液压四爪单动卡盘设计

泰 山 学 院 本科毕业设计

液压四爪单动卡盘设计

所 在 学 院 机械与工程学院 专 业 名 称 机械设计及其自动化 申请学士学位所属学科 工 学 年 级 2011级（3+2） 学生姓名、学号 张安国 ********** 指导教师姓名、职称 季绍琨 副教授 完 成 日 期 2013年5月30日

摘要

摘 要

卡盘是机床上用来夹紧工件的机械装置。它通常安装在车床、外圆磨床和内圆磨床上使用，也可与各种分度装置配合，用于铣床和钻床上。

近年来，随着人们对工作效率越来越高的要求，液压卡盘逐渐取代手动卡盘，得到了广泛的应用；同时，为了满足不同的工件加工要求，如矩形面、圆柱毛坯面等一些不规则面的工件，以及一些夹持面与加工面存在偏心的工件，通常需要采用四爪液压卡盘来加工。液压四爪卡盘相对于其他卡盘，有着装夹迅速，夹持力大，夹持范围广，安全性高，可靠性强等优点。因此，液压四爪卡盘在加工，装夹各种矩形的、不规则的工件时具有非常大的应用空间。

对于普通机床而言,若是进行大批量生产,若工件能够实现自动装夹,将会降低操作人员的劳动强度,节省时间,提高效率。对于力气较小的操作人员而言，装夹工件不仅费力，还会存在安全隐患。本设计针对四爪卡盘夹紧装置工作效率低，夹紧费力，安全、可靠性低等缺点，改为液压式夹紧，用齿条式活塞液压缸驱动丝杆上的小齿轮，从而带动卡爪夹紧、松开工件，完成装夹目的。

关键词：卡盘，液压，单动，四爪

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Abstract

ABSTRACT

Chuck is used for clamping workpieces on machine tool plant. It is usually installed in lathe, grinding machine and grinding machine, also with different indexing device, used for milling and drilling. In recent years, as people’s work efficiency is higher and higher requirements, hydraulic chuck gradually replace manual chuck, has been widely used; At the same time, to meet the processing requirements of different artifacts, such as rectangular plane, cylindrical blank face some of the irregular surface of the workpiece, as well as some eccentric clamping surface and the machined surface existence of artifacts, usually requires four hydraulic chuck. Hydraulic four jaw chuck relative to other chuck, dress quickly, clamping force, clamping range wide, high safety, reliability, etc. Therefore, hydraulic four jaw chuck in the processing, the clamping of rectangular and irregular workpiece has the very big application space.

For ordinary machine tool, if for mass production, if can realize automatic clamping, the workpiece will reduce the labor intensity of operators, save time, improve efficiency. For the strength to smaller operators, the clamping workpiece effort, not only will pose a safety hazard. This design in view of the four jaw chuck clamping device of low working efficiency, clamping, low security, reliability, defect, hydraulic clamping instead, with the rack piston hydraulic cylinder drive pinion on the screw rod, thus promote jaw clamping, loosen the artifacts, the clamping end.

Key words: Chuck, hydraulic pressure, single acting, efficiency, four claws

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目录

目 录

引 言 .................................................................................................................. 1 1 卡盘 ............................................................. 2 1.1 卡盘简介 ....................................................... 2 1.2卡盘分类 ........................................................ 2 1.2.1 三爪卡盘 .................................................... 2 1.2.2 四爪卡盘 .................................................... 3 1.2.3 软爪卡盘 .................................................... 4 2 液压四爪单动卡盘 ................................................. 5 2.1液压四爪单动卡盘优点 ............................................ 5 2.2工作原理 ........................................................ 6 3 机械零件设计与选用 ................................................ 7 3.1 标准件的选用 ................................................... 7 3.1.1卡盘体的选用 ................................................. 7 3.1.2 卡爪的选用 .................................................. 8 3.2.丝杆传动的设计与计算 ........................................... 9 3.2.1丝杆的尺寸选择 ............................................... 9 3.2.2丝杆的强度计算 .............................................. 14 3.3丝杆齿轮与活塞齿条的设计与计算 ................................. 15 3.3.1齿轮齿条的概述 .............................................. 15

