某型数控车削中心尾座液压回路存在的问题及解决办法.pdf

2 0 1 3年 8月 第 4 1卷 第 l 6期 机床与液压 MAC HI NE T0OL HYDRAUL I C S Au g ． 2 01 3 Vo l _ 41 No ．1 6 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 6 ． 0 5 0 某型数控车削中心尾座液压回路存在的问题及解决办法 潘尚峰 清华大学精 密仪 器及机械 学系，北京 1 0 0 0 8 4 摘要某型数控车削中心采用液压尾座顶紧工件，在顶紧工件过程 中出现尾座套筒缓慢后退，直至顶不紧工件的现 象。更换电磁换向阀后虽能够顶紧工件 ，但同时带来了不工作时尾座套筒缓慢前移以及不能安全锁紧等问题。分析了引起 尾座套筒后退和前移的原因，并提出了相应的解决办法。 关键词锁紧液压回路；液压尾座 ；数控车削中心；液控单向阀 中图分类号T H1 3 7 文献标识码B 文章编号 数控车削中心加工长径 比超过 3的轴类零件时 ， 一 般需用活动顶尖顶紧工件，以加强工件的刚性 ，防 止在切削过程中发生振动。普通车床尾座套筒伸缩由 手动完成，数控车削中心为达到高效和自动化，尾座 套筒 的伸缩一般 通过液压油缸 推动套筒来实现 。 某 型车削 中心尾 座夹 紧 液压 系 统原 理 如 图 1所 示 ，系统中使用 了D 5 - 0 2 ． 3 C 4 一 A 1 5电磁换向阀，如 图 2 所示。实际使用过程中出现尾座顶尖夹紧工件一段 时间后 ，套筒会缓慢后退，最后顶不紧工件。在车削 过程中出现这种现象会引起严重事故 ，必须杜绝。为 了解决此问题 ，将 D 5 -02 3 C 4 一 A 1 5电磁换向阀更换为 D 5 - 0 2 ． 3 C 1 1 ． A1 5电磁换 向阀 见图 3 ，构成新的尾 座液压系统，如图 4所示，该方案避免了套筒后退， 但同时带来了新问题，即尾座顶尖不工作时，尾座套 筒会慢慢 向前移动。使用时还需手动操作使套筒后 退 ，这给操作带来很大不便。因此更换电磁换向阀不 能从根本上解决问题 ，应该寻求更好的液压尾座锁紧 方法 。 电磁换向阀 D 5 - 0 2 - 3 C 4 - A1 5 V V2 溢 A1 5 向阀 图4 更换电磁换向阀后的尾座液压系统原理 1 工件夹紧过程中尾座套筒缓慢后退原 因分析及 对策 根据尾座液压 系统 原理 图 1可知 ，D 5 2 - 3 C 4 - A 1 5电磁 换向阀的中位机能是 Y型，它 控单向 阀 和液控单 向阀 M P A -02 - A 见 图5 配合使用。对于需要长 时间保压 的场合 ，如起 重设 图 1 某型车削中心尾座液压系统原理图 图5 M P A - 0 2 一 A液 控单向阀 备、液压支架等，为了保证液控单向阀可靠锁紧，换 向阀处于中位时，液控单向阀的控制端压力必须为 0 。所以顶尖顶紧工件后 ，要能够长时间保持顶紧压 力不变，这与起重设备、煤矿液压支架等的要求是相 同的。因此 ，采用反向密封性能良好的液控单向阀是 收稿日期2 0 1 2 0 8 0 2 作者 简 介潘 尚峰 1 9 6 1 一 ，男，副 教 授 ，研 究 方 向 为 液 压 传 动 与 控 制、可 靠 性 工 程。E m a i l p a n s f ma i l ． t s i n g h U a ． e d u ． c n 。 1 7 0 机床与液压 第 4 1 卷 最佳选择。一旦选用 了液控单 向阀，那么换 向阀的 中位 机能就必须选用 Y型机 能。 根据上述分析 ，在尾座液压夹 紧 回路 中使 用 D 5 ． 0 2 3 C 4 - A 1 5电磁换 向阀和 液控 单 向阀组 成 的锁 紧 回 路在原理上 是不存在 问题 的 ，之所 以出现套筒后退现 象是由于液压缸泄漏或液控单向阀密封不严造成的。 对液压缸的密封性能进行了现场试验 ，并未发现液压 缸有泄漏，因此可以推断，造成系统泄漏的主要原因 是液控单向阀密封不严。 在顶紧工件后尾座套筒为何会后退，而且后退量 约为0 ． 0 3 m m。顶尖和工件 中心孔接触 ，在接触 面上 发生弹性变形 ，在 弹性变形 范围 内顶 尖和套 筒受力 ， 所以液压缸无杆腔有压力 ，但由于液控单向阀密封不 严，所以造成无杆腔油液泄漏 ，压力缓慢下降。