专用自动钻床液压传动系统设计
The design of the fluid drive system for special automatic drill presses
深圳职业技术学院(518055) 朱光力
Shenzhen polytechnic ZHU Guanglli
摘要：本文以一台专用钻床为例，介绍了液压系统的有关计算、设计步骤、元器件选择；{zh1}重点介绍了该液压系统的电气控制回路的设计方法。
关键词：专用钻床、液压系统、电气控制。
Abstract: Using a special drill press as the example, this paper introduces some involved calculations, the desing steps, and the choices of the parts as well for the hydraulic pressure system. At the end of the paper, the design method of the electric control circuit for the system is also presented.
Keywords: special drill press, hydraulic pressure system, electric control.
图1所示工件，大批量生产，本工序钻削工件上的一φ15偏心孔，工件材料为铸铁，材料硬度HB220，为此设计一全自动专用钻床，只要将工件堆积在料斗里，一按开关就可重复自动完成从送料→加工结束这一全部的过程。
图1 工件
设计的该专用钻床的加工工位大致结构如图2所示，其工作循环步骤为：
按钮→送料缸进→送料缸初始退→送料缸全退同时夹紧缸进→钻削缸快进
→钻削缸工进→钻削缸快退→夹紧缸退→
图2 自动钻床加工工位结构简图
一、负载分析
根据工件材料查机械加工工艺手册，得出钻孔的较合适的表面切削速度为：
V＝21 ～30 m/min
从而计算出主轴的转速为：
446 ～ 637 r/min
由加工直径查工艺手册，得出加工每转进给量：
f = 0.18 ～ 0.38 mm/r
从而计算出钻削缸的轴向进给速度：
Vf = 80 ～ 242 mm/min
根据切削原理得出钻削力计算公式：
扭矩： (N.m)
轴向力： ( N )
根据工件材料查有关手册得出：
CM = 210; XM = 2; YM = 0.8; CF =427; XF =1; YF =0.8
=1.09
故计算出在本工艺条件下的{zd0}钻削扭矩及{zd0}钻削轴向力：
= 23.69 (N.M) = 2946(N)
1、钻削缸受力计算
钻削缸所受轴向力等于钻削轴向力减去动力头的重量 ：小于2946 N
2、夹紧缸受力计算
根据夹具结构画出受力简图，如图3所示，根据 理论力学分析进行计算得出：
夹紧力：
其中：
f — 摩擦系数，取0.2；
图3 受力分析图
α － V型块夹角，本结构为900；
D － 被夹工件直径，本工件直径为80mm。
故计算出夹紧力：W＝ 1219 （N）
考虑安全系数2.5～3，取为3。
所以夹紧缸应承受负载 W缸＝1219×3＝3657 （N）
3、送料缸的受力计算
送料缸在推进工件时，工件受料斗上面所堆积工件重量的压力而在所推进工件的上下两面产生摩擦阻力, 每个工件的重量为0.6kg，最多堆集20个，故摩擦阻力为：
Ff = 2Q总.f＝2×（20－1）×6×0.2 = 45.6 (N)
故送料缸所受{zd0}轴向力为摩擦阻力加工件重量：
F缸＝45.6 +6 =51.2 (N)
由于力很小，所以将送料缸的运动近似认为空载运动。
二、液压缸的选择
本例工艺要求送料缸送料速度大于50mm/s, 钻削缸快进速度大于50mm/s。
查液压传动产品手册：
选内径×活塞杆径＝40×20mm的液压缸作为夹紧缸，则当液压缸内油的压力达到P = W缸/A =4×3657/3.14/402 =2.91 Mpa 时就可夹紧工件；选该液压缸行程不小于40mm。
因为钻削缸要支撑动力头，又双向受力，选直径大一点的液压缸，另外由于有差动联接要使得快进和退回的速度较接近而选活塞杆直径较粗的液压缸，故选内径×活塞杆径＝50×32mm的液压缸作为钻削缸，则当液压缸内油的压力大于
P = F/A =4×2946/3.14/502 =1.55 Mpa 时就可钻削工件；由于钻削快进采用差动联接，所以当输入流量达到Q＝v×3.14×d2/4=50×60×3.14×322/4 = 2.41 /min 就能满足钻削缸快速进给要求；选该液压缸的行程不小于35mm.
