潘尚峰

(清華大學(xué)精密儀器及機(jī)械學(xué)系，北京100084)

數(shù)控車削中心加工長徑比超過3 的軸類零件時(shí)，一般需用活動(dòng)頂尖頂緊工件，以加強(qiáng)工件的剛性，防止在切削過程中發(fā)生振動(dòng)。普通車床尾座套筒伸縮由手動(dòng)完成，數(shù)控車削中心為達(dá)到高效和自動(dòng)化，尾座套筒的伸縮一般通過液壓油缸推動(dòng)套筒來實(shí)現(xiàn)。

某型車削中心尾座夾緊液壓系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)中使用了D5-02-3C4-A15 電磁換向閥，如圖2所示。實(shí)際使用過程中出現(xiàn)尾座頂尖夾緊工件一段時(shí)間后，套筒會(huì)緩慢后退，最后頂不緊工件。在車削過程中出現(xiàn)這種現(xiàn)象會(huì)引起嚴(yán)重事故，必須杜絕。為了解決此問題，將D5-02-3C4-A15 電磁換向閥更換為D5-02-3C11-A15 電磁換向閥(見圖3)，構(gòu)成新的尾座液壓系統(tǒng)，如圖4所示，該方案避免了套筒后退，但同時(shí)帶來了新問題，即尾座頂尖不工作時(shí)，尾座套筒會(huì)慢慢向前移動(dòng)。使用時(shí)還需手動(dòng)操作使套筒后退，這給操作帶來很大不便。因此更換電磁換向閥不能從根本上解決問題，應(yīng)該尋求更好的液壓尾座鎖緊方法。

圖1 某型車削中心尾座液壓系統(tǒng)原理圖

圖2 D5-02-3C4-A15電磁換向閥

圖3 D5-02-3C11-A15電磁換向閥

圖4 更換電磁換向閥后的尾座液壓系統(tǒng)原理

圖5 MPA-02-A 液控單向閥

1 工件夾緊過程中尾座套筒緩慢后退原因分析及對策

根據(jù)尾座液壓系統(tǒng)原理圖1 可知，D5-02-3C4-A15 電磁換向閥的中位機(jī)能是Y 型，它和液控單向閥MPA-02-A(見圖5)配合使用。對于需要長時(shí)間保壓的場合，如起重設(shè)備、液壓支架等，為了保證液控單向閥可靠鎖緊，換向閥處于中位時(shí)，液控單向閥的控制端壓力必須為0。所以頂尖頂緊工件后，要能夠長時(shí)間保持頂緊壓力不變，這與起重設(shè)備、煤礦液壓支架等的要求是相同的。因此，采用反向密封性能良好的液控單向閥是最佳選擇。一旦選用了液控單向閥，那么換向閥的中位機(jī)能就必須選用Y 型機(jī)能。

根據(jù)上述分析，在尾座液壓夾緊回路中使用D5-02-3C4-A15 電磁換向閥和液控單向閥組成的鎖緊回路在原理上是不存在問題的，之所以出現(xiàn)套筒后退現(xiàn)象是由于液壓缸泄漏或液控單向閥密封不嚴(yán)造成的。對液壓缸的密封性能進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，并未發(fā)現(xiàn)液壓缸有泄漏，因此可以推斷，造成系統(tǒng)泄漏的主要原因是液控單向閥密封不嚴(yán)。

在頂緊工件后尾座套筒為何會(huì)后退，而且后退量約為0.03 mm。頂尖和工件中心孔接觸，在接觸面上發(fā)生彈性變形，在彈性變形范圍內(nèi)頂尖和套筒受力，所以液壓缸無桿腔有壓力，但由于液控單向閥密封不嚴(yán)，所以造成無桿腔油液泄漏，壓力緩慢下降。只要在彈性變形范圍內(nèi)，無桿腔始終存在壓力，油液不斷泄漏，套筒也就會(huì)緩慢后退，直到后退距離達(dá)到彈性變形量后(或彈性變形完全恢復(fù))，頂尖和工件脫離接觸，頂尖和套筒不再受力，液壓缸無桿腔無壓力，油液泄漏停止，套筒不再后退。所以套筒后退量與頂尖的頂緊力有關(guān)，頂緊力越大，頂尖彈性變形量就越大，頂尖后退量也越大。

