超精密液體靜壓回轉(zhuǎn)工作臺研制*

胡 秋 汪俊文 袁南南 王寶瑞

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所超精密加工技術(shù)重點實驗室，四川 綿陽 621900)

靜壓轉(zhuǎn)臺具有回轉(zhuǎn)精度高；摩擦系數(shù)極小，啟動轉(zhuǎn)矩小，無爬行；承載能力大，剛度高，抗振性好；零磨損，使用壽命長等一系列優(yōu)點。近年超精密液體靜壓轉(zhuǎn)臺在歐美等發(fā)達國家廣泛應(yīng)用于各種高精密加工機床[1-2]。

目前，靜壓回轉(zhuǎn)工作臺在國內(nèi)高性能數(shù)控機床開始有所應(yīng)用，北京廣宇大成生產(chǎn)的立式磨床采用靜壓回轉(zhuǎn)工作臺以獲得高的磨削精度，武重威泰立式車床采用開式靜壓導(dǎo)軌作為其回轉(zhuǎn)工作臺軸向支承以獲得大的承載能力。但國內(nèi)以往采用的靜壓環(huán)形導(dǎo)軌與滾動軸承配合的支承方式不能滿足高回轉(zhuǎn)精度需求，為提高軸向承載能力而采用的環(huán)形開式導(dǎo)軌對負載變化敏感，傾覆力矩抵抗能力較差、剛度低、易漂移[3]。

本文以某高精度數(shù)控立式磨床回轉(zhuǎn)工作臺為研究對象，對高精度靜壓轉(zhuǎn)臺總體方案設(shè)計、支承系統(tǒng)設(shè)計、精度設(shè)計、熱態(tài)特性設(shè)計等作了詳細的論述，并在高精度立式磨床實現(xiàn)了外圓內(nèi)孔0.45 μm磨削精度。

1 應(yīng)用背景

某數(shù)控立式磨床[4]主要用于超精密主軸、高性能電主軸套類工件高效復(fù)合磨削，機床總體布局如圖1所示，采用該機床進行套類工件磨削，可以避免工件重力影響，工件裝卡具設(shè)計容易；工件一次裝卡可實現(xiàn)外圓、內(nèi)圓、端面、軸肩一次磨削，無工件轉(zhuǎn)運累積誤差，精度高，效率高。

2 靜壓回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計

2.1 靜壓回轉(zhuǎn)工作臺總體設(shè)計方案

回轉(zhuǎn)工作臺是該機床關(guān)鍵部件之一，其動態(tài)回轉(zhuǎn)精度、剛度直接影響加工工件圓度、端面平面度及工藝系統(tǒng)剛性，因此要求回轉(zhuǎn)工作臺高剛度、高熱穩(wěn)定性、高動態(tài)回轉(zhuǎn)精度。

回轉(zhuǎn)工作臺整體采用組件式設(shè)計以便于轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)制造與裝配，轉(zhuǎn)臺支承系統(tǒng)采用液體靜壓技術(shù)以獲得高精度、剛度和良好的阻尼特性；采用大扭矩力矩電動機直接驅(qū)動以獲得高精度和動態(tài)響應(yīng)特性；為盡量減小電動機發(fā)熱對回轉(zhuǎn)工作臺工作端影響，力矩電動機下置，止推軸承上置，使回轉(zhuǎn)主軸熱位移往工作臺非工作端移動，回轉(zhuǎn)工作臺整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 靜壓回轉(zhuǎn)工作臺支承系統(tǒng)設(shè)計

支承元件是轉(zhuǎn)臺核心元件之一，靜壓回轉(zhuǎn)工作臺承載能力、剛度、回轉(zhuǎn)精度與支承系統(tǒng)緊密相關(guān)，靜壓回轉(zhuǎn)工作臺支承系統(tǒng)徑向和軸向支承均采用液體靜壓軸承，設(shè)計如圖3所示。

徑向軸承、止推軸承均采用小孔節(jié)流器以獲得高的動態(tài)響應(yīng)特性[5]，潤滑油選N3，供油壓力為2 MPa。徑向軸承采用有軸向回油槽矩形油腔，軸頸直徑D取200 mm，軸承長L= 1.2D，油腔數(shù)為6，徑向、軸向封油邊取0.1D，并由此確定徑向軸承其他結(jié)構(gòu)參數(shù)[6]，油膜間隙取20 μm，節(jié)流器小孔直徑0.5 mm，實測油膜間隙和小孔直徑，液阻比為1.2。止推軸承采用等面積液體靜壓閉式環(huán)形導(dǎo)軌，靜壓止推導(dǎo)軌內(nèi)、外端封油面寬等于徑向軸承周向和軸向封油邊尺寸，即R2-R1=R4-R3=0.1D，并由此根據(jù)靜壓導(dǎo)軌一般設(shè)計規(guī)范確定閉式環(huán)形導(dǎo)軌油腔其他結(jié)構(gòu)參數(shù)[7]，液阻比為1.35。

