带锯式切断机液压系统设计.pdf

２０１６ 年 ４ 月 第 ４４ 卷 第 ８ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ａｐｒ􀆱 ２０１６ Ｖｏｌ􀆱 ４４ Ｎｏ􀆱 ８ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１６􀆱 ０８􀆱 ０３２ 收稿日期 ２０１５－０１－１４ 基金项目 河南省教育厅科学技术研究重点项目 （１４Ｂ４８０００４）； 许昌市科技发展计划项目 （１５０２０９４）； 许昌学院优秀青年 骨干教师资助项目 作者简介 周雅 （１９８２）， 女， 硕士， 讲师， 主要研究方向为机电系统设计及其控制。 Ｅ－ｍａｉｌ ｚｈｏｕｙａｔｏｐ＠ １２６􀆱 ｃｏｍ。 带锯式切断机液压系统设计 周雅 （许昌学院电气工程学院， 河南许昌 ４６１０００） 摘要 根据带锯床结构特点， 介绍一种用于切割金属材料的切断机的结构、 工作原理， 依据切断机各阶段工作特点及 负载， 设计液压系统， 并对系统部分重要元件如液压泵、 进刀油缸、 轴向压紧缸、 径向压紧缸、 马达等进行了设计选型。 关键词 切断机； 带锯式； 液压系统； 元件选型 中图分类号 ＴＨ１３８ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１６） ０８－０９６－３ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｂａｎｄ Ｓａｗ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ ＺＨＯＵ Ｙａ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｘｕｃｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｘｕｃｈａｎｇ Ｈｅｎａｎ ４６１０００， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｂａｎｄ ｓａｗ ｍａｃｈｉｎｅ， ｔｈｅ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｆｏｒ ｍｅｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ’ｓ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｔｓ ｔａｓｋ ｐｅｃｕｌｉａｒｉｔｙ ｏｆ ｓｔａｇｅｓ ａｎｄ ｌｏａｄｓ． Ｓｏｍｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｕｍｐ， ｆｅｅｄ ｃｙｌｉｎｄｅｒ， ａｘｉａｌ ｃｌａｍｐｉｎｇ ｃｙｌｉｎｄｅｒ， ｒａｄｉａｌ ｃｌａｍｐｉｎｇ， ｍｏｔｏｒ， ｗｅｒｅ ｃｈｏｓｅｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｃｕｔｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ； Ｂａｎｄ ｓａｗ ｔｙｐｅ； Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ； Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ 在日常加工中， 大多数型材件， 如圆钢、 圆管、 角钢、 槽钢等需要切断即下料， 以达到零件的尺寸要 求。 目前下料多用带锯床、 砂轮切割机等。 大多数是 单根切割， 手工压紧， 效率低， 人工劳动强度大， 切 割尺寸有限制。 带锯床又分为立式带锯床、 可倾式带 锯床和卧式带锯床。 卧式带锯床适用于各种金属的圆 料、 型材、 锻坯和管材的切断工序和批量生产， 还可 适用于小规格材料的成束锯削。 目前， 卧式带锯床大 多采用电机直接带动， 或是通过变速箱变速后带动锯 盘转动， 从而带动锯刀进行切削， 这种传动方式损耗 能量大， 效率低， 结构复杂， 容易出现故障， 而且维 护不方便， 卸料多是人工操作， 既不安全， 又降低效 率， 自动化程度不高。 针对上述对带锯床加工特点的分析， 作者对某型 带锯床进行了升级改造， 其结构简图如图 １ 所示， 锯 梁由左、 中、 右梁连接而成， 右梁右端铰链连接于工 作台上， 左端在进刀油缸的驱使下做升降运动， 右梁 箱内的主动轮在马达的驱使下转动， 左箱内的被动轮 装在张紧调节装置上， 带锯条在两轮的张紧下作回转 运动， 中梁上悬装左、 右导向臂， 其导向轴承保证了 带锯运动的稳定和精度。 马达位于右梁后下面， 直接 带动机床主轴转动， 以使带锯实现无级变速。 由油缸 活塞杆带动左钳与右钳开合达到轴向压紧目的， 由油 缸活塞杆带动压紧钢板上下升降达到径向压紧目的。 卸料时， 卸料缸活塞杆的伸缩使前方工作台倾斜， 达 到使成品件自动滑落的目的。 根据卧式带锯床的工作 原理及加工零件的形状特点， 液压系统可实现的动作 循环过程为 轴向、 径向压紧缸同步伸出压紧工件→ 液压马达旋转→进刀油缸工作→进刀油缸退回， 轴 向、 径向缸松开→卸料缸伸出→卸料缸缩回。 图 １ 卧式带锯床结构简图 １ 液压系统设计 液压系统作为卧式带锯式切断机的重要驱动方 式， 主要用来使切断机完成压紧、 切断、 卸料等动 作， 主要由轴向压紧缸、 径向压紧缸、 液压马达、 卸 料缸、 进刀油缸和各种阀组成。 根据系统的工作要求 和特点， 拟定的卧式带锯式切断机液压系统原理图如 图 ２ 所示。 图 ２ 液压系统图 系统主要工作流程如下 轴向、 径向压紧缸同步伸出压紧工件。 