数控外圆磨床砂轮架闭式静压导轨的设计

按照受力情况又可分为闭式导轨和开式导轨，如 图 2 所示。
M
F
F
C面
B面 D面
E面
A面
(a) 闭式导轨 (b) 开式导轨 图 2 导轨按受力情况分类形式
36
刘军胜 数控外圆磨床砂轮架闭式静压导轨的设计
如果作用力 F 不够大，又有一个较大的颠覆 力矩 M 作用在运动部件上，此时必须增加压板以形 成辅助导轨 C 面，才能保证主导轨 A 面，B 面良好 接触，这种导轨称为闭式导轨。在外载荷和部件自 重作用下，使两导轨在全长上保持贴合的叫做开式 导轨。
运动部件导轨 床身导轨
节流器
溢流阀 h0
滤油器 油泵
(a)
回油槽 油腔
外载荷，并将运动部件导轨的浮力限制在微小的变 化范围之内。
液体静压导轨主要有以下优点： (1)摩擦因数小，约为 0.000 5； (2)不会产生摩擦损伤，长期保持导向精度， 寿命长； (3)低速运动时不会产生爬行现象； (4)油液有吸振作用，抗振性能好； (5)具有误差平均效应，导轨副运动精度超过 导轨自身的几何精度； (6)运动速度变化和载荷变化对承载能力和刚 度的影响较小。 这种导轨的主要缺点是，结构较复杂，需要配 置一套供油系统，且容易因漏油而污染环境。液体 静压导轨特别适用在各种大型、重型机械及精密数 控机械工作台的运动件上。
=
0.4
MPa
承载能力 Fmax 为：
( ) Fmax = Ae1 × P1 − K b × P2 = 7 170.833 × (0.6 − 0.439 × 0.4)
= 2 727.6 kg
承载力为 Fmax = 2 727.6 kg > F = 2 400 kg
证明该闭式静压导轨上下腔参数能够满足所用 需求。
导轨工作部分刚性较差，对于一般机械和仪器
工作台的静导轨，既长又薄，是系统中刚性最薄弱 的环节，受力较复杂，计算较困难。
大型导轨的制造工作量较大，需要专门机床加 工或用手工刮削。
2 导轨的分类 按照摩擦性质分类可分为滑动导轨和滚动导
轨。滑动导轨的摩擦性质是滑动摩擦。按其状态又 可分为液体静压导轨、液体动压导轨和混合摩擦 导轨。
L1n B1 − B1n
⎟⎟⎠⎞
+
⎜⎜⎝⎛
B1n L1 − L1n
⎟⎟⎠⎞⎥⎥⎦⎤
×
Pb
×105
×
h03 3×η
=
⎢⎣⎡⎜⎝⎛
80 90 − 55
⎟⎞ ⎠
+
⎜⎛ 55 ⎝115 −
80
⎟⎠⎞⎥⎦⎤
×
0.5
×10
5
×
0.033 3× 0.028
8
≈ 587.555 mm3/s ≈ 0.035 25 L/min
128Qcsη
=
3.14 × 0.54 × (1 − 0.5)
128 × 587.555 × 0.028 8
=
44.166
mm
下油腔毛细管长度：
lcs
=
πdc4 (Ps − Pb )
128Qcxη
= 3.14 × 0.54 × (1 − 0.5)
128 × 578.850 9 × 0.028
8
=
44.831
5 闭式静压导轨基本结构设计 闭式静压导轨由 A、B、C 三个方向静压油腔组
成，所有油腔均开在砂轮架移动导轨部分，毛细管 节流器对 A 方向油腔提供节流，如图 5 所示。
(a)
(b)
图 5 毛细管节流静压导轨
图 5(a)中的毛细管对图 4 中 B 方向油腔提供节 流，图 5(b)中的毛细管对图 4 中 C 方向油腔提 供节流。
4 液体静压导轨的结构形式的选择 按照当前的设计要求，磨床导轨移动速度最大
300 mm/min、最小 10 mm/min。磨削圆度要达到 0.001 mm，纵截面一致性 0.004 mm。砂轮架导轨要 有很高的刚性及进给精度的要求。根据上述要求，现 采取闭式静压双矩形导轨作为该砂轮架导轨的形 式，如图 4 所示。
l L
封油边
r R
(b) 图 3 开式静压导轨工作原理
砂轮架体壳
毛细管节流器 A
(a)
A
膜隔开，油腔中的油不断地穿过运动部件导轨各 封油面和床身导轨的间隙流回油箱，压力降低至 零。当运动部件导轨受到外载 W 的作用时，运动 部件导轨向下产生一个位移，导轨间隙 h0 变为 h(h<h0)，使封油间隙减小，造成油腔回阻力增大， 在节流器的调节下油腔中的压力也相应增加，以平衡
