回转工作台静压导轨设计

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2013年 1O月第41卷第 19期机床与液压MACHINE T00L＆ HYDRAULICS0ct．2013Vo1．41 No．19DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2013．19．022回转工作台静压导轨设计许昆平，余光怀，罗永俊(沈机集团昆明机床股份有限公司，云南昆明650203)摘要：以重型回转工作台B轴回转静压导轨为研究背景，结合实际工况及静压导轨相关原理，建立单变量函数进行分析 、计算 ，优化了回转静压导轨的结构，提升了B轴回转的动态性能，解决了重型 、超重型回转工作台易爬行等问题。

关键词：回转工作台；静压导轨；单变量函数；油膜刚度中图分类号：TH123 文献标识码：B 文章编号：t001—3881(2013)19—080—3Design of Rotary Table Hydrostatic GuidewayXU Kunping，YU Guanghuai，LUO Yongjun(Shenji Group Kunming Machine Tool Company Limited，Kunming Yunnan 650203，China)Abstract：Taking heavy duty rotary table B axis rotary hydrostatic guideway as the research object，combining with the actualworking condition and hydrostatic guideway related principle，single variable function was set up to analysis and calculation，the strue—ture of rotary hydrostatic guideway was optimized，SO the B axis rotary dynamic performance was promoted． The problem such as heavyand super—heavy rotary table easy to crawl was solved.

Keywords：Rotary table；Hydrostatic guideway；Single variable function；Oil film stiffness随着社会的进步和科技的发展 ，静压导轨的应用越来越普遍，早在20世纪五六十年代国外就率先提出了静压支撑的理论。初始的静压导轨均采用毛细管节流、薄板节流、小管节流等恒压式静压导轨方式。

近年来随着多头泵的出现和应用，使得恒流式静压导轨得到了广泛的应用和发展。

重型、超重型数控机床是装备制造业的一种发展趋势。大型数控回转工作台是机床的重要附件之一，它使主机增加了一个回转运动坐标轴 ( 坐标轴)，大大扩展了主机的加工范围。

重型机床由于运动部件自身的重力和巨大外载荷(工作力)的作用，在移动导轨上产生的比压很大，有些机床由于自身的结构特点，其作用力不可能均匀分布在导轨面上，作用力集中的部位产生的比压就特别大，这使得两相对运动面产生的摩擦力很大。由于以上原因，会产生以下几种不良后果 ：(1)移动部件移动时会出现爬行现象 ，低速运动时更为明显，严重影响机床的正常运行和使用。

(2)导轨面磨损大，直接影响加工工件精度，缩短机床使用寿命。

(3)移动部件传动功率增大，消耗能源 。

基于以上原因，在大、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工作。以下简称静压导轨。静压导轨较之其他形式的导轨有以下特点：(1)由于导轨面间是纯液体摩擦，其摩擦因数极小 (约为 0．005左右) ，故驱动功率可大大降低。

(2)因系纯液体摩擦，故导轨不会磨损，寿命长，能长期保持制造精度，减少了维修工作量。

(3)油膜厚度几乎不受速度的影响，即使在极低速时，也不会产生爬行。

(4)油膜具有误差均化作用 ，可提高导轨运动精度。

(5)油膜 承载能力大，刚度高 ，吸振性 良好，导轨运动平稳。

因此，静压导轨特别适用于各种大、重型机床、数控机床、精密机床、回转工作台及其他运动件上。

恒流式静压导轨较恒压式静压导轨又具有每个油腔流量恒定 ，油膜厚度不受外部压力变化的影响，油膜厚度均匀，调整、维护比较简便，人为影响因素小等特点，故大部分设计人员倾向于选用恒流式静压导收稿日期：2013—05—21基金项目：国家科技重大专项 (2013ZX04005—013)作者简介：许昆平 (1969一)，男，学士，高级工程师，主要从事高档精密数控机床的研究开发工作。E—mail：goatygh###126．corn。

第 19期 许昆平 等：回转工作台静压导轨设计 -81·轨，但静压导轨设计的优劣直接影响机床的力学性能。作者以回转工作台静压导轨的设计为例，介绍一种静压导轨优化设计、计算的方法。

1 静压导轨的方案设计大型数控回转工作台的两个重要指标为工作台台面尺寸和工作台承载能力，这两项指标直接决定了工作台的加工范围和应用行业 。重型、超重型回转工作台主要应用于航空、航天、能源、国防军工等高科技行业，这些领域所涉及到的加工对象尺寸较大 ，质量较大，这就要求工作台要具有宽大的台面尺寸和强劲的承载能力。回转工作台结构如图1。

图 1 回转工作台结构简图通过有限元分析滑座受力可以看出：载荷通过工作台传递到滑座上，应力主要分布在靠近滑座边缘的一 圈环形导轨上，这主要是 由于工作台台面悬伸较大，导致载荷分布呈现向外延伸的趋势，见图2。因此，日轴导轨应尽量靠近应力分布区，即导轨直径越大越好。工作台中心安装有定心 的芯轴部件，芯轴部件除了给工作台台面回转定心外 ，还与压板一齐形成 B轴的闭式静压，也就是说，芯轴部件需要给静压导轨一个预压力，因此，在靠近芯轴的地方再布置一圈环形导 轨，采取两圈环 形导轨 的布置方案 ，见图3。

