閉式靜壓導(dǎo)軌在精密平面磨床中的應(yīng)用*

杜 雄 何雨倩 忻曉蔚

(上海機(jī)床廠有限公司 上海200093)

所謂超精密加工技術(shù)，它涵蓋了超精密車削技術(shù)、超精密銑削技術(shù)、超精密磨削技術(shù)、表面鏡面拋光技術(shù)和超精密特種加工技術(shù)等，這幾種超精密加工技術(shù)的共性技術(shù)基礎(chǔ)是超精密機(jī)床技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)高精度的要求，國內(nèi)外機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)一般采用高運(yùn)動(dòng)精度的氣體或液體靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。

光學(xué)玻璃是應(yīng)用于激光技術(shù)、光電通訊、航空航天以及國防工業(yè)等領(lǐng)域的光學(xué)元件。某公司在“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)課題資助下，研制了適應(yīng)大尺寸光學(xué)玻璃磨削加工用的H402-AZ數(shù)控專用平面磨床。機(jī)床結(jié)構(gòu)采用了液體靜壓導(dǎo)軌和靜壓電主軸技術(shù)。

對(duì)于機(jī)床所采用的靜壓導(dǎo)軌來說，其關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：（1）靜壓導(dǎo)軌參數(shù)計(jì)算技術(shù)；（2）靜壓導(dǎo)軌有限元仿真與性能優(yōu)化技術(shù)；（3）靜壓導(dǎo)軌加工與裝配技術(shù)；（4）靜壓導(dǎo)軌精度保持性技術(shù)。本文在文獻(xiàn)[1]介紹工作臺(tái)采用雙層靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)床的Y軸和Z軸所采用的閉式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行描述，并對(duì)機(jī)床靜壓所在的三個(gè)直線軸的裝配進(jìn)行了說明。

1 機(jī)床閉式靜壓導(dǎo)軌總體設(shè)計(jì)

根據(jù)液體靜壓導(dǎo)軌的工作環(huán)境和所承受的載荷的情況不同，其結(jié)構(gòu)形式上有開式和閉式之分。開式導(dǎo)軌依靠運(yùn)動(dòng)件自重和外載荷來保持運(yùn)動(dòng)件不從基礎(chǔ)靜導(dǎo)軌件上分離，顯而易見，開式導(dǎo)軌只能承受單向載荷，承受偏載和傾覆力矩的能力差。相反，閉式導(dǎo)軌不僅僅依靠運(yùn)動(dòng)件的自重和外載荷，同時(shí)其自身封閉的結(jié)構(gòu)形式也可以保證運(yùn)動(dòng)件不從基礎(chǔ)靜導(dǎo)軌件上分離，通過在上下導(dǎo)軌面開設(shè)油腔承受雙向外載荷，承受偏載和傾覆力矩的能力明顯提高。目前靜壓導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)有直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)和伺服電機(jī)通過滾珠絲杠的間接驅(qū)動(dòng)兩種。直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)具有運(yùn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)，其主要問題是電機(jī)發(fā)熱問題。伺服電機(jī)間接驅(qū)動(dòng)由于受滾珠絲杠動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的影響，性能難以提升太多。這兩種驅(qū)動(dòng)形式各有自身的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)都要考慮，對(duì)于動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求高的地方，優(yōu)先選用直線電機(jī)。

由于超精密大尺寸光學(xué)玻璃的磨削主要是上下兩個(gè)平面的加工，專用磨床采用龍門式臥軸矩臺(tái)的結(jié)構(gòu)布局方式，工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)X軸的運(yùn)動(dòng)，龍門式雙立柱橫梁實(shí)現(xiàn)砂輪架Y軸和Z軸運(yùn)動(dòng)，砂輪架底部掛有靜壓電主軸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)S軸的主運(yùn)動(dòng)。

與鑄鐵相比，花崗巖在尺寸穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)、振動(dòng)衰減能力、硬度、耐磨性和抗腐蝕性等方面的性能優(yōu)越，床身、工作臺(tái)面和橫梁選用了整體花崗巖結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)在床身上大行程、平穩(wěn)、可靠的X軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在傳統(tǒng)閉式靜壓導(dǎo)軌的基礎(chǔ)上開發(fā)了高剛性、高精度的直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的大平面閉式靜壓導(dǎo)軌[1]。為了實(shí)現(xiàn)Z軸橫向運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了半閉式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，如圖1所示，砂輪架的滑座連接壓板后騎跨在大理石橫梁上，橫梁與壓板相對(duì)的表面、橫梁的頂面、橫梁與滑座下端側(cè)面相對(duì)的上下兩個(gè)凸起形成的右側(cè)面皆為平面，橫梁為外購件，采購進(jìn)來前就做好了精度，已經(jīng)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的尺寸和形位公差要求。壓板和滑座為自制件，與橫梁相對(duì)的壓板左側(cè)面上沿Z軸方向設(shè)有一對(duì)油腔7和8，與橫梁頂端相對(duì)的滑座下側(cè)表面、靠近橫梁的左側(cè)沿Z軸方向設(shè)有一對(duì)油腔1和2，與橫梁右側(cè)面相對(duì)的滑座左側(cè)表面沿 Z軸方向設(shè)有上下2組油腔，上面的一組為油腔3和4，下面的一組為油腔5和6。由于油腔1和2偏向橫梁的右側(cè)，可有效承受砂輪架的重力，也就是說，這對(duì)油腔的尺寸設(shè)計(jì)主要與砂輪架的重力外載相關(guān)。油腔5和6在橫梁右側(cè)表面的下端，形成的油腔壓力可承受砂輪架重力產(chǎn)生的力矩。設(shè)置在壓板上的油腔7和8，與油腔3和4形成閉式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)就可保證砂輪架沿Z軸的運(yùn)動(dòng)精度。采用上述半閉式的靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)后，Z軸的驅(qū)動(dòng)只能采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的傳動(dòng)形式。

