淺析靜壓滑軌在Jucrank磨床上的應用

嚴亞麗，李兆亮，辛建豪

（上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司，山東 青島 266555）

Junker磨床普遍應用于發動機曲軸及凸輪軸的磨削。本文圍繞某發動機工廠應用JUCRANK磨削曲軸的實際現場案例，通過分析2017年JUCRANK磨床磨削過程能力，發現該設備在整年的表現相當出色，過程能力達標指數達到98%，關鍵能力指數更是達到100%.

圖1展示了JUCRANK磨床結構示意圖，由于其磨削精度達到微米級別，能有這樣的能力表現實屬讓人刮目相看，于是從機械設計、電氣設計、液壓設計、冷卻系統設計等方面入手深入研究，最終得出使其設備可以達到微米加工精度的關鍵點在于液壓系統中使用到靜壓滑臺，其作用是使笨重的砂輪架在高速移動過程中保持高精度，屬于該設備關鍵設計。靜壓滑臺中使用到的PM流量控制器更是重中之重。靜壓滑軌的在JUCRANK上面的成熟應用提高了JUCRANK磨床的可靠性運行[1]。

圖1 JUCRANK磨床結構示意圖

1 靜壓滑軌的工作原理

由于靜壓滑軌承受載荷的要求不同，按滑軌結構形式可將其分為開式和閉式兩大類。

開式靜壓滑軌是指滑軌只設置在床身的一個方向上，并在開式滑軌上開若干個油腔，不能限制工作臺從床身上分離的液壓滑軌。如圖2所示，液壓泵3輸出的壓力油經過精過濾器5和節流閥6把壓力降為P0，進入滑軌7的油腔。P0達到一定值，便把工作臺浮起一定高度h0，從而實現液體摩擦。油腔中的油經過油控封油間隙h0流回油箱，壓力降為零。當工作臺受到承載作用向下移動一個距離e時，封油間隙減小為h使油腔回油阻力增大，油腔壓力升高，油腔的承載力同外載平衡。該承載力始終阻止工作臺向外載方向移動，將工作臺的微小位移限制在一定的范圍內。本文將以開式靜壓滑軌為例討論。

圖2 開式靜壓滑軌

閉式靜壓滑軌是指滑軌設置在床身的幾個方向上，并在閉式滑軌的各個方向的工作面上開若干個油腔，能限制工作臺從床身上分離的靜壓滑軌。如圖3所示，若工作臺不受載荷并且忽略工作臺自重，則液壓泵輸出的壓力油經過精過濾器4，分別經過節流閥5和6進入滑軌上下油腔，壓力均勻P0，從而使工作臺浮起。當工作臺受外載作用向下移動一個距離時，上油腔封油間隙減小，壓力升高，下油腔封油間隙增大，壓力降低，這樣就形成一個向上的承載力與外載平衡。

圖3 閉式靜壓滑軌

2 靜壓滑軌靜壓油控制方式的選擇

不同供油方式帶來不同的油膜厚度及其剛度是不一樣的，由于JUCRANK磨床磨削工件的精度是微米級別，所以靜壓油的油膜厚度及其剛度尤其重要，如圖4所示，當靜壓腔壓力從0.88 MPa上升至1.76 MPa時：

（1）采用多頭泵供油時，油膜厚度變化量為6μm；

（2）毛細管供油時，油膜厚度變化量13μm；

（3）采用海浮樂PM流量控制器，其油膜厚度變化不到2μm，剛度為多頭泵方式的3倍以上，毛細管方式的6倍以上。

圖4 靜壓油不同控制模式下油膜剛度的表現

由于機床實際運動過程中各個油腔的承載是動態變化的，因此PM流量控制器可以將液壓站的總輸出流量向各個油腔進行按需分配，從而使得油膜剛度大大提高，并減小了液壓站液壓油的總輸出量，使得整個液壓系統得以優化。

