论文部分内容阅读
摘 要：大型机床的运动部件和它所加工的工件重量都很大，運动副接触面的摩擦和磨损成为突出的问题。目前，世界机床制造业正朝高精度、高效率和高自动化程度的方向发展，愈来愈多的机床产品系列采用静压技术。而大型机床的承载重量更由几吨增至几十吨而至几百吨，因此采用静压技术必然成为今后的发展趋势。
关键词：大型机床；液体静压技术
1.液体动压滑动轴承
对于一些进口或国产的大型机床，其轴承是采用液体动压滑动轴承或者滚动轴承。
液体动压滑动轴承，虽然结构简单，但在不同主轴转速下，轴心位移是变化的，低速时往往不能形成油膜，出现干摩擦或半干摩擦，在重载作用下起动受到一定的限制，动态性能差。
对于精度高的机床，液体动压滑动轴承的加工和调整都很困难，而且精度不能长期保持，需要定期维护，并且费用昂贵，同时还需要专业技术人员。滚动轴承，对于生产厂来说，虽然可特殊定货，但成本高，而且精度不能长期保持。其导轨几乎都是液体动压滑动副，普遍存在驱动功率大、低速爬行、床身和工作台的导轨磨损快的缺点。当轴承精度丧失，使用单位重新更换轴承时，供应困难。
2.液体静压技术
2.1液体静压支承的主要特点
液体静压技术在机床中多应用于支承部件，包括静压轴承、静压导轨和静压丝杠（简称“三静技术”）。液体静压支承的主要特点是：依靠供油系统供给压力油，通过节流系统，将进人支承油腔中的压力调节到与外界负载相当。因此在各种相对运动速度下均可使支承处于完全液体摩擦状态下运转，即使在极低的速度下，甚至停止运动仍能保持金属不接触状态，因而运动平稳，而且摩擦副不会产生磨损。由于这些特点，近年来在机床上已越来越广泛地采用了静压支承。静压支承的优越性在实践中逐步被确认。
液体静压支承己在我国发展了几十年，经过实践与其他普通类轴承相比，在主要性能如在控制加工及装配精度、静态与动态精度、承载能力、静刚度与动刚性、抗振动性、使用寿命方面都优于普通类轴承。因此，在高精度与重载性能方面，液体静压支承有非常明显的优势，符合当代科技与机械工业发展的分部需求。
2.2液体静压支承发展
从定压供油到定量供油，从定量节流到可变节流，已基本上形成了一个比较完整的体系。在应用方面已有近百种以上的品种规格的机床其主轴应用液体静压轴承或液体静压导轨、丝杠、静压蜗杆齿条、液体静压花键等。在大型重型机床和精密机床上，由于运动部件自身的重力和外载荷的作用，在移动导轨上产生的比压很大，这使得两相对运动面产生很大的摩擦力，这样会产生如移动部件低速爬行，导轨面磨损大，移动部件有效传动功率低的后果，基于以上原因，在大型重型机床和精密机床运动部件上普遍采用液体静压导轨来保证机床的正常使用。
2.3静压技术的特点
静压技术的特点，也是其与传统技术的区别，主要有以下几点：
（1）工作速度范围广。静压导轨低速下不爬行，在机床上可与高刚性滚动导轨相比。
（2）运动精度高。由于运动副之间的压力油膜对误差有“均化"的作用，可是被加工零件的精度大大高于运动副本身的精度，所以在机床中采用静压轴承的越来越多，尤其在高精度机床中。
（3）摩擦系数及驱动功率较低。可以在载荷下起动，一般温升较低。传统机械结构摩擦副的摩擦系数为0.12-0.15，而静压油膜的摩擦系数一般为0.005。
（4）工作寿命长。只要液压站工作可靠，磨损就很少，能长期保持精度。而传动机械结构，速度越高则寿命越低。
（5）具有良好的静、动刚度，吸振性能好，稳定性高。一般在设计计算中无须考虑动态性能。
（6）可利用油腔压力差来实现某些自动控制。如恒力切削、自动对刀等。当然，静压技术也尤其自身的缺点。其最大的缺点就是要有一套供油装置，增加了成本，也增大了设备的占地面积。一旦装置有问题，静压支承所具备的无磨损、高精度、大承载能力、低摩擦等优点都谈不上。
3.液体静压降低成本
液体静压支承可以从下列几个方面进行试验研究，从而降低成本：
