重載高速工作臺設(shè)計

李立強 馬 蕾 王 梅

(齊重數(shù)控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾161005)

目前，國內(nèi)缺少高速重載的重型數(shù)控立式車床，其主要原因是國內(nèi)缺少直徑9.5 m 以上、承重400 t 以上、最高轉(zhuǎn)速在30 r/min 以上、工作臺芯部和外圈均可承重的工作臺。工作臺是立式車床的關(guān)鍵大部件，是立式車床的心臟部分，工作臺的性能指標是衡量數(shù)控機床水平的主要依據(jù)之一。目前，國內(nèi)數(shù)控立式車床最大直徑10 m左右的工作臺承重一般不超過300 t，工作臺轉(zhuǎn)速一般不超過15.5 r/min，造成這個問題的主要原因是機床工作臺一般使用單圈靜壓導軌結(jié)構(gòu)。為了提高單圈靜壓導軌的承載能力，提高工作臺抵抗工件偏載和垂直刀架切削力產(chǎn)生的顛覆力矩的能力，單圈靜壓導軌直徑一般制作得非常大。雖然靜壓導軌的油室數(shù)量較多，但由于工作臺芯部無靜壓導軌承載，使工作臺的承重量仍然偏低，而且工作臺在承載重量集中在工作臺芯部的工件時，由于工作臺芯部的變形非常大，使工件的平面度精度非常低，經(jīng)常出現(xiàn)工件端、徑跳精度合格，而工件的平面度精度超差很多的問題。

1 傳統(tǒng)重載工作臺

目前，國內(nèi)重型數(shù)控立式車床工作臺的靜壓油室一般使用扇形結(jié)構(gòu)。扇形靜壓導軌板的導軌有效寬度和封油邊寬度比較大，工作臺靜壓導軌的比壓值較低。該結(jié)構(gòu)在工作臺低速重載情況下工作較理想，在小于5 r/min 以下的低轉(zhuǎn)速情況下一般可以正常工作。隨著機床的快速發(fā)展，刀具的許用線速度越來越高，使得工作臺的轉(zhuǎn)速大大提高。在工作臺提速的過程中，由于工作臺靜壓導軌液壓油發(fā)熱量的逐漸增大，使得工作臺和工作臺底座溫度上升得非常快，工作臺和工作臺底座的溫度非常高;工作臺導軌由靜壓狀態(tài)下的不接觸，逐漸變?yōu)榫植拷佑|，直至大面積接觸;工作臺導軌由靜壓摩擦逐漸變?yōu)榘腱o壓半滑動摩擦，直至變?yōu)榇竺娣e滑動摩擦。在工作臺轉(zhuǎn)速提高的過程中，工作臺導軌摩擦阻力和摩擦扭矩也逐漸增大，逐漸增大的導軌摩擦阻力引起了導軌靜壓油溫度的加速上升，使得工作臺的溫升進入了惡性循環(huán)狀態(tài)，造成工作臺凹曲變形和工作臺底座凸起變形非常嚴重，使得加工工件平面度精度大大降低，同時造成工作臺導軌發(fā)生研傷的事故。

為了解決工作臺溫升的問題，如果使用加大油溫冷卻機規(guī)格和數(shù)量的辦法，雖然能夠在一定程度上解決問題，但并沒有根本性地解決工作臺發(fā)熱源的問題，主要原因是立式車床工作臺靜壓油的回油是使用自然回流的方法。該方法主要受到工作臺底座自身結(jié)構(gòu)的限制，靜壓油必需先經(jīng)過工作臺底座表面的回油窗口再通過回油管路才能回流至液壓站。在靜壓油的回油過程中，靜壓油的大部分熱量已通過工作臺底座表面和工作臺導軌面?zhèn)鲗Ыo工作臺底座和工作臺大件，并造成工作臺底座和工作臺溫度的快速升高。為了保證機床的性價比，機床選用油溫冷卻機的規(guī)格和數(shù)量也不可能選得過高、過多。因此，采用通過油溫冷卻機先冷卻工作臺靜壓油，再通過冷卻后的低溫靜壓油降低工作臺和工作臺底座溫度的辦法，其效果非常有限。在工作臺連續(xù)高速工作狀態(tài)下運行時，工作臺的熱變形問題尤其明顯，由于工作臺導軌在承受過度的熱量后變形非常嚴重，工作臺靜壓油膜間隙已不能正常建立，傳統(tǒng)重型數(shù)控立式車床工作臺在15.5 r/min 時已接近極限狀態(tài);此時，工作臺靜壓油的溫度已達到了65 ℃以上，靜壓油在受高溫后粘度降低得非常嚴重，工作臺已失去了正常的承載能力。

