刍议立式车床液体静压导轨的性能分析与研究

1、    刍议立式车床液体静压导轨的性能分析与研究    郭福军引言随着我国“高、精、尖”工业化战略的实施推进，像航天航空、机械制造以及军工行业等领域对高精度的设备工件有着十分迫切的需要，可以说零件设备加工精密度的高低是国家综合实力的体现。液体静压导轨凭借其高精度、低损耗以及工况稳定等优异性能被广泛地应用于紧密加工车床之中，成为了高精密工件加工过程中不可或缺的重要设备。笔者简要介绍了立式车床液体静压导轨的工作原理，并从动态和静态两个方面对导轨性能进行了分析研究，旨在提高立式车床的制作精度。一、液体静压导轨的工作原理液体静压导轨在机床上加工零件的精密度主要体

2、现在油膜厚度之上，可以说供油系统是整个静压导轨稳定运行的前提保障。持续稳定的供油方式能够保证导轨与支承轴之间的油膜厚度几乎不变，这样既不会因油膜过厚带来的精度漂移，也不会因油膜过薄带来的导轨研伤。导轨的供油系统有恒压和恒流兩种不同的方式，本文以恒压供油系统为例来介绍导轨的工作原理。1.空气滤清器;2.吸没了过滤器;3.液压泵;4.电动朵;5.单向阀;6.溢流阀;7.蓄能器开关;8.压力表;9.管路过滤器;10.强磁过滤器;11.蓄能器;12.压力传感器;13.双面薄膜节流器;14液位计图一 定压供油系统液体静压导轨工作原理图图一为定压供油液体静压导轨的原理图，当供油系统开始运作时，液压泵（3）

3、在电机（4）的带动下为导轨供油，整个系统通过溢流阀（6）的开度大小来调节控制供油的压力，压力示数从压力表（8）中读出，从而来油膜厚度处于正常范围之内。与此同时，为了避免油中可能存在的杂质堵塞管路和设备零件，在这条供油线路的吸油阶段、设置有（2）、（9）、（10）三个过滤器，从而使得系统压力保持稳定，管路流动畅通无阻。当压力传感器（12）感应到系统的压力处于设定值范围时，静压导轨便开始运作。在系统正常工作时，液压泵将液压油分别注入到导轨和蓄能器（11）中，一旦发生停电或者电机跳停等意外事故时，由于液压泵出口设有止回阀门（5），蓄能器（11）中储存的液压油仍旧继续向导轨供油，从而防止导轨的磨损，使

4、得导轨平稳运行。二、液体静压导轨的性能分析液体静压导轨的性能通常要从两个方面着手进行分析，一方面是静态性能分析，另一方面是动态性能分析。（一）静态性能分析液体静压导轨系统从一个平衡状态开始，经过一定的变化之后，系统再次达到平衡状态，该平衡状态所表现出来的性能被称为静态性能，这一性能通常要从承载力和油膜刚度两个方面进行衡量评价。首先，在液体静压导轨系统中导轨和支承件之间通常会有一层油膜将其分开，那么在该油膜厚度的条件下，支承件所承受的最大外载荷称为承载力，因此承载能力并不是一个固定值，其大小与油膜厚度有着直接的关系，具体的数学表达式为：其中wi为承载能力，ae为承载面积，为流体粘度，q为流体流量

5、，h为油膜厚度。从公式中可以很明显的看出承载能力和油膜厚度的三次方成反比，静压导轨的承载能力随着油膜厚度的增加而迅速减小，因此油膜厚度不宜过高也不宜过低，油膜厚度过高则导轨外荷载过低。要想提高导轨外荷载就必须通过增大液压油泵的压力来实现，这样不仅造成资源的浪费，而且极有可能使得导轨产生较大的位移偏差，不利于机床加工;油膜厚度过低有可能会使得导轨与支承见产生摩擦，从而造成导轨研伤，总体来说，大多数机床在实际运行中将油膜厚度控制0.03-0.06mm的范围内。油膜刚度指的是系统从一个平衡状态到另一个新的平衡状态的过程中，系统载荷的增加量与导轨位移增加量的比值，该值的大小显示出导轨抗载荷能力的强弱，

6、数值越大，导轨抗载荷能力越弱，数值越小，导轨抗载荷能力越强，具体的数学表达式为其中ju为油膜刚度，w为载荷增量，h为位移变量，从该数学表达式可以发现油膜刚度与油膜厚度的四次幂呈反比，对于一般的车床来说，当h=0.06mm时，油膜刚度大约在220-250t/mm左右，而当h=0.03mm时，油膜刚度则在3500-3800t/mm左右，由此可见油膜厚度的细微偏差对于油膜刚度的影响十分巨大。（二）动态性能分析.动态性能是相对于静态性能而言的，指的是在外在干扰作用下系统的动态反应，是检验系统分析液体静压导轨是否满足运行要求的关键指标，通常情况下外干扰力分为两种形式，一是阶跃干扰力，二是周期干扰力。在导

7、轨运行的过程中，阶跃干扰力十分普遍，例如立式车床在加工零件时，刀架未触碰加工零件时，导轨仅仅受到零件重力的影响，而当刀架开始进行切割作业是，导轨瞬间受到突然的外加力切削力。此时导轨能否在切削力的干扰下迅速地再次达到稳定状态，进行工件切割作业是反映导轨动态性能的重要指标。周期干扰力对于任何导轨系统都无可避免，它几乎存在于系统的每一个振动部位，例如液压油泵的周期性振动、齿轮间的咬合振动等。当振动频率和支承系统的固有频率相等或相近时就会引起共振效应，使得导轨无法正常移动运行，导致工件表面产生振纹而报废，因此，对导轨系统动态性能的分析和研究就显得特别重要且必要。需要特别指出的是，导轨系统的动态性能咬合静态性能相吻合，这样才能确保车床在加工工件时拥有良好的精密度。总而言之，液体静压导轨凭借其优异的性能已经被广泛应用于各种车床之中，成