重型機(jī)床垂向?qū)к壐睉?yīng)用恒流閉式靜壓導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)

李嵩松

(北京第一機(jī)床廠，北京 100022)

目前國(guó)內(nèi)機(jī)床生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)重型及超重型機(jī)床時(shí)，由于機(jī)床規(guī)格的不斷增大垂向?qū)к壐币膊粩嗉娱L(zhǎng)(溜板垂向?qū)к?，橫梁升降導(dǎo)軌等)，因此垂向?qū)к壐睂?duì)剛度和承載能力的要求也不斷提高。例如，各廠家所攻關(guān)的技術(shù)難題:“全包靜壓滑枕”實(shí)質(zhì)為利用溜板垂向靜壓導(dǎo)軌增加滑枕的垂向行程。從而滿足現(xiàn)代加工對(duì)重型機(jī)床滑枕行程所提出的更高設(shè)計(jì)要求。

因此在設(shè)計(jì)重型機(jī)床垂向?qū)к壐睍r(shí)應(yīng)用靜壓導(dǎo)軌就成為解決垂向?qū)к壐眲偠群统休d能力這一問(wèn)題的關(guān)鍵。

1 靜壓支承技術(shù)應(yīng)用概述

近年來(lái)靜壓支承技術(shù)在重型機(jī)床中應(yīng)用范圍較廣，靜壓導(dǎo)軌、靜壓軸承都屬于靜壓支承。尤其液體靜壓導(dǎo)軌應(yīng)用于水平導(dǎo)軌副最為廣泛。

但將靜壓導(dǎo)軌技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床垂向?qū)к壐庇捎诩夹g(shù)難度較大，目前只有少數(shù)國(guó)外機(jī)床制造商掌握這一先進(jìn)技術(shù)。本文主要探討將靜壓導(dǎo)軌應(yīng)用于垂向?qū)к壐钡脑O(shè)計(jì)問(wèn)題。

如圖1，垂向?qū)к壷饕獮?滑枕升降導(dǎo)軌副(Z向?qū)к壐?;橫梁升降導(dǎo)軌副(W向?qū)к壐?。

2 靜壓導(dǎo)軌分類(lèi)

(1)按結(jié)構(gòu)形式可分為開(kāi)式和閉式。

開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌承受正方向垂直載荷的性能較好，承受偏載引起的顛覆力矩的性能較差。應(yīng)用于載荷比較均勻、偏載引起的顛覆力矩影響較小的場(chǎng)合。

閉式靜壓導(dǎo)軌在上、下導(dǎo)軌面上都開(kāi)有油腔，可以承受雙向外載荷，保證運(yùn)動(dòng)部件工作平穩(wěn)。應(yīng)用于承受變載或立式導(dǎo)軌。

(2)按供油情況可分為恒壓式和恒流式。

恒壓式靜壓導(dǎo)軌是通過(guò)調(diào)節(jié)各油腔的流量，來(lái)調(diào)節(jié)各油腔的油膜厚度，需要節(jié)流器調(diào)節(jié)，調(diào)試復(fù)雜，而且對(duì)靜壓油的清潔度提出了很高的要求。

恒流式靜壓導(dǎo)軌是指流經(jīng)油腔的潤(rùn)滑油流量是一個(gè)定值，這種靜壓導(dǎo)軌不用節(jié)流器，而是對(duì)每個(gè)油腔均有一個(gè)定量油泵供油。由于流量不變，當(dāng)導(dǎo)軌間隙隨外載荷的增大而變小時(shí)，則油壓上升，載荷得到平衡。載荷的變化，只會(huì)引起很小的導(dǎo)軌間隙變化，因而要求油膜剛度較高，但這種靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

3 靜壓導(dǎo)軌的工作原理及其特點(diǎn)

靜壓導(dǎo)軌是在兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌面間通入壓力油，使運(yùn)動(dòng)件浮起，工作過(guò)程中油膜壓力隨外負(fù)載變化而變化以平衡作用在導(dǎo)軌上的外負(fù)載。在不同速度(包括靜止)下都能保證導(dǎo)軌面間始終處于純液體摩擦狀態(tài)，從而減小了兩導(dǎo)軌面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力，減小了拖動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力消耗，并具有很高的運(yùn)動(dòng)精度。

