开式静压导轨在球面车床上的典型应用

应用与ｉ式验　・机械研究与应用・　

开式静压导轨在球面车床上的典型应用　王芳，董全宏　（天水星火机床有限责任公司，甘肃天水７４１０２４）　摘要：阐述了静压导轨在球面车床刀架床鞍上应用的必要性。通过对静压导轨的设计，静压导轨的工作原理和特　点，油膜形式及尺寸的设计，油腔的初始托举力计算等方面的研究，证明在球面车床回转工作台低速、重负载　的条件下，采用静压技术，把摩擦副的两个接触面隔开，使摩擦副的静摩擦为纯液体摩擦，从而保证了机床的　回转精度和加工精度，有效的延长了工作台上摩擦副的使用寿命。　关键词：球面车床；静压导轨；设计　中图分类号：ＴＧ５１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—４４１４（２０１１）０４—００５８—０２　Ｔｙｐｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｐｒｉｔ　ｓｔａｔｉｃ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｇｕｉｄｅ－ｗａｙ　ｔｏ　ｓｐｈｅｒｅ　ｌａｔｈｅ　Ｗａｎｇ　Ｆａｎｇ，Ｄｏｎｇ　Ｑｕａｎ－ｈｏｎｇ　（Ｔｉａｎｓｈｕｉ　Ｓｐａｒｋ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌ　Ｃｏ．，Ｌｉｄ，Ｔｉａｎｓｈｕｉ，Ｇａｎｓｕ　７４１０２４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｎｅｃｅｓｓｉｔｙ　ｏｆ　ｇｕｉｄｅｗａｙ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｌｉｄｅ　ａｎｄ　ｔｏｏｌ　ｐｏｓｔ　ｏｆ　ｓｐｈｅｒｅ　ｌａｔｈｅ　ｉｓ　ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｇｕｉｄｅｗａｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｇｕｉｄｅｗａｙ，ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｏｉｌ　ｆｉｌｍ　ｆｏｒｍｓ　ａｎｄ　ｓｉｚｅｓ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｌａｎｄｅｄ　ｆｏｒｃｅ　ｆｏｒ　ｏｉｌ　ｃｈａｍｂｅｒ，ｉｔ　ｉｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　ｉｎ　ｌｏｗ—ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｐｒｅ—ｌｏａｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ｌａｔｈｅ　ｒｏｔａｒｙ　ｗｏｒｋｔａｂｌｅ，ｕｓｉｎｇ　ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　ｔｗｏ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｓｕｒｆａｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｐａｉｒ　ｉｓ　ｓｅｐａｒａｔｅｄ，ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｐａｉｒ　ｉｓ　ｐｕｒｅ　ｌｉｑｕｉｄ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ，ＳＯ　ｆｌＳ　ｔｏ　ｅｎ—　ｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｍａｃｈｉｎｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．ｉｔ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｔｏ　ｅｘｔｅｎｄ　ｔｈｅ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｌｉｆｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｐａｉｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ｌａｔｈｅ；ｓｔａｔｉｃ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｇｕｉｄｅ－ｗａｙ；ｄｅｓｉｇｎ　１机床总体介绍　Ｃ６５２２０球面车床…，以我公司生产的大型卧式　车床为基础，采用国内外先进的机床制造技术和可靠　性高的配套件制造而成，它具有精度高、功率大、刚性　高、制造精良、功能齐全等特点。其主要部件和结构　均经过优化设计，主要用于大型内外球面的粗、精车　削加工，广泛运用于军事装备、石油管道等行业。本　机床还具有一般普通车床的部分加工性能，如车削外　圆、端面、内孑Ｌ等　Ｊ。　２车床刀架床鞍上应用静压导轨的必要性　球面车床在车削内外球球面时，通过固定在床鞍　内的蜗轮蜗杆副传动实现回转工作台的旋转，为了充　分保证机床的回转精度，如图１所示　Ｊ。　

图１原回转工作台原理图　１．床鞍２．转台３．推力向心轴承４．蜗轮　５．蜗杆６．软带　传统在床鞍与回转工作台导轨副上贴有塑料软　带，由于导轨的摩擦会造成工作台不是均匀连续的运　动，而是跳跃式的进给；影响加工零件的表面质量。　

