机床静压技术的发展与应用

机床静压技术的发展与应用

静压支架具有高精度、高端、长寿等优点，受到人们的高度重视和广泛应用。最早的液体静压支承的雏形是在1878年巴黎国际博览会上展出的能灵活浮动的展品。1938年美国加利福尼亚洲的帕罗马尔山天文观测站在200英寸天文望远镜上，首次成功地应用液体静压推力轴承。该望远镜重量为500t，转速为1转/天，但驱动功率仅需70W。1945年法国工程师P.Gerard发明了向心静压轴承，并于1948年成功地应用于Gendron磨床砂轮主轴上，在以后的几十年中，静压技术迅速发展，应用范围不断扩大，几乎遍及于整个机械制造行业，包括仪器\冷轧机、雷达天线座等民用与军工的设备上。为制造精密磨床，上海机床厂于1958年首先开展该技术的研究。随后1959年广州热带机床研究所成立，1962设立专业研究室。目前该技术已成熟，不但给新产品设计提供性能良好的新型支承，提高了机床及设备的精度和效率，也为旧设备的精化改造，恢复青春提供了技术保证；本文略述我国机床静压技术的发展过程及现况。一、静压轴承的应用当时毛细管节流及小孔节流静压轴承国外虽有理论公式，但在机床上的应用实例不多，对于轴承及节流器的具体结构参数甚缺资料。因此只能根据已有的资料对静压轴承进行原理验证，以探讨在磨床上应用的可能性。我国第一套静压轴承是装在上海机床厂一台3г12M型万能外圆磨床砂轮架上。通过试验，初步验证了设计计算公式。以后在上述试验基础上又制造了小孔节流静压轴承砂轮架，供三台磨床（M7120及M7150型卧轴矩台平面磨床、Y7520W型万能螺纹磨床）生产试用。上述试验证明静压轴承应用在磨床上是完全可行的，从而为静压支承的进一步试验及应用打下了基础。二、静压轴的加工由于当时没有精密滤油器，使这个阶段遇到的最大困难是节流器的阻塞而引起抱轴，使静压轴承无法正式用于商品，后来用180#细密铜丝外绕6层绒布及2层稠布制成的滤油器勉强解决阻塞问题，节流形式方面除小孔外又引入了圆截面毛细管及滑阀节流等。1959年广州热带机床研所成立，由上海机床厂调往该所的工程师在1962年组建静压研究室，对此项技术的研究与应用得到有力的推动。与此同时无锡机床厂等其它磨床厂也开始对静压轴承进行试验，此项技术得到磨床制造业普遍重视。1963年上海机床厂用毛细管节流静压轴承改装了镜面磨削内孔用的头架，使磨削直径φ120mm内孔的光洁度达▽12，不圆度达0.3μm,1965年在H075型轴承环磨床的头架上应用静压轴承使被磨工件的内外圆的不圆度达0.5μm、光洁度达▽12，作为第一台商品跨出成功的一步。在此时广州机床研究小孔节流的研究，并将其用在机床改造上。这个阶段对理论的研究只停留于消化国外的有关资料，因此只限于节流器结构形式的试验，未能大量应用于生产。三、静压技术的应用为了解决生产中存在的参数选择而推动对静压轴承可变节流器（薄膜、滑伐节流）的设计参数的理论研究，六十年代末广州热带机床所推导出滑伐节流及薄膜节流的参数选择公式，与此同时上海机床厂提出薄膜节流的参数选择的简化公式和薄膜制造工艺这些理论公式的建立给推广带来很大方便。广州机床研究所在这研究和推广的热潮中起到了领导和带头作用。帮助国内机械制造业许多企业推广静压技术并在许多工程项目上应用，取得良好成果，如:帮助武汉重型机床厂将滑阀节流静压轴承应用于重型车床，将小孔节流静压轴承应用于广州机床厂生产的外圆磨床等机床行业中，同时还在成都量具刃具厂及洛阳拖拉机厂大量进行技术改造，作为推广的样板。