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目录

3.3.2齿轮齿条的材料选择 .......................................... 15 3.3.3齿轮齿条的设计与校核 ........................................ 16 4液压传动系统的设计计算 ............................................ 18 4.1液压缸系统主要参数的确定 ....................................... 18 4.1.1系统工作压力的确定 .......................................... 19 4.1.2液压缸尺寸的确定 ............................................ 20 4.1.3 液压缸壁厚的确定 ........................................... 20 4.2液压系统原理图的拟定 ........................................... 21 4.2.1选择液压回路 ................................................ 21 4.2.2液压回路的综合 .............................................. 22 4.2.3液压系统图的绘制 ............................................ 23 5设计总结 .......................................................... 25 参考文献 ........................................................... 26 致 谢 ............................................................. 27

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引 言

自20世纪70年代以来,德国、日本及其他等发达国家对液压卡盘投入了很大的人力和物力进行研究探究,如德国的Bruswik大学、日本东京工业大学、新加坡国文大学、瑞典大学等。德国和日本的液压动力卡盘技术全球领先,拥有世界上绝大多数的液压动力卡盘专利技术。

近年来中国四爪单动卡盘机行业取得了很大的发展，但是行业发展中也存在一些问题，和国外相比仍有很大的差距。我国从20世纪80年始生产自定心液压动力卡盘,但转速、夹持精度、寿命、可靠性等性能与国外产品有较大的差距,除了制造工艺水平低外,其主要原因是缺乏基础理论研究和创新。我国的自定心液压动力卡盘也已达到中档技术水平,但与德国和日本相比仍有一定的差距。制造业在中国由于核心技术缺乏，“中国制造”仍是普遍的生存之道。在高端产品市场，很多产品表面上是中国生产的，但是其核心技术仍然是来自国外。我国“十二五”计划中明确指出必须坚持发挥引导推动作用与市场基础性相结合，坚持科技创新与产品产业实现相结合，把企业当做主体，推进产也学校研究所结合，变国民经济的先导产业和支柱产业为高端制造业。当前，制造业的升级与转型，对于四爪单动卡盘行业有着深远影响和重大意义。

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1 卡盘

1.1 卡盘简介

卡盘是利用均匀分布在卡盘盘体上的卡爪的径向移动，将工件夹紧与定位的机床附件。卡盘一般都是由卡盘体、活动的卡爪和卡爪的驱动机构三部分组成。卡盘体有通孔，以方便工件或棒料从中通过，便于夹持；背部有圆柱形结构，直接或通过法兰盘装置与机床主轴的端部联接。卡盘通常是安装在车床、外圆磨床以及内圆磨床上使用，也可与各种分度装置配合，用于铣床和钻床上。

1.2卡盘分类

从卡盘爪数上面可以分为：两爪卡盘，三爪卡盘，四爪卡盘，六爪卡盘和特殊卡盘。

从使用动力上可以分为：手动卡盘，气动卡盘，液压卡盘，电动卡盘和机械卡盘。 从结构上面还可以分为：中空型和中实型。 下面主要介绍几种常用的卡盘。

1.2.1 三爪卡盘

三爪卡盘又称三爪自定心卡盘，它根据工件被夹持部分的圆周来确定回转中心，但是它的定心精度不高。根据使用场合不同，在精车、磨削及使用万能分度头铣削等精度要求较高的情况下，一般选用夹持精度高的三爪卡盘，而在粗车和无形位精度要求的磨削、铣削等要求精度不高的加工中，使用装夹精度不是很高的三爪卡盘。

