数控深孔钻床高压冷却排屑液压系统的设计分析.pdf

数控深孑 L 钻床高压冷却排屑液压系统的设计分析 口蒋鉴毅 上海平信机电制造有限公司上海2 0 0 0 1 6 摘要 以专用 多工位数控深 孔钻床为对 象， 研 究 高压冷却排屑液压 系统及其 相应的机械 密封 ， 以达 到最佳 的配置 和高可靠性。 结果证明， 设计改进后的高压冷却排屑 系统达到了预期效果， 能够满足深孔加工要求。 关键词 深孔钻排屑液压系统压力控制机械密封 中图分 类号 T H1 6 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 0 8 0 9 0 0 0 8 0 3 高 压 冷 却 排 屑 系 统 是 枪 钻 加 工 中不 可 缺 少 的 部 分 ， 它 是 根 据 加 工 孔 径 的 大 小 ， 把 适 量 的压 力 切 削 油 通 过 主 轴 中心 孔 经 钻 夹 头 进 入 钻 头 内孔 进 行 冷 却 并 排 除 铁屑 的开 放式 液压 系统 。 其 压 力控 制方 式 的选择 ， 将 影 响液 压系统 压力 的稳 定和油 温 的变化 ， 最终影 响孔 的加 工 质 量 和 钻 头 的 寿 命 。 由 于 系 统 是 开 放 式 的 ， 故 切 削 油 的 回收 、 过 滤 、 再 使用 的清 洁 度会 影 响液 压 泵 的 寿命 ， 也关 系到切 削油 的使 用效率 与成本 。 本文研究 多工位 数 控 深 孔钻 床 见 图 1 的高 压冷 却 排 屑液 压 系 统及 其 相 应 的机械密 封 的设计 ， 以达 到最佳 的配置 和高可靠性 。 1 冷却排屑液压 系统原理 细长孔 1 ／d4 - 的流 量计算 公 式 为 △P 1 式 中 d o 为 内孔 直径 ； D O 为 油 粘 度 ； z 。 是孔 长度 ； △P是 孔 的 进 口和 出 口压 力 差 ， 即 △P P ～P2 ， 其 中 P 是 进 口液体压 力 ， 是 出 口液体压 力 。 冷却 排 屑液 压系 统是 一 个开式 回路 ， P 0 ， 故有 △P P 一 P2 一 P 2 收稿 日期 2 o o 8 月 2 0 0 8／9 所 以冷却 排 屑液 压 系统 压力 为 J P P 旦 p 3 式 中 Z 为 钻 头 长 度 ； d为 钻 头 内 孔 直 径 ； 为 油 粘 度 ； p为 流 量 。 从 式 3 可 知 ， 系 统 压 力 受 钻 头 长 度 、 钻 头 内 孔 直 径 及 油 温 粘 度 影 响 ， 而 且 与 给 予 的 流 量 成 正 比 。 如 果加 工钻 头直 径 、 长度 一定 ， 对 温度 在一 定 范 围 内加 以限制 ， 那 么流量 可基 本 决定 压力 的高低 。 所 以该 系统 压 力 的变化 可用 改变 流量 的方式 来进 行 控制 。 2系统压力控制方式 在 冷却 排屑 液压 系统 回路 中 ， 对 于压 力 的控制 ， 可 采 用如 下 的几种 方式 1 采 用定 量 泵 由溢 流 阀调压 ； 2 采 用定量 泵 由变 频器 控制 电机 转 速来 改变 流量 以实 现 压 力 变 化 ； 3 变 量 泵 输 出 由 一 个 执 行 机 构 控 制 其 流 量 的输 出来 调 整 系 统 压 力 。 第 1 种 方 式 是 普 通 液 压 回路 常 用 的 方 式 ， 但 对 本 文 所讨 论 的液 压 系统 ， 由于加 工孔 径 不 同 ， 压 力变 化范 围 较 大 6～1 4 MP a ， 如 加 工 小 孔 径 时 ， 其 压 力 要 求 达 1 3～1 4 MP a ， 根据式 3 可 知流 量 以及其 它 条件 均不 变 的情况 下 ， 孔 径 越小 ， 压力 越 高 ， 当压 力 超 出溢 流 阀调 定 的压力 时 ， 定量 泵输 出 的多余 流 量须 经溢 流 阀卸荷 ， 根据 功率计 算 公式 N 一 4 u l上 。 1 l 当压力 P1 4 MP a ， 泵效 率 叼0 ． 8 5， 泵 排量 Q 4 0 L ／ rai n时 ， 则 电机 功 率 为 Ⅳ 1 0 ． 