CK6152數控機床液壓系統設計

胡 波

0 引言

CK6152數控車床屬于經濟型數控機床，很多動作仍然需要手工完成，如用卡盤裝夾工件、刀架固定刀具、尾座的伸縮等，這就大大降低了生產效率。如果在不對機床進行大范圍改動且成本費用不高的情況下，對機床進行部分改進和改造就顯得非常必要。本文就是基于此目的，介紹了一種CK6152數控機床進行液壓系統改造的方案，并且實現了可觀的經濟效益。

1 液壓系統方案

本方案是基于實現CK6152機床卡盤夾緊工件、刀架固定刀具、尾座伸縮有手動變為自動的一種液壓系統設計。在設計時，首先分析了卡盤、刀架、尾座三部分各自通過液壓實現自動的方案，最后再綜合設計出整個系統的方案。

1.1 卡盤系統

該數控機床在運行過程中負載要求低，而且低速運動時，運動平穩，因此采用調速閥的進油節流調速回路，選用差動液壓缸實現“快慢快”的回路。對普通CK6152數控車床機床卡盤卡緊動作分析可知，液壓卡盤作為執行元件，其運動過程可分解為：向前卡緊，保持不動，向后松開。其運動循環如圖1。

卡盤分系統由一個二位四通換向閥3（帶兩個電磁閥），一個二位四通電磁換向閥4，兩個減壓閥8和9及一個液壓缸組成。高壓加緊1YA得電，3YA失電，換向閥3和4均位于左位，加緊力的大小可通過減壓閥8調節，這時液壓缸活塞左移使卡盤加緊，減壓閥8的調定值高于減壓閥9，卡盤處于高壓加緊狀態。

圖1 卡盤液壓缸運動循環圖

液壓卡盤可以實現自動加緊與松開運動，松夾時，使1YA失電，2YA得電，閥3切換至右位。活塞右移，卡盤松開低壓加緊。這時3YA得電而使換向閥4切換至右位，壓力油經減壓閥9進入，通過調節減壓閥9便能實現低壓加緊狀態下的夾緊力。

1.2 回轉刀架（自動卡刀）分系統

根據對普通CK6152數控車床機床中心架壓緊動作的觀察和分析可知，液壓中心架執行元件，即中心架油缸的運動過程可分解為：向前壓緊，保持不動，向后松開，其運動循環如圖3。

圖2 卡盤加緊與松開液壓系統原理圖

圖3 中心架液壓缸運動循環圖

自動回轉刀架盤分系統有兩個執行元件，刀盤的松開與夾緊由液壓缸執行，而液壓馬達則驅動刀盤回轉。控制刀盤的放松與夾緊是通過電磁換向閥6的切換來實現的。液壓馬達即刀盤正反都通過三位四通換向閥5的切換控制，兩個單向調速11和12與變量液壓馬達在正反轉時都能夠通過進油路容積節流調速閥來調節旋轉速度，如圖4。

圖4 回轉刀架自動卡刀液壓系統原理圖

自動換刀完整過程是：刀盤松開——刀盤通過左轉或右轉就近到達指定刀位——刀盤夾緊。因此電磁鐵的動作順序是4YA得電（刀盤松開）——8YA（正轉）或（反轉）得電（刀盤旋轉）——4YA得電（刀盤松開）——8YA（正轉）或7YA（反轉）得電（刀盤旋轉）——4YA失電（刀盤夾緊）。

1.3 尾座套筒伸縮動作

再通過對該型號數控車床機床尾座頂緊動作的分析可知，液壓尾座執行元件，即尾座油缸的運動過程可分解為：向前頂緊，保持不動，向后松開，其循環圖如圖5。

圖5 座液壓缸運動循環圖

尾座套筒通過液壓缸來實現頂出與縮回。控制回路由減壓閥10，三位四通換向閥7和單向調速閥13組成。減壓閥10將系統壓力降為尾座架套筒頂緊所需要的壓力。但單相調速閥13用于在尾座套筒伸出時實現回油節流閥調速控制伸出速度5YA得電，尾座套筒縮回如圖6。

綜合上述三部分液壓系統原理圖，歸納這個系統液壓原理圖如圖7所示。

1.4 最終方案的制定和說明

（1）確定液壓泵類型及調速方式

分析其他同類機床型號的結構，選用開式液壓回路，組成回路的液壓元件分別為單向定量液壓泵供油、調速閥進油節流調速等，溢流閥作定壓閥。回油路上設置背壓閥，初定背壓值為0.8 MPa。

圖6 尾座套筒伸縮液壓系統原理圖

表1 液壓系統電磁動作

圖7 系統液壓原理圖

（2）選用執行原件

因液壓系統有檔位變換需求，且液壓缸有正向和反向運動，因此采用單活塞桿的二位液壓缸變擋。

（3）換向回路的選擇

本系統選用電磁換向閥的換向回路，兩個油缸都選用三位四通換向閥。

（4）組成液壓系統繪原理圖

根據上述所選定的液壓方案和元件進行組合，即組成如圖7所示的液壓系統原理圖。液壓系統圖的運行得有電磁鐵的控制才能夠運行，如表1為整個液壓系統電磁鐵的動作順序。

2 液壓系統的驗算

因為在設計液壓系統時，某些參數是初步估計的，在選定了液壓元件后，應根據實際情況對整個液壓系統的某些技術進行必要的驗算，以便對所選的液壓元件和液壓系統的參數壓力進一步的調整。

