过电磁换向阀进入油缸，一路经电磁阀流及单向调速阀QI-25B的节流口进入油缸。1M得电油路换向，压力油进入油缸后腔，横向油缸前腔的油液通过换向阀流回油池。1M、3M与继电器的电器元件组成电器电路，保证刀架进给时，3M先得电，当刀架到达指定位置时，1M得电；退刀时，1M先断电，当刀架让刀到指定位置时，3M断电，纵向退刀。注意：当油泵启动前，若刀架不在退刀位置，确保夹头上无工件。或者可以使1M、3M先通电，再断电后启动油泵。当刀架工作到终点时，碰上单触点开关通过时间继电器延时，待机械定程撞块接触后，1M、3M断电，油路换向，恢复图示位置实现横向油缸让刀及纵向油缸退回到起点位置。改变单向调速阀的开口量，即可达到工作进给的无级变速。进入2M的压力阀，当2M处于图示位置，断电时，压力油进入夹紧油缸的后腔，活塞杆向前运动，将工件夹紧，并通过压力继电器监视夹紧油缸的工作状态，工作正常时，开关的常开触点闭合，方可使主轴旋转，此时，才能接通1M使刀架实现进给运动。当2M通电时，油路换向，压力油进入夹紧油缸前腔，工件松开，则一个循环停止。在夹紧过程中，可以通过减压阀来调节夹紧力的大小和保持夹紧力的稳定，当进油路压力瞬时下降时，可以通过单向阀保压，保持夹紧力。4.4液压缸的参数计算和液压泵的选择1.液压缸主要尺寸的确定（1）纵向油缸a.工作压力可根据负载大小及机器类型来初步确定，现参见表2-16取液压缸工作压力为。b.初步计算缸内径和活塞杆的直径。由前边的计算可知，纵向油缸的最大负载为，按表2-26取为0.5 ，又考虑到刀架快进，快退速度相等，取d/D=0.5。参照公式2-36。 （4-3）代入以上各参数，可得： ，因此参照表2-46，将圆整为则 c.确定油缸的结构尺寸。采用HT250为缸体材料，外形截面为正方形的长方体，内为圆孔的结构，缸体与刀架及缸盖均采用螺栓连接。取最薄处壁厚为12，则缸体截面尺寸为的正方形（如下图）。图4-4纵向油缸结构图Figure 4-4 Vertical structure of the fuel tank利用公式对壁厚进行校核，可知强度足够，并有较大的安全储备。利用公式：故活塞杆的强度也足够有较大的安全储备。刀架的纵向行程为，则活塞杆有效长度，液压缸有效工作长度为。因液压缸支撑长度为，故活塞杆可以稳定工作不须校核。活塞杆与活塞之间采用螺纹连接，并配有防松螺母。d.确定缸盖厚度。按有孔时有效厚度强度公式： （4-4）式中 实验压力（）。当工作压力时，；当时，。故此处缸体材料的许用应力取为缸底油口直径则求得： 由于结构关系取： e.确定活塞厚度活塞厚度故取(2) 横向油缸a.取缸筒外径为110毫米，壁厚为10毫米，活塞杆直径为30毫米。经校核，缸筒壁厚强度以及活塞杆强度均满足条件，有很大的安全储备。由于刀架的横向让刀行程为2mm，即横向液压缸的有效工作长度为2毫米，因液压缸支撑长度故不需对活塞杆进行稳定性校核。此处活塞与活塞杆采用整体式结构。b.计算缸盖的厚度按平形有孔缸底公式： （4-5）解得： ，考虑到结构关系，取c.活塞厚度计算取： （3）夹紧油缸a.计算夹紧时，油缸需施于锥套的推力前边已求出夹紧力。又已经锥套内锥角约为，故可知推力与夹紧力之间的关系为：所以： b.计算油缸直径按公式2-36解得： 注：在上述设计计算过程中，夹紧油缸的工作压力为。回油背压力为零，为0.95。因在此油缸中有主轴通过，所以实际内径和之间应满足关系：式中： 解得： 取： c.计算各阶段液压缸所需的流量首先确定各工作参数：快进快退时速度为3m/min；工进速度在4001200mm/min间无级变速；夹紧松开行程，夹紧时间为。则：L/minL/minL/minm/minL/min2.