上海机床厂据此陆续开发了六十余种应用静压技术的新产品，如MG1432A光洁度稳定达▽14,S7450丝杆磨床上应用了静压轴承、静压丝杆螺母、静压导轨，M82100大曲轴磨床在砂轮架及头架上应用静压轴承等产品同时在磨床等行业中推广薄膜节流静压轴承。1973年6月在广州召开的全国静压技术会议。会上对于静压轴承的理论计算、推广及应用进行了交流，带动了全国静压轴承技术的研究及推广应用，使这项由当时一机部范围内的研究及应用推广到其它部门，全国形成静压轴承研究和推广的热潮。在其他部门的推广应用中，原三机部仿效机械部的经验，利用北京航空学院的技术力量，在北航组建了流体原理与应用研究室为静压技术推广的技术指导单位，改造旧设备取得良好成效。这是一次影响深远的盛会，由于静压技术的推广应用使我国机床的水平有了明显的提高，会后制造出许多新产品。在生产中的扩大应用给理论研究提出的新课题，使理论计算方面取得很大进展，如：广州所的大位移承载能力及刚度计算；上海机床厂建立任意油腔数各种节流器所通用的动静态普遍公式；此公式体现了静压轴承各种结构形式与节流形式的内在联系和规律性，与此同时还对国外的有关文章计算公式的错误进行修改，如对W.B.Rowe的“液体静压轴承的设计步骤”中的计算公式的错误作了修改。当时对于动态特性问题的研究给于特别的重视，广州所与华师大合作对于阶跃载荷及频率特性、稳定性等进行研究；上海机床厂与上海师大合作对薄膜节流的动态特性进行研究，得到有用的结论；尤其是认识到油液中残留空气对轴承性能的严重影响，将原来装在油腔的压力表取消，大大提高动态性能。同时也认识到各种节流器虽然有不同的静压油膜刚度，但在高频时有几乎相同的动刚度，认识到以往研究静压支承的主要工作放在节流器上将静压轴承与动压轴承人为地远远分开是不利于静压轴承发展的，开始重视对油腔结构的研究。电子计算机的发展使得在计算方法上从求解析解开始进入用差分法和有限元素法求数值解，提高计算的精确度并能较精确地解决以前用简化计算难于解决的问题。在结构方面，英国1969年的专利沟槽节流首先由汉江机床厂应用，前苏联的内部节流形式也曾引起注意。上海机床厂将其作改进并应用于M84160轧辊磨床等产品，其优点是节流比稳定，缺点是发热大，应用于低速较合适。日本丰田工机的腔内回油也曾引起重视，对其回油孔的布局，动压效应等作深入的研究也应用于产品上。广州所和武重对静压技术的另一分支定量供油式静压支承的研究也取得良好成效，成功应用于重型机床上。另一方面作为静压支承应用的扩大，利用静压油腔在受力时的压力变化作为信号用于测量上也在进行试验，如:汉江机床厂在螺纹磨床对刀装置，陕西机床厂用于试验微进给装置。这些研究的成果丰富了静压技术的理论，在七十年代中期由部局组织编写的《机械工程手册》中的静压技术的有关章节由广州机床研究所主笔，《机床设计手册》的有关静压技术的章节，由上海机床厂主笔。广州机床研究所改版了《液体静压轴承原理及应用》，这期间在《机床与液压》《润滑与密封》《磨床与磨削》等杂志上发表有许多静压技术的文章，八十年代初出现的第一本教材是北航编写的“液体静压支承原理与设计”在1973年6月在广州召开的全国静压技术会议后又有许多静压轴承的交流会，1974年在成都召开的工具行业技术交流会；1976年在沅陵召开的航空系统技术交流会；1978年在陕西召开的磨床行业技术交流会，1979年摩擦学会年会和摩擦学会组织的英国W.B.Rowe来华讲学；1980年由摩擦学会、设备维修学会联合在成都召开全国静技术交流会等。