車銑復合靜壓轉臺的開發

秦建宏， 劉錦輝

（秦川機床工具集團股份公司，陜西寶雞721009）

0 引 言

近年來，隨著工業技術的不斷發展，零件制造領域對機床加工設備的需求有了新的變化。大型加工設備需求越來越廣泛，多種工序復合化功能漸漸成為常態，設備加工精度要求逐年提升，能加工特定專業零件的需求也漸漸明朗化，節能環評對機床效率也提出了新的要求。當大型、復合、精密、專業與高效等概念開始深入機床加工領域，成為人們共識的時候，復合加工設備也迎來了新的發展機遇。

1 車銑復合轉臺簡介

車銑復合轉臺（以下簡稱轉臺）是立式車銑復合加工中心的核心部件之一，具有車削和銑削兩個基本功能，能在零件一次裝夾中，完成至多5個面的銑削和回轉車削等加工，能顯著提高加工效率和保持加工精度。在機床數控系統的控制下，兩道工序獨立運行，功能互鎖。機床加工時，不同的工序間可以通過預設的轉換開關一鍵轉換，方便實現對一次裝夾大型復雜零件的車削和銑削加工。圖1所示為龍門式車銑復合加工中心。

車削模式下，復合轉臺作為立式車床的主動力頭架，帶動裝夾的零件做回轉運動，而刀具則固定安裝在車削主軸上，通過進給運動的驅動完成車削動作。車削模式下，回轉臺面轉速要求較高。

銑削模式下，復合轉臺不僅僅作為夾持固定零件的工件架，還要用作精密伺服控制的C軸運轉，在數控系統控制下與其他X、Y、Z、B（或A）伺服軸一起聯動作業，最多可實現五軸聯動。銑削主軸提供刀具回轉運動，通過伺服軸進給運動的驅動完成銑削動作。銑削模式下，回轉臺面幾何精度及運動精度要求較高[1]。

2 車銑復合轉臺的結構

車銑復合轉臺結構上必須具備兩個基本要求，即可靠的定心機構和剛度足夠的回轉支撐系統。前者是臺面穩定回轉運行的基礎，而后者則是承載能力及保持加工精度的關鍵。

2.1 定心機構

定心機構主要是確保工作臺有一個穩定的回轉中心，通常使用精密雙列圓錐滾子軸承或推力滾子軸承來實現，穩定可靠，徑向負載能力較強。定心軸承連續運轉時會產生大量熱量，容易造成軸承損傷乃至失效，為此必須對軸承持續潤滑冷卻，將大量的熱量帶走，維持軸承正常運行環境。我公司車銑復合轉臺采用NN3048精密雙列圓錐滾子軸承作為定心結構核心，與調整墊圈、鎖緊螺母一起組成了穩定的定心機構。

2.2 回轉支撐

回轉支撐結構與臺面有關。一般認為，直徑2000 mm以下的臺面采用軸承支承，幾何精度高，能實現高速運轉。通常使用集成化的臺面專用YRT復合軸承，或是交叉滾子軸承等作為臺面回轉運動副。而直徑2500 mm以上的臺面，本身自重較大，承載能力要求較高，回轉支承多是采用液壓流體靜壓技術。工作時，回轉靜壓運動副之間會形成一定剛性的油膜，持續不斷地支撐起臺面。由于回轉中運動副不接觸，摩擦阻力很小，即使有局部熱量產生也會被回油帶走，同時回油的流動也使得轉臺溫度均勻變化，保持臺面運轉狀態恒定，進而使得臺面具有穩定的精度。需要注意的是，回油收集很重要，既要防止被污染，又要防止污染設備及環境。

我公司車銑復合轉臺采用流體靜壓支撐，工作臺直徑為2600 mm，本體質量為8500 kg，承載能力為20 000 kg，設計最高轉速為120 r/min，車削時臺面高速運行平穩，銑削時工作臺剛性好、精度保持性好。

整個車銑復合靜壓轉臺主體由工作轉臺1、傳動齒輪2和中臺面4組成，其中傳動齒輪2接受來自傳動系統的動力，帶動臺面回轉[2]。

靜壓導軌3安裝在滑座上支承整個臺面。定心機構由法蘭5、雙列圓錐滾子軸承6、調整墊圈7、墊圈8、鎖緊螺母9和軸承座13組成，能保證臺面有一個穩定的回轉中心。而由壓蓋10、調整墊片11和推力球軸承12構成的反向壓緊機構，能很好地控制靜壓浮起量，使得靜壓面上形成的油膜厚度穩定，剛性好。轉臺結構布局如圖2所示。

3 車銑復合轉臺的靜壓單元

轉臺的靜壓單元包括靜壓導軌、液壓供油單元、管路、液壓站和附件等。

3.1 靜壓導軌及參數

靜壓導軌是一個環狀支撐結構，由10等分靜壓塊組成。每塊有相同的口字形油腔，內部有供油通道，與臺面之間形成相對密封的腔體，使得流體通過時產生靜壓力，能支撐起整個臺面（如圖3）。

為保持靜壓面油膜剛性及穩定性，靜壓導軌面與轉臺形成的封油邊間隙控制在0.03 mm以內，且每塊靜壓塊之間平面度差值不超過0.01 mm。

在轉臺工作過程中，靜壓導軌和轉臺臺面并不接觸，因此對材料的滑動特性要求并不高。如果發生過載，靜壓導軌和臺面發生接觸，對材料的要求是臺面和靜壓導軌不能粘連，幾何形狀能夠保持。一般推薦特制銅合金或鋁合金材料。