液压泵流量、压力的确定和泵规格的选择（1）泵的工作压力的确定考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失，所以泵的工作压力为： （4-6）式中：泵的最大工作压力执行元件最大工作压力进阀管路中的压力损失，初算时简单系统可取0.20.5，复杂系统取0.51.5，在本车床液压系统中取0.5所以： 在上述计算中所得的是系统静压力，考虑到系统在各种工况的过滤阶段出现的动态压力往往超过静态压力。另外，考虑到要有一定的压力储备量，并确保泵的使用寿命，因此选泵的额定压力应满足。中低压系统取小值，高压系统取大值。在此取：。（2）泵流量的确定液压泵的最大流量为： 式中：液压泵的最大流量；同时动作的各执行元件所需要流量之和的最大值。如果此时溢流阀正在工作，尚须加溢流阀的最小溢流量：2-3L/min。系统泄露系数，一般取：=1.11.3。现取： =1.2。所以： （3）泵规格的选择根据以上算得的和值，参见手册6，选用限压式叶片泵YBX-16，该泵的基本参数为：每转排量=16mL/r；泵的额定功率；总效率。（4）与液压泵匹配的电动机的选定选择Y90L-4电动机额定功率为1.5KW。额定转速为1400r/min。4.5液压缸缓冲装置的结构设计液压缸在带动工作部件运动时，在到达行程终点时，会产生液压冲击，当运动件质量较大，运动速度较多时，冲击会很大，甚至使活塞与缸筒端盖之间产生机械碰撞。为防止这种现象的发生，必须在行程末端设置缓冲装置。对于用液压系统的常用的缓冲装置主要有以下几种结构：a.环状间隙式节流缓冲装置；b.三角槽式节流缓冲装置；c.可调节流缓冲装置；因刀架的质量不太大，速度也不高；夹紧油缸的运动速度也不高，故此油缸选用环状间隙式节流缓冲装置。此缓冲装置有圆柱形缓冲柱塞和圆锥式缓冲柱塞的两种。本机床选用圆锥式缓冲柱塞的缓冲装置。其工作原理（参见图3.5）：活塞端部的缓冲柱塞1向端盖3方向进入圆柱形油腔2时，将封闭在柱塞与端盖之间的油液从环状间隙中挤出去。由于间隙很小，因而起节流缓冲作用。 图4-5缓冲装置Figure 4-5 Buffer圆锥形柱塞，缓冲时有明显的衰减作用。其制动锥的参数可参照表2-116选取。5液压半自动专用车床的主要结构设计及零件选用5.1主要结构的设计5.1.1主轴箱1.主轴空间位置卧式车床主轴中心高一般为。为床身最大回转直径，在本液压半自动专用车床中=251。但是在本设计中考虑到要通过手柄带动拨块拨动滑移齿轮来实现主轴变速，拨块的轴杆应位于主轴的下部。因此，取主轴中心高，刀架低于主轴中心高约为190毫米，I轴到箱底的高度约为175毫米，拨杆距箱底为100毫米。2.主轴箱体设计箱体各面之间均为相互垂直关系，在连接处采用圆角进行过渡，避免有锐边，以免划伤工人，并使线条美观。主轴箱体与床身之间采用螺栓进行垂直连接。主轴箱壁厚在保证刚度足够的前提下，壁厚应尽量小，参见表2.5-159，选取主轴箱壁厚。同时，在轴承孔处要铸出凸台，提高强度，满足安装要求。5.1.2刀架刀架是平行于主轴轴线水平安装在床身上的，纵向行程为120毫米，靠液压及电气系统联合控制，对自行车变速轴的外壳的外圆及内孔进行加工。刀架可通过液压系统横向让刀（2毫米），也可以通过刀架两侧的手轮进行微调。刀架整体可在床身固定底面上的T型槽内进行前后调整。同时，为了改善受力情况，液压传动中采用活塞杆固定而使缸体进行运动的方法。1.刀架导轨设计刀架只有上下两层导轨，来实现纵向进给和横向进给。纵向下导轨采用双矩形导轨组合，横向上导轨采用双燕尾型导轨组合，同时它们安装在带梯形槽的导轨底座上，使刀架整体前后进行调整，底座与床身采用螺栓连接。a.矩形导轨设计矩形导轨的特点是刚度高，当量摩擦系数比三角形导轨低，承载能力高，加工检验和维修都很方便。