液體靜壓技術(shù)在精化機床方面的應(yīng)用

呂世明

（山西水工機械廠，山西太原030002）

引言

近年來，應(yīng)用液體靜壓技術(shù)，選用小孔節(jié)流的結(jié)構(gòu)，對萬能磨床進行了精化改造，成功設(shè)計和試制了這類機床的砂輪架精密液體靜壓軸承。改造后的磨床，加工精度和粗糙度達到和超過了同類型磨床的先進水平。文章選M115W型磨床精化改造為例進行介紹。

1 M115W型磨床砂輪架精密液體靜壓軸承的主要設(shè)計和計算

1.1 液體靜壓軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計

主軸的轉(zhuǎn)動是靠皮帶輪通過半圓鍵獲得的。為提高主軸的剛度，在設(shè)計時加大了其直徑。前、后徑向靜壓軸承和軸向靜壓推力軸承分別采用了外錐式小孔節(jié)流器。前、后徑向靜壓軸承采用了有周向回油槽、對稱等面積四個矩形圓截面油腔。同時分別在右和左端面開有環(huán)形靜壓推力軸承油腔。軸承油腔之間開有回油槽，油腔內(nèi)的潤滑劑不會互相流通。軸向間隙可通過修磨推力軸承的兩端面來調(diào)整。進油口和主軸各徑向軸承小孔節(jié)流器及兩個軸向推力軸承小孔節(jié)流器聯(lián)通。（見圖1）

圖1M115W型磨床精化改造后的砂輪主軸結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 液體徑向靜壓軸承的計算公式

1）依據(jù)改造要求，選定軸承剛度JR20kgf∕μm，選軸承直徑D＝50mm。

2）結(jié)構(gòu)尺寸選擇10項，分別是軸承長度L=1.5D=75mm；軸向阻油面長度l1==5mm；油腔長度l=L-2l1=65mm；周向阻油面寬度b1==5mm；回油槽寬度b2=3mm；回油槽深度Z2=0.6mm；油腔張角之半θ1=30 6'；油腔中心線與周向阻油面遠邊上的夾角θ2=41 34'；油腔深度Z1=50h0=0.875mm；軸與軸承配合的直徑間隙2h0=0.0007D=0.035mm。

3）徑向軸承一個油腔的有效承載面積：

1.3 潤滑油的選擇

經(jīng)查證，選用50的2號主軸油加50的4號主軸油的混合油。溫度為50℃時油的密度T50℃kgf·s2/cm4；動力黏度η50℃kgf·s/cm2，選用30透平油加70煤油的混合油，實測黏度和密度與前述數(shù)據(jù)接近。

1）節(jié)流比 的選定。通過分析與實驗，當(dāng)20℃=1.71時，軸承具有理想的剛度。與潤滑油黏度是共同變化的。因此，應(yīng)滿足潤滑油在20~50℃范圍內(nèi)，取1.5~3.0；20℃=1.5，50℃=2.55；

2）選擇供油壓力Ps。一般資料推薦P10kgf/cm2，實際選擇的Ps15kgf/cm2。

3）節(jié)流小孔直徑d0的確定。根據(jù)流體的流量連續(xù)方程流體力學(xué)的有關(guān)公式，用下式算出節(jié)流小孔直徑d0值。

式中：λ 為設(shè)計參數(shù)， λ50℃=50℃-1=2.55-1=1.55；d0為小孔流量系數(shù)d0=0.6~0.7，現(xiàn)選d0=0.7。

4）軸承流量計算。溫度越高，潤滑油的粘度越小，軸承流量越大。現(xiàn)計算潤滑油溫度在50℃時的軸承流量。

式中：P0為空載時油腔壓力（即節(jié)流后的壓力）

故單個軸承的流量:Q徑量＝4Q0＝0.904L/min

總流量:Q徑總＝8Q0＝1.80L/min

1.4 液體推力靜壓軸承的計算

1）按實際需要給定軸向剛度為30kgf/ m。其中，主軸半徑R為25mm；形油槽內(nèi)半徑R1為1.2R=30mm（實際選用32mm）；形油槽內(nèi)半徑R2為1.4R=35mm（實際選用39mm）；軸承外半徑R3為1.6R=40mm（實際選用46mm）；

