陳志蘭

摘 要：根據(jù)現(xiàn)有龍門加工中心Z軸滑枕平衡油缸的設計缺陷，創(chuàng)新提出了一種斷電無泄漏平衡油缸。詳細介紹了斷電無泄漏平衡油缸的結構及工作原理。斷電無泄漏平衡油缸結構簡單、成本低，且在江蘇恒力組合機床有限公司VMC龍門系列加工中心設備上得到成功的應用。

關鍵詞：龍門加工中心；斷電無泄漏；平衡油缸

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.028

龍門加工中心廣泛用于對大型復雜零件進行粗精加工，具有承重力強、行程大及精度高等特點，可以進行銑、鏜、鉆及攻等多種工序，只需一次裝夾就可以順序完成多道工序加工。龍門加工中心的主軸頭安裝在滑枕下端，滑枕安放于滑板內(nèi)部，由伺服電機經(jīng)滾珠絲杠傳動沿導軌上下運動，完成Z軸切削加工進給。由于滑枕的Z軸進給為垂直向下方向，滑枕和主軸頭及傳動機構的自重與Z軸進給力方向相同，而與Z軸切削抗力方向相反，這樣切削抗力大小的變化會導致進給力方向的變化，不利于保持進給力的相對穩(wěn)定，對Z軸進給運動的平穩(wěn)性產(chǎn)生較大影響。另外，該自重對伺服電機的運動負荷影響也很大，當滑枕向上運動時，電機需要克服該自重，會明顯導致電機負荷過大甚至超負荷，同時也加劇Z軸傳動絲杠及軸承的磨損。因此，必須對滑枕及主軸等的自重進行平衡，以消除對Z軸進給平穩(wěn)性和電機負荷以及絲杠磨損的影響。Z軸滑枕平衡機構通常使用平衡油缸來進行平衡動作。目前常用的平衡油缸，由主要由油缸筒、活塞桿和油缸前、后蓋組成，油缸筒重直方向固定在機床滑板上，活塞桿通過滑枕連接板與滑枕相聯(lián)。機床工作時，壓力油進入油缸筒中，推動活塞、帶動滑枕相對油缸筒向上運動，油壓力的大小與滑枕和主軸等自重的大小相當，方向相反，使得滑枕所受合力為零，以此抵消自重的影響，達到滑枕平衡的效果。當滑枕向上運動時，壓力油及時充入油缸筒，維持油壓不變，推動活塞桿仍然頂住滑枕連接板，繼續(xù)將油壓力作用在其上以平衡自重。當滑枕向下運動時，多余的壓力油從油缸筒中回到液壓站，但油壓仍然維持不變，仍然頂住活塞桿和滑枕連接板，同樣將油壓力作用在其上以平衡自重。如果機床在工作中一旦斷電，一方面Z軸伺服電機制動器立即抱緊電機軸及絲杠以防止滑枕下躥，另一方面，平衡油路截止閥失電處于截止狀態(tài)，阻斷平衡油路，防止平衡油缸里的壓力油流回油箱導致油缸失壓，以此來保持油缸原有壓力，這樣仍然可以抵消滑枕自重，維持滑枕的位置不變。上述現(xiàn)有的平衡油缸，雖可對滑枕和主軸的自重進行抵消平衡，但當機床一旦斷電時，由于油缸以及平衡油路、截止閥等均為液壓控制，仍存在有下列不足：（1）由于機床斷電后電機制動器抱緊電機軸需要一定的時間，而截止閥失電截止油路也需要一定的時間，在此過程中一部分油會回流到油箱中，油缸壓力會有一定下降，使平衡力產(chǎn)生缺失，這樣，當電機制動器抱緊電機軸時，滑枕仍會由于自重而已經(jīng)產(chǎn)生一定量的下躥，刀具會破壞工件表面；（2）當機床處于長期停電狀態(tài)時，平衡油路中截止閥的結構決定了一直存在微量泄漏，這樣平衡油缸的油壓會不斷地處于下降狀態(tài)，平衡力會越來越小，這樣就會導致滑枕不斷地緩慢下滑，使得機床滑枕的原位改變，給機床的后續(xù)使用帶來很大的不便和安全隱患。平衡油路中雖可增加蓄能器來補充液壓油的壓力，但仍不能從根本上解決問題。為此需要開發(fā)一種斷電無泄漏油缸以解決上述問題。

