发布时间：2022-04-26所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要： 在机械工程领域液压传动有着举足轻重的作用，尤其是实现设备的自动化。本文通过对工程机械中万能外圆磨床工作台往复运动及为满足短小零件快速磨削需要的工作台抖动油路、工作台手动与液动相互切换及互锁油路、砂轮架的快速进给及退出油路、尾架顶尖的夹紧与松开
摘要： 在机械工程领域液压传动有着举足轻重的作用，尤其是实现设备的自动化。本文通过对工程机械中万能外圆磨床工作台往复运动及为满足短小零件快速磨削需要的工作台抖动油路、工作台手动与液动相互切换及互锁油路、砂轮架的快速进给及退出油路、尾架顶尖的夹紧与松开油路、机床各部位润滑及丝杠螺母副间隙的消除油路做详尽分析;并总结万能外圆磨床液压传动系统的结构特点，对于后期万能外圆磨床液压传动系统的升级、改造及创新设计具有一定的参考价值和指导意义。
关键词： 万能外圆磨床;抖动缸;砂轮;互锁阀;启停阀;进给阀;丝杠螺母副;快动阀;先导阀;液动式换向阀
0 引言
近年来，随着科技的不断进步机械自动化程度越来越高，许多手动设备逐渐被自动化设备所替代;自动化设备不仅能大幅度降低工人的劳动强度，更重要的是生产效率高、加工出来的零件精度也远高于手工劳作。在工业生产中不同的设备根据其自动化程度和原理上的差异又可分为：电气自动化、机械自动化、气压自动化、液压自动化、气液组合自动化、电液组合自动化、电气液组合自动化等等;万能外圆磨床即是采用了强大的电液组合来实现设备的自动化的。这不仅大幅度提高了设备的利用率和零件的生产效率，更重要的是降低了零件的生产成本。对于万能外圆磨床来说，各部分的动作主要是靠液压传动来驱动，因此要了解万能外圆磨床的具体工作过程，关键是液压油路的理解和掌握;但若不能够完全了解其内部液压油路的具体工作原理，就会给后期的使、用维护及改进设计带来困难，鉴于此，本文通过对设备的液压油路具体动作做详尽描述(限于篇幅，电气部分这里不做赘述)，给后期设备的改进设计及维护保养提供帮助。
1 外圆磨床概述
万能外圆磨床设备主要用于磨削回转类零件的外圆柱面、外圆锥面或内孔表面等，其磨削精度可达 1-2 级，表面粗糙度为 T8-T10 级[1]。为实现机床的自动化和高效率化作业，要求机床能够实现：①工作台的往复动作，由于万能外圆磨床对磨削精度要求较高，一般磨床的往复进给速度都不会太高，其运动速度要求控制在 0.1-0.5m/min 之间，能进行无级调速[1]。为便于精修砂轮，要求机床低速运转时无爬行现象;工作台在启动、停止时要迅速，换向时要平稳无抖动现象以及较高的换向精度，以满足磨削阶梯轴及孔的精度要求和防止造成加工事故。②砂轮架进退要迅速，在磨削加工中，为了实现产品的高效安全生产，在装拆工件时要求机床不仅能够进退迅速还要有较高的平稳性，在测量工件时还要能实现高效的重复定位精度，内圆磨削时要能够锁住不动，保证操作安全[1]。③尾座顶尖的夹紧与松开，为了保证零件在磨削时的定位精度，机床采用液压顶尖夹紧机构对工件进行夹紧与松开，为了保证安全，要求机床砂轮工作前顶尖先夹紧零件砂轮再进入工作，磨削完毕后二者动作则相反。④设备润滑，机床在 V 型导轨副、平面导轨副及滚珠丝杠螺母副等频繁动作的接触处利用液压系统进行润滑，在保证零件磨削精度的同时也提高了机床使用寿命。
2 机床液压油路工作原理
万能外圆磨床液压油路的工作原理如图 1 所示，该图是整个外圆磨床实现自动化操作的核心，现分别叙述其控制动作过程如下：
2.1 工作台往复运动回路
