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1 引言" a8 k. ~. R f5 ?: v+ d a
对于精密圆台立式磨床来说,要保证磨削工件的大平面粗糙度低、精度高,除了要求磨头好以外,还要求工作台的工作性能要好。目前国内外生产的φ1.6米精密圆台立式磨床中,工作台导轨基本上采用滚动导轨,经调查,滚动体磨损后高精度易于丧失,抗振能力不强,在磨削高精度的大平面时,粗糙度值也不理想。而静压导轨与它比较,具有更小的摩擦阻力,使用寿命长,动态特性好,运动刚度好,有一定的吸振能力,运动精度高。滚动导轨难于与静压导轨媲美,且国产静压系统与进口大型特级平面滚动轴承在价格上也相差不大。因此,我们在研制φ1.6米精密圆台立磨(该项目为原机械工业部1997年机械工业科学技术发展计划项目)中采用了静压导轨,效果好。下面对本课题中静压导轨的设计作一介绍。! r8 y: A+ Z& `7 a3 I% [+ I
2 静压导轨供油方式的确定" ^) I6 o7 x% V: ^* {
就供油方式而言,液体静压导轨目前分为恒压和恒流供油两大类。近年来德国、日本、美国等工业发达国家生产的机床,对液体静压导轨的供油方式,不是千篇一律采用某种方式,有采用恒流供油方式,也有采用恒压供油方式,这样做有可能取决于传习惯和供油系统的辅助件研制过关与否而定。! F, s3 a, Y3 X+ A
图1所示为每两个油腔共用一个节流器,油泵供油压力用溢流阀调整,始终将压力控制在某个合理数值上,即所谓恒压式,图2所示为每个油腔均有一个油泵全流量供油,即所谓恒流式,两种供油方式比较如下:/ L* w) Q' L+ n! O, ^ z; E0 v
7 f% L) ~# N. s f4 N图12 z& r/ ^: P9 ~2 y" L5 s
, K9 d1 L; X- {
图2
- Y& g. j l1 K* T; X3 _ (1)由于工作重量不均,基础件刚度有限,卡紧力引起局部变形,以及欲想基础件加工精度、粗糙度和安装调试要求特高和稳定,均难达到。由此导轨上各个油腔压力不可能均匀,若某个油腔达到或接近一定的油泵压力时,静压就无法建立。采用恒流导轨没有溢流阀,只要有足够的流量,就能够保持导轨之间脱离接触,形成纯液体摩擦。该系统的压力储备大,过载能力强。- |$ ?- j1 @- u# E
(2)由于外界飞扬尘埃,运转中某些剥离下金属,油中析出的杂质,以及基础件内腔中某些残存脏物会使油污染,节流器一旦被堵塞,恒压导轨的油腔失压,破坏了静压。若采用恒流静压,无节流器,即无堵塞现象发生,工作安全可靠性高,但润滑油仍需精密过滤,以防研伤导轨。) r* a* `" u: J# Q- Q% ^6 h5 P
(3)恒压式油泵供油压力高于油腔压力时,即通过节流器产生压力降,有压力降就会有热量产生,要维持供油压力,溢液阀一定要溢流,该部分溢流既消耗功率,又产生热量,结果油温升高,导致机床热变形大,降低机床运动精度,甚至于还有可能使静压导轨不能正常工作。
q" k7 z R5 P (4)就油膜刚度而言,恒流静压系统所具有的刚度,比恒静压系统中有反馈节流系统要差一些,但比有固定节流系统要好得多。9 A, K1 z) v, A. D/ a& t( P' g
根据上述二者之利弊,目前选择恒流供油方式是比较合理的。同时基于湖北某机床厂二十多年采用恒流静压导轨的机床,无一因供油方式而产生故障。因此本磨床液体静压导轨的供油采用湖北某机床厂现行生产的1WZS04型十个头恒流量分油器,其原理图见图3。恒流量分油器的工作原理、工作性能和参数,以及工作安全性,在此不作叙述。$ w V8 X# [4 Y5 J9 f: u3 }! H
; Q3 C9 S# L% r2 o/ d1—电动机 2—飞轮 3—精滤器 4—变量泵 5—精滤器( h' ~7 H! O8 Z/ P% L3 c+ @
