1.6米圆台立式磨床采用恒流静压导轨的研制

本文介绍了1.6米精密圆台立磨中工作静压导轨供油方案的确定,恒流静压导轨的设计与计算。

1 引言

对于精密圆台立式磨床来说,要保证磨削工件的大平面粗糙度低、精度高,除了要求磨头好以外,还要求工作台的工作性能要好。目前国内外生产的φ1.6米精密圆台立式磨床中,工作台导轨基本上采用滚动导轨,经调查,滚动体磨损后高精度易于丧失,抗振能力不强,在磨削高精度的大平面时,粗糙度值也不理想。而静压导轨与它比较,具有更小的摩擦阻力,使用寿命长,动态特性好,运动刚度好,有一定的吸振能力,运动精度高。滚动导轨难于与静压导轨媲美,且国产静压系统与进口大型特级平面滚动轴承在价格上也相差不大。因此,我们在研制φ1.6米精密圆台立磨(该项目为原机械工业部1997年机械工业科学技术发展计划项目)中采用了静压导轨,效果好。下面对本课题中静压导轨的设计作一介绍。

2 静压导轨供油方式的确定

就供油方式而言,液体静压导轨目前分为恒压和恒流供油两大类。近年来德国、日本、美国等工业发达国家生产的机床,对液体静压导轨的供油方式,不是千篇一律采用某种方式,有采用恒流供油方式,也有采用恒压供油方式,这样做有可能取决于传习惯和供油系统的辅助件研制过关与否而定。

图1所示为每两个油腔共用一个节流器,油泵供油压力用溢流阀调整,始终将压力控制在某个合理数值上,即所谓恒压式,图2所示为每个油腔均有一个油泵全流量供油,即所谓恒流式,两种供油方式比较如下:

图1

图2

(1)由于工作重量不均,基础件刚度有限,卡紧力引起局部变形,以及欲想基础件加工精度、粗糙度和安装调试要求特高和稳定,均难达到。由此导轨上各个油腔压力不可能均匀,若某个油腔达到或接近一定的油泵压力时,静压就无法建立。采用恒流导轨没有溢流阀,只要有足够的流量,就能够保持导轨之间脱离接触,形成纯液体摩擦。该系统的压力储备大,过载能力强。

(2)由于外界飞扬尘埃,运转中某些剥离下金属,油中析出的杂质,以及基础件内腔中某些残存脏物会使油污染,节流器一旦被堵塞,恒压导轨的油腔失压,破坏了静压。若采用恒流静压,无节流器,即无堵塞现象发生,工作安全可靠性高,但润滑油仍需精密过滤,以防研伤导轨。

(3)恒压式油泵供油压力高于油腔压力时,即通过节流器产生压力降,有压力降就会有热量产生,要维持供油压力,溢液阀一定要溢流,该部分溢流既消耗功率,又产生热量,结果油温升高,导致机床热变形大,降低机床运动精度,甚至于还有可能使静压导轨不能正常工作。

(4)就油膜刚度而言,恒流静压系统所具有的刚度,比恒静压系统中有反馈节流系统要差一些,但比有固定节流系统要好得多。

根据上述二者之利弊,目前选择恒流供油方式是比较合理的。同时基于湖北某机床厂二十多年采用恒流静压导轨的机床,无一因供油方式而产生故障。因此本磨床液体静压导轨的供油采用湖北某机床厂现行生产的1WZS04型十个头恒流量分油器,其原理图见图3。恒流量分油器的工作原理、工作性能和参数,以及工作安全性,在此不作叙述。

