K6920落地鏜銑立柱靜壓浮起設計

劉雙仲

【摘 要】隨著我國經濟發展的突飛猛進，機械制造技術水平也不斷提高。然而制造業的核心裝備就是數控機床，這使得數控機床的設計備受關注，本文根據三三工業設計開發的TK6920型數控落地鏜銑床，簡單介紹了靜壓系統的形式特點、立柱浮起靜壓系統的設計過程及導軌耐磨材料的選擇，對其他靜壓浮起結構的設計拋磚引玉。

【關鍵詞】恒壓靜壓；立柱浮起；浮起計算；導軌耐磨材料

中圖分類號： TG536 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）28-0241-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.113

靜壓浮起導軌，就是講液壓系統提供的液壓油，通過節流閥，注入兩個相對直線運動或旋轉運動的導軌面之間，在導軌面之間形成一層承重的油膜，兩導軌面之間具有一定的間隙，形成純液體摩擦的狀態。優點：

（1）相對運動的導軌不直接接觸，無論頻繁啟停或連續工作，導軌不會發生磨損，能長期保持制造精度，導軌壽命長。

（2）相對運動的導軌面之間是純液體摩擦，其摩擦系數僅在0.0005左右，因此驅動功率可大幅度降低，效率高，節能效果好。

（3）靜壓導軌的承載能力強，剛度高，吸振性好，導軌運行平穩。

（4）油膜厚度幾乎不受速度的影響，即使在極低速時，也不會爬行。

所以在重型、大型機床上應用較多。因此三三工業設計開發的TK6920型數控落地鏜銑的X軸（立柱）、Y軸（主軸箱）、Z軸（方滑枕）全部采用靜壓導軌，提供機床整體的承載能力。

本文以TK6920落地鏜銑床的立柱浮起（X軸）為例，介紹靜壓導軌的選型及設計計算。

1 靜壓浮起導軌型式的選擇

靜壓浮起導軌的型式在供油方式上可分為恒壓力靜壓導軌與恒流量靜壓導軌兩種。

恒壓力靜壓導軌是指節流閥進口處供油壓力即液壓系統的輸出壓力是一定的，為控制各油腔的流量進而調整各油腔的油膜厚度，往往使用毛細管節流器。油液流經毛細管的壓降與所通過的流量的平方成正比。因此，毛細管節流器孔徑小，易堵塞，對靜壓油的清潔度提出了很高的要求。為保證足夠的流量供給，節流器前后需保持較高的壓力差，油泵輸出壓力一般為油腔壓力的3-4倍以上，大量的液壓能轉化為熱能。為保持恒壓，系統溢流閥一直處于溢流工作狀態，能量損耗轉化為熱量，引起油溫升高。溫升會降低靜壓油的粘度，增加系統泄漏，降低系統壓力，影響靜壓系統工作的穩定性，為此必須配置油冷機。

恒流靜壓系統無須此節流器，每個油腔均可獨立的得到多頭泵一個頭的全留量供油，只要油腔壓力在多頭泵的耐壓范圍內，均可行程靜壓，當某段油腔的負載突然加大時油膜厚度隨之減小，導軌間的油流阻力增加，要維持恒流量，油泵的輸出壓力必然升高。若不計管路損耗，油腔壓力等于油泵供油壓力。油腔壓力增加，可平衡增大了的載荷。當其他條件一定，每個頭的留量又相同，則導軌能被均勻的浮起，個別支承油腔壓力變化不會引起其他油腔變化，因此系統剛度大、壓力儲備大、過載能力強。系統中沒有阻尼，不會因阻尼堵塞而導致靜壓失敗，故可靠性高。沒有調整阻尼的麻煩，裝配與維修方便，功率損耗與發熱量小，一般不需油冷機。

TK6920落地鏜銑立柱及主軸箱系統總重大，考慮到機床承載大，X坐標導軌采用恒壓靜壓導軌，靜壓系統為恒壓式一泵多腔貝思閥節流方式。靜壓油通過主管路輸送到移動部件上，在通過分油塊分配到各油腔，各油腔通過調節節流閥調整流量。各靜壓點均有壓力檢測，以保證靜壓導軌運行安全可靠。

