1_2535082_[格式]單葉片擺動(dòng)液壓缸的參數(shù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用講解

1、單葉片擺動(dòng)液壓缸的參數(shù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用FunOUnils 功能郜件單葉片擺動(dòng)液壓缸的參數(shù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用黃桂英楊錦斌（青海一機(jī)數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司，青海西寧 810018）摘要:通過對(duì)旋轉(zhuǎn)式托盤交換機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工作原理分析提出了單葉片擺動(dòng)液壓缸在托盤交換機(jī)構(gòu)中應(yīng)用的方案，并進(jìn)行了單葉片擺動(dòng)液壓缸的原始數(shù)據(jù)確定及參數(shù)設(shè)計(jì)（包括工作載荷，工作扭矩，總效率，許用扭矩，額定壓力，流量，油腔體積及通油口直徑）對(duì)單葉片擺動(dòng) 液壓缸設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題進(jìn)行了分析并提出了處理措施對(duì)發(fā)揮數(shù)控機(jī)床潛能實(shí)現(xiàn)高效jp-r 有 現(xiàn)實(shí)意義.關(guān)鍵詞:旋轉(zhuǎn)式托盤交換機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用ParametersDesig nofSin gleLam

2、i naHydrocyli ndera ndltsApplicatio nHUANGGuiyi ng. YANGJi nbin（Qin ghaiNo.1CNCMachi neToolCo.,Xi nin g810018,CHN）在加工中心的一個(gè)切削循環(huán)中，換刀時(shí)間及交換托盤時(shí)間往往占有較大部分的比重.在傳統(tǒng)的加工中心上，換刀時(shí)間（切削到切削）達(dá) 1420s 左右，而交換托盤時(shí)間則需 4050S 甚至更長達(dá)到 100s 之外，無疑這對(duì)于大批量，快節(jié)奏生產(chǎn)要求的企業(yè)來說是很 不適應(yīng)的而高速加工中心則在這兩方面設(shè)計(jì)付出了 很大的努力，得到的回報(bào)也是比較可觀的，換刀時(shí)間 （切削到切削）達(dá)到了 3.5S

3、 左右，交換托盤時(shí)問也減 少到了 10s 以內(nèi)換刀時(shí)間的縮短取決于刀庫制造 廠家，而交換托盤時(shí)間的縮短取決于機(jī)床主機(jī)生產(chǎn)企 業(yè)由此看來，托盤交換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)成為機(jī)床設(shè)計(jì)師 考慮的關(guān)鍵問題為了提高生產(chǎn)率，在選購臥式加工 中心時(shí)帶有交換工作臺(tái)的加工中心越來越多地受到顧 客的青睞而臥式加工中心托盤交換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它直接影響著機(jī)床的托盤交換精度及交換時(shí)間 高速旋轉(zhuǎn)式托盤交換機(jī)構(gòu)較以前國內(nèi)外普遍采用的臂 式拉伸托盤交換機(jī)構(gòu)能大幅度縮短托盤交換時(shí)間，因 此也被國內(nèi)外機(jī)床制造廠家所采納本文從結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì),參數(shù)計(jì)算及注意事項(xiàng)等方面敘述單葉片擺動(dòng)液壓 缸在臥式加工中心托盤交換機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用.1 旋轉(zhuǎn)式托盤交換

4、機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擺動(dòng)液壓缸在液壓系統(tǒng)中的作用是將液壓能轉(zhuǎn)變 成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，使機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小于 360.或小于 180的往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以擺動(dòng)液壓缸俗稱為擺動(dòng)油 馬達(dá)單葉片擺動(dòng)液壓缸能做小于 360.的往復(fù)擺動(dòng) 運(yùn)動(dòng)，而雙葉片擺動(dòng)液壓缸只能做小于180 的往復(fù)擺 動(dòng)運(yùn)動(dòng)基于臥式加工中心托盤交換需完成 180. .等 uul 耳帚 0 朋范圍內(nèi)的往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，高速旋轉(zhuǎn)式托盤交換機(jī)構(gòu)采用了單葉片擺動(dòng)液壓缸作為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，見圖 1 所示單葉片擺動(dòng)液壓缸由缸蓋，缸體,缸座，轉(zhuǎn)動(dòng)葉片，固定葉片及回轉(zhuǎn)支承軸承等件組成.I 一缸蓋；2,6 滾鋅軸承;3 一缸體;4 一轉(zhuǎn)動(dòng)葉片;5 一缸座;7 一銷軸;8