图２液体静压导轨回转工作台原理图　１．床鞍２．转台３．推力向心轴承４．蜗轮　５．蜗杆６．导轨板７．多头泵８．油箱　如图２所示，球面车床回转工作台环形导轨采用　液体静压形式，有效的保证了机床的回转精度和加工　精度。液体静压环形导轨是将具有一定压力的油液，　经节流器输送到导轨面问的油腔从而形成承载的油　膜，使工作台浮起；工作过程中，导轨面上油腔中的油　压能随拖板上的载荷变化自动调节，以平衡外载荷，　这保证了导轨面间始终处于纯液体摩擦状态，使导轨　具有以下优点：①摩擦磨损小，摩擦系数一般在０．　０００５左右，降低了运动的消耗功率；②导轨寿命长，　精度保持性好；③抗震性好，工作精度高；④速度变化　

收稿日期：２０１１—０４—０４　作者简介：王芳（１９８１一），女，甘肃天水人，助理工程师，主要从事机床设计开发方面工作。　・５８・

　・机械研究与应用・　对油膜刚度影响很小，工作稳定；⑤低速下由于工作　台是均匀连续的运动，不会产生爬行；⑥可降低对导　轨材料的要求。　缺点是需要一套具有良好过滤效果的液压装置。　综合以上特点，静压导轨技术在球面车床回转工　作台中有很强的使用价值。　３静压导轨的设计　３．１静压导轨的组合形式　球面车床回转运动导轨与推力向心轴承组件联　合使用，它是球面车床圆度的基准，也是保证机床加　工精度的核心。　３．２静压导轨的工作原理及其特点　液体静压导轨是在两个相对运动的导轨面之间　输人压力油，使工作台浮起；工作过程中，导轨面上油　腔中的油压可随外载荷的变化自动调节，以平衡外载　荷，保证导轨面间始终处于纯液体摩擦状态。静压导　轨的工作原理与静压轴承相似，只是由于用途不同，　在具体结构及性能上有一些差异。现以本机定压供　油开式导轨为例，说明静压导轨的工作原理，如图３　所示。　

１．油池　２．进油滤油器　３．油泵电动机４．油泵　１　５　溢漉阀　６粗滤油器　７．精滤油器８．压力表？　９．节渡阀　ｌＯ．上支承　１１．下支承　

图３定压开式静压导轨原理　

液体静压导轨通常将移动件的导轨面分成若干　段，每一段相当于一个独立的油垫支承（以下简称支　承），每个支承由油腔和封油面组成。来自油泵并经　过滤的压力为Ｐ。的油液，经过节流器节流后压力降　为Ｐ　进人导轨油腔。当导轨面上有足够的总压力平　衡运动件的重量时，支承被浮起，此时油液通过上、下　支承的间隙ｈ流出，压力降为零。当浮起量大于支承　上、下两个平面的表面不平度时，即形成纯液体摩擦。　当作用在上支承的载荷Ｆ增大时，则上支承有　下沉的趋势，油膜被压缩，导轨面之间油液外流的液　阻增大，由于节流器的调压作用，使油腔压力Ｐ　随之　增大（在承载能力范围内），以平衡外载荷。当采用　固定节流器时，由于油腔的压力Ｐ　与导轨间隙＾的　三次方成反比，故导轨间隙的微量变化，就能获得较　大的油腔压力增量，因此油腔压力较高。当采用可变　节流器时，则能获得近似于无穷大的油腔刚度。　应用与ｉ式验　

３．３油膜形式及尺寸的设计【５　根据工作台结构，参照同类型产品，考虑到产品　系列关系，采用无横向油槽结构，两个油腔导轨宽度　Ｂ＝５００ｒａｍ，长￡＝３６７．２２ｒａｍ，油腔宽度ｂ＝１７０ｍｍ，油　腔长度Ｚ＝２６７．２２ｒａｍ。　３．３．１油腔的初始托举力计算　所谓初始托举力，是指油泵刚启动而支承尚未浮　起的静压推力。如果导轨面之间贴合紧密，则油液只　能充满油腔的挖空部分，此时的承载面积远远小于有　效承载面积Ａ　。　一般情况下因导轨面并非贴合的十分紧密，油液　只能一部分渗接合面之间，因此，初始承载面积，大致　介于有效承载面积与油腔挖空部分面积之间：　Ａ。　＝１／２（　＋　）　（１）　式中：Ａ　为实际的油腔承载面积，ｅｍ　；Ａ。为油腔有效　承载面积，ｅｍ　；Ａ　为油腔挖空部分面积，ｃｍ　。　油膜的初始托举力为：　Ｆ　＝Ｐ。・Ａ。　（２）　式中：Ｆ　为初始托举力，ｋｇ；Ｐ　为油泵供油压力，ｋｇ／　ｃｍ２。　要使移动件浮起，必须使初始托举力大于移动件　的自重及其上最大工件质量：　Ｆ　≥Ｆｇ＋Ｆ鲫　式中：Ｆ　为移动件质量，ｋｇ；　一为工件最大的质量，　ｋｇ。　根据设计任务书要求，工件最大质量Ｆ　＝３２ｔ；　工作台自重Ｆ　＝１０ｔ；取Ｆ　＝６５ｔ。　由式（１）可知：Ａ　＝ＢｘＬ＝５０ｘ３７＝１８５０ｃｍ　；Ａ　＝ｂ　×Ｚ＝１７￣２７＝４６０ｅｍ　。　贝０：Ａ　＝１／２（　。＋Ａ　）　＝１／２（１８５０＋４６０）　＝１１５５（ｃｍ　）　将已知：Ａ。　＝ｌ１５５ｃｍ　，Ｆ　＝６５ｔ代人式（２）。　则：油腔供油压力Ｐ　＝Ｆ　／Ａ。　＝６５０００／Ｉ　１５５　＝５６（ｋｇ／ｃｍ　）　４结论　静压技术在机械制造业中的应用愈来愈广泛，特　别是在低速、重负载的条件下更具有优越性。采用液　压技术，把摩擦副的两个面隔开，使摩擦副的静摩擦　为纯液体摩擦，从而达到提高机械效率，降低温升，减　小磨损，延长摩擦副的工作寿命的目的。　尤其是球面车床回转工作台环形导轨采用液体　静压形式，可有效保证机床的回转精度和加工精度。　（下转第６１页）　・５９・　一

