大型數(shù)控落地鏜銑床滑枕靜壓導軌的分析與研究

華小龍，郭旭紅，潘賢兵

(蘇州大學機電工程學院，江蘇蘇州215000)

在大型落地鏜銑床中，由于滑枕自身的重力及外加載荷的作用，在移動導軌面上會產生非常大的比壓，而且在其不斷的伸出和縮回過程中，其作用力不可能均勻的分布在導軌面上，某些局部作用力會特別大，如果使用滑動導軌或者滾動導軌，會產生以下幾種不良后果:(1)滑枕低速移動時會出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，影響機床的運行;(2)導軌面磨損比較大，直接影響加工精度;(3)滑枕和導軌面相對運動時會產生大量熱，而且不易排出，間接地縮短了機床的使用壽命，而液體靜壓導軌則不存在這方面，它在兩個相對運動的導軌面間通入壓力油 (壓力油須從運動件小孔進入導軌各個油腔，每個油腔起液壓支承作用)，使運動件浮起，工作過程中油腔壓力隨外載荷變化而變化，以保證導軌面間處于液體摩擦狀態(tài)下工作。導軌面之間的油膜很薄，具有良好的潤滑性和吸振性，導軌長期使用無磨損，工作運動平穩(wěn)。同時它的壽命比滑動導軌和滾動導軌高許多倍?；谏鲜鲈?，在大型落地鏜銑床運動部件中普遍采用液體靜壓導軌來保證機床的正常工作［1］。

1 靜壓導軌的分類及特點

圖1 滑枕靜壓導軌

根據(jù)受載情況不同靜壓導軌可分為開式靜壓導軌和閉式靜壓導軌兩大類。開式靜壓導軌僅在一個方向上開有承載油腔，基本上只承載一個方向上的載荷;而閉式靜壓導軌在上下左右導軌面上都開有承載油腔，能夠承載各個方向的載荷，且能承受較大的傾覆力矩，滑枕在進行加工時，受到來自不同方向的切削力，故采用閉式靜壓導軌，結構如圖1 所示［2］。

供油方式的不同，可以分為恒壓式和恒流式，恒壓式靜壓導軌依靠固定或可變節(jié)流器以及負載的作用使導軌受力平衡;恒流式靜壓導軌通過油泵直接連接或者連接調流閥保持流量，當負載增大時，支承間隙減小，液阻增大，油腔壓力升高［3］。

節(jié)流器常用的有毛細管、薄壁小孔、環(huán)形縫隙(滑閥)、圓臺縫隙 (薄膜節(jié)流)等，毛細管是依靠油液通過細長孔或微小縫隙時的摩擦阻力而產生壓力降，薄膜反饋節(jié)流器是靠上，下壓差使薄膜發(fā)生彈性變形，從而改變節(jié)流間隙，促使油腔壓力增減，起反饋作用，滑閥反饋節(jié)流器是上下壓差改變滑閥的節(jié)流長度，促使油腔壓力增減，起反饋作用。小孔則是利用油液通過薄壁小孔時的局部阻力而產生壓降［4］。

根據(jù)油腔結構形式的不同可以分為很多類，其中最常用的時口字型油腔和工字型油腔，如圖2所示，口字型油腔在無油時只靠周圍的封油邊承載，單位接觸面積上的壓力大，容易在突發(fā)事故中造成磨損，但在導軌未浮起前開始供油時，油壓的作用面積大而具有較大的初始推力。工字型油腔的情況則正好相反，比壓小而初始推力也?。?］。

圖2 油腔結構形式

圖3 油腔布置形式

2 滑枕靜壓導軌的設計

滑枕被主軸箱“包圍”，其四周通滿油液，油泵c啟動后，油液通過濾油器b吸入，用溢流閥f調節(jié)油泵的出油壓力，再經過精濾油器到分流塊，經分流塊后可得到固定的供油壓力，再經過節(jié)流器得到最終的油腔壓力，油液經過油腔后直接從導軌間隙向外流出，回到油箱a，左右兩腔的壓力相互抵消掉，而下油腔壓力則需承載上油腔壓力以及滑枕的自重，滑枕與主軸箱之間形成一定的導軌間隙。

