淺析液體靜壓技術(shù)在精密機(jī)床中應(yīng)用

張 超，肖道林，房博文，薛松海，劉文志

（機(jī)械科學(xué)研究總院海西（福建）分院有限公司，福建 三明 353000）

0 引言

液體靜壓技術(shù)具有高精度、高剛度、壽命久等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)床行業(yè)。其技術(shù)針對(duì)于機(jī)床導(dǎo)軌，具有摩擦系數(shù)極小，導(dǎo)軌無磨損，剛性好，能保證機(jī)床精度長(zhǎng)期穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，被精密機(jī)床研究單位視為核心技術(shù)。本文針對(duì)靜壓導(dǎo)軌滑塊發(fā)展進(jìn)行研究，以期對(duì)精密機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)突破進(jìn)行補(bǔ)充。

1 液體靜壓技術(shù)發(fā)展與靜壓導(dǎo)軌分類

世界上最早的液體靜壓技術(shù)概念是1878年在巴黎國(guó)際展覽會(huì)上展品所體現(xiàn)。首次應(yīng)用在人類工程領(lǐng)域是于1938年美國(guó)將其應(yīng)用于帕羅馬爾山天文工作站的200英寸天文望遠(yuǎn)鏡上，并由法國(guó)工程師P.Gerard于1948年成功應(yīng)用與磨床的砂輪主軸上，命名為Gendron磨床。隨著新中國(guó)的建立，為加強(qiáng)建設(shè)國(guó)內(nèi)工業(yè)化體系解決國(guó)外卡脖子技術(shù)，大力發(fā)展精密機(jī)床，國(guó)內(nèi)上海機(jī)床廠率先開展精密磨床制造技術(shù)研發(fā)。緊接著1959年廣州熱帶機(jī)床研究所建立，1962年設(shè)立專業(yè)研究室經(jīng)過50多年的發(fā)展已達(dá)到世界一流水平[1]。部分國(guó)內(nèi)外液體靜壓技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)軌滑塊如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)外研究靜壓導(dǎo)軌進(jìn)展

導(dǎo)軌分為滾動(dòng)導(dǎo)軌與滑動(dòng)導(dǎo)軌兩類，液體靜壓導(dǎo)軌按照其運(yùn)動(dòng)方式劃分為滑動(dòng)導(dǎo)軌一類[2]。液體導(dǎo)靜壓導(dǎo)軌具有多種形式，可以從供油方法或者導(dǎo)軌的構(gòu)造進(jìn)行區(qū)分，具體劃分方法見圖1。

圖1 靜壓導(dǎo)軌分類

業(yè)內(nèi)，習(xí)慣以供油方法和導(dǎo)軌形式對(duì)靜壓導(dǎo)軌進(jìn)行命名：以供油方式進(jìn)行命名，有定壓靜壓導(dǎo)軌、定量靜壓導(dǎo)軌兩種；以進(jìn)給方式對(duì)靜壓導(dǎo)軌進(jìn)行命名，可分為直線運(yùn)動(dòng)靜壓導(dǎo)軌、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)靜壓導(dǎo)行軌；以所用流體進(jìn)行命名，有氣體靜壓導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)軌，以油腔形式命名，有開式靜壓導(dǎo)軌、閉式靜壓導(dǎo)軌。

2 液體靜壓導(dǎo)軌工作原理

2.1 開式靜壓導(dǎo)軌

開式靜壓導(dǎo)軌，是通過油腔的形式進(jìn)行命名，指在機(jī)床床身一側(cè)安放導(dǎo)軌，并在開式導(dǎo)軌上設(shè)計(jì)若干油腔，同時(shí)工作臺(tái)可以從床身上分離的靜壓導(dǎo)軌。開式靜壓導(dǎo)軌采用輸出一定壓力的潤(rùn)滑油進(jìn)入導(dǎo)軌的不同油腔內(nèi)，產(chǎn)生載重力，使導(dǎo)軌被流體介質(zhì)托住，形成薄膜的流體潤(rùn)滑達(dá)到導(dǎo)軌與床身不接觸的效果。從方便調(diào)整導(dǎo)軌剛度、承載力與油膜厚度的角度出發(fā)，普遍使用矩形平面導(dǎo)軌。開式靜壓導(dǎo)軌由于其自身構(gòu)造不適用于外負(fù)載非均勻、偏載傾覆力矩過大、無法水平放置或產(chǎn)生較大傾角的場(chǎng)合。

