重载高速工作台设计

李立强 马 蕾 王 梅

(齐重数控装备股份有限公司，黑龙江 齐齐哈尔161005)

目前，国内缺少高速重载的重型数控立式车床，其主要原因是国内缺少直径9.5 m 以上、承重400 t 以上、最高转速在30 r/min 以上、工作台芯部和外圈均可承重的工作台。工作台是立式车床的关键大部件，是立式车床的心脏部分，工作台的性能指标是衡量数控机床水平的主要依据之一。目前，国内数控立式车床最大直径10 m左右的工作台承重一般不超过300 t，工作台转速一般不超过15.5 r/min，造成这个问题的主要原因是机床工作台一般使用单圈静压导轨结构。为了提高单圈静压导轨的承载能力，提高工作台抵抗工件偏载和垂直刀架切削力产生的颠覆力矩的能力，单圈静压导轨直径一般制作得非常大。虽然静压导轨的油室数量较多，但由于工作台芯部无静压导轨承载，使工作台的承重量仍然偏低，而且工作台在承载重量集中在工作台芯部的工件时，由于工作台芯部的变形非常大，使工件的平面度精度非常低，经常出现工件端、径跳精度合格，而工件的平面度精度超差很多的问题。

1 传统重载工作台

目前，国内重型数控立式车床工作台的静压油室一般使用扇形结构。扇形静压导轨板的导轨有效宽度和封油边宽度比较大，工作台静压导轨的比压值较低。该结构在工作台低速重载情况下工作较理想，在小于5 r/min 以下的低转速情况下一般可以正常工作。随着机床的快速发展，刀具的许用线速度越来越高，使得工作台的转速大大提高。在工作台提速的过程中，由于工作台静压导轨液压油发热量的逐渐增大，使得工作台和工作台底座温度上升得非常快，工作台和工作台底座的温度非常高;工作台导轨由静压状态下的不接触，逐渐变为局部接触，直至大面积接触;工作台导轨由静压摩擦逐渐变为半静压半滑动摩擦，直至变为大面积滑动摩擦。在工作台转速提高的过程中，工作台导轨摩擦阻力和摩擦扭矩也逐渐增大，逐渐增大的导轨摩擦阻力引起了导轨静压油温度的加速上升，使得工作台的温升进入了恶性循环状态，造成工作台凹曲变形和工作台底座凸起变形非常严重，使得加工工件平面度精度大大降低，同时造成工作台导轨发生研伤的事故。

为了解决工作台温升的问题，如果使用加大油温冷却机规格和数量的办法，虽然能够在一定程度上解决问题，但并没有根本性地解决工作台发热源的问题，主要原因是立式车床工作台静压油的回油是使用自然回流的方法。该方法主要受到工作台底座自身结构的限制，静压油必需先经过工作台底座表面的回油窗口再通过回油管路才能回流至液压站。在静压油的回油过程中，静压油的大部分热量已通过工作台底座表面和工作台导轨面传导给工作台底座和工作台大件，并造成工作台底座和工作台温度的快速升高。为了保证机床的性价比，机床选用油温冷却机的规格和数量也不可能选得过高、过多。因此，采用通过油温冷却机先冷却工作台静压油，再通过冷却后的低温静压油降低工作台和工作台底座温度的办法，其效果非常有限。在工作台连续高速工作状态下运行时，工作台的热变形问题尤其明显，由于工作台导轨在承受过度的热量后变形非常严重，工作台静压油膜间隙已不能正常建立，传统重型数控立式车床工作台在15.5 r/min 时已接近极限状态;此时，工作台静压油的温度已达到了65 ℃以上，静压油在受高温后粘度降低得非常严重，工作台已失去了正常的承载能力。

2 新研重载高速工作台

为了解决重型立式车床工作台承重小和速度低的难题，笔者公司研制了工作台的内外双圈静压导轨和内外双圈地脚垫铁承重的结构，研制了圆形静压导轨盘的结构。其中，工作台的内外双圈静压导轨结构是在传统立式车床工作台单圈静压导轨结构基础上改进而成，即在工作台的外圈静压导轨的内侧增加了内圈静压导轨，外圈静压导轨为主承重静压导轨，承受工作台和工件总重量的70%左右;内圈静压导轨为辅承重静压导轨，承受工作台和工件总重量的30%左右，在不改变外圈静压导轨的前提下，增加了工作台静压导轨的总面积，并大大缩小了工作台静压导轨在内圈的承载半径。因而，大大提高了工作台的承载能力，尤其是提高了工作台承受工件重量大、外径大而夹持直径小于5 m 工件的承载能力。