5、一推力球軸承;9 一移動(dòng)缸體;10-下缸蓋；II 一托盤交換支座；i2 一固定葉片;13 一法蘭盤；14 一托盤變承座;15 一活塞.圖 1 單葉片擺動(dòng)液壓缸旋轉(zhuǎn)式托盤交換機(jī)構(gòu)示意圖葉片擺動(dòng)液壓缸旋轉(zhuǎn)式托盤交換機(jī)構(gòu)的工作原理也等同于齒條油缸驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的托盤交換機(jī)構(gòu)，只 是單葉片擺動(dòng)液壓缸替代了齒條油缸驅(qū)動(dòng)油缸其工 作原理如下：當(dāng)工作區(qū)域內(nèi)托盤上工件加工完成后，托 盤接到交換指令，雙作用液壓缸上油腔開始蓄壓力油，托盤支承座在移動(dòng)缸體 9 的作用下將托盤抬起，當(dāng)雙?123?功能部件作用液壓缸上油腔蓄油達(dá)到設(shè)計(jì)位置時(shí)，銷軸 7 進(jìn)入 到缸座的導(dǎo)向孔中，將托盤支承座 14 與單葉片擺動(dòng)液 壓缸的缸體

6、缸蓋組件中的缸座 5 聯(lián)接在一起,單葉片 擺動(dòng)液壓缸的左油腔開始蓄壓力油（見圖 2 所示），托 盤支承座在單葉片擺動(dòng)液壓缸的作用下作順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)，當(dāng)葉片擺動(dòng)液壓缸左油腔的蓄油達(dá)到設(shè)計(jì)要求 時(shí),托盤支承座在單葉片擺動(dòng)液壓缸的作用下完成旋 轉(zhuǎn) 180.,轉(zhuǎn)動(dòng)葉片從油缸起始位運(yùn)動(dòng)至油缸終止位，將非工作區(qū)域內(nèi)托盤移至正確位置后，雙作用液壓缸 下油腔開始進(jìn)入系統(tǒng)壓力油，在移動(dòng)缸體 9 和托盤支 承座的拖動(dòng)下將托盤落下，當(dāng)雙作用液壓缸下油腔蓄 油達(dá)到設(shè)計(jì)位置時(shí)，完成托盤交換任務(wù).通過托盤定 位機(jī)構(gòu)定位后，鎖緊機(jī)構(gòu)鎖死托盤，工作區(qū)域內(nèi)托盤上 工件即可進(jìn)入加工狀態(tài).再者，雙作用液壓缸上油腔 開始蓄壓力油，

7、托盤支承座在移動(dòng)缸體9的作用下將 托盤抬起，銷軸 7 進(jìn)入到缸座的導(dǎo)向孔中，將托盤支承 座 14 與單葉片擺動(dòng)液壓缸的缸體缸蓋組件中的缸座 5 聯(lián)接在一起,單葉片擺動(dòng)液壓缸的右油腔開始蓄壓 力油（見圖 2 所示），托盤支承座在單葉片擺動(dòng)液壓缸 的作用下作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，托盤支承座在單葉片擺 動(dòng)液壓缸的作用下完成旋轉(zhuǎn) 180.;轉(zhuǎn)動(dòng)葉片從油缸終 止位運(yùn)動(dòng)至油缸起始位，即單葉片擺動(dòng)液壓缸完成了個(gè)完整回轉(zhuǎn)周期.轉(zhuǎn)動(dòng)葉片起始位轉(zhuǎn)動(dòng)葉片停止位特制密封固定葉片固定銷軸限位調(diào)整塊圖 2 單葉片擺動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)工作原理2 單葉片擺動(dòng)液壓缸的參數(shù)設(shè)計(jì)單葉片擺動(dòng)液壓缸的參數(shù)設(shè)計(jì)包括以下兩方面：原始數(shù)據(jù)的確定和單葉片