1 斷電無泄漏油缸設計

為了克服現(xiàn)有油缸的不足，擬在現(xiàn)有平衡油缸的基礎上，增加一個補償裝置，以確保機床在斷電時，在彈簧力的作用下，一方面，立即封堵平衡油缸的油腔以防油壓缺失；另一方面，同時再給平衡油缸的油腔補充一個附加的壓縮力，保證平衡油缸擁有足夠、穩(wěn)定的液壓力，使滑枕不下躥。斷電無泄漏油缸結構圖如圖1所示。圖1中1-螺栓，2-擋圈，3-球面墊圈，4-活塞桿，5-油缸前蓋，6-油缸筒，7-油缸后蓋，8-連接蓋，9-堵桿，10-推塊，11-推環(huán)，12-推桿，13-大彈簧，14-中間筒體，15-補償油缸體，16-環(huán)形活塞，17-端蓋，18-擋圈，19-小彈簧，20-限位套，21-螺母，22-機床滑板，23-配合小環(huán)面，24-機床滑枕連接板，a-油路，b-油路，c-油路，E-平衡油腔，F(xiàn)-補償油腔，G-彈簧腔。

結構主要由平衡油缸部分和補償裝置部分組成。

平衡油缸部分包括油缸筒6、活塞桿4、油缸前、后端蓋5、7。油缸筒6與機床滑板22聯(lián)接固定，活塞桿4與機床滑枕連接板24相聯(lián)，油缸筒6的兩端分別通過螺紋聯(lián)接平衡油缸前、后蓋5、7。活塞桿4與機床滑枕連接板24通過活塞桿4軸端的螺栓1、擋圈2和兩個球面墊圈3固定聯(lián)接。活塞桿4的端軸上帶有配合小環(huán)面23，機床滑枕連接板24兩側又通過兩組球面墊圈3使其聯(lián)接在一起，活塞桿4上小軸的配合小環(huán)面23與機床滑枕連接板24的孔隙可以稍大，使活塞桿4運動中不會有別勁，活塞桿4的位置也不會有大的偏擺，以保證平衡油缸運動的平穩(wěn)性和精度。

補償裝置包括補償油缸體15、活塞16、推桿12、堵桿9、大彈簧13、小彈簧19、中間筒體14和限位套20。中間筒體14的前端固定聯(lián)接有連接蓋8，連接蓋8與平衡油缸后蓋7螺紋聯(lián)接；中間筒體14的后端與補償油缸體15固定聯(lián)接，補償油缸體15的后端固定聯(lián)接有端蓋17，使油缸筒6、中間筒體14和補償油缸體15聯(lián)接成一個整體缸體。

堵桿9套于推桿12上，并置于中間筒體14和補償油缸體15內(nèi)，并可相對其軸向運動。位于中間筒體14內(nèi)的推桿12和堵桿9上套有大彈簧13、推環(huán)11和推塊10，推環(huán)11和推塊10由螺釘固定聯(lián)接，大彈簧13壓縮于推環(huán)11與補償油缸體15之間；位于補償油缸體15中的推桿12和堵桿9上套有活塞16，推桿12的尾部設有擋圈18、小彈簧19和限位套20，推桿12與限位套20螺紋聯(lián)接。擋圈18和小彈簧19置于限位套20中并頂住堵桿9的尾部端面。

堵桿9上設有槽孔，推桿12上設有通孔，推塊10在推桿12上的通孔和堵桿9上的槽孔中徑向穿過，使推桿12與堵桿9活動相聯(lián)。推桿12相對堵桿9只可軸向滑動，而不能相對轉動。推桿12相對堵桿9軸向滑動的距離即為推塊10在堵桿9兩側槽中的滑動距離。大彈簧13的最大作用力和有效作用行程大于小彈簧19。

中間筒體14、補償油缸體15和端蓋17上設有油路a、油路b和油路c，連接蓋8上也設有油路b，a、b、c三個油路均設在各零件的內(nèi)部，同一個油路在不同的零件間互相慣通。油路a外接平衡油路，并與液壓站相通供油；油路b外接蓄能器；油路c外接補償油路，并與液壓站相通供油。a、b、c三個油路同時外接電控系統(tǒng)。

