液压虎钳

三年制大专生毕业设计
机动液压虎钳
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提交日期：2011年10月26日
摘要
前言
1、设计构思---------------------------------------------5
2、方案设计---------------------------------------------5
3、市场调查---------------------------------------------8
4、可行性论证------------------------------------------9
5、机构设计---------------------------------------------9
6、谢辞---------------------------------------------------20
7、参考文献与附录------------------------------------21
液压台虎钳是对现有螺旋传动台虎钳的改进，主要用于成批生产。

它能实现快速夹紧与快速松开，且能保证夹紧力大小。

这样就可以避免过去要夹紧一个较薄的零件时，因夹紧力没有办法确定调式的时间，同时因能实现快速夹紧与快速松开，从而大大的提高生产效率。

为了实现快速夹紧与快速松开，将传统的螺纹改成液压传动，活动钳身通过液压缸来控制，从而实现活动钳身的快速移动，而夹紧力则由液压系统中的溢流阀来保证.我们可以通过调整溢流阀的压力来保证夹紧力的大小。

液压台虎钳与传统的螺纹台虎钳相比是有不足之处的。

一是在成本上要比传统的台虎钳要贵，而且相对来说,制造复杂,操作也复杂一些。

机动液压台虎钳，是现在市场所大量需求的。

一、根据现在生产核技术越来越高，生产精度越高，同时也是生产越来越精巧，夹紧力也要求越来越准确，不能过大过小。

但传统的台虎钳所产生的夹紧力是根据师傅的经理来保证的，因此极有可能会产生以上的不足而使废品率提高，根据生产的需要，特此设计一套适合加工的机动液压台虎钳。

二、传统的台虎钳工作效率比较低，传统台虎钳是螺纹传动，无法实现快速夹紧与松开，使得生产效率比较低。

而液压台虎钳能实现快速夹紧与松开，只需配有一个动力源即可。

一、设计构思
1、需获得何种功能
工件的装夹——工件的加紧与松开
2、功能需要何种运动
往复直线运动
3、运动需要何种机构
能获得往复直线运动的机构有螺旋传动机构、曲柄滑块机构、气压传动机构、液压传动机构。

4、机构所需何种性能
1）循环周期——不大于5秒
2）运动精度——一般
3）工作效率——高
4）可靠性——使用寿命5000小时
二、方案设计
1、工作机构方案罗列
1）执行机构——驱动机构（采用何种驱动机构）夹持行程（120mm）
2）钳口宽度(120mm)夹块材料：考虑到夹块与工件接触频繁容易磨损所以采用45号锻钢、合金钢或不锈钢
3）钳身材料：考虑到经济性和工艺性钳身材料采用Q235。

2、工作机构性能分析
1)螺旋传动机构——螺旋传动机构具有増力特性，故传动力大，
且结构简单、传动平稳、传递运动准确、易于实现自锁。

但螺旋机构传动效率低，不宜长期连续运动；同时考虑到整体结构的简单和紧凑，电动机须与螺旋机构一同安装在工作台上，如此安全性低。

2)曲柄滑块机构——结构简单、容易制造、能传递较大载荷。

但不适合高速和运动规律要求较高的场合，同时考虑道整体结构的简单和紧凑，电动机须与曲柄滑块机构一同安装在工作台上，安全性低。

3)气压传动机构——气动动作迅速、反映快、结构简单、空气具有可压缩性，气动系统能够实现过载自动保护。

同时由于空气有可压缩性，气缸的动作速度容易受负载变化影响，气动不容易密封，噪声大。

4)液压传动机构——传动平稳、能传递较大载荷、结构紧凑、操作简单、易于实现过载保护、使用寿命较长。

且液压元件实现了标准化、系列化、通用化，便于设计、制造和使用。

但传动比不准确、效率低、故障维修困难。

3、辅助机构
液压系统——价格、尺寸、压力
电动机——价格、功率、转速
4、工作机构性能比较
比较以上几种传动形式，液压传动具有更多优点，具体表现在以下各方面：
①、在输出效率相同的情况下，其结构紧凑、体积小、重量轻、承载能力强。

②、液压系统有卸荷、减压、保压（自锁）等装置和回路，很容易控制。

③、惯性力小、动作灵敏，启动、制动速度快，传动平稳，可实现快速而无冲击的换向。

④、动力的传递和储存都很方便，由于用管道传递压力油，所以液压元件机构和装置都易于布置，且各元件的安装自由度很大，可随意放在适当位置上，并切能实现远距离操纵。

⑤、自动防止过载，可避免事故的发生。

⑥、液压元件自动润滑，寿命长。

⑦、液压系统中的泵阀等元件均已标准化、系统化。

设计过程中可以只作计算选取，简化了设计工作量，缩短了制造周期，提高了生产率，因而成本更经济、合理。

当然，液压传动也有一些突出的缺点，如泄露、油管会产生一定的弹性变形，从而影响传动精度，另外还有油管的粘温性、节流现象等，此外精密元件的加工精度高，因而制造成本高，但相比而言，这些问题都可以在其允许的范围内得以解决。

