K6920落地镗铣立柱静压浮起设计

刘双仲

【摘 要】随着我国经济发展的突飞猛进，机械制造技术水平也不断提高。然而制造业的核心装备就是数控机床，这使得数控机床的设计备受关注，本文根据三三工业设计开发的TK6920型数控落地镗铣床，简单介绍了静压系统的形式特点、立柱浮起静压系统的设计过程及导轨耐磨材料的选择，对其他静压浮起结构的设计抛砖引玉。

【关键词】恒压静压；立柱浮起；浮起计算；导轨耐磨材料

中图分类号： TG536 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）28-0241-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.113

静压浮起导轨，就是讲液压系统提供的液压油，通过节流阀，注入两个相对直线运动或旋转运动的导轨面之间，在导轨面之间形成一层承重的油膜，两导轨面之间具有一定的间隙，形成纯液体摩擦的状态。优点：

（1）相对运动的导轨不直接接触，无论频繁启停或连续工作，导轨不会发生磨损，能长期保持制造精度，导轨寿命长。

（2）相对运动的导轨面之间是纯液体摩擦，其摩擦系数仅在0.0005左右，因此驱动功率可大幅度降低，效率高，节能效果好。

（3）静压导轨的承载能力强，刚度高，吸振性好，导轨运行平稳。

（4）油膜厚度几乎不受速度的影响，即使在极低速时，也不会爬行。

所以在重型、大型机床上应用较多。因此三三工业设计开发的TK6920型数控落地镗铣的X轴（立柱）、Y轴（主轴箱）、Z轴（方滑枕）全部采用静压导轨，提供机床整体的承载能力。

本文以TK6920落地镗铣床的立柱浮起（X轴）为例，介绍静压导轨的选型及设计计算。

1 静压浮起导轨型式的选择

静压浮起导轨的型式在供油方式上可分为恒压力静压导轨与恒流量静压导轨两种。

恒压力静压导轨是指节流阀进口处供油压力即液压系统的输出压力是一定的，为控制各油腔的流量进而调整各油腔的油膜厚度，往往使用毛细管节流器。油液流经毛细管的压降与所通过的流量的平方成正比。因此，毛细管节流器孔径小，易堵塞，对静压油的清洁度提出了很高的要求。为保证足够的流量供给，节流器前后需保持较高的压力差，油泵输出压力一般为油腔压力的3-4倍以上，大量的液压能转化为热能。为保持恒压，系统溢流阀一直处于溢流工作状态，能量损耗转化为热量，引起油温升高。温升会降低静压油的粘度，增加系统泄漏，降低系统压力，影响静压系统工作的稳定性，为此必须配置油冷机。

恒流静压系统无须此节流器，每个油腔均可独立的得到多头泵一个头的全留量供油，只要油腔压力在多头泵的耐压范围内，均可行程静压，当某段油腔的负载突然加大时油膜厚度隨之减小，导轨间的油流阻力增加，要维持恒流量，油泵的输出压力必然升高。若不计管路损耗，油腔压力等于油泵供油压力。油腔压力增加，可平衡增大了的载荷。当其他条件一定，每个头的留量又相同，则导轨能被均匀的浮起，个别支承油腔压力变化不会引起其他油腔变化，因此系统刚度大、压力储备大、过载能力强。系统中没有阻尼，不会因阻尼堵塞而导致静压失败，故可靠性高。没有调整阻尼的麻烦，装配与维修方便，功率损耗与发热量小，一般不需油冷机。

TK6920落地镗铣立柱及主轴箱系统总重大，考虑到机床承载大，X坐标导轨采用恒压静压导轨，静压系统为恒压式一泵多腔贝思阀节流方式。静压油通过主管路输送到移动部件上，在通过分油块分配到各油腔，各油腔通过调节节流阀调整流量。各静压点均有压力检测，以保证静压导轨运行安全可靠。

本机床导轨采用双矩形导轨，油膜厚度控制在0.03-0.05mm。

2 油腔结构设计

本机床立柱滑座导轨为镶锡基青铜导轨，导轨长度为2900mm，为保证油膜厚度均匀及较大的承重，每条导轨油腔数为6个，压板油腔数为每条4个。

3 供油系统的设计

本机床中，已知条件：立柱为35吨，主轴箱及配重26吨，滑板10吨，切削力最大6吨。平导轨板12块，压板导轨板8块。

3.1 供油压力的设计计算

随着载荷变化，压强随之变化，因此计算出油腔内的最大和最小压强。

3.3 电机及泵的选择

根据流量及压力的计算，选择叶片泵YB1-20，流量20ml/rpm，额定压力6.3MPa，工作在0-2.5MPa的压力范围内，与之相匹配电机Y132S-4，7.5KW，1500rpm。

4 静压导轨耐磨材料的选择

静压系统正常工作时，导轨副并不接触，因此对滑座导轨板的材质并无严格要求，当选用与床身同材质的铸铁作为导轨板，在出现意外情况，静压不起作用时床身导轨会出现胶合拉伤，基础大件床身拉伤修复起来费时费力，一般不予选用。

因此导轨耐磨材料对机床的使用寿命有很大的影响。另外，TK6920镗铣床立柱在行走的过程中，如液压系统出现故障或突然断电，则供油压力不足，立柱滑板无法浮起，在两滑动面之间无法形成静压油膜，而立柱滑板在惯性的作用下，不能马上停止，也容易研磨导轨。

经查询相关资料得知，导轨耐磨材料必须质地软且有足够的耐磨性能，目前国内重载回转工作台的动导轨多采用有色合金，耐磨材料多为铜合金，如QSn6.5-0.1、S214、S213等。铜合金的优点是质地软但耐磨性较差，相比之下，铝合金和铜合金更具有耐磨性好的优点。因此综合制造成本及耐磨性，我们选择7075镁铝合金作为导轨耐磨材料。

为了比较这些材料的耐磨性能，我们做了下面五种材料的耐磨实验，准备了QSn6.5-0.1锡青铜、S214铝青铜、S213磷青铜、7075航空级镁铝合金、6082航空铝合金五种试验件，在相同条件下，试验五种材料的耐磨性能。下表为实验的条件及实验的相关数据：

实验结果表明，7075镁铝合金是实验材料中最适合的导轨耐磨材料。

5 安装与调整

静压系统油箱与供油泵置于地基的地坑中，静压油经X轴拖链进入固定在滑座上分油块中，分油块上设有可调节流器，静压油经节流器节流后，通过Φ6X1mm的紫铜管进入各静压油腔。在工作之前，必须反复冲洗液压油箱及管路，防止杂质进入油腔拉伤导轨。油泵工作期间，注意检查过滤器，及时清洗和更换，为保证静压系统正常稳定的工作，同时从功率消耗最小及温升最小的角度考虑，选择粘度适合的静压导轨油。一般选用HG46液压导轨油，冬春气温较低时可改用HG32液压导轨油。

调试中，滑座四角各固定一千分表，启停静压系统，其读数变化值即工作台的浮起量，注意观察油腔压力表，其值取决于导轨上的负荷、床身导轨精度。通过调整各油腔的节流器，保证四角的浮起量一致，控制在0.03-0.05mm内。

6 结语

本文以TK6920落地镗铣床的立柱浮起为例介绍了一种恒流量供油的静压导轨设计计算方法，对于其他机床直线轴、回转轴的静压导轨的设计计算具有一定的借鉴。

【参考文献】

[1]《机床设计手册》……………………机械工业出版社.

[2]《机械加工工艺手册》………………北京出版社.

[3]《现代数控机床设计》………………机械工业出版社.