2 新研重載高速工作臺

為了解決重型立式車床工作臺承重小和速度低的難題，筆者公司研制了工作臺的內(nèi)外雙圈靜壓導軌和內(nèi)外雙圈地腳墊鐵承重的結(jié)構(gòu)，研制了圓形靜壓導軌盤的結(jié)構(gòu)。其中，工作臺的內(nèi)外雙圈靜壓導軌結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)立式車床工作臺單圈靜壓導軌結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進而成，即在工作臺的外圈靜壓導軌的內(nèi)側(cè)增加了內(nèi)圈靜壓導軌，外圈靜壓導軌為主承重靜壓導軌，承受工作臺和工件總重量的70%左右;內(nèi)圈靜壓導軌為輔承重靜壓導軌，承受工作臺和工件總重量的30%左右，在不改變外圈靜壓導軌的前提下，增加了工作臺靜壓導軌的總面積，并大大縮小了工作臺靜壓導軌在內(nèi)圈的承載半徑。因而，大大提高了工作臺的承載能力，尤其是提高了工作臺承受工件重量大、外徑大而夾持直徑小于5 m 工件的承載能力。

為了保證雙圈靜壓導軌的承重能力和精度，使新增加的內(nèi)圈靜壓導軌不影響外圈主靜壓導軌的承重，筆者公司研制了內(nèi)外圈靜壓導軌面共面結(jié)構(gòu)。即將工作臺的內(nèi)外圈靜壓導軌面設(shè)計在一個平面內(nèi)，并且在工作臺大件靜壓導軌面精車后，增加了手工刮研的工序，將工作臺內(nèi)外圈靜壓導軌的平面度控制在0.02 mm 以內(nèi)，大大提高了工作臺大件的加工精度和檢驗精度，并且將工作臺靜壓導軌油膜浮升量控制在0.08 mm 以內(nèi)，在滿足工作臺最大承重的前提下，最大限度地降低工作臺靜壓油膜浮升量，降低工作臺靜壓導軌供油用等量分油器的規(guī)格，減小靜壓導軌的靜壓油流量，從而大大降低了工作臺靜壓油發(fā)熱源的發(fā)熱量，最大限度地減小工作臺和工作臺底座的受熱變形量，使工作臺的靜壓導軌在重載高速運轉(zhuǎn)的情況下，靜壓油的溫度保持在許用范圍內(nèi)，靜壓油膜仍然能夠正常建立。改進后的工作臺結(jié)構(gòu)在提高工作臺轉(zhuǎn)速和承重量的同時，也大大提高了工作臺的端面跳動精度和平面度精度。

