中型四柱式万能液压机总体及液压系统设计

前言液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一，也是理想的成型工艺设备，特别是当液压机系统实现具有对压力、行程、速度单独调整功能后，不仅能实现对复杂工件以及不对称工件的加工，而且，废品率非常低，与机械加工系统相比，有极大的优越性。

近年来，随着微电子技术、液压技术等的发展，液压机有了更进一步的发展，其高技术含量增多，众多机型已采用CNC或PC机来控制，提高了产品加工质量和生产率。

液压机主缸是液压机的主要工作部件，液压机主缸的性能直接影响着液压机整体工艺水平。

通过细致的分析及理论研究解决易损部分设计结构中存在的问题，可以使液压缸整体上达到工艺强度要求，提高液压缸应用的工艺水准及使用寿命。

所以对液压机主缸进行细致严谨的设计计算对对液压机的设计生产有着至关重要的作用。

本论文从总体上对液压机本体结构，及主要结构部件进行设计及必要的校核，对液压机主缸主要参数进行计算，并对所得结果进行分析、验算。

从而力争使液压机主缸能够满足生产工艺要求，并从整体上提高液压机的工艺水准，使液压机设计水平更上一个新的台阶。

中型四柱式万能液压机总体及液压系统设计1 液压机概述本章着重对液压机整体情况做出介绍，内容涉及液压机的原理，液压机的特点、分类，以及液压机的典型结构介绍，目前国内、外液压机的发展现状以及未来液压机的大体发展趋势等。

1.1液压机工作原理液压机是根据静态下液体压力等值传递的帕斯卡原理制成的，它是一种利用液体压力工作的机器。

液体压力传递原理为：在充满液体的密闭容器中，施于任一点的单位外力，能传播至液体全部，其数值不变，其方向垂直于容器的表面。

根据这一原理，制成了液压机和其他液压机械，如图1-1所示：图 1-1 液压机原理图Fig. 1-1 Hydraulic press schematic diagram 在一个充满液体的连通器内，一端装有面积为1A 的小柱塞，另一端装有面积为2A 的大柱塞。

柱塞和连通器之间设有密封装置，使得连通器内部形成一个完全密封的空间，液体不会外泄。

当在小柱塞上施加一个外力1F 时，则作用在液体上的单位压力为11F p A 。

按照液体静压力传递原理，这个单位压力p 将以不变的数值传递到液体的每一个质点，并且其作用方向垂直于其作用面。

这样在连通器的另一端的大柱塞上作用着垂直于其底面的单位压力p ，使其产生向上的推力22F pA 。

由此可见，只要增大柱塞的面积，就可以由小柱塞上一个较小的力1F ，在大柱塞上获得一个很大里力2F 。

这里的小柱塞相当于液压泵中的柱塞，而大柱塞就相当于液压机中的工作缸的柱塞。

1.2 液压机的特点及分类1.2.1液压机的特点液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一。

目前，液压机的最大标称压力已达750MN ，用于金属的模锻成型。

随着金属压制和拉伸制品的需求逐年增高，对产品品种的要求也日益增多；另一方面，产品的生产批量也逐渐缩小。

为与中小批量生产相适应，需要能快速调整的加工设备，这使液压机成为理想的成型工艺设备，特别是当液压机系统实现具有对压力、行程、速度单独调整功能后，不仅能实现对复杂工件以及不对称工件的加工，而且，废品率非常低，与机械加工系统相比，有极大的优越性。

