重載高速工作臺(tái)設(shè)計(jì)

李立強(qiáng) 馬 蕾 王 梅

(齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾161005)

目前，國(guó)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(guó)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(tái)芯部和外圈均可承重的工作臺(tái)。工作臺(tái)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(tái)的性能指標(biāo)是衡量數(shù)控機(jī)床水平的主要依據(jù)之一。目前，國(guó)內(nèi)數(shù)控立式車床最大直徑10 m左右的工作臺(tái)承重一般不超過300 t，工作臺(tái)轉(zhuǎn)速一般不超過15.5 r/min，造成這個(gè)問題的主要原因是機(jī)床工作臺(tái)一般使用單圈靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。為了提高單圈靜壓導(dǎo)軌的承載能力，提高工作臺(tái)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(dǎo)軌直徑一般制作得非常大。雖然靜壓導(dǎo)軌的油室數(shù)量較多，但由于工作臺(tái)芯部無靜壓導(dǎo)軌承載，使工作臺(tái)的承重量仍然偏低，而且工作臺(tái)在承載重量集中在工作臺(tái)芯部的工件時(shí)，由于工作臺(tái)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(tái)

目前，國(guó)內(nèi)重型數(shù)控立式車床工作臺(tái)的靜壓油室一般使用扇形結(jié)構(gòu)。扇形靜壓導(dǎo)軌板的導(dǎo)軌有效寬度和封油邊寬度比較大，工作臺(tái)靜壓導(dǎo)軌的比壓值較低。該結(jié)構(gòu)在工作臺(tái)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(jī)床的快速發(fā)展，刀具的許用線速度越來越高，使得工作臺(tái)的轉(zhuǎn)速大大提高。在工作臺(tái)提速的過程中，由于工作臺(tái)靜壓導(dǎo)軌液壓油發(fā)熱量的逐漸增大，使得工作臺(tái)和工作臺(tái)底座溫度上升得非?？?，工作臺(tái)和工作臺(tái)底座的溫度非常高;工作臺(tái)導(dǎo)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(tái)導(dǎo)軌由靜壓摩擦逐漸變?yōu)榘腱o壓半滑動(dòng)摩擦，直至變?yōu)榇竺娣e滑動(dòng)摩擦。在工作臺(tái)轉(zhuǎn)速提高的過程中，工作臺(tái)導(dǎo)軌摩擦阻力和摩擦扭矩也逐漸增大，逐漸增大的導(dǎo)軌摩擦阻力引起了導(dǎo)軌靜壓油溫度的加速上升，使得工作臺(tái)的溫升進(jìn)入了惡性循環(huán)狀態(tài)，造成工作臺(tái)凹曲變形和工作臺(tái)底座凸起變形非常嚴(yán)重，使得加工工件平面度精度大大降低，同時(shí)造成工作臺(tái)導(dǎo)軌發(fā)生研傷的事故。

為了解決工作臺(tái)溫升的問題，如果使用加大油溫冷卻機(jī)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(tái)發(fā)熱源的問題，主要原因是立式車床工作臺(tái)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(tái)底座自身結(jié)構(gòu)的限制，靜壓油必需先經(jīng)過工作臺(tái)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(tái)底座表面和工作臺(tái)導(dǎo)軌面?zhèn)鲗?dǎo)給工作臺(tái)底座和工作臺(tái)大件，并造成工作臺(tái)底座和工作臺(tái)溫度的快速升高。為了保證機(jī)床的性價(jià)比，機(jī)床選用油溫冷卻機(jī)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(jī)先冷卻工作臺(tái)靜壓油，再通過冷卻后的低溫靜壓油降低工作臺(tái)和工作臺(tái)底座溫度的辦法，其效果非常有限。在工作臺(tái)連續(xù)高速工作狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，工作臺(tái)的熱變形問題尤其明顯，由于工作臺(tái)導(dǎo)軌在承受過度的熱量后變形非常嚴(yán)重，工作臺(tái)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(tái)在15.5 r/min 時(shí)已接近極限狀態(tài);此時(shí)，工作臺(tái)靜壓油的溫度已達(dá)到了65 ℃以上，靜壓油在受高溫后粘度降低得非常嚴(yán)重，工作臺(tái)已失去了正常的承載能力。

2 新研重載高速工作臺(tái)

