φ1.6米圆台立式磨床采用恒流静压导轨的研制

刀客

1　引言
　　对于精密圆台立式磨床来说，要保证磨削工件的大平面粗糙度低、精度高，除了要求磨头好以外，还要求工作台的工作性能要好。目前国内外生产的φ1.6米精密圆台立式磨床中，工作台导轨基本上采用滚动导轨，经调查，滚动体磨损后高精度易于丧失，抗振能力不强，在磨削高精度的大平面时，粗糙度值也不理想。而静压导轨与它比较，具有更小的摩擦阻力，使用寿命长，动态特性好，运动刚度好，有一定的吸振能力，运动精度高。滚动导轨难于与静压导轨媲美，且国产静压系统与进口大型特级平面滚动轴承在价格上也相差不大。因此，我们在研制φ1.6米精密圆台立磨(该项目为原机械工业部1997年机械工业科学技术发展计划项目)中采用了静压导轨，效果好。下面对本课题中静压导轨的设计作一介绍。
2 C0 Z0 A. ]7 `! U+ @2　静压导轨供油方式的确定
　　就供油方式而言，液体静压导轨目前分为恒压和恒流供油两大类。近年来德国、日本、美国等工业发达国家生产的机床，对液体静压导轨的供油方式，不是千篇一律采用某种方式，有采用恒流供油方式，也有采用恒压供油方式，这样做有可能取决于传习惯和供油系统的辅助件研制过关与否而定。
　　图1所示为每两个油腔共用一个节流器，油泵供油压力用溢流阀调整，始终将压力控制在某个合理数值上，即所谓恒压式，图2所示为每个油腔均有一个油泵全流量供油，即所谓恒流式，两种供油方式比较如下：
# K4 M! X% N1 D
5 F8 k7 Y  T0 O图1
1 e! t- w  |) F$ j7 C7 N
图2
& Z: f4 T4 G' S* e6 N: t　　(1)由于工作重量不均，基础件刚度有限，卡紧力引起局部变形，以及欲想基础件加工精度、粗糙度和安装调试要求特高和稳定，均难达到。由此导轨上各个油腔压力不可能均匀，若某个油腔达到或接近一定的油泵压力时，静压就无法建立。采用恒流导轨没有溢流阀，只要有足够的流量，就能够保持导轨之间脱离接触，形成纯液体摩擦。该系统的压力储备大，过载能力强。
9 p, U- y* @8 W! P% x1 \) T, C　　(2)由于外界飞扬尘埃，运转中某些剥离下金属，油中析出的杂质，以及基础件内腔中某些残存脏物会使油污染，节流器一旦被堵塞，恒压导轨的油腔失压，破坏了静压。若采用恒流静压，无节流器，即无堵塞现象发生，工作安全可靠性高，但润滑油仍需精密过滤，以防研伤导轨。
* b' f/ a' `) U2 Z! X　　(3)恒压式油泵供油压力高于油腔压力时，即通过节流器产生压力降，有压力降就会有热量产生，要维持供油压力，溢液阀一定要溢流，该部分溢流既消耗功率，又产生热量，结果油温升高，导致机床热变形大，降低机床运动精度，甚至于还有可能使静压导轨不能正常工作。
1 p' K2 e1 X- S; Q' g6 d　　(4)就油膜刚度而言，恒流静压系统所具有的刚度，比恒静压系统中有反馈节流系统要差一些，但比有固定节流系统要好得多。
　　根据上述二者之利弊，目前选择恒流供油方式是比较合理的。同时基于湖北某机床厂二十多年采用恒流静压导轨的机床，无一因供油方式而产生故障。因此本磨床液体静压导轨的供油采用湖北某机床厂现行生产的1WZS04型十个头恒流量分油器，其原理图见图3。恒流量分油器的工作原理、工作性能和参数，以及工作安全性，在此不作叙述。

1—电动机　2—飞轮　3—精滤器　4—变量泵　5—精滤器
+ f3 _! O) S; h0 i# V- G% k' K6—溢流阀　7—恒流量分油器　8—压力继电器
9—压力表　10—底座油腔　11—工作台
图3
3　静压导轨的设计与计算
　　(1)?1.6米圆台立式磨床的工作台与底座设计主要技术参数
) K5 H: a5 R# m" O) a, B! j　　①工作台直径：?1600mm
) ^3 ~/ z( V6 C  ?5 A0 t　　②工作台转速：0.8～32r/min
+ k9 j$ O$ K  F+ x# Q8 N. J　　③最大磨削直径：?1800mm
　　④工作台重量：W1＝18kN
6 A) h  R6 V! }) ^　　⑤工作台上磁吸盘重量：W2＝12kN
. m7 H8 ^! X3 K6 E( ^( H" P　　⑥工件最大重量：W3＝60kN
　　(2)液体静压导轨的设计
　　如图4所示，导轨外径为?1200mm，内径为?1000mm，均布十个油腔，每个油腔除外周回油外，还设置径向回油槽，径向回油槽作用有二，既可作内周回油道，又可作油腔之间断压槽用，以免压力互相干扰。内外有一道高1.5mm围墙，使导轨始终泡在润滑油中工作，以免在回转时将空气带入油腔而失压，若油路系统发生故障，突然停车，导轨间仍保持有油润滑，不会产生干摩擦。油腔开在底座上，工作台导轨镶有锌铝铜合金导轨板，为了液体静压导轨预载，工作台至导轨处高375mm，使其承受刚度是足够的。
　　(3)液体静压导轨计算
8 U# ?5 k6 i0 W　　①油腔压力计算
　　油腔尺寸如图5所示，虚线表示每个油腔承受压力的有效面积Ae：
8 N$ R! r2 |0 k+ m& u
图4
  V) o3 [5 Z; `
图5

