基于TRIZ理論的磨床閉式靜壓導(dǎo)軌優(yōu)化

馬　林，林曉輝

(廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

導(dǎo)軌是磨床的關(guān)鍵部件，導(dǎo)軌精度很大程度上決定了磨床的精度水平。靜壓導(dǎo)軌由于其運(yùn)動(dòng)部件不直接接觸，摩擦因數(shù)低，精度高，在高精度磨床上應(yīng)用廣泛，其中又以承載能力大的閉式靜壓導(dǎo)軌最為常見。由于閉式靜壓導(dǎo)軌的剛度要求高，制造難度大，因此閉式靜壓導(dǎo)軌的制造難度是亟待解決的問題。

通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)彌補(bǔ)導(dǎo)軌剛度不足的問題，可以有效降低導(dǎo)軌制造難度。目前，廣大學(xué)者對(duì)閉式靜壓導(dǎo)軌的研究主要集中在靜壓導(dǎo)軌的動(dòng)靜態(tài)特性、流體數(shù)值模擬、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化等方面[1-5]。創(chuàng)新方法TRIZ廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，在加工裝備持續(xù)改善方面尤為適用，而利用TRIZ理論對(duì)閉式靜壓導(dǎo)軌優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究較少。本文以2MK1760磨床為例，基于TRIZ理論對(duì)閉式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并提出優(yōu)化解決方案。

1　靜壓導(dǎo)軌存在的問題及原因分析

1.1　制造問題

高精度磨床的整體結(jié)構(gòu)形式采用“T”形結(jié)構(gòu)，根據(jù)TRIZ理論中的九屏幕法，列出技術(shù)系統(tǒng)的組件，分別是：床身工作臺(tái)、立柱、導(dǎo)軌、底座、磨頭、電氣及數(shù)控系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)等等。導(dǎo)軌是高精度磨床上保證實(shí)現(xiàn)精密微量進(jìn)給的重要要素之一，為滿足摩擦和磨損小，運(yùn)動(dòng)均勻，低速不爬行等精度要求以及承載能力，多采用閉式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。眾所周知，閉式靜壓導(dǎo)軌相比開式靜壓導(dǎo)軌精度更高，承載能力更大且能承受反向載荷，弊端是其制造難度大，且對(duì)各個(gè)工作面精度要求很高。另外由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，在精度不夠的情況下，裝配過程中對(duì)其的反復(fù)刮研顯得十分困難。因此閉式靜壓導(dǎo)軌的制造難度是亟待解決的問題。

1.2　剛度問題

根本原因分析是從技術(shù)問題發(fā)生點(diǎn)出發(fā)逐步尋找引起技術(shù)問題的根本原因的一種工具，也是在創(chuàng)新方法TRIZ理論中分析問題時(shí)常用的一種工具。閉式靜壓導(dǎo)軌油壓處于臨界范圍或負(fù)載較大時(shí)，如導(dǎo)軌剛度不足，會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，影響砂輪進(jìn)給量，對(duì)磨削的平面度影響很大。在2MK1760磨床上對(duì)400 mm×400 mm的鐵件磨削加工，通過水平儀測(cè)量獲得的平面度對(duì)比結(jié)果對(duì)比如圖1所示。

由圖1可知，供油壓力為1.4 MPa時(shí)平面度大幅提高，同時(shí)還可以看出油壓不足導(dǎo)致砂輪表面燒傷的對(duì)比。根據(jù)實(shí)際情況可能導(dǎo)致砂輪燒傷因素有2個(gè)：一是控制系統(tǒng)程序錯(cuò)誤；二是砂輪與工件之間存在干涉。利用TRIZ理論中的根本原因分析工具，從2個(gè)可能導(dǎo)致砂輪燒傷因素入手，尋找出了導(dǎo)致砂輪燒傷的3個(gè)根本原因：(1)控制系統(tǒng)程序錯(cuò)誤；(2)缺乏砂輪修整器補(bǔ)償砂輪輪廓外形變形；(3)靜壓導(dǎo)軌油壓不足和導(dǎo)油腔面積不足引起的導(dǎo)軌剛度不足。根據(jù)上述分析繪制出砂輪燒傷的原因軸，如圖2所示。綜合考慮工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況可知，閉式靜壓導(dǎo)軌剛度不足是磨削平面下降最主要原因。

2MK1760采用等面積對(duì)置油腔的垂向靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用中油壓很關(guān)鍵，油壓過低會(huì)導(dǎo)致整個(gè)磨頭下垂。這是由于磨頭處于懸臂狀態(tài)，且質(zhì)量很大，導(dǎo)軌受力不均。假如靜壓導(dǎo)軌端產(chǎn)生微小位移ε，由于砂輪處于懸臂狀態(tài)，導(dǎo)致在砂輪端誤差被放大成ε1。誤差放大分析如圖3所示，根據(jù)圖3所示的幾何關(guān)系，可以推斷出放大誤差：

(1)