為了驗(yàn)證以上分析的正確性，進(jìn)行了多次專門實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)果和現(xiàn)場觀察到的現(xiàn)象完全一致。

2 更換電磁換向閥后尾座套筒緩慢前移原因分析

換為D5-02-3C11-A15 電磁換向閥目的是保證能夠始終頂緊工件。該電磁閥換向閥的中位機(jī)能是P口和A 口通、B 口和T 口不通，所以電磁換向閥未通電前液壓缸無桿腔始終進(jìn)油(接A 口)，而液壓缸有桿腔(接B 口)的回油被切斷。在頂緊工件后，即使電磁換向閥回到中位，液壓缸仍可以進(jìn)油，而有桿腔封死，液壓缸活塞保持不動(dòng)，始終頂緊工件。顯然，使用D5-02-3C11-A15 電磁換向閥后，在頂緊過程中，由于無桿腔一直可以進(jìn)油，所以和有桿腔的密封狀況無關(guān)，即便有桿腔接通油箱也不受影響。所以使用D5-02-3C11-A15 電磁換向能夠達(dá)到始終頂緊工件的目的，但同時(shí)帶來新的問題。

在不頂緊工件或自由狀態(tài)下，使用D5-02-3C11-A15 電磁換向閥的方案就有問題了。機(jī)床一上電，D5-02-3C11-A15 電磁換向閥不上電，處于中位狀態(tài)，和頂緊工件時(shí)的工作狀態(tài)相同，即此時(shí)無桿腔接通動(dòng)力油，有桿腔被封死。由于電磁換向閥的閥芯和閥套之間存在間隙，其密封性能遠(yuǎn)不及液控單向閥好，所以液壓缸有桿腔必然存在泄漏。一旦液壓缸有桿腔存在泄漏(相當(dāng)于具有緩慢回油作用)，就會(huì)造成液壓缸活塞緩慢前移，這和開機(jī)后觀察到的套筒自行前移現(xiàn)象是一致的。

使用D5-02-3C11-A15 電磁換向閥還會(huì)出現(xiàn)另外一個(gè)問題。利用該閥中位機(jī)能的目的是當(dāng)電磁換向閥處于中位時(shí)，仍能給液壓缸無桿腔供油，保證頂緊工件。在液壓泵正常供油的情況下(始終有動(dòng)力油供給)是不會(huì)出現(xiàn)問題的，一旦在車削過程中液壓泵出現(xiàn)故障，將不能提供動(dòng)力油，此時(shí)頂尖無法頂緊工件，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)安全問題。

采用D5-02-3C11-A15 電磁換向閥實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)正常供油條件下工件的可靠頂緊，但同時(shí)也帶來兩個(gè)問題:一是不工作狀態(tài)下尾座套筒會(huì)自行前移，其次是當(dāng)液壓系統(tǒng)無法正常供油時(shí)會(huì)出現(xiàn)頂不緊工件，引起安全問題。所以使用D5-02-3C11-A15 電磁換向閥在原理上是錯(cuò)誤的，而且是不安全的，此方案絕對不可采用。

在液壓系統(tǒng)鎖緊回路設(shè)計(jì)中，單純用換向閥的中位機(jī)能來鎖定定位精度要求高的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一大禁忌，該設(shè)計(jì)中使用D5-02-3C11-A15 電磁換向閥正是犯了此大忌。

所以，最初使用D5-02-3C4-A15 電磁換向閥是正確的，出現(xiàn)尾座套筒后退現(xiàn)象純屬液控單向閥的質(zhì)量問題，即閥內(nèi)密封球與錐面配合不好。或者說問題的關(guān)鍵不是電磁換向閥，而是液控單向閥。因此，夾緊回路中仍使用D5-02-3C4-A15 電磁換向閥，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)液控單向閥的質(zhì)量控制，和制造商協(xié)商，要求其解決泄漏問題。或者更換液控單向閥，選用質(zhì)量更好的進(jìn)口液控單向閥。