下面以恒流供油式靜壓導(dǎo)軌為例，說(shuō)明靜壓導(dǎo)軌的工作原理，如圖2所示。

前置泵3啟動(dòng)后，油經(jīng)濾油器2吸入，用溢流閥4調(diào)節(jié)前置泵供油壓力PS(多頭泵與前置泵供油壓力差，應(yīng)控制在0.5 MPa左右)將油輸送給多頭泵。多頭泵啟動(dòng)后，直接接受前置泵供給的壓力油，將油定量送入導(dǎo)軌的油腔。由于系統(tǒng)中沒(méi)有節(jié)流器，故是全流量供油，供油壓力與油腔壓力均為Pr。進(jìn)入油腔的油通過(guò)導(dǎo)軌間隙向外流出，回到油箱1。油腔壓力Pr形成浮力將移動(dòng)件7浮起，與基礎(chǔ)件8形成一定的導(dǎo)軌間隙h0。

當(dāng)載荷W增大時(shí)，移動(dòng)件7變化，與基礎(chǔ)件8之間的導(dǎo)軌間隙減小，油流出導(dǎo)軌間隙的阻力增大。由于是定量供油，油腔壓力與油膜厚度的立方成反比，所以油腔壓力Pr迅速增大，直至與載荷W平衡時(shí)為止。

4 靜壓技術(shù)在重型機(jī)床垂向?qū)к墤?yīng)用分析和選擇

4.1 導(dǎo)軌承載能力及油膜剛度

作為靜壓導(dǎo)軌，無(wú)論開(kāi)式或閉式，在理論上和實(shí)際應(yīng)用中，均必須具有一定的承載能力和油膜剛度。所謂承載能力是指靜壓導(dǎo)軌的油膜在設(shè)計(jì)狀態(tài)下允許承受的最大承載力。油膜剛度是指油膜在承受載荷時(shí)，油膜抵抗負(fù)載變化的能力。也就是油膜厚度相對(duì)于負(fù)載變化的變化率。承載力必須達(dá)到機(jī)床導(dǎo)軌上承受外力的總和。而油膜剛度必須達(dá)到在負(fù)載變化時(shí)油膜厚度變化量在設(shè)計(jì)要求的限度內(nèi)。

當(dāng)靜壓導(dǎo)軌應(yīng)用于重型機(jī)床垂向?qū)к墪r(shí)，結(jié)構(gòu)形式和供油方式對(duì)導(dǎo)軌的承載能力和油膜剛度都產(chǎn)生影響。由于重型機(jī)床垂向?qū)к壦惺艿妮d荷為正反方向水平載荷和偏載引起的顛覆力矩，而且載荷隨切削力變化和移動(dòng)件位置變化而變化，所以對(duì)油膜的承載能力和油膜剛度的要求很高。因此垂向?qū)к墤?yīng)用靜壓技術(shù)，就要選擇能夠承受正反方向的載荷，油膜剛度高，承受偏載及顛覆力矩能力強(qiáng)的閉式靜壓導(dǎo)軌。

垂向?qū)к壐睉?yīng)用靜壓導(dǎo)軌技術(shù)時(shí)，由于切削力的不規(guī)則變化和移動(dòng)件位置的變化，導(dǎo)致導(dǎo)軌上各個(gè)油腔壓力不可能均勻，而且會(huì)隨變化而波動(dòng)。甚至?xí)箟汗┯褪届o壓導(dǎo)軌的靜壓無(wú)法形成，而且采用恒壓供油式靜壓導(dǎo)軌還會(huì)產(chǎn)生調(diào)整不便，不易控制，導(dǎo)軌穩(wěn)定性差的問(wèn)題。但如果采用恒流供油式靜壓導(dǎo)軌可以避免以上問(wèn)題的出現(xiàn)，恒流供油式靜壓導(dǎo)軌為“一腔一泵”的供油形式，只要有足夠的流量，就可以在油腔壓力不均勻的條件下形成靜壓油膜，油膜的剛性好，承載能力強(qiáng)。所以恒流閉式靜壓導(dǎo)軌適合在導(dǎo)軌承載能力和油膜剛度要求都很高的重型機(jī)床垂向?qū)к壐鄙蠎?yīng)用。