按下启动 按钮， 电磁铁 １ＹＡ 得电， 油液经油箱、 过滤器、 液 压泵、 单向阀 １４、 减压阀进入换向阀 １０ 左位， 通过 分流阀分为两路流量相同的油路， 分别进入轴向压紧 缸和径向压紧缸无杆腔， 推动活塞杆同步运动， 实现 轴向、 径向同步压紧工件， 当达到设定压力时， 压力 继电器 ６ 和压力继电器 ２３ 分别发出信号， 电磁铁 ５ＹＡ 得电。 液压马达旋转。 电磁铁 ５ＹＡ 得电， 换向阀 ８ 右 位动作， 油液经油箱、 过滤器、 液压泵、 单向阀 １４、 减压阀进入换向阀 ２２ 右位， 通过调速阀进入液压马 达， 驱动液压马达旋转， 带动右梁箱内的主动轮转 动， 主动轮带动左梁箱内装在张紧调节装置上的被动 轮转动， 从而带动张紧在两轮中的带锯条作回转运 动， 运动速度由调速阀控制。 进刀油缸工作。 油液经油箱、 过滤器、 液压泵、 单向阀 １４、 减压阀、 单向阀 １５、 换向阀 ８ 左位进入 进刀油缸无杆腔， 活塞杆伸出， 推动锯梁下降， 锯条 下降接触工件进行切割， 当碰到行程开关 ２５ 时， 电 磁铁 ２ＹＡ、 ４ＹＡ 同时得电。 进刀油缸退回， 轴向、 径向缸松开。 电磁铁 ４ＹＡ 得电， 换向阀 ８ 右位工作， 油液通过换向阀 ８ 右位进 入进刀油缸有杆腔， 活塞杆缩回， 带动锯梁上升； 电 磁铁 ２ＹＡ 得电， 换向阀 １０ 右位工作， 油液分别进入 轴向压紧缸和径向压紧缸有杆腔， 推动活塞杆缩回， 松开工件， 碰到行程开关 ２６ 时， 电磁铁 ２ＹＡ 失电， ３ＹＡ 得电。 卸料缸伸出。 电磁铁 ３ＹＡ 得电， 换向阀 ９ 右位 工作， 油液径油箱、 过滤器、 液压泵、 单向阀 １４、 换向阀 ９ 右位进入卸料缸无杆腔， 推动活塞杆运动， 带动工作台倾斜进行卸料， 碰到行程开关 ５， 卸料结 束， 电磁铁 ３ＹＡ 失电。 卸料缸缩回。 电磁铁 ３ＹＡ 失电， 换向阀 ９ 左位工 作， 活塞杆缩回， 推动工作台升起， 重复以上操作。 ２ 系统主要元件设计选型 切割机所切材料参数 圆管毛坯长度为 ６ ０００ ｍｍ， 外径 ３２ ｍｍ， 内径 ２４ ｍｍ。 切断每根长度为 ５６３ ｍｍ， 每次切断 ８ 根， 每班按 ７ ｈ 计， 每班完成成品 件 ５ ０００ 根。 因 此， 每 锯 切 一 次 所 用 时 间 ｔ ＝ ３ ６００７ ５ ０００／８ ＝ ４０􀆱 ３２ ｓ， 所 切 圆 管 横 截 面 积 Ａ ＝ π（Ｄ２ － ｄ ２） ４ ＝ ３５１􀆱 ６８ ｍｍ２， 每次锯切总面积 ＡＤ＝ ８Ａ＝８３５１􀆱 ６８ ＝ ２ ８１３􀆱 ４４ ｍｍ２， 所以， 材料切除率 Ｑ＝ ＡＤ Ｔ ＝ ２ ８１３􀆱 ４４１０ －２ ４０􀆱 ３２／６０ ＝ ４１􀆱 ８６ ｃｍ２／ ｍｉｎ。 根据 机械 加工工艺师手册 取 Ｑ＝ ４５ ｃｍ２／ ｍｉｎ， ｖＣ＝ ７０ ｍ／ ｍｉｎ， 则带锯转速 ｎ１＝ ｖＣ Ｌ ＝ ７０１０３ ４ １００ ≈１７ ｒ／ ｍｉｎ， 带锯轮转速 ｎ２＝ ６０ｖ πｄ ＝ ６０７０１０３／６０ ３􀆱 １４４７０ ＝４７ ｒ／ ｍｉｎ。 