侧面的导向面用镶条调整间隙，但接触刚度低，且必须留有间隙，降低了导向精度。用两条导轨内侧面导向。当传动件位于中心线上时，可减小牵引力引起的运动部件偏转，提高导向精度。其具体尺寸可参照表2-11-39选取。b.燕尾槽导轨设计燕尾槽导轨尺寸紧凑，适于高度小层次多的部件，同时可承受颠覆力矩，是闭式导轨中接触面最小的一种结构。燕尾槽导轨可通过镶条调整间隙，间隙调整方便，一根镶条就可以调节各接触面的间隙，只是刚度略差，不及矩形导轨。可参照表2-11-49确定尺寸。c.镶条与压板镶条装在运动部件上并位于受力较小的一侧。如果当两侧受力都较大时，应选用斜镶条。但由于受力大的一侧磨损大，间隙消除后，会使运动部件向装镶条的一侧移动。如果不允许有该向移动（例如丝杠传动会引起丝杠弯曲），可在导轨两侧各用一个镶条，以保持间隙调整后中心位置不变。斜镶条由于厚度不等，在加工后内应力分布不均，容易弯曲，在调整，压紧或在机床工作状态下也会弯曲，对于两端用调整螺钉调整的镶条更容易弯曲。因此，为了增加镶条的柔度，宜选用小的厚度和斜度。对尺寸较大的镶条，可在其上开横向槽。用镶条调整燕尾槽导轨间隙，调整方便，精度较高。矩形导轨压板的尺寸参照标准B63-1表6.2-92（卷三）中的参数设计。当压板厚度h16mm时，压板螺钉的公称直径d即等于h；当h20mm时，d=(0.70.8)h.当压板受力较大，或导轨工作长度较短时，压板长度等于导轨长度。当压板受力不大，或导轨工作长度较长时，只需在运动部件的两端或中间（受力区）装短的压板。短压板。短压板的长度可取为导轨工作长度的1/31/4。在此，矩形导轨采用带镶条的压板调整间隙，其调整也方便精度也较高。只是刚度低，使其容易磨损，使用一段时间之后要修正或更换，以保证其精度。2.液压缸的设计纵横油缸均采用HT250为缸体材料，外形采用截面为正方形，内腔为圆柱面的长方体形式。活塞采用45钢，调质到HB241285的空心轴结构，活塞也采用45钢。5.1.3操纵机构为适应不同的加工状态，主轴要求有两级转速，根据滑移齿轮变速传动的特点。采用单独的操纵机构。I轴上的滑移齿轮，通过拨块的来回摆动带动其进行前后往复运动，与主轴的两个固定齿轮相啮合，实现主轴的两级转速。这种结构原理简单，造价低廉，便于操作，有利于生产加工。为了保证操纵机构的工作准确可靠，该机床在运动中被操纵件应进行定位。因齿轮在旋转过程中并没有轴向载荷。因此，采用钢球与弹簧组合的装量对手柄进行定位即可。根据箱体的具体结构和齿轮之间相互位置关系，确定拨块前后移动的行程为47毫米，拨杆的旋转角度为。在主轴运转过程中，千万注意不要进行变速，以免产生太大冲击，损坏机件，以待主轴完全静止下来之后，才进行变速调整。确定了主要的传动原理和一些重要参数，就可以对齿轮块进行具体设计了。采用齿轮块进行拨空齿轮进行变速的优点是：整体性好，I轴上的两个齿轮一个整体，相对位置精度高，两齿轮见留有齿轮块厚度的距离，充当空刀槽，降低了加工难度。与滑移齿轮相互啮合的齿轮与主轴之间采用键连接，进行周向定位，由于主轴直径足够大，因此采用单键联接即可。5.2零件的选择标准件的选择重要的是轴承的选择。为防止轴向左右窜动，以不利于齿轮与的稳定啮合。轴两端采用单列圆锥滚子轴承7205型，采用E级精度，主轴由于受轴向力作用其尾部及液压缸前部分别采用止推轴承8000型，采用D级精度，主轴后支承采用单列向心推力球轴承36212-E型，采用E级精度，主轴前支承采用双列向心短圆柱滚子轴承3182119-D型，采用D级精度，轴承间隙靠垫片调节。对于主轴的轴承，之所以如此选用，是由于主轴受的弯矩较大（参见受力简图），但由于主轴本身较粗、刚度较高，且对精度要求不是很高，因此适合用于这种结构。