- u& v3 `# W/ j2 k' V' @& c空载时一个油腔压力：
4 |: k4 C1 q; t( n! B' E! a　　
　　满载时一个油腔压力：
　　
　　②静压导轨机械油的选择
　　众所周知，机械润滑油的动力粘度与温度有关，如果粘度随温差变化大，则流量的变化大
; @8 ?5 ]  X7 d8 v. f. H- K9 i- n  p，这对恒流静压导轨很不利，需要经常调整变量泵。下面通过查手册取二种机械润滑油的动力
, N4 [0 ]; x" \  A( W: m粘度进行比较。
( p# V- \/ e- y) N' t6 t  z' S& ]　　10#机械润滑油：
　　μ10℃=44.64×10-3Pa·s,μ40℃=14．29×10-3Pa·s
　　30#机械润滑油：
　　μ10℃=250×10-3Pa·s,μ40℃=42×10-3Pa·s
　　由上可知，10#机械润滑油μ10℃/μ40℃＝3.124倍，30#机械润滑油：μ10℃/μ40℃＝5.952倍，显然，10#机械润滑油的动力粘度随温差变化量小。因此，选用10#机械润滑油。
　　③油腔流量计算：
! ]: i% d( i* i+ O! DQ＝pλh3/（12μ）
　　p——油腔压力(Pa);
8 [/ i( `* l4 \" C" e" t　　h——油膜厚度(m)；
　　λ——节流边系数；
% A* D  N2 |% f( _# v* J　　μ——润滑油动力粘度(Pa·s)。
+ @3 j& J6 Q& D　　
2 {! r+ M& ]9 |( h取h＝9×10-5m。
　
( Z8 k5 J1 i6 ]　　10℃时满载的总流量：
　　Qεμ10℃＝10Qμ40℃＝6L/min
　　40℃时满载的总流量：
　　Qεμ40℃＝10Qμ40℃＝19L/min
　　选用YBX型变量泵供油，额定流量为25L/min。根据油膜剪切消耗功率计算，若贮油箱容量选用大于600L，则油液温升只在≤20℃左右，足以保持安全可靠工作。
　　④油膜的剪切功率计算：
. A* j3 a/ n5 J# J7 h　　当工作台旋转时，油在导轨间受剪切，必须消耗功率。由于液体静压导轨无直接金属接触，也就无摩擦损失。因此，只有工作台导轨与底座导轨的相对速度，使油受剪切，其剪切力大小与润滑油动力粘度、面积、相对速度成正比，与间隙成反比，其公式：
F'＝μAv／h
剪切力矩：　　M＝F'r
　　剪切所消耗功率：N＝1.075×10－7μΑr2n2/h
式中：A——底座上的静压导轨与工作台导轨实际接触面积(油腔、径向回油槽不计算在内)，A＝（602－56．62＋53．42－502）π＋3．2×3．4×2×10－5×10×10＝2066．32cm2＝2.06632×10-1m2；
　　　r——导轨宽度的几何中心到导轨圆心O的半径，r=(60-50)÷2+50=55cm=0.55m；
# y, h. ?2 X/ z% i& H8 C' J! d　　　n——工作台最高转速(r/min)。
6 A( D6 W5 x0 ~3 I　　⑤油膜刚度计算：
J＝F／e
式中：F——载荷
  V8 w/ f) o( C# d; a2 j! _　　e——从原始载荷状态开始计算的位移量
　　F＝W1＋W2＋W3＝90000N
　　e=0～h=0～9×10－5m=0～90μ
" Z5 o  A7 J% ]# b- A3 K+ c! h6 N　　∴Jmin＝90000／90＝1000N／μ
  q0 u! J; D6 T4　结束语
4 b, P) ^; w! q8 d1 U5 R$ X* w　　由于静压导轨具有一系列的特点，加之又采用了恒流量供油方式，所以使得磨床的摩擦阻力小，工作可靠，动态特性好，抗振性强，运动刚度好，运动精度高，从而磨削工件精度高。
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我们生产的静压导轨式恒压的通过调整节流器的来获得恒压效果目前反映不错