压导轨结构后，性能可靠，精度稳定。导轨参数的正确计算，将有助于提高闭式静压导轨在运行中的综合性能。
关键词 闭式静压导轨 油腔参数设计 密度 承载能力 摩擦因数
为了缩短与国外技术水平的差距，增强国内磨 床及难加工材料的制造能力，优化设计参数，力求 通过一系列静压导轨的参数计算，来确定闭式静压 导轨的基本参数，试制出了一套全新的闭式静压导 轨，解决国内部分静压导轨的刚性不足、稳定性差 的问题，并对部分难加工材料进行了磨削试验，验 证了数控外圆磨床砂轮架闭式静压导轨的设计参 数的合理性。
精密制造与自动化, 2010(4):30-31. [2] 陈佩江. 液体静压导轨油膜厚度的控制方案[J]. 制造
液体静压导轨：两导轨之间有一层静压油膜，属 于纯液体摩擦，多用于进给运动导轨。
液体动压导轨：当导轨面之间相对滑动速度达 到一定值后，液体的动压效应使得导轨面间出现了 压力油楔，把导轨面隔开。动压导轨也属于纯液体 摩擦，多用于主运动导轨。
混合摩擦导轨：在导轨面间有一定的动压效 应，但相对滑动速度还不足以形成完全的压力油 楔，导轨面仍处于直接接触状态，介于液体摩擦和 干摩擦之间。大部分进给运动导轨属于此类型。
下油腔油液流量：
Qcx
=
⎢⎣⎡⎜⎜⎝⎛
L2n B2 − B2n
⎟⎟⎠⎞ + ⎜⎜⎝⎛
B2n L2 − L2n
⎟⎟⎠⎞⎥⎦⎤ × Pb
× 10 5
×
h03 3×η
=
⎢⎣⎡⎜⎝⎛
70 50 − 25
⎟⎞ ⎠
+
⎜⎛ ⎝
25 95 − 70
⎟⎠⎞⎥⎦⎤
×
0.5
× 10 5
×
0.033 3× 0.028
8
≈ 578.850 9 mm3/s ≈ 0.034 71 L/min
精密制造与自动化
2011 年第 4 期
数控外圆磨床砂轮架闭式静压导轨的设计
刘军胜
（上海机床厂有限公司 上海 200093）
摘 要 介绍了数控外圆磨床砂轮架闭式静压导轨的设计过程。重点分析了导轨的分类和液体静压导轨的工作原 理及特点。根据当前磨床的设计要求，对液体静压导轨的结构进行了选择，并采用了闭式静压导轨结构。通过对 闭式静压导轨上下油腔参数计算，验证了闭式静压导轨的各个设计参数的合理性。结果表明，磨床采用了闭式静
Ae1
=
2 L1
+
B1
+ 2L1n 6
+Байду номын сангаас
B1n
= 2 ×115 + 90 + 2 × 80 + 55 = 7 170.833 mm 2 6
下方油腔：油腔长度 L2=95 mm，油腔宽度 B2=50 mm，封油边长度 L2n=70 mm，封油边宽度 B2n=25 mm，则
有效承载面积：
Ae2
=
2L2
+
L-HG32 号液压导轨油其密度:
ρ = 900 kg/m3
运动粘度：
ν = 32 mm 2 /s
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刘军胜 数控外圆磨床砂轮架闭式静压导轨的设计
那么根据公式可求其动力粘度： η = ρν ×10−7 = 900 × 32 ×10−7 = 0.028 8 Pa ⋅ s 上油腔油液流量：
Qcs
=
⎢⎢⎣⎡⎜⎜⎝⎛
=
3 7
145.833 170.833
= 0.439
取面积因数 Kb 为 0.439。 此时油腔载荷 Fb 所需的压力：
Pb
=
Fb × 9.81 Ae1 − Ae2
=
7
200 × 9.81 170.833 − 3 145.833
≈
0.5 Mpa
选取最佳节流比 β=2 。那么油泵压力： Ps=2×Pb=1 Mpa
mm
偏心率 ε 为闭式静压导轨受载后，上下导轨间 隙允许出现的偏差值，将偏心率 ε 设为 0.01。
那么上油腔允许压力偏差为：
P1
=
Ps
1+[1×(1−ε )3 ]
=
1
1+[1×(1− 0.01)3 ]
= 0.6
MPa
下油腔允许压力偏差为：
P1
=
Ps 1+[1× (1+ ε )3 ]