（1）采用普通的金属材料和非金属材料代替贵重的合金钢；
（2）改进工艺方法，降低成本；
（3）驱动功率低，节省运转费用；
（4）用一个主轴实现低速粗加工和高速精加工；
（5）减少维修费用和维修停机时间；
（6）静压轴承元件采用系列化，静压主轴采用规格化和供油系统标准化，降低成本提高质量，有利于推广。
4.静压支承设计，工艺及装配说明
（1）设计中若忽视轴承实际最小工作间隙，而按空载间隙进行设计，有可能造成通过静压供油系统内的杂质颗粒大于轴承的实际最小工作间隙，造成轴承与主轴刮伤。
（2）加工与装配造成的机床液压传动系统中的“爬行”是液压传动中经常出现的问题。即设备工作部件运动时产生时动时停、时快时慢的现象。轻微的爬行使运动部件产生眼睛不易察觉的振动，显著的爬行使运动部件产生大距离的跳动。爬行故障，是在传动系统的刚性不足，而驱动力与负载摩擦阻力波动变化的情况下形成的。设备的机械装置与液压系统本身都可能引起这种故障。爬行对设备工作极为有害，如磨床出现爬行，会使被磨削工件表面粗糙度值增大。严重的爬行还能引起机床振动，损害机床及其工具、模具。因此科学地分析液压传动系统产生爬行故障现象的原因和寻求相应的措施是很重要的。
（3）液压系统噪声产生共振的问题。油箱的辐射面积很大，由于其他装置的激发，往往会使油箱产生很大的噪声。很多液压装置将液压泵和电机固定在油箱上，泵和电机运转时所产生的振动使油箱产生共振，辐射出更大的噪声。机床液压传动的噪声是由主动元件产生的，液压泵和阀是产生噪声的主动元件，油箱和油管是被动元件，它们由主动元件的扰动（压力脉动、结构振动等）而传递噪声，并在共振频率作用下扩大噪声。
（4）静压回路的污染问题。液体静压支承在推广应用的过程中，遇到最多的问题是节流器的堵塞问题，而忽视了主轴与轴承的刮伤问题；在比较定量供油系统与定压供油时，也将由于定量供油无节流器无需防止节流器堵塞作为一个重点予以说明，而忽视了油液污染对轴承与主轴表面的质量影响问题。在比较静压轴承与动静压轴承优缺点时，也提到动静压轴承由于节流孔径大，因此就减少了节流器容易堵塞的可能性，而未注意到动静压轴承与同等的静压轴承相比较，其轴承的实际工作间隙要小，因此对污染度的控制应要求更严格由此往往给人们造成一种错觉，以为对污染度的控制可以放松，而未采取严格措施。由于污染的存在，许多人将静压主轴部件污染度的控制寄托在装配后对主轴部件的清洗和静压工作站的清洁上；其实如果箱体或静压站本身未予以清洗干净，将静压主轴安装完毕后，轴承中的杂质难以清除干净，或装配过程中未采取防止污染的措施，必将形成隐患。
同时，部分设备制造单位未及时向用户说明静压支承轴承部件的使用与维修注意事项，尤其是在使用与维修过程中对污染度的控制问题，因此造成了一些不必要的问题，同时也增加了维修成本。
（5）装配需保证可靠的油膜厚度，油膜的变化在对静压系统的诸多影响因素中是最大的，每变化0.001mm都会产生巨大的作用力。在通常情况下，只要保证可靠的油膜厚度，就基本可以实现静压要求。
对于开式油腔而言，油膜的厚度是通过调节静压站流量来实现的。设计计算中，单边油膜厚度会取定在0.1±0.05mm范围内，最低不能小于0.05mm。最小值的设定是在考虑平面度（平面度按0.02mm计算）要求的情况下，保证留有油膜的最小值。
（6）在静压装配中，有可能会出现以下两种最糟糕的情况：一是油压达到要求了但是静压间隙超出要求，二是静压间隙达到要求了，而油压无法满足。可根据实际情况来定，可以对定量泵进行更换，最坏的情况可以考虑重新计算静压腔尺寸。如果压力达到要求，但是个别腔间隙过小或者过大，首先需要查看与这个腔相配的面是否满足粗糙度要求，如果满足，接触面平整，可考虑更换大一号或小一号的定量泵，并在各油路上加装流量控制阀与流量传感器，对各路进行监视。
参考文献
[1]陈燕生.液体静压支承原理和设计[M].北京：国防工业出版社，1980.
