液体动静压技术在旋风切削中的应用

高亚锋

（杭州福朗机电科技有限公司，杭州310022）

0 引言

旋风切削是使用装在高速旋转刀盘上的刀具对工件进行切削加工的方法，是一种高速切削动力头。因其切削速度高，加工效率快，加工过程中切屑飞溅如旋风而得名。

1 旋风切削技术的典型应用

在水轮机活动导叶加工过程中，由于活动导叶本身结构的限制——径向尺寸差别大，同时偏重较大，活动导叶旋转加工时动不平衡严重（图1为活动导叶简图）。因此普通卧式车床不能完成对活动导叶轴端位置的加工。若采用将旋风切削动力头安装在普通卧车溜板上与卧车配合使用，仅需将活动导叶调正、压紧固定，即可完成对活动导叶轴颈位置的加工。图2为旋风切削加工水轮机导叶现场实景。

图1 活动导叶简图

图2 旋风切削加工水轮机导叶现场实景

水轮机活动导叶轴端位置要求加工精度高（表面粗糙度Ra1.6以下，形位公差要求IT6级以上），粗犷式的切削加工不能满足要求。故在此处的旋风切削设备里引入了液体动静压的技术。即采用了液体动静压轴承作为主要的刚性支撑。

2 液体动静压技术原理

首先介绍一下液体动压轴承和静压轴承。最简单的动压轴承是圆柱动压轴承，依靠轴的转动将油液带入轴承与轴之间的间隙。此时，轴顺着转动方向偏离轴承中心，出现了一个楔形的间隙，不断送入楔形间隙的油液受到挤压，便形成了一个压力油层。当这个沿轴承周向和轴向分布的动压力之和足够承受外加载荷时，轴便浮在一层油膜之上，这时轴承便处于液体摩擦下工作；而静压轴承的轴不必转动，依靠从轴承以外供入的压力油来承受外载荷。静压轴承的油膜厚度与速度关系不大，和诸如轴承尺寸、油液黏度及黏温特性以及工作规范和载荷变动等有关，可以通过改变供油系统的参数来补偿。

液体动静压技术是利用液体动压效应和静压效应，形成轴承承载力，兼有动压轴承和静压轴承的特点，广泛应用于液体动静压轴承领域。

3 旋风切削设备的工作结构

此旋风切削设备中采用了依靠液体动压和静压混合工作的油膜轴承。图3为其工作原理示意图。

图3

该旋风切削设备采用的是3片瓦块式动静压技术。3片瓦块中心连接“供油1”接口，每处“供油1”接口均设置有节流器；通过节流器的油液进入瓦块油池形成刚性油膜。“供油2”接口连通3片瓦块间的间隙处，不设置节流器，满足大量油液注入。汇同瓦块油膜处溢出油液，一起经回油接口回流油箱。有关液压控制系统图见图4。

4 旋风切削设备的工作过程

当旋风切削设备需要工作时，首先启动液压系统，开启“供油1”线路内阀门（“供油2”线路内阀门处于关闭状态），“供油1”出口油液经分流后到达3处节流器，经节流后进入工作油腔。调整系统压力，旋风切削设备传动轴处于浮起状态，浮起约0.03 mm左右。而后调整刀具后，启动旋风切削设备动力单元（一般采用皮带传动）带动中空的传动轴转动。同时开启“供油2”线路内阀门，使大量油液（低压油，小于1 MPa）进入瓦块间隙空间。随着大量油液的进入，高速转动的传动轴由于受到动压效应的影响，会稳定在接近理论中心的位置。而瓦块内油液提供的刚性油膜，又保证了回转轴的足够刚性。由于切削刀盘安装在传动轴端面，随着稳定而且具有足够刚性的传动轴一起旋转，即可完成高精度切削的回转运动。

将旋风切削设备终端单元安装固定在普通卧式车床的溜板上，借用机床溜板导轨及动力可完成外圆加工的轴向走刀运动。从而保证加工出合格的产品。尤其对于一些大型异形零件回转位置的加工特别适合。如：水轮机活动导叶等。

图4 液压控制系统

5 旋风切削技术的发展及前景

旋风切削技术发展经历过由粗犷到精密、由小型到大型的过程，主要与加工要求与技术条件有关。发展之初，对于小型的需轴颈及螺纹加工的零件，多采用普通的成对使用的向心轴承，通过不同轴承组合的方式完成旋转运动的动力传递。但对于大直径零件的加工，采用旋风加工的话，必须配置更大直径的精密轴承，应用成本提升极大，非常不经济。

随着液体动静压技术的发展应用，旋风切削技术也克服了瓶颈，出现了整体轴瓦式的静压支撑旋风切削设备、分体瓦块式的静压支撑旋风切削设备、分体瓦块式动静压支撑旋风切削设备（包含衍生的3瓦块式与4瓦块式）。整体轴瓦式的静压支撑旋风切削设备由于受油温影响较大，已较少应用。目前，分体瓦块式动静压支撑旋风切削设备已成熟应用，满足了大部分场合的应用，如水电站或火电站大修时的现场维修加工等。

应用液体动静压技术的旋风切削设备，已在多个电站水轮机活动导叶加工中发挥出了巨大作用。随着技术的成熟与发展，其应用也会日趋广泛。

［1］ 钟洪，张冠坤.液体静压动静压轴承设计使用手册［M］.北京：电子工业出版社，2007.