已知系統中進、回油管的內徑均為12 mm，選用N46#液壓油，考慮到N46#液壓油的最低溫度為15℃，查得其15℃時的運動粘度v=150 cst=1.5 cm2/s，密度 ρ=920 kg/m3。

2.1 壓力損失的驗算

液壓缸運動時壓力損失，最大速度為3 m/min，最大流量為40 L/min則油液在管內的流速為：

管道內的流動雷諾數為：

可見乳化液在管道內流態為層流，其沿程阻力系數：

進油管道的沿程壓力損失Δp1為：

因為液壓缸在整個行程中工作時的阻力最大，壓降滿足壓力損失范圍要求，所以原設計符合設計要求。

局部壓力損失：局部壓力損失主要是由管道和管接頭的壓力和通過液壓閥的局部壓力損失而導致，前者的壓力損失主要由具體的安裝結構決定，一般取沿程壓力損失的10%；而后者的壓力損失與閥的流量大小有關，若閥的額定流量和額定壓力qn和Δpn，則當通過閥的流量為q時的閥的壓力損失Δpv的計算公式為：

在該液壓系統中通過每一個閥的最大流量僅為9.75 L/min，所以通過該計算公式得到的壓力損失很小，因此可以忽略不計。

2.2 系統溫升與發熱的驗算

根據以上的計算可知，在快進時輸出功率；

Pp=Ppqp/ηp=9.75×10-3/60×0.75=563.33 W

慢進時：

Pp=Pp1qp1/ηp=3.0×106×4.87×10-3/

60×0.75=325 W；

而快進時的有效功率：

P1=1.93×106×9.75×10-3/60 W=313.63 W；

慢進時有效功率為48.25 W；快進時的功率損失249.7 W；現在以較大的值來校核熱平衡，求出發熱功率。

設油箱的三個邊長在1∶1∶1～1∶2∶3范圍內。

則計算出的散熱面積為：

A=0.065 V23=0.065 7023m2=1.104 m2

在通風情況良好的情況下，取h=1 510 kW/（m2·℃），所以油液的升溫為：

室溫為20℃，熱平衡溫度為36.71℃＜65℃，沒有超出范圍。

3 電氣控制回路圖

根據液壓系統圖設計出CK6152數控機床的電氣控制圖，如圖8。

圖8 電氣控制圖

KM1、 KM2、 KM3、 KM4、 KM5、 KM6、KM7、KM8為電氣控制回路圖的繼電器，1YA、2YA、3YA、4YA、5YA、6YA、7YA、8YA為電氣控制回路圖的電磁鐵，SB1為急停按鈕，SB2、SB3、SB4、SB5、SB6、SB7、SB8、SB9為按鈕開關。

按下SB2時電磁鐵1YA得電，KM1線圈得電并且自鎖，按下SB3時電磁鐵2YA得電，KM2線圈得電并且自鎖，按下SB4時電磁鐵3YA得電，KM3線圈得電并且自鎖，按下SB5時電磁鐵4YA得電，KM4線圈得電并且自鎖，按下SB6時電磁鐵5YA得電，KM5線圈得電并且自鎖，按下SB7時電磁鐵6YA得電，KM6線圈得電并且自鎖，按下SB8時電磁鐵7YA得電，KM7線圈得電并且自鎖，按下SB9時電磁鐵8YA得電，KM8線圈得電并且自鎖。

4 結束語

通過對CK6152數控機床液壓系統的改造，完成了機床動作的全自動的推進，提高了CK6152數控機床的自動化程度。本次改造目的是用液壓系統來完成CK6152車床的刀架卡緊動作，使刀架的運動滿足旋轉精度、剛度、抗震性等主要性能，以提高整機性能。通過本次的數控機床液壓系統的改造過程能夠很好的體現液壓系統運用在車床中的性能優點，為以后的數控車床系統的改造提供了典型的案例。

參考文獻：

［1］韓建海.數控技術及裝備［M］.武漢：華中科技大學出版社，2007.

［2］姜培剛，蓋玉先.機電一體化系統設計［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［3］王守城，段俊勇.液壓元件及選用［M］.北京：化學工業出版社，2007.

［4］劉延俊.液壓系統使用與維修［M］.北京：化學工業出版社，2006.

［5］李現友.組合機床液壓系統性能分析及改造［J］.機床與液壓，2011，39（12）：163-164.

［6］姚玲峰，曹選平，羅綱.基于PLC的多功能液壓源控制系統設計［J］.機床與液壓，2011，39（12）：107-109.

［7］金成毅，熊瑞平.一種基于PLC控制的石材切割機的液壓系統［J］.液壓與氣動，2012（4）：48-51.

［8］李悅，周利坤，馮建偉，等.基于PLC與電液伺服的油罐清洗機器人控制系統設計［J］.機床與液壓，2014，39（9）：38-40.

［9］狄景微.一種組合機床液壓系統設計［J］.液壓氣動與密封，2012（8）：26-28.

［10］桂和利，葉艷虹.氣缸蓋底面噴水孔加工組合機床液壓系統的設計［J］.流體傳動與控制，2009，36（5）：54-56.

［11］胡軍.玻璃器皿壓機液壓沖壓系統的設計計算與研究［J］.機床與液壓，2009，（4）：64-66.

［12］胡萬強.臥式雙面銑削組合機床液壓系統設計［J］.機床與液壓，2013，41（8）：84-86.