8、擺動(dòng)液壓缸的參數(shù)設(shè)計(jì). 2.1 原始數(shù)據(jù)的確定單葉片擺動(dòng)液壓缸的原始數(shù)據(jù)包括機(jī)床的額定工 作壓力，托盤重量和最大載重，機(jī)床的額定工作壓力取 決于機(jī)床液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力，托盤重量與托盤大小 結(jié)構(gòu)有關(guān),最大載重與機(jī)床的結(jié)構(gòu)有關(guān).如我廠某型 臥式加工中心液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力為7MPa 托盤重量為2000N最大載重為5000N,托盤交換機(jī)構(gòu)的托 盤支承采用了傳動(dòng)球座滾動(dòng)支承的形式.2.2 單葉片擺動(dòng)液壓缸的參數(shù)設(shè)計(jì)(1) 工作載荷的計(jì)算因托盤交換機(jī)構(gòu)的托盤支承采用了軸承滾動(dòng)支承的形式，即摩擦系數(shù)廠為 0.0020.004 取 f:0.003, 故單葉片擺動(dòng)液壓缸的工作載荷為F=(2000+5000)X)

9、.003=21(N).(2) 工作扭矩的計(jì)算旋轉(zhuǎn)式托盤交換機(jī)構(gòu)在執(zhí)行托盤交換任務(wù)時(shí)，托盤支承座在單葉片擺動(dòng)液壓缸的作用下作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),而托盤支承在兩條弧形軸承滾動(dòng)導(dǎo)軌上(見圖 3 所 示)，可見托盤交換機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)力臂 R,=(R R:)/2+ R2 又如 R1=650mm,R2=350mm 即R3=500mm. 托盤交換機(jī)構(gòu)的工作扭矩 M=(FxR)/1000,又R=500mm,F=21N,即 M=10.5(N?m).圖 3 托盤交換機(jī)構(gòu)弧形滾動(dòng)導(dǎo)軌示意圖(3) 擺動(dòng)液壓缸的總效率計(jì)算單葉片擺動(dòng)液壓缸的總效率由以下效率組成： 機(jī)械效率由轉(zhuǎn)動(dòng)葉片與固定葉片，缸蓋及缸座密 封處的摩擦阻力所造成的摩擦

10、損失，因單葉片擺動(dòng)液 壓缸密封處較多，且間隙較小，所以單葉片擺動(dòng)液壓缸 的機(jī)械效率較活塞式液壓缸低，一般取7=0.880.90(活塞式液壓缸的機(jī)械效率一般取叼=0.9 0.95);容積效率叼，由各密封件的泄漏所造成，缸 蓋和缸座的密封一般較好，但轉(zhuǎn)動(dòng)葉片和固定葉片的 密封較困難，也是擺動(dòng)液壓缸設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，盡管費(fèi)了很 多心思，轉(zhuǎn)動(dòng)葉片和固定葉片密封處的泄漏不可忽視 基于以上考慮擺動(dòng)液壓缸的容積效率叼也比活塞式 液壓缸低,一般取 7/,=0.85(活塞式液壓缸的容積效率般取=1):作用力效率叼，由擺動(dòng)液壓缸的節(jié), =u 耳舅0 卅 f流緩沖機(jī)構(gòu)上的背壓反作用力所造成的，一般取吼二0.95.擺動(dòng)液壓

11、缸的總效率 r/=叩卻卩刈,又叼取0.80,町,取 0.85,r/d 取 0.95,即卩 7/=0.80 x0.850.95二0.646.(4) 擺動(dòng)液壓缸的許用扭矩計(jì)算單葉片擺動(dòng)液壓缸的油腔蓄壓力油，托盤支承座，缸體，缸蓋及缸座組件在油腔壓力油的作用下作旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng),可見單葉片擺動(dòng)液壓缸的旋轉(zhuǎn)力臂r=(r 一 r:)/2+r2，又女口 r1=180mm,r2=40mm,即 r3=110mm,見圖 4 所示.圖 4 單葉片擺動(dòng)液壓缸節(jié)流槽及作用力臂示意圖擺動(dòng)液壓缸的許用扭矩 M2=(Fxr)/1000,又M2X 叼二M1,F 為工作推力.即(F1xr3)77/1000=10.5N?ITI,可得單

12、葉片擺動(dòng)液壓缸的工作推力F=(10.5xl000)/(1lOxO.646)147.76(N).(5) 擺動(dòng)液壓缸的額定壓力計(jì)算單葉片擺動(dòng)液壓缸的額定壓力 P=1O00F./A 又A=(r. 一 r2)6，葉片高 6=180mm,即 P:(1000X147.76)/(18040)x180,可得 P 一 5.86MPa<機(jī)床 系統(tǒng)壓力，滿足機(jī)床液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力為5 7MPa.若擺動(dòng)液壓缸的額定壓力大于機(jī)床系統(tǒng)壓力，則可調(diào)整擺動(dòng)液壓缸的 r,r 及 6 值，使其滿足機(jī)床液 壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力.(6) 擺動(dòng)液壓缸的流量及油腔體積計(jì)算單葉片擺動(dòng)液壓缸的流量指的是在單位時(shí)間內(nèi)壓 力油通過油腔