5、工作机构确定
1)液压传动机构（双作用液压缸）
2)钳口
3)钳身
4)底座
6)液压系统(液压泵、溢流阀、换向阀、辅助元件)
7)三相异步电动机
三、市场调查
1、市场对此产品的功能要求
半自动
2、市场对此产品的性能要求
生产效率、工作精度、可靠性、安全性
3、市场对此产品的价格极限
4000-5000元
4、市场对此产品的容纳总量
工厂总数的50%
四、可行性论证
1、确定生产纲领
国内市场总需求-----------200万台，考虑不利因素的影响分两期工程实施。

参考资金供应情况，在方案设计和市场调查的基础上进行。

若资金可靠充裕，则考虑：
第一期工程：-------50万台
第二期工程：-------150万台（市场成熟后进行）
注意：资金供应必须100%可靠！！
2、制造工艺的可行性
分析工艺过程以及周边的制造与供应条件
五、机构设计
1)双作用液压缸的确定
液压缸内径与活塞杆直径的确定
行程120mm
缸径根据夹紧力的要求来求：已知所需夹紧力为2000kg。

查机械工程师电子手册选液压缸的公称压力为16Mp；
根据活塞受力平衡方程：AP=F
整理后得活塞有效面积：A=F/P
根据上式推出缸筒内径：将A=(π/4)D2带入上式得：
D=(4F/πP)2=(4X20000)/3.14X16X106)1/2=39.9mm
查阅电子手册国家标准系列取D=40mm。

活塞材料选用45号钢缸筒材料选用Q235，活塞杆直径的确定：
根据活塞杆的受力情况为受压，P=16MPa，
查得活塞杆的直径d=0.7D(P>7.0MPa) d=28mm。

活塞杆强度根据公式d≥{4F/π[б]}1/2进行强度校核，
查阅电子手册可知材料为45号钢的抗压强度极限бs≥340MPa d≥{(4X20000)/(3.14X340X106)} 1/2
d≥8.66mm
所以所求活塞杆强度足够。

缸筒壁厚δ的确定δ≥P y D/2[б]
P y为试验压力，当缸的额定压力P n≤16MPa时，取P y=1.5P n
即P y=24MPa
[б]——缸筒材料的许用应力，[б]= бb/n；бb为材料抗拉强度，
查阅电子手册бb≥600MPa，n为安全系数，一般取n=5
[б]=600X106/5=120MPa
δ≥(24X106X40X10-3)/(2X120X106)
δ≥4mm
当D/δ≤10时，按厚壁筒来进行校核
δ≥D/2{ ([б]+0.4P y)/ ([б]-1.3P y)1/2 -1}
δ≥20X10-3 (129.6X106)/(88.8X106)-1
δ≥4mm
所以所求壁厚强度足够
液压缸行程的确定，按要求液压缸的行程为120mm。

液压缸外径D1便可根据公式D1=D+2δ求出：D1=48mm
查阅电子手册国标系列圆整取D1=57mm。

液压缸其他部位尺寸的确定：活塞宽度B=(0.6R1.0)D
(取B=0.8D), B=32mm
活塞杆长度的确定：活塞杆两端均采用螺纹连接方式，经查阅电子手册两端螺纹长度取28mm，活塞内径为40mm、活塞杆直径为28mm的螺纹连接部分采用M20X1.5的螺纹。

具体尺寸见零件图。

(如下图所示)
图（1）
活塞尺寸的确定：活塞密封腔体L2用橡胶密封的尺寸系列及公差根据GB/T10708.1-1989查得：L2=8mm d=30mm F=0.5mm
S=5mm(S max=5.15mm,S min=4.90)。

根据工作要求查阅电子手册选择活塞与缸筒配合表面为间隙配合，配合公差为φ40H8/f7。

查表GB/T1800.3-1998公差等级为IT7级的标准公差数值为25μm，再根据GB/T1800.4-1999查得极限偏差数值f,上偏差为-25μm，下偏差为-50μm，如下图所示:
图（2）
活塞密封圈采用Y型橡胶密封圈。