①工作台右行。将开停阀右位接入系统，液动式换向 阀及先导阀均处于图 1 所示右端位置时，油液进入工作台液压缸右腔推动工作台右行;控制油路为：
进油路：液压泵供油→油路 17→油路 9→液动式换向阀右位→油路 15→工作台液压缸右腔;回油路：工作台液压缸左腔油液→油路 37→油路 13→液动式换向阀右位→ 油路 7→先导阀右位→油路 4→开停阀右位→节流阀(b9 ) →油箱;此时工作台液压缸右行，速度由节流阀 b9 来调节。
②工作台左行。当工作台液压缸右行至预定位置时，其上的左挡块拨动与先导阀芯相连接的操纵杆，推动先导阀阀芯左移，工作台开始换向;先导阀阀芯在向左移动过程中，阀芯中段右侧芯锥 a2 将回油路阀口(油路 7→油路 4 阀口)逐渐关小，使工作台持续做减速制动，实现工作台的预制动;当先导阀阀芯继续向左移动时，将右侧油路 3 与油路 8 导通，先导阀阀芯最左侧环槽将油路 34 及油路 5 同时接通回油箱，控制油路被切换，此时抖动缸左侧柱塞被接入油路系统中，驱使先导阀阀芯快速向左移动;其油路为：
进油路：液压泵供油→精密过滤器→油路 1→油路 33→油路 3→先导阀左位→油路 8→油路 25→抖动缸左腔;回油路：抖动缸右腔油液→油路 23→油路 2→油路 5→先导阀左位→油箱;先导阀阀芯在抖动缸驱动杠杆的作用下快速向左移动实现阀芯快跳动作。
2.2 换向回路
当先导阀阀芯移动一段距离之后，操纵液动式换向阀的控制油路发生变换;其控制油路为：
进油路：液压泵供油→精密过滤器→油路 1→油路 33→油路 3→先导阀左位→油路 8→油路 40→油路 38→ 单向阀(c2 )→液动式换向阀右端;
回油路：液动换向阀阀芯在左移过程中经历三次变换，实现阀芯实现第一次快跳→慢速移动→第二次快跳，驱使工作台液压缸换向在预制动后又经历了迅速制动→ 停留→迅速反向制动三个阶段;即液动式换向阀左端腔至油箱的回油路视阀芯的位置不同先后有三条线路，分别为：
①液动式换向阀阀芯第一次快跳左移回油路：液动式换向阀最左端阀腔中油液→油路 10→油路 5→先导阀左位→油箱。换向阀阀芯因回油通畅而迅速左移，实现阀芯的第一次快跳[2];当液动式换向阀阀芯右侧阀锥(e2 )逐渐快跳至关闭油路 13→油路 7 回油口时，工作台由预制动转向迅速制动;第一次快跳使换向阀阀芯中部台阶左移至阀腔沉割槽处(沉割槽宽度大于台阶宽度)致使工作台液压缸两腔油液互通，工作台停止运动[3]。
当换向阀阀芯在压力油的作用下继续左移覆盖油路 41 后，液动式换向阀阀芯第一次快跳结束，阀芯随即转入慢速左移;此时，阀体左腔回油路改变为：
②液动式换向阀阀芯慢速左移回油路：液动式换向阀最左端阀腔中油液→节流阀(b1 )→油路 10→油路 5→先导阀左位→油箱;由于换向阀中间沉割槽宽度大于阀芯中部台阶宽度，因此阀芯在慢速左移的短暂时间内，工作台液压缸两腔继续保持互通，即为上述工作台在反向前端点保持短暂停留，其停留时间由节流阀(b1 )调定，调节范围为 0～5S[4]。
当换向阀阀芯在压力油作用下左移到左侧环槽将油路 11 与油路 41 连通时，使换向阀左侧腔体中的油液变得畅通无阻，实现阀芯的二次快跳;此时液动式换向阀左腔回油路变换为：
③液动式换向阀阀芯第二次快跳左移回油路：液动式换向阀最左端阀腔中油液→油路 11→油路 41→油路 10→油路 5→先导阀左位→油箱;与此同时主油路被切换;工作台迅速反向启动向左运行;至此工作台的整个换向过程结束;液压缸工作台反向(左行)启动;主油路为：
进油路：液压泵供油→油路 17→油路 9→液动式换向阀左位→油路 13→油路 37→工作台液压缸左腔;