关键词：大型机床；液体静压技术
1.液体动压滑动轴承
对于一些进口或国产的大型机床，其轴承是采用液体动压滑动轴承或者滚动轴承。
液体动压滑动轴承，虽然结构简单，但在不同主轴转速下，轴心位移是变化的，低速时往往不能形成油膜，出现干摩擦或半干摩擦，在重载作用下起动受到一定的限制，动态性能差。
对于精度高的机床，液体动压滑动轴承的加工和调整都很困难，而且精度不能长期保持，需要定期维护，并且费用昂贵，同时还需要专业技术人员。滚动轴承，对于生产厂来说，虽然可特殊定货，但成本高，而且精度不能长期保持。其导轨几乎都是液体动压滑动副，普遍存在驱动功率大、低速爬行、床身和工作台的导轨磨损快的缺点。当轴承精度丧失，使用单位重新更换轴承时，供应困难。
2.液体静压技术
2.1液体静压支承的主要特点
液体静压技术在机床中多应用于支承部件，包括静压轴承、静压导轨和静压丝杠（简称“三静技术”）。液体静压支承的主要特点是：依靠供油系统供给压力油，通过节流系统，将进人支承油腔中的压力调节到与外界负载相当。因此在各种相对运动速度下均可使支承处于完全液体摩擦状态下运转，即使在极低的速度下，甚至停止运动仍能保持金属不接触状态，因而运动平稳，而且摩擦副不会产生磨损。由于这些特点，近年来在机床上已越来越广泛地采用了静压支承。静压支承的优越性在实践中逐步被确认。
液体静压支承己在我国发展了几十年，经过实践与其他普通类轴承相比，在主要性能如在控制加工及装配精度、静态与动态精度、承载能力、静刚度与动刚性、抗振动性、使用寿命方面都优于普通类轴承。因此，在高精度与重载性能方面，液体静压支承有非常明显的优势，符合当代科技与机械工业发展的分部需求。
2.2液体静压支承发展
从定压供油到定量供油，从定量节流到可变节流，已基本上形成了一个比较完整的体系。在应用方面已有近百种以上的品种规格的机床其主轴应用液体静压轴承或液体静压导轨、丝杠、静压蜗杆齿条、液体静压花键等。在大型重型机床和精密机床上，由于运动部件自身的重力和外载荷的作用，在移动导轨上产生的比压很大，这使得两相对运动面产生很大的摩擦力，这样会产生如移动部件低速爬行，导轨面磨损大，移动部件有效传动功率低的后果，基于以上原因，在大型重型机床和精密机床运动部件上普遍采用液体静压导轨来保证机床的正常使用。
2.3静压技术的特点
静压技术的特点，也是其与传统技术的区别，主要有以下几点：
（1）工作速度范围广。静压导轨低速下不爬行，在机床上可与高刚性滚动导轨相比。
（2）运动精度高。由于运动副之间的压力油膜对误差有“均化"的作用，可是被加工零件的精度大大高于运动副本身的精度，所以在机床中采用静压轴承的越来越多，尤其在高精度机床中。
（3）摩擦系数及驱动功率较低。可以在载荷下起动，一般温升较低。传统机械结构摩擦副的摩擦系数为0.12-0.15，而静压油膜的摩擦系数一般为0.005。
（4）工作寿命长。只要液压站工作可靠，磨损就很少，能长期保持精度。而传动机械结构，速度越高则寿命越低。
（5）具有良好的静、动刚度，吸振性能好，稳定性高。一般在设计计算中无须考虑动态性能。
（6）可利用油腔压力差来实现某些自动控制。如恒力切削、自动对刀等。当然，静压技术也尤其自身的缺点。其最大的缺点就是要有一套供油装置，增加了成本，也增大了设备的占地面积。一旦装置有问题，静压支承所具备的无磨损、高精度、大承载能力、低摩擦等优点都谈不上。
3.液体静压降低成本
液体静压支承可以从下列几个方面进行试验研究，从而降低成本：
（1）采用普通的金属材料和非金属材料代替贵重的合金钢；
（2）改进工艺方法，降低成本；
（3）驱动功率低，节省运转费用；
（4）用一个主轴实现低速粗加工和高速精加工；
