M7150系列矩臺平面磨床工作臺運動液壓系統(tǒng)改造

■ 南京工藝裝備制造有限公司 （江蘇 211178） 劉 冬

M7150系列矩臺平面磨床工作臺運動液壓系統(tǒng)改造

■ 南京工藝裝備制造有限公司 （江蘇 211178） 劉 冬

本文根據(jù)平面磨床的使用特點，以及現(xiàn)有老舊設(shè)備的液壓系統(tǒng)所存在的難維護、備件難買、性能不穩(wěn)定、漏油及自動化程度低等缺陷，通過重新設(shè)計改成外置電液換向，電液比例調(diào)節(jié)具有換向可靠性好、易維護和自動化程度較高的特點，提高了設(shè)備工作性能。

臥軸矩臺平面磨床，國家標為M71系列平面磨床，即帶有臥式磨頭主軸，矩形工作臺的平面磨床。主要功能是用砂輪的周邊磨削工件的平面磨削精度和表面質(zhì)量都較高，適宜于磨削各種精密零件和工模具，我們對公司一臺使用多年M7150AX2000型平面磨床進行數(shù)控化改造，磨頭的垂直進給與前后進給已經(jīng)被改成伺服電動機驅(qū)動。工作臺左右運動仍由液壓驅(qū)動，以前采用的是陳舊的內(nèi)置操縱箱結(jié)構(gòu)（將幾個不同功能的單個閥組合成操縱箱），用的液壓元件全部是專用元件。需要更換時，市場上買不到，仿制也不容易，給維修帶來困難。加上液壓元件老化磨損，造成系統(tǒng)內(nèi)泄漏嚴重、換向不穩(wěn)定和冷卻不好導致油溫過高，使之工作極不穩(wěn)定，效率低下。

1. 平面磨床主要改造簡介

機床原有垂直進給、前后進給是由手搖進給和快速電動進給兩部分組成，通過T牙絲桿副、滾珠框?qū)к?、蝸輪蝸桿副、交換齒輪、交流電動機和手輪實現(xiàn)的。其結(jié)構(gòu)非常繁瑣，數(shù)控化改造后，手搖機構(gòu)去除，將T牙絲桿副改換成我公司生產(chǎn)的滾珠絲桿副，將原有的快速進給交流電動機更換成交流伺服電動機，并重新制作了與電動機匹配的蝸輪蝸桿箱，實現(xiàn)垂直進給、定位和自鎖，手動進給可以通過數(shù)控系統(tǒng)手脈進行，通過打表測量，目前兩軸的定位精度和重復定位精度都分別不大于0.006mm和0.005mm。

2. 原有液壓系統(tǒng)工作臺運動描述及參數(shù)

原有液壓系統(tǒng)是老式平面磨床標配的液壓系統(tǒng)，多年前PLC技術(shù)或者是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的不是很成熟，這樣的系統(tǒng)采用的是液動模式，特別是工作臺往復運動，換向很不穩(wěn)定，沖擊力大。配置了一臺功率為4kW、轉(zhuǎn)速為2 900r/min、流量為90L/min的螺桿泵，螺桿泵將油從油箱里抽出，經(jīng)過網(wǎng)式濾油器2，通過溢流閥18調(diào)整其壓力（1.2～1.5MPa）后進入開停調(diào)速閥17、換向閥7再進入到液壓缸的左右腔，帶著工作臺左右運動，如圖1所示。油管內(nèi)徑為42mm，液壓缸直徑為63mm，活塞桿直徑為35mm，液壓缸的有效面積為：（31.5×31.5-17.5×17.5）×3.14=2 154mm2，整個液壓缸長度為2 200mm， 理論最大速度V=Q/S=90 000/（31.5×31.5-17.5×17.5）×3.14=4 180cm/min＝41.8m/min。設(shè)備的正常工作速度在20m/min，應(yīng)該說原有配置是比較富裕的。

圖1 液壓系統(tǒng)圖

3. 改造后的液壓系統(tǒng)功能及參數(shù)