回油路：工作台液压缸右腔中的油液→油路 15→液动式换向阀左位→油路 6→先导阀左位→油路 4→开停阀右位→节流阀(b9 )→油箱。
当工作台左行至预定位置碰到右挡块时，先导阀阀芯在杠杆的驱动下向右移动重复上述换向过程，实现工作台的自动换向(这里限于篇幅不再赘述，读者有兴趣可自行分析)。
2.3 工作台手动与液动互锁
为了在工作台上装卸零部件方便、快捷的需要，工作台往复运动除设置液动方式之外还设置了手动方式。如图 1 所示，手动方式是由手轮、齿轮、齿条等机构组合而成。在手动与自动方式之间用互锁缸和开停阀配合来实现二者相互切换;同时互锁缸还可实现自动方式下工作台在往复运行时手轮锁止不动，有效避免了手轮旋转伤人的危险。在实际工作中二者需要相互切换时其具体过程为：
自动方式：自动方式下工作台液压缸往复运动由液压油路来控制，具体过程见前述;当开停阀右端位置接入系统时(图 1 所示位置)，互锁缸无杆腔接入液压系统，在液压油的作用下推动互锁缸中活塞压缩有杆腔中弹簧驱使齿轮 Z1 与 Z2 脱开啮合，实现手轮锁止;图示情况下其锁止油路为：手轮锁止油路：液压泵供油→油路 17→油路 9→ 液动式换向阀右位(左位)→油路 39→开停阀右位→油路 12→互锁缸无杆腔;手动方式：当开停阀左位接入系统时，互锁缸无杆腔油液接回油箱，Z2 在互锁缸有杆腔弹簧的驱动下上移至与 Z1 啮合，接入手动驱动工作台方式;其次，当开停阀左位接入系统时，工作台液压缸左、右两腔油液互通而处于浮动状态，即实现了自动方式向手动方式的切换，当摇动手轮即可驱动工作台左右往复运动;若要再次切换至自动方式，只需将开停阀右位接入系统即可。
2.4 砂轮架实现快速进给、退出
为了提高生产效率，节省加工时间，要求砂轮在磨削开始前能够快速靠近零部件，在装卸和测量工件时又要求砂轮能快速退回[5];砂轮架下方的螺母丝杠与快动缸活塞杆相连接，并用快动阀来控制其快速进退[6];图 1 所示状态是将快动阀左位接入系统，压力油进入快动缸无杆腔，驱使砂轮架快速前进;则快速进给油路为：
进油路：液压泵供油→油路 17→油路 19→快动阀左位→油路 22(油路 C6 )快动缸无杆腔;
回油路：快动缸有杆腔中油液→油路 21→快动阀左位→油箱;搬动快动阀手柄使换向阀右位接入系统，则压力油进入快动缸有杆腔，砂轮架快速退回;则快速退回油路为：
进油路：液压泵供油→油路 17→油路 19→快动阀右位→油路 21(油路 C5 )快动缸有杆腔;
回油路：快动缸无杆腔中油液→油路 22→快动阀右位→油箱。
2.5 砂轮架的进给
当工作台往复运动到终点停留时砂轮架可实现自动进给;它主要由进给阀操纵，经进给缸柱塞上的棘爪拨动棘轮，再通过齿轮、螺母丝杠等传动副带动砂轮架运动实现[7]。砂轮的周期进给可通过选择阀根据需要实现双向进给、左进给、右进给和无进给四种方式;下面详细分析选择阀处于不同位置时油路走向及砂轮进给情况。
①双向进给油路。当选择阀双向进给油口接入系统(图 1 所示状态)，工作台液压缸向右运行至终点时，挡铁拨动换向拨杆驱动先导阀阀芯左移，此时先导阀将控制油路切换，则各油路走向及砂轮进给为：