近年来，随着微电子技术、液压技术等的发展，液压机有了更进一步的发展，其高技术含量增多，众多机型已采用CNC 或PC 机来控制，提高了产品加工质量和生产率[1]。

液压机有以下几个优点：1）液压机最大的特点是容易获得最大的压力。

在锻造过程中锻锤是靠冲击力打击锻件，因而会产生较强的振动。

为了提高打击效率和减轻振动，需要有很大的砧座和良好的地基，因而锻锤不可能造得很大。

曲柄压力机是靠曲柄连杆机构传递能量，由于受到曲柄连杆机构强度的限制，一般只制造到100MN 以下。

液压机利用静压力工作，不需要大的砧座和监视的地基。

由于采用了液压传动，其动力设备可以与主机分开，可以适当加大柱塞的直径或采用多缸联合工作的方式来获得更大的工作压力。

目前大型液压机均已造到100MN 以上。

2）得更大的工作行程，并可在全行程的任意位置施加最大的工作压力；在工作行程的任意位置都可以回程。

机械传动的曲柄压力机的滑块行程是不变的，并且只能在滑块下止点前较小的行程内产生标称压力。

而且必须在下止点后才能回程，如果过载将会发生闷车现象，导致损坏。

液压机则与其相反，所以液压机对要求工作行程较长而且变形均匀的工艺（如拉伸、积压等）十分适应。

3）更大的工作空间。

液压机本体没有庞大的机械传动机构，其液压缸可根据操作的中型四柱式万能液压机总体及液压系统设计要求来布置，因而可以容易地获得较大的工作空间。

4）作压力可以调整，可以实现保压，并可防止过载。

例如，有三个缸的液压机可以很容易地获得三级不同的工作压力。

将高压液体通入中间工作缸得到第一级压力；通入两侧工作缸得到第二级压力；3个工作缸同时通入高压液体就得到第三级压力。

液压机可以作长时间的保压。

液压系统有调压装置，可以根据要求来调整液体的压力。

他的安全装置，能可靠地防止过载。

5）调速方便。

通过调整通入工作缸液体的流量，可以实现各种行程速度。

例如，实现空程下降和回程时高速，工作行程时慢速，而且这种调速是无级的。

6）液压机结构简单，操作方便。

液压机的本体结构很简单，而且容易制造。

特别是中、小型的液压机，由于液压元件的标准化、系列化和通用化程度的提高，使其设计与制造更为简便，成本降低。

液压机还易于实现自动控制和遥控。

7）液压机工作平稳。

碰撞、振动和噪声都较小，有利于改善工人的劳动强度和工作条件。

8）液压机的动力传动为柔性传动，较机械加工复杂的传动系统简单，可避免机械过载的情况。

9）液压机基本的动作方式有三种：单动、双动、三动。

但其拉伸过程中只有单一的直线驱动力，是加工系统有较长的使用寿命和较高的工件成品率。

除了以上优点外液压机还有一些缺点，比如：1）液压机采用液压油为工作介质，因而对液压元件的精度要求和密封条件要求较高。

另外，不可避免的泄露会带来环境的污染。

2）液压机的工作速度较其他设备低。

由于液体流动时会产生较大的阻力损失，当液压机高速运动时，这种损失就更为明显。

所以液压机的最高工作速度受到限制。

由于液压机具有以上特点，因此得到了广泛的应用。

除了大型的锻件的锻造、拉伸、剪切、挤压等工序外，还应用于塑料压型、层压板、粉末冶金、废金属处理、棉花打包等工序。

1.2.2 液压机的分类液压机按照机架结构形式分为梁柱式、组合框架式、整体框架式、单臂式等。

按照功能用途分可分为手动液压机、锻造液压机、冲压液压机、一般用途液压机、校正包装液压机、层压液压机、挤压液压机、压制液压机、打包液压机、专用液压机等10余种类型。

其各自类型对应的常见工艺如下：1）手动液压机：用于一般压制、压装等工艺。

2）锻造液压机：用于自由锻、钢锭开坯及金属模锻。

3）冲压液压机：用于各种薄板、厚板的冲压。

4）一般用途液压机：用于各种工艺，通常称为万能（通用）液压机。

5）校正压装液压机：用于零件的校正及装配。

6）层压液压机：用于胶合板、刨花板、纤维板及绝缘材料板的压制。

7）挤压液压机：用于挤压各种有色及黑色金属材料。

8）压制液压机：用于各种粉末制品的压制成型，如粉末冶金、人造金刚石、耐火材料的压制。

9）包、压块液压机：用于将金属碎屑及废料压成块。

10）其它液压机：包括轮轴压装、冲孔等专门用途的液压机。

1.3 液压机典型结构液压机结构中较典型的主要有三梁四柱式、双柱下拉式、框架式和单臂式等，其中三梁四柱式液压机为通用型液压机的常用型式，本次毕业设计采用此类型液压机为设计对象，这里只对此型液压机作以介绍。