另一方面，國內(nèi)重型立式車床工作臺的重量大、剛度低，主要原因是由于國內(nèi)工作臺一般使用三瓣或三瓣以上的聯(lián)接結(jié)構(gòu)。工作臺的材料一般是灰鑄鐵，三瓣工作臺之間一般需要使用螺栓進行聯(lián)接，由于工作臺的分瓣數(shù)量多，工作臺之間的聯(lián)接面積非常大，使得工作臺的重量非常大而聯(lián)接剛度低，并且工作臺總裝后的靜、動不平衡量非常大，在工作臺運轉(zhuǎn)過程中，工作臺的噪聲大、有明顯的偏重現(xiàn)象。為了解決這個難題，筆者公司通過對工作臺大件的鑄造、加工、裝配和運輸?shù)拳h(huán)節(jié)，進行了多方面的方案論證，經(jīng)過大量的有限元分析、計算后，研制了二瓣重型工作臺結(jié)構(gòu)，工作臺的材料也由灰鑄鐵改進為球墨鑄鐵。二瓣結(jié)構(gòu)的重型工作臺是沿工作臺的中心線一分為二，使工作臺沿中心平面進行對接;改進后的二瓣球墨鑄鐵工作臺結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)三瓣灰鑄鐵工作臺結(jié)構(gòu)相比較，二瓣工作臺聯(lián)接面的數(shù)量少，工作臺的大件剛度和聯(lián)接剛度非常高，而工作臺的總重量更輕。為了保證工作臺的剛度和精度，筆者公司對工作臺和工作臺底座的承重筋板進行了優(yōu)化設(shè)計。在工作臺和工作臺底座的內(nèi)、外圈靜壓導軌的中心處分別布置了內(nèi)外圈主承重環(huán)形筋板，工件的重量直接通過工作臺的內(nèi)外圈主、輔承重環(huán)形筋板作用到工作臺的雙圈靜壓導軌上，再通過工作臺底座的內(nèi)外圈主、輔承重環(huán)形筋板和內(nèi)外雙圈地腳墊鐵直接作用到地基上。在工作臺承受工件最大重量時，工作臺和工作臺底座的變形非常小，工件的平面度精度非常高。改進后的工作臺內(nèi)部筋板和腔體的布局更加合理，在不影響工作臺剛度的前提下，減小了工作臺筋板的厚度值。改進后的工作臺剛度較改進前提高了30%以上，而工作臺的重量卻減少了30 t 以上。通過上述結(jié)構(gòu)的改進，使工作臺的剛度和精度大大提高，雖然球墨鑄鐵件的單價(元/噸)鑄造成本較灰鑄鐵件稍高，但由于工作臺的重量減少較多，工作臺的總制造成本仍然降低，而工作臺的質(zhì)量卻得到了極大的提升。

3 新研重載高速工作臺結(jié)構(gòu)特點

在工作臺承載時，內(nèi)外雙圈靜壓導軌共同承受工作臺和工件的重量，改進后的工作臺承重量可達到400 t 至700 t。在實際設(shè)計中，根據(jù)用戶對工作臺承重的具體要求，對工作臺圓形靜壓導軌盤的數(shù)量進行相應(yīng)的調(diào)整，例如:當用戶要求工作臺承重量在300 t～500 t 時，設(shè)計了標準重型工作臺的靜壓導軌結(jié)構(gòu)，在工作臺底座外圈靜壓導軌上均布20 個圓形靜壓導軌盤，在工作臺底座內(nèi)圈靜壓導軌上均布10 個圓形靜壓導軌盤，工作臺和工作臺底座的厚度比例如圖1所示。

當用戶要求工作臺承重量在500 t～700 t 時，在標準重型工作臺靜壓導軌結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行了更進一步的改進，通過加大工作臺內(nèi)、外圈靜壓導軌直徑，增加內(nèi)、外圈靜壓導軌上圓形靜壓導軌盤的數(shù)量，加大工作臺和工作臺底座的高度，增大齒圈直徑的辦法，使工作臺的整體承重能力和精度滿足用戶的實際需求。

工作臺靜壓導軌中使用了圓形靜壓導軌盤承重的結(jié)構(gòu)，在相同面積下圓形靜壓導軌盤的周長最小。通過大量的實驗測試后驗證，在相同面積下圓形靜壓導軌盤的剪切發(fā)熱量最小，在重載、高速連續(xù)運轉(zhuǎn)工作中，改進后的工作臺靜壓導軌液壓油發(fā)熱源的發(fā)熱量得到了大幅度減少，因而，顯著地減小了工作臺的熱變形量，從而大大提高了工作臺和工件的平面度精度。

4 結(jié)語

新型高速重載工作臺結(jié)構(gòu)，經(jīng)過在最大加工直徑12.5 m 的數(shù)控雙柱立式車床上使用后驗證，該工作臺的最大工件重量可以達到500 t，而且工作臺芯部可以承受180 t 以上的工件重量。工作臺最高轉(zhuǎn)速可以達到30 r/min，大大提高了工作臺的轉(zhuǎn)速和承載能力，提高了工作臺的剛度和端跳精度，提高了工件的平面度精度，降低了工作臺的重量和制造成本，顯著地提高了重型立式車床的性能價格比。