超精密液體靜壓回轉工作臺研制*

胡 秋 汪俊文 袁南南 王寶瑞

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所超精密加工技術重點實驗室，四川 綿陽 621900)

靜壓轉臺具有回轉精度高；摩擦系數極小，啟動轉矩小，無爬行；承載能力大，剛度高，抗振性好；零磨損，使用壽命長等一系列優點。近年超精密液體靜壓轉臺在歐美等發達國家廣泛應用于各種高精密加工機床[1-2]。

目前，靜壓回轉工作臺在國內高性能數控機床開始有所應用，北京廣宇大成生產的立式磨床采用靜壓回轉工作臺以獲得高的磨削精度，武重威泰立式車床采用開式靜壓導軌作為其回轉工作臺軸向支承以獲得大的承載能力。但國內以往采用的靜壓環形導軌與滾動軸承配合的支承方式不能滿足高回轉精度需求，為提高軸向承載能力而采用的環形開式導軌對負載變化敏感，傾覆力矩抵抗能力較差、剛度低、易漂移[3]。

本文以某高精度數控立式磨床回轉工作臺為研究對象，對高精度靜壓轉臺總體方案設計、支承系統設計、精度設計、熱態特性設計等作了詳細的論述，并在高精度立式磨床實現了外圓內孔0.45 μm磨削精度。

1 應用背景

某數控立式磨床[4]主要用于超精密主軸、高性能電主軸套類工件高效復合磨削，機床總體布局如圖1所示，采用該機床進行套類工件磨削，可以避免工件重力影響，工件裝卡具設計容易；工件一次裝卡可實現外圓、內圓、端面、軸肩一次磨削，無工件轉運累積誤差，精度高，效率高。

2 靜壓回轉工作臺設計

2.1 靜壓回轉工作臺總體設計方案

回轉工作臺是該機床關鍵部件之一，其動態回轉精度、剛度直接影響加工工件圓度、端面平面度及工藝系統剛性，因此要求回轉工作臺高剛度、高熱穩定性、高動態回轉精度。

回轉工作臺整體采用組件式設計以便于轉臺系統制造與裝配，轉臺支承系統采用液體靜壓技術以獲得高精度、剛度和良好的阻尼特性；采用大扭矩力矩電動機直接驅動以獲得高精度和動態響應特性；為盡量減小電動機發熱對回轉工作臺工作端影響，力矩電動機下置，止推軸承上置，使回轉主軸熱位移往工作臺非工作端移動，回轉工作臺整體結構如圖2所示。

2.2 靜壓回轉工作臺支承系統設計

支承元件是轉臺核心元件之一，靜壓回轉工作臺承載能力、剛度、回轉精度與支承系統緊密相關，靜壓回轉工作臺支承系統徑向和軸向支承均采用液體靜壓軸承，設計如圖3所示。

徑向軸承、止推軸承均采用小孔節流器以獲得高的動態響應特性[5]，潤滑油選N3，供油壓力為2 MPa。徑向軸承采用有軸向回油槽矩形油腔，軸頸直徑D取200 mm，軸承長L= 1.2D，油腔數為6，徑向、軸向封油邊取0.1D，并由此確定徑向軸承其他結構參數[6]，油膜間隙取20 μm，節流器小孔直徑0.5 mm，實測油膜間隙和小孔直徑，液阻比為1.2。止推軸承采用等面積液體靜壓閉式環形導軌，靜壓止推導軌內、外端封油面寬等于徑向軸承周向和軸向封油邊尺寸，即R2-R1=R4-R3=0.1D，并由此根據靜壓導軌一般設計規范確定閉式環形導軌油腔其他結構參數[7]，液阻比為1.35。

根據相關設計參數，進行靜壓支承剛度計算[7]，徑向軸承、止推軸承剛度分別為3 371 N/μm和2 813 N/μm，并進一步對轉臺徑向、軸向剛度進行仿真計算(圖4)，其徑向、軸向剛度分別為449 N/μm和2 154 N/μm。

在機床上對靜壓回轉工作臺進行剛度測試(圖5)，采用加載裝置對回轉工作臺施加軸向力和徑向力，加載時通過加載頭前端力傳感器實時測取所施加外載荷大小。力傳感器選用Interface公司SSM-AJ-2000型傳感器，傳感器量程(0～10 000)N，位移測量采用TESA公司TT80電感測微儀配GT21HP測頭，實測徑向和軸向剛度分別為390 N/μm和1 970 N/μm，可以滿足機床加工要求。

2.3 靜壓回轉工作臺精度設計

回轉工作臺追求高的動態回轉精度以確保工件磨削精度。轉臺系統幾何精度設計主要根據靜壓回轉工作臺精度要求確定靜壓回轉工作臺主要零件加工精度和裝配精度。考慮到油膜誤差均化作用，對單個軸承，油膜誤差均化系數取4～5[7-8]，確定關鍵零部件制造精度為1.5～2 μm，并采用精磨后手工研磨的方式保證主軸、軸套等關鍵零部件形位精度和尺寸精度。

