液體靜壓技術在精化機床方面的應用

呂世明

（山西水工機械廠，山西太原030002）

引言

近年來，應用液體靜壓技術，選用小孔節流的結構，對萬能磨床進行了精化改造，成功設計和試制了這類機床的砂輪架精密液體靜壓軸承。改造后的磨床，加工精度和粗糙度達到和超過了同類型磨床的先進水平。文章選M115W型磨床精化改造為例進行介紹。

1 M115W型磨床砂輪架精密液體靜壓軸承的主要設計和計算

1.1 液體靜壓軸承的結構設計

主軸的轉動是靠皮帶輪通過半圓鍵獲得的。為提高主軸的剛度，在設計時加大了其直徑。前、后徑向靜壓軸承和軸向靜壓推力軸承分別采用了外錐式小孔節流器。前、后徑向靜壓軸承采用了有周向回油槽、對稱等面積四個矩形圓截面油腔。同時分別在右和左端面開有環形靜壓推力軸承油腔。軸承油腔之間開有回油槽，油腔內的潤滑劑不會互相流通。軸向間隙可通過修磨推力軸承的兩端面來調整。進油口和主軸各徑向軸承小孔節流器及兩個軸向推力軸承小孔節流器聯通。（見圖1）

圖1M115W型磨床精化改造后的砂輪主軸結構示意圖

1.2 液體徑向靜壓軸承的計算公式

1）依據改造要求，選定軸承剛度JR20kgf∕μm，選軸承直徑D＝50mm。

2）結構尺寸選擇10項，分別是軸承長度L=1.5D=75mm；軸向阻油面長度l1==5mm；油腔長度l=L-2l1=65mm；周向阻油面寬度b1==5mm；回油槽寬度b2=3mm；回油槽深度Z2=0.6mm；油腔張角之半θ1=30 6'；油腔中心線與周向阻油面遠邊上的夾角θ2=41 34'；油腔深度Z1=50h0=0.875mm；軸與軸承配合的直徑間隙2h0=0.0007D=0.035mm。

3）徑向軸承一個油腔的有效承載面積：

1.3 潤滑油的選擇

經查證，選用50的2號主軸油加50的4號主軸油的混合油。溫度為50℃時油的密度T50℃kgf·s2/cm4；動力黏度η50℃kgf·s/cm2，選用30透平油加70煤油的混合油，實測黏度和密度與前述數據接近。

1）節流比 的選定。通過分析與實驗，當20℃=1.71時，軸承具有理想的剛度。與潤滑油黏度是共同變化的。因此，應滿足潤滑油在20~50℃范圍內，取1.5~3.0；20℃=1.5，50℃=2.55；

2）選擇供油壓力Ps。一般資料推薦P10kgf/cm2，實際選擇的Ps15kgf/cm2。

3）節流小孔直徑d0的確定。根據流體的流量連續方程流體力學的有關公式，用下式算出節流小孔直徑d0值。

式中：λ 為設計參數， λ50℃=50℃-1=2.55-1=1.55；d0為小孔流量系數d0=0.6~0.7，現選d0=0.7。

4）軸承流量計算。溫度越高，潤滑油的粘度越小，軸承流量越大?，F計算潤滑油溫度在50℃時的軸承流量。

式中：P0為空載時油腔壓力（即節流后的壓力）

故單個軸承的流量:Q徑量＝4Q0＝0.904L/min

總流量:Q徑總＝8Q0＝1.80L/min

1.4 液體推力靜壓軸承的計算

1）按實際需要給定軸向剛度為30kgf/ m。其中，主軸半徑R為25mm；形油槽內半徑R1為1.2R=30mm（實際選用32mm）；形油槽內半徑R2為1.4R=35mm（實際選用39mm）；軸承外半徑R3為1.6R=40mm（實際選用46mm）；

