秦建宏， 劉錦輝

（秦川機(jī)床工具集團(tuán)股份公司，陜西寶雞721009）

0 引 言

近年來(lái)，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，零件制造領(lǐng)域?qū)C(jī)床加工設(shè)備的需求有了新的變化。大型加工設(shè)備需求越來(lái)越廣泛，多種工序復(fù)合化功能漸漸成為常態(tài)，設(shè)備加工精度要求逐年提升，能加工特定專業(yè)零件的需求也漸漸明朗化，節(jié)能環(huán)評(píng)對(duì)機(jī)床效率也提出了新的要求。當(dāng)大型、復(fù)合、精密、專業(yè)與高效等概念開(kāi)始深入機(jī)床加工領(lǐng)域，成為人們共識(shí)的時(shí)候，復(fù)合加工設(shè)備也迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。

1 車銑復(fù)合轉(zhuǎn)臺(tái)簡(jiǎn)介

車銑復(fù)合轉(zhuǎn)臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)臺(tái)）是立式車銑復(fù)合加工中心的核心部件之一，具有車削和銑削兩個(gè)基本功能，能在零件一次裝夾中，完成至多5個(gè)面的銑削和回轉(zhuǎn)車削等加工，能顯著提高加工效率和保持加工精度。在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的控制下，兩道工序獨(dú)立運(yùn)行，功能互鎖。機(jī)床加工時(shí)，不同的工序間可以通過(guò)預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)一鍵轉(zhuǎn)換，方便實(shí)現(xiàn)對(duì)一次裝夾大型復(fù)雜零件的車削和銑削加工。圖1所示為龍門(mén)式車銑復(fù)合加工中心。

車削模式下，復(fù)合轉(zhuǎn)臺(tái)作為立式車床的主動(dòng)力頭架，帶動(dòng)裝夾的零件做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而刀具則固定安裝在車削主軸上，通過(guò)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)完成車削動(dòng)作。車削模式下，回轉(zhuǎn)臺(tái)面轉(zhuǎn)速要求較高。

銑削模式下，復(fù)合轉(zhuǎn)臺(tái)不僅僅作為夾持固定零件的工件架，還要用作精密伺服控制的C軸運(yùn)轉(zhuǎn)，在數(shù)控系統(tǒng)控制下與其他X、Y、Z、B（或A）伺服軸一起聯(lián)動(dòng)作業(yè)，最多可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)。銑削主軸提供刀具回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)伺服軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)完成銑削動(dòng)作。銑削模式下，回轉(zhuǎn)臺(tái)面幾何精度及運(yùn)動(dòng)精度要求較高[1]。

2 車銑復(fù)合轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)

車銑復(fù)合轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)上必須具備兩個(gè)基本要求，即可靠的定心機(jī)構(gòu)和剛度足夠的回轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)。前者是臺(tái)面穩(wěn)定回轉(zhuǎn)運(yùn)行的基礎(chǔ)，而后者則是承載能力及保持加工精度的關(guān)鍵。

2.1 定心機(jī)構(gòu)

定心機(jī)構(gòu)主要是確保工作臺(tái)有一個(gè)穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)中心，通常使用精密雙列圓錐滾子軸承或推力滾子軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定可靠，徑向負(fù)載能力較強(qiáng)。定心軸承連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，容易造成軸承損傷乃至失效，為此必須對(duì)軸承持續(xù)潤(rùn)滑冷卻，將大量的熱量帶走，維持軸承正常運(yùn)行環(huán)境。我公司車銑復(fù)合轉(zhuǎn)臺(tái)采用NN3048精密雙列圓錐滾子軸承作為定心結(jié)構(gòu)核心，與調(diào)整墊圈、鎖緊螺母一起組成了穩(wěn)定的定心機(jī)構(gòu)。