6—溢流阀 7—恒流量分油器 8—压力继电器) m) y: {- m9 `5 N
9—压力表 10—底座油腔 11—工作台$ q; a9 n6 p( M8 A& ?) f
图3
4 g+ K; X$ w& |% \$ U3 静压导轨的设计与计算
( A1 g' N! G% [9 h: t (1)?1.6米圆台立式磨床的工作台与底座设计主要技术参数
7 E9 }$ l0 J* C: m* b, e3 l ①工作台直径:?1600mm
+ {4 N6 b$ w; x ②工作台转速:0.8~32r/min
, Q7 e' Z9 V$ e3 G* I: j& h9 q1 p ③最大磨削直径:?1800mm
& v, G8 S* a6 |' j, H1 ] ④工作台重量:W1=18kN% L' ]2 [% L$ D; n: H7 G
⑤工作台上磁吸盘重量:W2=12kN0 y/ k4 C# r# B( Q+ m
⑥工件最大重量:W3=60kN
: _' R: T/ C4 N, W2 X5 k (2)液体静压导轨的设计( Q6 B) w; P3 S
如图4所示,导轨外径为?1200mm,内径为?1000mm,均布十个油腔,每个油腔除外周回油外,还设置径向回油槽,径向回油槽作用有二,既可作内周回油道,又可作油腔之间断压槽用,以免压力互相干扰。内外有一道高1.5mm围墙,使导轨始终泡在润滑油中工作,以免在回转时将空气带入油腔而失压,若油路系统发生故障,突然停车,导轨间仍保持有油润滑,不会产生干摩擦。油腔开在底座上,工作台导轨镶有锌铝铜合金导轨板,为了液体静压导轨预载,工作台至导轨处高375mm,使其承受刚度是足够的。
; `- [) x/ v, |) B. U: O6 ~ (3)液体静压导轨计算
" R/ |9 D( D D ①油腔压力计算
$ y' m( B: D; E! r6 P/ o- z$ k 油腔尺寸如图5所示,虚线表示每个油腔承受压力的有效面积Ae:6 ~( b5 P- ]6 I* f
0 s4 T0 v E+ i% H2 p+ m图4
7 x& c6 L0 C' ]0 X4 S) y
8 c/ u/ l5 i" @8 Y R' u6 M
图5
1 A) o1 ~! u) G3 i: S
l- }) ~* L" y空载时一个油腔压力:
. f: R/ l$ s5 k( y M2 `( h
/ t1 O. v$ j5 }5 R9 Q" `% C3 N9 g, ]
满载时一个油腔压力:5 P2 o6 x7 m; ]; }
9 R) s% e( j- ]; ]% h# A ②静压导轨机械油的选择
9 x. y: U- S0 _+ C* n 众所周知,机械润滑油的动力粘度与温度有关,如果粘度随温差变化大,则流量的变化大& j7 F8 f* j# }- M
,这对恒流静压导轨很不利,需要经常调整变量泵。下面通过查手册取二种机械润滑油的动力
( N$ O8 v+ z# Y k) u粘度进行比较。; R2 r+ b! Z1 d* Y3 Z
10#机械润滑油:9 `5 k' r8 d ?% ~) ^ j9 l5 z
μ10℃=44.64×10-3Pa·s,μ40℃=14.29×10-3Pa·s9 n. Z' ?& T9 O6 V/ G& C- r
30#机械润滑油:! [6 ~5 U, P- c' l# m8 Z, C
μ10℃=250×10-3Pa·s,μ40℃=42×10-3Pa·s
9 b" o$ A& [# I9 S! x) c! N 由上可知,10#机械润滑油μ10℃/μ40℃=3.124倍,30#机械润滑油:μ10℃/μ40℃=5.952倍,显然,10#机械润滑油的动力粘度随温差变化量小。因此,选用10#机械润滑油。. h' B/ e- w. w/ D4 K% R. J0 v/ B! I1 Z& f
