屠躍躍，李鵬忠，楊 勇

(1.同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院 上海 200092;2.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

1 前言

龍門加工中心主要用于對(duì)平面、孔和其他復(fù)雜型面進(jìn)行加工。對(duì)于龍門移動(dòng)式加工中心來(lái)說(shuō)，其加工產(chǎn)品時(shí)，水平面和垂直平面的直線度以及位置精度都取決于X軸和立柱精度能否長(zhǎng)期保持，傳統(tǒng)的帶滾動(dòng)體的線性滾動(dòng)導(dǎo)軌由于動(dòng)態(tài)特性較差，運(yùn)行過(guò)程中易產(chǎn)生振動(dòng)激勵(lì)，阻尼特性不好，不適用于重型機(jī)床［1］。針對(duì)此問(wèn)題，為確保其機(jī)床工作時(shí)的可靠性，在采用液體靜壓導(dǎo)軌的基礎(chǔ)上，X軸驅(qū)動(dòng)方式采用齒輪、齒條雙驅(qū)同步控制技術(shù)。齒輪齒條雙驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，能有效減小齒輪和齒條間的反向間隙，提高機(jī)床進(jìn)給軸的定位精度。同時(shí)，雙電機(jī)對(duì)單一進(jìn)給軸提供扭矩，可增加機(jī)床重型切削的能力，使得機(jī)床獲得高剛性及優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能。

2 液體靜壓導(dǎo)軌工作原理

靜壓導(dǎo)軌是在兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌面間通以壓力油，將運(yùn)動(dòng)件浮起，使導(dǎo)軌面間處于純液體摩擦狀態(tài)。由于承載的要求不同，靜壓導(dǎo)軌按其導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式分為開(kāi)式和閉式兩種。閉式靜壓導(dǎo)軌只有在其移動(dòng)方向的1個(gè)自由度。閉式靜壓導(dǎo)軌的工作原理與靜壓軸承相同，其在上、下導(dǎo)軌面上都開(kāi)有油腔，依靠上下油腔壓力差的變化形成承載力，可承受雙向外載荷。由于其能承受來(lái)自各方向的載荷，具有很高的導(dǎo)軌剛度，不僅能承受很大的傾覆力矩，同時(shí)又能防止承導(dǎo)件與運(yùn)動(dòng)件分離，從而保證運(yùn)動(dòng)部件工作平穩(wěn)。

筆者中所述由沈陽(yáng)某機(jī)床公司設(shè)計(jì)的GMC系列龍門加工中心所采用導(dǎo)軌為如圖1閉式靜壓導(dǎo)軌形式。閉式靜壓導(dǎo)軌只有在其移動(dòng)方向的一個(gè)自由度，其余自由度都由導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)所約束(亦稱幾何封閉)，綜合考慮前述對(duì)導(dǎo)軌的基本要求，決定該導(dǎo)軌副采用矩形導(dǎo)軌窄式組合的截面型式，其理由是該導(dǎo)軌副制造容易、承載能力及剛度大、導(dǎo)向性好、應(yīng)用于靜壓導(dǎo)軌時(shí)油膜調(diào)整相對(duì)容易［2］。

圖1 恒流量控制閉式靜壓導(dǎo)軌原理圖

3 加工中心X軸導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該GMC型龍門移動(dòng)式加工中心，工作臺(tái)長(zhǎng)16 m，寬4 m，考慮到龍門移動(dòng)加工中心移動(dòng)時(shí)的大慣量和加工時(shí)偏載變化范圍大的特點(diǎn)以及大規(guī)格機(jī)床在制造過(guò)程中基礎(chǔ)大件的加工條件，床身工作臺(tái)拼接后所能達(dá)到的精度等，確定機(jī)床X軸采用恒流閉式靜壓導(dǎo)軌，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，并用多頭泵將靜壓泵站打出的油保持恒定流量分配給各個(gè)靜壓油腔。

圖2 立柱滑座床身導(dǎo)軌副截面型式示意圖

3.1 導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)

