基于提高靜壓導(dǎo)軌運(yùn)行精度的方法應(yīng)用

王海濤 李初曄

（北京航空制造工程研究所，北京 100024）

導(dǎo)軌的作用是使運(yùn)動(dòng)部件能夠沿著一定的軌跡運(yùn)動(dòng)，起導(dǎo)向的作用，并承受運(yùn)動(dòng)部件及工件的重量和切削力。一般導(dǎo)軌應(yīng)滿足精度高、壽命長(zhǎng)、剛度和承載能力大、摩擦阻力小以及運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工等要求。

靜壓導(dǎo)軌是滑動(dòng)導(dǎo)軌的一種，是基于導(dǎo)軌以上特點(diǎn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種廣泛應(yīng)用于高精密數(shù)控設(shè)備上的導(dǎo)軌類型，該種導(dǎo)軌優(yōu)點(diǎn)更為突出:（1）導(dǎo)軌副間為純液體摩擦，摩擦系數(shù)極小，故大大減小了驅(qū)動(dòng)功率，同時(shí)導(dǎo)軌磨損小，使用壽命長(zhǎng);（2）油膜厚度受速度影響小，不易產(chǎn)生爬行，滑臺(tái)低速性能好;（3）油膜承載能力大，剛度高，吸振性好，導(dǎo)軌運(yùn)行平穩(wěn);（4）油膜具有誤差的均化作用，可提高導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)精度。

靜壓導(dǎo)軌唯一的一個(gè)劣勢(shì)，就是需要配備一套具有良好過(guò)濾效果的液壓裝置，既占空間，又相對(duì)增加了成本。但從機(jī)床整體性方面考慮，諸如設(shè)備的加工精度、加工范圍以及加工可靠性等諸多因素，這點(diǎn)投入又顯得微不足道。

1 存在的問(wèn)題

GST-50M型鏜床是一種加工精密圓柱孔的機(jī)床，該機(jī)床工作臺(tái)采用了開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌，如圖1所示。開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌依靠工作臺(tái)的自重以及外部載荷保持移動(dòng)件不從床身上分離，屬于典型的力封閉形式。開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌一般只在導(dǎo)軌的一個(gè)方向上開(kāi)有油腔，所以通常只能水平放置，或者根據(jù)功能和結(jié)構(gòu)需求，傾斜一個(gè)較小的角度。

開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌主要特點(diǎn)如下:（1）承受正向載荷能力大;（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和調(diào)整方便;（3）承受偏載荷及顛覆力矩的能力較差，不能承受反向力。

GST-50M型鏜床工作臺(tái)完全符合載荷均勻、偏載小、顛覆力矩小且水平運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，故研制開(kāi)發(fā)時(shí)設(shè)計(jì)成了開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌，以提高工作臺(tái)的運(yùn)行精度和平穩(wěn)性，從而確保數(shù)控鏜床的加工精度。

經(jīng)過(guò)實(shí)際的生產(chǎn)加工應(yīng)用，表明該鏜床完全達(dá)到了當(dāng)初的設(shè)計(jì)參數(shù)要求，比原來(lái)采用普通剛性接觸式導(dǎo)軌的舊型號(hào)鏜床加工精度提高顯著。

近兩年，隨著近來(lái)客戶對(duì)工件上圓柱孔精度（孔位置和尺寸精度如圖2所示）要求的逐步提高，該鏜床的精度有時(shí)“力不從心”，通過(guò)改進(jìn)主軸的軸系結(jié)構(gòu)，加工情況得到了一些改善，但仍然不理想。主要問(wèn)題反映在以下幾個(gè)方面:（1）孔的上下間距時(shí)常變動(dòng)，有超差現(xiàn)象發(fā)生;（2）孔與基準(zhǔn)A底面的平行度有時(shí)超差;（3）孔與基準(zhǔn)B端面的垂直度有時(shí)超差;（4）工作臺(tái)運(yùn)行不平穩(wěn)，有波動(dòng)。

從長(zhǎng)計(jì)議，為了能持續(xù)滿足客戶的需求，通過(guò)進(jìn)一步的檢測(cè)、分析和論證，認(rèn)為只有對(duì)關(guān)鍵部件——靜壓導(dǎo)軌工作臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)和完善，才能從根本上解決問(wèn)題，使GST-50M型鏜床的精度上一個(gè)臺(tái)階。

2 解決方案和實(shí)施

針對(duì)加工過(guò)程中出現(xiàn)的超差問(wèn)題以及工作臺(tái)產(chǎn)生的運(yùn)行波動(dòng)，經(jīng)過(guò)改進(jìn)評(píng)審，提出了相應(yīng)的解決方案，并從以下幾個(gè)方面分別進(jìn)行實(shí)施:

（1）調(diào)節(jié)靜壓油壓力，保證工作臺(tái)面水平。通過(guò)用千分表測(cè)量工作臺(tái)的上臺(tái)面，發(fā)現(xiàn)有些區(qū)域高低不同，根源是靜壓油在各處分布不均，從而使形成的油膜厚度不同造成的，這也是所加工孔的形位公差精度和尺寸精度超差的主要原因。如果因油膜過(guò)厚，使導(dǎo)軌浮起過(guò)高，同樣會(huì)引起被加工孔的表面粗糙度和精度降低。

為徹底改變目前的現(xiàn)狀，制定了以下相應(yīng)的解決方案:

①工作臺(tái)配重。為不影響正常生產(chǎn)，對(duì)現(xiàn)有的機(jī)床通過(guò)配重來(lái)解決，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，在工作臺(tái)上相應(yīng)位置增減重量，直到臺(tái)面水平符合要求。但這種方法可能影響機(jī)床的外觀，只能是“權(quán)宜之計(jì)”。

②節(jié)流閥改進(jìn)。原來(lái)的節(jié)流閥受結(jié)構(gòu)的制約，如圖3a所示，調(diào)節(jié)誤差較大，調(diào)節(jié)精度不易把握。為提高節(jié)流閥的調(diào)節(jié)精度，改進(jìn)了節(jié)流閥閥芯結(jié)構(gòu)，如圖3b所示，在閥芯上加工螺旋節(jié)流細(xì)槽，同時(shí)，將閥芯下端的針閥式調(diào)整錐度減小，以緩沖進(jìn)油沖擊，實(shí)現(xiàn)節(jié)流閥的微量化調(diào)整。

（2）提高油膜支承剛性。液壓油在工作過(guò)程中，溫度會(huì)逐漸升高直到趨于一個(gè)相對(duì)的恒定值，溫升（夏季還應(yīng)考慮周圍環(huán)境溫度的影響）的變化，使液壓油粘度系數(shù)降低，從而導(dǎo)致靜壓導(dǎo)軌壓力油承載力的減小，隨之引起了鏜床所加工孔的位置尺寸變化。

針對(duì)溫升的問(wèn)題，在靜壓導(dǎo)軌液壓站上增加冷卻裝置，通過(guò)設(shè)定恒溫裝置的溫度，使溫升控制在一個(gè)比較合理的區(qū)間。經(jīng)反復(fù)調(diào)節(jié)測(cè)試，該鏜床靜壓導(dǎo)軌液壓油輸入溫度設(shè)定值為35±1℃。采取該措施后，大大降低了溫升對(duì)靜壓導(dǎo)軌支承剛性的影響。

（3）改變阻尼效應(yīng)。阻尼效應(yīng)的加強(qiáng)可以提高動(dòng)剛度，從而有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。結(jié)合靜壓導(dǎo)軌液壓系統(tǒng)的使用條件和范圍，通過(guò)適度更換粘性大的液壓油，以便達(dá)到增強(qiáng)阻尼效應(yīng)的目的。

（4）改善動(dòng)態(tài)性能。在任何情況下，液壓支承油路系統(tǒng)中都存有一定量的空氣，也即含氣量，這必然使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變差。通過(guò)縮短節(jié)流閥到油腔的距離、用銅管替換軟管以及減少油腔壓力指示器等方法的應(yīng)用，都可以改善工作臺(tái)支承系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，提高靜壓導(dǎo)軌工作臺(tái)的運(yùn)行精度。

3 加工驗(yàn)證

通過(guò)以上對(duì)導(dǎo)軌靜壓系統(tǒng)相關(guān)零件和布局的改進(jìn)，較為系統(tǒng)地完善和優(yōu)化了靜壓導(dǎo)軌的整體結(jié)構(gòu)，使之更趨合理和可靠。

經(jīng)將改進(jìn)后的靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際的加工生產(chǎn)中，經(jīng)過(guò)一系列的生產(chǎn)驗(yàn)證，加工了500件導(dǎo)向板，隨機(jī)抽檢50件，孔的位置和尺寸精度指標(biāo)的測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 導(dǎo)向板圓柱孔檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示:所有導(dǎo)向板圓柱孔的精度指標(biāo)全部符合技術(shù)要求，各項(xiàng)精度指標(biāo)有了較大幅度的提高，孔間距也沒(méi)有出現(xiàn)超差的現(xiàn)象。同時(shí)，靜壓導(dǎo)軌運(yùn)行平穩(wěn)，徹底消除了原有的波動(dòng)現(xiàn)象。另外，從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，改進(jìn)后的靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)，使用穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)合理可靠，完全符合產(chǎn)品的加工要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)與靜壓導(dǎo)軌工作臺(tái)相關(guān)結(jié)構(gòu)以及關(guān)聯(lián)件的改進(jìn)和完善，結(jié)合整個(gè)實(shí)施工作的流程，得到以下幾點(diǎn)啟發(fā):

（1）機(jī)床核心零部件決定加工精度，通過(guò)分析論證，找出問(wèn)題產(chǎn)生的根源，抓住關(guān)鍵所在，有目的地進(jìn)行相關(guān)改造。

（2）不要輕易放過(guò)細(xì)節(jié)問(wèn)題。液壓系統(tǒng)的組成比較復(fù)雜，各部分之間的聯(lián)系也較緊密，小問(wèn)題時(shí)常會(huì)產(chǎn)生大影響。如文中液壓支承油路中空氣的存在對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響，往往被忽略，這就需要在制定解決方案之前，做充分的研究并詳細(xì)查閱與之相關(guān)的技術(shù)資料。

（3）機(jī)床加工精度的提高需要設(shè)計(jì)和改進(jìn)相結(jié)合，兩者相輔相成，這樣既可以降低生產(chǎn)成本，也可以有所創(chuàng)新。

（4）機(jī)床的改進(jìn)是一個(gè)循序漸進(jìn)、不斷提高的過(guò)程。對(duì)于該鏜床也是隨著產(chǎn)品精度的提高，經(jīng)過(guò)了主軸軸系、傳動(dòng)系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)等一系列的改造工作。

（5）數(shù)控機(jī)床的改造存在著共性，舉一反三，不斷拓寬視野，為同類型或者其他類型機(jī)床的改造儲(chǔ)備經(jīng)驗(yàn)。

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