重型機床垂向導軌副應用恒流閉式靜壓導軌的設計

李嵩松

(北京第一機床廠，北京 100022)

目前國內機床生產廠家在生產重型及超重型機床時，由于機床規格的不斷增大垂向導軌副也不斷加長(溜板垂向導軌，橫梁升降導軌等)，因此垂向導軌副對剛度和承載能力的要求也不斷提高。例如，各廠家所攻關的技術難題:“全包靜壓滑枕”實質為利用溜板垂向靜壓導軌增加滑枕的垂向行程。從而滿足現代加工對重型機床滑枕行程所提出的更高設計要求。

因此在設計重型機床垂向導軌副時應用靜壓導軌就成為解決垂向導軌副剛度和承載能力這一問題的關鍵。

1 靜壓支承技術應用概述

近年來靜壓支承技術在重型機床中應用范圍較廣，靜壓導軌、靜壓軸承都屬于靜壓支承。尤其液體靜壓導軌應用于水平導軌副最為廣泛。

但將靜壓導軌技術應用于機床垂向導軌副由于技術難度較大，目前只有少數國外機床制造商掌握這一先進技術。本文主要探討將靜壓導軌應用于垂向導軌副的設計問題。

如圖1，垂向導軌主要為:滑枕升降導軌副(Z向導軌副);橫梁升降導軌副(W向導軌副)。

2 靜壓導軌分類

(1)按結構形式可分為開式和閉式。

開式靜壓導軌承受正方向垂直載荷的性能較好，承受偏載引起的顛覆力矩的性能較差。應用于載荷比較均勻、偏載引起的顛覆力矩影響較小的場合。

閉式靜壓導軌在上、下導軌面上都開有油腔，可以承受雙向外載荷，保證運動部件工作平穩。應用于承受變載或立式導軌。

(2)按供油情況可分為恒壓式和恒流式。

恒壓式靜壓導軌是通過調節各油腔的流量，來調節各油腔的油膜厚度，需要節流器調節，調試復雜，而且對靜壓油的清潔度提出了很高的要求。

恒流式靜壓導軌是指流經油腔的潤滑油流量是一個定值，這種靜壓導軌不用節流器，而是對每個油腔均有一個定量油泵供油。由于流量不變，當導軌間隙隨外載荷的增大而變小時，則油壓上升，載荷得到平衡。載荷的變化，只會引起很小的導軌間隙變化，因而要求油膜剛度較高，但這種靜壓導軌結構復雜。

3 靜壓導軌的工作原理及其特點

靜壓導軌是在兩個相對運動的導軌面間通入壓力油，使運動件浮起，工作過程中油膜壓力隨外負載變化而變化以平衡作用在導軌上的外負載。在不同速度(包括靜止)下都能保證導軌面間始終處于純液體摩擦狀態，從而減小了兩導軌面作相對運動時的摩擦阻力，減小了拖動導軌運動時的動力消耗，并具有很高的運動精度。

下面以恒流供油式靜壓導軌為例，說明靜壓導軌的工作原理，如圖2所示。

前置泵3啟動后，油經濾油器2吸入，用溢流閥4調節前置泵供油壓力PS(多頭泵與前置泵供油壓力差，應控制在0.5 MPa左右)將油輸送給多頭泵。多頭泵啟動后，直接接受前置泵供給的壓力油，將油定量送入導軌的油腔。由于系統中沒有節流器，故是全流量供油，供油壓力與油腔壓力均為Pr。進入油腔的油通過導軌間隙向外流出，回到油箱1。油腔壓力Pr形成浮力將移動件7浮起，與基礎件8形成一定的導軌間隙h0。

當載荷W增大時，移動件7變化，與基礎件8之間的導軌間隙減小，油流出導軌間隙的阻力增大。由于是定量供油，油腔壓力與油膜厚度的立方成反比，所以油腔壓力Pr迅速增大，直至與載荷W平衡時為止。

4 靜壓技術在重型機床垂向導軌應用分析和選擇

4.1 導軌承載能力及油膜剛度

作為靜壓導軌，無論開式或閉式，在理論上和實際應用中，均必須具有一定的承載能力和油膜剛度。所謂承載能力是指靜壓導軌的油膜在設計狀態下允許承受的最大承載力。油膜剛度是指油膜在承受載荷時，油膜抵抗負載變化的能力。也就是油膜厚度相對于負載變化的變化率。承載力必須達到機床導軌上承受外力的總和。而油膜剛度必須達到在負載變化時油膜厚度變化量在設計要求的限度內。

當靜壓導軌應用于重型機床垂向導軌時，結構形式和供油方式對導軌的承載能力和油膜剛度都產生影響。由于重型機床垂向導軌所承受的載荷為正反方向水平載荷和偏載引起的顛覆力矩，而且載荷隨切削力變化和移動件位置變化而變化，所以對油膜的承載能力和油膜剛度的要求很高。因此垂向導軌應用靜壓技術，就要選擇能夠承受正反方向的載荷，油膜剛度高，承受偏載及顛覆力矩能力強的閉式靜壓導軌。