2.2 回轉(zhuǎn)支撐

回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)與臺(tái)面有關(guān)。一般認(rèn)為，直徑2000 mm以下的臺(tái)面采用軸承支承，幾何精度高，能實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。通常使用集成化的臺(tái)面專用YRT復(fù)合軸承，或是交叉滾子軸承等作為臺(tái)面回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副。而直徑2500 mm以上的臺(tái)面，本身自重較大，承載能力要求較高，回轉(zhuǎn)支承多是采用液壓流體靜壓技術(shù)。工作時(shí)，回轉(zhuǎn)靜壓運(yùn)動(dòng)副之間會(huì)形成一定剛性的油膜，持續(xù)不斷地支撐起臺(tái)面。由于回轉(zhuǎn)中運(yùn)動(dòng)副不接觸，摩擦阻力很小，即使有局部熱量產(chǎn)生也會(huì)被回油帶走，同時(shí)回油的流動(dòng)也使得轉(zhuǎn)臺(tái)溫度均勻變化，保持臺(tái)面運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)恒定，進(jìn)而使得臺(tái)面具有穩(wěn)定的精度。需要注意的是，回油收集很重要，既要防止被污染，又要防止污染設(shè)備及環(huán)境。

我公司車銑復(fù)合轉(zhuǎn)臺(tái)采用流體靜壓支撐，工作臺(tái)直徑為2600 mm，本體質(zhì)量為8500 kg，承載能力為20 000 kg，設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速為120 r/min，車削時(shí)臺(tái)面高速運(yùn)行平穩(wěn)，銑削時(shí)工作臺(tái)剛性好、精度保持性好。

整個(gè)車銑復(fù)合靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)主體由工作轉(zhuǎn)臺(tái)1、傳動(dòng)齒輪2和中臺(tái)面4組成，其中傳動(dòng)齒輪2接受來(lái)自傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力，帶動(dòng)臺(tái)面回轉(zhuǎn)[2]。

靜壓導(dǎo)軌3安裝在滑座上支承整個(gè)臺(tái)面。定心機(jī)構(gòu)由法蘭5、雙列圓錐滾子軸承6、調(diào)整墊圈7、墊圈8、鎖緊螺母9和軸承座13組成，能保證臺(tái)面有一個(gè)穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)中心。而由壓蓋10、調(diào)整墊片11和推力球軸承12構(gòu)成的反向壓緊機(jī)構(gòu)，能很好地控制靜壓浮起量，使得靜壓面上形成的油膜厚度穩(wěn)定，剛性好。轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。

3 車銑復(fù)合轉(zhuǎn)臺(tái)的靜壓?jiǎn)卧?/h2>

轉(zhuǎn)臺(tái)的靜壓?jiǎn)卧o壓導(dǎo)軌、液壓供油單元、管路、液壓站和附件等。

3.1 靜壓導(dǎo)軌及參數(shù)

靜壓導(dǎo)軌是一個(gè)環(huán)狀支撐結(jié)構(gòu)，由10等分靜壓塊組成。每塊有相同的口字形油腔，內(nèi)部有供油通道，與臺(tái)面之間形成相對(duì)密封的腔體，使得流體通過(guò)時(shí)產(chǎn)生靜壓力，能支撐起整個(gè)臺(tái)面（如圖3）。

為保持靜壓面油膜剛性及穩(wěn)定性，靜壓導(dǎo)軌面與轉(zhuǎn)臺(tái)形成的封油邊間隙控制在0.03 mm以內(nèi)，且每塊靜壓塊之間平面度差值不超過(guò)0.01 mm。

在轉(zhuǎn)臺(tái)工作過(guò)程中，靜壓導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面并不接觸，因此對(duì)材料的滑動(dòng)特性要求并不高。如果發(fā)生過(guò)載，靜壓導(dǎo)軌和臺(tái)面發(fā)生接觸，對(duì)材料的要求是臺(tái)面和靜壓導(dǎo)軌不能粘連，幾何形狀能夠保持。一般推薦特制銅合金或鋁合金材料。