图2 滑座应力分布图图3 导轨布置方案初始承载能力的估算。已知条件见表1。

表 1 初始条件D，mm 2 940 F ／N 1 600 000n 16 F i ／N 400 000o1'(。) 21静压导轨油膜的相对移动系数 8≤0．3，为了使导轨的最大比压P 不超过多头泵 的背压 P =3 MPa，则有P ≤P (1一s?)’=1．029 MPa油垫的总有效承载面积 较小于油垫面积A，导轨内径 d与导轨载荷比压存在以下关系式，其函数曲线见图4。

1，) 9 ×(F? +F?)P d 一kA4×360= = (0．7 9)从图4可以看出：导轨的载荷比压与导轨内径的二次方呈正比关系，因此，为了满足多头泵背压的要求，导轨内径不得超过2 643 mm。然而，d值减小会使得油垫面积过大，采购成本较高，加工平面度难度增大，同时会引起载荷比压减小 ，这将导致油膜厚度增大，降低油膜刚度。一般选取载荷 比压为 0．7～0．9 MPa为宜 ，在这个范围内计算出的导轨内径较为合适，具体过程不再累述，经计算得d=2 500 mm。

2．52．01．51．00．52．2 2．4 2．6 2．8 3鳓m图4 载荷比压曲线图日 I’I、 _)A· 82· 机床与液压 第41卷由于采用恒流式静压导轨 ，为了方便多头泵的选型、油垫的采购和制造 ，内圈导轨油垫的大小应当尽量与外圈相似，这里不再累述。

2 油垫的设计计算通过上述计算可以得出油垫的外形尺寸，因为油腔大小主要由油垫的封油边宽度 W决定，封油边直接决定油垫有效承载面积A 、流量系数 ，进而影响到油膜厚度 h和油膜刚度 K。因此 ，封油边大小的设计对静压导轨各项性能具有很大的影响。

环形导轨上的油垫为扇形，为了方便计算可以将其折算成矩形，如图5。折算后 L=498．466 mm，B=220 mm图5 油腔结构简图f= L一2w b =B 一2wA。 6(2L8+lB+2lb+ 6)( + )／3Q √可 ， ／3Q“ √可 Ah = h? 一h iJ= 3
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AePoh =凡式中：Q为多头泵的流量，这里选用福鸟 ZM1002一s2型多头泵，Q=200 mL／min；叼为静压油的动力黏度，选用46号抗磨液压油，查表得叼=0．046 Pa·s；h为重载时导轨的油膜厚度； 一为空载时导轨的油膜厚度；Ah为油膜厚度的变化量；J为单个油腔的油膜刚度。

从上面的关系式可以看出，上述各项物理量都是与封油边宽度W有关的单变量函数，具体函数曲线见图6。

从图6可以看出：随着封油边的增大，油膜厚度逐渐增大，油膜厚度的变化量也在增大。精密回转工作台要求具有很高的精度，所以油膜厚度变化越小越好 ，加之油膜厚度越大、油膜刚度越差 (见图 7)，所以，封油边宽度在满足承载要求的前提下应尽量取小值。

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7目 654s．司 1O 20 30 40 50 60 10 2O 3O 40 50 60wlmm wlmm图6 油膜厚度曲线图 图7 油膜刚度曲线图3 载荷校核在未通静压油时，工作台导轨与油垫封油边直接接触，封油边取得过小，就会导致导轨接触应力过大，使得油垫或者工作台导轨被压坏 。通常情况下，导轨的接触应力不能超过3 MPa。接触应力的计算如下：f fPh 坐 ——-=— ———— ≤ 3 MPa一 “ L8一Z6 2w(L+B)一4 ? ? 从图8可以看出：若要满足接触应力的要求，油垫的封油边宽度不能小于25 mm。由于静压导轨完全是靠封油边产生节流，封油边需要通过研铲使其与工作台导轨充分接触以达到很好的封油效果。封油边的研铲要求为任意25．4 mm×25．4 mm范围内与导轨接触点数为16—24个。为了具有较高的安全系数，静压导轨的封油边宽度一般不能小于30 mm，因此，封油边宽度取30～50 mm较为合适。

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2． ＼ l0 2O 3O 40 50 60w／ram图8 接触应力曲线图初始浮升力的校核。在油腔刚开始通油时，油垫封油边与导轨直接接触，初始浮升的承载面积仅为油腔范围，其初始浮升力为f fPp= = =1．419 MPa<3 MPa‘‘U ’所以浮升力足够。

由于油腔板封油边较窄，所以油腔面积较大，如果油腔成 “口”字型结构，那么静压油通油时间将会较长。为了解决这个问题，油垫设计为 “田”字形结构，如图 9，中间无油槽的部分低于封油边0．15～0．2 mm，这样 的结构既不影响封油边宽度 、初始浮升力，同时还能有效占用油腔空间，使静压油(下转第92页) ¨ ：2} { g目，I|!E ag、I珊《．目