4.2 油腔形式及布置

由于應(yīng)用靜壓導(dǎo)軌對(duì)于導(dǎo)軌副的各項(xiàng)要求都較高，所以對(duì)于油腔的形式、數(shù)量及其布置提出了很高的要求。為使油膜均勻，每條導(dǎo)軌面在其長(zhǎng)度方向的油腔數(shù)目一般為2～4個(gè)。對(duì)于應(yīng)用靜壓導(dǎo)軌技術(shù)的垂向直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，油腔一般設(shè)計(jì)在導(dǎo)軌副中較短的導(dǎo)軌面上，例如:橫梁升降導(dǎo)軌副中油腔設(shè)計(jì)在橫梁上?；砩祵?dǎo)軌副中油腔設(shè)計(jì)在溜板上。而且為便于加工調(diào)整，一般將靜壓導(dǎo)軌油腔設(shè)計(jì)在便于拆裝的平鑲條上。目的為便于對(duì)導(dǎo)軌面進(jìn)行微量刮修。圖3中所示為滑枕升降導(dǎo)軌副采用靜壓導(dǎo)軌技術(shù)的示意圖，靜壓導(dǎo)軌板以平鑲條形式固定在溜板上。

靜壓導(dǎo)軌面可以使用注塑復(fù)印成型技術(shù)進(jìn)行加工，這樣可以減少刮研量，同時(shí)可以在短時(shí)間內(nèi)得到精度較高的靜壓導(dǎo)軌面。但要注意工藝方法，保證注塑的質(zhì)量。

4.3 導(dǎo)軌精度和油膜厚度

液體靜壓導(dǎo)軌應(yīng)保持兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌面處于純液體摩擦狀態(tài)，同時(shí)保證導(dǎo)軌有良好的運(yùn)動(dòng)精度、高的油膜剛度以及較小的油泵功率消耗，因此靜壓導(dǎo)軌面對(duì)幾何精度有一定的要求。通常需保證:

式中:Δ為移動(dòng)件導(dǎo)軌面的幾何精度總誤差(包括平面度、扭曲度、平行度等)，cm;h0為導(dǎo)軌的油膜厚度，cm。

導(dǎo)軌油膜厚度h0不宜過(guò)大，以免造成移動(dòng)件運(yùn)動(dòng)速度不穩(wěn)、飄移和爬行等現(xiàn)象，也不宜過(guò)小，以免造成導(dǎo)軌研傷和導(dǎo)軌加工成本的上升。對(duì)于重型機(jī)床一般將h0控制在0.03～0.06 mm。

為滿足導(dǎo)軌精度和油膜厚度的要求，對(duì)導(dǎo)軌副的平面度、直線度等提出了很高的要求，尤其是靜壓導(dǎo)軌應(yīng)用于垂向?qū)к壐睍r(shí)要求更高。

對(duì)于導(dǎo)軌副中較長(zhǎng)的導(dǎo)軌面，例如橫梁升降導(dǎo)軌副中的立柱導(dǎo)軌，滑枕升降導(dǎo)軌副中的滑枕導(dǎo)軌需要機(jī)加工保證，導(dǎo)軌面精度需要控制在直線度誤差0.01 mm/1 000 mm，導(dǎo)軌間平行度控制在0.02 mm/1 000 mm以內(nèi)。

對(duì)于導(dǎo)軌副中較短的導(dǎo)軌面，使用注塑復(fù)印成型技術(shù)進(jìn)行加工，可以得到和長(zhǎng)導(dǎo)軌一致的精度。雖然使用了注塑復(fù)印成型技術(shù)的導(dǎo)軌面精度很高，但為保證精度萬(wàn)無(wú)一失，還需要用合研并微量刮削的方法進(jìn)行檢驗(yàn)。一般刮研的精度較高，每25 mm×25 mm內(nèi)約有16個(gè)點(diǎn)，刮削深度約為5 μm。

4.4 供油系統(tǒng)

對(duì)于應(yīng)用靜壓導(dǎo)軌的重型機(jī)床而言，靜壓導(dǎo)軌的供油系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)靜壓的重要環(huán)節(jié)。尤其將靜壓導(dǎo)軌應(yīng)用于垂向?qū)к壐睍r(shí)，對(duì)于供油系統(tǒng)的要求就更加嚴(yán)格。