垂向導軌副應用靜壓導軌技術時，由于切削力的不規則變化和移動件位置的變化，導致導軌上各個油腔壓力不可能均勻，而且會隨變化而波動。甚至會使壓供油式靜壓導軌的靜壓無法形成，而且采用恒壓供油式靜壓導軌還會產生調整不便，不易控制，導軌穩定性差的問題。但如果采用恒流供油式靜壓導軌可以避免以上問題的出現，恒流供油式靜壓導軌為“一腔一泵”的供油形式，只要有足夠的流量，就可以在油腔壓力不均勻的條件下形成靜壓油膜，油膜的剛性好，承載能力強。所以恒流閉式靜壓導軌適合在導軌承載能力和油膜剛度要求都很高的重型機床垂向導軌副上應用。

4.2 油腔形式及布置

由于應用靜壓導軌對于導軌副的各項要求都較高，所以對于油腔的形式、數量及其布置提出了很高的要求。為使油膜均勻，每條導軌面在其長度方向的油腔數目一般為2～4個。對于應用靜壓導軌技術的垂向直線運動導軌，油腔一般設計在導軌副中較短的導軌面上，例如:橫梁升降導軌副中油腔設計在橫梁上。滑枕升降導軌副中油腔設計在溜板上。而且為便于加工調整，一般將靜壓導軌油腔設計在便于拆裝的平鑲條上。目的為便于對導軌面進行微量刮修。圖3中所示為滑枕升降導軌副采用靜壓導軌技術的示意圖，靜壓導軌板以平鑲條形式固定在溜板上。

靜壓導軌面可以使用注塑復印成型技術進行加工，這樣可以減少刮研量，同時可以在短時間內得到精度較高的靜壓導軌面。但要注意工藝方法，保證注塑的質量。

4.3 導軌精度和油膜厚度

液體靜壓導軌應保持兩個相對運動的導軌面處于純液體摩擦狀態，同時保證導軌有良好的運動精度、高的油膜剛度以及較小的油泵功率消耗，因此靜壓導軌面對幾何精度有一定的要求。通常需保證:

式中:Δ為移動件導軌面的幾何精度總誤差(包括平面度、扭曲度、平行度等)，cm;h0為導軌的油膜厚度，cm。

導軌油膜厚度h0不宜過大，以免造成移動件運動速度不穩、飄移和爬行等現象，也不宜過小，以免造成導軌研傷和導軌加工成本的上升。對于重型機床一般將h0控制在0.03～0.06 mm。

為滿足導軌精度和油膜厚度的要求，對導軌副的平面度、直線度等提出了很高的要求，尤其是靜壓導軌應用于垂向導軌副時要求更高。

對于導軌副中較長的導軌面，例如橫梁升降導軌副中的立柱導軌，滑枕升降導軌副中的滑枕導軌需要機加工保證，導軌面精度需要控制在直線度誤差0.01 mm/1 000 mm，導軌間平行度控制在0.02 mm/1 000 mm以內。

對于導軌副中較短的導軌面，使用注塑復印成型技術進行加工，可以得到和長導軌一致的精度。雖然使用了注塑復印成型技術的導軌面精度很高，但為保證精度萬無一失，還需要用合研并微量刮削的方法進行檢驗。一般刮研的精度較高，每25 mm×25 mm內約有16個點，刮削深度約為5 μm。

4.4 供油系統

對于應用靜壓導軌的重型機床而言，靜壓導軌的供油系統是實現靜壓的重要環節。尤其將靜壓導軌應用于垂向導軌副時，對于供油系統的要求就更加嚴格。

4.4.1 靜壓系統用液壓元件

作為恒流靜壓系統所用液壓元件，主要包括:前置供油泵、溢流閥和給每個油腔供油的定量泵。前置供油泵主要作用是為給每個油腔供油的定量泵供應所需油量。使用前置泵可以達到:第一，減小多頭泵進出油壓力差，以提高多頭泵的容積效率;第二，在較小的溫度變化范圍內，補償油的粘度對油膜剛度的影響;第三，可以保護多頭泵。

給每個油腔供油的定量泵，可以選用結構緊湊的多頭泵，如果每個油腔供油量較大，多頭泵不能滿足要求的情況下，可以使用串聯齒輪泵等。

4.4.2 靜壓系統油液凈化和油溫控制

因為靜壓系統對油液的要求和機床其他液壓控制所用油液的要求是不同的。所以就要將機床液壓系統分為兩部分:一部分為機床靜壓供油系統，另一部分為機床液壓控制系統。兩部分液壓系統需要采用單獨過濾、單獨控制溫度，使機床整體液壓系統更加穩定。