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图1. 1三爪卡盘

1.2.2 四爪卡盘

四爪卡盘是手动四爪自定心卡盘简称，是由一个盘丝，四个小伞齿，一付卡爪组成。四个小伞齿和盘丝互相啮合，盘丝的背面有平面螺纹结构，卡爪等分安装在平面螺纹上。当用扳手扳动小伞齿时，盘丝便转动，它背面的平面螺纹就使卡爪同时向中心靠近或退出。因为盘丝上的平面矩形螺纹的螺距是相等的，所以四爪运动距离也相等，因此有自动定心的作用。

四爪单动卡盘全称是手动四爪单动卡盘，是由一个盘体，四个丝杆和一付卡爪组成的。工作时是由四个丝杠分别带动四爪，故常见的四爪单动卡盘没有自动定心的作用。但可以通过调整四爪位置，装夹各种矩形的、不规则的工件，每个卡爪都可单独运动。

K72系列四爪单动卡盘，一个卡爪可单独移动适用于夹持偏心零件和不规则形状零件，常用于普通车床、经济型数控车床、磨床、铣床、钻床及机床附件—分度头回转台等。

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图1.2四爪卡盘

1.2.3 软爪卡盘

在车削批量较大的工件时，为了提高工件在加工时的定位精度和节约工件安装

时的辅助时间，可利用软爪卡盘。为了根据实际需要随时改变爪面圆弧直径与形状，把三爪卡盘淬火的卡爪，改换为低碳钢、铜或铝合金卡爪。如卡盘爪是两体的，可把爪部换成软金属；如卡爪是一体的，可在卡爪上固定一个软金属块。 软爪卡盘的卡爪加工后，可以提高工件的定位精度，如是新三爪卡盘，工件安装后的定位精度小于0.01mm。如三爪卡盘的平面螺纹磨损较严重，精度较差，换上软爪轻加工后，工件安装后的定位精度仍能保持在0.05mm以内。软爪卡盘装夹已加工表面或软金属，不易夹伤表面。对于薄壁工件，可用扇形爪，增大与工件接触面积而减小工件变形。软爪卡盘适用于已加工表面作为定位精基准，在大批量生产时进行工件的半精车与精车。

1.2.4 电动卡盘

一种电动卡盘装置，涉及广泛应用于机械领域的一类夹持工件的通用夹具。由

电动卡盘装置夹持功能单元，电动卡盘装置动力功能单元，电磁摩擦离合器组件，卡盘体外壳及电磁制动器组件等组成。当电磁制动器组件通电时，电动卡盘装置夹持功能单元与床头箱联接为一体且不旋转；电磁摩擦离合器组件通电，电动卡盘装置动力功能单元把旋转运动传递给卡爪夹紧或松开工件。加工过程中，仅电动卡盘装置夹持功能单元随主轴旋转，而电动卡盘装置动力功能单元不随主轴旋

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转。本发明与已有技术相比较，有效减少随主轴旋转部分零件数量及旋转的质量，有利于提高主轴动平衡质量，易于系列化和标准化设计制造、装置结构简单紧凑，便于安装和维护。

2 液压四爪单动卡盘

2.1液压四爪单动卡盘优点

1）装夹迅速、提高工效

与手动卡盘相比，该卡盘只需按一下按钮，瞬间即可夹紧工件，且夹持力稳定可调，除提高工作效率外，还可实现一人操作多台数控机床，大大降低了人力资源成本，同时也减少了固定设备投入，广泛适用于批量性机械加工企业。 2）降低劳动强度、提升企业形象

使用该卡盘，在提高生产效率的同时，既可大幅度降低工人的劳动强度，让您的企业成为体恤工人的典范，也可为企业人员招聘和提高产品市场竞争力增添新的亮点，还可以提高设备档次，提升企业整体形象，是超强度机械加工企业设备改良的首选品。

3）结构简单、安装方便

该液压四爪单动卡盘整套配置为卡盘、液压装置，安装时无须配拉杆，改变了传统液压和气压卡盘结构复杂、安装麻烦等不足，用户通过阅读安装说明和示意图，较短时间即可完成安装全过程，既可为广大用户节约高昂的安装费和制作成本，也为用户提高了机床运营效率。 4）夹持力大、夹持范围广