③油腔流量计算:
( P% i, x) F* f* W: |) S4 ~4 YQ=pλh3/(12μ)( K, O6 R6 y& J# `
p——油腔压力(Pa);: g6 u" H( S6 U
h——油膜厚度(m);
6 {+ z& [* k& Q" R) E λ——节流边系数;
1 O+ {7 Q0 D# B/ F- N* r u/ _ μ——润滑油动力粘度(Pa·s)。
3 F3 r% H4 W. q$ H4 ]3 i
6 D; h% Y/ f, c. b/ v
取h=9×10-5m。
0 K0 L! }& M) M& M* A
% s3 p4 m% j% L4 t* O6 `" ] 10℃时满载的总流量:
3 L3 d" s) D; ~: }3 l+ d Qεμ10℃=10Qμ40℃=6L/min8 U H% a/ }# i+ \# ? n G B
40℃时满载的总流量:" ~9 G" a6 v- E% _" R6 v
Qεμ40℃=10Qμ40℃=19L/min
/ n: b: j" o/ n, e9 ~' H 选用YBX型变量泵供油,额定流量为25L/min。根据油膜剪切消耗功率计算,若贮油箱容量选用大于600L,则油液温升只在≤20℃左右,足以保持安全可靠工作。
+ I/ H" ]9 l2 o; i! ~- M. G ④油膜的剪切功率计算:3 ]* [+ r1 r5 Z8 F7 r
当工作台旋转时,油在导轨间受剪切,必须消耗功率。由于液体静压导轨无直接金属接触,也就无摩擦损失。因此,只有工作台导轨与底座导轨的相对速度,使油受剪切,其剪切力大小与润滑油动力粘度、面积、相对速度成正比,与间隙成反比,其公式:
# P1 w/ X$ w3 R- E+ OF'=μAv/h
+ \4 o6 w! t) o剪切力矩: M=F'r
7 E- ]. Z: O2 q( R( ] 剪切所消耗功率:N=1.075×10-7μΑr2n2/h
, z8 E/ y9 x* X9 f" N/ V式中:A——底座上的静压导轨与工作台导轨实际接触面积(油腔、径向回油槽不计算在内),A=(602-56.62+53.42-502)π+3.2×3.4×2×10-5×10×10=2066.32cm2=2.06632×10-1m2;
4 g/ O ?7 x$ @2 e r——导轨宽度的几何中心到导轨圆心O的半径,r=(60-50)÷2+50=55cm=0.55m;
, A. k/ N4 a* A" j- Z n——工作台最高转速(r/min)。, M2 c: Z2 Z: x" {9 ^# L0 p7 x" s) U
⑤油膜刚度计算:7 ^0 U3 b7 w5 `' t% U4 u
J=F/e
) Z3 F1 N- V, \式中:F——载荷
$ n' h& L y+ E. Z% G6 ~ e——从原始载荷状态开始计算的位移量: h* s% K6 y/ X9 d6 T( R
F=W1+W2+W3=90000N: }% C2 _7 g1 v' Y) ^ \9 D+ a
e=0~h=0~9×10-5m=0~90μ1 H8 @8 y" E1 k4 R/ n
∴Jmin=90000/90=1000N/μ
! J# d! H/ I* s: w4 结束语
0 U: C# F& i. b) Z, m3 X+ D 由于静压导轨具有一系列的特点,加之又采用了恒流量供油方式,所以使得磨床的摩擦阻力小,工作可靠,动态特性好,抗振性强,运动刚度好,运动精度高,从而磨削工件精度高。
% j+ H; H% z1 Z; M8 l, N/ t【MechNet】- a. v+ j/ ]5 m7 ~4 l4 A, \
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