只要 在 弹性变形范 围内，无杆腔始终存在压 力 ，油液不断 泄漏 ，套筒也就会缓慢后退，直到后退距离达到弹性 变形量后 或 弹性变形完全恢 复 ，顶尖 和工件脱离 接触，顶尖和套筒不再受力，液压缸无杆腔无压力， 油液泄漏停止，套筒不再后退。所以套筒后退量与顶 尖的顶紧力有关，顶紧力越大，顶尖弹性变形量就越 大 ，顶尖后退量也越大 。 为了验证以上分析的正确性，进行了多次专门实 验 ，得 到结果 和现场观察到 的现象完全一致 。 2 更换 电磁换向阀后尾座套筒缓慢前移原因分析 换为 D 5 - 0 2 - 3 C 1 1 - A 1 5电磁换向阀目的是保证能 够始终顶紧工件。该 电磁阀换向阀的中位机能是 P 口和 A口通 、B口和 T口不通 ，所 以电磁换 向阀未通 电前液压缸无杆腔始终进油 接 A口 ，而液压 缸有 杆腔 接 B口 的 回油被 切 断。在顶 紧 工件 后 ，即 使电磁换向阀回到中位，液压缸仍可以进油 ，而有杆 腔封死 ，液压缸活塞保 持不动，始终顶紧工件。显 然，使用 D 5 - 0 2 ． 3 C 1 1 ． A I 5电磁换向阀后，在顶紧过 程 中 ，由于无杆腔一直可以进油 ，所 以和有杆 腔的密 封状况无关 ，即便有杆腔接通油箱也不受影响。所以 使用 D 5 - 0 2 ． 3 C 1 1 ． A 1 5电磁换向能够达到始终顶紧工 件的 目的 ，但 同时带来新的 问题 。 在不顶紧工件或 自由状态下 ，使用 D 5 - 0 2 ． 3 C 1 1 ． A1 5电磁换向阀的方案就有问题 了。机床一上 电， D 5 - 0 2 - 3 C 1 1 - A 1 5电磁换向阀不上电，处于中位状态 ， 和顶紧工件时的工作状态相同，即此时无杆腔接通动 力油，有杆腔被封死。由于电磁换向阀的阀芯和阀套 之间存在间隙，其密封性能远不及液控单向阀好，所 以液压缸有杆腔必然存在泄漏。一旦液压缸有杆腔存 在泄漏 相当于具有缓慢 回油作用 ，就会造成液压 缸活塞缓慢前移，这和开机后观察到的套筒 自行前移 现象是一致的。 使用 D 5 - 0 2 3 C 1 1 一 A 1 5电磁 换 向阀还会 出现另外 一 个 问题 。利用该 阀中位机能的 目的是当电磁 换 向阀 处于中位时，仍能给液压缸无杆腔供油，保证顶紧工 件。在液压泵正常供油的情况下 始终有动力油供 给是不会 出现 问题 的，一 旦在 车 削过 程 中液 压泵 出现故障，将不能提供动力油，此时顶尖无法顶紧工 件 ，此时会 出现安全问题 。 采用 D 5 - 0 2 - 3 C 1 1 一 A 1 5电磁换 向阀实 现 了液 压 系 统正常供油条件下工件的可靠顶紧，但 同时也带来两 个问题 一是不工作状态下尾座套筒会 自行前移，其 次是当液压系统无法正常供油时会出现顶不紧工件， 引起安全问题。所以使用 D 5 - 0 2 3 C 1 1 ． A 1 5电磁换向 阀在原理上是错误 的，而且是不安全的 ，此方案绝对 不可采用 。 在液压系统锁紧回路设计中，单纯用换向阀的中 位机能来锁定定位精度要求高的执行机构是一大禁 忌，该设计 中使用 D 5 - 0 2 - 3 C 1 1 ． A1 5电磁换 向阀正是 犯 了此大忌 。 所以，最初使用 D 5 - 0 2 ． 3 C 4 ． A 1 5电磁换向阀是正 确的，出现尾座套筒后退现象纯属液控单向阀的质量 问题 ，即阀内密封球与锥面配合不好。或者说问题的 关键不是电磁换向阀，而是液控单向阀。因此，夹紧 回路中仍使用 D 5 - 0 2 - 3 C 4 一 A 1 5电磁换 向阀，同时应加 强液控单向阀的质量控制，和制造商协商，要求其解 决泄漏问题。或者更换液控单向阀，选用质量更好的 进口液控单向阀。 对于一般密封性能的液控单向阀，在锁紧回路中 采用压力继电器和蓄能器是一种比较好的方案。 3 采用压力继 电器和蓄能器的改进方案 由于液控单向阀存在泄漏是不可避免的，所以在 要求时间保压的锁紧回路中常采用蓄能器和压力继电 器 ，这在机床液压 系统 的工件夹紧 回路 中是 比较常见 的。图6中采用压力继电器来控制回路的最高夹紧力， 既当夹紧力达到设定值后，压力继电器发信，二位四 通换向阀断电，系统依靠液控单向阀维持工件 的夹紧 力 ，同时二位四通换向阀也断电，使液压泵卸荷 。 图 6的 液 压 夹 紧 回路 维 持 工件 夹 紧 的 时间较短 ，原 因是液 控单 向 阀存 在 泄漏。 