式(1)中：L為箱體長(zhǎng)度；D1為導(dǎo)軌長(zhǎng)度；D為砂輪直徑。

圖4為ε與ε1關(guān)系曲線。由圖4可以看出，在0.01 mm范圍內(nèi)，兩者近似線性關(guān)系，經(jīng)過擬合可近似得到ε1=2.43ε的關(guān)系，即誤差在砂輪端大約被放大了2.43倍。

過大的放大誤差對(duì)于精磨階段是不允許的，因?yàn)榧?xì)砂輪對(duì)于進(jìn)給量很敏感，放大誤差必將導(dǎo)致砂輪燒傷?？梢?，靜壓導(dǎo)軌剛度不夠?qū)庸さ挠绊懞艽?，根?jù)磨床結(jié)構(gòu)和受力情況解決剛度問題十分必要。

2　利用矛盾矩陣對(duì)靜壓導(dǎo)軌進(jìn)行優(yōu)化

2.1　TRIZ理論和技術(shù)矛盾簡(jiǎn)介

TRIZ理論由六大部分構(gòu)成，包括：TRIZ的術(shù)語、創(chuàng)新的思維方法、創(chuàng)新方法分析問題工具、創(chuàng)新方法解決問題工具、創(chuàng)新的規(guī)律、發(fā)明問題算法。TRIZ理論在大量發(fā)明專利基礎(chǔ)之上通過總結(jié)抽取出來的發(fā)明問題解決理論，經(jīng)過多年的應(yīng)用發(fā)展，如今在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[6-12]。

技術(shù)矛盾是TRIZ理論中解決問題的工具。G.S.Altshuller先生在對(duì)海量專利進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)改善了技術(shù)系統(tǒng)中的某一個(gè)參數(shù)，經(jīng)常伴隨著技術(shù)系統(tǒng)中的另一個(gè)參數(shù)惡化，這樣的矛盾叫做技術(shù)矛盾。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在不同的領(lǐng)域的相同的技術(shù)矛盾的解決方案大量采用了某幾個(gè)原理。通過分析整理確定了力、形狀、穩(wěn)定性等39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)和分割、變害為利、機(jī)械振動(dòng)原理等40個(gè)創(chuàng)新原理，同時(shí)統(tǒng)計(jì)出使用頻次最高的幾個(gè)原理，建立了矛盾矩陣表。遇到技術(shù)矛盾可以通過定義通用技術(shù)參數(shù)，查找矛盾矩陣表的方式尋找可能使用的創(chuàng)新原理，根據(jù)創(chuàng)新原理的提示找到問題的解決方案[13]。

2.2　靜壓導(dǎo)軌優(yōu)化方案

利用技術(shù)矛盾工具分析可得到相應(yīng)的改善參數(shù)和惡化參數(shù)。改善參數(shù)為力(No.10)，惡化參數(shù)為可制造性(No.32)。查找矛盾矩陣表得到4個(gè)可以使用的創(chuàng)新原理，它們分別是：動(dòng)態(tài)特性原理(No.15)、熱膨脹原理(No.37)、機(jī)械振動(dòng)(No.18)和分割原理(No.1)。

分割原理的使用方法為：A把一個(gè)物體分成相互獨(dú)立的部分；B將物體分成容易組裝和拆卸的部分；C提高物體的可分性。利用分割原理將靜壓導(dǎo)軌各部分導(dǎo)軌從一整塊分割為幾塊，即拼塊式靜壓導(dǎo)軌。如圖5所示，拼塊式靜壓導(dǎo)軌由工作臺(tái)導(dǎo)軌、下導(dǎo)軌、調(diào)整墊、導(dǎo)軌壓板組成，各部分均為平板形式，形成拼塊式結(jié)構(gòu)。下導(dǎo)軌固定于床身之上，工作臺(tái)導(dǎo)軌安裝在導(dǎo)軌壓板和下導(dǎo)軌之間，且工作臺(tái)導(dǎo)軌與調(diào)整墊配研，厚度略小于調(diào)整墊約(0.05±0.005)mm，以便工作臺(tái)導(dǎo)軌的上、下油腔中注入液壓油后，在工作臺(tái)導(dǎo)軌和導(dǎo)軌壓板、工作臺(tái)導(dǎo)軌和下導(dǎo)軌之間能充滿液壓油。

2.3　水平靜壓導(dǎo)軌油腔優(yōu)化

針對(duì)根本原因中的靜壓導(dǎo)軌剛度不夠?qū)е虏环€(wěn)定的問題，在不提高供油壓力的情況下，一般可以通過加大靜壓導(dǎo)軌的油腔面積進(jìn)行改進(jìn)。但是加大油腔面積受制于靜壓導(dǎo)軌尺寸和形狀，分析得出改善參數(shù)和惡化參數(shù)。改善參數(shù)為穩(wěn)定性(No.13)，惡化參數(shù)為形狀(No.12)。查找矛盾矩陣表得到4個(gè)可以使用的創(chuàng)新原理，它們分別為：變害為利原理(No.22)、分割原理(No.1)、機(jī)械振動(dòng)原理(No.18)和增加不對(duì)稱性原理(No.4)。