为了保证双圈静压导轨的承重能力和精度，使新增加的内圈静压导轨不影响外圈主静压导轨的承重，笔者公司研制了内外圈静压导轨面共面结构。即将工作台的内外圈静压导轨面设计在一个平面内，并且在工作台大件静压导轨面精车后，增加了手工刮研的工序，将工作台内外圈静压导轨的平面度控制在0.02 mm 以内，大大提高了工作台大件的加工精度和检验精度，并且将工作台静压导轨油膜浮升量控制在0.08 mm 以内，在满足工作台最大承重的前提下，最大限度地降低工作台静压油膜浮升量，降低工作台静压导轨供油用等量分油器的规格，减小静压导轨的静压油流量，从而大大降低了工作台静压油发热源的发热量，最大限度地减小工作台和工作台底座的受热变形量，使工作台的静压导轨在重载高速运转的情况下，静压油的温度保持在许用范围内，静压油膜仍然能够正常建立。改进后的工作台结构在提高工作台转速和承重量的同时，也大大提高了工作台的端面跳动精度和平面度精度。

另一方面，国内重型立式车床工作台的重量大、刚度低，主要原因是由于国内工作台一般使用三瓣或三瓣以上的联接结构。工作台的材料一般是灰铸铁，三瓣工作台之间一般需要使用螺栓进行联接，由于工作台的分瓣数量多，工作台之间的联接面积非常大，使得工作台的重量非常大而联接刚度低，并且工作台总装后的静、动不平衡量非常大，在工作台运转过程中，工作台的噪声大、有明显的偏重现象。为了解决这个难题，笔者公司通过对工作台大件的铸造、加工、装配和运输等环节，进行了多方面的方案论证，经过大量的有限元分析、计算后，研制了二瓣重型工作台结构，工作台的材料也由灰铸铁改进为球墨铸铁。二瓣结构的重型工作台是沿工作台的中心线一分为二，使工作台沿中心平面进行对接;改进后的二瓣球墨铸铁工作台结构与传统三瓣灰铸铁工作台结构相比较，二瓣工作台联接面的数量少，工作台的大件刚度和联接刚度非常高，而工作台的总重量更轻。为了保证工作台的刚度和精度，笔者公司对工作台和工作台底座的承重筋板进行了优化设计。在工作台和工作台底座的内、外圈静压导轨的中心处分别布置了内外圈主承重环形筋板，工件的重量直接通过工作台的内外圈主、辅承重环形筋板作用到工作台的双圈静压导轨上，再通过工作台底座的内外圈主、辅承重环形筋板和内外双圈地脚垫铁直接作用到地基上。在工作台承受工件最大重量时，工作台和工作台底座的变形非常小，工件的平面度精度非常高。改进后的工作台内部筋板和腔体的布局更加合理，在不影响工作台刚度的前提下，减小了工作台筋板的厚度值。改进后的工作台刚度较改进前提高了30%以上，而工作台的重量却减少了30 t 以上。通过上述结构的改进，使工作台的刚度和精度大大提高，虽然球墨铸铁件的单价(元/吨)铸造成本较灰铸铁件稍高，但由于工作台的重量减少较多，工作台的总制造成本仍然降低，而工作台的质量却得到了极大的提升。

3 新研重载高速工作台结构特点

在工作台承载时，内外双圈静压导轨共同承受工作台和工件的重量，改进后的工作台承重量可达到400 t 至700 t。在实际设计中，根据用户对工作台承重的具体要求，对工作台圆形静压导轨盘的数量进行相应的调整，例如:当用户要求工作台承重量在300 t～500 t 时，设计了标准重型工作台的静压导轨结构，在工作台底座外圈静压导轨上均布20 个圆形静压导轨盘，在工作台底座内圈静压导轨上均布10 个圆形静压导轨盘，工作台和工作台底座的厚度比例如图1所示。

当用户要求工作台承重量在500 t～700 t 时，在标准重型工作台静压导轨结构基础上进行了更进一步的改进，通过加大工作台内、外圈静压导轨直径，增加内、外圈静压导轨上圆形静压导轨盘的数量，加大工作台和工作台底座的高度，增大齿圈直径的办法，使工作台的整体承重能力和精度满足用户的实际需求。

工作台静压导轨中使用了圆形静压导轨盘承重的结构，在相同面积下圆形静压导轨盘的周长最小。通过大量的实验测试后验证，在相同面积下圆形静压导轨盘的剪切发热量最小，在重载、高速连续运转工作中，改进后的工作台静压导轨液压油发热源的发热量得到了大幅度减少，因而，显著地减小了工作台的热变形量，从而大大提高了工作台和工件的平面度精度。

4 结语

新型高速重载工作台结构，经过在最大加工直径12.5 m 的数控双柱立式车床上使用后验证，该工作台的最大工件重量可以达到500 t，而且工作台芯部可以承受180 t 以上的工件重量。工作台最高转速可以达到30 r/min，大大提高了工作台的转速和承载能力，提高了工作台的刚度和端跳精度，提高了工件的平面度精度，降低了工作台的重量和制造成本，显著地提高了重型立式车床的性能价格比。