图5-1主轴受力简图Figure 5-1 Spindle force diagram6液压半自动专用车床主要受力件的强度校核6.1主轴静刚度的校核车床的主轴静刚度验算根据其许用弯曲刚度：K=150N/nm。（1）前面已求出切削力在周向和径向的分力分别为：（2）齿轮传动力是径向力和切向力的合成，可以取。切削力与齿轮传动动力不在同一平面时，应按两个方向分解。 （6-1）式中： T=950000P/N=28363.5Nmm则： （3）切削力引起主轴端部的挠度计算(mm) （6-2） (mm) （6-3）式中 轴端部悬伸量，=90；支撑跨距，；弹性模量，；惯性力矩，惯性力矩，mm；J=所以： （4）齿轮传动引起主轴端部的挠度计算 （6-4） （6-5）式中：b齿轮中心到前支承点距离，；c齿轮中心到后支承点距离，；所以：（5）计算总的挠度则： （6）计算主轴实际刚度K=F/ 故主轴静刚度合格。因主轴直径较大，故不需进行扭转刚度校核。6.2花键轴弯曲刚度的校核（1）花键轴上的齿轮为滑移齿轮，通常选择主轴处于计算转速时（1000r/min）的齿轮啮合位置为计算位置。根据本车床齿轮排列特点，画出花键的受力简图如下。图6-1花键轴受力简图Figure 6-1 Spline shaft by the force diagram对于安装在花键轴上的齿轮和的受力分析如下图。对花键的受力图分析可知，在处轴的刚度最小，则只需对当处的轴的挠度及对左右端的倾角进行验算即可。图6-2花键受力分析图Figure 6-2 Spline Stress Analysis Chart（2）首先参考9，对齿轮受力进行分析：；n=1000r/min则可知： （3）参考资料9，进行挠度，倾角的计算如下：参见6-2图，知：；则： 则平面内的挠度为：平面内的挠度为：合成挠度为：0.03（许用值）故合格。对左支承在平面内的倾角为：对左支承在平面内的倾角为：则合成： （许用值）故合格。对右支承在平面内的倾角为：对右支承在平面内的倾角为：所以合成：（许用值）故合格。6.3花键侧挤压应力的计算参见表119，知： （6-6）式中 最大转矩，；花键轴小径，；花键轴大径，；载荷分布不均匀系数，取；键数，；有效工作长度，；许用挤压应力，；故计算出：故花键侧挤压应力校验合格。6.4齿轮模数的验算参照P303，表129的计算过程，现列表如下：表6-1模数验算公式表Table 6-1 Modulus checking formula table验算公式按齿面接触疲劳强度按齿轮弯曲疲劳强度式中 齿数， ；使用系数，；、功率利用系数，、；、转速变化系数， 、；、工作用量系数，、；、工作期限系数，、；名义切向力，；分度圆圆周速度，=；动轻系数，=；齿向轻荷分布系数，=；、齿向轻荷分配系数，=1.1、=1.1；节点区域系数，=2.5；弹性系数，；重合度及螺旋角系数，=0.85；许用应力， ； 复合齿形系数，=4.06；重合度螺旋角系数，=0.70；许用齿根应力，；接触强度模数，=2.014（2.422）；弯曲强度模数，=1.313（1.464）；经过计算可知，所取齿轮模数均合适。6.5轴承的验算根据轴的受力状态，分别计算出左（A端），右（B端）两支承端支反力。zoy面内： N Nxoy面内： N N左、右端支反力为： N N两端支承轴承受力状态相同，左端受力大，所以只验算左端轴承。同理可求出主轴两端支承反力分别为： N N两端受力状态相同，右端受力较大，只验算右端轴承。