4.4.1 靜壓系統(tǒng)用液壓元件

作為恒流靜壓系統(tǒng)所用液壓元件，主要包括:前置供油泵、溢流閥和給每個(gè)油腔供油的定量泵。前置供油泵主要作用是為給每個(gè)油腔供油的定量泵供應(yīng)所需油量。使用前置泵可以達(dá)到:第一，減小多頭泵進(jìn)出油壓力差，以提高多頭泵的容積效率;第二，在較小的溫度變化范圍內(nèi)，補(bǔ)償油的粘度對(duì)油膜剛度的影響;第三，可以保護(hù)多頭泵。

給每個(gè)油腔供油的定量泵，可以選用結(jié)構(gòu)緊湊的多頭泵，如果每個(gè)油腔供油量較大，多頭泵不能滿足要求的情況下，可以使用串聯(lián)齒輪泵等。

4.4.2 靜壓系統(tǒng)油液凈化和油溫控制

因?yàn)殪o壓系統(tǒng)對(duì)油液的要求和機(jī)床其他液壓控制所用油液的要求是不同的。所以就要將機(jī)床液壓系統(tǒng)分為兩部分:一部分為機(jī)床靜壓供油系統(tǒng)，另一部分為機(jī)床液壓控制系統(tǒng)。兩部分液壓系統(tǒng)需要采用單獨(dú)過(guò)濾、單獨(dú)控制溫度，使機(jī)床整體液壓系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

首先，可以喚起全社會(huì)對(duì)于歷史先賢和優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的重視。世界上大部分國(guó)家，對(duì)自己國(guó)家和民族的優(yōu)秀人物都有特別的紀(jì)念日，許多國(guó)家甚至把這些人物印刷在錢(qián)幣上面。

首先，靜壓系統(tǒng)所用的油液由于受到外界環(huán)境粉塵、機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)中從導(dǎo)軌等處剝離下的金屬屑以及油液中析出的雜質(zhì)等都會(huì)使油液受到污染，而且機(jī)床越大，循環(huán)的油越多，問(wèn)題就越容易產(chǎn)生。所以就要與其他液壓控制系統(tǒng)所用油品分開(kāi)，單獨(dú)過(guò)濾，保證濾油精度;同時(shí)由于靜壓系統(tǒng)所用油液較易污染，濾油裝置宜采用雙筒濾油器，可以保證使用單位不停機(jī)更換濾芯，提高生產(chǎn)效率。

其次，應(yīng)用靜壓系統(tǒng)的重型機(jī)床對(duì)環(huán)境溫度要求很高。為保證機(jī)床精度和穩(wěn)定性，一般不得超過(guò)50℃。靜壓系統(tǒng)所用油液的冷卻裝置，可以采用室溫通調(diào)型油溫控制機(jī)，應(yīng)用這類(lèi)油溫控制機(jī)可以使靜壓系統(tǒng)所用油液的溫度與環(huán)境溫度基本保持一致，使得機(jī)床靜壓導(dǎo)軌精度保持穩(wěn)定。而機(jī)床液壓控制系統(tǒng)所用油液的冷卻裝置，可以采用溫度固定型油溫控制機(jī)，保證液壓控制用油的油溫達(dá)到使用要求。

4.5 垂向靜壓導(dǎo)軌密封和回油系統(tǒng)

靜壓導(dǎo)軌在重型機(jī)床垂向應(yīng)用時(shí)，密封和回油系統(tǒng)就是重中之重。

例如，如果將靜壓導(dǎo)軌應(yīng)用于龍門(mén)鏜銑床橫梁升降導(dǎo)軌(W向?qū)к?時(shí)，密封系統(tǒng)主要取決于W向?qū)к壏雷o(hù)罩的密封狀況，需要防護(hù)罩生產(chǎn)廠家注意每層防護(hù)罩的密封，回油系統(tǒng)要保證通暢順利。如果將靜壓導(dǎo)軌應(yīng)用于龍門(mén)鏜銑床滑枕導(dǎo)軌(如前文所說(shuō)的全包滑枕)時(shí)，密封系統(tǒng)可以采用在溜板上下兩端安裝強(qiáng)力密封條的方式解決。對(duì)于密封條的設(shè)計(jì)選型應(yīng)首先在結(jié)構(gòu)允許的條件下盡可能增加層數(shù)，其次對(duì)于密封條要選擇耐磨損耐腐蝕的材質(zhì)，這樣就可以得到良好持久的密封效果。同時(shí)配置相應(yīng)的回油系統(tǒng)。

