高速冲床液压系统设计.pdf

2 0 1 3年 8月 第4 1 卷 第 1 6期 机床与液压 MACHI NE T OOL ＆ HYDRAULI CS Au g ． 2 01 3 Vo 1 ． 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 2 7 高速冲床液压系统设计 赵保 刚 山东大学工程训练 中心 ，山东济 南 2 5 0 0 0 2 摘要我国高速冲压设备所用液压系统几乎全部采用进口，成本高。为改善这一现状，针对系统工作要求 ，研制一套 数控高速冲床液压系统。提出了高速冲床液压系统两种设计方案，并进行比较，确定出最优方案 ；然后对该液压系统所用 液压元件进行设计或选用，主要介绍了执行元件液压缸的设计。该系统采用比例伺服控制，结构简单，冲压频率高，安全 可靠。 关键词高速冲床；液压系统；差动连接 中图分类号T G 3 1 5 ． 4 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 6 0 8 8 4 De s i g n o f I I i g h S p e e d P u n c h Hy d r a u l i c S y s t e m ZHA0 Ba o g a ng C e n t e r o f E n g i n e e r i n g T r a i n i n g ，S h a n d o n g U n i v e r s i t y ，J i n a n S h a n d o n g 2 5 0 0 0 2 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e h y d r a u l i c s y s t e ms o f h i g h s p e e d p u n c h i n my c o u n t r y a r e a l mo s t d e p e n d e n t u p o n i mp o r t a t i o n，t h e c o s t i s h i g h ．I n o r d e r t o i mp r o v e p r e s e n t s i t u a ti o n，a n u me ric a l c o n t r o l h i g h s p e e d p u n c h h y d r a u l i c s y s t e m wa s d e s i g n e d w h i c h me t the s y s t e m d e ma n d ． T w o d e s i gn s c h e me s o f h i s h s p e e d p u n c h h y d r a uli c s y s t e m w e r e p u t f o r w a r d a n d c o mp a r e d a n d the o p t i mu m o n e wa s c h o s e n ． C o mp o - n e n t s o f t h e h y d r a uli c s y s t e m w e r e d e s i g n e d a n d s e l e c t e d，e s p e c i a ll y the d e s i g n o f the h y dra u l i c c y l i n d e r W a S i l l u s t r a t e d ． P r o p o rt i o n a l s e r v o c o n t r o l ，s i mp l e s t r u c t u r e ，h i g h s t e p p i n g f r e q u e n c y a n d s a f e t y w e re c h a r a c t e r i s t i c s o f t h i