本例中，部分計算參數如下[3]：

1)壓力計算。靜壓腔面積A=10×404.87=4048.7 cm2。無預緊時，臺面浮起量最大，油膜厚，剛性差，此時空載壓力p0=0.21 MPa，滿載壓力pt=0.70 MPa；預緊時，臺面浮起量得到控制，油膜連續穩定、剛性好，此時空載壓力p0=0.5 MPa，滿載壓力pt=1.2 MPa。

2)流量計算。流量與轉速有關，最高轉速時所需油量為Q=20 L/min。

3)熱量計算。摩擦功率損耗與速度平方成正比，最高轉速時總損耗功率約為5.5 kW。

3.2 液壓供油單元

液壓供油單元是靜壓系統的核心特征，常采用兩種技術：一種是以多頭泵為代表的恒流供油單元；另一種是以PM流量控制器為特征的恒壓供油單元。

多頭泵是一個集成化的液壓供油單元，可以同時為多個油腔供油。不論臺面高速回轉還是靜止不動，每個油腔都恒定供油（比如200 mL/min等）。該工況能滿足大多數立式車床轉臺的使用，卻無法滿足車銑復合加工中心的要求。

以PM流量控制器（以下簡稱PM閥）為特征的液壓供油單元，是近年來發展較快的創新型模塊化靜壓技術應用，將靜壓技術推進到了許多高精度應用場合中。其技術核心在于每個油腔使用一個PM閥單獨控制，各油腔相互之間沒有依存關系，不必考慮油腔之間的相互影響。PM閥內部是一種金屬膜片反饋式結構，能夠快速響應靜壓腔的壓力變化，自動快速調節油腔的流量。工作臺負載越大、轉速越高，則靜壓腔供油流量越大，從而使得油膜厚度的變化最小，以獲得油膜的高剛度。PM閥工作原理如圖4所示。

3.3 液壓站

采用不敏溫的VG10 ～15 抗磨液壓油，避免油溫對油膜剛度的影響，同時油液黏度的降低使得管路流速加快，有利于快速響應負載的變化。清潔度要求過濾等級為6 μm，防止堵塞PM閥膜片調節間隙。油溫設定范圍為17～35 ℃，該范圍油溫對黏度的影響較小，同時也適應國內的環境氣候。系統工作壓力設定為5 MPa。較高的壓力能夠確保靜壓系統在高速、重載時，供油響應及時，確保油膜厚度和剛性。

3.4 管路設計

采用大通徑無縫鋼管向PM閥供油，有利于系統快速響應膜片反饋供油，同時硬管可避免沿程壓力損失。PM閥靠近靜壓腔安裝，硬管連接，以獲得良好的響應。

3.5 壓力監控

靜壓腔設置壓力變送器，可實時跟蹤反饋臺面靜壓情況，以便在靜壓面拉傷前就得到故障預警。同時屏幕設置監控窗口，實時顯示靜壓腔壓力變化，系統內部設置提示性報警信息。同時，壓力監控還有利于機床調試階段對靜壓封油邊的調整，是調試的一大助力。

3.6 斷電保護

臺面運轉中，突發的斷電事故很快會導致靜壓面無法供油，回轉的臺面會造成靜壓面的拉傷。預防措施是在靜壓管路中并聯接入50 L蓄能器裝置（工作壓力為3.8～4.2 MPa），在機床斷電后仍能向系統持續供油一段時間，直到工作臺停止轉動。

4 靜壓轉臺安裝與調試

4.1 臺面安裝

所有零件在安裝之前必須仔細、充分地沖洗，要清除毛刺及可能含有的金屬屑，防止進入系統，破壞定心軸承或靜壓導軌。

靜壓系統必須完全排空系統中的空氣，防止靜壓系統發生振動。另外，管路安裝部位采用了軟皮墊措施，防止靜壓系統與其他部件之間的振動影響。

臺面安裝必須按照作業指導書進行，并做好相應的檢驗記錄。

4.2 臺面調試

靜壓調試：在臺面的左前、左后、右前、右后的4個位置上分別測量靜壓浮起量，控制范圍為0.08～0.01 mm。同時監測每腔壓力值變化在合理設定范圍內。

斷電保護測試：臺面運轉至80 r/min時，關閉靜壓系統模擬斷電。臺面停止用時25 s，而蓄能器持續供油時長為80 s，完全滿足使用要求。

5 結語

本文車銑復合靜壓轉臺的成功開發，確保了車銑復合加工中心的精度和穩定性。

1)臺面定心軸承預緊與靜壓反向收緊浮起量為獨立操作，結構合理，調整更方便，簡單明了；

2)以PM閥為主的恒壓式靜壓系統，能自適應低速到高速、空載到滿載的工況，自動調整供油量，確保機床穩定運行；

3)附加的流量監控功能，設為提示報警信息，能在早期預警靜壓面的故障情況；

4)附加的斷電保護裝置，防止意外情況造成靜壓面的損傷，是一種先期預防措施。

本次開發也發現了靜壓結構設計的不足。靜壓轉臺在結構上屬于開式的支撐，即環形靜壓支撐。靜壓力與支撐面積正相關，可大可小。為控制軸向精度及靜壓浮起量，只能在中心部位設置反壓調整機構。臺面受力可以達到平衡，但是彎矩不能達到平衡，靜壓力越大，臺面所受彎矩就越嚴重，會造成靜壓面精度破壞，導致靜壓失效。故而建議后續開發靜壓臺面時最好采用閉式靜壓結構，力求臺面受力與受彎矩都達到平衡，避免產生新的薄弱環節。以上可算作靜壓臺面開發方面的心得，歡迎大家批評指正。