考慮到滑枕自身質量比較大，浮起前需要比較大的力，故采用口字型油腔，靜壓導軌采用相同壓力供油，用毛細管節(jié)流器，通過采用不同的長度來得到不同節(jié)流比β來保證各油腔內部的壓力不同，而且滑枕是鑄件，其內部載荷分布不均，而且加上附件后，更加明顯，另外在它伸出和縮回時，其重心變化明顯，所以下表面導軌采用8個油腔，提高受載能力，上表面導軌4個，左右兩邊各4個，一共20個油腔，如圖3所示。

靜壓導軌的參數(shù)主要有油腔壓力p，油膜厚度h，油腔流量Q，油膜剛度J等，以上表面油腔1為例:

油腔1流量Q1:

油腔1節(jié)流器液阻R1:

上表面導軌的總壓力W1:

下表面導軌的總壓力W2:

垂直方向的平衡式:

靜剛度:

式中:p為每個油腔的壓力，N/m2;

L，l，B，b為每個油腔尺寸，m(如表1所示);

Q為每個油腔靜壓油流量，m3/s;

h為初始油膜厚度，m;

Δh為油膜厚度變化量，m;

pr為供油壓力，N/m2;

W滑為滑枕自重，N;

圖4 油腔承載有效面積

表1 油腔尺寸 mm

表2 油腔壓力值 MPa

油膜厚度對油腔壓力和油膜剛度的影響非常大，為了達到足夠的剛度，油膜厚度應盡量小，但受導軌制造精度等因素的限制，油膜厚度不能太小，否則會造成油膜厚度的過度不均勻。根據(jù)實際情況取h=0.03 mm，油膜厚度的變化量不超過h的1/3，表2中的油腔理論壓力值與實際測得的有一定誤差，主要是由于滑枕的分布載荷不一致所導致的，另外在靜壓導軌安裝之前，首先應調平固定導軌在垂直面和水平面內的直線度誤差為0.01 mm/1 000 mm，導向導軌開口寬度變化為0.006 mm/1 000 mm，由于靜壓導軌板封油邊的質量是保證靜壓導軌穩(wěn)定工作的前提，封油邊與相配導軌接觸不好會影響靜壓導軌壓力的建立。在承載力未建立之前，應在加工出靜壓油腔的導軌板上涂紅丹粉，并與相配導軌進行接觸檢查，要求接觸面積在80%～85%之間。若靜壓導軌封油邊接觸得不好，可根據(jù)實際情況將靜壓導軌板拆下并對封油邊接觸平面進行微量刮修［6］。

3 結論

通過應用靜壓導軌技術，使大型落地鏜銑床的動態(tài)特性好、抗振性強、運動精度高，大大提高了工件的加工精度。但由于滑枕伸出的距離比較長，油液如果暴露在空氣中極易受到污染，導致導軌表面造成損傷，所以應在外部加層隔離罩，以保持油液的清潔度。上述表中計算出來的參數(shù)運用到大型落地鏜銑床的調試中，其滑枕運動平穩(wěn)，加工出來的零件也達到了設計中所要求的范圍，但由于理論與實際的誤差，有些參數(shù)還尚待改進。

［1］陳燕生.液體靜壓支撐原理和設計［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1980.

［2］王東鋒.液體靜壓導軌及其設計研究［J］.潤滑與密封，2004(4):117－118.

［3］陳貴強.恒流閉式靜壓導軌在大規(guī)格磨齒機上的應用［J］.裝配制造技術，2008(11):61 －63.

［4］劉成祥.液體靜壓導軌恒流量控制的設計與分析［J］.機床與液壓，2008，36(7):125 －128.

［5］趙玉梅.靜壓導軌在重型機床設計中的應用［J］.陶瓷研究與職業(yè)教育，2009，7(2):29 －31.

［6］李嵩松.重型機床垂向導軌副應用恒流閉式靜壓導軌的設計［J］.制造技術與機床，2011(7):79－82.