郭福軍

引言

隨著我國“高、精、尖”工業(yè)化戰(zhàn)略的實(shí)施推進(jìn)，像航天航空、機(jī)械制造以及軍工行業(yè)等領(lǐng)域?qū)Ω呔鹊脑O(shè)備工件有著十分迫切的需要，可以說零件設(shè)備加工精密度的高低是國家綜合實(shí)力的體現(xiàn)。液體靜壓導(dǎo)軌憑借其高精度、低損耗以及工況穩(wěn)定等優(yōu)異性能被廣泛地應(yīng)用于緊密加工車床之中，成為了高精密工件加工過程中不可或缺的重要設(shè)備。筆者簡要介紹了立式車床液體靜壓導(dǎo)軌的工作原理，并從動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩個(gè)方面對導(dǎo)軌性能進(jìn)行了分析研究，旨在提高立式車床的制作精度。

一、液體靜壓導(dǎo)軌的工作原理

液體靜壓導(dǎo)軌在機(jī)床上加工零件的精密度主要體現(xiàn)在油膜厚度之上，可以說供油系統(tǒng)是整個(gè)靜壓導(dǎo)軌穩(wěn)定運(yùn)行的前提保障。持續(xù)穩(wěn)定的供油方式能夠保證導(dǎo)軌與支承軸之間的油膜厚度幾乎不變，這樣既不會(huì)因油膜過厚帶來的精度漂移，也不會(huì)因油膜過薄帶來的導(dǎo)軌研傷。導(dǎo)軌的供油系統(tǒng)有恒壓和恒流兩種不同的方式，本文以恒壓供油系統(tǒng)為例來介紹導(dǎo)軌的工作原理。

1.空氣濾清器;2.吸沒了過濾器;3.液壓泵;4.電動(dòng)朵;5.單向閥;6.溢流閥;7.蓄能器開關(guān);8.壓力表;9.管路過濾器;10.強(qiáng)磁過濾器;11.蓄能器;12.壓力傳感器;13.雙面薄膜節(jié)流器;14液位計(jì)

圖一 定壓供油系統(tǒng)液體靜壓導(dǎo)軌工作原理圖

圖一為定壓供油液體靜壓導(dǎo)軌的原理圖，當(dāng)供油系統(tǒng)開始運(yùn)作時(shí)，液壓泵（3）在電機(jī)（4）的帶動(dòng)下為導(dǎo)軌供油，整個(gè)系統(tǒng)通過溢流閥（6）的開度大小來調(diào)節(jié)控制供油的壓力，壓力示數(shù)從壓力表（8）中讀出，從而來油膜厚度處于正常范圍之內(nèi)。與此同時(shí)，為了避免油中可能存在的雜質(zhì)堵塞管路和設(shè)備零件，在這條供油線路的吸油階段、設(shè)置有（2）、（9）、（10）三個(gè)過濾器，從而使得系統(tǒng)壓力保持穩(wěn)定，管路流動(dòng)暢通無阻。當(dāng)壓力傳感器（12）感應(yīng)到系統(tǒng)的壓力處于設(shè)定值范圍時(shí)，靜壓導(dǎo)軌便開始運(yùn)作。在系統(tǒng)正常工作時(shí)，液壓泵將液壓油分別注入到導(dǎo)軌和蓄能器（11）中，一旦發(fā)生停電或者電機(jī)跳停等意外事故時(shí)，由于液壓泵出口設(shè)有止回閥門（5），蓄能器（11）中儲存的液壓油仍舊繼續(xù)向?qū)к壒┯?，從而防止?dǎo)軌的磨損，使得導(dǎo)軌平穩(wěn)運(yùn)行。