圖1 橫梁Z軸半閉式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)示意圖

由于砂輪架實(shí)現(xiàn)鉛垂方向Y軸運(yùn)動(dòng)的過程中存在重力影響，采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要增加配重，因此Y軸驅(qū)動(dòng)仍采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的傳動(dòng)形式。以文獻(xiàn)[1]的閉式靜壓導(dǎo)軌形式為基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了圖2所示的閉式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，在靠近滑座的砂輪架體殼兩側(cè)通過墊塊連接導(dǎo)軌壓板后再與滑座上固定連接的導(dǎo)軌板形成左右前后雙向的閉式靜壓導(dǎo)軌形式。

圖2 砂輪架Y軸閉式靜壓導(dǎo)軌

2 參數(shù)設(shè)計(jì)

由于高精密磨床對(duì)靜壓導(dǎo)軌的抗振性能有較高的要求，所以節(jié)流器選型的關(guān)鍵不僅要保證靜壓導(dǎo)軌具有足夠的承載能力，即具有夠高的支承剛度，而且還要使靜壓導(dǎo)軌具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性。如果采用常規(guī)的節(jié)流器，當(dāng)油膜間隙變小后，封油邊的節(jié)流阻力增加，此時(shí)油腔壓力一般呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，油腔壓力上升引起的流量增加無法彌補(bǔ)油膜間隙減小引起的流量減少，最終有可能造成運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌面和靜止導(dǎo)軌面直接接觸而形成爬行現(xiàn)象。PM 流量控制器是世界上頂級(jí)的靜壓功能部件供應(yīng)商德國Hyprostatik公司的專利產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置毛細(xì)溝槽，通過它可反饋控制薄膜的變形，進(jìn)而控制流量，是一種隨油腔壓力升高流量隨著增大的節(jié)流器，可解決上述問題。

為了確保機(jī)床研制成功，機(jī)床總體設(shè)計(jì)為自主研發(fā)，靜壓導(dǎo)軌內(nèi)部的油腔結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能計(jì)算由德國Hyprostatik公司提供，其他零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為自主研發(fā)。

機(jī)床總體設(shè)計(jì)中主要要為靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)留出相應(yīng)的設(shè)計(jì)空間，其設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在PM流量控制器下油腔結(jié)構(gòu)的參數(shù)計(jì)算，不僅需要導(dǎo)軌在承受機(jī)床整個(gè)外載下具有一定的油膜剛性，而且需要導(dǎo)軌具有一定的響應(yīng)速度來滿足機(jī)床運(yùn)動(dòng)的需求。

根據(jù)機(jī)床總體設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建了整機(jī)的三維模型，在此基礎(chǔ)上獲得工作臺(tái)X軸、砂輪架體殼Y軸和橫梁滑座Z軸三個(gè)靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)三維結(jié)構(gòu)獲取的部件重量、重心等相關(guān)信息，建立X軸主導(dǎo)軌、X1直線電機(jī)導(dǎo)軌、Z軸橫梁導(dǎo)軌和Y軸砂輪架導(dǎo)軌4個(gè)靜壓導(dǎo)軌的力學(xué)分析模型，通過受力分析獲得油腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和液壓系統(tǒng)參數(shù)，表1是PM控制器液壓控制下部分參數(shù)。

3 裝配和調(diào)試

設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行投產(chǎn)，之后進(jìn)行部件裝配和整機(jī)裝配和調(diào)試，有關(guān)靜壓導(dǎo)軌的裝配過程如下。

1）工作臺(tái)閉式靜壓導(dǎo)軌的裝配

將床身校水平后，按裝配工藝文件依次裝配零件，每個(gè)關(guān)鍵步驟進(jìn)行精度測(cè)量。由于相關(guān)零件主要外購，裝配過程的重點(diǎn)是自制零件尺寸和形位公差的控制，通過調(diào)整油膜間隙來滿足PM流量控制器的參數(shù)要求。

