一种改进型液体静压导轨在机床中的应用

张伟，王亮

（沈阳机床集团设计研究院，沈阳　110141）

　　1　引言

　　液体静压导轨在大型机床、重型机床、数控机床及精密机床上得到了广泛的应用，其优点在于摩擦系数低、不爬行、运行平稳、工作寿命长等。在静压导轨设计中，承载能力和油膜刚度是两个Z重要的性能指标，直接影响整机性能。

　　本文主要研究液体静压导轨在大型精密卧式加工中心转台上的应用，机床运行时由于转台直径较大，偏载工况较多，因此宜采用闭式液体静压方式，但闭式液体静压方式在生产、制造等诸多环节不易满足，因此采用一种改进型的开式液体静压方式，即在开式液体静压方式的基础上增加液压夹紧装置，限制转台摆动达到类似闭式液体静压的效果。这样既可以降低转台摆动，又能降低转台在作业时上下浮动问题。

　　在供油方式的选择上，由于采用定压供油式静压导轨，易使油温升高，机床产生热变形，降低机床精度，甚至使静压导轨不能正常工作，不利于机床精度的维持，因此采用恒定流量式供油。

　　2　静压导轨的工作原理

　　液体静压导轨中各独立的承载部分被称为油垫，油垫由油腔、封油边和进油孔所组成。开式液体静压导轨有多个油垫，每个油垫的供油方式、工作原理都相同。

　　开式液体静压导轨的定量供油系统结构如图1所示。

　　定量供油液体静压导轨工作原理为：电动机3带动油泵4开始供油，油泵4将油从油箱1中抽出，经粗滤油器2和精滤油器5向进油口8供油，当油垫产生足够的压力平衡转台7及其以上重量时，支承的上表面被浮起，多余的油液经封油边流回油箱1。当转台7上放置工件时，油膜厚度减小，导轨面间的油液外流液阻增大，但由于定量供油的流量不变，故油垫压力升高，从而使工作台处于新的平衡状态。当转台处于浮起状态下平衡时，由液压夹紧器9将转台夹紧，进入切削加工阶段，此时的转台大大减少了由于切削对其上下浮动的影响，从而提高了加工精度，保证了加工质量。

　　3　油垫压力计算

　　大型卧式加工中心的液体静压导轨，空载时主要承受工作台的重力G_T和工件重力G_J（Z大向下切削力相对于静压转台的自重及工件重量较小且由平衡夹紧器平衡，所以忽略不计），设在转台上有n个相同油垫，则空载时单个油垫的载荷为：

　　式中，P₀为空载时油垫压力；A_d为单个油垫有效承载面积。

　　满载时单个油垫载荷为：

　　式中，P_z为满载时油垫压力。

　　图2为单个油垫承载面积图，图中有剖面线区域为有效承载区。

　　单油垫的有效面积为：

　　空载时由式（1）得出供油压力为：

　　满载时由式（2）得出供油压力为：

　　4　承载能力计算

　　油泵输出的压力油充满油垫，并经封油边流出，油压由p降为零，油膜粘度已知，单油垫的流量为：

　　式中，K为油膜阻力系数（与有效承载面积有关）；u为油膜的粘度；p为油垫压力。

　　油膜厚度h与油腔压力p及流量Q的关系为：

　　因此可以看出，在保持油膜厚度不变的情况下，初设流量Q越大，则油垫压力越大，静压导轨支撑能力越大。

　　同时在选定一定流量Q后，设满载情况下工作台比空载下降距离e₁，则有：

　　由式（8）、（9）得出：

　　由式（4）、（5）得出工件重力与转台重力之间的关系：

　　5　结语

　　从以上分析可知，大型机床的液体静压导轨的承载能力与液压泵站的供应流量有直接关系，增大转台承载能力，则相应地需要增大液压供给的流量；同时机床的Z大承载重量与转台自身重量相关。以上两点在设计过程中如采用横流量供油方式，确定转台的承载能力时应给予充分考虑。

　　参考文献

　　[1]王东锋.液体静压导轨及其在机床导轨设计中的应用研究[J].液压气动与密封，2003（10）：26-28.

　　[2]胡竞湘.1.6米圆台立式磨床采用恒流静压导轨的研制[J].机床与液压，1998（10）：69-70.

　　[3]张晓彤.开式液体静压导轨油膜厚度控制方案的研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2007.
 

来源：《机械工程师》2011年第4期