1—电动机 2—飞轮 3—精滤器 4—变量泵 5—精滤器

6—溢流阀 7—恒流量分油器 8—压力继电器

9—压力表 10—底座油腔 11—工作台

图3

3 静压导轨的设计与计算

(1)1.6米圆台立式磨床的工作台与底座设计主要技术参数

①工作台直径:1600mm

②工作台转速:0.8～32r/min

③最大磨削直径:1800mm

④工作台重量:W1＝18kN

⑤工作台上磁吸盘重量:W2＝12kN

⑥工件最大重量:W3＝60kN

(2)液体静压导轨的设计

如图4所示,导轨外径为1200mm,内径为1000mm,均布十个油腔,每个油腔除外周回油外,还设置径向回油槽,径向回油槽作用有二,既可作内周回油道,又可作油腔之间断压槽用,以免压力互相干扰。内外有一道高1.5mm围墙,使导轨始终泡在润滑油中工作,以免在回转时将空气带入油腔而失压,若油路系统发生故障,突然停车,导轨间仍保持有油润滑,不会产生干摩擦。油腔开在底座上,工作台导轨镶有锌铝铜合金导轨板,为了液体静压导轨预载,工作台至导轨处高375mm,使其承受刚度是足够的。

(3)液体静压导轨计算

①油腔压力计算

油腔尺寸如图5所示,虚线表示每个油腔承受压力的有效面积Ae:

图4

图5

空载时一个油腔压力:

满载时一个油腔压力:

②静压导轨机械油的选择

众所周知,机械润滑油的动力粘度与温度有关,如果粘度随温差变化大,则流量的变化大

,这对恒流静压导轨很不利,需要经常调整变量泵。下面通过查手册取二种机械润滑油的动力

粘度进行比较。

10#机械润滑油:

μ10℃=44.64×10-3Pa·s,μ40℃=14．29×10-3Pa·s

30#机械润滑油:

μ10℃=250×10-3Pa·s,μ40℃=42×10-3Pa·s

由上可知,10#机械润滑油μ10℃/μ40℃＝3.124倍,30#机械润滑油:μ10℃/μ40℃＝5.952倍,显然,10#机械润滑油的动力粘度随温差变化量小。因此,选用10#机械润滑油。

③油腔流量计算:

Q＝pλh3/(12μ)

p——油腔压力(Pa);

h——油膜厚度(m)；

λ——节流边系数；

μ——润滑油动力粘度(Pa·s)。

取h＝9×10-5m。

10℃时满载的总流量:

Qεμ10℃＝10Qμ40℃＝6L/min

40℃时满载的总流量:

Qεμ40℃＝10Qμ40℃＝19L/min

选用YBX型变量泵供油,额定流量为25L/min。根据油膜剪切消耗功率计算,若贮油箱容量选用大于600L,则油液温升只在≤20℃左右,足以保持安全可靠工作。

④油膜的剪切功率计算:

当工作台旋转时,油在导轨间受剪切,必须消耗功率。由于液体静压导轨无直接金属接触,也就无摩擦损失。因此,只有工作台导轨与底座导轨的相对速度,使油受剪切,其剪切力大小与润滑油动力粘度、面积、相对速度成正比,与间隙成反比,其公式:

F'＝μAv／h

剪切力矩: M＝F'r

剪切所消耗功率:N＝1.075×10-7μΑr2n2/h

式中:A——底座上的静压导轨与工作台导轨实际接触面积(油腔、径向回油槽不计算在内),A＝(602-56．62+53．42-502)π+3．2×3．4×2×10-5×10×10＝2066．32cm2＝2.06632×10-1m2；

r——导轨宽度的几何中心到导轨圆心O的半径,r=(60-50)÷2+50=55cm=0.55m；

n——工作台最高转速(r/min)。

⑤油膜刚度计算:

J＝F／e

式中:F——载荷

e——从原始载荷状态开始计算的位移量

F＝W1+W2+W3＝90000N

e=0～h=0～9×10-5m=0～90μ

∴Jmin＝90000／90＝1000N／μ

4 结束语

由于静压导轨具有一系列的特点,加之又采用了恒流量供油方式,所以使得磨床的摩擦阻力小,工作可靠,动态特性好,抗振性强,运动刚度好,运动精度高,从而磨削工件精度高。

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