验算公式：9疲劳寿命验算： （小时）静负荷验算： （N）则有，轴承及其验算所需参数值列表如下：表6-2轴承及其验算所需参数值表Table 6-2 Bearings and check the parameter values needed to form额定动负荷（N） C32140119000速度系数 0.3570.38使用系数 1.1 1.1功率利用系数 0.92 0.92转速变化系数 0.92 0.85齿轮轮换工作系数 0.750.85当量动负荷 F840.194033.5许用寿命 T10000 15000寿命指数 3.3 3.3额定寿命 9.14.09额定静负荷 23010 121000安全系数 1.1 1.1当量静负荷 840.19 4033.5静负荷 924.2 4436.856.6液压缸的验算液压缸的缸筒厚度验算及活塞杆直径的验算见液压缸的设计部分，此外只验算缸盖处固定螺栓的直径强度及挡铁行程控制螺栓的稳定性。6.6.1缸盖固定螺栓直径的校核验算公式为： 式中 z为固定螺栓个数 z=4 K为螺纹紧系数 1.121.5取K=1.5 MPa 取 MPa 为材料屈服强度 N mm 取mmmm故缸盖固定螺栓直径合格6.6.2控制行程螺杆稳定性的校核求其临界力 式中 E为弹性模量 E=2-1 MPa，d=12 mm，l=130 mm， N 所以受压螺栓杆稳定性合格。7润滑、密封与冷却系统的设计7.1润滑与密封1.各运动件之间都存在着摩擦，通过润滑系统的润滑，可以减少摩擦系数，从而减少系统的能量损失，提高机械效率。a.主轴变速箱的润滑此液压半自动车床的主轴箱内采用飞溅润滑的方式，因其简单易行，经济性较好。飞溅润滑的实现是借助高速转动的齿轮或专门装设的甩油盘，甩油片等将油池中的润滑油带起，飞溅到各摩擦部位。这种方式只能用密闭的机构，其特点是能防止润滑油的沾污，可以循环使用。飞溅润滑时，浸在油池中的机件的圆周速度不应超过12m/s齿轮浸油深度不应大与齿高，否则会产生大量泡沫及油雾，使油迅速氧化变质。在本车床中直接采用主轴齿轮润滑，圆周速度远远大于12m/s故不可行，需另行设计溅油轮。b.滚动轴承的润滑滚动轴承大多采用润滑油润滑，也可采用润滑脂润滑。在此车床设计中，决定采用脂润滑的方式对轴承进行润滑。此设计所用到的轴承均在主轴箱内，为避免飞溅的油液浸入轴承而稀释润滑脂，必需加挡油环。脂润滑与油润滑相比具有很多优点，如不易泄露，维护简单，可使用较长时间而不需更换，且不需特殊的装置进行润滑。c.润滑剂的选择1）润滑油：在此选用20号机械油（HJ-20）。其选择原则是转速越高，润滑油精度应越低；负荷越重，润滑油精度应越高。2）润滑脂：润滑脂的选择是根据工作条件（转速、温度、负荷等条件）来进行的。机床中常用的润滑脂有：钙基润滑脂和锂基润滑脂。在此选用锂基润滑脂。因锂基润滑脂是一种高性能润滑脂，具有良好的抗水性能，在较大的温度范围和转速范围内均有良好的润滑作用，使用于主轴滚动轴承。2.密封装置的作用是防止润滑脂被稀释，和防止灰尘，冷却液及杂质等浸入轴承内。如果密封不良，则不仅机床不清洁，而且影响机床性能和使用寿命。根据密封装置是否与它相对运动件接触，可分为接触式密封和非接触式密封。其选择原则是，在密封处线速度不超过7m/s的油润滑均合可采用毡封圈；脂润滑均合，可选用耐油橡胶制成的径向密封圈。在转速很高的场合（线速度超过7m/s）应采用非接触式密封。7.2冷却系统1.切削液的选用在金属切削过程中，切削液不仅能带走大量切削热，降低切削区温度，而且由于它的润滑作用，还能够减少摩擦力，从而减低切削力和切削热。因此切削液能提高加工表面质量，保证加工精度，降低动力消耗，提高刀具耐用度和生产效率。因此切削液通常有冷却、润滑、清洗及防锈的作用。切削液主要有水剂和油剂两大类，为了改善切削液的性能，常添加不同性质的化学物质-添加剂。在特殊情况下四氯化碳、三氯乙烯也可做切削液。参照表7.5-52（卷三）选用普通乳化液（2号乳化油），进行冷却。2.切削液的加注方法：选择浇注法。3.选择冷却液泵a.确定冷却液用量有公式7.5-52（卷三）可知：Q=KN