选内径×活塞杆径＝32×16mm的液压缸作为送料缸，当输入流量达到:
Q＝v×A=50×60×3.14×322/4 =2.35 /min 就能满足送料速度要求；液压缸的行程根据具体结构确定。
三、选择液压泵
根据以上所需{zd0}压力及{zd0}流量并考虑一定的损耗，所选泵的额定流量：
Q泵 ≥K漏Q缸＝1.1×2.41 =2.65 ( /min)
所选泵的额定压力：
P泵 ≥K压P缸 = 1.3×2.91=3.78 (Mpa)
查液压产品目录：
选泵型号：YB1-2.5 额定压力为6.3 Mpa，排量为2.5m /r ,转速为1450r/min的定量叶片泵。
该泵的输出流量为 Q = 2.5×1450 =3.6 ( /min)
油箱设计为7～14 。
四、选择阀及液压回路设计
送料缸换向选用两位四通电磁阀，能满足送料要求；夹紧缸换向选用两位四通电磁阀，在夹紧工件时，能一直保持一定的压力；钻削缸换向选用三位四通电磁阀。
由于钻削缸的压力小于夹紧缸的压力，故在钻削支路上接一个减压阀，以保证夹紧力在切削过程中不下降。
由于钻削缸垂直安装，为使得运动平稳，采用液压缸出口节流调速回路。
以泵的额定压力6.3 Mpa、流量3.6 /min 为基准选择各种电磁换向阀、溢流阀、减压阀、调速阀等元件，元件的具体型号不一一叙述。
为节约能源，钻削缸快进采用差动回路。
具体设计的液压回路见图3所示。
图4 液压传动回路
五、电气控制回路设计
该自动钻床工作循环过程如前所述，由于送料杆和夹紧杆同时伸出到位时会产生干涉，所以要等送料缸退回才能夹紧，但为了节约时间，在送料缸刚好退出干涉位置时，夹紧缸就动作，使得夹紧与送料缸后退同步。
控制回路具体设计步骤如下：
1．绘制各液压缸位移顺序图，如图5a)所示，其中A为送料缸，B为夹紧缸，C为钻削缸。
2．以行程开关压下为1，弹起为0，绘制开关信号图，如图5b)所示。
3．由于在第4步和第7步有两组相同的信号，故将所有信号分成两级，图5c)所示
4.以0→1为触发信号，绘制开关动作图，如图8所示。在第7步因为和第4步信号相同所以在该组加1个继电器K常开触点。
5．绘制线圈（电磁铁、继电器）通断电图，注意在I级和II级交界处增加一个继电器通电，以便进行分级的转换，在II级结束时继电器断电，如图5e)所示。
图5 液压传动回路动作图
6．根据图5d)、5e) 绘制电气控制回路图，如图6所示，图中继电器K5为图5e）所示的分级转换继电器K。工作时按一下带自锁的按钮SB1使YA通电，即可连续的重复本例所要求的工作循环过程，如要短暂停机，则按SB1使断电，再按SB2液压泵卸荷。
若采用PLC控制，则将图6电气控制回路图转换为梯形图，如图7所示，以三菱FX2系列PLC为例，符号说明如下：
输入:SB1- X0; a0-X1; a1-X2; a2-X3; b0-X4;b1-X5; c0-X6;c1-X7;c2-X10;SB2-X11。
输出：YA-Y0；YB-Y1；YC1-Y2；YC2-Y3；YC0-Y4；YD-Y5。
继电器：K3- M0；K5- M1；K6- M2；K7可省略。
图6 电气控制回路图 图7 PLC改造梯形图
参 考 文 献
1．金属切削机床夹具设计手册 机械工业出版社． 1995
2．金属切削原理与刀具设计 华南理工大学 甘肃工业大学 上海科技出版社1980
3．气动自动化系统的优化设计 陆鑫盛、周洪 上海科技文献出版社 2000
The design of the fluid drive system for special automatic drill presses
深圳职业技术学院(518055) 朱光力
Shenzhen polytechnic ZHU Guanglli
摘要：本文以一台专用钻床为例，介绍了液压系统的有关计算、设计步骤、元器件选择；{zh1}重点介绍了该液压系统的电气控制回路的设计方法。
关键词：专用钻床、液压系统、电气控制。
Abstract: Using a special drill press as the example, this paper introduces some involved calculations, the desing steps, and the choices of the parts as well for the hydraulic pressure system. At the end of the paper, the design method of the electric control circuit for the system is also presented.
