多轴钻孔机床液压系统设计和插装阀的应用研究

徐建方

(常州工学院 教学指导评估中心，江苏 常州市 213002)

目前在中小型机床液压系统中采用的多是以滑阀式结构为主的传统液压控制阀，该种阀存在通流能力小、密封性和工作可靠性差等缺陷，是液压系统诸多故障的源泉。在大流量系统中使用，会显著增加液阻和压力损失，降低效率，且难以实现集成化配置。因插装阀具有通流能力大、响应快、结构简单、密封性要好、动作准确可靠、易于集成等突出优点，用其取代传统液压阀，组成机床液压系统，必将对液压系统性能的改善和机床加工精度的提高起到重要作用。此外，采用插装阀设计机床液压系统，也符合流体传动技术的发展趋势。为降低使用成本，消除环境污染，流体传动技术正向着使用纯水介质方向发展。由于水的粘度低，要求阀的密封性要好，以提高系统的效率。插装阀采用锥面密封，具有优良的密封性能，更适用于用水介质中工作。

随着人们对插装阀结构和性能优点认识的深化，它必将受到日益重视，得到越来越广泛的应用，也应引起机床设计人员的高度关注，易为机床液压系统的设计打开一条新的设计道路。

1 基于插装阀的多轴钻孔液压系统设计

用插装阀设计的多轴钻孔机床液压系统，如图 1所示。

该系统主要由动力滑台进给缸、定位和夹紧缸回路组成，采用差动控制回路，实现进给缸的快进;采用限压式变量叶片泵和调速阀组成的容积—节流调速回路调节进给速度，二位二通行程阀在快进时直通，调速阀用于调节工进速度，单向阀在快退时起旁通作用，泵输出的油液经减压阀 19减压后提供给定位缸和夹紧缸;单向阀 18用于保证在进给缸快进时，定位和夹紧缸的压力不受影响;进给缸的运动方向由插装式方向阀 10控制;定位缸和夹紧缸的运动方向由插装式方向阀 17控制;系统的最高工作压力由安全阀 4限定;快进和工进的转换由方向阀 10和单向行程调速阀 5控制;单向节流阀 15用于调节夹紧缸的运动速度(夹紧时间);单向顺序阀 16用于控制夹紧缸和定位缸的动作顺序;压力继电器 14用于夹紧力达到预定值时，发出信号使进给缸动作。现对该系统的工作原理分析如下。

图1 多轴钻孔机床液压系统图

1.1 工件的定位与夹紧

工件的定位与夹紧，其功能分别由定位和夹紧油缸来实现，两缸并联，在顺序阀 16的控制下实现先后动作。油泵 3起动后，其输出的压力油经减压阀 19减压后，经单向阀 18到达方向阀 17的进油口 P，此时方向阀 17中的二位四通先导阀电磁铁 3YA断电，处于图示左位，二通插装阀 h、j的上腔通控制压力油，阀口关闭，二通插装阀 g、i的上腔通油箱，阀口开启，泵提供的压力油经二通插装阀 i的阀口进入定位缸 12的无杆腔，该缸的有杆腔经二通插装阀 g的阀口通油箱，定位缸活塞杆伸出，推动工件，待工件到位后，压力上升到顺序阀 16的设定压力时，顺序阀 16开启，压力油经单向节流阀 15中的节流阀进入夹紧缸 13的无杆腔，其有杆腔经二通插装阀 g的阀口通油箱，活塞杆伸出，将工件夹紧(为断电夹紧，夹紧时间由节流阀调整)，达到预定夹紧力后，压力继电器发出信号使进给缸开始动作。

1.2 进给

进给功能由进给缸实现，可实现快进、工进和快退的动作循环，速度的转换由单向行程调速阀(该阀为专用阀，为使速度切换平稳、准确和可靠，仍采用原来的形式)5和方向阀 10共同完成。

(1)快进 工件定位、夹紧后，压力继电器 14发出信号，使方向阀 10中的先导阀电磁铁 1YA和 2YA通电(3YA断电)，两先导阀均切换到右位，方向控制阀 10中 4个二通插装阀中的 a和 d的上腔通压力油，处于关闭状态，b和 c的上腔通油箱，处于开启状态，泵提供的压力油经二通插装阀 b的阀口和单向行程调速阀中二位二通插装阀的右位进入液压缸 6的无杆腔，液压缸有杆腔的油液经二通插装阀 c的阀口，同泵提供的压力油合流后，也经此油路进入无杆腔。液压缸差动连接，活塞杆快速伸出，实现快进(此时压力低，泵输出流量大)。

(2)工进 当液压缸快进到位后，压下单向行程调速阀 5和行程开关 K1，使单向行程调速阀中的二位二通阀切换到左位，使油流经调速阀进入缸的无杆腔，同时 K1所发出的信号使电磁铁 2YA断电，所控制的二位四通先导阀切换至左位，二通插装阀 b和 d的上腔通油箱，阀口开启，a和 c的上腔通压力油，阀口关闭，液压缸有杆腔所排出的油液经二通插装阀 d的阀口通油箱。液压缸实现工进，速度大小由单向行程调速阀中的节流阀调整。

1.3 快退

液压缸工进到位后，压下行程开关 K2，发出信号，使方向阀 10中的电磁铁 1YA断电，2YA通电，所控制的二位四通先导阀分别切换至左位和右位;二通插装阀 a和 c的上腔通油箱，阀口开启，二通插装阀 b和 d的上腔通压力油，阀口关闭，泵供应的压力油经二通插装阀 c的阀口进入液压缸的有杆腔，液压缸无杆腔中的油液经单向行程调速阀中的单向阀和二通插装阀 a的阀口流回油箱。由于在油路上液阻很小，工作压力低，泵输出流量大，液压缸实现快速退回。

