液體靜壓、動靜壓技術(shù)在我國機(jī)床的發(fā)展歷史及現(xiàn)況

上海原創(chuàng)精密機(jī)床主軸有限公司 丁振乾

靜壓支承具有高精度、高剛度、長壽命等一系列優(yōu)點而得到人們的重視和廣泛應(yīng)用。最早的液體靜壓支承的雛形是在1878年巴黎國際博覽會上展出的能靈活浮動的展品。1938年美國加利福尼亞洲的帕羅馬爾山天文觀測站在200英寸天文望遠(yuǎn)鏡上，首次成功地應(yīng)用液體靜壓推力軸承。該望遠(yuǎn)鏡重量為500t，轉(zhuǎn)速為1轉(zhuǎn)/天，但驅(qū)動功率僅需70W。1945年法國工程師P.Gerard發(fā)明了向心靜壓軸承，并于1948年成功地應(yīng)用于Gendron磨床砂輪主軸上，在以后的幾十年中，靜壓技術(shù)迅速發(fā)展，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，幾乎遍及于整個機(jī)械制造行業(yè)，包括儀器、冷軋機(jī)、雷達(dá)天線座等民用與軍工的設(shè)備上。

為制造精密磨床，國內(nèi)上海機(jī)床廠于1958年首先開展該技術(shù)的研究。隨后1959年廣州熱帶機(jī)床研究所成立，1962設(shè)立專業(yè)研究室。經(jīng)過五十多年的發(fā)展目前該技術(shù)已達(dá)世界先進(jìn)水平，不但給新產(chǎn)品設(shè)計提供性能良好的軸承，提高了機(jī)床及設(shè)備的精度和效率，也為舊設(shè)備的精化改造提供了技術(shù)保證。以下本文略述我國機(jī)床靜壓技術(shù)的發(fā)展過程及現(xiàn)況。

一、原理驗證階段 (1958～1960)

當(dāng)時毛細(xì)管節(jié)流及小孔節(jié)流靜壓軸承國外雖有理論公式，但在機(jī)床上的應(yīng)用實例不多，對于軸承及節(jié)流器的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)甚至缺少資料。因此只能根據(jù)已有的資料對靜壓軸承進(jìn)行原理驗證，以探討在磨床上應(yīng)用的可能性。

第一套靜壓軸承是裝在一臺外圓磨床砂輪架上，通過試驗，初步驗證了計算公式。以后在上述試驗基礎(chǔ)上又制造了小孔節(jié)流靜壓軸承砂輪架，供三臺磨床 (M7120及M7150型臥軸矩臺平面磨床、Y7520W型萬能螺紋磨床)生產(chǎn)試用。如:M7120型平面磨床砂輪架軸承，以0.05～0.10mm的進(jìn)給量磨削硬度為48HRC的45鋼，一次走刀，光潔度即達(dá)▽9。以0.01mm的進(jìn)給量磨削HT200鑄鐵件時，可磨出▽10光潔度，比原動壓支承提高一大級。上述試驗證明，靜壓軸承應(yīng)用在磨床上是完全可行的，從而為靜壓支承的進(jìn)一步試驗及應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

二、生產(chǎn)性試驗階段 (1961～1968)

由于當(dāng)時沒有精密濾油器，在這個階段遇到的最大困難是節(jié)流器的阻塞而引起抱軸，使靜壓軸承無法正式用于商品，后來用180#細(xì)密銅絲外繞6層絨布及2層稠布制成的濾油器勉強(qiáng)解決阻塞問題，節(jié)流形式方面除小孔外又引入了圓截面毛細(xì)管及滑閥節(jié)流等。

1959年廣州熱帶機(jī)床研究所成立，由上海機(jī)床廠調(diào)往該所的工程師在1962年組建靜壓研究室，此項技術(shù)的研究與應(yīng)用得到有力的推動。與此同時，國內(nèi)無錫機(jī)床廠等其他磨床廠也開始對靜壓軸承進(jìn)行試驗，此項技術(shù)得到磨床制造業(yè)普遍重視。

1965年上海機(jī)床廠在H075型軸承環(huán)磨床的頭架上應(yīng)用靜壓軸承，使被磨工件的內(nèi)外圓的不圓度達(dá)0.5μm、光潔度達(dá)▽12作為第一臺商品跨出成功的一步。此時，廣州機(jī)床研究所進(jìn)行小孔節(jié)流的研究，并將其用在機(jī)床改造上。1966年英國W.B.Rowe等發(fā)明了雙面薄膜節(jié)流器，由于其剛度明顯高于毛細(xì)管、小孔等節(jié)流器而得到重視，但當(dāng)時理論公式未建立，只能用試湊法尋找最佳剛度，從而限制了生產(chǎn)上的應(yīng)用。