进给阀进油路：液压泵油液→精密过滤器→油路 1→ 油路 33→油路 3→先导阀左位→油路 8→油路 40→油路 38→油路 42→油路 26→节流阀 b3→进给阀左腔;进给阀回油路：进给阀右腔油液→单向阀(C4 )→油路 28→油路 24→油路 2→油路 5→先导阀左位→油箱;驱使进给阀阀芯右移;与此同时，液压泵驱动进给缸拖动砂轮的一次进给油路为：砂轮一次进给油路：液压泵供油→精密过滤器→油路 1→油路 33→油路 3→先导阀左位→油路 8→油路 40→油路 38→油路 42→油路 26→油路 27→选择阀(双向进给)→油路(d1 )→进给阀→油路 f→进给缸右腔;推动进给缸阀芯左移，柱塞上棘爪拨动棘轮旋转一个角度，再通过齿轮等部件驱动砂轮进给一次;当进给阀阀芯继续右移时堵住阀口 d1 而将阀口 d2 导通，此时进给缸右端接回油箱，阀芯在左端弹簧力作用下右移，则进给缸回油路为：进给缸回油路：进给缸右腔油液→油路 f→进给阀→油路 d2→选择阀→油路 29→油路 24→油路 2→油路 5→先导阀左位→油箱;进给缸柱塞在弹簧力作用下通过棘轮、棘爪及螺母、丝杠驱动砂轮复位，为下一次进给做好准备;
当工作台液压缸反向左运行至终点时，由于先导阀又将控制油路切换，则各油路走向及砂轮进给为：
砂轮二次进给油路：液压泵油液→精密过滤器→油路 1→油路 33→油路 34→先导阀右位→油路 5→油路 2→油路 24→油路 29→选择阀(双向进给)→油路 d2→进给阀→ 油路 f→进给缸右腔;推动进给缸阀芯左移，柱塞上棘爪拨动棘轮旋转一个角度，再通过齿轮等部件驱动砂轮实现二次进给;与此同时，液压泵里的油液在流向进给缸的同时还流向进给阀右腔，驱动进给阀油口变换;其油路为：
进给阀进油路：液压泵油液→精密过滤器→油路 1→ 油路 33→油路 34→先导阀右位→油路 5→油路 2→油路 24→油路 28→节流阀(b4 )→进给阀右腔;
进给阀回油路：进给阀左腔油液→单向阀(C3 )→油路 26→油路 42→油路 38→油路 40→油路 8→先导阀右位→ 油箱;进给阀阀芯在液压油的作用下左移;当进给阀阀芯继续左移时堵住阀口 d2 而将阀口 d1 导通，此时进给缸右端接回油箱，阀芯在左端弹簧力作用下右移，则进给缸回油路为：
进给缸回油路：进给缸右腔油液→油路 f→进给阀→ 油路 d1→选择阀(双向进给)→油路 27→油路 26→油路 42→油路 38→油路 40→油路 8→先导阀右位→油箱;进给缸活塞在弹簧力作用下通过棘轮、棘爪及螺母、丝杠驱动砂轮再次复位。当工作台再次换向，又重复上述动作。
②左进给油路当选择阀左进给油口接入系统中，工作台在左端换向向右端运行时，由于先导阀阀芯处于右位，则各油路走向及砂轮进给为：
砂轮进给油路：液压泵油液→精密过滤器→油路 1→ 油路 33→油路 34→先导阀右位→油路 5→油路 2→油路 24→油路 29→选择阀 T 口;由此可见，当工作台向右运行时，液压泵所提供的油液在选择阀处被阻断，不能流入进给阀和进给缸，故砂轮不做进给运动;
进给阀进油路：液压泵油液→精密过滤器→油路 1→ 油路 33→油路 34→先导阀右位→油路 5→油路 2→油路 24→油路 28→节流阀 b4→进给阀右腔;
进给阀回油路：进给阀左腔油液→单向阀 C3→油路 26→油路 42→油路 38→油路 40→油路 8→先导阀右位→ 油箱;进给阀阀芯左移。当工作台在右端换向向左端运行时，由于先导阀阀芯处于左位，则各油路走向及砂轮进给为：砂轮进给油路：液压泵供油→精密过滤器→油路 1→ 油路 33→油路 3→先导阀左位→油路 8→油路 40→油路 38→油路 42→油路 26→油路 27→选择阀(左进给)→油路 d1→进给阀→油路 f→进给缸右腔;驱动砂轮进给一次。与此同时，液压泵里的油液还流向进给阀左腔，其油路为：
进给阀进油路：液压泵供油→精密过滤器→油路 1→ 油路 33→油路 3→先导阀左位→油路 8→油路 40→油路 38→油路 42→油路 26→节流阀 b3→进给阀左腔;进给阀回油路：进给阀右腔油液→单向阀 C4→油路 28→油路 24→油路 2→油路 5→先导阀左位→油箱;进给阀阀芯在液压油作用下右移，当阀芯移至覆盖油口 d1 的同时油口 d2 被打开，此时进给缸右端接回油箱，阀芯在左端弹簧力作用下右移，则进给缸回油路为：