s s y s t e m． Ke y wo r d s Hi s h s p e e d p u n c h；Hy d r a uli c s y s t e m；D i ff e r e n t i al mo t i o n c o n n e c ti o n 液压式压力机与传统的机械式压力机相比有很多 优点 ，液压式压力机结构简单 ，加工制造方便 ；液压 系统运动平稳、易调速、行程可控，其动力传动 为 “ 柔性”传动，可以实现过载保护，能控制滑块的速 度和位置 ；可以由液压系统来调整冲压力大小，并能 在整个行程中提供所需的最大工作压力 ，可避免机器 过载的情况；噪声降低 ，振动减小，基本上只有板材 冲断的声音；冲压频率提高，液压传动简单 ，运动部 件少，控制方便。 随着我国汽车工业、电子技术以及航天航空等尖 端工业的发展 ，国内市场对冲压设备的需求越来越 大。目前我国生产的冲压设备其液压系统基本依赖进 口，成本较高，不适应我国国情。作者针对我国现状 研制了一套数控高速冲床的液压系统。 1 冲压设备发展概况及发展趋势 1 ． 1 冲压设备概述 冲压技术是 目前被广泛应用的金属压力加工方法 之一 ，它具有效率高、质量好 、能量省、成本低的特 点 ，所以工业发达国家越来越多地采用冲压技术来代 替切削技术和其他加工技术。冲压技术广泛应用于汽 车工业、农业机械 、家用电器、电子仪表、国防工业 以及 E t 用品等生产部门⋯。 先 进 的 冲 压 设 备是 冲压技术 发展 的先 决 条 件，当今 国内外 的 冲压 设备 的冲 压 系 统 主 要 有 机械式 和液压 式两 种。机 械式 主要 有 曲柄 压 力 机，它通 过曲柄 滑块 机构将 旋转 运动转 变为往 复运动 ，曲柄 滑块 机构 主 要 由 曲轴、 连杆 和滑块 等零件 换 向阀 阀 器 缸 阀 图 l 普通液压机液 压系统原理图 组成。液压式压力机采用液压传动系统来代替曲柄滑 块机构 ，普通液压机液压系统如图 1 所示。Y A 1 得电 时液压油经泵 1 、电磁阀2左位进入液压缸下腔，上 腔的油经液控单向阀3 、电磁阀2流 回油箱 ，活塞杆 带动滑块向上运动。Y A 2得电时电磁阀2右位工作， 活塞杆带动滑块向下运动 ，冲压工件。 1 ． 2 冲压设备发展趋势 现代先进的冲压设备发展趋势为 1 高速化 、高效化、低能耗。提高液压机的 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 0 2 作者简介赵保刚 1 9 7 0 一 ，男，助理工程师，研究方向为锻压技术、机械设计、实践教学。Em a i l l a d s d u ． e d u ． c a 。 第 1 6期 赵保刚高速冲床液压系统设计 8 9 工作效率、降低生产成本。 ‘ 2 机电液一体化。充分利用机械和电子方面 的先进技术促进整个液压系统的完善。 3 自动化 、智能化。微 电子技术 的高速发展 为液压机的自动化和智能化提供了充分的条件。自动 化不仅仅体现在加工，应能够实现对系统的自动诊断 和调整，还具有故障预处理的功能 。 4 液压元件集成化，标准化。集成的液压系 统减少 了管路连接，有效地防止泄漏和污染；标准化 的元件为机器的维修带来了方便。 2 课题的提 出及该课题的主要研究内容 由于我国工业生产 自动化水平较低，目前大多数 厂家迫切需要经济型数控高速冲压设备 ，即希望其价 格适中，而又具有必备的主要功能，如编程控制、板 料加工过程的自动操作、有较高的加工精度等。国内 高速冲压机械所用液压系统几乎全部采用进口，成本 高 ，不适应我国国情。作者从我国机械加工行业的实 际情况出发，通过比较两种方案，确定适合的系统实 验方案，并分析液压系统的工作原理和特点 ，确定系 统的主要技术参数 ，对该系统中的液压元件分别进行 设计 、选用和校核 。 3 数控高速冲床液压系统设计 3 ． 1 系统工况分析及方案确定 作者研究 的高速冲床既可 以对工件进行 冲孔加 工，又可以进行冲压成形。