動靜壓技術在鏜床專機主軸上的應用
2015-12-4 來源： 濟柴聊城機械公司 山東鑫亞股份公司 作者： 劉廣強 丁延亮 趙國順 姬景梅
摘要：動靜壓技術在19世紀被發現，但直至20世紀50年代才在發達國家興盛起來，而我國從70年代開始研究，由于滾動軸承的迅速發展，靜壓技術在我國應用急劇減少。不過為提高主軸的回轉精度，降低工件加工的表面粗糙度值，杜絕干式摩擦的發生，動靜壓技術有著不可比擬的優越性，值得我們從新審視。
１. 機床動靜壓技術改進的必要性
幾年前，我公司為某柴油機廠制作了一臺6180機體加工鏜床專機，鏜削主軸孔、凸輪軸及搖臂軸孔，其中主軸孔的精度對同軸及圓度等要求較高。設備制作初期，柴油公司的計劃加工批量較小，設備的操作人員對設備保養尚能維持機床的精度。由于市場的需要，2012年對產品的批量加大，每月生產定額由5臺左右提升到20臺以上，由于設備保養不
善及設備本身結構的限制，經常出現研套現象。鏜模架回轉套及底套抱死現象經常發生，而每次都會對機床主軸孔的鏜削精度帶來或多或少的影響，只能利用拋光膏及研磨膏對研傷部位進行反復修磨，效率較低，嚴重制約了生產的進度。經技術人員分析認為，原鏜專機結構原理較陳舊，鏜專機主軸鏜模架的回轉套及底套如圖1所示。
圖1 主軸鏜模架的回轉套及底套簡圖
1.前鏜模架 2.中間鏜模架 3.后鏜模架 4.回轉套 5.主軸 6.底套
鏜桿主軸直徑120mm，回轉套內孔直徑180mm，外徑直徑210mm，采用四鏜模架支撐主軸鏜桿，兩端鏜模長度180mm，中間兩個鏜模限于機體兩瓦當距離限制，鏜模長度取80mm，回轉套與底套之間利用油杯進行潤滑， 依靠潤滑油的重力流通， 效果不理想，屬于半干式液體摩擦，回轉套與底套之間間隙限于主軸孔鏜削精度的要求單邊僅為0.01～0.02mm，過于小的間隙，很難保證潤滑劑將底套及回轉套完全隔開，干式摩擦現象時有發生，摩擦系數較大，為0.1～0.3，主軸鏜桿的重力及切削力的影響，又加大鏜孔過程中圓周各個方向的不平衡性。
分析認為，如果將回轉套及底套之間引入滾動軸承體，滾動體的磨損也是不可修復性的，精度同樣不穩定，而采用動靜壓技術對鏜模架回轉套及底套結構改進，形成全液體摩擦，摩擦系數只有0.001～0.008，回轉套及底套之間形成穩定的壓力油膜，進而能徹底將二者隔開，杜絕干式磨損的發生，運動精度很高，回轉誤差一般在0.2μm以下，因而不但可以提高刀具的使用壽命，而且可以達到很高的加工精度和低的表面粗糙度值。
2. 設備采用動靜壓技術改進的簡要過程
（1）形成液體的動靜壓軸承需要具備的條件：①軸承體回轉套及軸承底套之間需要有一定的初始間隙。②潤滑油具有一定的粘度。③軸承面與軸承表面間有一定相對速度。④工作時有偏心距（主軸鏜桿重力因素的存在，底部間隙小于頂部）。⑥有一套供油裝置， 具有穩定的壓力。
根據以上基本條件，我們制作了簡易的供油裝置，原理如圖2所示。
圖2 靜壓原理圖
（2）現以兩端鏜?；剞D套為例說明動靜壓技術的應用：①載荷。機床為半精加工、精加工，單邊加工量在1mm以內，軸承承載力與速度無關。②主軸轉速為20～400r/min。③軸承直徑D＝180mm，按L/D=0.8～1.5選擇，取軸承長度為180mm。④軸承初始間隙2h0=（0.000 4～ 0 . 0 0 0 7 ）D， 取h 0= 0 . 0 4 ～0.06mm。⑤由于機床為低速、均勻載荷故選取粘度較大的潤滑油，本機床采用32#機械油。⑥軸承的軸向封油邊C及周向封油邊b，C=b約取D/10=18mm。⑦油腔的軸向寬度l=B-2C=140mm，為增加油腔的動壓效應，將油腔開
為深腔及淺腔兩部分，淺腔深度取5～10h0，深腔深度取≥20h0，深腔夾角36°，淺腔均布在深腔周圍，夾角60°，具體如圖３所示。⑧回油腔的選擇在D=160～200mm時，回油槽寬度為6mm，回油槽深度取1.2mm，回油槽的尺寸要選擇適當，也就是說要保證潤滑油從外流出后回油暢通，另一方向又要使回油槽內充滿潤滑油且具有微小的壓力，以防止主軸轉動時將空氣從回油槽帶人軸承靜壓腔內，建立不起正常工作的壓力。為保證回油順暢，加工時將回油槽寬改為10mm。圖4中的動靜油腔可以在數控機床上加工，鏜銑插補即可，在油腔四周加工出回油槽，在回轉套與底套之間形成穩定的壓力油膜，由于采取4個均布方向的動靜壓油腔，能有效地避免運轉過程中的油膜振動。動靜壓油腔如圖4所示。
圖 3
圖4 靜動壓油腔簡圖
圖 5
1.O形圈槽 2.回轉套（軸承體）3.定位鍵槽
3. 動靜技術調試過程中需要注意的因素
在加工油腔的過程中，需注意回轉套內孔尺寸已經精加工完，工件的裝夾必須避免變形而均勻加持。對鏜模架底套及回轉套的所有棱角進行手工圓整，避免尖角、毛刺，最終裝配前用丙酮進行清洗、脫脂棉進行擦拭，確保安裝時軸承體清潔；安裝完成后，先啟動供油系統，讓潤滑油進行清洗整個潤滑回路，在系統運轉3～4h后，將油箱內所有油更換，加入新潤滑油，這樣系統進入工作階段，起動供油裝置，可以對主軸進行運轉：先點動，確保運轉順利后，先低速旋轉1～2h后，再依次更換高速；同時，調整系統壓力，尋找主軸平衡的合適壓力，如果出現振蕩，說明回油口混入了空氣，需適當提高壓力及潤滑油的粘度，整個過程需檢測油溫的變化，確保溫度不能變化過大，否則需增加回油冷卻裝置。
設備調試完成后，對首件加工的主軸孔在德國三維坐標檢測后，同軸度均為0.035mm以內，可能是回轉套及底套之間間隙存在高點，又磨合了一段時間，接下來的幾件同軸度均在0.02mm以內，達到設計目的，至今運行穩定。
整套裝備在運行半年后，需對液壓原理圖所標出的精過濾器和粗過濾器的濾芯進行清洗，必要時更換新濾芯，確保潤滑油清潔，設備運行中應注意保持主軸的清潔度，避免切屑等雜物進入回轉套。
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