7 6 k W 5 加 工 较 大 孔 时 ， 在 同 样 条 件 下 ， 由 式 3 可 得 压 力 下 降 此时 系统 压力 为6 MP a ， 则 电机 功 率为 加工 小孔 径 时 电机所 需 功率 的一 半 ， Ⅳ4 ． 6 k W ， 显 然若 用 这种 方 式要 选取 较 大 的电机功 率 ， 而 加工 小孔 时 ， 大量 的油 将 通 过 溢流 阀卸 荷 ， 能量 损 失 大 ， 油 温 会 加 速升 高 ， 所 以 不 太 适 合 在 此 种 场 合 应 用 。 机械制造4 6 卷 第5 2 9 期 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 种 方 式 中 ， 定 量 泵 由 变频 电机 控 制转 速 ， 从 而 达 到 控 制 流 量 的输 出 ， 就 成 本 价 格 来 说 相 对 较 低 ， 远 程 调 节 也 比 较 方 便 ， 但 流量 输 出 较 小 时 ， 会 受 到 电 机 输 出特 性 的 影 响 ， 如 图 2 所 示 。 当流 量 要 求 较 小 ， 转 速 降 至 n j以下 时 ， 电机 功率 下 降 ， 所 以采 用 第 2 种 方 式 时 ， 电机功 率 要选 得 比较 大 ， 而 且 由于泵 的转 速要 求 变 化 会 出 现 低 速 运 转 ， 一 般 只 能 采 用 齿 轮 泵 ， 而 齿 轮 泵 在 高压 时 噪声较 大 。 综合 上 述 因素 ， 系统选 择该 控制 方 式 并 不 理 想 。 第 3 种 方 式 中 ， 采 用变 量 泵 来 控制 流量 变 化 。 电机 功 率能通 过 式 4 确定 ， 根 据 系统 状况 ， 用 工作压 力 高 、 效 率高 、 流量 调 节方便 、 性能 稳定 、 噪声 较 小 、 工 作可 靠 的 变 量 柱 塞 泵 对 系 统 压 力 进 行 控 制 是 比 较 理 想 的 方 法 。 在 实 际应 用 中 ， 可选 用 轴 向或 径 向柱塞 泵 ， 并 在 其 调节 流量 变 化 的输 出轴上 安装 能 缓慢 转动 角度 的执行 器 ， 以达 到 远 程 调 节 的 目 的 。 多 工 位 高 压 冷 却 排 屑 液 压 系 统 的工 作 原 理 如 图 3 所 示 。 工作 时 ， 泵输 出 的流 量 由分 流 阀等 量分 配 进 入各 个 主轴 内孔 ， 最 终从 钻 头 内释放 。 由于液 流经 过收 缩后 流 束扩 大 ， 所 以能量 损 失产 生 的热量 较高 ， 从 前面 的论 述 可知 ， 油 温 粘度 的变化 对压 力 有一定 影 响 ， 故 为确 保 正 常 工 作 ， 当油 温上 升 至4 0 C时 ， 油 温 监 控 仪 将 发 讯 ， 启 动 扬 程 泵把 油 输 入 冷却 装 置 进 行冷 却 后再 返 回 油 箱 。 如 油 温 上 升 至 6 O ℃ 时 ， 控 制 系 统 将 报 警 ， 以 提 示 操 作者暂 停 机床 运行 。 此外 系统切 削 油 的 回收再使 用 也是 该 系统 的一个 重要 环节 ， 为 了使 切 削油 保持 清 洁 ， 回收 的油须 经过 磁 性 分 离器 分 离 ， 带 走 铁 屑 ， 再 由泵送 经 纸 质过 滤 ， 然 后 机械制造4 6 卷 第5 2 9 期 溢入 另一 油 箱 。 经该 油 箱 多道 隔离 后 ， 才进 入泵 的吸油 区 ， 以保 证油 的清 洁和 液压泵 的使 用 寿命 。 3 高压冷却排屑 系统机械密封装置 从 工 作 状 况 来 看 ， 最 为 恶 劣 的 工 况 是 出 现 在 加 工 小 孔 时 ， 其 主 轴转 速 达 1 5 0 0 0 r ／ mi n， 冷 却 液 的压 力 在 1 4 MP a左 右 。 在 运 行 中 如 密 封 装 置 失 效 ， 泄 漏 的 液 体 将 进 入 主 轴 轴 承 ， 破 坏 润 滑 性 能 ， 影 响 主 轴 轴 承 的寿 命 ， 泄 漏 量 大 到 一 定 量 时 会 影 响 冷 却 液 压 力 的稳 定 ， 有 时 会 损 坏 刀 具 。 3 ． 