根據(jù)相關(guān)設(shè)計參數(shù)，進行靜壓支承剛度計算[7]，徑向軸承、止推軸承剛度分別為3 371 N/μm和2 813 N/μm，并進一步對轉(zhuǎn)臺徑向、軸向剛度進行仿真計算(圖4)，其徑向、軸向剛度分別為449 N/μm和2 154 N/μm。

在機床上對靜壓回轉(zhuǎn)工作臺進行剛度測試(圖5)，采用加載裝置對回轉(zhuǎn)工作臺施加軸向力和徑向力，加載時通過加載頭前端力傳感器實時測取所施加外載荷大小。力傳感器選用Interface公司SSM-AJ-2000型傳感器，傳感器量程(0～10 000)N，位移測量采用TESA公司TT80電感測微儀配GT21HP測頭，實測徑向和軸向剛度分別為390 N/μm和1 970 N/μm，可以滿足機床加工要求。

2.3 靜壓回轉(zhuǎn)工作臺精度設(shè)計

回轉(zhuǎn)工作臺追求高的動態(tài)回轉(zhuǎn)精度以確保工件磨削精度。轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)幾何精度設(shè)計主要根據(jù)靜壓回轉(zhuǎn)工作臺精度要求確定靜壓回轉(zhuǎn)工作臺主要零件加工精度和裝配精度。考慮到油膜誤差均化作用，對單個軸承，油膜誤差均化系數(shù)取4～5[7-8]，確定關(guān)鍵零部件制造精度為1.5～2 μm，并采用精磨后手工研磨的方式保證主軸、軸套等關(guān)鍵零部件形位精度和尺寸精度。

對靜壓回轉(zhuǎn)工作臺進行全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)動態(tài)回轉(zhuǎn)精度測試[9]，如圖6所示，測試裝置由電容傳感器、高精度標(biāo)準(zhǔn)球和標(biāo)準(zhǔn)球微調(diào)裝置、同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、同步信號產(chǎn)生器等組成，位移測量采用米銥CS1HP型電容傳感器，靜態(tài)與動態(tài)分辨率分別為0.75 nm和20 nm，同步信號由與靜壓轉(zhuǎn)臺同軸安裝的角度編碼器產(chǎn)生。

靜壓回轉(zhuǎn)工作臺在50 r/min、100 r/min、150 r/min、200 r/min時，其徑向動態(tài)回轉(zhuǎn)精度和軸向動態(tài)回轉(zhuǎn)精度最大分別為0.2 μm和0.25 μm。轉(zhuǎn)速為50 r/min、100 r/min時主軸動態(tài)回轉(zhuǎn)精度最好，而在低速時和高速時動態(tài)回轉(zhuǎn)精度不如中等轉(zhuǎn)速，這與電動機低速運動平穩(wěn)性有關(guān)。

2.4 靜壓回轉(zhuǎn)工作臺熱態(tài)特性

靜壓回轉(zhuǎn)工作臺熱態(tài)性能包括以下幾個方面[10]：低溫升；溫度場及熱位移場對主軸軸線的對稱性；主軸系統(tǒng)熱位移應(yīng)盡量小且向主軸后端伸展，主軸工作臺端軸向熱位移應(yīng)盡量小。

在本轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)設(shè)計中，針對力矩電動機發(fā)熱和油膜剪切摩擦發(fā)熱兩大熱源，對電動機采用恒溫水冷強制冷卻；靜壓支承系統(tǒng)采用稀油、大流量設(shè)計以帶走摩擦熱；油腔入口油溫恒溫控制；結(jié)構(gòu)設(shè)計中力矩電動機下置，止推軸承上置，使回轉(zhuǎn)工作臺熱位移往非工作端移動。

在機床上對研制的轉(zhuǎn)臺分別進行了30 r/min、50 r/min、100 r/min轉(zhuǎn)速條件下溫度和熱位移實時測量。如圖7所示，為方便測試，測試時拆除轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)工作臺，關(guān)閉磨削液過濾系統(tǒng)。溫度測量采用多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行實時測量，傳感器選用Omega公司PRMAG-2-100-A-P型鉑電阻溫度傳感器，熱位移采用米銥CS1HP型電容傳感器。每輪實驗時間持續(xù)3 h左右，每次試驗完畢后機床停機12 h等待機床冷態(tài)平衡后再進行下一輪實驗。