Keywords: special drill press, hydraulic pressure system, electric control.
图1所示工件，大批量生产，本工序钻削工件上的一φ15偏心孔，工件材料为铸铁，材料硬度HB220，为此设计一全自动专用钻床，只要将工件堆积在料斗里，一按开关就可重复自动完成从送料→加工结束这一全部的过程。
图1 工件
设计的该专用钻床的加工工位大致结构如图2所示，其工作循环步骤为：
按钮→送料缸进→送料缸初始退→送料缸全退同时夹紧缸进→钻削缸快进
→钻削缸工进→钻削缸快退→夹紧缸退→
图2 自动钻床加工工位结构简图
一、负载分析
根据工件材料查机械加工工艺手册，得出钻孔的较合适的表面切削速度为：
V＝21 ～30 m/min
从而计算出主轴的转速为：
446 ～ 637 r/min
由加工直径查工艺手册，得出加工每转进给量：
f = 0.18 ～ 0.38 mm/r
从而计算出钻削缸的轴向进给速度：
Vf = 80 ～ 242 mm/min
根据切削原理得出钻削力计算公式：
扭矩： (N.m)
轴向力： ( N )
根据工件材料查有关手册得出：
CM = 210; XM = 2; YM = 0.8; CF =427; XF =1; YF =0.8
=1.09
故计算出在本工艺条件下的{zd0}钻削扭矩及{zd0}钻削轴向力：
= 23.69 (N.M) = 2946(N)
1、钻削缸受力计算
钻削缸所受轴向力等于钻削轴向力减去动力头的重量 ：小于2946 N
2、夹紧缸受力计算
根据夹具结构画出受力简图，如图3所示，根据 理论力学分析进行计算得出：
夹紧力：
其中：
f — 摩擦系数，取0.2；
图3 受力分析图
α － V型块夹角，本结构为900；
D － 被夹工件直径，本工件直径为80mm。
故计算出夹紧力：W＝ 1219 （N）
考虑安全系数2.5～3，取为3。
所以夹紧缸应承受负载 W缸＝1219×3＝3657 （N）
3、送料缸的受力计算
送料缸在推进工件时，工件受料斗上面所堆积工件重量的压力而在所推进工件的上下两面产生摩擦阻力, 每个工件的重量为0.6kg，最多堆集20个，故摩擦阻力为：
Ff = 2Q总.f＝2×（20－1）×6×0.2 = 45.6 (N)
故送料缸所受{zd0}轴向力为摩擦阻力加工件重量：
F缸＝45.6 +6 =51.2 (N)
由于力很小，所以将送料缸的运动近似认为空载运动。
二、液压缸的选择
本例工艺要求送料缸送料速度大于50mm/s, 钻削缸快进速度大于50mm/s。
查液压传动产品手册：
选内径×活塞杆径＝40×20mm的液压缸作为夹紧缸，则当液压缸内油的压力达到P = W缸/A =4×3657/3.14/402 =2.91 Mpa 时就可夹紧工件；选该液压缸行程不小于40mm。
因为钻削缸要支撑动力头，又双向受力，选直径大一点的液压缸，另外由于有差动联接要使得快进和退回的速度较接近而选活塞杆直径较粗的液压缸，故选内径×活塞杆径＝50×32mm的液压缸作为钻削缸，则当液压缸内油的压力大于
P = F/A =4×2946/3.14/502 =1.55 Mpa 时就可钻削工件；由于钻削快进采用差动联接，所以当输入流量达到Q＝v×3.14×d2/4=50×60×3.14×322/4 = 2.41 /min 就能满足钻削缸快速进给要求；选该液压缸的行程不小于35mm.
