基于提高靜壓導軌運行精度的方法應用

王海濤 李初曄

（北京航空制造工程研究所，北京 100024）

導軌的作用是使運動部件能夠沿著一定的軌跡運動，起導向的作用，并承受運動部件及工件的重量和切削力。一般導軌應滿足精度高、壽命長、剛度和承載能力大、摩擦阻力小以及運動平穩、結構簡單、便于加工等要求。

靜壓導軌是滑動導軌的一種，是基于導軌以上特點設計開發的一種廣泛應用于高精密數控設備上的導軌類型，該種導軌優點更為突出:（1）導軌副間為純液體摩擦，摩擦系數極小，故大大減小了驅動功率，同時導軌磨損小，使用壽命長;（2）油膜厚度受速度影響小，不易產生爬行，滑臺低速性能好;（3）油膜承載能力大，剛度高，吸振性好，導軌運行平穩;（4）油膜具有誤差的均化作用，可提高導軌的運動精度。

靜壓導軌唯一的一個劣勢，就是需要配備一套具有良好過濾效果的液壓裝置，既占空間，又相對增加了成本。但從機床整體性方面考慮，諸如設備的加工精度、加工范圍以及加工可靠性等諸多因素，這點投入又顯得微不足道。

1 存在的問題

GST-50M型鏜床是一種加工精密圓柱孔的機床，該機床工作臺采用了開式靜壓導軌，如圖1所示。開式靜壓導軌依靠工作臺的自重以及外部載荷保持移動件不從床身上分離，屬于典型的力封閉形式。開式靜壓導軌一般只在導軌的一個方向上開有油腔，所以通常只能水平放置，或者根據功能和結構需求，傾斜一個較小的角度。

開式靜壓導軌主要特點如下:（1）承受正向載荷能力大;（2）結構簡單，制造和調整方便;（3）承受偏載荷及顛覆力矩的能力較差，不能承受反向力。

GST-50M型鏜床工作臺完全符合載荷均勻、偏載小、顛覆力矩小且水平運動的特點，故研制開發時設計成了開式靜壓導軌，以提高工作臺的運行精度和平穩性，從而確保數控鏜床的加工精度。

經過實際的生產加工應用，表明該鏜床完全達到了當初的設計參數要求，比原來采用普通剛性接觸式導軌的舊型號鏜床加工精度提高顯著。

近兩年，隨著近來客戶對工件上圓柱孔精度（孔位置和尺寸精度如圖2所示）要求的逐步提高，該鏜床的精度有時“力不從心”，通過改進主軸的軸系結構，加工情況得到了一些改善，但仍然不理想。主要問題反映在以下幾個方面:（1）孔的上下間距時常變動，有超差現象發生;（2）孔與基準A底面的平行度有時超差;（3）孔與基準B端面的垂直度有時超差;（4）工作臺運行不平穩，有波動。

從長計議，為了能持續滿足客戶的需求，通過進一步的檢測、分析和論證，認為只有對關鍵部件——靜壓導軌工作臺進行改進和完善，才能從根本上解決問題，使GST-50M型鏜床的精度上一個臺階。

2 解決方案和實施

針對加工過程中出現的超差問題以及工作臺產生的運行波動，經過改進評審，提出了相應的解決方案，并從以下幾個方面分別進行實施:

（1）調節靜壓油壓力，保證工作臺面水平。通過用千分表測量工作臺的上臺面，發現有些區域高低不同，根源是靜壓油在各處分布不均，從而使形成的油膜厚度不同造成的，這也是所加工孔的形位公差精度和尺寸精度超差的主要原因。如果因油膜過厚，使導軌浮起過高，同樣會引起被加工孔的表面粗糙度和精度降低。

為徹底改變目前的現狀，制定了以下相應的解決方案:

①工作臺配重。為不影響正常生產，對現有的機床通過配重來解決，根據測量結果，在工作臺上相應位置增減重量，直到臺面水平符合要求。但這種方法可能影響機床的外觀，只能是“權宜之計”。