1 确 定 机 械 密 封 的 结 构 形 式 从摩 擦 副 的使用 寿 命 角 度 出发 ， 如 采 用非 接 触 式 机 械 密封 ， 在 液 体 摩擦 的工 况下 ， 基 本 上没 有 磨 损 ， 发 热 量 也 极 小 ， 其 使 用 寿命 会 很 长 ， 但会 导 致 泄 漏 量 较 大 。 如 采 用 接触 式 密封 ， 在 边界 摩 擦 处 于干 摩擦 与半 液 体摩 擦之 间 的摩 擦 或半 液 体摩 擦工 况 下运 转 ， 此时 磨 损 、 功 耗 、 发 热 量 都 较 大 ， 摩 擦 副 的 使 用 寿 命 较 非 接 触 式 短 ， 但 结构 简 单 、 泄 漏 量很 少 。 在 边 界 摩 擦或 半 液 体摩 擦 的工 况下 ， 密封 摩擦 面 间有 液体 润 滑 ， 也 存在 局 部 的 固 体 接 触 ， 固 体 接 触 部 分 所 占 的 比 例 将 决 定 机 械 密 封 PV值 的 大 小 PVP。 ≤ [ PV ] 6 U U 式 中 P 是 端 面 压 力 ； D 是 端 面 平 均 直 径 ； n是 转 速 。 为 尽可 能 降低 P 值 ， 宜选 用 较小 的摩 擦 副 直径 ， 使 摩 擦 副 的 P V值 小 于许用 [ P 值 。 本钻 床 采用独 立 的端 面 密 封 装 置 ， 密 封 的 界 面 是 装 置 中 的 动 圈 随 主 轴 旋转 的零 件 与静 圈 静止 体 两零 件端 面 的摩擦 面 ， 其结 构原 理见 图4 。 由于 本 钻 床 采 用 机 械 密封 ， 工 作环 境 中的压 力 、 速 度 很 大 ， 外 形 尺 寸 又 有 严格 控制 ， 结 构形式 采 用平衡 式 密封 结 构 。 静 圈采用 补 偿式 浮 动静 圈 ， 与弹簧 、 O形 密封 圈 等一起 组 装 在 弹簧 座 内 ， 静 圈与 弹簧 座 内孔 的配 合 为 间 隙 配合 ， 工 作 时 ， 密 封端 面 如有 磨 损 ， 则 静 圈 由弹簧 力 将 其作 轴 向移 动 来补 偿 ， 使 动 、 静 圈 两端 面始 终 紧密 接 触 ， 保 持 良好 的 密 封 性 能 。 3 ． 2动 、 静 圈材 料 的选择 与 匹配 由于 主 轴转 速 高 ， 摩 擦 面 是 导致 机 械 密 封 失效 的 主要 问题 ， 故 动 、 静 圈 的材 料 要求 具 有 较 高 的硬 度 ； 同 时要有 较好 的抗 渗透 性 ， 即致 密性 好 ； 材 料抵抗 机 械变 形 的能力要 特别 强 ， 即弹性模 量 高 。 材 料 不但 应有 较高 2 o o 8／ 9 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 种单工位真空成型吸塑机 的设计研 究 口张德海 口马战胜 口陈慧芳 口陈艳君 。 口张忠民 口李艳芹 1 ． 西安交通大学 机械工程学 院西安7 1 0 0 4 9 2 ． 河南新飞 电器有限公司 冷柜研究所新乡4 5 3 0 0 2 3 ． 新乡工神锅炉有限公司 技术开发部新乡4 5 3 0 0 2 摘要以单工位真空成型吸塑机为母本， 简单阐述了系统的工作原理、 使用要求和性能指标 ， 讲述了设备的整体结 构 系统 ， 针对 关键部件 导轨 在承受冲击和 受热时的 变形 问题 ， 分 别建 立了力学模型和有 限元模型 ， 进行 了理论计 算和 有限 元分析 ， 提 出了改进意见。 改进后 的制造设备运行稳定 ， 满足 了生产 需要 ， 降低 了企业生产成本。 关键 词 真空成型吸塑机冲击母本 中图分类号 T P 3 1 1 ． 1 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 04 9 9 8 2 0 0 8 0 9 0 0 1 00 5 真 空 成 型 吸 塑 机 是 一 种 对 塑 料 板 材 进 行 加 热 成 型 的 专 用 设 备 ， 一 般 应 用 于 冰 箱 行 业 的 箱 内壳 、 门 内 壳 生 产 ， 在洗 衣 机 、 五金 、 食 品 、 玩具 、 小 家 电等 行业 也 有 不 同程 度 的应 用 。 