這個階段對理論的研究只限于消化國外的有關(guān)資料，因此只限于節(jié)流器結(jié)構(gòu)形式的試驗及磨床產(chǎn)品試驗階段，未能大量應(yīng)用于生產(chǎn)。

三、重視理論研究和大量推廣階段(1969～1984)

為了解決生產(chǎn)中存在的參數(shù)選擇而推動對靜壓軸承可變節(jié)流器 (薄膜、滑伐節(jié)流)的設(shè)計參數(shù)的理論研究，六十年代末原廣州熱帶機(jī)床所推導(dǎo)出滑伐節(jié)流及薄膜節(jié)流的參數(shù)選擇公式，與此同時上海機(jī)床廠提出薄膜節(jié)流的參數(shù)選擇的簡化公式和薄膜制造工藝，這些理論公式的建立給推廣帶來很大方便。

廣州機(jī)床研究所在研究和推廣的熱潮中起到組織帶頭作用，幫助國內(nèi)機(jī)械制造業(yè) (包括機(jī)床、工具等)許多企業(yè)推廣靜壓技術(shù)并在許多工程項目上應(yīng)用，取得良好成果。如:幫助武漢重型機(jī)床廠將滑閥節(jié)流靜壓軸承應(yīng)用于重型車床，將小孔節(jié)流靜壓軸承應(yīng)用于廣州機(jī)床廠生產(chǎn)的外圓磨床等機(jī)床產(chǎn)品中，同時還在成都量具刃具廠和洛陽拖拉機(jī)廠大量進(jìn)行技術(shù)改造，作為推廣的樣板。

上海機(jī)床廠用自己的研究成果陸續(xù)開發(fā)了六十余種應(yīng)用靜壓技術(shù)的新產(chǎn)品，如MG1432A外園磨床光潔度穩(wěn)定達(dá)▽14，S7450絲桿磨床上應(yīng)用了靜壓軸承，靜壓絲桿螺母、靜壓導(dǎo)軌，M82100大曲軸磨床在砂輪架及頭架上應(yīng)用靜壓軸承等產(chǎn)品，同時在磨床等行業(yè)中推廣薄膜節(jié)流靜壓軸承。

1973年6月在廣州召開的全國靜壓技術(shù)會議上，對于靜壓軸承的理論計算、推廣及應(yīng)用進(jìn)行了交流，帶動了全國靜壓軸承技術(shù)的研究及推廣應(yīng)用，使這項由當(dāng)時一機(jī)部范圍內(nèi)的研究及應(yīng)用成果推廣到其他部門，全國形成靜壓軸承研究和推廣的熱潮。在其他行業(yè)的推廣應(yīng)用中，原三機(jī)部利用一機(jī)部的經(jīng)驗，在北航組建了流體原理與應(yīng)用研究室為靜壓技術(shù)推廣的技術(shù)指導(dǎo)單位，在原三機(jī)部系統(tǒng)內(nèi)改造舊設(shè)備取得良好成效。

這是一次影響深遠(yuǎn)的盛會，由于靜壓技術(shù)的推廣應(yīng)用使我國機(jī)床的水平有了明顯的提高，會后制造出許多新產(chǎn)品。沈陽第一機(jī)床廠用薄膜節(jié)流靜壓軸承制造出高精度磁盤車床;航空部六二五所用薄膜節(jié)流靜壓軸承研制成功高精度球面車床;無錫機(jī)床廠制造出高精度無心磨床;上海儀表機(jī)床廠用小孔節(jié)流靜壓軸承制造出高精度車床;廣州機(jī)床所的M8240曲軸磨床;上海機(jī)床廠的高精度軸承環(huán)磨床及硒鼓車床等產(chǎn)品，此后這種交流活動頻繁開展。