對于一般密封性能的液控單向閥，在鎖緊回路中采用壓力繼電器和蓄能器是一種比較好的方案。

3 采用壓力繼電器和蓄能器的改進(jìn)方案

由于液控單向閥存在泄漏是不可避免的，所以在要求時(shí)間保壓的鎖緊回路中常采用蓄能器和壓力繼電器，這在機(jī)床液壓系統(tǒng)的工件夾緊回路中是比較常見的。圖6 中采用壓力繼電器來控制回路的最高夾緊力，既當(dāng)夾緊力達(dá)到設(shè)定值后，壓力繼電器發(fā)信，二位四通換向閥斷電，系統(tǒng)依靠液控單向閥維持工件的夾緊力，同時(shí)二位四通換向閥也斷電，使液壓泵卸荷。

圖6 帶有液控單向閥的夾緊回路

圖6 的液壓夾緊回路維持工件夾緊的時(shí)間較短，原因是液控單向閥存在泄漏。對圖6 回路的改進(jìn)辦法就是不能單獨(dú)依靠液控單向閥實(shí)現(xiàn)鎖緊，另外還需要增加一個(gè)蓄能器。當(dāng)夾緊壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，壓力繼電器發(fā)信，液壓泵卸荷，由于單向閥的存在，油液不會(huì)倒流，此時(shí)即使系統(tǒng)存在泄漏，蓄能器也能夠補(bǔ)充泄漏以維持夾緊力在較長時(shí)間內(nèi)不變。當(dāng)系統(tǒng)壓力下降到壓力繼電器最低設(shè)定值時(shí)，同樣發(fā)出信號，使液壓泵由卸荷狀態(tài)轉(zhuǎn)入運(yùn)行狀態(tài)，重新向液壓缸供油。由于采用了單向閥和蓄能器，可以不要液控單向閥，如圖7所示。圖7 中壓力繼電器和圖6中不同，要求能夠設(shè)定兩種壓力，即最高夾緊壓力和最低夾緊壓力。

圖7 不帶液控單向閥的工件夾緊回路

根據(jù)圖7 的改進(jìn)思路，對某型數(shù)控車削中心的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，在原來的尾座液壓頂緊回路上再增加一個(gè)壓力繼電器和一個(gè)蓄能器組成一個(gè)新的鎖緊回路，如圖8所示。當(dāng)頂緊工件時(shí)液壓缸壓力下降至壓力繼電器的最低設(shè)定壓力后，電磁鐵YV2 通電，電磁換向閥D5-02-3C4-A15 換向，液壓缸無桿腔接通液壓泵，壓力升高，當(dāng)壓力升高到壓力繼電器的最高設(shè)定壓力后，電磁鐵YV2 斷電。

圖8 改進(jìn)后的尾座頂緊液壓系統(tǒng)原理圖

此方案是一個(gè)理想的鎖緊回路，一般用在鎖緊要求很高的場合。由于系統(tǒng)中采用了蓄能器，所以系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本增加了。由于系統(tǒng)中仍然保留液控單向閥，而且液控單向閥是放置在換向閥和液壓缸之間，所以夾緊時(shí)液壓缸的泄漏會(huì)比圖7 中液壓缸的泄漏小得多，所以此方案還可以進(jìn)一步簡化，即也可以不用蓄能器，雖然鎖緊效果稍差，但對于尾座頂尖夾緊工件的應(yīng)用場合來說，完全可以勝任。因此為了簡化系統(tǒng)，降低成本，提高系統(tǒng)的可靠性，可以去掉蓄能器，只用一個(gè)具有雙壓力設(shè)定的壓力繼電器即可，高于設(shè)定壓力液壓泵停止工作，低于設(shè)定壓力液壓泵啟動(dòng)工作。

4 結(jié)束語

數(shù)控車削中心尾座液壓夾緊回路要求長時(shí)間保壓，以保證在車削過程中可靠頂緊工件。使用液控單向閥和具有Y 型中位機(jī)能的電磁換向閥構(gòu)成鎖緊回路是正確的選擇，但由于液控單向閥存在一定的泄漏，僅依靠液控單向閥達(dá)到長時(shí)間保壓是困難的。為了使液壓鎖緊回路能夠長時(shí)間保壓，在回路中需增加壓力繼電器和蓄能器。

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