二、液體靜壓導(dǎo)軌的性能分析

液體靜壓導(dǎo)軌的性能通常要從兩個(gè)方面著手進(jìn)行分析，一方面是靜態(tài)性能分析，另一方面是動(dòng)態(tài)性能分析。

（一）靜態(tài)性能分析

液體靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)開始，經(jīng)過一定的變化之后，系統(tǒng)再次達(dá)到平衡狀態(tài)，該平衡狀態(tài)所表現(xiàn)出來的性能被稱為靜態(tài)性能，這一性能通常要從承載力和油膜剛度兩個(gè)方面進(jìn)行衡量評價(jià)。首先，在液體靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)中導(dǎo)軌和支承件之間通常會(huì)有一層油膜將其分開，那么在該油膜厚度的條件下，支承件所承受的最大外載荷稱為承載力，因此承載能力并不是一個(gè)固定值，其大小與油膜厚度有著直接的關(guān)系，具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中Wi為承載能力，Ae為承載面積，μ為流體粘度，q為流體流量，h為油膜厚度。從公式中可以很明顯的看出承載能力和油膜厚度的三次方成反比，靜壓導(dǎo)軌的承載能力隨著油膜厚度的增加而迅速減小，因此油膜厚度不宜過高也不宜過低，油膜厚度過高則導(dǎo)軌外荷載過低。要想提高導(dǎo)軌外荷載就必須通過增大液壓油泵的壓力來實(shí)現(xiàn)，這樣不僅造成資源的浪費(fèi)，而且極有可能使得導(dǎo)軌產(chǎn)生較大的位移偏差，不利于機(jī)床加工;油膜厚度過低有可能會(huì)使得導(dǎo)軌與支承見產(chǎn)生摩擦，從而造成導(dǎo)軌研傷，總體來說，大多數(shù)機(jī)床在實(shí)際運(yùn)行中將油膜厚度控制0.03-0.06mm的范圍內(nèi)。油膜剛度指的是系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)到另一個(gè)新的平衡狀態(tài)的過程中，系統(tǒng)載荷的增加量與導(dǎo)軌位移增加量的比值，該值的大小顯示出導(dǎo)軌抗載荷能力的強(qiáng)弱，數(shù)值越大，導(dǎo)軌抗載荷能力越弱，數(shù)值越小，導(dǎo)軌抗載荷能力越強(qiáng)，具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其中ju為油膜剛度，W為載荷增量，h為位移變量，從該數(shù)學(xué)表達(dá)式可以發(fā)現(xiàn)油膜剛度與油膜厚度的四次冪呈反比，對于一般的車床來說，當(dāng)h=0.06mm時(shí)，油膜剛度大約在220-250t/mm左右，而當(dāng)h=0.03mm時(shí)，油膜剛度則在3500-3800t/mm左右，由此可見油膜厚度的細(xì)微偏差對于油膜剛度的影響十分巨大。

（二）動(dòng)態(tài)性能分析.動(dòng)態(tài)性能是相對于靜態(tài)性能而言的，指的是在外在干擾作用下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)，是檢驗(yàn)系統(tǒng)分析液體靜壓導(dǎo)軌是否滿足運(yùn)行要求的關(guān)鍵指標(biāo)，通常情況下外干擾力分為兩種形式，一是階躍干擾力，二是周期干擾力。在導(dǎo)軌運(yùn)行的過程中，階躍干擾力十分普遍，例如立式車床在加工零件時(shí)，刀架未觸碰加工零件時(shí)，導(dǎo)軌僅僅受到零件重力的影響，而當(dāng)?shù)都荛_始進(jìn)行切割作業(yè)是，導(dǎo)軌瞬間受到突然的外加力——切削力。此時(shí)導(dǎo)軌能否在切削力的干擾下迅速地再次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)行工件切割作業(yè)是反映導(dǎo)軌動(dòng)態(tài)性能的重要指標(biāo)。周期干擾力對于任何導(dǎo)軌系統(tǒng)都無可避免，它幾乎存在于系統(tǒng)的每一個(gè)振動(dòng)部位，例如液壓油泵的周期性振動(dòng)、齒輪間的咬合振動(dòng)等。當(dāng)振動(dòng)頻率和支承系統(tǒng)的固有頻率相等或相近時(shí)就會(huì)引起共振效應(yīng)，使得導(dǎo)軌無法正常移動(dòng)運(yùn)行，導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生振紋而報(bào)廢，因此，對導(dǎo)軌系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的分析和研究就顯得特別重要且必要。需要特別指出的是，導(dǎo)軌系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能咬合靜態(tài)性能相吻合，這樣才能確保車床在加工工件時(shí)擁有良好的精密度?？偠灾后w靜壓導(dǎo)軌憑借其優(yōu)異的性能已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種車床之中，成為了高精密工件加工過程中不可或缺的重要設(shè)備。本文從液體靜壓導(dǎo)軌的工作原理入手，從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面詳盡分析了導(dǎo)軌性能，得出了油膜厚度在0.03-0.06mm的結(jié)論，希望能夠?qū)α⑹揭后w導(dǎo)軌的運(yùn)行有所幫助。