首先，可以喚起全社會對于歷史先賢和優秀傳統文化的重視。世界上大部分國家，對自己國家和民族的優秀人物都有特別的紀念日，許多國家甚至把這些人物印刷在錢幣上面。

首先，靜壓系統所用的油液由于受到外界環境粉塵、機床運轉中從導軌等處剝離下的金屬屑以及油液中析出的雜質等都會使油液受到污染，而且機床越大，循環的油越多，問題就越容易產生。所以就要與其他液壓控制系統所用油品分開，單獨過濾，保證濾油精度;同時由于靜壓系統所用油液較易污染，濾油裝置宜采用雙筒濾油器，可以保證使用單位不停機更換濾芯，提高生產效率。

其次，應用靜壓系統的重型機床對環境溫度要求很高。為保證機床精度和穩定性，一般不得超過50℃。靜壓系統所用油液的冷卻裝置，可以采用室溫通調型油溫控制機，應用這類油溫控制機可以使靜壓系統所用油液的溫度與環境溫度基本保持一致，使得機床靜壓導軌精度保持穩定。而機床液壓控制系統所用油液的冷卻裝置，可以采用溫度固定型油溫控制機，保證液壓控制用油的油溫達到使用要求。

4.5 垂向靜壓導軌密封和回油系統

靜壓導軌在重型機床垂向應用時，密封和回油系統就是重中之重。

例如，如果將靜壓導軌應用于龍門鏜銑床橫梁升降導軌(W向導軌)時，密封系統主要取決于W向導軌防護罩的密封狀況，需要防護罩生產廠家注意每層防護罩的密封，回油系統要保證通暢順利。如果將靜壓導軌應用于龍門鏜銑床滑枕導軌(如前文所說的全包滑枕)時，密封系統可以采用在溜板上下兩端安裝強力密封條的方式解決。對于密封條的設計選型應首先在結構允許的條件下盡可能增加層數，其次對于密封條要選擇耐磨損耐腐蝕的材質，這樣就可以得到良好持久的密封效果。同時配置相應的回油系統。

4.6 對于靜壓導軌的安裝、調整及檢測

對于靜壓導軌的靜壓導軌板材料采用SKC－3，與之相配的導軌為HT250或QT600－3。在靜壓導軌安裝之前，首先應調平固定導軌在垂直面和水平面內的直線度誤差為0.01 mm/1 000 mm，導向導軌開口寬度變化為0.006 mm/1 000 mm，由于靜壓導軌板封油邊的質量是保證靜壓導軌穩定工作的前提，封油邊與相配導軌接觸不好會影響靜壓導軌壓力的建立。在承載力未建立之前，應在加工出靜壓油腔的導軌板上涂紅丹粉，并與相配導軌進行接觸檢查，要求接觸面積80%～85%。若靜壓導軌封油邊接觸得不好，可根據實際情況將靜壓導軌板拆下并對封油邊接觸平面進行微量刮修。多頭泵通過分油塊用直徑8 mm的PVC管與靜壓導軌板油腔連通，PVC管在安裝好后，先將靜壓導軌墊起，對靜壓油路進行反復沖洗，防止雜質進入油腔拉傷導軌。

機床正常工作后，每隔一段時間需檢查過濾器，進行清洗或更換。靜壓油根據機床使用地點的環境溫度可采用N46或N68液壓導軌油，每隔半年更換一次。如使用地點冬季夏季溫差較大，可以選擇冬季使用N46液壓導軌油，夏季使用N68液壓導軌油。

調試時，可以采用測量靜壓浮起量與各個油腔壓力值的方法進行調試，如果未達到設計要求，可以通過磨削靜壓導軌板的方法進行調整。

5 應用范圍及應用效果

應用于重型及超重型龍門鏜銑床，重型及超重型立車，落地鏜銑床等大型設備，目前將靜壓導軌技術應用于機床垂向導軌的產品主要有:XKA28105×300龍門移動式鏜銑床、XKAU2890×300雙龍門移動式鏜銑床、XKA2150×130龍門鏜銑床、XKA2850×100龍門移動式鏜銑床、BVTM12500雙柱立式車床(通過寬度12 500 mm)、BHBM200數控落地銑鏜床(鏜桿直徑200 mm)。這些產品均已交付用戶使用，經過在用戶處實際生產檢驗，運行狀態良好。該技術有如下優點:

(1)導軌壽命長，無機械磨損;

(2)靈敏度高，可獲得很高的數控位置精度;

(3)運行平穩，無低速爬行現象;

(4)調試方便，只需磨削，刮研導軌面來達到性能要求。

6 結語

綜上所述，重型機床垂向導軌副應用恒流閉式靜壓導軌技術是可行的，經過實際生產檢驗后效果良好，具有很好的應用前景。

［1］戴曙.金屬切削機床設計［M］.北京:機械工業出版社，1991.

［2］機床設計編寫組.機床設計手冊第三冊［M］.北京:機械工業出版社，1986.

［3］陳燕生.液體靜壓支撐原理和設計［M］.北京:國防工業出版社，1980.