在生產(chǎn)中的擴(kuò)大應(yīng)用給理論研究提出的新課題，使理論計算方面取得很大進(jìn)展，如:廣州所的大位移承載能力及剛度計算;上海機(jī)床廠建立任意油腔數(shù)各種節(jié)流器所通用的動靜態(tài)普遍公式，此公式體現(xiàn)了靜壓軸承各種結(jié)構(gòu)形式與節(jié)流形式的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律性，并對W.B.Rowe的“液體靜壓軸承的設(shè)計步驟”中的計算公式的錯誤作了修改。當(dāng)時對于動態(tài)特性問題的研究給于特別的重視，廣州所與華師大合作對于階躍載荷及頻率特性、穩(wěn)定性等進(jìn)行研究;上海機(jī)床廠與上海師大合作對薄膜節(jié)流的動態(tài)特性進(jìn)行研究，得到有用的結(jié)論，尤其是認(rèn)識到油液中殘留空氣對軸承性能的嚴(yán)重影響，將原來裝在油腔的壓力表取消，大大提高動態(tài)性能。由于認(rèn)識到以往研究靜壓支承的主要工作放在節(jié)流器上，將靜壓軸承與動壓軸承人為地遠(yuǎn)遠(yuǎn)分開是不利于靜壓軸承發(fā)展的，因此開始重視對油腔結(jié)構(gòu)的研究。電子計算機(jī)的發(fā)展使得在計算方法上從解析開始進(jìn)入用差分法和有限元素法進(jìn)行數(shù)值解，從而提高計算的精確度，并能較精確地解決以前用簡化計算所難于解決的問題。

在結(jié)構(gòu)方面，英國的溝槽節(jié)流首先由漢江機(jī)床廠應(yīng)用，蘇聯(lián)的內(nèi)部節(jié)流形式也曾引起注意。上海機(jī)床廠將其進(jìn)行改進(jìn)并應(yīng)用于M84160軋輥磨床等產(chǎn)品。日本豐田工機(jī)的腔內(nèi)回油也曾引起重視，對其回油孔的布局、動壓效應(yīng)等做深入的研究也應(yīng)用于產(chǎn)品上。廣州所和武重對靜壓技術(shù)的另一分支定量供油式靜壓支承的研究也取得良好成效，并成功應(yīng)用于重型機(jī)床上。另一方面作為靜壓支承應(yīng)用的擴(kuò)大，利用靜壓油腔在受力時的壓力變化作為信號用于測量上也在進(jìn)行試驗，如:漢江機(jī)床廠在螺紋磨床對刀裝置，陜西機(jī)床廠用于試驗微進(jìn)給裝置。

這些研究的成果豐富了靜壓技術(shù)的理論:在70年代中期由部局組織編寫的《機(jī)械工程手冊》中的靜壓技術(shù)的有關(guān)章節(jié)由廣州機(jī)床研究所主筆;《機(jī)床設(shè)計手冊》的有關(guān)靜壓技術(shù)的章節(jié)，由上海機(jī)床廠主筆;廣州機(jī)床研究所改版了《液體靜壓軸承原理及應(yīng)用》;八十年代初北航編寫了教材“液體靜壓支承原理與設(shè)計”。這期間在《機(jī)床與液壓》、《潤滑與密封》、《磨床與磨削》、《設(shè)備維修》等雜志上發(fā)表有許多靜壓技術(shù)的文章。為了推廣技術(shù)曾召開許多全國性的靜壓技術(shù)交流會，規(guī)模一次比一次大，水平一次比一次高。值得一提的有，1973年6月在廣州召開的全國靜壓技術(shù)會議，其影響極為深遠(yuǎn)，對于靜壓軸承的理論計算、推廣及應(yīng)用進(jìn)行了交流，帶動了全國靜壓軸承技術(shù)的研究及推廣應(yīng)用;1980年由摩擦學(xué)會、設(shè)備維修學(xué)會聯(lián)合在成都召開全國靜壓技術(shù)交流會，總結(jié)了七十年代靜壓技術(shù)推廣應(yīng)用的經(jīng)驗和教訓(xùn)，提出了動靜壓技術(shù)研究和專業(yè)化生產(chǎn)的方向。

四、動靜壓軸承、靜壓軸承應(yīng)用的擴(kuò)大和商品化 (1985～)

隨著靜壓軸承的應(yīng)用和研究的深入，對靜壓軸承在高轉(zhuǎn)速時的動壓效應(yīng)引起重視，如何更有效地利用動壓力節(jié)省能源是個值得重視的問題。國外大型冷軋機(jī)及大型立車等重型設(shè)備上應(yīng)用靜壓啟動，動壓工作的動靜壓混合軸承。七十年代中期起廣州機(jī)床所研究動靜壓軸承用于球磨機(jī)、軋機(jī)、發(fā)電機(jī)等重型設(shè)備上。對磨床而言，高的轉(zhuǎn)速所帶來的動壓效應(yīng)不可忽視，并在動態(tài)特性的研究中得到的不同節(jié)流器，雖然靜態(tài)油膜剛度不同，但在高頻下具有幾乎相同的動剛度，而油腔的結(jié)構(gòu)卻是決定動剛度的主要因素，于是在上海機(jī)床廠開展了磨床動靜壓軸承的研究。