选内径×活塞杆径＝32×16mm的液压缸作为送料缸，当输入流量达到:
Q＝v×A=50×60×3.14×322/4 =2.35 /min 就能满足送料速度要求；液压缸的行程根据具体结构确定。
三、选择液压泵
根据以上所需{zd0}压力及{zd0}流量并考虑一定的损耗，所选泵的额定流量：
Q泵 ≥K漏Q缸＝1.1×2.41 =2.65 ( /min)
所选泵的额定压力：
P泵 ≥K压P缸 = 1.3×2.91=3.78 (Mpa)
查液压产品目录：
选泵型号：YB1-2.5 额定压力为6.3 Mpa，排量为2.5m /r ,转速为1450r/min的定量叶片泵。
该泵的输出流量为 Q = 2.5×1450 =3.6 ( /min)
油箱设计为7～14 。
四、选择阀及液压回路设计
送料缸换向选用两位四通电磁阀，能满足送料要求；夹紧缸换向选用两位四通电磁阀，在夹紧工件时，能一直保持一定的压力；钻削缸换向选用三位四通电磁阀。
由于钻削缸的压力小于夹紧缸的压力，故在钻削支路上接一个减压阀，以保证夹紧力在切削过程中不下降。
由于钻削缸垂直安装，为使得运动平稳，采用液压缸出口节流调速回路。
以泵的额定压力6.3 Mpa、流量3.6 /min 为基准选择各种电磁换向阀、溢流阀、减压阀、调速阀等元件，元件的具体型号不一一叙述。
为节约能源，钻削缸快进采用差动回路。
具体设计的液压回路见图3所示。
图4 液压传动回路
五、电气控制回路设计
该自动钻床工作循环过程如前所述，由于送料杆和夹紧杆同时伸出到位时会产生干涉，所以要等送料缸退回才能夹紧，但为了节约时间，在送料缸刚好退出干涉位置时，夹紧缸就动作，使得夹紧与送料缸后退同步。
控制回路具体设计步骤如下：
1．绘制各液压缸位移顺序图，如图5a)所示，其中A为送料缸，B为夹紧缸，C为钻削缸。
2．以行程开关压下为1，弹起为0，绘制开关信号图，如图5b)所示。
3．由于在第4步和第7步有两组相同的信号，故将所有信号分成两级，图5c)所示
4.以0→1为触发信号，绘制开关动作图，如图8所示。在第7步因为和第4步信号相同所以在该组加1个继电器K常开触点。
5．绘制线圈（电磁铁、继电器）通断电图，注意在I级和II级交界处增加一个继电器通电，以便进行分级的转换，在II级结束时继电器断电，如图5e)所示。
图5 液压传动回路动作图
6．根据图5d)、5e) 绘制电气控制回路图，如图6所示，图中继电器K5为图5e）所示的分级转换继电器K。工作时按一下带自锁的按钮SB1使YA通电，即可连续的重复本例所要求的工作循环过程，如要短暂停机，则按SB1使断电，再按SB2液压泵卸荷。
若采用PLC控制，则将图6电气控制回路图转换为梯形图，如图7所示，以三菱FX2系列PLC为例，符号说明如下：
输入:SB1- X0; a0-X1; a1-X2; a2-X3; b0-X4;b1-X5; c0-X6;c1-X7;c2-X10;SB2-X11。
输出：YA-Y0；YB-Y1；YC1-Y2；YC2-Y3；YC0-Y4；YD-Y5。
继电器：K3- M0；K5- M1；K6- M2；K7可省略。
图6 电气控制回路图 图7 PLC改造梯形图
参 考 文 献
1．金属切削机床夹具设计手册 机械工业出版社． 1995
2．金属切削原理与刀具设计 华南理工大学 甘肃工业大学 上海科技出版社1980
3．气动自动化系统的优化设计 陆鑫盛、周洪 上海科技文献出版社 2000
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