该卡盘结构创新，设计独特，改善了传统卡盘夹持力小、力量不稳定的缺点，并且夹持力稳定可靠、可调大小，客户可选配梳齿软爪、硬爪、定做异型爪等，并可根据工件尺寸自行调节梳齿位置以加工各类零件。 5)安全性、可靠性强：

该卡盘通过液压缸，齿轮齿条以及丝杆产生力的转换，除夹持力大之外还具有自

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锁功能，夹紧工件后取走进出，能牢牢夹紧工件进行切削，彻底为客户解决了安全性可靠性方面的一系列问题。

2.2工作原理

该卡盘动力元件由机械机构与液压机构共同作用实现运动。

机械工作原理为：单活塞式液压缸对称布置，放置于卡盘体内部，液压缸活塞杆加工为齿条状，分别与卡盘丝杆加工为一体的丝杆齿轮啮合，液压缸通过液压站提供压力驱动活塞齿条往复运动，齿条带动丝杆齿轮运动，四个丝杆又分别带动卡爪（图2.1）在卡槽内做螺旋传动，从而夹紧，松开工件。

图2.1卡爪

液压工作原理为：工作时，连上管路打开单向阀，依次打开换向阀1、2、3、4，液压油经不同换向阀分别进入液压缸左腔，各液压缸右腔液压油经管路回油箱，活塞右移，分别控制机械机构实现夹紧工件。反之，活塞左移，松开工件。

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图2.2液压系统简图

3 机械零件设计与选用

3.1 标准件的选用

该卡盘是以四爪单动卡盘K72320为主体，因此该卡盘部分附件为标准件，卡盘主体部分结构与卡盘K72320类似，只是在动力结构部分做了改动，而在夹紧机构上将其手动夹紧部分改为液压夹紧，做了较大改动。

3.1.1卡盘体的选用

由给定参数，最大工作外圆直径300mm，根据机床设计手册查阅，选取фD=320mm，фD1=160mm， H=445mm。

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图3.1卡盘体

3.1.2 卡爪的选用

查机床设计手册，卡爪L=110mm，B=34mm，H=79mm，h=18mm,卡爪齿数10牙。

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图3.2 卡爪

3.2.丝杆传动的设计与计算

丝杆传动的结构主要是指丝杆、卡盘的结构形式。它是利用丝杆与卡盘卡齿

组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。

3.2.1丝杆的尺寸选择

卡盘螺旋机构工作时，主要承载转矩和轴向压力。同时在丝杆和卡爪的旋合螺纹间有较大的相对滑动。其失效形式主要是螺纹磨损。因此，丝杆的直径，通常是根据耐磨性确定的。 9）

丝杆上轴向力的确定

由已知参数，该四爪卡盘最大夹紧力为F夹=75KN,又卡爪厚度B=32mm，假设丝杆中径d2 =29mm。对丝杆，卡爪受力分析如图3.3。

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图3.3

由受力图分析得，丝杆所受轴向力Q与丝杆对卡爪的推力Q1为相互作用力。卡爪所受工件的反作用力和丝杆对卡爪的推力Q1，相对于丝杆中心二力所产生的力矩平衡 即 SxF夹x【（L-L1）+L1/2+d2/2】=Q1*d2/2 式中， S为安全系数， S=1.2； L为卡爪的宽度，L=79mm；

L1为卡爪露出卡盘体的部分的尺寸，L1=44

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则，丝杆所受轴向力Q=Q1=1.2x6500x【（79-44）+22+14.5】/14.5=38500N

2）根据传动的耐磨性计算设计丝杆尺寸

滑动螺旋的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大螺旋副间越容易形成过度磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要为螺纹的工作面上的压力p，使它小于材料的许用压力[p]。