電液技術(shù)的加速融合。微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，為液壓技術(shù)的進步注入了新活力，液壓器件是機電一體化的重要接口器件，我們將其液壓系統(tǒng)改為目前廣泛使用的外置電液換向結(jié)構(gòu)及電液比例調(diào)速方式。液壓系統(tǒng)除液壓缸與活塞桿之外，其余全部更換，滿足了平面磨床精磨時工作臺運動換向輕松、平穩(wěn)性好、精度高和可靠性好的要求。

電液換向電液閥（見圖2）由一只二通常開電磁閥、一只二通常閉電磁閥等組合而成，在管道輸送介質(zhì)過程中，當需要開啟閥門時，由計算機發(fā)出閥門開啟信號，常開電磁閥通電（關(guān)閉），同時常閉電磁閥通電（開啟）。這時，由上游通向主閥膜片上的腔室通道被截止，主閥膜片上腔室通向下游的通道被導通。此時，膜片下部的壓力高于上部壓力，主閥膜片上的腔室的介質(zhì)通過常閉電磁閥通道排向下游管道，主閥被打開。壓力油通過主閥進入液壓缸，反之亦然。

圖2 電液閥結(jié)構(gòu)圖

電液比例閥調(diào)速閥（見圖3）：當液壓油從P1口調(diào)速閥后，經(jīng)過定差減壓閥1（壓力預(yù)先設(shè)定后）進入節(jié)流調(diào)節(jié)閥腔2，如果比例電磁鐵流量控制電磁線圈沒有輸入電流，則節(jié)流閥芯軸因彈力而關(guān)閉，所以出口P2并沒有液壓油流出，液壓無法動作，若流量控制電磁線圈有輸入電流（電流的大小由PLC輸出信號，經(jīng)過放大板放大后作用到線圈上）時就會產(chǎn)生向左的推力而將節(jié)流調(diào)節(jié)閥軸打開一個開度，出口L即會出油，此節(jié)流閥軸的開度會依據(jù)輸入電流的大小而產(chǎn)生變化，輸入電流越大則產(chǎn)生的推力越大，此開度會變大，這表示可通過的流量越多，所以可依據(jù)輸入電流的大小來調(diào)整通過流量的多少進而控制作動器的速度快慢。有的電液比例閥調(diào)速閥對壓力也有一定的控制，設(shè)計時也可以電控，調(diào)速線性好，精確度高。比例閥的發(fā)展主要在頻寬的增大及控制精度的提高上，以期性能接近伺服閥。同時，比例閥又沿著標準化、模塊化及廉價的方向發(fā)展，以促進其應(yīng)用。

圖3 電液比例閥調(diào)速閥結(jié)構(gòu)圖

工作臺的快進運動速度擬定為22m/min（完全能夠達到工藝要求），設(shè)備的工作壓力仍在壓力（1.2～1.5MPa），根據(jù)這要求選定液壓泵的流量。

快進階段的液壓缸流量：q=A·vk=2 154×25/1 000=47.38 L/min，進行估算。由于系統(tǒng)流量較小，故取泄露系數(shù)K=1.3，則液壓泵供油流量約62L/min。

確定液壓泵：液壓泵是液壓系統(tǒng)的動力元件，靠電動機驅(qū)動，從液壓油箱中吸入油液，形成壓力油排出，送到執(zhí)行元件的一種元件，液壓泵的大小、選擇合理與否直接影響到整個液壓系統(tǒng)的壓力、流量和速度。液壓泵目前在機床上用得多的為齒輪泵、柱塞泵和葉片泵。齒輪泵體積較小，結(jié)構(gòu)較簡單，對油的清潔度要求不嚴，價格較便宜；但泵軸受不平衡力，磨損嚴重，泄漏較大；柱塞泵容積效率高、泄漏小、可在高壓下工作、大多用于大功率液壓系統(tǒng)但結(jié)構(gòu)復雜，材料和加工精度要求高、價格貴、對油的清潔度要求高；葉片泵分為雙作用葉片泵和單作用葉片泵，這種泵流量均勻、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小、工作壓力和容積效率比齒輪泵高、結(jié)構(gòu)比齒輪泵復雜。這次我們根據(jù)壓力、速度綜合考慮，選著了葉片泵。