　・机械研究与应用・　在设计中将轴承组４与两组轴承的轴线倾斜设计为　ｌ。。当需顺时针转动测杆时，测杆就沿螺旋线向下移　动与研磨平板接触，产生压力的同时，由于研磨器自　身的重力又将测杆向上顶回使测杆测量面与研磨器　的研磨基面保持在同一个平面内。因此研磨中当测　杆不断转动时，测量面会受到较大的研磨压力，而研　磨基面主要起辅助作用，磨削量较少。说明测杆在夹　具中是转动研磨的，测杆轴与研磨基面保持垂直才能　保证测量与测杆的轴线垂直。　

图１研磨器的结构图　１．手柄２．外套３．内套４．轴承组５．测杆６．调整螺钉　７．进给研磨压力轴８．轴承组９．轴承组　该研磨器制作时应注意的几点要求：　（１）轴承选用　本研磨器轴承采用型号为　１０００８０５深沟球轴承　Ｊ。　（２）进给研磨压力轴中心线，配装后与内套轴线　的夹角为１。左右。　（３）进给研磨压力轴与方槽配合不应松动，配合　间隙最大不超过０．０２ｍｍ。　（４）轴承组８、９内套紧配合，两轴线不平行度不　大于０．０１ｍｍ，两轴线与内套的下端面垂直度不大于　０．０１ｍｍ［引。　（５）调整螺钉应采用细牙螺纹，以便调整，调整　设计与制造　

好后必须紧固可靠，不应松动。　２．３研磨器的调整方法　（ｉ）平晶调整法在研磨器中插入一支测量面　平面度与测杆轴线垂直的新千分尺活动测杆作为标　准测杆，用手柄适当夹紧，然后将直径略大于研磨器　直径的平晶放在基面上，转动测杆使测量面与平晶接　触，并由干涉带观察接触情况。如果测量面一边与测　杆轴线不垂直，可反复调整研磨器外套上的６个螺　钉，直到测量面与平晶全面接触，出现干涉带条纹数　和形状与单独检测时一样为止，调整好后６个螺钉需　紧固。此后该研磨器可长期投人使用。　（２）试验调整法将标准测杆插入研磨器中，紧　固在研磨平板上推磨两下（注意不转动测杆）然后根　据测量面上研磨的痕迹，确定测杆轴轴线的倾斜方向　并用螺钉调整。调整好之后在平板上转动测杆即可　进行研磨。　３　结论　制造加工后的研磨器，共研磨千分尺４６０件，内　量表３０６件，通过对上述量具进行鉴定和修理证明该　研磨器可达到计量的需要。研磨一支合金测杆平均　的时间为１２．５ｍｉｎ。比原来的手工操作提高了３—５　倍。平面度可以达到一条干涉带（平晶干涉法）。测　杆测量面的粗糟度和平行度也达到了要求。设计制　造的千分尺及内量表测杆量面研磨器，结构简单，操　作方便。经过现场使用可满足现场的使用要求，为以　后设计类似的研磨器提供了参考。　参考文献：　［１］李德涛．量具修理［Ｍ］．沈阳：辽宁人民出版社１９８４．　［２］濮量贵．机械零件［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９８２．　［３］吴宗泽．机械设计实用手册［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００３