溫升對液體靜壓主軸加工精度的影響及改進措施

王海濤 韓曉玲

（!北京航空制造工程研究所，北京100024；"青島黃海職業(yè)學院高職機電系，山東青島 266427）

在生產制造領域，精密鏜床是加工行業(yè)發(fā)展精密加工的重要內容之一。隨著科學技術的發(fā)展，精密鏜床加工技術正向更高精度、更高效率的領域擴展。其中，以液體靜壓滑動軸承為依托的靜壓鏜削主軸占了較大比例，在高精度孔的精密加工中發(fā)揮了重要作用。

1 問題的提出

SJT-60型機床是一種液體靜壓主軸的精密鏜床，選用牌號是L-FC15的液壓油，其粘度為0.012 8 Pa·s。該機床主要用來鏜削加工高精度圓柱孔，主要技術參數(shù)和精度指標如下：

（1）孔直徑范圍：16～50 mm；

（2）主軸回轉精度：0.002 mm；

（3）孔圓柱度：≤0.001 5 mm；

（4）表面粗糙度：Ra0.4#m；

（5）孔尺寸精度：±0.015 mm。

從以上指標可以看出，所加工零件的精度較高，因此，任何對軸系產生不良影響的因素，都會最終反映到零件的精度上。通過對SJT-60型鏜床一段時間的生產驗證，發(fā)現(xiàn)靜壓軸系的溫升對所鏜削孔位置度的影響較大，特別是在不具備恒溫環(huán)境的夏季，這種狀況更為明顯。以發(fā)動機活塞的加工為例，其壓縮高（圖1）尺寸精度要求為37.65±0.02 mm，隨著靜壓軸系溫升（夏季還應考慮周圍環(huán)境溫度的影響），液壓油粘度系數(shù)降低，從而承載力減小，鏜床主軸逐步偏離中心下降，使被加工活塞的壓縮高也相應發(fā)生變化，降低了活塞銷孔的加工精度。當溫升達到一定溫度后，活塞壓縮高的尺寸便超差，導致廢品的產生，給企業(yè)帶來經濟上的損失。另外，溫升會使軸系中的主軸和靜壓軸承（也稱軸瓦）發(fā)生熱變形，致使兩者的間隙變化不均，有時甚至產生抱軸現(xiàn)象，導致鏜床主軸不能正常運轉。

基于此種情況，要想改變現(xiàn)狀，必須找出溫升的原因，進而消除或減輕溫升對鏜床加工精度的影響，以保證設備的正常運轉。

2 原因分析

2.1 靜壓軸承（軸瓦）原理

靜壓軸承是靠外部液壓系統(tǒng)（液壓站）供給壓力油，經過小孔節(jié)流，進入到軸瓦的油腔，建立承載油膜，該油膜將主軸和軸瓦表面隔開，鏜床主軸浮在靜壓軸承中間，保證主軸在額定轉速和額定負載范圍內，都與軸瓦處于液體摩擦的狀態(tài)，如圖2所示。如果在載荷作用下，支承的兩個表面互相接近時，液壓油被迫流經較小的間隙，根據(jù)流量平衡原理，油腔壓力必定增高，直至油腔及其周圍封油面上的壓力總和與載荷平衡。油膜阻礙間隙隨載荷而變化的能力，取決于流量控制器的類型。

靜壓軸承具有摩擦阻力小、精度保持性好、油膜補償誤差功能以及良好的抗振性能等優(yōu)點，而且在高速時其摩擦功耗低于動壓軸承，故其適應工況范圍很廣。

2.2 溫升原因

通過查看生產現(xiàn)場和查閱相關資料，主要原因包括以下幾方面：

（1）液壓系統(tǒng)設計缺陷

液壓元件的規(guī)格選擇不合理，采用元件的容量太小、流速過高；系統(tǒng)在非工作過程中，沒有有效的卸荷措施，使大量的液壓油損耗而產生熱量；另外，油箱容積小，散熱條件差也是其中一個原因。這些都可以使液壓系統(tǒng)功率過剩，從而造成能量損失而使液壓油溫升過高。

（2）主軸卸荷軸承發(fā)熱

SJT-60型鏜床動力傳動采用電動機帶動具有卸荷功能的主軸皮帶輪，如圖3所示。這種結構，使得滾動軸承8回轉時產生大量的熱量，這些熱量通過卸荷座9傳遞到了主軸箱上。因軸瓦11、13與主軸箱12過盈配裝在一起，所以傳遞過來的熱量最終使軸系產生溫升，這無疑又是雪上加霜；另外，無論溫升源自何處，都對軸瓦和主軸自身體積的膨脹率產生影響，從而進一步影響鏜床的加工精度。