相比之下，橫流式靜壓系統是一刀切的供油方式，無論各個油腔的載荷是否變化，它都供統一流量的液壓油，因此其液壓站會很大，油膜剛度較低。PM流量控制器的輸出流量是隨靜壓油腔的壓力增加而增加，在靜壓腔達到最高設計壓力時，其流量輸出為0 Bar時的2.5倍，由于該流量特性，系統剛性比毛細管及多頭泵高得多，預載剛性更好。

綜上所述，如果要求磨床能夠磨削出的工件精度達到微米級別，選擇海浮樂PM流量控制器來控制靜壓滑軌液壓油的方式勢在必行。

3 靜壓滑軌使用到的核心元件——PM流量控制器

PM流量控制器是海浮樂液體靜壓系統的核心元件，這是一種膜片反饋式流量控制器通過響應靜壓腔載荷（油腔壓力）的變化，自動快速調節油腔流量，靜壓腔的壓力越高，其流量越大，從而使得油膜厚度的變化量最小，從而獲得油膜高剛度。

PM流量控制器內部動作機構為純機械式的金屬膜片，運動距離約為100μm，內部沒有柱塞等易卡死零件，因此系統非常可靠，幾乎無需維護。只要沒有大于100μm的雜質進入PM流量控制器就沒有堵塞的風險。

每一片PM流量控制器具有自己的壓力/流量曲線，事先為專門的靜壓腔進行計算設計，因此無需用戶現場調整（如圖5所示）。

圖5 JUCRANK靜壓滑軌核心元件——PM流量控制器

4 靜壓滑軌使用到的核心元件安裝位置的選擇

相比靜壓滑軌液壓油控制器的選擇，其安裝位置的選擇同樣重要，靜壓滑軌四個油腔（Tpl/Tpr/Tlh/Trh四個油腔）在滑軌前后各有兩個（如圖6），根據靜壓滑軌運動軌跡以及實際運行中滑軌兩側的受力分析得出靜壓滑軌四個腔體不能同時使用PM流量控制器來控制，要想得到高剛度的油膜還有需要必要的厚度（所謂的浮起量），必須使PM流量控制器這一次得到很大的拉力，故其安裝位置非常重要。

圖6 靜壓滑軌四個腔體分布圖

靜壓滑軌在使用過程為Z軸橫向移動到指定位置后，靜止不動，X軸向前運動帶動砂輪磨削工件，磨削過程中（如圖7），靜壓滑軌收到一個向后方的推力，故滑軌前端兩個油腔的靜壓油油膜厚度及剛度要求極高，這樣磨削的工件精度才可以達到微米級別。

圖7 設備加工各軸示意圖

綜上所述，PM流量控制器的位置選擇必須讓其控制靜壓滑軌前端兩個油腔Trh和Tlh（如圖8），而滑軌后端的兩個靜壓腔使用系統的高壓壓力，從而達到高壓往X負方向的一個拉力，這樣就使其Trh和Tlh兩點形成高剛度的油膜，增強了磨床的磨削精度。

圖8 PM流量控制器位置選擇

5 液壓系統靜壓油過濾器的選擇

由于PM流量控制器移動形成只有100μm，所以對靜壓油的過濾精度要求極高，所以過濾器的選擇同樣重要。因此Jucrank磨床選用過濾精度為10μm的過濾器及濾芯對靜壓油進行過濾。而且是使用液壓站出口以及靜壓滑軌入口處各設置一套過濾系統，提高了靜壓油進入PM流量分配器當中的精度，避免其因雜質進入導致卡滯等故障的發生。如圖9所示，Jucrank磨床靜壓回路當中的兩處靜壓油過濾系統。

圖9 靜壓系統過濾系統

6 結束語

在合理設計布局下，將上述靜壓油控制方式、PM流量控制器安裝位置及過濾器的選擇三項措施綜合納入到當前實際運用現場，設備磨削過程能力穩定性極高，故障率低，顯著提高了設備的開動率，提高了產品質量。

[1]王 印，池文慧.淺析JUNKER磨床可靠性改進[J].裝備制造技術，2015（5）：181-183.

[2]李兆亮，辛建豪.提高JUCENTER6L磨床開動率改進[J].裝備制造技術，2016（5）：143-145.