擬初選液壓泵的轉(zhuǎn)速為n1=1 000r/min，泵的容積效率ηv=0.8，則可算得泵的流量參考值為

Vg=1 000qv/（n1·ηv）=77.5 L/min

根據(jù)以上計算結(jié)果查閱產(chǎn)品樣本，選用規(guī)格相近的葉片泵YB1-1980，泵的額定壓力為6.3MPa，流量為80L/min，液壓泵電動機的選擇——最大功率出現(xiàn)在快退階段，已知泵的總效率為ηp=0.8，則泵的快退所需的驅(qū)動功率為：Pp= Vg×30（最高壓力）/600×0.8=5kW，所以電動機選5kW，三相異步6級電動機。

3. 改造后液壓系統(tǒng)原理圖（見圖4）及描述

機床PLC發(fā)出指令，液壓泵電動機啟動，壓力油經(jīng)過濾油器、葉片泵進入主管道，雙位電磁溢流閥用來控制油路的主壓力和卸荷。機床不工作時，處于中位，液壓泵零負荷啟動，電磁溢流閥的兩個電磁鐵分別和電液換向閥的電磁鐵同步得電，電壓為DC24V，當系統(tǒng)PLC指令DT0得電時，電磁換向閥DT4同時得電，壓力油經(jīng)過單向閥CIT-10、精密濾油器、進入電液比例調(diào)速閥后，由機床PLC發(fā)出的0～10V的控制電壓作用于電液比例調(diào)速閥的線圈，以此控制經(jīng)過電液比例閥的壓力油流量，壓力油從比例閥出來后分兩路進入換向閥和以控制油路形式控制油路中的電磁換向閥，由于此時電磁換向閥DT4得電，控制液壓油經(jīng)過A口進入換向閥的左端，使得主壓力油從P口流入到換向閥的A口，進入液壓缸的左端，使得工作臺左移，液壓缸右端的回油從換向閥的B口流入到T口，經(jīng)過背壓閥HCG-06回到油箱，反之原理一樣。當設(shè)備磨削完工件后，工作臺需要停止時，此時雙位電磁溢流閥7的兩線圈全部失電，壓力油直接回到油箱，整個液壓系統(tǒng)處于卸荷狀態(tài)，比例閥回到初始位置。

圖4 改造后液壓系統(tǒng)原理圖

4.調(diào)試及使用過程中注意事項

比例調(diào)速閥使用了進油節(jié)流形式，需依靠背壓閥消除液壓缸寸動，背壓閥在調(diào)試時找到壓力調(diào)定點，根據(jù)附表進行調(diào)節(jié)，原則上越低越好。

背壓壓力選擇參照表

起步調(diào)試時，將電液比例閥的線圈脫離，手動調(diào)節(jié)電液比例閥頂端的調(diào)速旋鈕，將工作臺運動調(diào)至最低位時（臨界點），將線圈插上，此工作點則設(shè)為比例調(diào)速的最低速；經(jīng)常清洗兩過濾器，防止影響油液壓系統(tǒng)中的流量和壓力油的清潔度。

5. 結(jié)語

改造后效果設(shè)備自動化程度較高故障率低，由電液換向和電液比例調(diào)節(jié)組合而成。不漏油，調(diào)速更加平穩(wěn)，換向可靠性好、易維護，提高了設(shè)備工作性能。液壓系統(tǒng)的改造費用約1.5萬元，整個設(shè)備的數(shù)控化改造費用不足5萬元（含數(shù)控系統(tǒng)費用），改造性價比還是不錯的（注：本文來源于2012ZX04011021《國產(chǎn)滾動功能部件在中高檔數(shù)控機床上的示范應(yīng)用》課題研究）。

[1] 張勤，徐鋼濤. 液壓與氣壓傳動技術(shù)［M］. 北京：高等教育出版社，2009.

[2] 南京工藝裝備制造有限公司. M7150型臥軸矩臺平面磨床使用說明書［E］. 江蘇：南京工藝裝備制造有限公司，2002.

[3] 葉偉昌. 機械工程及自動化簡明設(shè)計手冊［M］. 北京：機械工業(yè)出版社，2001.

20150823）