导向套滑动面长度A=(0.6R1.6)D (D﹤80mm) (取A=1.0D)
A=40mm
导向长度H≥L/20+D/2 (L为液压缸最大行程)
H≥125/20+40/2
H≥26.25mm
导向套与缸筒内壁的配合为基孔制间隙配合φ40H8/h7，导向套与活塞杆的配合为基轴制间隙配合φ28H8/h7。

如下图所示为单活塞杆液压缸的结构图，它主要有缸底1、活塞3缸筒4、活塞杆5、导向套6等组成。

缸底设计成为耳环式的，缸底尾部利用固定销将液压缸固定在钳身上，相对于法兰连接来说，耳环具有结构更加简单，拆装方便等优点。

因缸底主要承受压应力，故选择受压状态时承载能力较强的Q235,考虑道缸底开有M18x1.5螺孔，连接耳环，所以初选缸底厚度为70mm。

由手册可知HT250的бb
≥250MPa，由手册可知，铸铁的抗压强度为抗强度2-5倍即бb2=3б。

根据计算缸底的强度足够，缸底与缸壁交接处采b=3x250=750 MPa
用焊接。

具体结构如下图所示。

导向套尺寸的确定，导向套主要承受压力，与缸底同选HT250，其外圆表面与缸壁的配合为过度配合，配合公差为φ40H8/f7。

导向套的内表面与活塞杆之间具有相对运动，表面应渡一层耐磨材料。

导向套的内外面精度等级和总体尺寸如下图所示：
缸筒另一端与缸盖采用螺纹连接。

活塞与活塞杆采用螺纹连接。

为了保证液压缸的可靠密封，在相应部位设置了密封圈2、7、9和防沉圈10。

图（3）双作用单活塞杆液压结构图
1—缸底；2、7、9—密封圈；3—活塞；4—缸筒；5—活塞杆；
6—导向套；8—缸盖；10—防尘圈；A、B—进出油口
2)钳口夹块尺寸的确定：
图（4）
夹块的长度为120mm，高度为40mm，厚度为15mm。

由于夹块所受作用力大，且与工件的频繁接触所造成的磨损严重，为使夹块具有较高的强度和耐磨性选用夹块材料为45号钢，硬度大于等于45HRC，查阅电子手册材料的抗压强度极限бs≥340MPa，经计算夹块所受的压力远远小于材料的抗压强度极限，所以夹块的强度足够。

夹块上开有两个沉头螺钉孔用来将夹块固定在钳口上，螺钉采用GB/68 M8 开槽沉头螺钉，因螺钉在这里仅用于固定夹块，不受其他作用力，所以选
用的螺钉强度足够。

3)钳身尺寸的确定：
钳身主要是用于支撑安装各零件和对活动钳口的导向，还有是能承载钳口夹紧工件时所承受的反作用力。

所以设计钳口时主要考虑结构的合理性，承载能力和导向问题。

图（5）
由于钳身主要承受的是压应力，考虑到经济性和良好的加工工艺性，钳身的材料选用45号铸钢。

钳身结构如图5所示。

钳身的主要部分有钳口部分、导轨部分、底盘。

钳口上开有两个螺纹孔与夹块的螺纹孔相吻合来固定夹块。

底盘是φ200的园盘，上面钻有两个φ20的通孔，用于固定在底座上。

导轨与活动钳口相配合，因具有相对运动，所以导轨面需进行磨削加工，以减小导轨与活动钳口相对运动时的摩擦和磨损，表面粗糙度值为0.8μm，后面带园槽的部分没有相对运动，只是用于虎钳盖和液压缸的安装。

尾部设有销钉孔，与液压缸耳环缸底上的销钉对应，用销钉将液压缸固定在钳身
上。

这种固定方式具有拆装方便，加工容易。

虎钳工作时固定销主要承受挤压应力和剪切应力，选销钉直径为20mm，材料为45号钢，正火处理，经计算强度足够。

固定销采用弹性挡圈固定在钳身上。

4）底座结构：
如图（6）所示底座两边开槽D，便于用螺栓将虎钳固定在工作台上。

底座你内部开有T型槽B，利用螺栓将底座和钳身锁紧。

C出有一销子，用来保证钳身转动时与底座的同轴度。

A出开有一孔，主要用于铣刀进刀和螺栓的放入。

图（6）
3、拟定液压系统图
液压虎钳的运动速度比较低，冲击小，运动比较平稳，一个简单的液压系统就能实现其功能要求。

液压系统主要由油箱、过滤器、液压泵、溢流阀、压力表、三位四通电磁换向阀、液压缸、电动机，油管组成。

该虎钳只有夹紧和松开两个动作，所以一个三位四通电磁换向阀
就能够实现其功能。

虎钳的运动速度比较慢，不需使用节流阀、背压阀来提高运动的平稳，这样可以简化液压系统，降低成本。

溢流阀主要是用来调节系统压力，以适用于不同的工件所需的夹紧力，同时还配有压力表显示系统压力。

图（6）
4、液压元件的选择：
1）液压泵的选择与计算：
已知活塞的循环周期为5s，液压缸的行程为120mm，则活塞的移动速度V=120/2.5=2.88m/min
活塞运动所需流量Q=VA=2.88x（πD2/4）
=3.6x10-3m3/min
A——液压缸有效工作面积。