1976年上海機(jī)床廠研制成功兩類多油楔動靜壓軸承，即HSDB-R及HSDB-1，前者為帶外節(jié)流的將原靜壓軸承的深油腔改進(jìn)為階梯或收斂曲線淺油楔的動靜壓軸承，后者為利用階梯節(jié)流及階梯油楔的無外節(jié)流的自節(jié)流動靜壓軸承。這兩種軸承的性能明顯超過靜壓軸承，并曾作為機(jī)密技術(shù)，大量在磨床新產(chǎn)品上應(yīng)用，取得了良好成效。三十多年來得到越來越多的應(yīng)用，迄今仍是性能最佳的應(yīng)用于精密機(jī)床的動靜壓軸承。例如用于外圓磨床上達(dá)到鏡面 (▽14)所需的時間比靜壓軸承節(jié)省一半以上，用于頭架上能磨出不圓度0.1μm以下的工件。這項技術(shù)直到1980年在成都召開的全國靜壓技術(shù)交流會上才對外發(fā)表，引起同行的重視，其后國內(nèi)轉(zhuǎn)向動靜壓軸承的研究。

在此以后出現(xiàn)的動靜壓軸承幾乎都類似于上述兩種動靜壓軸承，動壓油楔幾乎都是階梯油楔和靜壓的自節(jié)流形式，僅形成自節(jié)流形式有些改變，例如北航在八十年代中提出的孔式環(huán)面節(jié)流的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于磨床改造。北京第二機(jī)床廠在研究動壓軸承過程中對于階梯油楔的加工工藝的成果，對該類動靜壓軸承的推廣起了積極的作用。

在單油楔動靜壓軸承方面也有新的發(fā)展，例如:WALDRICH的三油腔動靜壓軸承應(yīng)用于軋輥磨床中效果良好。

八十年代中期，隨著國家體制改革的深入和動靜壓技術(shù)的成熟，設(shè)備改造的需求促使我國液體動靜壓軸承主軸部件出現(xiàn)專業(yè)化生產(chǎn):北航成立的北京中航設(shè)備改造研制廠，從對于航空系統(tǒng)的企業(yè)中的舊設(shè)備技術(shù)改造入手，逐步形成主軸單元商品化而進(jìn)入小批生產(chǎn);岳陽機(jī)床廠主軸功能部件研究所的雙錐面靜壓軸承部件，作為專用部件增加機(jī)床的功能，加裝在如龍門刨等普通機(jī)床上磨削機(jī)床導(dǎo)軌、大型平面、內(nèi)孔、外圓，社會效益可觀;上海機(jī)床廠在七十年代末期開始對各類磨床進(jìn)行改造，效果顯著;上海引進(jìn)設(shè)備維修中心、得寶機(jī)床 (北京)有限公司對軋輥磨床等各類磨床及多軸鏜頭等進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行改造收效良好;廣州機(jī)床研究所針對一些機(jī)床廠的需求也供應(yīng)部分主軸部件商品。

隨著大型機(jī)床的發(fā)展液體靜壓導(dǎo)軌的應(yīng)用也逐漸增多，尤其是國外商品化的定量供油裝置給靜壓導(dǎo)軌的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

1994年由以上幾家發(fā)起，得到中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會批準(zhǔn)，成立了滑動軸承主軸單元專業(yè)委員會。2003年2月，為使主軸功能部件行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，適應(yīng)機(jī)床行業(yè)的需要，更名為主軸功能部件專業(yè)委員會，使此技術(shù)的交流日趨增多，使主軸功能部件行業(yè)逐步發(fā)展壯大。目前從事專門生產(chǎn)動靜壓混合油膜軸承及其主軸功能部件生產(chǎn)的主要廠家有:上海原創(chuàng)精密機(jī)床主軸有限公司、北京航空精研機(jī)電技術(shù)有限公司、北京北航精密機(jī)電有限公司，北京東方精益機(jī)械設(shè)備有限公司、岳陽科夢科技有限責(zé)任公司、湖南普來得機(jī)械技術(shù)有限公司、無錫市新風(fēng)軸瓦廠等單位。

當(dāng)前動靜壓軸承的商品化十分火熱，但也存在著忽視技術(shù)開發(fā)的傾向，以致于技術(shù)水平長期停滯不前，使進(jìn)一步的應(yīng)用和推廣受到影響。為此專業(yè)委員會多次呼吁重視技術(shù)開發(fā)并組織交流，通過技術(shù)培訓(xùn)等形式推廣成熟的結(jié)構(gòu)，使這項技術(shù)發(fā)展得更好。

五、世界領(lǐng)先的技術(shù)

