液體動靜壓技術在旋風切削中的應用

高亞鋒

（杭州福朗機電科技有限公司，杭州310022）

0 引言

旋風切削是使用裝在高速旋轉刀盤上的刀具對工件進行切削加工的方法，是一種高速切削動力頭。因其切削速度高，加工效率快，加工過程中切屑飛濺如旋風而得名。

1 旋風切削技術的典型應用

在水輪機活動導葉加工過程中，由于活動導葉本身結構的限制——徑向尺寸差別大，同時偏重較大，活動導葉旋轉加工時動不平衡嚴重（圖1為活動導葉簡圖）。因此普通臥式車床不能完成對活動導葉軸端位置的加工。若采用將旋風切削動力頭安裝在普通臥車溜板上與臥車配合使用，僅需將活動導葉調正、壓緊固定，即可完成對活動導葉軸頸位置的加工。圖2為旋風切削加工水輪機導葉現場實景。

圖1 活動導葉簡圖

圖2 旋風切削加工水輪機導葉現場實景

水輪機活動導葉軸端位置要求加工精度高（表面粗糙度Ra1.6以下，形位公差要求IT6級以上），粗獷式的切削加工不能滿足要求。故在此處的旋風切削設備里引入了液體動靜壓的技術。即采用了液體動靜壓軸承作為主要的剛性支撐。

2 液體動靜壓技術原理

首先介紹一下液體動壓軸承和靜壓軸承。最簡單的動壓軸承是圓柱動壓軸承，依靠軸的轉動將油液帶入軸承與軸之間的間隙。此時，軸順著轉動方向偏離軸承中心，出現了一個楔形的間隙，不斷送入楔形間隙的油液受到擠壓，便形成了一個壓力油層。當這個沿軸承周向和軸向分布的動壓力之和足夠承受外加載荷時，軸便浮在一層油膜之上，這時軸承便處于液體摩擦下工作；而靜壓軸承的軸不必轉動，依靠從軸承以外供入的壓力油來承受外載荷。靜壓軸承的油膜厚度與速度關系不大，和諸如軸承尺寸、油液黏度及黏溫特性以及工作規范和載荷變動等有關，可以通過改變供油系統的參數來補償。

液體動靜壓技術是利用液體動壓效應和靜壓效應，形成軸承承載力，兼有動壓軸承和靜壓軸承的特點，廣泛應用于液體動靜壓軸承領域。

3 旋風切削設備的工作結構

此旋風切削設備中采用了依靠液體動壓和靜壓混合工作的油膜軸承。圖3為其工作原理示意圖。

圖3

該旋風切削設備采用的是3片瓦塊式動靜壓技術。3片瓦塊中心連接“供油1”接口，每處“供油1”接口均設置有節流器；通過節流器的油液進入瓦塊油池形成剛性油膜。“供油2”接口連通3片瓦塊間的間隙處，不設置節流器，滿足大量油液注入。匯同瓦塊油膜處溢出油液，一起經回油接口回流油箱。有關液壓控制系統圖見圖4。

4 旋風切削設備的工作過程

當旋風切削設備需要工作時，首先啟動液壓系統，開啟“供油1”線路內閥門（“供油2”線路內閥門處于關閉狀態），“供油1”出口油液經分流后到達3處節流器，經節流后進入工作油腔。調整系統壓力，旋風切削設備傳動軸處于浮起狀態，浮起約0.03 mm左右。而后調整刀具后，啟動旋風切削設備動力單元（一般采用皮帶傳動）帶動中空的傳動軸轉動。同時開啟“供油2”線路內閥門，使大量油液（低壓油，小于1 MPa）進入瓦塊間隙空間。隨著大量油液的進入，高速轉動的傳動軸由于受到動壓效應的影響，會穩定在接近理論中心的位置。而瓦塊內油液提供的剛性油膜，又保證了回轉軸的足夠剛性。由于切削刀盤安裝在傳動軸端面，隨著穩定而且具有足夠剛性的傳動軸一起旋轉，即可完成高精度切削的回轉運動。

將旋風切削設備終端單元安裝固定在普通臥式車床的溜板上，借用機床溜板導軌及動力可完成外圓加工的軸向走刀運動。從而保證加工出合格的產品。尤其對于一些大型異形零件回轉位置的加工特別適合。如：水輪機活動導葉等。

圖4 液壓控制系統

5 旋風切削技術的發展及前景

旋風切削技術發展經歷過由粗獷到精密、由小型到大型的過程，主要與加工要求與技術條件有關。發展之初，對于小型的需軸頸及螺紋加工的零件，多采用普通的成對使用的向心軸承，通過不同軸承組合的方式完成旋轉運動的動力傳遞。但對于大直徑零件的加工，采用旋風加工的話，必須配置更大直徑的精密軸承，應用成本提升極大，非常不經濟。

隨著液體動靜壓技術的發展應用，旋風切削技術也克服了瓶頸，出現了整體軸瓦式的靜壓支撐旋風切削設備、分體瓦塊式的靜壓支撐旋風切削設備、分體瓦塊式動靜壓支撐旋風切削設備（包含衍生的3瓦塊式與4瓦塊式）。整體軸瓦式的靜壓支撐旋風切削設備由于受油溫影響較大，已較少應用。目前，分體瓦塊式動靜壓支撐旋風切削設備已成熟應用，滿足了大部分場合的應用，如水電站或火電站大修時的現場維修加工等。

應用液體動靜壓技術的旋風切削設備，已在多個電站水輪機活動導葉加工中發揮出了巨大作用。隨著技術的成熟與發展，其應用也會日趨廣泛。

［1］ 鐘洪，張冠坤.液體靜壓動靜壓軸承設計使用手冊［M］.北京：電子工業出版社，2007.