2）推力軸承環(huán)形油腔有效承載面積：

3）潤滑油和節(jié)流比 等數(shù)據(jù)與靜壓軸承一致。

4）推力軸承軸向間隙h0'的計算：

5）軸承流量計算。

一個止推面的流量：

1.5 供油裝置

1.5.1油泵選擇原則

應(yīng)根據(jù)靜壓軸承的供油壓力和流量，確定油泵規(guī)格。

油泵額定流量與靜壓軸承總流量有如下的關(guān)系：

根據(jù)以上計算：

為此，選用YB-10型單級葉片泵。額定壓力為63kgf/cm2，額定流量為10L/min。

1.5.2油箱設(shè)計原則

對于沒有安裝冷卻裝置的固定式油箱，其有效容積指油面高度為油箱高度的80時，油箱所儲潤滑油的容積一般不小于油泵每分鐘流量的10倍。

因此，油箱的有效容積=10×10=100L=0.1m3

故油箱的總?cè)莘e=0.1÷0.8=0.125m3

故油箱長=0.5m、寬=0.4m、高=0.625m

1.5.3濾油器選擇

1）吸油濾油器。選用的是封閉的網(wǎng)式濾油器，外層用60~80目銅絲網(wǎng)包圍著四周開有很大缺口的金屬或塑料圓筒體殼。

2）粗、精濾油口。用線隙式濾油器作粗過濾，其過濾精度為0.02mm以上。

用紙質(zhì)機油濾油器做精過濾，其過濾精度可達0.01mm。節(jié)流器不會堵塞，主軸和軸承拉毛現(xiàn)象顯著減少。

3）蓄能器的作用和選擇原則。蓄能器是一種能量儲存裝置。避免斷電后慣性轉(zhuǎn)動，使主軸和軸承磨損和過熱。蓄能器的容量，應(yīng)能保證潤滑油供應(yīng)到主軸停止轉(zhuǎn)動，才能起到安全保護作用。

1.6 壓力繼電器的作用和選擇原則

壓力繼電器是利用供油系統(tǒng)的液體壓力，控制電器觸頭，使其接觸或分立，從而將液壓訊號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娪嵦枺瑢崿F(xiàn)自動控制，起安全保護作用。

當(dāng)供油系統(tǒng)發(fā)生故障，或者供油壓力未達到靜壓軸承要求的壓力時，壓力繼電器控制驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)動的電機自動停止或不能起動。

壓力繼電器的設(shè)計或調(diào)整，應(yīng)保證軸承油腔內(nèi)的潤滑油建立起一定壓力后，主軸方能轉(zhuǎn)動。

關(guān)鍵工藝：軸承半精加工后，壓入箱體應(yīng)有過盈量，在精密鏜床上一次鏜前后孔，保證其同軸在1 m之內(nèi)在精密鏜床上一次鏜前后孔，保證其同軸在1 m之內(nèi)，推力軸承端面與孔的不垂直度允差2 m；軸承間隙是以孔為基準，達到直徑間隙（0.035±0.002）mm；軸向間隙靠磨推力軸承的兩端面達到，單邊間隙（0.028±0.002）mm；小孔節(jié)流器的流量允差10。

1.7 靜壓軸承節(jié)流比值的調(diào)整

當(dāng)h0不變時，改變d0的原則一油腔壓力偏高，可減小d0；反之，加大d0。

當(dāng)d0不變時，改變h0的原則一軸承油腔壓力偏高，可加大h0；反之，減小h0。

2）節(jié)流小孔直徑d0與軸承間隙h0有如下關(guān)系：

3）在實際精化改造中，我們采用的是改變h0的方法，即修磨主軸外徑（主軸外徑在制造時應(yīng)予留修磨量，一般為0.5mm）。從實踐中總結(jié)經(jīng)驗是，外圓每磨去0.002，軸承油腔壓力可減少1kgf/cm2。

在使用過程中，隨著潤滑油溫度的升高，粘度將變小，油腔壓力將減小，從而節(jié)流比相應(yīng)變大。理論計算和實驗表明，只要=1.5~3的范圍內(nèi)，軸承仍有較好的剛度。所以，在設(shè)計和調(diào)整時，要求潤滑油的溫度變化在20~60℃范圍內(nèi)，相應(yīng)的=15~3。

2 使用效果及小結(jié)

精化改造后的M115W型外圓萬能磨床，其加工精度高，壽命長。加工工件的橢圓度小于0.0015 m，圓錐度0.001~0.003 m，表面粗糙度達到0.025 m。

經(jīng)過幾年來的使用，加工精度和表面粗糙度均能保持穩(wěn)定，證明精化改造是成功，上述設(shè)計、計算是準確的，在精化改造磨床方面是適用的。

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