本例中，部分計(jì)算參數(shù)如下[3]：

1)壓力計(jì)算。靜壓腔面積A=10×404.87=4048.7 cm2。無(wú)預(yù)緊時(shí)，臺(tái)面浮起量最大，油膜厚，剛性差，此時(shí)空載壓力p0=0.21 MPa，滿載壓力pt=0.70 MPa；預(yù)緊時(shí)，臺(tái)面浮起量得到控制，油膜連續(xù)穩(wěn)定、剛性好，此時(shí)空載壓力p0=0.5 MPa，滿載壓力pt=1.2 MPa。

2)流量計(jì)算。流量與轉(zhuǎn)速有關(guān)，最高轉(zhuǎn)速時(shí)所需油量為Q=20 L/min。

3)熱量計(jì)算。摩擦功率損耗與速度平方成正比，最高轉(zhuǎn)速時(shí)總損耗功率約為5.5 kW。

3.2 液壓供油單元

液壓供油單元是靜壓系統(tǒng)的核心特征，常采用兩種技術(shù)：一種是以多頭泵為代表的恒流供油單元；另一種是以PM流量控制器為特征的恒壓供油單元。

多頭泵是一個(gè)集成化的液壓供油單元，可以同時(shí)為多個(gè)油腔供油。不論臺(tái)面高速回轉(zhuǎn)還是靜止不動(dòng)，每個(gè)油腔都恒定供油（比如200 mL/min等）。該工況能滿足大多數(shù)立式車床轉(zhuǎn)臺(tái)的使用，卻無(wú)法滿足車銑復(fù)合加工中心的要求。

以PM流量控制器（以下簡(jiǎn)稱PM閥）為特征的液壓供油單元，是近年來(lái)發(fā)展較快的創(chuàng)新型模塊化靜壓技術(shù)應(yīng)用，將靜壓技術(shù)推進(jìn)到了許多高精度應(yīng)用場(chǎng)合中。其技術(shù)核心在于每個(gè)油腔使用一個(gè)PM閥單獨(dú)控制，各油腔相互之間沒(méi)有依存關(guān)系，不必考慮油腔之間的相互影響。PM閥內(nèi)部是一種金屬膜片反饋式結(jié)構(gòu)，能夠快速響應(yīng)靜壓腔的壓力變化，自動(dòng)快速調(diào)節(jié)油腔的流量。工作臺(tái)負(fù)載越大、轉(zhuǎn)速越高，則靜壓腔供油流量越大，從而使得油膜厚度的變化最小，以獲得油膜的高剛度。PM閥工作原理如圖4所示。

3.3 液壓站

采用不敏溫的VG10 ～15 抗磨液壓油，避免油溫對(duì)油膜剛度的影響，同時(shí)油液黏度的降低使得管路流速加快，有利于快速響應(yīng)負(fù)載的變化。清潔度要求過(guò)濾等級(jí)為6 μm，防止堵塞PM閥膜片調(diào)節(jié)間隙。油溫設(shè)定范圍為17～35 ℃，該范圍油溫對(duì)黏度的影響較小，同時(shí)也適應(yīng)國(guó)內(nèi)的環(huán)境氣候。系統(tǒng)工作壓力設(shè)定為5 MPa。較高的壓力能夠確保靜壓系統(tǒng)在高速、重載時(shí)，供油響應(yīng)及時(shí)，確保油膜厚度和剛性。

3.4 管路設(shè)計(jì)

采用大通徑無(wú)縫鋼管向PM閥供油，有利于系統(tǒng)快速響應(yīng)膜片反饋供油，同時(shí)硬管可避免沿程壓力損失。PM閥靠近靜壓腔安裝，硬管連接，以獲得良好的響應(yīng)。

3.5 壓力監(jiān)控

靜壓腔設(shè)置壓力變送器，可實(shí)時(shí)跟蹤反饋臺(tái)面靜壓情況，以便在靜壓面拉傷前就得到故障預(yù)警。同時(shí)屏幕設(shè)置監(jiān)控窗口，實(shí)時(shí)顯示靜壓腔壓力變化，系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置提示性報(bào)警信息。同時(shí)，壓力監(jiān)控還有利于機(jī)床調(diào)試階段對(duì)靜壓封油邊的調(diào)整，是調(diào)試的一大助力。