機床實際常用工作轉(zhuǎn)速30 r/min測量過程溫升曲線如圖8，最高溫升發(fā)生在上測點5(上止推板)處，溫升約5 ℃；主軸軸頭熱位移約4 μm。分析上述結(jié)果，由于整個試驗過程中轉(zhuǎn)臺靜壓供油系統(tǒng)風(fēng)冷功率稍小，整個試驗過程中供油溫升為2.5 ℃，同時環(huán)境溫度在實驗時間內(nèi)上升約0.5 ℃，導(dǎo)致轉(zhuǎn)臺外熱源不斷提供給轉(zhuǎn)臺熱量，使得測試結(jié)果相對偏高。在實際工作中，機床將開啟大流量磨屑液過濾系統(tǒng)，磨屑液會帶走大量的熱，機床工作端溫升和熱位移將更小，說明轉(zhuǎn)臺整體具備較好的熱態(tài)特性。

3 靜壓回轉(zhuǎn)工作臺應(yīng)用驗證

本項目研制的靜壓轉(zhuǎn)臺應(yīng)用于某高精度數(shù)控立式磨床已累積通過2 500 h以上應(yīng)用考核驗證，在機床進行了不同材料、不同尺寸外圓、內(nèi)孔、端面進行了磨削。

在外圓和內(nèi)孔試驗中，試件材料均為38CrMoAlA，滲氮(0.3～0.5) mm，表面硬度900HV，其中外圓磨削試件為某高精度靜壓轉(zhuǎn)臺芯軸，尺寸為φ150 mm×120 mm，內(nèi)孔磨削試件為某超精密空氣靜壓主軸軸套，尺寸為φ200 mm×190 mm。磨削后高精度圓度儀進行圓度檢測，實測結(jié)果表明，對于外圓和內(nèi)孔，機床均實現(xiàn)了圓度0.45 μm，表面粗糙度Ra0.1 μm磨削效果。對于某高精度角度計量轉(zhuǎn)臺用陶瓷環(huán)，尺寸為φ340 mm×14 mm，硬度88～90 HRA，實現(xiàn)在外圓圓度0.8 μm磨削精度。

長時間的應(yīng)用考核，驗證了研制的靜壓轉(zhuǎn)臺具有較好的動態(tài)回轉(zhuǎn)精度，較高的剛度以及較好的動態(tài)穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

針對高精度立式磨床回轉(zhuǎn)工作臺技術(shù)要求，設(shè)計了基于液體靜壓支承的直驅(qū)轉(zhuǎn)臺總體技術(shù)方案以保證轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)良好的動態(tài)特性和精度特性；轉(zhuǎn)臺徑向軸承和軸向軸承采用液體靜壓支承以獲得較高的系統(tǒng)剛度，保證了機床工藝系統(tǒng)剛性；利用靜壓支承油膜誤差均化作用，確定了其關(guān)鍵零件部件精度并采用手工研磨方式保證了其制造精度，實現(xiàn)了全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)0.25 μm動態(tài)回轉(zhuǎn)精度；支承設(shè)計采用稀油大流量、止推上置電動機下置、電動機恒溫強冷等技術(shù)措施較好地保證了回轉(zhuǎn)工作臺熱態(tài)特性。實測數(shù)據(jù)表明，工作端熱伸長小于4 μm，保證了機床加工精度。研制的靜壓回轉(zhuǎn)工作臺應(yīng)用于高精度立式數(shù)控磨床，實現(xiàn)了外圓磨削圓度0.45 μm，內(nèi)孔磨削圓度0.45 μm磨削精度。

[1]周堃, 熊萬里, 呂浪, 等.液體靜壓轉(zhuǎn)臺技術(shù)綜述[J]. 制造技術(shù)與機床，2011(4)：22-25.

[2]Matthew J Bono, Jeremy J Kroll. Tool setting on a B-axis rotary table of a precision lathe[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2008,48(11)：1261-1267.

[3]朱豐訓(xùn)，戴惠良，馬濤.一種解決開式液體靜壓導(dǎo)軌“漂移”問題的裝置[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2009,23(4)：325-332.

[4]胡秋，舒強，汪俊文，等.主軸部件套類零件高精度立式磨床研制[J]. 制造技術(shù)與機床，2016(9)：50-53.

[5]王寶沛，翟鵬，秦磊，等. 液體靜壓軸承動態(tài)特性的探討[J]. 液壓與氣動，2007，44(8)：58-61.

[6]丁振乾.流體靜壓支承設(shè)計[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1989: 110-166.

[7]薛飛，趙萬華. 靜壓導(dǎo)軌誤差均化效應(yīng)影響因素研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2010,50(11)：33-36.

[8]Xue Fei，Zhao Wanhua. Influencing factors on error averaging effect of hydrostatic guideways[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University,2010,50(11)：33-36.

[9]陳清，梁兵.主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差測試中的誤差分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2003, 30(4):23-32.

[10]Chen D, Bonis M, Zhang F, et al. Thermal error of a hydrostatic spindle[J], Precision Engineering, 2011，35(3):512-520.