②節流閥改進。原來的節流閥受結構的制約，如圖3a所示，調節誤差較大，調節精度不易把握。為提高節流閥的調節精度，改進了節流閥閥芯結構，如圖3b所示，在閥芯上加工螺旋節流細槽，同時，將閥芯下端的針閥式調整錐度減小，以緩沖進油沖擊，實現節流閥的微量化調整。

（2）提高油膜支承剛性。液壓油在工作過程中，溫度會逐漸升高直到趨于一個相對的恒定值，溫升（夏季還應考慮周圍環境溫度的影響）的變化，使液壓油粘度系數降低，從而導致靜壓導軌壓力油承載力的減小，隨之引起了鏜床所加工孔的位置尺寸變化。

針對溫升的問題，在靜壓導軌液壓站上增加冷卻裝置，通過設定恒溫裝置的溫度，使溫升控制在一個比較合理的區間。經反復調節測試，該鏜床靜壓導軌液壓油輸入溫度設定值為35±1℃。采取該措施后，大大降低了溫升對靜壓導軌支承剛性的影響。

（3）改變阻尼效應。阻尼效應的加強可以提高動剛度，從而有利于提高系統的穩定性。結合靜壓導軌液壓系統的使用條件和范圍，通過適度更換粘性大的液壓油，以便達到增強阻尼效應的目的。

（4）改善動態性能。在任何情況下，液壓支承油路系統中都存有一定量的空氣，也即含氣量，這必然使系統的動態性能變差。通過縮短節流閥到油腔的距離、用銅管替換軟管以及減少油腔壓力指示器等方法的應用，都可以改善工作臺支承系統的動態性能，提高靜壓導軌工作臺的運行精度。

3 加工驗證

通過以上對導軌靜壓系統相關零件和布局的改進，較為系統地完善和優化了靜壓導軌的整體結構，使之更趨合理和可靠。

經將改進后的靜壓導軌系統應用到實際的加工生產中，經過一系列的生產驗證，加工了500件導向板，隨機抽檢50件，孔的位置和尺寸精度指標的測量結果如表1所示。

表1 導向板圓柱孔檢測結果

檢測數據顯示:所有導向板圓柱孔的精度指標全部符合技術要求，各項精度指標有了較大幅度的提高，孔間距也沒有出現超差的現象。同時，靜壓導軌運行平穩，徹底消除了原有的波動現象。另外，從統計數據看，改進后的靜壓導軌系統，使用穩定性高，結構合理可靠，完全符合產品的加工要求。

4 結語

通過對與靜壓導軌工作臺相關結構以及關聯件的改進和完善，結合整個實施工作的流程，得到以下幾點啟發:

（1）機床核心零部件決定加工精度，通過分析論證，找出問題產生的根源，抓住關鍵所在，有目的地進行相關改造。

（2）不要輕易放過細節問題。液壓系統的組成比較復雜，各部分之間的聯系也較緊密，小問題時常會產生大影響。如文中液壓支承油路中空氣的存在對動態性能的影響，往往被忽略，這就需要在制定解決方案之前，做充分的研究并詳細查閱與之相關的技術資料。

（3）機床加工精度的提高需要設計和改進相結合，兩者相輔相成，這樣既可以降低生產成本，也可以有所創新。

（4）機床的改進是一個循序漸進、不斷提高的過程。對于該鏜床也是隨著產品精度的提高，經過了主軸軸系、傳動系統以及液壓系統等一系列的改造工作。

（5）數控機床的改造存在著共性，舉一反三，不斷拓寬視野，為同類型或者其他類型機床的改造儲備經驗。

［1］成大先.機械設計手冊:單行本:液壓傳動［M］.北京:化學工業出版社，2004.

［2］王啟義.中國機械設計大典［M］.南昌:江西科學技術出版社，2002.

［3］王海濤，韓曉玲.溫升對液體靜壓主軸加工精度的影響及改進措施［J］.制造技術與機床，2010（9）:119-122.

［4］汪星橋.機械設計手冊:第三冊:部件、機構及總體設計［M］.北京:機械工業出版社，1986.

［5］雷天覺.新編液壓工程手冊［M］.北京:北京理工大學出版社，1998.

［6］戴曙.金屬切削機床設計［M］.北京:機械工業出版社，1988.