一般情況下，直線運(yùn)功的靜壓導(dǎo)軌油腔應(yīng)開(kāi)在運(yùn)動(dòng)部件(立柱滑座)上，固定部件(床身)應(yīng)有足夠的長(zhǎng)度，保證移動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中油腔不露出，使油腔能建立正常壓力。運(yùn)動(dòng)部件(滑座)的長(zhǎng)度在2 m以上時(shí)，每個(gè)油腔的長(zhǎng)度取0.5～2 m［3］。該加工中心X軸運(yùn)動(dòng)部件立柱滑座長(zhǎng)度為3560 mm，設(shè)置8個(gè)主油腔，因?yàn)椴捎瞄]式靜壓導(dǎo)軌，與主油腔對(duì)應(yīng)的輔導(dǎo)軌(下導(dǎo)軌面)設(shè)置8個(gè)輔導(dǎo)軌油腔，導(dǎo)向油腔取一邊4個(gè)，共24個(gè)油腔。承載油腔(主導(dǎo)軌油腔)除需承載立柱的重力外，還需承載對(duì)置油腔的反向靜壓力，因此水平承載導(dǎo)軌采用不等面積油腔對(duì)置，導(dǎo)向?qū)к壦惺艿呢?fù)載力較小(±100 kN)，采用等面積油腔對(duì)置，滑座內(nèi)油腔分布如圖3所示。

圖3 滑座內(nèi)油腔壓塊分布圖

3.2 導(dǎo)軌副油腔壓力及多頭泵流量計(jì)算

3.2.1 承載導(dǎo)軌計(jì)算

床身導(dǎo)軌采用靜磨鑲鋼導(dǎo)軌，X軸最大承載總質(zhì)量G約為60 t，因工作臺(tái)固定，鉆鏜力引起的負(fù)載變化對(duì)滑座床身導(dǎo)軌副影響較小(相對(duì)于龍門架及其配套設(shè)備可忽略不計(jì))，所以可認(rèn)為負(fù)載為恒定60 t。

主導(dǎo)軌油腔靜壓塊長(zhǎng)700 mm，寬235 mm，厚為15 mm;輔導(dǎo)軌靜壓塊長(zhǎng)700 mm，寬61 mm，厚15 mm，由此可知，主油腔有效承載面積:

同理，輔油腔有效承載面積:Ae2=301.5(cm2)。

每個(gè)滑座內(nèi)設(shè)置8塊靜壓塊，平均到每個(gè)承載腔靜壓塊上的負(fù)載:F0=F/16=37500 N，在最大載荷(刀具切削力垂直分力為0)下，輔油腔的間隙有增大的趨勢(shì)，這時(shí)，輔油腔的壓力急劇下降，計(jì)算時(shí)取f2=0，則主導(dǎo)軌一個(gè)油腔的最大承載壓力:

式中:η為靜壓油的動(dòng)力粘度，該加工中心靜壓油采用46#抗磨液壓導(dǎo)軌油［4］，當(dāng)處于40℃時(shí)其運(yùn)動(dòng)粘度為 ν=46(mm2/s)，由 η =ρ×ν得其動(dòng)力粘度［5］:

剛度是機(jī)床工作質(zhì)量的主要指標(biāo)，導(dǎo)軌間隙不能過(guò)大，否則影響油膜剛度，容易引起導(dǎo)軌副側(cè)向漂移。對(duì)于龍門加工中心等重型機(jī)床和機(jī)械設(shè)備，空載時(shí)的導(dǎo)軌間隙一般取h0=0.03～0.08 mm，取設(shè)計(jì)浮升量h0=0.03 mm，則每一個(gè)油腔的流量:

多頭泵選用德國(guó)VOGEL公司生產(chǎn)的ZM2202型號(hào)起動(dòng)泵內(nèi)置式多頭泵［6］，該多頭泵流量為:

Q=20 ×0.035(L/min)

當(dāng)設(shè)輔導(dǎo)軌油腔間隙 h02=0.03 mm，Q=0.035(L/min)時(shí)，輔油腔壓力:

這時(shí)主導(dǎo)軌油腔壓力:

主導(dǎo)軌浮升:

3.2.2 導(dǎo)向?qū)к売?jì)算

對(duì)于等面積對(duì)置側(cè)油腔，只要承載能力及剛性足夠，其供油壓力p可以任意選擇。側(cè)導(dǎo)軌油腔靜壓塊長(zhǎng)465 mm，寬96 mm，厚15 mm，有效承載面積Ae3=326.7 cm2;同理可得其油腔壓力p03=24 N/cm2=0.24 MPa。在實(shí)際應(yīng)用中，只關(guān)注在最大切削力時(shí)油膜厚度的變化量Δh，對(duì)該靜壓導(dǎo)軌施加模擬最大水平方向切削力FY=100000 N，因?yàn)閱蝹€(gè)導(dǎo)向?qū)к墏?cè)油腔靜壓塊單側(cè)為4塊，雙側(cè)8塊，切削時(shí)平均到每一個(gè)靜壓油腔上的負(fù)載變化為ΔF=1×105÷8=12500 N，側(cè)油腔壓力:

導(dǎo)軌側(cè)油腔油膜厚度:

導(dǎo)軌側(cè)油腔的平均剛度:

可知導(dǎo)軌剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

查詢可知ZM2202多頭泵的最大工作壓力psmax為2 MPa，由油泵供油壓力ps≥max{p01;p02;p03'}，油膜厚度、最大承載壓力均在許用范圍之內(nèi)，可知多頭泵符合工作要求［7］。選配選與泵相匹配的電機(jī)型號(hào)Y90S－6，額定轉(zhuǎn)速910 r/min，額定功率0.75 kW。

4 多頭泵供油系統(tǒng)及溫控

靜壓支承的壓力油源是由供油裝置保證的。根據(jù)靜壓支承的要求，分為定壓供油裝置和定量供油裝置。除定壓供油外，在大型機(jī)床中也常采用定量供油的靜壓導(dǎo)軌。定量供油有兩種方法:①各油腔有自己的定量油泵;②各油腔前設(shè)有調(diào)流閥而共用一個(gè)油泵［7］。多頭泵的出現(xiàn)，使得恒流量控制方案更為簡(jiǎn)單，由于多頭泵各壓油口之間的流量誤差很小，因此各油腔壓力不會(huì)相互干擾，便于調(diào)整。整個(gè)靜壓導(dǎo)軌液壓系統(tǒng)通過(guò)電氣靜壓油監(jiān)控系統(tǒng)控制主靜壓電機(jī)和多頭泵，依據(jù)靜壓監(jiān)測(cè)布局點(diǎn)的壓力傳感器監(jiān)控靜壓系統(tǒng)工作狀態(tài)，構(gòu)成機(jī)、電、液一體化的靜壓支撐系統(tǒng)。另外機(jī)床液壓系統(tǒng)設(shè)有一個(gè)液壓油箱，液壓系統(tǒng)工作時(shí)，其壓力損失、容積損失、機(jī)械損失等都會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能而使油溫升高，導(dǎo)致油液粘度下降，引起系統(tǒng)泄漏量增加，甚至引發(fā)機(jī)床熱變形，所以在液壓系統(tǒng)中設(shè)置油溫冷卻機(jī)控制油溫，從而有效提高液壓元件的使用壽命和液壓系統(tǒng)工作可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

閉式靜壓導(dǎo)軌具有剛度高、可承受顛覆力矩的特點(diǎn)，同時(shí)相對(duì)于恒壓控制靜壓導(dǎo)軌來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，無(wú)需安裝節(jié)流器，調(diào)整和維護(hù)方便，特別適用于低速、重載的場(chǎng)合，能滿足現(xiàn)代重型數(shù)控機(jī)床對(duì)導(dǎo)軌的要求。多頭泵的產(chǎn)生，使得恒流量控制靜壓導(dǎo)軌應(yīng)用越來(lái)越多。綜上所述，重型機(jī)床橫向?qū)к壐睉?yīng)用恒流閉式靜壓導(dǎo)軌技術(shù)是可行的，在已經(jīng)量產(chǎn)的GMC系列加工中心中得到了良好的使用效果，加工質(zhì)量和運(yùn)行平穩(wěn)度與傳統(tǒng)直線滾動(dòng)導(dǎo)軌相比有著明顯的優(yōu)勢(shì)，也可用在其它高精度重型設(shè)備上，具有良好的應(yīng)用前景。

［1］Paepenmüller F，Brecher C.Hydrostatisches kompaktführungs system für werkzeugmaschinen［J］.VDI Verlag GMBH，2006(3):707－719.

［2］李 列.XK2125床身工作臺(tái)導(dǎo)軌副采用恒流供油式靜壓導(dǎo)軌的探討［J］.機(jī)床與液壓，2006(10):64－66.

［3］廣州機(jī)床研究所.液體靜壓技術(shù)原理及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1978.

［4］鐘 洪，張冠坤.液體靜壓動(dòng)靜壓軸承設(shè)計(jì)使用手冊(cè)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［5］徐輔仁.關(guān)于液壓油動(dòng)力粘度 μp，t的計(jì)算［J］.機(jī)床與液壓，1990(1):39－40.

［6］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)·第五卷［M］.第5版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［7］陳燕生.液體靜壓支承原理和設(shè)計(jì)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1980.