溫升對(duì)液體靜壓主軸加工精度的影響及改進(jìn)措施

王海濤 韓曉玲

（!北京航空制造工程研究所，北京100024；"青島黃海職業(yè)學(xué)院高職機(jī)電系，山東青島 266427）

在生產(chǎn)制造領(lǐng)域，精密鏜床是加工行業(yè)發(fā)展精密加工的重要內(nèi)容之一。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，精密鏜床加工技術(shù)正向更高精度、更高效率的領(lǐng)域擴(kuò)展。其中，以液體靜壓滑動(dòng)軸承為依托的靜壓鏜削主軸占了較大比例，在高精度孔的精密加工中發(fā)揮了重要作用。

1 問(wèn)題的提出

SJT-60型機(jī)床是一種液體靜壓主軸的精密鏜床，選用牌號(hào)是L-FC15的液壓油，其粘度為0.012 8 Pa·s。該機(jī)床主要用來(lái)鏜削加工高精度圓柱孔，主要技術(shù)參數(shù)和精度指標(biāo)如下：

（1）孔直徑范圍：16～50 mm；

（2）主軸回轉(zhuǎn)精度：0.002 mm；

（3）孔圓柱度：≤0.001 5 mm；

（4）表面粗糙度：Ra0.4#m；

（5）孔尺寸精度：±0.015 mm。

從以上指標(biāo)可以看出，所加工零件的精度較高，因此，任何對(duì)軸系產(chǎn)生不良影響的因素，都會(huì)最終反映到零件的精度上。通過(guò)對(duì)SJT-60型鏜床一段時(shí)間的生產(chǎn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)靜壓軸系的溫升對(duì)所鏜削孔位置度的影響較大，特別是在不具備恒溫環(huán)境的夏季，這種狀況更為明顯。以發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的加工為例，其壓縮高（圖1）尺寸精度要求為37.65±0.02 mm，隨著靜壓軸系溫升（夏季還應(yīng)考慮周圍環(huán)境溫度的影響），液壓油粘度系數(shù)降低，從而承載力減小，鏜床主軸逐步偏離中心下降，使被加工活塞的壓縮高也相應(yīng)發(fā)生變化，降低了活塞銷孔的加工精度。當(dāng)溫升達(dá)到一定溫度后，活塞壓縮高的尺寸便超差，導(dǎo)致廢品的產(chǎn)生，給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)上的損失。另外，溫升會(huì)使軸系中的主軸和靜壓軸承（也稱軸瓦）發(fā)生熱變形，致使兩者的間隙變化不均，有時(shí)甚至產(chǎn)生抱軸現(xiàn)象，導(dǎo)致鏜床主軸不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

基于此種情況，要想改變現(xiàn)狀，必須找出溫升的原因，進(jìn)而消除或減輕溫升對(duì)鏜床加工精度的影響，以保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 原因分析

2.1 靜壓軸承（軸瓦）原理

靜壓軸承是靠外部液壓系統(tǒng)（液壓站）供給壓力油，經(jīng)過(guò)小孔節(jié)流，進(jìn)入到軸瓦的油腔，建立承載油膜，該油膜將主軸和軸瓦表面隔開(kāi)，鏜床主軸浮在靜壓軸承中間，保證主軸在額定轉(zhuǎn)速和額定負(fù)載范圍內(nèi)，都與軸瓦處于液體摩擦的狀態(tài)，如圖2所示。如果在載荷作用下，支承的兩個(gè)表面互相接近時(shí)，液壓油被迫流經(jīng)較小的間隙，根據(jù)流量平衡原理，油腔壓力必定增高，直至油腔及其周圍封油面上的壓力總和與載荷平衡。油膜阻礙間隙隨載荷而變化的能力，取決于流量控制器的類型。

靜壓軸承具有摩擦阻力小、精度保持性好、油膜補(bǔ)償誤差功能以及良好的抗振性能等優(yōu)點(diǎn)，而且在高速時(shí)其摩擦功耗低于動(dòng)壓軸承，故其適應(yīng)工況范圍很廣。

2.2 溫升原因

通過(guò)查看生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和查閱相關(guān)資料，主要原因包括以下幾方面：

（1）液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷

液壓元件的規(guī)格選擇不合理，采用元件的容量太小、流速過(guò)高；系統(tǒng)在非工作過(guò)程中，沒(méi)有有效的卸荷措施，使大量的液壓油損耗而產(chǎn)生熱量；另外，油箱容積小，散熱條件差也是其中一個(gè)原因。這些都可以使液壓系統(tǒng)功率過(guò)剩，從而造成能量損失而使液壓油溫升過(guò)高。

（2）主軸卸荷軸承發(fā)熱

SJT-60型鏜床動(dòng)力傳動(dòng)采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)具有卸荷功能的主軸皮帶輪，如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)，使得滾動(dòng)軸承8回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量通過(guò)卸荷座9傳遞到了主軸箱上。因軸瓦11、13與主軸箱12過(guò)盈配裝在一起，所以傳遞過(guò)來(lái)的熱量最終使軸系產(chǎn)生溫升，這無(wú)疑又是雪上加霜；另外，無(wú)論溫升源自何處，都對(duì)軸瓦和主軸自身體積的膨脹率產(chǎn)生影響，從而進(jìn)一步影響鏜床的加工精度。

（3）摩擦力矩和液壓油型號(hào)

靜壓主軸和軸瓦之間以液壓油為介質(zhì)，在一定壓力下，液壓油產(chǎn)生一個(gè)油膜阻力，因而主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，就有摩擦力矩的存在，因而不可避免地產(chǎn)生溫升。