2.2 閉式靜壓導(dǎo)軌

閉式靜壓導(dǎo)軌，指在床身的不同方向安放導(dǎo)軌，并在導(dǎo)軌各方向的工作面上設(shè)置數(shù)個(gè)油腔，受到約束而無法從床身上分離的靜壓導(dǎo)軌，導(dǎo)軌僅具有一個(gè)自由度其方向?yàn)閷?dǎo)軌位移方向，剩余自由度均被約束，依托于上下油腔液壓力不同而產(chǎn)生的壓差形成承載力保證導(dǎo)軌低摩擦滑動(dòng)，閉式液體靜壓導(dǎo)軌在初始設(shè)計(jì)階段、中端加工階段、安裝調(diào)試階段均比較復(fù)雜，主要用在高精密機(jī)床。閉式靜壓導(dǎo)軌具體工作原理為采用輸送一定壓力的液壓油，使溜板下充滿一層油膜，通過油膜的高剛度達(dá)到托起溜板的效果，以實(shí)現(xiàn)溜板與導(dǎo)軌間不接觸。由于油膜為流體潤(rùn)滑，相較于固體間摩擦系數(shù)較低，極大避免了摩擦造成的損耗，均化誤差，增高機(jī)床的穩(wěn)定性，提升機(jī)床耐久性。導(dǎo)軌一般結(jié)構(gòu)如圖 2所示，溜板在導(dǎo)軌軸向上滑動(dòng)。導(dǎo)軌溜板由上幅板、側(cè)幅板和下幅板通過螺栓進(jìn)行連接，通過在幅板內(nèi)設(shè)置互相連接的通油管路，使得不同油孔輸送液壓油都可以運(yùn)送到全部油路[3]。為實(shí)現(xiàn)節(jié)流控制，通過在每個(gè)油墊的出口處安裝節(jié)流器實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，并工藝孔密封，確保供油過程中不會(huì)出現(xiàn)漏油狀況。導(dǎo)軌采用直線電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，電機(jī)的固定方式為上幅板底面開有螺孔用來安裝直線電機(jī)的動(dòng)子，定子部分安裝在基座上。

圖2 閉式靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)模型

3 PM流量控制器在液體靜壓技術(shù)中的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)靜壓導(dǎo)軌從設(shè)計(jì)到實(shí)際投入應(yīng)用需經(jīng)過繁瑣理論驗(yàn)證，且精度要求苛刻，若裝配環(huán)節(jié)靜壓間隙配合不達(dá)標(biāo)，則機(jī)床無法完成精密加工，對(duì)技術(shù)部門和裝配工人是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。而模塊化靜壓導(dǎo)軌可以解決這一問題，其內(nèi)部集成了薄膜式流量控制器，靜壓油腔和油腔壓力傳感器；可以提高靜壓系統(tǒng)的剛度，降低其發(fā)熱量，減小系統(tǒng)流量。模塊化的液壓靜壓導(dǎo)軌塊在高精度機(jī)床上具有很高的互換性，在靜壓導(dǎo)軌安裝調(diào)試過程中，通過檢測(cè)油腔壓力來調(diào)整間隙[4]。因此，同一生產(chǎn)線的液體靜壓導(dǎo)軌在油膜間隙上完全一致，油膜剛度和特性均相同，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。目前模塊化靜壓導(dǎo)軌滑塊處于領(lǐng)先位置的為德國(guó)Hyprostatik 公司，其研制的單反饋薄膜流量控制器結(jié)構(gòu)新穎，性能優(yōu)良命名為PM流量控制器（圖3）。PM流量控制器；是一種可調(diào)節(jié)流控制器，與以往恒定流量的節(jié)流器不同，其流量隨著壓力增大而隨之增強(qiáng)[5]。當(dāng)負(fù)載變大，油腔壓力增強(qiáng)，供油量立刻提升，保證油膜厚度變化十分微小，這樣導(dǎo)軌剛度顯著提升，提升了靜壓支承各項(xiàng)指標(biāo)。

圖3 PM流量控制器

PM流量控制器有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）隨著PM流量控制器加大流量輸出可以得到靜壓腔壓力的正向反饋，在靜壓腔為滿載荷時(shí)，其流量輸出為無載荷的2.5倍。此工作環(huán)境下，系統(tǒng)剛性相較于毛細(xì)管系統(tǒng)顯著提升預(yù)載剛性更好，具體如圖4所示。

圖4 流量控制器壓力調(diào)節(jié)曲線

（2）高剛性的結(jié)果：在最小載荷和最大載荷時(shí)靜壓間隙變化很小，通常為幾微米；最小油膜厚度比采用毛細(xì)管靜壓要大得多，因此允許更大的整體零部件加工誤差或變形量，避免在最大載荷下軸承上下面發(fā)生接觸。

（3）摩擦小，在任何工況，載荷和工作速度下沒有磨損。

4 結(jié)語

綜上所述，由于液體靜壓導(dǎo)軌存在一定的局限性，所以該項(xiàng)技術(shù)未能充分發(fā)揮。目前只應(yīng)用在部分高精機(jī)床和重型機(jī)床上，缺少應(yīng)用靜壓系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的廠商在導(dǎo)入該技術(shù)時(shí)十分謹(jǐn)慎?，F(xiàn)階段首要目標(biāo)打破國(guó)外技術(shù)封鎖，致力于研究國(guó)產(chǎn)模塊化液體靜壓導(dǎo)軌，以降低靜壓導(dǎo)軌應(yīng)用的技術(shù)門檻，簡(jiǎn)化機(jī)床廠家的技術(shù)工作，方便導(dǎo)入靜壓導(dǎo)軌技術(shù)，突破國(guó)內(nèi)靜壓導(dǎo)軌應(yīng)用技術(shù)瓶頸為目標(biāo)。