如图3.4所示，作用于丝杆的轴向力为Q（N），螺纹的承压面积（指螺纹工作表面投影到垂直于轴向力的平面上的面积）为A（mm2），螺纹的中径是d（mm），螺纹工作高度是H（mm），螺纹的螺距是P（mm），螺母的高度是D（mm），螺纹工件圈数是u＝H/P 。

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图3.4

则螺纹工作面上的耐磨性条件为

（公式一）

上式可作为校核计算用。为了导出设计计算式，令ф=H/d2， 则H=фd2，，代入式整理后可得丝杆中径为：

对于梯形螺纹，h=0.5P,则

（公式二）

（公式三）

式中，【p】为材料的许用压力，丝杆和卡爪的材料均为优质结构钢，【p】=10Mpa,则丝杆中径为

d2=0.8x√【38500/（3x10）】=28.7mm。

按国家标准选取相应的尺寸为： 名称 中径d（D）mm 丝杆 29 卡爪 29 大经d2 （D2）mm 32 33 小径d1 （D1）mm 25 26 螺距P mm 8 \\ 3）自锁性能校核

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要验证该机构能否自锁，首先确定钢对钢的摩擦系数，由于该机构要求自锁，所以取摩擦系数偏小些，故取ƒ=0.1。则摩擦角ϕ=5˚43’。丝杆的螺旋升角α 根据公式 tanα=nP/2πr1 （公式四） 式中，n为丝杆螺旋头数，n=1； P为丝杆螺距，P=6mm； r2为丝杆中径，r1=14.5mm 因此，tanα=0.08785 则α=5˚1’。

根据自锁条件，螺旋升角α应小于摩擦角ϕ，这里满足了这个条件，所以该夹紧机构是自锁的。

4）丝杆水平推力及所受扭矩的确定

螺旋机构是斜面机构的一种特殊形式，它是将升角为α的斜面绕在圆柱上形成的，.如图3.5所示。

图3.5

该螺旋机构是方牙螺旋，所以螺旋机构的受力分析同斜面机构完全相同。图

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中滑块1相当于卡爪卡齿的一部分，它沿下降的运动相当于卡爪在丝杆上旋动，即夹紧工件。Q是夹紧工件时所受的轴向力，它相当于斜面机构中

滑块1的载荷。水平推力P是夹紧工件时由丝杠齿轮上传来的动力，假定作用在齿轮中经上。当夹紧工件时，可计算出水平推力F的大小为：

F=Qtan（α+ϕ） （公式五） =38500xtan（5˚43+3˚46’）=31N 故，水平推力对丝杆所产生的扭矩为

T=Fr=31x14.5=93249.5N·mm

3.2.2丝杆的强度计算

丝杆工作时，承受轴向压力Q和扭矩T的作用。丝杆危险截面上既有压缩应力又有切应力。故，校核丝杆强度时，应根据第四强度理论求出危险截面的设计计算应力σca，其强度条件为

（公式六） 式中，Q——丝杆所受的轴向压力，N；

A——丝杆螺纹的危险截面面积；A=πd12/4，mm； d1——丝杆螺纹的小径，mm T——丝杆所受的扭矩，N*mm；

【σ】——丝杆材料的许用应力，Mpa，此处取丝杆材料为Q345B合金结构钢，故【σ】=98.6Mpa。

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计算得，σca=94.5<【σ】因此，所选丝杆材料尺寸符合条件。

3.3丝杆齿轮与活塞齿条的设计与计算

3.3.1齿轮齿条的概述

齿轮齿条机构是圆柱齿轮机构的特殊情况，在生产生活中应用很广。齿条的分度线是牙齿工作高度的平分线，也称中线，在此线上齿厚和齿槽宽相等。由于齿条轮廓为直线，齿廓上各点的法线都为平行的直线，因此它们各点的压力角均和分度线上的压力角相等。

