精密數(shù)控機(jī)床閉式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計及油腔流場研究

李松，宋錦春，王長周，任廣安

(東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧沈陽 110819)

精密加工設(shè)備是實現(xiàn)精密加工技術(shù)的必需手段，而精密機(jī)床的性能取決于其關(guān)鍵部件的性能。導(dǎo)軌是精密機(jī)床的關(guān)鍵部件之一，直接影響精密加工的精度［1］。液體靜壓潤滑具有摩擦阻力小、使用壽命長、抗震性能好、精度高、適應(yīng)性好等特點［2］。采用液體靜壓支撐能夠使機(jī)床實現(xiàn)高精度、低損耗的加工。

靜壓導(dǎo)軌是靜壓支承的一種應(yīng)用形式。靜壓導(dǎo)軌按結(jié)構(gòu)可分為開式靜壓導(dǎo)軌和閉式靜壓導(dǎo)軌兩種形式。由于閉式靜壓導(dǎo)軌的特殊結(jié)構(gòu)，它可以承受不均勻載荷和因偏載引起的較大的傾覆力矩。因此閉式靜壓導(dǎo)軌常用在精密機(jī)床或機(jī)械設(shè)備上。

文中研究的靜壓導(dǎo)軌是HTC3250μn精密數(shù)控車床和車削中心的靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)的研究內(nèi)容，為實現(xiàn)導(dǎo)軌系統(tǒng)的高精度性能，采用閉式靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)，其液壓原理圖如圖1所示。

圖1 靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)液壓原理圖

1 對置油腔結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)機(jī)床的具體參數(shù)和加工工藝，以X軸導(dǎo)軌為例，導(dǎo)軌及刀塔質(zhì)量約1.5 t，最大切削力為F=830 N。為實現(xiàn)導(dǎo)軌工作狀態(tài)下的最大剛度，閉式導(dǎo)軌采用非對稱面積結(jié)構(gòu)。

閉式靜壓導(dǎo)軌由主油腔和輔油腔組成對置的閉式靜壓支撐。文中主要研究X軸導(dǎo)軌主油腔內(nèi)流場分布規(guī)律。參照已有導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)及結(jié)合現(xiàn)有床身尺寸，初步確定對置靜壓腔中主靜壓腔其尺寸為:B1=63 mm，b1=b2=33 mm;L1=120 mm，l1=l2=90 mm;

在導(dǎo)軌剛度滿足無窮大剛度條件下［3-4］，非對稱閉式液體靜壓導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計計算如表1所示。

表1 閉式導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

油膜厚度h=0.04 mm;進(jìn)油口直徑d=5 mm。設(shè)計出X軸導(dǎo)軌的靜壓腔的SolidWorks模型如圖2所示。

圖2 主油腔幾何模型

2 網(wǎng)格劃分

建立SolidWorks三維模型后，導(dǎo)入到FLUENT前處理器Gambit中。由于導(dǎo)軌油膜厚度只有0.04 mm，相對其他參數(shù)小得多。所以，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，要分別劃分不同區(qū)域的網(wǎng)格，網(wǎng)格形式選用Hex/Wedge單元［5-6］。劃分好網(wǎng)格的模型見圖3。

圖3 幾何模型的網(wǎng)格劃分

通過GAMBIT中的Examine Mesh選項，對新生成網(wǎng)格的質(zhì)量進(jìn)行檢查。經(jīng)檢查，網(wǎng)格總單元數(shù)為83 705個，有效單元數(shù)為83 705，即網(wǎng)格單元的有效率為100%，網(wǎng)格質(zhì)量好，精度足夠。

3 數(shù)值模擬

在導(dǎo)軌靜止?fàn)顟B(tài)和工作狀態(tài)下 (取24 m/min)，在精密導(dǎo)軌系統(tǒng)的設(shè)計中，不僅油腔流場會對導(dǎo)軌的精度造成影響，同時流場溫度即液壓油溫度也會造成流場的流動不確定性和流動狀態(tài)的改變［7］。

設(shè)置相關(guān)參數(shù)后進(jìn)行迭代計算。在此過程中，殘差監(jiān)測器中顯示的殘差值在逐漸減小，收斂后的殘差曲線如圖4所示。

圖4 殘差曲線

導(dǎo)軌靜止?fàn)顟B(tài)下得到油腔靜壓力場分布圖如圖5所示。當(dāng)閉式液體靜壓導(dǎo)軌以0.4 m/s的速度運動時，由于導(dǎo)軌的容腔壁面與液壓油的液面接觸，在摩擦力的作用下液壓油將產(chǎn)生運動，得到的動壓力分布云圖如圖6所示。

圖5 靜壓力分布云圖

圖6 導(dǎo)軌工作時動壓力分布云圖

在運動狀態(tài)下，得到的液體流場速度分布云圖如圖7所示。

從速度分布云圖可以看出:在矩形油腔與油膜過渡的4個直角區(qū)域 (圖中紅色區(qū)域)出現(xiàn)了局部速度過快的情況，可能導(dǎo)致油膜壓力的不穩(wěn)定，降低導(dǎo)軌的精度和承載能力。

溫度對液壓油的黏性有較大的影響，當(dāng)溫度升高時，液壓油的內(nèi)聚力減小，黏度隨之降低。這種變化在低溫范圍內(nèi)表現(xiàn)得特別強(qiáng)烈，液壓油黏度的變化直接影響閉式液體靜壓導(dǎo)軌的正常運行［8-10］。按照絕熱條件計算，認(rèn)為導(dǎo)軌是絕熱材料，在導(dǎo)軌運行過程中，液壓油內(nèi)摩擦產(chǎn)生的熱量全部由液壓油帶走，液壓油產(chǎn)生了溫升，而導(dǎo)軌的溫度不變。通過對主油腔的迭代計算，得到圖8溫度分布云圖。

圖8 溫度場分布云圖

從圖中可以看出:溫度從進(jìn)油口向出油口方向逐漸升高。閉式液體靜壓導(dǎo)軌在運動時，導(dǎo)軌的容腔壁面與液壓油的液面接觸，在摩擦力的作用下液壓油將產(chǎn)生運動，在運動方向上的液阻逐漸增大。此外，液壓油產(chǎn)生剪切運動，內(nèi)摩擦產(chǎn)生的熱量增多。綜合以上兩個因素，在導(dǎo)軌前進(jìn)方向上出現(xiàn)局部溫度過高的情況，液體黏度會發(fā)生很大的變化，從而影響油膜剛度和導(dǎo)軌的正常運行。

4 結(jié)論

基于精密導(dǎo)軌剛度無窮大原則，設(shè)計了閉式靜壓導(dǎo)軌的油腔結(jié)構(gòu)參數(shù)。在靜止和工作狀態(tài)下分別得到了靜壓腔的壓力場、速度場和溫度場的分布云圖。在快速運動狀態(tài)下，靜壓腔流場會出現(xiàn)局部油膜壓力的不穩(wěn)定，溫度場中也有局部溫度過高的情況，從而降低導(dǎo)軌的精度和承載能力。文中的研究為精密機(jī)床閉式靜壓導(dǎo)軌的設(shè)計提供了理論參考和改進(jìn)方向。

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