规模一次比一次大，水平一次比一次高。值得一提的有1973年6月在广州召开的全国静压技术会议，其影响极为深远，对于静压轴承的理论计算、推广及应用进行了交流，带动了全国静压轴承技术的研究及推广应用以1980年由摩擦学会、设备维修学会联合在成都召开全国静技术交流会，总结了七十年代静压技术推广应用的经验和教训，提出了动静压技术研究和专业化生产的方向。四、单油世界主要类型的静压轴承随着静压轴承的应用和研究的深入，对静压轴承在高转速时的动压效应，引起重视如何更有效利用动压力节省能源是个值得重视的问题，对磨床而言高转速所带来的动压效应不可忽视，并在动态特性的研究中得到的不同节流器虽然静态油膜刚度不同，但在高频下有几乎相同的动刚度，而油腔的结构却是决定动刚度的主要因素，于是开展了磨床动静压轴承的研究。1976年上海机床厂研制成功两类动静压轴承，即HSDB-R及HSDB-l，前者为带外节流的将原静压深油腔改进为阶梯或阿基米得螺线浅油楔的动静压轴承，后者为利用阶梯节流及阶梯油楔的无外节流的自节流动静压轴承，这两种轴承的性能明显超过静压轴承而曾作为机密技术，迄今在五.六十种产品上应用，取得良好成效。这两类主要的多油楔动静压轴承的形式中，自节流形（HSDB-l类）具有良好的工艺性，但静压效应较差，适用于中小型精密机床，外节流形（HSDB-R类）具有良好的动静压综合效应而将会得到更多的应用。在单油楔动静压轴承方面也有新的发展例如：WALDRICH的三油腔动静压轴承应用于轧辊磨床中甚有效果。机械科学研究院曾研究弹性变形静压支承应用于军工产品效果良好。八十年代中期，随着国家体制改革的深入和动静压技术的成熟，设备改造的需求促使我国液体动静压轴承主轴部件出现专业化生产：北航成立的北京中航设备改造研制厂从对于航空系统的企业中的旧设备技术改造人手，逐步形成磨床、金刚镗床主轴轴承和主轴单元商品化进入小批生产。上海机床厂在七十年代末期起对各类磨床进行改造，效果显著，上海引进设备维修中心、得宝机床（北京）有限公司对轧辊磨床等各类磨床及多轴镗头等进口设备进行改造收效良好；广州机床研究所针对一些机床厂的需求也供应部分主轴部件商品。1994年由北京中航设备改造研制厂、广州机床研究所、岳阳机床厂主轴功能部件研究所、上海引进设备维修中心等几家发起，得到中国机床工具工业协会批准成立了滑动轴承主轴单元专业委员会，2003年2月为使主轴功能部件行业进一步发展，适应机床行业的需要，更名为主轴功能部件专业委员会。使此技术的交流日趋增多，使主轴功能部件行业逐步发展壮大。目前从事专门生产动静压混合油膜轴承及其主轴功能部件生产、研制、开发厂家有：北京中航设备改造研制厂，岳阳科梦科技有限责任公司（原岳阳机床厂主轴功能部件研究所）；广东机械科学院（原广州机床研究所）；上海引进设备维修中心；北京东方精益机械设备有限公司；北京曾来得而机电技术有限公司；北京环岛机电技术公司；杭州求精机床研究所、上海机床厂有限公司和美国得宝机床（北京）有限公司等单位。编后言：我国的机床静压支承的现况与世界水平相比较如从动静压轴承来看应属先进水平，这可以从各国的动静压轴承发表的文章及应用情况中看出，如对于外节流的多抽楔动静压类来说：无论从日本的丰田、琦玉大学的结构及美国专利，虽然有些类似于HSDB-R类中的有腔内回油等某些结构，但其发表的时间要比HSDB-R迟得多，结构布局上存在许多不到之处。在应用上也比国外多得多。由于对机床主轴转速和精度的要求日趋提高，例如切