由于目前锯切切削力没有确切计算公式， 因此只 有参照加工原理特点类似的铣削公式， 由 机械加 工 工 艺 师 手 册 查 得，铣 削 公 式ＦＺ＝ ＣＦＫＦａ０􀆱 ８６ ｅ ａ０􀆱 ７２ ｆ ｄ －０􀆱 ８６ ０ Ｚａｐ， 将相关参数代入公式， 得切削 力 ＦＣ ＝Ｆ Ｚ＝６７０１􀆱 ８６６２􀆱 ８ ０􀆱 ８６０􀆱 １５０􀆱 ７２１ ３０５􀆱 ７３－０􀆱 ８６ ８２０１􀆱 ５＝１ ９９６􀆱 ２ Ｎ， 所以， 切削功率 ＰＣ ＝Ｆ ＣｖＣ ＝１ ９９６􀆱 ２７０／６０＝２ ３２８􀆱 ９ Ｗ。 ２􀆱 １ 马达主要参数 马达功率 Ｐ＝ ＰＣ ηＣ ＝ ２ ３２８􀆱 ９ Ｗ ０􀆱 ９４ ≈２􀆱 ５２ ｋＷ， 输出转 矩 ＴＣ ＝ Ｆ Ｃ Ｄ工／ η ＝ １ ９９６􀆱 ２ ３１􀆱 ５ １０ －３ ／０􀆱 ８ ≈７９ Ｎｍ， 因此， 选择型号为 １ＱＪＭ００１⁃０􀆱 ０６３ 的径向球 塞轴转液压马达， 其排量为 ０􀆱 ０６４ Ｌ／ ｒ， 额定压力为 １０ ＭＰａ， 额定输出转矩为 ９５ Ｎｍ。 ２􀆱 ２ 轴向、 径向压紧缸选择计算 由 机床夹具手册 得， 当与切削力方向相反 时夹紧力 Ｗｋ＝ＫＦ， 当与切削力方向垂直时 Ｗｋ＝ Ｋ Ｆ／ （ｕ１ ＋ ｕ ２）， 由 机床夹具手册 查得 Ｋ＝ ３􀆱 ３６９， ｕ１＝ ０􀆱 １６， ｕ２＝ ０􀆱 １８， 则轴向夹紧力 Ｗｋ１＝ ＫＦ ＝ ３􀆱 ３６９１ ９９６􀆱 ２ ＝ ６ ７２５􀆱 ２ Ｎ， 径向压紧力 Ｗｋ＝ Ｋ Ｆ／ （ｕ１ ＋ ｕ ２） ＝ １９ ７７９􀆱 ９５ Ｎ。 由 机械设计手册 得液压缸的理论作用力 Ｆ＝ Ｆ０ ψηＴ， 查表得负载率 ψ＝ ０􀆱 ７， 总效率 ηｔ ＝ ０􀆱 ９５， 所以 Ｆ１＝１０ １１３􀆱 ０８ Ｎ， Ｆ２＝ ２９ ７４４􀆱 ３５ Ｎ， 取供油压力 ｐ＝ ７９第 ８ 期周雅 带锯式切断机液压系统设计 ６􀆱 ３ ＭＰａ， 所以轴向缸内径 Ｄ１＝ ４Ｆ１ πｐ ＝ ４５􀆱 ２２ ｍｍ， 径向缸内径 Ｄ２＝ ４Ｆ２ πｐ ＝ ７７􀆱 ５５ ｍｍ， 根据公式 ｄ ＝ Ｄ φ φ－１ 求得活塞杆直径分别为 ｄ１＝ ２５ ｍｍ、 ｄ２ ＝ ４０ ｍｍ。 经圆整后， 选取轴向压紧缸型号为 ＤＧ⁃Ｊ８０Ｃ⁃ Ｅ１Ｌ， 缸筒内径 Ｄ ＝ ５０ ｍｍ， 活塞杆直径 ｄ ＝ ２８ ｍｍ； 径 向 压 紧 缸 型 号 为ＧＤ２５０Ｆ４０／２８⁃５０Ａ１０／ ０２ＣＧＧＵＭＡ， 缸筒内径 Ｄ′＝ ８０ ｍｍ， 活塞杆直径 ｄ′＝ ４５ ｍｍ。 ２􀆱 ３ 卸料缸选择计算 活塞杆上实际作用力为成品件和工作台重力， 估 算重力为 Ｇ ＝ ρ［π（Ｄ ２ ＋ ｄ ２） ４ ５６３ ８ ＋ ２６０ １５ ６００］ １０ －９ ｇ ＝ ２９３􀆱 ０６ Ｎ， 因此选择卸料缸型号为 ＨＳＧ􀆱 Ｌ⁃４０／１６􀆱 Ｈ⁃１１３１􀆱 ３５０， 缸筒内径 Ｄ″＝ ４０ ｍｍ， 活 塞杆直径 ｄ″＝１５ ｍｍ。 ２􀆱 ４ 进刀油缸选择计算 进刀时活塞杆受锯切所产生的阻力， 已知切削力 ＦＣ＝１ ９９６􀆱 ２ Ｎ； 退刀时活塞杆受锯梁自重 Ｇ， Ｇ ＝ Ｖρｇ＝２ ０００６００１００１０ －９ ７􀆱 ８５１０３９􀆱 ８≈９ ０００ Ｎ， 因 Ｇ≫ＦＣ， 按 Ｆ０＝Ｇ 计算， 液压缸的理论作用力 Ｆ＝ Ｆ０ ψηＴ ＝ ９ ０００ ０􀆱 ６０􀆱 ９ ＝１６ ６６６􀆱 ７ Ｎ， 取 ｐ＝６􀆱 ３ ＭＰａ， 得 Ｄ＝ ４Ｆ πｐ ≈６０ ｍｍ， ｄ ＝ Ｄ φ φ－１ ＝ ２８􀆱 ９４ ｍｍ， 取 Ｄ‴ ＝ ６３ ｍｍ， ｄ‴ ＝３２ ｍｍ， 因此选择液压缸型号为 ＨＳＧ Ｌ⁃６３／ ３２ Ｈ⁃１１３１ ２６０。 ２􀆱 ５ 液压油缸选择计算 液压系统最大流量发生在夹具松开之后， 通流截 面积 Ａ＝Ａｊ１＝６􀆱 ５１０ －３ ｍ２， 初选活塞移动速度 ｖ＝ｖｊ２＝ ０􀆱 １６ ｍ／ ｓ， 则系统所需的最大流量 Ｑｍａｘ ＝ Ａｖ ｊ２＝ ６􀆱 ５ １０ －３ ０􀆱 １６ ｍ／ ｓ＝１􀆱 ０４１０ －３ ｍ３／ ｓ， 考虑液压系统流量 损失， 则实际流量 Ｑａｃ＝ Ｑｍａｘ ０􀆱 ８ ＝ １􀆱 ０４１０ －３ ０􀆱 ８ ＝ １􀆱 ３１０ －３ ｍ３／ ｓ， 则实际排量 ｑａｃ＝ Ｑａｃ ｎＤ ＝ ５４􀆱 ９２ ｍＬ／ ｒ （ｎＤ为驱动 液压泵的电机工作转速， ｎＤ＝ １ ４２０ ｒ／ ｍｉｎ）， 因此选 择型号为 １ＰＶ２Ｖ４１０／２０ＲＡ１ＭＣＯ１６Ｎ１ 变量叶片泵， 其性能参数如表 １ 所示。 表 １ 液压泵技术参数 公称排量 ｑｔ／ （ＭＬｒ －１ ）２０ 额定压力 ｐ／ ＭＰａ１６ 驱动功率 Ｐ／ ｋＷ３ 电机转速 ｎＤ／ （ｒｍｉｎ －１ ）１ ４２０ 容积效率 ηｖ０．９５ ３ 阀类元件及辅助元件 阀类元件及其他元件型号性能参数如表 ２ 所示。 表 ２ 阀类元件及其他辅助元件表 元件号名称型号规格 １２先导式溢流阀ＤＢ／ ＤＢＷ１Ｏ最大流量 ２５０Ｌ／ ｍｉｎ １３远程调压阀ＹＴＦ３⁃６Ｂ额定流量 ２ Ｌ／ ｍｉｎ １４、 １５Ｓ 型单向阀Ｓ８Ｋ１１０ １０三位四通电磁换向阀４ＷＥ１０Ｂ２０／０ＦＡＷ２２０ＲＮ额定流量 １００ Ｌ／ ｍｉｎ ８、 ９、 ２２二位四通电磁换向阀４ＷＥ１０Ｂ２０／０ＦＡ２２０ＲＮ额定流量 １２０ Ｌ／ ｍｉｎ １１Ｒ 型先导式减压阀ＲＴ１０Ｃ２２最大流量 １００ Ｌ／ ｍｉｎ ６、 ２３压力继电器ＨＥＤ１Ｋ最大工作压力 ６０ ＭＰａ ７分流阀ＦＤＬＢ１０Ｈ公称通径 １０ ｍｍ ５、 ２５、 ２６行程开关ＬＸ１９⁃００１ （Ｂ）动作力 Ｆ＜１􀆱 ５ Ｎ ４ 结束语 简要介绍了用于加工金属棒料切断机的结构特 点， 并设计出该设备的液压系统， 选择符合要求的液 压元件。 该液压系统是在与常用的卧式带锯床进行对 比而改进的设计， 用液压马达取代齿轮变速箱来驱动 设备主轴， 实现无级变速， 并能实现自动压紧、 自动 卸料， 结构紧凑、 精度高、 锯缝窄、 噪声小、 操作方 便， 自动化程度高， 很好地满足了市场需求。 参考文献 ［１］ 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