不同的加工方式对系统的 压力、冲头的速度都有不同的要求 ，冲孔时，要求冲 头以最大的速度下降加工工件 ，并且快速上升返 回。 而成形过程要求滑块以较快 的速度下降，遇到负载 工件时冲头速度降低且系统压力升高，确保对钢 板的准确冲压成形 ，冲压完毕冲头 以较快 的速度上 升。该液压系统主要工作特点是高频、高速、高压， 控制元件采用 比例伺服换向阀。针对系统 的工作要 求 ，设 计了以下两种方案 。 方案一液压原理图如图2 所示。 图2 方案一原理图 1 -- 电机 2 --牲 塞泵 3 一 空气 滤 清器 4 - --压力表 5 一 过 滤器 6 - - 冷 却 器 7 _液动换向阀 8 _ - 单向阀 9 - - 电磁换向阀 1 o _ - 溢 流 阀 1 1 -- 比例伺服阀 1 2 一液压缸 在方案一中，采用了差动连接 ，并加入了一个液 动换向阀7 ，液压缸快速下降，接近工件，即快进的 过程，冲压过程速度降低压力升高达到液动换向阀7 的调定压力时，液动换 向阀换 向，差动连接被切断 ， 液压缸带动冲头实现慢速冲压 ，即工进过程。冲压完 毕，比例阀随着输入电压的变化而换向，液压缸带动 冲头向上运动，返回原位。此方案采用差动连接 ，提 高了液压缸下降过程中的运动速度，节约了时间、提 高了效率。但是在该方案中，液压缸快进、冲压、返 回的过程中，对压力和流量的要求各不相同，快速下 降和返回时系统压力低流量大，冲压时系统所需压力 高流量小。为了更好地实现资源的有效配置 ，节约能 源，作者又设计了第二种方案，见图3 。 [ S [卜 ． S 图 3 方 案二 原理 图． 方案二采用了负载控制的双压力系统 ，由双泵的 交替使用实现液压缸的快速运动及冲压动作 ，提高了 工作效率节约了能源。为更好地实现缸的快速运动， 在系统中加入了蓄能器，它作为辅助动力源，可以在 必要时提高系统流量 ，进而提高执行件的运动速度 ， 同时它还能降低噪声，吸收冲击 ，减少振动。系统中 采用了差动连接回路，并加入一个液动换向阀实现差 动回路的通断和低压泵的卸荷。作者研究的高速冲床 液压系统拟采用方案二。 3 ． 2 系统基本参数 3 ． 2 ． 1 最大冲裁孔径和冲裁板厚的确定 要求系统最大工作载荷 F 2 0 0 k N 。 冲裁力的计算公式为 F 1 ． 3 L t r 1 式中L为冲裁周长 m m ，冲孔时 L,r r D，D为冲 孔直径 m m ； t 为板材厚度 m m ； r为材料抗剪强度 M P a 。 材料抗剪强度不仅与材料的性质有关还与材料硬 化强度、材料相对厚度、凹凸模相对间隙 z ／ t 以 9 0 机床与液压 第4 1 卷 及冲裁速度有关㈨。为简化计算 ，可按表 1选用 r 值。 表 1 冲孔时抗剪强度值 孔径 D Z 0 ． 1 5 t Z 0 ． 0 o 5 f 文中 z 0 ． 1 5 t ，由表 1可以看出 冲孔 直径相对 于板材厚度越大时，其抗剪强度越小。对于高速冲 床，板材厚度一般相对于冲孔直径来说很小，所以此 处选用 h 。 所以冲孔时冲裁力计算公式为 F 1 ． 3 r D t t r b 2 式中o r 为材料抗拉强度 M P a ，为计算方便取钢 材的抗拉强度 o r 5 5 0 M P a 。 由公式 2 可得出针 对不 同板料厚度该 冲床所 能冲裁的最大孑 L 径不同，见表 2 。 表2 一定厚度时该冲床所能冲裁的最大孔径 m m 板厚 t 0 ． 5 1 2 3 4 5 孔径 D 1 7 5 9 0 4 5 3 0 2 2 1 8 高速冲床在冲压 冲 过程 中 ，系统 的 负 载 变化 如 图 4所 示 。图 中t 代表板厚，s 代表 滑块行程。当空行程 运动时，若 忽略摩擦 力的影响系统负载为 零 ；在冲头冲压工件 图4 系统负载变化曲线 的过程中，负载逐渐增大，当冲头到达板厚的 1 ／ 3处 时，冲压力最大 ；随着冲裁的进行，压力又逐渐减 小。 3 ． 2 ． 2 系统压力选定 表3 缸筒内径系列 系统压力越高液压缸的尺寸就越小，所以压力应 选择得尽量高。