3.3.2齿轮齿条的材料选择

齿条材料的种类很多，在选择过程中应考虑的因素也很多，主要以以下几点 作为参考原则：123

齿轮齿条的材料必须满足工作条件的要求。

应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成形方法及热处理和制造工艺。

正火碳钢，不论毛坯制作方法如何，只能用于制作载荷平稳或轻度冲击，工作

下的齿轮，不能承受大的冲击载荷，调制碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。 45

合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。

金属制的软齿面齿轮配对，两轮齿面的硬度差应保持为30—50HBS或更多。

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由于钢材的韧性好，还可通过热处理改善其力学性能及提高齿面硬度。故适用于来制造齿轮。由于本设计中齿轮承受载荷比较大，应采用硬齿面硬度≥350HBS。故选取合金钢，齿轮选用20MnCr5或15CrNi6材料制造并经渗碳淬火，硬度在56-62HRC之间,取值60HRC，硬度为300HBS。以满足强度要求，进行设计计算。

3.3.3齿轮齿条的设计与校核

1）齿轮传动的精度等级、设计参数、许用应力的选择 1精度等级的选择

该机构速度不高，为一般机械，故选用7级精度。 2.压力角α的选择

我国对一般用途的齿轮传动规定的标准压力角为α=20°。 3.齿数z的选择

为使齿轮免于根切，对于α=20°的标准直齿轮，应取z≥17。这里取z=20 4.齿宽系数d的选择 由于齿轮做悬臂布置，取d=0.6

5.齿轮螺旋角初选为β=12°，变位系数x=0.7 6.预计工作寿命

10年，每年250个工作日，每个工作日10个小时，Lh=10x250x10=25000h

2）按齿根弯曲强度设计 （公式七）

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1、试取K=1.3

2、齿轮的转矩 T=93249.5N·mm 3、取齿宽系数 фm=0.84、齿轮齿数 z=20 5、复合齿形系数 YFs=4.34

6、由机械设计图10-20c查得齿轮齿条弯曲疲劳强度极限σFE=500Mpa；由机械设计图10-18查得齿轮齿条弯曲疲劳寿命系数KFN=1.1。计算弯曲疲劳许用应力，取弯曲疲劳安全系数S=1.4 【σF】=σFEKFN/S=392Mpa 带入数值得m≥2.03。

3）按齿面接触疲劳强度设计计算

d2.323KTu1ZE2•（） （公式八） duH式中：1、K取值1.3；

2、齿轮的转矩，T=93249.5N·mm； 3、取齿宽系数，фm=0.8；

4、ZE为弹性影响系数，其数值查机械设计表10-6取ZE=1.8Mpa1/2； 5、查机械设计图10-21d得齿轮的接触疲劳强度极限为σH=620 Mpa，由机

械设计图10-19查得齿轮齿条接触疲劳强度寿命系数KHN=1.3。 6、由于本传动为齿轮齿条传动，传动比近似无穷大，所以(u±1)/u=1，取

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失效概率为1%，安全系数S=1，则 【σH】=σHEKHN/S=806Mpa

代入数值得d≥47.2mm

通过模数计算得：m=2.5，z=20 所以分度圆直径d=2.5x20=50mm 所以取两者偏大值d=50mm。 4）几何尺寸计算

计算：齿宽 b=фm xd=0.8x50=40mm

齿高 h=2.25m=2.25x2.5=5.62mm 最终确定齿轮数据：

模数m=2.5 齿数z=20

分度圆直径d=50mm 齿高h=6mm 齿宽b=40mm

4液压传动系统的设计计算

液压传动系统是机械设备动力传动系统，因此，它的设计是整个机械设备设计的一部分，必须与主机设计联系在一起同时进行。一般在分析主机的工作循环、性能要求、动作特点的基础上，经过认真分析比较，在确定全部或局部采用液压传动方案之后才能提出液压传动系统的设计任务。

液压系统设计必须从实际出发，注重调查研究，吸收国内外先进技术，采用现代设计思想，在满足工作性能要求、工作可靠要求的前提下，力求使系统结构简单、成本低、效率高、操作维护方便、使用寿命长。