2）Z軸橫梁半閉式靜壓導(dǎo)軌裝配

由于橫梁為大理石結(jié)構(gòu)，其零件精度直接由供應(yīng)商保證，而滑座和壓板為自制件，材料為灰鑄鐵，其接觸面按 GB/T 25373-2000《金屬切削機(jī)床 裝配通用技術(shù)條件》要求進(jìn)行考核。由于橫梁和滑座兩個(gè)零件的自重較大，如果刮研采取配刮，實(shí)施難度較大，提出了文獻(xiàn)[2]的方法：

(1)采用圖3的一組內(nèi)直角刮規(guī)和外直角刮規(guī)，將圖中各自貼合的90°的兩個(gè)表面進(jìn)行刮配。

圖3 內(nèi)直角刮規(guī)和外直角刮規(guī)

(2)如果滑座按安裝位置放置，刮削難度大，因此將滑座放平，通過修刮滑座表面上四個(gè)油腔的封油邊，使四個(gè)油腔的封油邊處于同一平面內(nèi)并滿足平面度精度要求和滑動(dòng)導(dǎo)軌副所需的接觸點(diǎn)數(shù)要求。

(3)修刮內(nèi)直角刮規(guī)內(nèi)直角所在的兩個(gè)平面，使這兩個(gè)平面與橫梁的頂面和右側(cè)面滿足接觸點(diǎn)數(shù)要求；之后用內(nèi)直角刮規(guī)為基礎(chǔ)修刮外直角刮規(guī)外直角所在的兩個(gè)平面，使外直角刮規(guī)外直角所在的兩個(gè)平面滿足接觸點(diǎn)數(shù)要求。

(4)利用外直角刮規(guī)外直角所在的兩個(gè)平面再去修刮滑座油腔1和2所在的平面，使滑座油腔1和2的封油邊表面與外直角刮規(guī)的兩個(gè)平面滿足接觸點(diǎn)數(shù)要求。如果難以滿足接觸點(diǎn)數(shù)要求，返回第三步。

(5)再修刮滑座上的導(dǎo)軌安裝面，使安裝面滿足平面度要求以及與橫梁的四個(gè)油腔的平行度要求以及根據(jù)橫梁尺寸計(jì)算得到的油膜間隙要求。

(6)修刮壓板的油腔所在的整個(gè)側(cè)面，使之滿足平面度要求和接觸點(diǎn)數(shù)要求。

(7)將壓板固定到滑座上后再將滑座擱置在橫梁上，添加一定的配置模擬砂輪架的重力，測(cè)量油腔壓力，根據(jù)油腔壓力的情況，修刮壓板兩個(gè)油腔的封油面或修刮壓板與滑座連接的安裝面，使修刮余量滿足PM流量控制器油膜壓力要求。

3）Y軸靜壓導(dǎo)軌裝配

由于零件主要是自制，采用的仍是刮削方法，并按GB/T 25373-2000要求考核結(jié)合面，這里的接觸點(diǎn)數(shù)不小于16點(diǎn)/25 mm2。做好配刮后，先進(jìn)行常規(guī)狀態(tài)下的油膜剛性和油腔壓力性能測(cè)試；滿足PM 控制器設(shè)計(jì)要求后，再安裝壓板后擱置到機(jī)床橫梁上進(jìn)行實(shí)際工況測(cè)試，通過測(cè)量油腔的壓力數(shù)據(jù)找出裝配中存在的問題進(jìn)行分析，調(diào)整閉式靜壓的油膜間隙，使之滿足設(shè)計(jì)工況使用要求。

4）整機(jī)裝配

完成三個(gè)方向靜壓導(dǎo)軌裝配后，將靜壓電主軸磨頭裝上，按機(jī)床總裝要求進(jìn)行裝配調(diào)整。整機(jī)裝配完成后進(jìn)行了電氣調(diào)試，之后按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開展工件試磨，通過磨削工藝參數(shù)的調(diào)整完成機(jī)床加工性能的初步考核。最后按上述磨削工藝參數(shù)對(duì)光學(xué)玻璃進(jìn)行磨削，利用平面度檢測(cè)儀和粗糙度儀檢測(cè)平面度和粗糙度，完成機(jī)床加工性能的精度考核。

4 結(jié)語

利用靜壓導(dǎo)軌技術(shù)自主研發(fā)的大尺寸光學(xué)玻璃數(shù)控專用平面磨床，為生產(chǎn)大尺寸光學(xué)玻璃提供了設(shè)備，提升了我國研制相關(guān)技術(shù)裝備的能力。同時(shí)還存在如下深入的研究內(nèi)容：（1）對(duì)靜壓導(dǎo)軌的PM流量控制器參數(shù)進(jìn)行反演計(jì)算；（2）在靜壓導(dǎo)軌加工與裝配過程中將尺寸鏈進(jìn)行公差分配。