我國對靜壓技術(shù)的研究及應(yīng)用已有五十年歷史，對基礎(chǔ)理論的研究相當(dāng)深入，應(yīng)用也十分廣泛，品種俱全，靜壓主軸、動靜壓主軸、靜壓絲桿、靜壓導(dǎo)軌都有成熟的產(chǎn)品，在技術(shù)上已打下了堅實的基礎(chǔ)。如以下例子可以證明本領(lǐng)域的現(xiàn)狀已達(dá)到世界先進(jìn)水平:

(1)國外機(jī)床廠規(guī)模小，開發(fā)能力有限，研究、設(shè)計多依靠大學(xué)，所用的靜壓軸承大都是毛細(xì)管或小孔節(jié)流的四油腔的結(jié)構(gòu)，有些甚至于不符合基本理論，然而進(jìn)口靜壓主軸的售價驚人，往往要幾萬甚至十幾萬美元1套，但在性能上也未見優(yōu)越。作者長期從事進(jìn)口機(jī)床主軸的國產(chǎn)化改造，幾乎對世界各國名牌機(jī)床廠的靜壓主軸都用自主開發(fā)的HSDB動靜壓軸承進(jìn)行國產(chǎn)化改造，其性能都能達(dá)到或超過原裝新主軸水平。

(2)我國開發(fā)的多油楔動靜壓軸承在1983年英國召開的“24屆國際機(jī)床設(shè)計研究會” (24th、M、T、D、R、)上發(fā)表，雖然后來國外也有類似的結(jié)構(gòu)，但無論是日本的豐田、琦玉大學(xué)的結(jié)構(gòu)及美國專利，從發(fā)表的時間上都比我們遲，結(jié)構(gòu)布局上也有許多不到之處。筆者發(fā)表的動靜壓軸承，靜壓導(dǎo)軌的文章被譯成外文在雜志上發(fā)表。

(3)在應(yīng)用方面，無論是從精度、承載能力上都能達(dá)到世界先進(jìn)水平并具有相當(dāng)?shù)拈_發(fā)能力。例如:風(fēng)電行業(yè)及軸承行業(yè)所需的大型立式內(nèi)外圓磨床的轉(zhuǎn)臺是國內(nèi)空白，進(jìn)口價約為轉(zhuǎn)臺直徑每厘米1萬歐元 (例如轉(zhuǎn)臺直徑1600mm的售價為170萬左右歐元)，尤其是大尺寸 (1.5m以上)轉(zhuǎn)臺 (要求回轉(zhuǎn)精度1μm左右)用滾動軸承不能滿足要求，自主開發(fā)的靜壓轉(zhuǎn)臺其精度及承載力均不低于進(jìn)口設(shè)備，可滿足這一類機(jī)床實現(xiàn)國產(chǎn)化大量生產(chǎn)的要求，替代進(jìn)口。SKF現(xiàn)在也購買中國的該類機(jī)床產(chǎn)品。

(4)閉式靜壓導(dǎo)軌功能部件在國外機(jī)床上也被作為新鮮的事說得非常神秘，國人也跟著宣傳盲目崇拜，其實國內(nèi)早已有應(yīng)用，又如國外靜壓支承的節(jié)流器PM閥，其原理類似于單面薄膜節(jié)流器，這種技術(shù)國內(nèi)在六十年代就有深入的研究與應(yīng)用，而他們只有二十年的歷史。

以上幾例足以證明在本領(lǐng)域我們并不落后，因此筆者常在文章中強(qiáng)調(diào):雖然從總體上來看我國的機(jī)床工業(yè)水平落后于發(fā)達(dá)國家，但在精密機(jī)床靜壓、動靜壓技術(shù)方面卻占領(lǐng)先地位。

最近高檔數(shù)控機(jī)床專項的技術(shù)要求中許多關(guān)于靜壓軸承、靜壓導(dǎo)軌的性能要求，有相當(dāng)一部分在以往的研究及應(yīng)用中已達(dá)到，還有一些尚待開發(fā)，由于我們有扎實基礎(chǔ)，只要國外能達(dá)到的我們一定能達(dá)到，國外未達(dá)到的通過我們積極開發(fā)也能達(dá)到。

六、結(jié)語

本屆專業(yè)委員會以“競爭、交流、共謀發(fā)展”的主題思想促進(jìn)行業(yè)技術(shù)發(fā)展，加強(qiáng)技術(shù)推廣和普及工作，將優(yōu)質(zhì)可靠的主軸功能部件產(chǎn)品供給主機(jī)廠，為我國機(jī)床產(chǎn)品的升級換代增強(qiáng)國際市場上的競爭力，提供有力的技術(shù)保障，為民族爭光。

由于收集的資料有限，不到之處在所難免，敬請批評指正。