機床正常工作狀態(tài)中，見圖1中的左半部所示。壓力油由油路c進入補償油缸的油腔F，活塞16向下運動，推動限位套20、推桿12向下運動，同時通過推塊10帶動堵桿9和推環(huán)11向下運動，堵桿9的上端面與連接蓋8分離，平衡油缸的油腔E與彈簧腔G相通，大彈簧13處于壓縮狀態(tài)。來自平衡油路的壓力油經(jīng)油路a、彈簧腔G進入油腔E中，將向上的油壓力作用在活塞桿4的底部，并通過活塞桿4和機床滑枕連接板24作用在機床滑枕上，平衡油缸油壓力的大小與機床滑枕和主軸等自重的大小相當，方向相反，使得滑枕所受合力為零，以此抵消機床滑枕和主軸等的自重，達到滑枕平衡的效果。當機床滑枕向上運動時，壓力油及時充入油腔E中，維持油壓不變，推動活塞桿4仍然頂住機床滑枕連接板24，繼續(xù)將油壓力作用在其上以平衡自重。當機床滑枕向下運動時，多余的壓力油從平衡油缸油腔E中回到液壓站，油壓仍然維持不變，推動活塞桿4頂住機床滑枕連接板24，同樣將油壓力作用在其上以平衡自重。機床正常工作狀態(tài)中，大彈簧13一直處于壓縮狀態(tài)。

當機床在工作中一旦斷電時，見附圖中的右半部所示。Z軸伺服電機制動器抱緊電機軸及絲杠以防止滑枕下躥，液壓站補償油路失去壓力，油腔F處于卸荷狀態(tài)，此時大彈簧13在彈簧力的作用下迅速向上伸展，推動推環(huán)11、推塊10、推桿12向上運動，推桿12再通過限位套20帶動小彈簧19推動擋圈18和堵桿9一起向上運動，堵桿9的上端面緊貼到連接蓋8后停止運動，使油腔E封閉；與此同時，推桿12在大彈簧13的作用下，仍繼續(xù)向上運動并伸進連接蓋8中，對密閉的平衡油缸油腔E的空間進行壓縮，使平衡油缸獲得一個額外的壓力補償，以彌補油路的壓力損失，從而保持平衡油缸的原有壓力不變，保證機床不會因斷電而引起滑枕下躥。

機床在斷電過程中，雖然從機床斷電到電機制動器抱緊電機軸需要一定的時間，但由于大彈簧13的彈簧力很大，且堵桿9的上端面帶有密封圈，機床一斷電，大彈簧13就迅速帶動堵桿9將連接蓋8中油腔E的進油口堵死，反映時間遠小于液壓控制系統(tǒng)中的截止閥，平衡油缸中壓力油的壓力損失很小，不會因機床斷電而引起滑枕下躥。大彈簧13對堵桿9的壓力是持久不變的彈簧力，在大彈簧13的壓力作用下，堵桿9與連接蓋8的端面貼合非常緊密，完全做到了無泄漏，可以將平衡油缸中的油長久封閉。再加之，推桿12還可對平衡油缸增加一個額外的壓力補償，以彌補機床斷電瞬間的壓力損失，進一步增強平衡油缸保壓的可靠性。這樣即使機床長期停電，平衡油缸中也會保持有足夠的液壓力，使滑枕不會有任何下滑。推桿12伸進連接蓋8中的行程，等于限位套20和擋圈18之間的間隙，可通過即位套20和螺母21來進行調(diào)整。

壓力補償機構與平衡油缸之間可通過上述方式剛性聯(lián)接，也可通過油管進行柔性聯(lián)接。即在連接蓋8與油缸后蓋7之間用一個柔性的油管進行聯(lián)接，使壓力補償機構可作為一個整體部件靈活地放置在別處，這樣可以減少平衡油缸直接作用于滑枕部分的尺寸。

2 結論

在現(xiàn)有平衡油缸的基礎上，創(chuàng)新增加一個補償裝置，以確保機床在斷電時，在彈簧力的作用下，一方面，立即封堵平衡油缸的油腔以防油壓缺失；另一方面，同時再給平衡油缸的油腔補充一個附加的壓縮力，保證平衡油缸擁有足夠、穩(wěn)定的液壓力，使滑枕不下躥。該設計較好地克服了現(xiàn)有龍門加工中心Z軸滑枕平衡油缸的不足，設計方案已經(jīng)在江蘇恒力組合機床有限公司VMC龍門系列加工中心設備上得到成功的應用。

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