本機床導軌采用雙矩形導軌，油膜厚度控制在0.03-0.05mm。

2 油腔結構設計

本機床立柱滑座導軌為鑲錫基青銅導軌，導軌長度為2900mm，為保證油膜厚度均勻及較大的承重，每條導軌油腔數為6個，壓板油腔數為每條4個。

3 供油系統的設計

本機床中，已知條件：立柱為35噸，主軸箱及配重26噸，滑板10噸，切削力最大6噸。平導軌板12塊，壓板導軌板8塊。

3.1 供油壓力的設計計算

隨著載荷變化，壓強隨之變化，因此計算出油腔內的最大和最小壓強。

3.3 電機及泵的選擇

根據流量及壓力的計算，選擇葉片泵YB1-20，流量20ml/rpm，額定壓力6.3MPa，工作在0-2.5MPa的壓力范圍內，與之相匹配電機Y132S-4，7.5KW，1500rpm。

4 靜壓導軌耐磨材料的選擇

靜壓系統正常工作時，導軌副并不接觸，因此對滑座導軌板的材質并無嚴格要求，當選用與床身同材質的鑄鐵作為導軌板，在出現意外情況，靜壓不起作用時床身導軌會出現膠合拉傷，基礎大件床身拉傷修復起來費時費力，一般不予選用。

因此導軌耐磨材料對機床的使用壽命有很大的影響。另外，TK6920鏜銑床立柱在行走的過程中，如液壓系統出現故障或突然斷電，則供油壓力不足，立柱滑板無法浮起，在兩滑動面之間無法形成靜壓油膜，而立柱滑板在慣性的作用下，不能馬上停止，也容易研磨導軌。

經查詢相關資料得知，導軌耐磨材料必須質地軟且有足夠的耐磨性能，目前國內重載回轉工作臺的動導軌多采用有色合金，耐磨材料多為銅合金，如QSn6.5-0.1、S214、S213等。銅合金的優點是質地軟但耐磨性較差，相比之下，鋁合金和銅合金更具有耐磨性好的優點。因此綜合制造成本及耐磨性，我們選擇7075鎂鋁合金作為導軌耐磨材料。

為了比較這些材料的耐磨性能，我們做了下面五種材料的耐磨實驗，準備了QSn6.5-0.1錫青銅、S214鋁青銅、S213磷青銅、7075航空級鎂鋁合金、6082航空鋁合金五種試驗件，在相同條件下，試驗五種材料的耐磨性能。下表為實驗的條件及實驗的相關數據：

實驗結果表明，7075鎂鋁合金是實驗材料中最適合的導軌耐磨材料。

5 安裝與調整

靜壓系統油箱與供油泵置于地基的地坑中，靜壓油經X軸拖鏈進入固定在滑座上分油塊中，分油塊上設有可調節流器，靜壓油經節流器節流后，通過Φ6X1mm的紫銅管進入各靜壓油腔。在工作之前，必須反復沖洗液壓油箱及管路，防止雜質進入油腔拉傷導軌。油泵工作期間，注意檢查過濾器，及時清洗和更換，為保證靜壓系統正常穩定的工作，同時從功率消耗最小及溫升最小的角度考慮，選擇粘度適合的靜壓導軌油。一般選用HG46液壓導軌油，冬春氣溫較低時可改用HG32液壓導軌油。

調試中，滑座四角各固定一千分表，啟停靜壓系統，其讀數變化值即工作臺的浮起量，注意觀察油腔壓力表，其值取決于導軌上的負荷、床身導軌精度。通過調整各油腔的節流器，保證四角的浮起量一致，控制在0.03-0.05mm內。

6 結語

本文以TK6920落地鏜銑床的立柱浮起為例介紹了一種恒流量供油的靜壓導軌設計計算方法，對于其他機床直線軸、回轉軸的靜壓導軌的設計計算具有一定的借鑒。

【參考文獻】

[1]《機床設計手冊》……………………機械工業出版社.

[2]《機械加工工藝手冊》………………北京出版社.

[3]《現代數控機床設計》………………機械工業出版社.