液体静压导轨及其设计研究

收稿日期:2003-08-04
液体静压导轨及其设计研究
王东锋
(陕西秦川机械发展股份有限公司技术研究院　陕西宝鸡721009)
摘要:介绍了液体静压导轨工作原理、特点、分类及适用场合,分析了承载能力、油膜刚度、油膜厚度以及导轨间隙等静压导轨设计的影响因素。

关键词:液体静压导轨;开式导轨;闭式导轨;油膜厚度;导轨间隙;承载能力;油膜刚度
中图分类号:TH137　文献标识码:B 文章编号:0254-0150(2004)4-117-2
H ydrostatic Slide and its Design R esearch
,China )
Abstract ,and the effect
factors for were analyzed.
K eyw ;oil film rigidity
入压力油,载荷变化而变化以平衡作用在导轨上的外负载,在不同速度(包括静止)下都能保证导轨面间始终处于纯液体摩擦状态,从而大大减小了两导轨面作相对运动时的摩擦阻力,减小了拖动导轨运动时的动力消耗,并具有很高的运动精度。

1　静压导轨的工作原理及其特点
以定压供油开式静压导轨为例,说明静压导轨的11油池　21进油滤油器　31油泵电动机　41油泵　51溢流阀　61粗滤
油器　
71精滤油器　81压力表　91节流器　101上支承　111下支承图1　定压开式静压导轨原理
工作原理。

液体静压导轨通常将移动件导轨分成若干段,每一段相当于一个独立的支承,每个支承由油腔和封油面组成。

如图1所示,来自油泵并经过滤的压力为p s 的油液经节流器节流后压力降为p r ,进入导轨油腔。

当导轨面上有足
够的总压力平衡运动件的重量时,支承即被浮起,此时油液通过上、下支承的间隙h 流出,压力降为零。

,即当作用在上下支承的载荷F 增大时,则上支承有下沉的趋势,油膜被压缩,导轨面间的油液外流的液阻增大,由于节流器的调压作用,使油腔压力p r 随之增大(在承载能力范围内),以平衡外载荷。

当采用固定节流器时,由于油腔压力p r 与导轨间隙h 的三次方成反比,故导轨间隙的微量变化,就能获得较大的油腔压力增量,因此,油膜刚度较高。

当采用可变节流器时,则能获得近似于无穷大的油膜刚度。

液体静压导轨具有下列优点:
(1)由于导轨面间是纯液体摩擦,其摩擦系数极小(约为010005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。

但液体静压导轨的缺点是需要一套具有良好过滤效果的液压装置。

2　液体静压导轨的分类及适用的场合
静压导轨特别适用于各种大、重型机床、数控机床、精密机床的工作台及其他运动件上。

2004年7月
第4期(总第164期)
润滑与密封
LUBRIC ATION E NG INEERING
July 2004
N o 14(serial N o 1164)
由于导轨承受的载荷情况不同,在结构形式上有开式导轨和闭式导轨之分。

在供油方式上有定压供油和定量供油之分。

211　开式静压导轨的基本形式
开式静压导轨依靠运动件的自重及外载荷保持移动件不从床身上分离,它属于力封闭形式。

开式静压导轨往往只在导轨的一个方向上开有油腔,只能水平放置或倾斜一个较小的角度。

主要结构形式如图2所示。

图2　开式静压导轨基本形式
一般开式静压导轨的特点如下:
(1)承受正向载荷能力大。

(2)承受偏载荷及颠覆力矩的能力较差,不能承受反向力。

(3)结构简单制造调整容易。

开式静压导轨用在载荷分布均匀、偏载小、颠覆力矩小的水平放置或仅有较小倾角的场合。

212　闭式静压导轨常用的结构形式
闭式静压导轨只有向其移动方向的一个自由度,其余自由度都由导轨结构所约束(亦称几何封闭)。

闭式导轨常用的结构形式如图3所示。

图3　闭式静压导轨基本形式
闭式导轨具有下列特点:
(1)能够承受正、反方向的载荷,油膜刚度高。

(2)承受偏载及颠覆力矩的能力较高。

(3)加工制造及油膜调整较复杂。

(4)
导轨本身的结构刚度要求较高,尤其是副导
轨的结构刚度要求较高。

(5)闭式导轨一般采用不等面积的油腔结构,比较经济。

闭式导轨应用于载荷分布不均匀、偏载大及有正、反方向载荷或立式导轨等场合。

3　静压导轨的设计311　承载能力及油膜刚度比较
承载力必须达到机床导轨上导轨自重、工件重量、切削力等外力总和。

而油膜刚度必须达到在负载变化时油膜厚度变化量达到设计要求的限度,或者说不能超图4　不同节流器形式之静
压滑轨刚度的比较
出一定的刚度值限制。

油膜刚度的比较如图4所示。

由图可知,刚度最高的是反馈节流,其次是定流量供油、小孔节流、毛细管节流。

312　导轨精度及油膜厚度
液体静压导轨应保持
两个相对运动的导轨面处
于纯液体摩擦状态,同时
应保证导轨有良好的运动精度、高的油膜刚度,较小的油泵功率消耗,因此对静压导轨面的几何精度有一定的要求。