该系统采用双泵供油，高压泵额定压 力选为 3 1 ． 5 M P a ，低压泵额定压力为 7 M P a 。系统 的 调定工作压力 3 1 ． 5 0 ． 8 2 5 M P a ，所以溢流阀的调 定 压力 为 2 5 M P a 。 3 ． 3 液压缸基本参数确定 液压 缸是该 液压 系统 中的主要元件 ，它能直接带 动冲头进行冲压工作。按照工作要求和工作特点 ，自 行设计了冲压缸。 3 ． 3 ． 1 缸筒的设计计算 缸筒是液压缸的主体零件 ，它与缸盖、活塞等零 件构成密闭容腔，形成内压，推动活塞运动。设计缸 筒时，不仅要保证液压缸的作用力、速度和行程，而 且必须有足够的强度和刚度，以便抵抗液压力和其他 外力的作用。另外缸筒与活塞之间的相对运动 ，既要 能滑动自如，又要能保持密封 ，所以必须具有一定的 几何精度、表面光洁度和配合精度 ] 。 1 内径 D计算 高压时系统最大工作压力为 P 2 5 M P a ，最大负 载 F 2 0 0 k N，初定 系统 阻力 厂 2 5 k N 。 工作时，活塞受力公式为 F p A1 1 9 r D“ ． 3 式 中 F为冲压力 ； 厂 为 系统阻力 ； P为系统压力 ； A 为液压缸活塞面积 ； D为液压缸 内径 。 则液压缸内径可按下式计算 1 0 1 0 7 ． 1 mm 按 照表 3 ，取缸筒 内径 D 1 1 0 m m。 G B ／ T 2 3 4 8 1 9 9 3 8 1 0 1 2 1 6 2 0 2 5 3 2 4 0 5 0 6 3 8 0 1 0 0 1 1 0 1 2 5 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 缸筒 的材料 缸筒的材料一般要 求有 足够 的强度和 冲击韧性 。 文中缸筒材料选用成都液压缸厂生产的高精度 4 5钢 冷拔无缝钢管，内径 D为 1 1 0 m m，壁厚 8为 1 5 m m。 8 ／ D 1 5 ／ 1 1 00 ． 1 30 ． 0 8，所以用下式进行厚度 校核 √ 一 1 丁1 1 0 一 1 - 6 6 m m 0 ． 7 D 0 ． 7 X 1 1 07 7 mm 希望活塞有较高的运动速度 ，可以降低冲压周 期 ，所以活塞杆应尽量选择得大些，以提高液压缸回 表 5 活塞杆直径系列 程速度 ，但因为快进过程采用了差动连接 ，若活塞杆 直径太大，其快速下降的速度便会降低 ，所以应选择 合适的活塞杆直径。 参照表5活塞杆直径系列选取 d 8 0 m m。 G B ／ T 2 3 4 8 1 9 9 3 l O 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 5 2 8 3 2 3 6 4 0 4 5 5 O 5 6 6 3 7 0、 8 0 9 0 1 l 0 l 1 0 1 2 5 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 液压缸基本参数为液压缸内径D1 1 0 m m，活 塞杆直径 d 8 0 m m，缸筒厚度 61 5 m m，活塞行程 s4 0 mm。 3 ． 3 ． 3 液压缸的密封 液压缸密封件选用取决于压力、速度、温度和工 作介质等因素。密封件的合理选用对液压缸有很重要 的意义。密封效果决定了液压缸的容积效率；密封摩 擦力的大小决定了液压缸的机械效率 ；密封件的耐 磨性要好 ，磨损后应有一定程度的 自动补偿，制造简 单、装拆方便 、成本低廉 。 所用液压缸承受的工作压力高，应选用密封性较 好的密封件 ，但密封间隙小容易加大摩擦力，加上该 液压缸运动速度比较快，摩擦阻力大，磨损快，易造 成能量的损失，使系统机械效率降低，温度升高，影 响系统工作，所以应选择合适的密封件。 3 ． 3 ． 4 液压缸选用 液压缸分为通用型液压缸和专用型液压缸两种， 专用型液压缸是专为某一用途设计的液压缸 ，以满足 该用途的特殊要求 ，在结构 、材料、加工精度等方面 都有特殊要求 ；而通用液压缸无特殊的使用要求，结 构简单 ，零部件符合标准化 、通用化的要求 ，因此用 途较广泛 。 