13、有效截面的體積，即流量 9=Wt,V 為單 葉片擺動(dòng)液壓缸的有效油腔空間,t 為單葉片擺動(dòng)液 壓缸的行程時(shí)間(指的是葉片在缸體內(nèi)完成全部行程 所需要的時(shí)問).單葉片擺動(dòng)液壓缸的有效油腔空間也就是液壓缸的扇形油腔體積，可有下式計(jì)算：V=bTr(r 1” 2)X180./360.即= 180 x3.14(180 40)xO.5mlTI二0.87x10ITIm=8.7L.假定單葉片擺動(dòng)液壓缸的行程時(shí)問為10S,可見單葉片擺動(dòng)液壓缸的流量 Q=V/t=8.7L/s=52.2L/mln.等;zu 平弗 O 刪FuncljonUnjls 功能部件(7) 擺動(dòng)液壓缸的通油口直徑計(jì)算根據(jù)油孔中行程時(shí)間內(nèi)通過壓

14、力油的體積等于在行程時(shí)間內(nèi)進(jìn)入擺動(dòng)液壓缸的壓力油體積，即:V=IOCA/VP其中:C=0.70.8,C 為流量系數(shù)，取值 C=0.7;卸（為油孔前，后腔壓力差）=7 5.86=1.14MPa:1.14x10Pa,P 密度）:0.85g/cm:0.85 10kg/m.又：=8.7L:8.7x10 一 III.I,可得:A=-=2.4x10m10C|P而 A 盯 r,得 r=/A/仃 一 0.00277in=2.77ITIm,即通油孔直徑為 d=5.54mm,圓整為 d:6mm.若想進(jìn)一步縮短擺動(dòng)液壓缸的行程時(shí)間，可通過加大通油孔直徑至 8mm,提高通油孔中壓力油的流 量,在較短的時(shí)間內(nèi)擺動(dòng)液壓缸

15、的壓力油體積達(dá)到設(shè) 計(jì)要求，葉片更快完成全部行程旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到縮 短行程時(shí)間的目的（行程時(shí)問可縮短至 5S 以內(nèi)）.3 擺動(dòng)液壓缸設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的主要問題擺動(dòng)液壓缸在設(shè)計(jì)過程中需要注意的事項(xiàng)很多，包括輪廓尺寸，變形，環(huán)境變化，緩沖機(jī)構(gòu)，排氣裝置以 及密封等問題.輪廓尺寸,變形,環(huán)境變化對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 的影響不是太明顯，但緩沖機(jī)構(gòu)，排氣裝置以及密封問 題是設(shè)計(jì)人員必須考慮并給予足夠重視的.(1) 緩沖裝置擺動(dòng)液壓缸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度較快，所帶動(dòng)的部件質(zhì)量又很大，這樣當(dāng)葉片運(yùn)動(dòng)至設(shè)計(jì)位置時(shí)慣量很大. 為此在缸座的進(jìn)出油口必須設(shè)置節(jié)流機(jī)構(gòu)，借此產(chǎn)生 制動(dòng)力，使葉片緩緩運(yùn)動(dòng)至設(shè)計(jì)位置一般采取縫隙 節(jié)流式和小孔

16、節(jié)流式的節(jié)流緩沖裝置，而上述機(jī)構(gòu)中 采取了變截面節(jié)流槽式的緩沖機(jī)構(gòu)(見圖 4 中局部放 大圖)，葉片在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)臨近終止位時(shí)，隨著終止位的 逼近而通油孔逐漸變小，從而造成背壓，迫使葉片降速 制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)緩沖.(2) 葉片密封擺動(dòng)液壓缸的葉片密封是設(shè)計(jì)擺動(dòng)液壓缸的關(guān)鍵 要素缸蓋和缸座的密封一般較好處理，一般采用 0 型密封圈即可解決問題固定葉片與缸蓋，缸座銷軸 聯(lián)接，缸蓋，缸座與缸體螺釘緊固，固定葉片，缸蓋和缸 座作為一體組件圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)葉片作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，顯然轉(zhuǎn)動(dòng) 葉片和固定葉片的密封較為困難，事實(shí)也是如此轉(zhuǎn) 動(dòng)葉片和固定葉片的密圭寸采用了葉片外緣鑲嵌框形密?125-功能都件 FunctionUnits-