3.6 斷電保護(hù)

臺(tái)面運(yùn)轉(zhuǎn)中，突發(fā)的斷電事故很快會(huì)導(dǎo)致靜壓面無(wú)法供油，回轉(zhuǎn)的臺(tái)面會(huì)造成靜壓面的拉傷。預(yù)防措施是在靜壓管路中并聯(lián)接入50 L蓄能器裝置（工作壓力為3.8～4.2 MPa），在機(jī)床斷電后仍能向系統(tǒng)持續(xù)供油一段時(shí)間，直到工作臺(tái)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)安裝與調(diào)試

4.1 臺(tái)面安裝

所有零件在安裝之前必須仔細(xì)、充分地沖洗，要清除毛刺及可能含有的金屬屑，防止進(jìn)入系統(tǒng)，破壞定心軸承或靜壓導(dǎo)軌。

靜壓系統(tǒng)必須完全排空系統(tǒng)中的空氣，防止靜壓系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)。另外，管路安裝部位采用了軟皮墊措施，防止靜壓系統(tǒng)與其他部件之間的振動(dòng)影響。

臺(tái)面安裝必須按照作業(yè)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行，并做好相應(yīng)的檢驗(yàn)記錄。

4.2 臺(tái)面調(diào)試

靜壓調(diào)試：在臺(tái)面的左前、左后、右前、右后的4個(gè)位置上分別測(cè)量靜壓浮起量，控制范圍為0.08～0.01 mm。同時(shí)監(jiān)測(cè)每腔壓力值變化在合理設(shè)定范圍內(nèi)。

斷電保護(hù)測(cè)試：臺(tái)面運(yùn)轉(zhuǎn)至80 r/min時(shí)，關(guān)閉靜壓系統(tǒng)模擬斷電。臺(tái)面停止用時(shí)25 s，而蓄能器持續(xù)供油時(shí)長(zhǎng)為80 s，完全滿足使用要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文車銑復(fù)合靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)的成功開(kāi)發(fā)，確保了車銑復(fù)合加工中心的精度和穩(wěn)定性。

1)臺(tái)面定心軸承預(yù)緊與靜壓反向收緊浮起量為獨(dú)立操作，結(jié)構(gòu)合理，調(diào)整更方便，簡(jiǎn)單明了；

2)以PM閥為主的恒壓式靜壓系統(tǒng)，能自適應(yīng)低速到高速、空載到滿載的工況，自動(dòng)調(diào)整供油量，確保機(jī)床穩(wěn)定運(yùn)行；

3)附加的流量監(jiān)控功能，設(shè)為提示報(bào)警信息，能在早期預(yù)警靜壓面的故障情況；

4)附加的斷電保護(hù)裝置，防止意外情況造成靜壓面的損傷，是一種先期預(yù)防措施。

本次開(kāi)發(fā)也發(fā)現(xiàn)了靜壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不足。靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)在結(jié)構(gòu)上屬于開(kāi)式的支撐，即環(huán)形靜壓支撐。靜壓力與支撐面積正相關(guān)，可大可小。為控制軸向精度及靜壓浮起量，只能在中心部位設(shè)置反壓調(diào)整機(jī)構(gòu)。臺(tái)面受力可以達(dá)到平衡，但是彎矩不能達(dá)到平衡，靜壓力越大，臺(tái)面所受彎矩就越嚴(yán)重，會(huì)造成靜壓面精度破壞，導(dǎo)致靜壓失效。故而建議后續(xù)開(kāi)發(fā)靜壓臺(tái)面時(shí)最好采用閉式靜壓結(jié)構(gòu)，力求臺(tái)面受力與受彎矩都達(dá)到平衡，避免產(chǎn)生新的薄弱環(huán)節(jié)。以上可算作靜壓臺(tái)面開(kāi)發(fā)方面的心得，歡迎大家批評(píng)指正。