作者设计的液压缸选用通用法兰型液压缸，其工 作特点是额定压力高 ，通常额定压力 P ≤3 5 MP a ， 外形尺寸大，适用于较严酷的冲击负载和外界工作条 件 ，也 叫重载型液压缸 。 3 ． 4电机 的选择 泵的输出功率分别为P 4 ． 6 3 k W，P 2 4 ． 1 2 k W，所以选用电机额定功率 1 1 k W，转速 n1 5 0 0 r ／ ra i n ，工作电压 3 8 0 V 。 此处若采用单泵，泵排量为 2 3 ．3 mL ／ 。 n 1 5 0 0 ⋯⋯ ⋯ 电机功率 P P _ 竹 g U 竹 oU X． 1 6 ． 2 X 1 0 W1 6 ． 2 k W，须选用额定功率为 1 8 ． 5 k W 的电机 ，造成能源的浪费。由此也能看方案二比方案 一 更合理。 3 ． 5油箱 的设计 油箱在液压系统中的主要功能是储存液压系统所 需的足够油液 ，散发油液中的热量，分离油液中的气 体及沉淀污物 ，为系统提供元件的安装位置，使液压 系统结构紧凑。 作者研究的液压系统采用开式油箱 ，并将液压泵 安装在油箱 内部 ，这样既可以改善液压泵 的吸人性 能，又能减少设备的安装面积。 油箱容积的估算经验公式为 V 4 对中、高压或高压大功率系统 ， 8 m i n ，q 4 0 L ／ m i n ，代入公式 4 得 V 3 2 0 L ，确定 V 3 5 0 L。 然后用油箱容量 、功率、温升关系图验算容积。 系统允许温度范围在 3 O～ 5 0℃，该系统功率为 1 1 k W，允许温升为 3 5℃，由图 5可查得其容量应为 8 0 0 L 。所以初定的 V3 5 0 L显然不满足散热要求， 应加大容量或增加冷却器。为了降低成本，节省空 间，文中采用增加冷却器的方法。 邮箱容积／ L 50 0 0 32 0 0 2 0 0 01 2 5 0 8 0 0 4 0 0 1 6 01 0 06 34 0 0 2 2 1 5 l 1 ．， 2 2 1 6 7 ． 5 ／ 2 2 1 5 1 l 7． ， 。 。 2 2 1 5 1 1 7 ． 惆 ．， 1 5 l l 7 ．5 5 ．1 4 0 ． S 蕾 1 1 7 ． 5 ． 4 3 0． 培 ， 。 5 ． 1 4 3 2 ． 2 1 ． 5 ．， ， 。 0 5 1 0 1 5 2 0 2 53 03 5 4 0 温度， ℃ 图5 油箱容量、功率、温升关系图 下转第 9 8页 9 8 机床与液压 第 4 1卷 成，这时候 最大，齿轮继续转动， 继续变大， 减小 ，转至图 e 所示位置的时候 ， 增加到最 大，转至， 部分所示的位置时， 变为最小。 一 一 一 E F B e e 位 置 f l p 窿置 图5 无齿侧间隙时的困油过程示意图 因为工作油液的可压缩性非常小，在困油容积从 最大逐渐变小的过程中，封闭的油液瞬间被挤压，压 力迅速升高，在这一瞬间会大大超过齿轮泵的最高输 出压力，导致齿轮轴和轴承受到了非常大的高频率的 冲击载荷，齿轮泵功率损失增大，并引起振动和噪 声 ，致使油液发热、齿轮泵工作不稳定和寿命降低。 在困油容积从最小逐渐变大的过程中，会形成真空并 产生气泡，带来振动、噪声、气蚀等严重后果。所以 困油现象对齿轮泵工作性能和寿命都有非常大的危 害 。 齿轮泵卸荷槽的结构和形式非常多，但是其卸荷 原则是相同的。作者在J H P高压齿轮油泵设计中采 用在侧板上加工卸荷槽的方法来消除困油现象以及其 导致的种种危 害。在保证进出油孔互不沟通的前提 下，在出油孔侧采用无侧隙圆形卸荷槽，使困油容积 与出油孔相通，在进油孔侧采用矩形卸荷槽并结合真 空低压油的轴承 自吸润滑，开设润滑油槽，使困油容 积与轴承孔和低压腔相通。 3结论 随着工程机械液压系统向高压化方向发展，工作 压力逐步提高至 2 0～ 2 5 MP a ，这就要求进一步提高 高压齿轮油泵额定工作压力 2 5 MP a 。