增加不對(duì)稱原理使用方法為：A將對(duì)稱物體為非對(duì)稱；B已經(jīng)是非對(duì)稱的物體，增強(qiáng)其不對(duì)稱的程度。根據(jù)不對(duì)稱原理，利用不等面積對(duì)置油腔的靜壓支承，可以把支承較大的油腔面積加大，而把對(duì)置的承載較小的油腔面積減小，則能在不增支承尺寸及油壓的情況下，提高導(dǎo)軌剛度。無論是水平靜壓導(dǎo)軌還是垂向靜壓導(dǎo)軌，目前采用的都是等面積對(duì)置油腔，每個(gè)導(dǎo)軌每一面開有6個(gè)矩形油腔，油路布置于導(dǎo)軌內(nèi)部。靜壓導(dǎo)軌設(shè)計(jì)以剛度無窮大為目標(biāo)，系統(tǒng)采用雙面薄膜節(jié)流器[14]，因此要滿足：

(2)

由此確定薄膜控制系數(shù)Cm，計(jì)算得出此時(shí)需要的供油壓力為

(3)

式(3)中：F0為每對(duì)油腔設(shè)計(jì)狀態(tài)載荷；Ae1和Ae2分別為上下兩面導(dǎo)軌的有效承載面積。

根據(jù)理論計(jì)算得到的參數(shù)結(jié)果，由于裝配以及零件精度的原因，往往很難保證與實(shí)際參數(shù)的一致，因此實(shí)際工作的靜壓導(dǎo)軌剛度可能達(dá)不到預(yù)期的數(shù)值，不過理論計(jì)算為實(shí)際的加工和裝配提供了有力的依據(jù)。優(yōu)化后的每個(gè)導(dǎo)軌的每一面布置仍為6個(gè)油腔，只是朝下的油腔較朝上的油腔面積大，朝下的油腔面積仍為原設(shè)計(jì)尺寸，下油腔與上油腔的面積之比為1∶2。根據(jù)不等對(duì)置油腔設(shè)計(jì)思路，算出朝上的油腔面積以及對(duì)應(yīng)的供油壓力、薄膜厚度等參數(shù)。優(yōu)化后的參數(shù)如表1所示。

表1　水平靜壓導(dǎo)軌優(yōu)化后的相關(guān)參數(shù)Table 1　Parameters of horizontal hydrostatic guideway after optimization

由表1可以看出，在剛度無窮大的設(shè)計(jì)目標(biāo)下，優(yōu)化后靜壓導(dǎo)軌供油壓力從1.9 MPa降低到1.1 MPa，不僅穩(wěn)定性得到保證，而且成本也下降了。

2.4　垂向靜壓導(dǎo)軌油腔優(yōu)化

根據(jù)垂向靜壓導(dǎo)軌的布置形式，簡(jiǎn)化后受力分析如圖6所示。磨頭位置類似懸臂，重力在各個(gè)油腔位置產(chǎn)生不均布的壓力F1～F6，在磨床導(dǎo)軌上由油腔壓力形成了反作用力F11～F66，因此，導(dǎo)軌上的壓力不僅大小是變化的，而且方向也不同。

因此，利用不對(duì)稱原理，理論上采用不等對(duì)置油腔設(shè)計(jì)，即A面與B面的油腔面積是不等的，具體尺寸布置如圖7所示。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，根據(jù)受力分析將施加在靜壓導(dǎo)軌的力分布線性化處理。靜壓導(dǎo)軌的油腔在A面和B面都設(shè)計(jì)成3個(gè)相等的大油腔(與初始油腔尺寸一致)和依次減小的3個(gè)小油腔，保證同一位置的油腔是不等對(duì)置的。由于優(yōu)化后的水平靜壓導(dǎo)軌油壓為1.1 MPa，為方便起見同時(shí)節(jié)約成本，設(shè)定其也為垂向靜壓導(dǎo)軌的油壓值。根據(jù)圖6所示的幾何關(guān)系及受力分析，可得到各個(gè)油腔的受力：

(4)

式(4)中：G是磨頭重力；L為磨頭長(zhǎng)度；Fn為砂輪法向力；di為各個(gè)油腔到導(dǎo)軌中心距離。

在保持原有Y軸油膜厚度和剛度的前提下，根據(jù)公式(4)和實(shí)際磨床的其他參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出各個(gè)油腔的尺寸[8]，計(jì)算得到的油腔尺寸如表2所示。

表2　油腔尺寸Table 2　Dimension of oil pockets mm×mm

3　結(jié)論

針對(duì)磨床整體式靜壓導(dǎo)軌制造難度大以及剛度要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，利用TRIZ理論分析問題的工具根本原因分析，找到問題產(chǎn)生的根本原因，并利用技術(shù)矛盾求解工具，在矛盾矩陣表中找到了解決問題的創(chuàng)新原理。采用分割原理將整體式靜壓導(dǎo)軌變換成拼塊式以解決制造難度大的問題；應(yīng)用增加不對(duì)稱原理，通過對(duì)高精度磨床的水平及垂向靜壓導(dǎo)軌的磨削過程的受力分析，將油腔改為不等対置的布置方式并計(jì)算兩軸的靜壓導(dǎo)軌的油腔尺寸。該油腔布置方案提高了靜壓導(dǎo)軌的剛度，并降低了油壓，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

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