通常需保证:
Δ≤(1/2～1/3)h 0
式中:Δ—在移动件导轨面内的几何精度总误差(包括平面度、扭曲度、平行度等)(cm );
h 0—导轨的油膜厚度(cm )。

导轨油膜厚度h 0不宜过大,以免降低导轨刚度,也不宜过小。

一般推荐下列数值:
中小型机床　h 0=01015～01030mm 大型机床　h 0=0103～0106mm
导轨面可用刮研或磨削获得。

一般刮研的精度较高,每25mm ×25mm 内约有16个点,刮削深度约为5μm 。

313　油腔数及其布置
(下转第127页)811润滑与密封总第164期
注:二维切削,t=0105mm;v=515m/m in,刀具:高速轴,
α=45℃。

德国Theo M ang博士对油基极压抗磨切削液产生的优异效果,提出了新的理论:切削液通过接触面互相连接的毛细管网络,渗透到切削表面(毛细管直径一般为10-3～10-4mm);切削液进入到切削面的方式,主要是扩散,是切削液蒸发或热分解产生的有效组分,扩散渗透到切削表面,产生了润滑效应[3];输送动力学研究揭示了这一特殊作用。

新的理论和实践,为切削液的发展开辟了新的途径,指明了方向。

312　油基切削液的发展
水基切削液的没落,迫使人们另寻途径,转向油基切削液的开发。

用油基切削液取代水基切削液,不仅可以降低冷却剂的使用费用,而且可以解决很多环保问题。

纯净油不含生物杀伤剂和细菌杀伤剂;纯净油比乳化油更加与皮肤相容;油基切削液的使用寿命可以无限。

使用油基切削液的另一个好处,是大幅度减少机床漏油产生的故障。

许多机床都有漏油的问题,尤其是滚齿机一类机床,因其结构特点,漏油很难避免。

水基切削液中进入油,会使切削液中的含油量增加,破坏了乳化液的H LB(亲水亲油平衡)值,改变了其原来的性能,影响切削液的使用寿命。

油中混入水基切削液,会加速油品氧化,使油品的防锈性能下降,严重影响油品的性能和寿命。

使用油基切削液,由于它们的基本组分相同,都是矿物油,会大大缓解漏油的影响,处理起来也比较简单。

油基切削液进入到接触表面,主要靠渗透,因此,要求使用渗透性好的润滑油。

过去使用的低粘度矿物油主要是煤油、锭子油。

这些油闪点低,容易燃烧。

长期以来,低粘油闪点低这个问题,限制了油基切削液的应用和发展。

国外曾使用低粘度酯类油作为切削液,取得良好效果。

但酯类油价格很高(见表2),不利于推广使用。

表2　低粘油的性能比较
名称牌号
黏度(40℃)/
(mm2・s-1)
闪点(开
口)/℃
参考价格
元/吨酯类油(新戊
基多元醇酯)
151519029800
222221029800加氢油
CST210～51504050
CST510～222184150轴承油
(锭子油)
FC-351153450
FC-22221403900煤油一级品110～21040
目前加氢油迅速发展,价格与馏分油相差无几,但闪点大幅度提高,闪点都在200℃以上;蒸发量大幅度降低,从矿物油的16%下降到6%(见图3),为
油基切削液的发展创造了有利条件。

图3　各种润滑油基础油的典型蒸发
另外,由于润滑技术的发展,添加剂的种类不断完善、性能大幅度提高,实现了油品低粘化、通用化,有人在研究将一台机床上使用的润滑油和切削液统一起来,用一种“多功能油”,这样做将给机床设计和金属加工带来巨大的方便。

德国发动机制造行业,曾经有从缸体的粗加工一直到汽缸的衍磨使用一种油的事例[3]。

参考文献
1　吕兆歧,谢泉1油品研究与应用指南[M]1中国石化出版社,199712671
2　汪德涛1润滑技术手册[M]1机械工业出版社,199912091
3　[德]Theo M ang1润滑剂与润滑[M]1化学工业出版社, 20031
(上接第118页)
(1)为了使油膜均匀,每条导轨面在其长度方向的油腔数目不得少于2个。

(2)移动导轨长度在2m以下时,油腔数目取2～4个。

(3)移动导轨长度大于2m时,一般不超过5～6个,每个油腔长度为015～115m。

(4)直线运动导轨,油腔开在移动导轨面上;回转运动导轨,油腔开在固定导轨面上。

314　节流器的选择及油温控制、油液净化问题
(1)节流器一般有毛细管、小孔节流、滑阀节流及薄膜反馈节流4种可选择设计。

(2)油温应予控制,不得超过50℃,最好采用恒温控制。

(3)油液净化,应利用精度过滤装置进行过滤,达到10μm以上精度。

另外,在静压导轨结构设计应注意以下几点:
(1)导轨零件本身要有良好的结构刚度。

(2)大型机床的地基要有足够的刚度。

(3)闭式导轨压板的结合面应有足够的宽度。

要求压板工作面与固定件的导轨有良好的平行度,以保证油膜均匀。

(4)要有合适的回油措施。

静压导轨的应用目前不很普遍,本文在YK73125成形磨齿机设计中,在主要导轨运动副上普遍地采用了静压导轨的技术,取得了较好的效果。

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2004年第4期李庆忠等:试论切削液的发展方向。