4．1液压缸系统主要参数的确定

执行元件的工作压力和流量是液压系统最主要的两个参数。这两个参数是计算和选择元件、辅件和原动机的规格型号的依据。要确定液压系统的压力和流量，首先必须根据各液压执行元件的负载循环图，选定系统工作压力；再根据系统压力，确定液压缸有效工作面积A或液压马达的排量VM；最后根据位移时间循环图确定其流量。

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4.1.1系统工作压力的确定

根据液压执行元件的负载循环图，可以确定系统的最大载荷点，在充分考虑系统多需的流量、系统效率和性能要求等因素后，按照表4-1或4-2选择系统工作压力。

负载/kN <5 5~10 10~20 20~30 30~50 >50 4~5 >5~7 系统压力/Mpa <0.8~1 1.6~2 2.5~3 3~4 表4-1按负载选择工作压力 机床 农业机械 工程机械 船用设备类型 磨床 组合机床 车床 珩磨 拉床 汽车工业 重型机械 机械 牛头刨床 铣床 机床 龙门 小型工程 锻压设备 插床 齿轮加工 机床 压力/ Mpa <2.5 <6.3 2.5~6.3 <10 10~16 16~32 14~25 镗床 刨床 机械及辅液压支架 助机械 表4-2按主机类型选择系统压力 工作压力是确定执行元件结构参数的主要依据。它的大小影响执行元件的尺寸和成本，乃至整个系统的性能。在系统功率一定时，一般选用较高的工作压力，使执行元件和系统的结构紧凑、质量轻、经济性能好。但是，若工作压力选的过高 ，则会提高对元件的强度、刚度及密封要求和制造精度要求，不到达不到预定的经济效果，反而会降低元件的容积效率、增加系统发热、降低元件寿命和系统可靠性；反之，若工作压力选的过低，就会增大执行元件及整个系统的尺寸，使结构变得庞大。所以应根据实际情况选取适当的工作压力。由表4-2机床液压传动系统中车床使用的压力一般为2.5~603Mpa，此处选择6.3Mpa。

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4.1.2液压缸尺寸的确定

液压缸的内经一般根据最大工作负载来确定。

液压缸的有效工作面积为 A=F/p=πD2/4 （公式九） 对于无活塞杆腔，液压缸的内径为

D=(4F/πp)1/2 （公式十） =(4x31/π/6.3)1/2=36.1mm

活塞杆的直径按受力情况决定，由于卡爪夹紧所受的力是由活塞杆受压传递的，因此取活塞杆直径d=（0.5-0.7）D d=0.6D=0.6x36.1=21.66mm 圆整为D=40mm，d=22mm

4.1.3 液压缸壁厚的确定

液压缸壁厚是指缸筒的结构中最薄的地方的厚度。由材料力学学习可知，圆筒承受内压力，它内应力的分布规律因壁厚的不相同而各不同。一般计算时可分为薄壁圆筒计算和厚壁圆筒计算。

在设计计算中液压缸内径 D与壁厚δ的比值D／δ≥10的圆筒叫做薄壁圆筒。其中起重机械与工程机械的液压缸，一般使用无缝的钢管材料，故大多数属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算

δ≥pyD/2【σ】 （公式十一） 式中，δ——薄壁筒壁厚，mm

py——试验压力，当液压缸额定压力pn≤16Mpa时，py =1.5pn;

【σ】——缸筒材料许用应力，其值为：锻钢：〔σ〕＝110～120Mpa；铸钢：〔σ〕＝100～110Mpa；无缝钢管：〔σ〕＝100～110Mpa；高强度铸铁：〔σ〕＝60Mpa；灰铸铁：〔σ〕＝25Mpa。此处液压缸采用无缝钢管，取〔σ〕＝100 Mpa带入数据得 δ≥1.mm

在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往很不够，如在切削加工过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程

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卡死或漏油。因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。因此，壁厚应选的大一些，取δ=4mm。