进给缸回油路：进给缸右腔油液→油路 f→进给阀→ 油路 d2→选择阀(左进给)→油箱;砂轮在进给缸柱塞的作用下复位，为下一次进给做好准备;由上分析可知：只有当工作台左行时砂轮才进给一次，工作台右行时砂轮不做进给运动;若将选择阀转到其他位置，如右进给，则只有工作台右行时砂轮才进给一次，若将无进给阀口接入油口，则油路 27、29 均不能向进给阀和进给缸供油，砂轮无进给;其两过程不再详述。另外，若想在砂轮磨削工件时改变砂轮进给量的大小和进给速度，只需调整图 1 中棘轮、棘爪的摆动角度和节流阀 b3、b4 的开口大小即可。
2.6 尾座顶尖夹紧与松开
由图 1 所示可知，尾座顶尖是靠弹簧力作用来夹紧工件的，在工作中为安全起见只有砂轮处于后退位置时才允许顶尖松开[8]，且退回由尾座液压缸来实现，通过脚踏式尾座阀操纵，当快动阀右位接入系统，踏下脚踏式尾座阀时;其控制油路为：
尾座松开油路：液压泵油液→油路 17→油路 19→快动阀右位→油路 20→脚踏式尾座阀右位→尾座液压缸无杆腔→顶尖退回;若松开脚踏式尾座阀，则顶尖在弹簧力的作用下伸出，尾座液压缸与主油路脱开，其油路为：
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尾座夹紧油路：尾座顶尖在弹簧力的作用下伸出夹紧工件，并在杠杆的作用下驱动尾座液压缸活塞杆下行;尾座液压缸无杆腔油液→脚踏式尾座阀左位→油箱;值得说明的是，当快动阀右位接入系统，同时又踩下脚踏式尾座阀使其右位接入系统时，这时系统压力油同时进入快动缸左腔和尾座液压缸无杆腔，由于快动缸左腔直接接油箱，而尾座液压缸需克服顶尖弹簧弹性力才能驱动尾座顶件退回，因此快动缸拖动砂轮架退回的液压力远小于顶尖的弹簧力。因此，只有砂轮架完全退出后，系统油液压力进一步升高，才能将尾座顶尖退回，避免了砂轮没有完全退出顶尖即先退回的危险。当快动阀处于左位时，由于尾座液压缸无杆腔和快动缸左腔直接油箱，因此在砂轮做进给运动时，即使误踩下脚踏式尾座阀，由于尾座液压缸无杆腔无油液供给，尾座顶尖也不会退回，保证砂轮在进给磨削工件时安全可靠。
2.7 工作台实现抖动
当被加工零件表面宽度与与砂轮宽度相近时，为了提高磨削效率和砂轮的耐用度，工作台做高频率(100～150 次/min)、短距离(1～3mm)的往复运动，即为抖动[9]。将两个换向挡块之间的距离调的很近，使先导阀拨杆处于垂直位置，当工作台左右移动时，挡块带动杠杆使先导阀阀芯向右或向左开闭处于极限状态，控制油路迅速接通又迅速关闭，同时将节流阀 b1 和 b2 的阀口开至最大，当先导阀快速度移动的同时，换向阀也快速移动至终点，换向无停留，完成快速换向，如此反复，工作台实现快速抖动。
2.8 砂轮架螺母丝杠间隙消除油路
如图 1 所示，当压力油从液压泵经过油路进入到砸缸油腔时，砸缸柱塞顶紧砂轮架，驱使螺母与丝杠之间牙型的前侧面始终紧贴，消除螺母丝杠间隙，使砂轮架快速重复定位精度得到保证[10]。其液压油路为：
砂轮架螺母丝杠间隙消除油路：液压泵油液→精密过滤器→油路 1→固定节流阀(b8 )→节流阀(b7 )→油路 32→ 油路 18→砸缸。
2.9 压力测量
在图 1 所示的液压油路中，系统各处压力可通过调节压力测量阀和压力表测量。当压力测量阀右位接入系统时，可实现润换系统多处压力的测量，当其阀孔中位接入系统时，压力表接油箱不测量油液压力，当压力测量阀左位接入系统时测量系统主油路油液压力(参见图 1 中两个 P1 )。