对图 6回路的改进办 法就是不 能单独依靠 液控单向阀实现锁紧， 另外还需要增加一个 蓄能器。当夹紧压力 达到设定值 时，压力 继 电器发信 ，液压泵 卸 荷 ， 由于 单 向阀 的 夹紧 液压 缸 图 6 带有液控单向 阀的夹紧回路 蓄 能器 泵 第 1 6期 潘尚峰某型数控车削中心尾座液压回路存在的问题及解决办法 。1 7 1 存在，油液不会倒流，此时即使系统存在泄漏 ，蓄能 器也能够补充泄漏以维持夹紧力在较长时间内不变。 当系统压力下降到压力继电器最低设定值时，同样发 出信号 ，使液压泵由卸荷状态转入运行状态，重新向 液压缸供油。由于采用了单向阀和蓄能器 ，可以不要 液控单向阀，如图7所示。图7中压力继电器和图6 中不同，要求能够设定两种压力，即最高夹紧压力和 最低夹 紧压力。 夹 紧液 压 缸 图7 不带液控单向阀的工件夹紧回路 根据图7的改进思路 ，对某型数控车削中心的液 压 系统进 行 了改进 ，在原来的尾座液压顶紧 回路上再 增加一个压力继电器和一个蓄能器组成一个新的锁紧 回路，如图8 所示。当顶紧工件时液压缸压力下降至 压力继电器的最低设定压力后，电磁铁 Y V 2通电， 电磁换 向阀 D 5 - 0 2 3 C 4 一 A 1 5换 向，液压缸无杆腔接 通 液压泵 ，压力升高，当压力升高到压力继电器的最高 设定压力后，电磁铁 Y V 2断电。 电磁换 向 阀 o s 一 0 2 3 C 4 一 A1 5 VV2 溢 电器 器 图8 改进后的尾座顶紧液压系统原理图 此方案是一个理想的锁紧回路，一般用在锁紧要 求很高的场合。由于系统中采用了蓄能器，所以系统 的复杂程度和成本增加了。由于系统中仍然保留液控 单向阀，而且液控单向阀是放置在换向阀和液压缸之 间 ，所以夹紧时液压缸的泄漏会 比图7中液 压缸 的泄 漏小得多，所以此方案还可以进一步简化，即也可以 不用蓄能器 ，虽然锁紧效果稍差 ，但对于尾座顶尖夹 紧工件的应用场合来说 ，完全可以胜任。因此为了简 化系统，降低成本，提高系统的可靠性，可以去掉蓄 能器 ，只用一个具有双压力设定的压力继电器即可， 高于设定压力液压泵停止工作 ，低于设定压力液压泵 启动工作 。 4 结束语 数控车削中心尾座液压夹紧 回路要求长时间保 压 ，以保证在车削过程中可靠顶紧工件。使用液控单 向阀和具有 Y型中位机能的电磁换 向阀构成锁紧回 路是正确 的选择 ，但 由于液控单 向阀存在一定的泄 漏 ，仅依靠液控单向阀达到长时间保压是困难的。为 了使液压锁紧回路能够长时间保压，在回路中需增加 压力继 电器和蓄能器 。 参考文献 【 1 】 薛祖德． 液压传动[ M] ． 北京 中央广播电视大学出版 社 ， 1 9 9 5 ． 【 2 】 邵俊鹏． 液压系统设计禁忌[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 8 ． 【 3 】 周士昌． 液压气动系统设计运行禁忌 4 7 0 例[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 2 ． 【 4 】张志英． 数控车床液压系统设计[ J ] ． 机械制造与 自动 化 ， 2 0 1 0， 3 9 1 3 33 5 ， 6 0 ． 上接第 1 3 1页 行状态、配置文件、异常数据作为诊断依据，分析数 控系统自身所存在的故障。在实际应用中，作为数控 机床不可分割的组成部分，除数控系统外，通常还需 要对伺服驱动系统、机床的故障进行诊断，以对数控 机床的故障进行全面诊断。随着研究的深入和远程诊 断系统的开发和完善 ，服务网络化、数控设备的远程 操作、监控和诊断维护功能的开发和应用 ，将有效提 高数控机床故障诊断和维修水平。 参考文献 【 1 】 宋文学 ， 石毅． 数控机床运行状态远程监测和故障诊断 系统实现[ J ] ． 微电机， 2 0 1 0 5 ； 1 0 01 0 2 ． 【 2 】 于跃海 ， 邱海波， 何建敏． 诊断问题的类模型研究[ J ] ． 系统工程理论与实践 ， 2 0 0 1 7 5 8 6 3 ． 【 3 】 邓三鹏 ， 戴怡， 周述齐 ， 等． 基于 I n t e r n e t 的数控机床远程 故障诊断技术研究 [ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 0 5 1 2 5 15 5 ．