根 据其 工 艺 路 线 的不 同可 分为 单 工 位 真 空 成 型 机 和 多 工 位 真 空 成 型 机 。 多 工 位 真 空 成 型 机 是集 上 料 、 加 热 、 成 型 、 冷 却 、 裁边 功 能 于一 体 ， 用 于 结 构复 杂 、 外 形尺 寸 及拉 伸深 度 较大 的产 品 的吸塑 设备 ， 此类 设 备 目前 全 部 依 靠 进 口。 单 工 位真 空 成型 机 用 于 拉伸相 对深 度 较浅 、 外 形 尺寸 较小 的产 品 ， 其 上 料和裁 边功 能是靠 人 工实 现 。 国 内某 公 司 的单 工 位真 空 成 型 吸塑 机 ， 已使 用 多 年 ， 故 障频 繁 ， 不能 满 足 生 产需 要 。 考 虑到 企业 自身 有 加 _q 2 中 心 和 机 加 5 12 分 厂 ， 发 展 自己 的 新 技 术 自行 研 制 开发 可 节 省 大量 费 用 。 单 工 位 真 空成 型 吸 塑机 是 非 标设 备 ， 可供 查询 的 图纸 及技 术 资料极 少 ， 根据 现有 的 设 备 结构 和工 程 师 的经验 ， 以现有 设备 为母 本 ， 进行 必 收稿 日期 2 0 0 8 年3 月 要 的改 进 、 改 性设 计 和逆 向设 计 ， 自行 制造设 备 满 足生 产 部 门 的需 要 。 同时 ， 考 虑 到工 厂 的实 际情 况 ， 尽 可能 做 到 因地制 宜 ， 就 地取 材 ， 以缩 短 生产 周期 和 降低 制造 成本 ， 得 到更 大 的经济 效益 和社 会效 益 心 。 1 工作原理及整体设计 1 ． 1真 空 成 型 吸 塑 机 的 工 作 原 理 通 过 加 热 元 件 对 塑 料 板 材 ABS或 HI P S 进 行 加 热 图 1 ， 使 其 产生 相 应 的塑性 变 形 ， 在 变 形 过程 中 由 于 自身 重力 的影 响板 材形 成一 定 的垂 度 。 利用 外力 压 缩 空气 对 塑料板 材 吹制 。 当 塑料 板材 达 到需 要 的变形 时 ， 因 为系 统 的真 空 产 生 的负 压 使 板材 吸 附于 固定 在 模 腔 内 的 吸 塑 模 具 上 ， 抽 芯 机 构 运 动 使 板 材 成 型 。 供 水 系统 通 过 压 缩 空 气 或 水 雾 对 成 品 进 行 冷 却 定 形 及 保 压 ， 最后 依靠 压缩 空气 脱模 1 。 1 ． 2设 备 的 整 体 设 计 要 求 设 计 涉及 到机 械 、 电子 、 计 算 机 、 控 制 等 多 学 科技 的 导 热 系 数 和 ／ J -, 的 热 膨 胀 系 数 ， 还 应 有 良好 的 耐 磨 性及 其他 性 能 。 通 过对 机 械密 封合 理选 用 ， 机床 经过 高 1 速长期 运 行后 机械 密封 尚未失 效 ， 取 得 了理想 的效果 。 4 结论 介 绍 了高 压冷 却 排 屑 液 压 系 统 的原 理 ， 确 定 了系 统压 力 的控制 方式 ， 设 计 了系 统 的机械 密封 装置 。 结果 显示 ， 按本 文设 计 、 改 进后 的 高压冷 却 排屑 系统 达到 了 4 预 期 效 果 ， 能 够 满 足 深 孔 加 工 要 求 。 同 时 ， 液 压 系 统 采 用 的技 术 安 全 可靠 ， 机 械密 封 装置 泄漏 小 、 寿 命 长 ， 达 到 国外 同类产 品性 能 ， 能够 满 足用户 的连续加 工要 求 。 lI 1 0 l 2 0 0 8 ／ 9 参 考 文 献 机械设计手册编委会． 机械设计手册[ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 4 ． 陈松楷． 机床液压系统设计指导手册[ M】 ． 广州 广东高等教 育出版社， 1 9 9 3 ． 陈启松． 液压传动与控制手册[ M】 ． 上海 上海科学技术出版 社 ， 2 0 0 6 ． 关肇勋， 黄奕振． 实用液压回路【 M】 ． 上海 上海科学技术出 版社 ， 1 9 8 2 ． △ 编 辑 曰 月 机械制造4 6 卷第5 2 9 期 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m