淺析液體靜壓技術在精密機床中應用

張 超，肖道林，房博文，薛松海，劉文志

（機械科學研究總院海西（福建）分院有限公司，福建 三明 353000）

0 引言

液體靜壓技術具有高精度、高剛度、壽命久等優點，被廣泛應用于機床行業。其技術針對于機床導軌，具有摩擦系數極小，導軌無磨損，剛性好，能保證機床精度長期穩定等優點，被精密機床研究單位視為核心技術。本文針對靜壓導軌滑塊發展進行研究，以期對精密機床關鍵技術突破進行補充。

1 液體靜壓技術發展與靜壓導軌分類

世界上最早的液體靜壓技術概念是1878年在巴黎國際展覽會上展品所體現。首次應用在人類工程領域是于1938年美國將其應用于帕羅馬爾山天文工作站的200英寸天文望遠鏡上，并由法國工程師P.Gerard于1948年成功應用與磨床的砂輪主軸上，命名為Gendron磨床。隨著新中國的建立，為加強建設國內工業化體系解決國外卡脖子技術，大力發展精密機床，國內上海機床廠率先開展精密磨床制造技術研發。緊接著1959年廣州熱帶機床研究所建立，1962年設立專業研究室經過50多年的發展已達到世界一流水平[1]。部分國內外液體靜壓技術應用于導軌滑塊如表1所示。

表1 國內外研究靜壓導軌進展

導軌分為滾動導軌與滑動導軌兩類，液體靜壓導軌按照其運動方式劃分為滑動導軌一類[2]。液體導靜壓導軌具有多種形式，可以從供油方法或者導軌的構造進行區分，具體劃分方法見圖1。

圖1 靜壓導軌分類

業內，習慣以供油方法和導軌形式對靜壓導軌進行命名：以供油方式進行命名，有定壓靜壓導軌、定量靜壓導軌兩種；以進給方式對靜壓導軌進行命名，可分為直線運動靜壓導軌、回轉運動靜壓導行軌；以所用流體進行命名，有氣體靜壓導軌、液體靜壓導軌，以油腔形式命名，有開式靜壓導軌、閉式靜壓導軌。

2 液體靜壓導軌工作原理

2.1 開式靜壓導軌

開式靜壓導軌，是通過油腔的形式進行命名，指在機床床身一側安放導軌，并在開式導軌上設計若干油腔，同時工作臺可以從床身上分離的靜壓導軌。開式靜壓導軌采用輸出一定壓力的潤滑油進入導軌的不同油腔內，產生載重力，使導軌被流體介質托住，形成薄膜的流體潤滑達到導軌與床身不接觸的效果。從方便調整導軌剛度、承載力與油膜厚度的角度出發，普遍使用矩形平面導軌。開式靜壓導軌由于其自身構造不適用于外負載非均勻、偏載傾覆力矩過大、無法水平放置或產生較大傾角的場合。

2.2 閉式靜壓導軌

閉式靜壓導軌，指在床身的不同方向安放導軌，并在導軌各方向的工作面上設置數個油腔，受到約束而無法從床身上分離的靜壓導軌，導軌僅具有一個自由度其方向為導軌位移方向，剩余自由度均被約束，依托于上下油腔液壓力不同而產生的壓差形成承載力保證導軌低摩擦滑動，閉式液體靜壓導軌在初始設計階段、中端加工階段、安裝調試階段均比較復雜，主要用在高精密機床。閉式靜壓導軌具體工作原理為采用輸送一定壓力的液壓油，使溜板下充滿一層油膜，通過油膜的高剛度達到托起溜板的效果，以實現溜板與導軌間不接觸。由于油膜為流體潤滑，相較于固體間摩擦系數較低，極大避免了摩擦造成的損耗，均化誤差，增高機床的穩定性，提升機床耐久性。導軌一般結構如圖 2所示，溜板在導軌軸向上滑動。導軌溜板由上幅板、側幅板和下幅板通過螺栓進行連接，通過在幅板內設置互相連接的通油管路，使得不同油孔輸送液壓油都可以運送到全部油路[3]。為實現節流控制，通過在每個油墊的出口處安裝節流器實現這一目標，并工藝孔密封，確保供油過程中不會出現漏油狀況。導軌采用直線電機作為驅動裝置，電機的固定方式為上幅板底面開有螺孔用來安裝直線電機的動子，定子部分安裝在基座上。

圖2 閉式靜壓導軌系統模型

3 PM流量控制器在液體靜壓技術中的優勢

傳統靜壓導軌從設計到實際投入應用需經過繁瑣理論驗證，且精度要求苛刻，若裝配環節靜壓間隙配合不達標，則機床無法完成精密加工，對技術部門和裝配工人是嚴峻的考驗。而模塊化靜壓導軌可以解決這一問題，其內部集成了薄膜式流量控制器，靜壓油腔和油腔壓力傳感器；可以提高靜壓系統的剛度，降低其發熱量，減小系統流量。模塊化的液壓靜壓導軌塊在高精度機床上具有很高的互換性，在靜壓導軌安裝調試過程中，通過檢測油腔壓力來調整間隙[4]。因此，同一生產線的液體靜壓導軌在油膜間隙上完全一致，油膜剛度和特性均相同，實現標準化。目前模塊化靜壓導軌滑塊處于領先位置的為德國Hyprostatik 公司，其研制的單反饋薄膜流量控制器結構新穎，性能優良命名為PM流量控制器（圖3）。PM流量控制器；是一種可調節流控制器，與以往恒定流量的節流器不同，其流量隨著壓力增大而隨之增強[5]。當負載變大，油腔壓力增強，供油量立刻提升，保證油膜厚度變化十分微小，這樣導軌剛度顯著提升，提升了靜壓支承各項指標。

圖3 PM流量控制器

PM流量控制器有如下優勢：

（1）隨著PM流量控制器加大流量輸出可以得到靜壓腔壓力的正向反饋，在靜壓腔為滿載荷時，其流量輸出為無載荷的2.5倍。此工作環境下，系統剛性相較于毛細管系統顯著提升預載剛性更好，具體如圖4所示。

圖4 流量控制器壓力調節曲線

（2）高剛性的結果：在最小載荷和最大載荷時靜壓間隙變化很小，通常為幾微米；最小油膜厚度比采用毛細管靜壓要大得多，因此允許更大的整體零部件加工誤差或變形量，避免在最大載荷下軸承上下面發生接觸。

（3）摩擦小，在任何工況，載荷和工作速度下沒有磨損。

4 結語

綜上所述，由于液體靜壓導軌存在一定的局限性，所以該項技術未能充分發揮。目前只應用在部分高精機床和重型機床上，缺少應用靜壓系統經驗的廠商在導入該技術時十分謹慎。現階段首要目標打破國外技術封鎖，致力于研究國產模塊化液體靜壓導軌，以降低靜壓導軌應用的技術門檻，簡化機床廠家的技術工作，方便導入靜壓導軌技術，突破國內靜壓導軌應用技術瓶頸為目標。