三梁四柱式液压机结构如图所示，它由上横梁、下横梁、4个立柱和16个内外螺母组成一个封闭的框架，框架承受全部的工作载荷。

工作缸固定在上横梁上，工作缸内有工作柱塞与活动横梁相连接。

活动横梁以4根立柱为导向，在上、下横梁之间往复运动。

活动横梁下面固定有上砧，而下砧则固定与下横梁上的工作台上。

当高压液体进入工作缸后，对柱塞产生很大的压力，推动柱塞、活动横梁及上砧向下运动，使工件在上、下砧之间产生塑性变形。

同时在完成工作之后实现回程运动。

中型四柱式万能液压机总体及液压系统设计图1-2 液压机典型结构图Fig. 1-2 Hydraulic press typical structure drawing三梁四柱式液压机的主要部件有：⑴立柱：立柱是机架的主要支撑部件和主要受力件，又是活动横梁的导向件，因此对立柱有较高的强度、刚度和精度要求。

立柱所用的材料、结构尺寸、制造质量及其与横梁之间的连接方式、预紧程度等因素，都对液压机的工作性能甚至使用寿命有着很大的影响。

立柱通常用如下材料制成：35钢、45钢、40Cr、20MnV、20MnSiMo等。

⑵横梁：横梁包括上横梁、下横梁（或称底座）和活动横梁（或称滑块），是液压机的重要部件。

由于横梁的轮廓尺寸很大，为了节约金属和减轻重量，一般都做成空心箱形结构，中间加设肋板，承载大的地方肋板较密，以提高刚度，减低局部应力，肋板一般按方格形或辐射形分布，在安装各种缸、柱塞（或活塞）及立柱的地方做成圆筒形，以使其环行支撑面的刚度尽可能一致，并用肋板与外壁相互之间连接起来。

横梁有铸造结构和焊接结构两种，生产批量较大的中、小型液压机其横梁多为铸铁件（材料多为HT200）或铸钢件（材料多为ZG275-500）；近年来采用焊接结构的日渐增多，材料一般为Q235或16Mn钢板。

中、小型液压机横梁多数为整体结构，而大型液压机横梁由于受制造和运输能力的限制往往设计成组合形式，并利用键和拉紧螺栓连接。

1.4液压机技术的发展现状液压机的液压系统和整机机构等方面发展已经相当成熟，国内外机型无较大差距，主要差别在于加工工艺和安装方面。

良好的工艺使机器在过滤、冷却及防止冲击振动等方面有明显的改善[2]。

1）路设计方面，国内外都趋向于集成化、封闭式设计，插装阀、叠加阀和复合化元件及系统在液压系统中得到了广泛的应用。

国外已广泛采用封闭式循环油路设计，可有效地防止泄露和污染，更重要的是防止灰尘、空气和化学物质侵入系统，延长了机器的使用寿命。

由于加工工艺等方面的原因，国内采用封闭式循环油路设计的系统还不多见。

2）在安全性方面，国外某些采用微处理器控制的高性能液压机利用软件实现故障的检测和维修，产品可实现负载检测、自动模具保护和错误诊断等功能。

3）液压机的发展最主要体现在控制系统方面。

微电子技术飞速发展，为改进液压机的性能，提高稳定性、加工效率等方面提供了前提条件。

相比之下，国内机型虽然品种齐全，但技术含量相比较低，缺乏高档机型，这与机电液一体化和中小批量肉刑发展趋势不相适应。

当前，国内外液压机产品中控制系统分为以下三种类型：1）以继电器为主控制元件的传统型控制系统。