另外，液壓油的粘度不同，摩擦力矩也不同。所以，在選擇液壓油的粘度時(shí)，不能僅憑以往的經(jīng)驗(yàn)，必須根據(jù)鏜床軸系參數(shù)，通過(guò)相關(guān)的計(jì)算和運(yùn)轉(zhuǎn)加工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以驗(yàn)證，才能確定液壓油的最終使用型號(hào)。

2.3 溫升原因及對(duì)加工精度的影響過(guò)程

如圖4所示，我們可以清楚看到靜壓軸系溫升產(chǎn)生的主要原因和影響加工精度的過(guò)程，由此可以有針對(duì)性地逐一進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，以最大限度地限制溫升，提高鏜床的加工精度。

3 改進(jìn)措施

針對(duì)以上導(dǎo)致液壓油溫升的原因，根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際，作出以下相應(yīng)的改進(jìn)和完善：

3.1 液壓系統(tǒng)

根據(jù)靜壓軸承所需液壓油的流量，重新計(jì)算校驗(yàn)液壓系統(tǒng)所需液壓元件的技術(shù)參數(shù)，把不合理的元件進(jìn)行更換。例如，原來(lái)所選的油泵流量過(guò)大，通過(guò)計(jì)算后，選擇流量適合的油泵。

適當(dāng)加大油箱的容積，以增加散熱面積；另外，針對(duì)夏季車間溫度過(guò)高的情況，在液壓站油箱上加裝可制冷的恒溫裝置，使液壓油的溫度能有效的控制在一個(gè)較小的變化范圍之內(nèi)，以保證鏜床的加工精度。

3.2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

更改主傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)，把皮帶傳動(dòng)的卸荷結(jié)構(gòu)完全去除，換為電主軸形式的直聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖5所示，從根本上消除由于卸荷軸承運(yùn)轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的溫升，可使原有溫升的狀況有較大的改觀，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)，效果非常明顯。

3.3 液壓油的選擇

液壓油粘度高，承載能力就大，但軸承流量小，功耗大，因而溫升高，溫度高則液壓油的粘度下降，單單靠提高液壓油的粘度以增加軸承的承載能力將會(huì)受到限制。所以，液壓油的選擇一定要通過(guò)合理計(jì)算來(lái)確定。

一般靜壓軸承按轉(zhuǎn)速由公式η=0.068n-1/3計(jì)算所需的液壓油粘度，該粘度為有效溫度（或平均溫度）下的粘度，以保證軸承的溫升不會(huì)過(guò)高。

3.4 降低摩擦力矩

液壓油的粘度確定以后，摩擦力矩的降低方式一般是在主軸和軸瓦配合公差允許的范圍內(nèi)，盡量增大兩者之間的間隙，但這種方法相應(yīng)的也增大了液壓系統(tǒng)的供油功耗。因此，要使用該方法，必須在設(shè)計(jì)改進(jìn)時(shí)，對(duì)液壓系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，在保證支承件工作油膜剛度和精度要求的前提下，最大限度的降低系統(tǒng)的總功耗。

4 生產(chǎn)驗(yàn)證

針對(duì)產(chǎn)生溫升原因的根源，對(duì)SJT-60型鏜床相應(yīng)部分進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)調(diào)整、試加工后，將該鏜床應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)中進(jìn)行檢驗(yàn)。經(jīng)過(guò)一個(gè)月的生產(chǎn)，結(jié)果表明：溫升影響靜壓主軸加工精度的情況得到了明顯改觀，未再出現(xiàn)活塞壓縮高的超差現(xiàn)象，消除了由于溫升而產(chǎn)生廢品的現(xiàn)象。

隨機(jī)從現(xiàn)場(chǎng)所加工的YC6108型活塞中抽檢了100只進(jìn)行測(cè)量，壓縮高尺寸精度全部符合客戶圖紙的技術(shù)要求，其它主要技術(shù)指標(biāo)精度也有了較大提高，各項(xiàng)目測(cè)量的平均值如表1所示。

表1 YC6108型活塞主要參數(shù)指標(biāo)測(cè)量值

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我們可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）靜壓主軸的加工精度受溫升的影響，而且很難徹底根除，只能有針對(duì)性地改進(jìn)和完善，使溫升對(duì)加工的副作用逐步減小。

（2）溫升產(chǎn)生原因復(fù)雜，要善于找出主要因素。有些我們通過(guò)檢查和測(cè)量能夠發(fā)現(xiàn)，有些雖然存在，但還需通過(guò)進(jìn)一步的分析試驗(yàn)才能得到確認(rèn)，因此，溫升的研究是一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)的課題。

（3）溫升能夠控制。采取有效措施，合理制定改進(jìn)方案和措施，最大限度降低溫升對(duì)靜壓機(jī)床加工精度的影響，有利于提高生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

（4）對(duì)于不同的靜壓系統(tǒng)，溫升有一個(gè)合理的幅度范圍，控制和限制溫升，也要在相應(yīng)合理的范圍之內(nèi)，否則可能適得其反。

（5）通過(guò)對(duì)溫升影響加工精度的研究，可以總結(jié)歸納出普遍性的切入點(diǎn)，應(yīng)用到其它相似問(wèn)題研究中，以獲取更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］王啟義主編.中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)大典［M］.南昌：江西科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

［2］成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).單行本.液壓傳動(dòng)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［3］王海濤，等.優(yōu)化數(shù)控車床傳動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)提高主軸回轉(zhuǎn)精度的影響.機(jī)械工程師，2008（7）.