1.4 原位停止

液压缸快退到位后，压下行程开关 K0，发出信号，使方向阀 10中的先导阀的电磁铁 1YA和 2YA断电，所控制的二位四通先导阀均切换到左位，使二通插装阀 b、c的上腔均通控制压力油，阀口均被关闭，a和 d的上腔通油箱，进给缸的两腔均和油箱相通，处于浮动状态，等待新的命令，准备开始新的动作。此时，变量叶片泵的出油口被封闭，实现流量卸荷。

1.5 工件拆卸

加工完毕后，按下电钮使方向阀 17中的先导阀电磁铁 3YA通电，所控制的二位四通先导阀切换至右位，二通插装阀 g、i的上腔通控制压力油，阀口关闭，二通插装阀 h、j的上腔通油箱，阀口开启，压力油经二通插装阀 h的阀口进入定位和夹紧缸的有杆腔，定位缸 13的左腔经二通插装阀 j的阀口回油箱，夹紧缸 12的左腔经单向节流阀 15、单向顺序阀 16和二通插装阀 j的阀口回油箱，定位和夹紧缸均松开，可进行工件拆卸。以上动作，各电磁铁的通、断电情况如表1所示。

表1 电磁铁得电动作顺序

2 二通插装阀的应用

2.1 二通插装阀的结构原理

二通插装阀通常由插入元件、阀盖和先导元件组成。如图 2所示。

图2 插装阀结构原理图

插入元件的形状与单向阀相似，由阀芯、阀套、弹簧及密封圈组成，它有两个工作腔 A和 B，一个控制腔C。阀芯在阀套中滑动，其配合间隙很小以保证 B腔与 C腔之间的泄漏最小，阀芯头部的锥面与阀套形成可靠的线密封，A腔与B腔之间没有泄漏，阀套上的密封圈防止了 A、B、C三腔之间沿阀套外缘的泄漏。阀盖的底面安装在阀体上，顶面作为先导阀的安装面，内部钻有各种通道或插装各种先导阀元件。先导元件通常是电磁换向阀和一些先导阀元件组成。

如果忽略阀芯的重量和阻尼力的影响，则作用在阀芯上的力的平衡关系为：

Ft+Fy+PC◦ AC-PA◦ AA-PB◦ AB=0

式中：PA、PB、PC分别为 A、B、C腔的压力;AA、AB、AC分别为作用在阀芯上的轴向投影面积。

由上式可知，阀的工作状态不仅取决于控制腔 C的压力，而且还取决于工作腔 A、B的压力以及作用在阀芯上的弹簧力 Ft和轴向稳态液动力 Fy。

2.2 二通插装阀的功能

(1)当控制腔 C接油箱卸荷时，阀芯下部的液压力克服上部的弹簧力将阀芯顶开，液流方向视 A、B腔液压力的大小而定。当 PA◦AA＞PB◦AB时，液流方向A→B;当 PA◦AA、＜PB◦AB时，液流方向 B→A。当控制腔 C接系统油压时，阀芯在下端压力差和弹簧作用下关闭，油口 A和 B不通，因此插人元件实际上相当于一个液控二位二通阀，可以实现方向控制。如图1中的 10和 17。如果 C腔通过阀盖上的 X口与A或 B口相连，便构成了一个单向阀，如液压系统图 1中的 18。

(2)如果设定了控制腔的压力，则当工作腔压力超过一定值后，阀芯便会开启，实现了压力控制的功能。如液压系统图 1中的 4、11、16和 19。

(3)如果在控制腔采取相应的行程调节措施来限制阀芯的开启高度，即开口的大小，则可作为一个节流元件实现流量控制的功能。在阀芯上开阻尼孔是为了减小液压冲击。

可见插装阀包含了方向、压力、流量的复合控制机能，这就是其多机能的特点。

3 结论

用插装阀设计机床液压系统，从设计、制造、安装和使用维修几个方面都有优点：

(1)从功能上，现代机床液压系统中所使用的各种阀件的功能均可用相应的插装阀实现，所以，可用插装阀设计出所有类型和型号的机床液压系统，用其组成的机床液压系统完全能满足使用要求，并可改善液压系统的性能，且有典型集成块可供选用，给设计工作带来了极大的方便。

(2)插装阀的结构简单、集成块体的制造精度要求低，利于组织大批量生产，降低制造和生产成本。

(3)插装阀的突出优点是易于实现集成化配置，不受流量的限制，解决了大流量系统难以集成的难题，管路布置灵活，并可减少配管，使液压泵和油箱的布置也具有更大的灵活性，使液压系统结构紧凑，便于安装，整台机床的占地面积减小，布置更合理、更美观。

(4)插装阀的抗污染能力强，可延长介质的使用时间，耐磨性好，工作寿命长，二次维修之间的间隔长，发生故障后易判断，维修时间短，便于使用和维护。

所以，用插装阀设计和装配机床液压系统，在技术和经济上可行。所以在设计高压大流量、执行元件较多、系统较复杂的大型机床液压系统时，应优先考虑选用插装阀作为其液压系统的控制元件;在设计中、小型机床液压系统时，可考虑采用插装阀系统或由插装阀和传统液压阀组成的混合系统。分析表明，用插装阀设计的机床液压系统能满足工作要求，基于同样的原理，可用插装阀设计出所有类型和型号的机床液压系统。

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