17、封件的密封方法，在其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)上費(fèi)了很多心思，總體 來說基本上滿足機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，但密封尖點(diǎn)，交接等處 的密封還是存在一定的泄漏現(xiàn)象，不可忽視，是擺動(dòng)液 壓缸設(shè)計(jì)人員值得關(guān)注的細(xì)節(jié).(3) 排氣裝置液壓系統(tǒng)在裝配過程中或長時(shí)間未工作之后會(huì)進(jìn) 入空氣，再者液壓油中也混有空氣，由于空氣具有很大 的可壓縮性，導(dǎo)致液壓缸在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生爬行，發(fā)熱以 及噪聲等現(xiàn)象因此設(shè)計(jì)擺動(dòng)液壓缸，特別是設(shè)計(jì)要 求具有較高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的液壓缸時(shí)必須考慮排氣裝 置,以便能及時(shí)排除積留在缸腔內(nèi)的空氣一般采取 在最高處設(shè)置專門的排氣閥機(jī)構(gòu)來解決排氣問題.4 結(jié)語單葉片擺動(dòng)液壓缸旋轉(zhuǎn)式托盤交換機(jī)構(gòu)，因交換 時(shí)間短，效率高等特點(diǎn)雖被國內(nèi)

18、外機(jī)床制造商經(jīng)常采 用，但也存有不足之處其缺點(diǎn)是存在質(zhì)量，安全隱 患，機(jī)床在工作過程中難免會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)壓力油泄漏，故 障報(bào)警及斷電等非正常因素停機(jī)現(xiàn)象雖然已采取了 閥體組合保壓，壓力補(bǔ)償?shù)仁侄蔚目煽啃栽O(shè)計(jì)，但是因 壓力損失或斷電后再次啟動(dòng)壓力系統(tǒng)，很容易引起雙 作用液壓缸在承受載荷的作用下導(dǎo)致托盤支承座下 移,必然對(duì)機(jī)床帶來損害，對(duì)企業(yè)造成不必要的損失，更重要的是對(duì)操作者的人生安全帶來威脅對(duì)此缺陷 我們提出了改進(jìn)方案，只需對(duì)雙作用液壓缸的上油腔改造成碟形彈簧施加鎖緊力的機(jī)械機(jī)構(gòu)，再加上正確計(jì)算碟形彈簧的鎖緊力并在裝配過程中控制鎖緊裝置鎖緊力的正確性即可達(dá)到合理，穩(wěn)定，可靠地抬起托盤支承座的目的，

19、完全改善了因系統(tǒng)壓力油內(nèi)泄漏，斷電等因素引起的壓力損失可能導(dǎo)致托盤支承座下移的不利現(xiàn)象.在交換托盤臥式加工中心中，托盤交換機(jī)構(gòu)是交換托盤工作過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)它的穩(wěn)定及可靠性直接影響著加工中心的使用效率，嚴(yán)重影響用戶廠家生產(chǎn)加工的效率和節(jié)拍，有必要且必須給予足夠的重視.（編輯蔡云生）（收稿日期：20081113）文章編號(hào)：9839如果您想發(fā)表對(duì)本文的看法.請將交章編號(hào)填入讀者意見調(diào)查表審的 相應(yīng)位鼉.（上接第 118 頁）標(biāo)提供依據(jù)從客戶需求質(zhì)量屋可以清楚地看出，客戶對(duì)玻璃堆垛機(jī)械的需求重要程度和滿足客戶需求所需要的技術(shù)要求.技術(shù)特征模可承運(yùn)振自塊重動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)化構(gòu)載動(dòng)械構(gòu)成原壽裝 動(dòng)結(jié)設(shè)能節(jié)噪化原尺太機(jī)命配客戶需求構(gòu)計(jì)力拍吉程理寸度搬運(yùn)不同規(guī)格玻璃 0.245 O功能適合不同場域的需要 0.0820 承載能力大 O.127 o速度快 0.127 00 性能振動(dòng)噪聲小 O.05OOI8操作簡單 0.022 空間利用高 0