（3）摩擦力矩和液壓油型號

靜壓主軸和軸瓦之間以液壓油為介質，在一定壓力下，液壓油產生一個油膜阻力，因而主軸運轉時，就有摩擦力矩的存在，因而不可避免地產生溫升。

另外，液壓油的粘度不同，摩擦力矩也不同。所以，在選擇液壓油的粘度時，不能僅憑以往的經驗，必須根據(jù)鏜床軸系參數(shù)，通過相關的計算和運轉加工實驗數(shù)據(jù)以驗證，才能確定液壓油的最終使用型號。

2.3 溫升原因及對加工精度的影響過程

如圖4所示，我們可以清楚看到靜壓軸系溫升產生的主要原因和影響加工精度的過程，由此可以有針對性地逐一進行相應的改進，以最大限度地限制溫升，提高鏜床的加工精度。

3 改進措施

針對以上導致液壓油溫升的原因，根據(jù)企業(yè)的生產實際，作出以下相應的改進和完善：

3.1 液壓系統(tǒng)

根據(jù)靜壓軸承所需液壓油的流量，重新計算校驗液壓系統(tǒng)所需液壓元件的技術參數(shù)，把不合理的元件進行更換。例如，原來所選的油泵流量過大，通過計算后，選擇流量適合的油泵。

適當加大油箱的容積，以增加散熱面積；另外，針對夏季車間溫度過高的情況，在液壓站油箱上加裝可制冷的恒溫裝置，使液壓油的溫度能有效的控制在一個較小的變化范圍之內，以保證鏜床的加工精度。

3.2 傳動結構

更改主傳動的結構，把皮帶傳動的卸荷結構完全去除，換為電主軸形式的直聯(lián)結構，如圖5所示，從根本上消除由于卸荷軸承運轉所導致的溫升，可使原有溫升的狀況有較大的改觀，經過現(xiàn)場試驗檢測，效果非常明顯。

3.3 液壓油的選擇

液壓油粘度高，承載能力就大，但軸承流量小，功耗大，因而溫升高，溫度高則液壓油的粘度下降，單單靠提高液壓油的粘度以增加軸承的承載能力將會受到限制。所以，液壓油的選擇一定要通過合理計算來確定。

一般靜壓軸承按轉速由公式η=0.068n-1/3計算所需的液壓油粘度，該粘度為有效溫度（或平均溫度）下的粘度，以保證軸承的溫升不會過高。

3.4 降低摩擦力矩

液壓油的粘度確定以后，摩擦力矩的降低方式一般是在主軸和軸瓦配合公差允許的范圍內，盡量增大兩者之間的間隙，但這種方法相應的也增大了液壓系統(tǒng)的供油功耗。因此，要使用該方法，必須在設計改進時，對液壓系統(tǒng)各項參數(shù)指標進行優(yōu)化，在保證支承件工作油膜剛度和精度要求的前提下，最大限度的降低系統(tǒng)的總功耗。

4 生產驗證

針對產生溫升原因的根源，對SJT-60型鏜床相應部分進行了改進，通過調整、試加工后，將該鏜床應用到實際的生產中進行檢驗。經過一個月的生產，結果表明：溫升影響靜壓主軸加工精度的情況得到了明顯改觀，未再出現(xiàn)活塞壓縮高的超差現(xiàn)象，消除了由于溫升而產生廢品的現(xiàn)象。

隨機從現(xiàn)場所加工的YC6108型活塞中抽檢了100只進行測量，壓縮高尺寸精度全部符合客戶圖紙的技術要求，其它主要技術指標精度也有了較大提高，各項目測量的平均值如表1所示。

表1 YC6108型活塞主要參數(shù)指標測量值

5 結語

綜上所述，我們可以得到以下幾點認識：

（1）靜壓主軸的加工精度受溫升的影響，而且很難徹底根除，只能有針對性地改進和完善，使溫升對加工的副作用逐步減小。

（2）溫升產生原因復雜，要善于找出主要因素。有些我們通過檢查和測量能夠發(fā)現(xiàn)，有些雖然存在，但還需通過進一步的分析試驗才能得到確認，因此，溫升的研究是一個長遠的課題。

（3）溫升能夠控制。采取有效措施，合理制定改進方案和措施，最大限度降低溫升對靜壓機床加工精度的影響，有利于提高生產企業(yè)的經濟效益。

（4）對于不同的靜壓系統(tǒng)，溫升有一個合理的幅度范圍，控制和限制溫升，也要在相應合理的范圍之內，否則可能適得其反。

（5）通過對溫升影響加工精度的研究，可以總結歸納出普遍性的切入點，應用到其它相似問題研究中，以獲取更大的經濟和社會效益，提高企業(yè)競爭力。

［1］王啟義主編.中國機械設計大典［M］.南昌：江西科學技術出版社，2002.

［2］成大先主編.機械設計手冊.單行本.液壓傳動［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2004.

［3］王海濤，等.優(yōu)化數(shù)控車床傳動結構對提高主軸回轉精度的影響.機械工程師，2008（7）.