對靜壓回轉工作臺進行全轉速范圍內動態回轉精度測試[9]，如圖6所示，測試裝置由電容傳感器、高精度標準球和標準球微調裝置、同步數據采集系統、同步信號產生器等組成，位移測量采用米銥CS1HP型電容傳感器，靜態與動態分辨率分別為0.75 nm和20 nm，同步信號由與靜壓轉臺同軸安裝的角度編碼器產生。

靜壓回轉工作臺在50 r/min、100 r/min、150 r/min、200 r/min時，其徑向動態回轉精度和軸向動態回轉精度最大分別為0.2 μm和0.25 μm。轉速為50 r/min、100 r/min時主軸動態回轉精度最好，而在低速時和高速時動態回轉精度不如中等轉速，這與電動機低速運動平穩性有關。

2.4 靜壓回轉工作臺熱態特性

靜壓回轉工作臺熱態性能包括以下幾個方面[10]：低溫升；溫度場及熱位移場對主軸軸線的對稱性；主軸系統熱位移應盡量小且向主軸后端伸展，主軸工作臺端軸向熱位移應盡量小。

在本轉臺系統設計中，針對力矩電動機發熱和油膜剪切摩擦發熱兩大熱源，對電動機采用恒溫水冷強制冷卻；靜壓支承系統采用稀油、大流量設計以帶走摩擦熱；油腔入口油溫恒溫控制；結構設計中力矩電動機下置，止推軸承上置，使回轉工作臺熱位移往非工作端移動。

在機床上對研制的轉臺分別進行了30 r/min、50 r/min、100 r/min轉速條件下溫度和熱位移實時測量。如圖7所示，為方便測試，測試時拆除轉臺系統工作臺，關閉磨削液過濾系統。溫度測量采用多通道數據采集系統進行實時測量，傳感器選用Omega公司PRMAG-2-100-A-P型鉑電阻溫度傳感器，熱位移采用米銥CS1HP型電容傳感器。每輪實驗時間持續3 h左右，每次試驗完畢后機床停機12 h等待機床冷態平衡后再進行下一輪實驗。

機床實際常用工作轉速30 r/min測量過程溫升曲線如圖8，最高溫升發生在上測點5(上止推板)處，溫升約5 ℃；主軸軸頭熱位移約4 μm。分析上述結果，由于整個試驗過程中轉臺靜壓供油系統風冷功率稍小，整個試驗過程中供油溫升為2.5 ℃，同時環境溫度在實驗時間內上升約0.5 ℃，導致轉臺外熱源不斷提供給轉臺熱量，使得測試結果相對偏高。在實際工作中，機床將開啟大流量磨屑液過濾系統，磨屑液會帶走大量的熱，機床工作端溫升和熱位移將更小，說明轉臺整體具備較好的熱態特性。

3 靜壓回轉工作臺應用驗證

本項目研制的靜壓轉臺應用于某高精度數控立式磨床已累積通過2 500 h以上應用考核驗證，在機床進行了不同材料、不同尺寸外圓、內孔、端面進行了磨削。

在外圓和內孔試驗中，試件材料均為38CrMoAlA，滲氮(0.3～0.5) mm，表面硬度900HV，其中外圓磨削試件為某高精度靜壓轉臺芯軸，尺寸為φ150 mm×120 mm，內孔磨削試件為某超精密空氣靜壓主軸軸套，尺寸為φ200 mm×190 mm。磨削后高精度圓度儀進行圓度檢測，實測結果表明，對于外圓和內孔，機床均實現了圓度0.45 μm，表面粗糙度Ra0.1 μm磨削效果。對于某高精度角度計量轉臺用陶瓷環，尺寸為φ340 mm×14 mm，硬度88～90 HRA，實現在外圓圓度0.8 μm磨削精度。

長時間的應用考核，驗證了研制的靜壓轉臺具有較好的動態回轉精度，較高的剛度以及較好的動態穩定性。

4 結語

針對高精度立式磨床回轉工作臺技術要求，設計了基于液體靜壓支承的直驅轉臺總體技術方案以保證轉臺系統良好的動態特性和精度特性；轉臺徑向軸承和軸向軸承采用液體靜壓支承以獲得較高的系統剛度，保證了機床工藝系統剛性；利用靜壓支承油膜誤差均化作用，確定了其關鍵零件部件精度并采用手工研磨方式保證了其制造精度，實現了全轉速范圍內0.25 μm動態回轉精度；支承設計采用稀油大流量、止推上置電動機下置、電動機恒溫強冷等技術措施較好地保證了回轉工作臺熱態特性。實測數據表明，工作端熱伸長小于4 μm，保證了機床加工精度。研制的靜壓回轉工作臺應用于高精度立式數控磨床，實現了外圓磨削圓度0.45 μm，內孔磨削圓度0.45 μm磨削精度。

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