2.10 润滑油路
对于图 1 所示的外圆磨床由于其工作压力较低，可将液压泵输出的油液经油管、节流阀等输出给需要润滑的机床部位，故不必单独再设润焕油路;由图 1 所示可知，液压泵输出的部分油液通过润滑稳定器，经固定节流阀 b8 降压后分别输送至平面导轨副、滚珠丝杠螺母副及 V 型导轨副等各处进行润滑，润滑油液的压力值由溢流阀 2 的开启压力控制;则各处润滑油路分别为：
V 型导轨副润滑润路：液压泵油液→精密过滤器→油路 1→润滑稳定器中的固定节流阀(b8 )→油路 30→可调节流阀(b5 )→V 型导轨副;
平面导轨副润滑油路：液压泵油液→精密过滤器→油路 1→润滑稳定器中的固定节流阀(b8 )→油路 30→可调节流阀(b6 )→平面导轨副;
滚珠丝杠螺母副润滑油路：液压泵油液→精密过滤器→油路 1→润滑稳定器中的固定节流阀(b8 )→可调节流阀(b7 )→油路 32→滚珠丝杠螺母副;当润滑系统油液压力过大达到溢流阀 2 开启压力时，其油路为：
润滑系统卸荷回路：液压泵油液→精密过滤器→油路 1→润滑稳定器中的固定节流阀(b8 )→油路 30→溢流阀 2→油箱。
3 万能外圆磨床液压系统结构特点
从上述万能外圆磨床工作原理分析可知：其液压系统结构特点为：
①液压系统采用先导阀与液动式换向阀组合的换向回路，使工作台能够实现预制动、终制动、端点停留、反向启动的换向过程，在精度和换向性能方面满足了万能外圆磨床的工作要求，同时采用抖动缸来控制工作台抖动，使外圆磨床的磨削范围得到大幅度提升[11]。
②工作台采用双出杆式液压缸驱动，保证了工作台双向移动速度的一致性，同时还可以节约成本，减少机床的占地面积[12]。
③工作台的左右移动可实现手动和液动相互转换，大大提高了工作台操作的灵活性，砂轮的进给、退出、尾座顶尖的进给、退出等都是靠液压传动或弹簧来驱动，自动化程度高、生产效率高、降低了工人劳动强度;但机床的液压油路较复杂，制造成本较高，使机床在日常使用中维护较困难，保养费用也较高。
④由于机床的压力较低，无需单独设置润滑系统，靠自身液压系统回路即可实现机床润滑，降低了机床的制造成本，节约机床的占地空间。
4 结语
万能外圆磨床液压传动系统是磨床动力的主要来源，也是实现工业自动化的有效途径之一，文章通过对万能外圆磨床液压传动系统油路详细分析得出结论：通过合理的油、气路设计，将不同液、气压元器件有机组合不仅能够让机械零部件实现既定的简单动作，如：工作台液压缸的左行、右行、快跳、工作台手动与液动的相互转换等，还可以实现机械零部件的复杂运动，如：将先导阀、液动式换向阀、行程开关等部件进行组合联动可实现工作台的高速往复抖动和各机械零部件的顺序动作，如：通过先导阀、液动式换向阀、选择阀、进给阀、进给缸、棘轮、棘爪、螺母丝杠等部件的组合可实现工作台、砂轮、顶尖等零件的顺序动作。同时，通过万能外圆磨床液压油路系统工作原理的系统性分析可知：若要实现机械零部件的复杂运动、以及多部件的联合动作，就要涉及多液(气)压元器件的组合联动问题，故液(气)压油(气)路相对较复杂，在设计相关油、气路的液、气压系统之前不仅要充分了解各元器件具体作用，还应多掌握已搭建成功的复杂液、气压系统的工作原理。因此，了解前述万能外圆磨床液压传动系统的工作原理，对于独立开发、设计和搭建新的复杂油、气路液压系统具有一定的实际指导意义。——论文作者：李双成 LI Shuang-cheng;陈兴媚 CHEN Xing-mei
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