φ1.6米圆台立式磨床采用恒流静压导轨的研制

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：
　　Q_εμ10℃＝10Q_μ40℃＝6L/min
　　40℃时满载的总流量：
　　Q_εμ40℃＝10Q_μ40℃＝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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