液压泵的最大流量Qn=QK （K——系统的泄露系数取K=1.2）
Qn=3.6x10-3x1.2=4.32x10-3 m3/min
确定液压泵的最大工作压力P p=P1（P1——液压缸的最大工作压力）
P p=20000/（πD2/4）=15.92MPa
考虑到系统的压力损失和溢流阀的调整压力一般应比系统压力大0.5MPa，故液压泵的最高压力为P p=17MPa。

2）选择液压泵的规格：
根据以上求得P p=17MPa、Qn=3.6x10-3x1.2=4.32x10-3 m3/min由
机械设计手册选择相应的液压泵，考虑到实际需要及各种液压泵的缺点，而选用外啮合齿轮泵，压力范围为高压（30MPa）。

外啮合齿轮泵具有结构紧凑、自吸能力好、寿命长等优点。

其次是价钱低，适用于恶劣的工作环境中。

该液压泵的有关数据如下：
转速n=1440r/min 排量为3ml/r 容积效率ηv≥85%
总效率η≥85% 最大工作压力P p=17MPa
驱动功率=QnP p=1.22kw
3）电动机的选择与计算：
P=P p/η=1.44kw
根据以上所计算驱动液压泵的需要，选择三相异步电动机，其型号可选Y90L-4，有关数据如下：
额定功率1.5kw 转速1400r/min 启动电流6.5A
效率79% 功率因数0.79 最大转矩2.3Nm 启动转矩2.3Nm 重量24kg
4）弯头的选择：
已知液压缸的进出油口都为M18x1.5的螺纹，液压缸的进
出油口采用公称压力J级,管子外径D0为14mm的卡套式端直角管接头:管接头J14 GB/T 3738.1-1983，公称压力为25MPa。

结构如图所示：
其中: D0=14mm d=18mm l=12mm l1=21mm L=41mm
L1=20mm S=18mm S1=24mm e1=27.7mm 2xd5=12mm
需要三通管的地方选用公称压力J级,管子外径D0为14mm的卡套式端三通管接头:管接头J14 GB/T 3741.1-1983《机械设计手册》。

直通管接头选用公称压力J级,管子外径D0为14mm的卡套式直通管接头:管接头J14 GB/T 3737.1-1983《机械设计手册》。

5）油管的选择：
选用公称通径为12mm、油管外径18mm、公称压力大于等于16MPa、壁厚1.6mm、管接头螺纹为M18x1.5的油管。

《机械设计手册》各个零件与装配体的尺寸、公差配合、技术要求详细见零件图和装配图。

附录A:致谢
经过紧张的毕业设计，我如愿地，较圆满地完成了设计任务。

从中发现了许多值得注意的问题。

本次设计培养了我们对设计工程的设计能力，学习和掌握课件的基本制作方法和步骤，并给我们以后的工作打下坚实的基础，通过本次设计，我们把以前在课本中学习到的理论知识在此次设计中加以综合运用设计资料，并懂得，这样才不至于在设计过程中出现太多错误。

经过一个月的紧张有序的工作，完成了课程设计，其中我们在设计的过程中遇到很多难题，但是经过王老师的认真讲解，使我对其加深了认识。

最后，真诚的感谢辅导老师对我们的指导和帮助。

由于我们对所学知识不够彻底，而且时间较短，又缺乏经验，设计书中难免会存在疏漏和欠缺之处，恳请老师批评指正，以便在以后的工作和学习中不犯类似的错误。

参考文献
1、《机械设计师手册》编写组编。

机械工业出版社，1989年1月
2、王志泉董慧灵主编《机械制图》。

中南大学出版社，2007年7月
3、徐茂功桂定一主编《公差配合与技术测量》。

机械工业出版社，2007年12月
4、姜佩东主编《液压与气动技术》。

高等教育出版社，2007年12月
5、梁耀能主编《工程材料及加工工程》。

机械工业出版社，2006年1月
6、《电子手册》机械设计手册编委会编制。

机械工业出版设，2004年8月
21。