液體靜壓導軌在龍門移動式加工中心的應用*

屠躍躍，李鵬忠，楊 勇

(1.同濟大學中德學院 上海 200092;2.同濟大學機械與能源工程學院，上海 201804)

1 前言

龍門加工中心主要用于對平面、孔和其他復雜型面進行加工。對于龍門移動式加工中心來說，其加工產品時，水平面和垂直平面的直線度以及位置精度都取決于X軸和立柱精度能否長期保持，傳統的帶滾動體的線性滾動導軌由于動態特性較差，運行過程中易產生振動激勵，阻尼特性不好，不適用于重型機床［1］。針對此問題，為確保其機床工作時的可靠性，在采用液體靜壓導軌的基礎上，X軸驅動方式采用齒輪、齒條雙驅同步控制技術。齒輪齒條雙驅動結構，能有效減小齒輪和齒條間的反向間隙，提高機床進給軸的定位精度。同時，雙電機對單一進給軸提供扭矩，可增加機床重型切削的能力，使得機床獲得高剛性及優異的動態性能。

2 液體靜壓導軌工作原理

靜壓導軌是在兩個相對運動的導軌面間通以壓力油，將運動件浮起，使導軌面間處于純液體摩擦狀態。由于承載的要求不同，靜壓導軌按其導軌結構形式分為開式和閉式兩種。閉式靜壓導軌只有在其移動方向的1個自由度。閉式靜壓導軌的工作原理與靜壓軸承相同，其在上、下導軌面上都開有油腔，依靠上下油腔壓力差的變化形成承載力，可承受雙向外載荷。由于其能承受來自各方向的載荷，具有很高的導軌剛度，不僅能承受很大的傾覆力矩，同時又能防止承導件與運動件分離，從而保證運動部件工作平穩。

筆者中所述由沈陽某機床公司設計的GMC系列龍門加工中心所采用導軌為如圖1閉式靜壓導軌形式。閉式靜壓導軌只有在其移動方向的一個自由度，其余自由度都由導軌結構所約束(亦稱幾何封閉)，綜合考慮前述對導軌的基本要求，決定該導軌副采用矩形導軌窄式組合的截面型式，其理由是該導軌副制造容易、承載能力及剛度大、導向性好、應用于靜壓導軌時油膜調整相對容易［2］。

圖1 恒流量控制閉式靜壓導軌原理圖

3 加工中心X軸導軌結構設計

該GMC型龍門移動式加工中心，工作臺長16 m，寬4 m，考慮到龍門移動加工中心移動時的大慣量和加工時偏載變化范圍大的特點以及大規格機床在制造過程中基礎大件的加工條件，床身工作臺拼接后所能達到的精度等，確定機床X軸采用恒流閉式靜壓導軌，其整體結構如圖2所示，并用多頭泵將靜壓泵站打出的油保持恒定流量分配給各個靜壓油腔。

圖2 立柱滑座床身導軌副截面型式示意圖

3.1 導軌副的結構

一般情況下，直線運功的靜壓導軌油腔應開在運動部件(立柱滑座)上，固定部件(床身)應有足夠的長度，保證移動部件在運動過程中油腔不露出，使油腔能建立正常壓力。運動部件(滑座)的長度在2 m以上時，每個油腔的長度取0.5～2 m［3］。該加工中心X軸運動部件立柱滑座長度為3560 mm，設置8個主油腔，因為采用閉式靜壓導軌，與主油腔對應的輔導軌(下導軌面)設置8個輔導軌油腔，導向油腔取一邊4個，共24個油腔。承載油腔(主導軌油腔)除需承載立柱的重力外，還需承載對置油腔的反向靜壓力，因此水平承載導軌采用不等面積油腔對置，導向導軌所承受的負載力較小(±100 kN)，采用等面積油腔對置，滑座內油腔分布如圖3所示。

圖3 滑座內油腔壓塊分布圖

3.2 導軌副油腔壓力及多頭泵流量計算

3.2.1 承載導軌計算

床身導軌采用靜磨鑲鋼導軌，X軸最大承載總質量G約為60 t，因工作臺固定，鉆鏜力引起的負載變化對滑座床身導軌副影響較小(相對于龍門架及其配套設備可忽略不計)，所以可認為負載為恒定60 t。

主導軌油腔靜壓塊長700 mm，寬235 mm，厚為15 mm;輔導軌靜壓塊長700 mm，寬61 mm，厚15 mm，由此可知，主油腔有效承載面積:

同理，輔油腔有效承載面積:Ae2=301.5(cm2)。

每個滑座內設置8塊靜壓塊，平均到每個承載腔靜壓塊上的負載:F0=F/16=37500 N，在最大載荷(刀具切削力垂直分力為0)下，輔油腔的間隙有增大的趨勢，這時，輔油腔的壓力急劇下降，計算時取f2=0，則主導軌一個油腔的最大承載壓力:

式中:η為靜壓油的動力粘度，該加工中心靜壓油采用46#抗磨液壓導軌油［4］，當處于40℃時其運動粘度為 ν=46(mm2/s)，由 η =ρ×ν得其動力粘度［5］:

剛度是機床工作質量的主要指標，導軌間隙不能過大，否則影響油膜剛度，容易引起導軌副側向漂移。對于龍門加工中心等重型機床和機械設備，空載時的導軌間隙一般取h0=0.03～0.08 mm，取設計浮升量h0=0.03 mm，則每一個油腔的流量:

多頭泵選用德國VOGEL公司生產的ZM2202型號起動泵內置式多頭泵［6］，該多頭泵流量為:

Q=20 ×0.035(L/min)

當設輔導軌油腔間隙 h02=0.03 mm，Q=0.035(L/min)時，輔油腔壓力:

這時主導軌油腔壓力:

主導軌浮升:

3.2.2 導向導軌計算

對于等面積對置側油腔，只要承載能力及剛性足夠，其供油壓力p可以任意選擇。側導軌油腔靜壓塊長465 mm，寬96 mm，厚15 mm，有效承載面積Ae3=326.7 cm2;同理可得其油腔壓力p03=24 N/cm2=0.24 MPa。在實際應用中，只關注在最大切削力時油膜厚度的變化量Δh，對該靜壓導軌施加模擬最大水平方向切削力FY=100000 N，因為單個導向導軌側油腔靜壓塊單側為4塊，雙側8塊，切削時平均到每一個靜壓油腔上的負載變化為ΔF=1×105÷8=12500 N，側油腔壓力:

導軌側油腔油膜厚度:

導軌側油腔的平均剛度:

可知導軌剛度滿足設計要求。

查詢可知ZM2202多頭泵的最大工作壓力psmax為2 MPa，由油泵供油壓力ps≥max{p01;p02;p03'}，油膜厚度、最大承載壓力均在許用范圍之內，可知多頭泵符合工作要求［7］。選配選與泵相匹配的電機型號Y90S－6，額定轉速910 r/min，額定功率0.75 kW。

4 多頭泵供油系統及溫控

靜壓支承的壓力油源是由供油裝置保證的。根據靜壓支承的要求，分為定壓供油裝置和定量供油裝置。除定壓供油外，在大型機床中也常采用定量供油的靜壓導軌。定量供油有兩種方法:①各油腔有自己的定量油泵;②各油腔前設有調流閥而共用一個油泵［7］。多頭泵的出現，使得恒流量控制方案更為簡單，由于多頭泵各壓油口之間的流量誤差很小，因此各油腔壓力不會相互干擾，便于調整。整個靜壓導軌液壓系統通過電氣靜壓油監控系統控制主靜壓電機和多頭泵，依據靜壓監測布局點的壓力傳感器監控靜壓系統工作狀態，構成機、電、液一體化的靜壓支撐系統。另外機床液壓系統設有一個液壓油箱，液壓系統工作時，其壓力損失、容積損失、機械損失等都會轉化為熱能而使油溫升高，導致油液粘度下降，引起系統泄漏量增加，甚至引發機床熱變形，所以在液壓系統中設置油溫冷卻機控制油溫，從而有效提高液壓元件的使用壽命和液壓系統工作可靠性。

5 結語

閉式靜壓導軌具有剛度高、可承受顛覆力矩的特點，同時相對于恒壓控制靜壓導軌來說，結構較為簡單，無需安裝節流器，調整和維護方便，特別適用于低速、重載的場合，能滿足現代重型數控機床對導軌的要求。多頭泵的產生，使得恒流量控制靜壓導軌應用越來越多。綜上所述，重型機床橫向導軌副應用恒流閉式靜壓導軌技術是可行的，在已經量產的GMC系列加工中心中得到了良好的使用效果，加工質量和運行平穩度與傳統直線滾動導軌相比有著明顯的優勢，也可用在其它高精度重型設備上，具有良好的應用前景。

［1］Paepenmüller F，Brecher C.Hydrostatisches kompaktführungs system für werkzeugmaschinen［J］.VDI Verlag GMBH，2006(3):707－719.

［2］李 列.XK2125床身工作臺導軌副采用恒流供油式靜壓導軌的探討［J］.機床與液壓，2006(10):64－66.

［3］廣州機床研究所.液體靜壓技術原理及應用［M］.北京:機械工業出版社，1978.

［4］鐘 洪，張冠坤.液體靜壓動靜壓軸承設計使用手冊［M］.北京:電子工業出版社，2007.

［5］徐輔仁.關于液壓油動力粘度 μp，t的計算［J］.機床與液壓，1990(1):39－40.

［6］成大先.機械設計手冊·第五卷［M］.第5版.北京:化學工業出版社，2008.

［7］陳燕生.液體靜壓支承原理和設計［M］.北京:國防工業出版社，1980.