（5）减少维修费用和维修停机时间；
（6）静压轴承元件采用系列化，静压主轴采用规格化和供油系统标准化，降低成本提高质量，有利于推广。
4.静压支承设计，工艺及装配说明
（1）设计中若忽视轴承实际最小工作间隙，而按空载间隙进行设计，有可能造成通过静压供油系统内的杂质颗粒大于轴承的实际最小工作间隙，造成轴承与主轴刮伤。
（2）加工与装配造成的机床液压传动系统中的“爬行”是液压传动中经常出现的问题。即设备工作部件运动时产生时动时停、时快时慢的现象。轻微的爬行使运动部件产生眼睛不易察觉的振动，显著的爬行使运动部件产生大距离的跳动。爬行故障，是在传动系统的刚性不足，而驱动力与负载摩擦阻力波动变化的情况下形成的。设备的机械装置与液压系统本身都可能引起这种故障。爬行对设备工作极为有害，如磨床出现爬行，会使被磨削工件表面粗糙度值增大。严重的爬行还能引起机床振动，损害机床及其工具、模具。因此科学地分析液压传动系统产生爬行故障现象的原因和寻求相应的措施是很重要的。
（3）液压系统噪声产生共振的问题。油箱的辐射面积很大，由于其他装置的激发，往往会使油箱产生很大的噪声。很多液压装置将液压泵和电机固定在油箱上，泵和电机运转时所产生的振动使油箱产生共振，辐射出更大的噪声。机床液压传动的噪声是由主动元件产生的，液压泵和阀是产生噪声的主动元件，油箱和油管是被动元件，它们由主动元件的扰动（压力脉动、结构振动等）而传递噪声，并在共振频率作用下扩大噪声。
（4）静压回路的污染问题。液体静压支承在推广应用的过程中，遇到最多的问题是节流器的堵塞问题，而忽视了主轴与轴承的刮伤问题；在比较定量供油系统与定压供油时，也将由于定量供油无节流器无需防止节流器堵塞作为一个重点予以说明，而忽视了油液污染对轴承与主轴表面的质量影响问题。在比较静压轴承与动静压轴承优缺点时，也提到动静压轴承由于节流孔径大，因此就减少了节流器容易堵塞的可能性，而未注意到动静压轴承与同等的静压轴承相比较，其轴承的实际工作间隙要小，因此对污染度的控制应要求更严格由此往往给人们造成一种错觉，以为对污染度的控制可以放松，而未采取严格措施。由于污染的存在，许多人将静压主轴部件污染度的控制寄托在装配后对主轴部件的清洗和静压工作站的清洁上；其实如果箱体或静压站本身未予以清洗干净，将静压主轴安装完毕后，轴承中的杂质难以清除干净，或装配过程中未采取防止污染的措施，必将形成隐患。
同时，部分设备制造单位未及时向用户说明静压支承轴承部件的使用与维修注意事项，尤其是在使用与维修过程中对污染度的控制问题，因此造成了一些不必要的问题，同时也增加了维修成本。
（5）装配需保证可靠的油膜厚度，油膜的变化在对静压系统的诸多影响因素中是最大的，每变化0.001mm都会产生巨大的作用力。在通常情况下，只要保证可靠的油膜厚度，就基本可以实现静压要求。
对于开式油腔而言，油膜的厚度是通过调节静压站流量来实现的。设计计算中，单边油膜厚度会取定在0.1±0.05mm范围内，最低不能小于0.05mm。最小值的设定是在考虑平面度（平面度按0.02mm计算）要求的情况下，保证留有油膜的最小值。
（6）在静压装配中，有可能会出现以下两种最糟糕的情况：一是油压达到要求了但是静压间隙超出要求，二是静压间隙达到要求了，而油压无法满足。可根据实际情况来定，可以对定量泵进行更换，最坏的情况可以考虑重新计算静压腔尺寸。如果压力达到要求，但是个别腔间隙过小或者过大，首先需要查看与这个腔相配的面是否满足粗糙度要求，如果满足，接触面平整，可考虑更换大一号或小一号的定量泵，并在各油路上加装流量控制阀与流量传感器，对各路进行监视。
参考文献
[1]陈燕生.液体静压支承原理和设计[M].北京：国防工业出版社，1980.