2）推力軸承環形油腔有效承載面積：

3）潤滑油和節流比 等數據與靜壓軸承一致。

4）推力軸承軸向間隙h0'的計算：

5）軸承流量計算。

一個止推面的流量：

1.5 供油裝置

1.5.1油泵選擇原則

應根據靜壓軸承的供油壓力和流量，確定油泵規格。

油泵額定流量與靜壓軸承總流量有如下的關系：

根據以上計算：

為此，選用YB-10型單級葉片泵。額定壓力為63kgf/cm2，額定流量為10L/min。

1.5.2油箱設計原則

對于沒有安裝冷卻裝置的固定式油箱，其有效容積指油面高度為油箱高度的80時，油箱所儲潤滑油的容積一般不小于油泵每分鐘流量的10倍。

因此，油箱的有效容積=10×10=100L=0.1m3

故油箱的總容積=0.1÷0.8=0.125m3

故油箱長=0.5m、寬=0.4m、高=0.625m

1.5.3濾油器選擇

1）吸油濾油器。選用的是封閉的網式濾油器，外層用60~80目銅絲網包圍著四周開有很大缺口的金屬或塑料圓筒體殼。

2）粗、精濾油口。用線隙式濾油器作粗過濾，其過濾精度為0.02mm以上。

用紙質機油濾油器做精過濾，其過濾精度可達0.01mm。節流器不會堵塞，主軸和軸承拉毛現象顯著減少。

3）蓄能器的作用和選擇原則。蓄能器是一種能量儲存裝置。避免斷電后慣性轉動，使主軸和軸承磨損和過熱。蓄能器的容量，應能保證潤滑油供應到主軸停止轉動，才能起到安全保護作用。

1.6 壓力繼電器的作用和選擇原則

壓力繼電器是利用供油系統的液體壓力，控制電器觸頭，使其接觸或分立，從而將液壓訊號轉變為電訊號，實現自動控制，起安全保護作用。

當供油系統發生故障，或者供油壓力未達到靜壓軸承要求的壓力時，壓力繼電器控制驅動主軸轉動的電機自動停止或不能起動。

壓力繼電器的設計或調整，應保證軸承油腔內的潤滑油建立起一定壓力后，主軸方能轉動。

關鍵工藝：軸承半精加工后，壓入箱體應有過盈量，在精密鏜床上一次鏜前后孔，保證其同軸在1 m之內在精密鏜床上一次鏜前后孔，保證其同軸在1 m之內，推力軸承端面與孔的不垂直度允差2 m；軸承間隙是以孔為基準，達到直徑間隙（0.035±0.002）mm；軸向間隙靠磨推力軸承的兩端面達到，單邊間隙（0.028±0.002）mm；小孔節流器的流量允差10。

1.7 靜壓軸承節流比值的調整

當h0不變時，改變d0的原則一油腔壓力偏高，可減小d0；反之，加大d0。

當d0不變時，改變h0的原則一軸承油腔壓力偏高，可加大h0；反之，減小h0。

2）節流小孔直徑d0與軸承間隙h0有如下關系：

3）在實際精化改造中，我們采用的是改變h0的方法，即修磨主軸外徑（主軸外徑在制造時應予留修磨量，一般為0.5mm）。從實踐中總結經驗是，外圓每磨去0.002，軸承油腔壓力可減少1kgf/cm2。

在使用過程中，隨著潤滑油溫度的升高，粘度將變小，油腔壓力將減小，從而節流比相應變大。理論計算和實驗表明，只要=1.5~3的范圍內，軸承仍有較好的剛度。所以，在設計和調整時，要求潤滑油的溫度變化在20~60℃范圍內，相應的=15~3。

2 使用效果及小結

精化改造后的M115W型外圓萬能磨床，其加工精度高，壽命長。加工工件的橢圓度小于0.0015 m，圓錐度0.001~0.003 m，表面粗糙度達到0.025 m。

經過幾年來的使用，加工精度和表面粗糙度均能保持穩定，證明精化改造是成功，上述設計、計算是準確的，在精化改造磨床方面是適用的。

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