4.6 對(duì)于靜壓導(dǎo)軌的安裝、調(diào)整及檢測(cè)

對(duì)于靜壓導(dǎo)軌的靜壓導(dǎo)軌板材料采用SKC－3，與之相配的導(dǎo)軌為HT250或QT600－3。在靜壓導(dǎo)軌安裝之前，首先應(yīng)調(diào)平固定導(dǎo)軌在垂直面和水平面內(nèi)的直線度誤差為0.01 mm/1 000 mm，導(dǎo)向?qū)к夐_(kāi)口寬度變化為0.006 mm/1 000 mm，由于靜壓導(dǎo)軌板封油邊的質(zhì)量是保證靜壓導(dǎo)軌穩(wěn)定工作的前提，封油邊與相配導(dǎo)軌接觸不好會(huì)影響靜壓導(dǎo)軌壓力的建立。在承載力未建立之前，應(yīng)在加工出靜壓油腔的導(dǎo)軌板上涂紅丹粉，并與相配導(dǎo)軌進(jìn)行接觸檢查，要求接觸面積80%～85%。若靜壓導(dǎo)軌封油邊接觸得不好，可根據(jù)實(shí)際情況將靜壓導(dǎo)軌板拆下并對(duì)封油邊接觸平面進(jìn)行微量刮修。多頭泵通過(guò)分油塊用直徑8 mm的PVC管與靜壓導(dǎo)軌板油腔連通，PVC管在安裝好后，先將靜壓導(dǎo)軌墊起，對(duì)靜壓油路進(jìn)行反復(fù)沖洗，防止雜質(zhì)進(jìn)入油腔拉傷導(dǎo)軌。

機(jī)床正常工作后，每隔一段時(shí)間需檢查過(guò)濾器，進(jìn)行清洗或更換。靜壓油根據(jù)機(jī)床使用地點(diǎn)的環(huán)境溫度可采用N46或N68液壓導(dǎo)軌油，每隔半年更換一次。如使用地點(diǎn)冬季夏季溫差較大，可以選擇冬季使用N46液壓導(dǎo)軌油，夏季使用N68液壓導(dǎo)軌油。

調(diào)試時(shí)，可以采用測(cè)量靜壓浮起量與各個(gè)油腔壓力值的方法進(jìn)行調(diào)試，如果未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以通過(guò)磨削靜壓導(dǎo)軌板的方法進(jìn)行調(diào)整。

5 應(yīng)用范圍及應(yīng)用效果

應(yīng)用于重型及超重型龍門(mén)鏜銑床，重型及超重型立車(chē)，落地鏜銑床等大型設(shè)備，目前將靜壓導(dǎo)軌技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床垂向?qū)к壍漠a(chǎn)品主要有:XKA28105×300龍門(mén)移動(dòng)式鏜銑床、XKAU2890×300雙龍門(mén)移動(dòng)式鏜銑床、XKA2150×130龍門(mén)鏜銑床、XKA2850×100龍門(mén)移動(dòng)式鏜銑床、BVTM12500雙柱立式車(chē)床(通過(guò)寬度12 500 mm)、BHBM200數(shù)控落地銑鏜床(鏜桿直徑200 mm)。這些產(chǎn)品均已交付用戶使用，經(jīng)過(guò)在用戶處實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)，運(yùn)行狀態(tài)良好。該技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)導(dǎo)軌壽命長(zhǎng)，無(wú)機(jī)械磨損;

(2)靈敏度高，可獲得很高的數(shù)控位置精度;

(3)運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)低速爬行現(xiàn)象;

(4)調(diào)試方便，只需磨削，刮研導(dǎo)軌面來(lái)達(dá)到性能要求。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，重型機(jī)床垂向?qū)к壐睉?yīng)用恒流閉式靜壓導(dǎo)軌技術(shù)是可行的，經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)后效果良好，具有很好的應(yīng)用前景。

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