在对国内外 同类产品进行详细分析和研究的基础上，结合产品设 计制造经验 ，采用计算机辅助设计 C A D和计算 机辅 助工程 C A E实 现创 新 设计 ，开 发 了 J H P系 列高压齿轮油泵。详细介绍了 J H P系列高压齿轮油 泵的基本组成和结构原理 ，对齿轮油泵各部分进行了 详细的设计和研究。J H P系列高压齿轮油泵的内部结 构特点是采用非对称结构设计 ，减小了齿轮泵从动齿 轮轴承受的液压力和啮合力的合力，从而使主、从动 齿轮支承轴承的负荷基本相当，平衡了整个齿轮泵的 受力 。 参考文献 【 1 】李玉龙， 孙付春． 中高压外啮合齿轮泵端面问隙的理论 计算[ J ] ． 排灌工程学报， 2 0 1 0 ， 3 0 2 1 4 71 5 2 ． 【 2 】罗骥， 蔡盈 ， 吴盛林 ， 等． 水液压内啮合齿轮泵的制造技 术分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 3 6 3 7 4 2 ． 【 3 】M U C C H I E m i l i a n o ， R I V O L A A l e s s a n d r o ． I n fl u e n c e o f D e ． s i g n a n d Op e r a t i o n a l P a r a me t e r s o n t h e Dy n a mi c B e h a v i o r o f G e ar P u mp[ C] ／ ／ T h e 1 4 t h I n t e m a t i o n al C o n g r e s s o n S o u n d Vi b r a t i o n， Ca i r n s ， Au s t r ali a ， 2 0 0 7 ． 【 4 】李玉龙， 许泽银 ， 徐强． 齿轮泵补偿面设计的参数化研究 [ J ] ． 农业机械学报， 2 0 0 5 ， 3 6 8 7 07 3 ． 【 5 】 范存德． 液压技术手册 [ M] ． 沈阳 辽宁科学技术 出版 社 ， 2 0 0 4 ． 上接 第9 1页 4总结 对高速冲床的液压系统进行了设计 ，先根据高速 冲床的工作要求确定其液压系统原理图，提出了两种 设计方案 ，分析了它们各 自的特点并进行比较，选出 最佳方案；其次根据设计要求确定工作参数，包括压 力、冲程、冲压力、冲压频率等；然后针对其工作要 求对液压系统中各元件进行设计和选用 ，主要对执行 元件液压缸进行了设计，包括主要尺寸的确定、材料 的选择、强度的校核等，对于系统 中的其他液压元 件 ，主要根据样本选用市场上已经成熟的产品。 参考文献 【 1 】李勇． 新一代冲压技术[ J ] ． 新技术新工艺， 2 0 0 3 4 3 1 3 2 【 2 】 俞新陆． 液压机[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 0 ． 【 3 】 吴宗泽． 机械设计师手册[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 o o 2 ． 【 4 】 严寿康． 冲压工艺及冲模设计[ M] ． 北京 国防工业出版 社 ， 1 9 9 3 ． 【 5 】 刘延俊． 液压与气压传动[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 o o 3 ． 【 6 】 杨培元 ， 朱福元． 液压系统设计简明手册[ M] ． 北京 机 械工业出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 7 】陈铁民， 荆宝德． 皮囊式液压蓄能器的选择与计算 [ J ] ． 建筑机械 ， 1 9 9 5 8 2 1 2 2 ． 【 8 】 雷天觉． 新编液压工程手册[ M] ． 北京 北京理工大学出 版社， 1 9 9 8 ． 【 9 】 刘专． 液压高速 回路中蓄能器的分析和计算 [ J ] ． 液压 与气动， 2 0 0 4 5 6 4 6 5 ．