4．2液压系统原理图的拟定

拟定液压系统原理图是液压系统设计中最重要的一步，它从工作原理和结构图组成上来具体体现设计任务中各项要求，不需要精确计算和选择元件规格，只需要选择功能合适的元件和原理合适的基本回路组合系统。

4.2.1选择液压回路

液压基本回路是决定卡爪动作和性能的基础，是组成系统的骨架。要根据液压系统所需要完成的任务和工作机械对液压系统的设计要求来选择液压基本回路。

首先选择调压回路，调压回路的功用是使液压系统整体或某一部分的压力保持恒定或不超过某个限定值。由于本设计中液压装置驱动卡爪夹紧工件，应限定系统最大工作压力，因此本设计中调压回路选择单级调压回路即可（如图4.1）。

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图4.1单级调压回路

图4.1所示的调压回路中。溢流阀可调整系统的工作压力，系统压力随液压缸所受负载而变，这时溢流阀起安全阀的作用，限定系统的最高压力。系统过载时，安全阀开启，压力由经安全阀流回油箱。

其次选择换向回路，换向回路的作用是变换执行元件的运动方向。系统对换向回路的基本要求是换向可靠、灵敏、平稳、换向精度合适。此处选择简单换向回路即可，采用三位四通换向阀即可使执行元件换向。

最后选择控制回路，控制回路的作用是保证多个执行元件按顺序依次动作。本设计由于要实现四个卡爪单独动作，因此液压回路选择顺序动作回路。工作时，依次控制不同换向阀使液压缸动作，带动相对卡爪按不同的次序动作，从而实现四个卡爪单独动作夹紧工件。

4.2.2液压回路的综合

选定液压基本回路后，配以辅助性回路，就可以组成一个完整的液压系统。

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1）动力来源：该液压系统采用液压站统一供压。

2）液压管布置：由于该卡盘装在主轴上，卡盘外部液压管不可能随着卡盘转动，因此，当工件夹紧后液压管应卸下，故连接卡盘内部和外部的液压管接头应使用快换管接头。

3）动作控制：该液压系统的四个液压缸依靠四个三位四通阀分别控制，每次动作一个三位四通阀，完成卡爪单独动作。

4.2.3液压系统图的绘制

在所选的基本回路的基础上，在考虑其他一些因素，绘制图所示液压系统图。（如图4.2）

图4.2

1,2,3,4,——卡爪夹紧液压缸；5,6,7,8——三位四通换向阀； 9——快换管接头； 10——单向阀

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如图为液压系统初始状态。工作时，通过快换管接头9连接液压管，打开单向阀10，放好工件，推动任意换向阀手柄，使换向阀右位工作，相应液压缸右行，对应卡爪动作加紧工件，同样，分别动作其他三个换向阀，从而夹紧工件。工件装夹完毕，依次将换向阀中位工作，关闭单向阀10，与快换管接头9处将液压油路取下，打开车床加工工件。加工完毕，连接快换管接头9，打开单向阀10，依次将换向阀打到左位，液压缸左行，带动相应卡爪松开工件，取下工件，完成一次加工。

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5设计总结

本次对四爪单动液压卡盘的设计，实用性很强，期间从构思到设计，再到画图，我学到了很多知识，学到了很多平时没有注意到的知识点，复习并查阅了机械设计与液压技术基础这类相关书籍、资料，经过将近一个月的努力，较全面完成了设计任务。

针对整个课题的研究，使我收获颇多，掌握了进行一般设计工作的思路和方法，这给我以后的工作打下坚实的基础。更重要的是经过此次设计使我大学所学相关知识与实践很好的结合一起，加深了记忆。当然，在课题的设计工作中我还存在一些不足和缺陷，我将在以后的工作生活中逐渐改正，完善自己。

针对此次设计工作中出现的问题，我做到了反复计算，反复修改，设计过程中将资料和创新相结合，运用标准和规范，使得设计任务最终得以完成。

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参考文献

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