為了解決重型立式車床工作臺(tái)承重小和速度低的難題，筆者公司研制了工作臺(tái)的內(nèi)外雙圈靜壓導(dǎo)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(dǎo)軌盤的結(jié)構(gòu)。其中，工作臺(tái)的內(nèi)外雙圈靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)立式車床工作臺(tái)單圈靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，即在工作臺(tái)的外圈靜壓導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)增加了內(nèi)圈靜壓導(dǎo)軌，外圈靜壓導(dǎo)軌為主承重靜壓導(dǎo)軌，承受工作臺(tái)和工件總重量的70%左右;內(nèi)圈靜壓導(dǎo)軌為輔承重靜壓導(dǎo)軌，承受工作臺(tái)和工件總重量的30%左右，在不改變外圈靜壓導(dǎo)軌的前提下，增加了工作臺(tái)靜壓導(dǎo)軌的總面積，并大大縮小了工作臺(tái)靜壓導(dǎo)軌在內(nèi)圈的承載半徑。因而，大大提高了工作臺(tái)的承載能力，尤其是提高了工作臺(tái)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(dǎo)軌的承重能力和精度，使新增加的內(nèi)圈靜壓導(dǎo)軌不影響外圈主靜壓導(dǎo)軌的承重，筆者公司研制了內(nèi)外圈靜壓導(dǎo)軌面共面結(jié)構(gòu)。即將工作臺(tái)的內(nèi)外圈靜壓導(dǎo)軌面設(shè)計(jì)在一個(gè)平面內(nèi)，并且在工作臺(tái)大件靜壓導(dǎo)軌面精車后，增加了手工刮研的工序，將工作臺(tái)內(nèi)外圈靜壓導(dǎo)軌的平面度控制在0.02 mm 以內(nèi)，大大提高了工作臺(tái)大件的加工精度和檢驗(yàn)精度，并且將工作臺(tái)靜壓導(dǎo)軌油膜浮升量控制在0.08 mm 以內(nèi)，在滿足工作臺(tái)最大承重的前提下，最大限度地降低工作臺(tái)靜壓油膜浮升量，降低工作臺(tái)靜壓導(dǎo)軌供油用等量分油器的規(guī)格，減小靜壓導(dǎo)軌的靜壓油流量，從而大大降低了工作臺(tái)靜壓油發(fā)熱源的發(fā)熱量，最大限度地減小工作臺(tái)和工作臺(tái)底座的受熱變形量，使工作臺(tái)的靜壓導(dǎo)軌在重載高速運(yùn)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(jìn)后的工作臺(tái)結(jié)構(gòu)在提高工作臺(tái)轉(zhuǎn)速和承重量的同時(shí)，也大大提高了工作臺(tái)的端面跳動(dòng)精度和平面度精度。

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

3 新研重載高速工作臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在工作臺(tái)承載時(shí)，內(nèi)外雙圈靜壓導(dǎo)軌共同承受工作臺(tái)和工件的重量，改進(jìn)后的工作臺(tái)承重量可達(dá)到400 t 至700 t。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，根據(jù)用戶對(duì)工作臺(tái)承重的具體要求，對(duì)工作臺(tái)圓形靜壓導(dǎo)軌盤的數(shù)量進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，例如:當(dāng)用戶要求工作臺(tái)承重量在300 t～500 t 時(shí)，設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)重型工作臺(tái)的靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，在工作臺(tái)底座外圈靜壓導(dǎo)軌上均布20 個(gè)圓形靜壓導(dǎo)軌盤，在工作臺(tái)底座內(nèi)圈靜壓導(dǎo)軌上均布10 個(gè)圓形靜壓導(dǎo)軌盤，工作臺(tái)和工作臺(tái)底座的厚度比例如圖1所示。

當(dāng)用戶要求工作臺(tái)承重量在500 t～700 t 時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)重型工作臺(tái)靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了更進(jìn)一步的改進(jìn)，通過加大工作臺(tái)內(nèi)、外圈靜壓導(dǎo)軌直徑，增加內(nèi)、外圈靜壓導(dǎo)軌上圓形靜壓導(dǎo)軌盤的數(shù)量，加大工作臺(tái)和工作臺(tái)底座的高度，增大齒圈直徑的辦法，使工作臺(tái)的整體承重能力和精度滿足用戶的實(shí)際需求。

工作臺(tái)靜壓導(dǎo)軌中使用了圓形靜壓導(dǎo)軌盤承重的結(jié)構(gòu)，在相同面積下圓形靜壓導(dǎo)軌盤的周長(zhǎng)最小。通過大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試后驗(yàn)證，在相同面積下圓形靜壓導(dǎo)軌盤的剪切發(fā)熱量最小，在重載、高速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)工作中，改進(jìn)后的工作臺(tái)靜壓導(dǎo)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(tái)的熱變形量，從而大大提高了工作臺(tái)和工件的平面度精度。

4 結(jié)語

新型高速重載工作臺(tái)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(yàn)證，該工作臺(tái)的最大工件重量可以達(dá)到500 t，而且工作臺(tái)芯部可以承受180 t 以上的工件重量。工作臺(tái)最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到30 r/min，大大提高了工作臺(tái)的轉(zhuǎn)速和承載能力，提高了工作臺(tái)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(tái)的重量和制造成本，顯著地提高了重型立式車床的性能價(jià)格比。