=
1 1+[1× (1+ 0.01)3 ]
该结构中砂轮架体壳和底座采用 HT250 灰口 铸铁，压条、导轨块及导向块均采用 HT300 灰口铸 铁。这样可以避免底座、砂轮架体壳与压条、导轨 块及导向块之间同时发生磨损，在维护时只需更换 部分零件即可。
6 闭式静压导轨上下油腔计算参数 根据要求导轨需要承载 2 400 kg，静导轨长度
为 1 100 mm,动导轨长度为 750 mm。每根导轨上、下 方向采用 6 个静压油腔，那么由 12 个静压油腔分 别承载 2 400 kg 正向载荷每个静压油腔载荷 Fb=120 kg。根据导轨形式及导轨尺寸，设上方油腔：油腔 长度 L1=115 mm ，油腔宽度 B1=90 mm，封油边长 度 L1n=80 mm ，封油边宽度 B1n=55 mm，则有效 承载面积：
B2
+ 2L2n 6
+
B2n
= 2 × 95 + 50 + 2 × 70 + 25 = 3 145.833 mm 2 6
砂轮架面积因数 Kb 表示在工作状态下的倾覆 力矩的大小，由于该砂轮架在工作状态下倾覆力矩
小，油膜刚度要求不高，可取值在 0.3~0.5 之间。 根据面积因数 Kb 公式：
Kb
=
Ae2 Ae1
该闭式静压导轨对静压用油要求较高，液压油 必须要有良好的导轨保护，防止导轨发生腐蚀及锈 蚀；导轨上不能有粘性沉积物，影响油膜形成且需 要有良好的液压性能。因此，选用 L-HG32 号液压 导轨油。
液压导轨油能够提供良好的摩擦性能，克服普 通油液所产生的粘滞滑动问题，降低两个互相接触 的运动件之间的摩擦因数。其良好的材料相容性能 够使得液压系统更为可靠，延长了液压系统的使用 寿命，降低了维护成本。
7 结语 液体静压导轨以其无静摩擦、无磨损、无低速
爬行现象和阻尼系数大等优点，在其机械运动中具 有重要作用。随着更多机械产品向高精度方向发 展，对机械产品结构的精度、刚性要求越来越高，而 对于降低机械导轨运动所产生的磨损，提高导轨使 用寿命及导轨精度更是成为研究导轨方面的重要 部分，而液体静压导轨就能很好地解决磨损造成的 精度降低这个问题。
3 液体静压导轨（开式）的工作原理及特点 液体静压导轨（开式）的工作原理，如图 3 所
示。开式静压导轨采用的是恒压供油系统，开式静 压导轨通常将动导轨的面分成若干段，每段相当于 一个独立的油垫，由油腔和封油面组成。来自油泵 并经过过滤的压力为 Ps 的油液，经节流器节流后压 力降为 Pr 进入运动部件导轨油腔，当油腔内的总 压力升高到足以把运动部件导轨浮起时，运动部 件导轨和床身导轨之间就被一层厚度为 h0 的油
在此处可视润滑油为不可压缩的流体，所谓不 可压缩流体是说流体的体积不因压力的变化而变 化，那么流体的密度 ρ 就是一个常数，可按照流动 液体连续性原理求出闭式静压导轨所需毛细管长 度 lc（此处按照毛细管规格选用内径 dc=0.5 mm 的 不锈钢毛细管）。
上油腔毛细管长度：
lcs
=
( πdc4 Ps − Pb )
随着我国的生产力及生产水平的不断提高，高 精度机械产品被用于更多、更广泛的地方，静压导 轨所涉及的范围也越来越广，静压导轨所需要的精 度也越来越高。但是静压导轨在实际运用中还有很 多不足的地方，有待今后不断地在实践中进行完 善，提高静压导轨在实际中的运用水平，增强静压 导轨在运行中的稳定性。
参考文献 [1] 左旭芬. 矩形静压导轨在数控凸轮磨床上的应用[J].
1 导轨的作用和特点 如图 1 所示的导轨副，由动导轨（常见的为工
作台或拖板的导轨）和静导轨（常见的为床身导轨） 组成。
动导轨 V
静导轨
图 1 导轨示意图
由于动导轨沿静导轨作定向运动，运动的直线 度精度直接影响到系统的工作精度。因此导轨在机 电一体化系统中具有重要的作用，其特点是：
工作运动的速度低，精密机械常要求工作台移 动速度为 0.5～5 mm/min 的低速情况下运动不爬 行，所以在设计时要考虑低速爬行问题。
上下方向导向块 1
上下方向导向块 2
B
B
C 进给方向导向块
底座 静压导轨导轨块 1 静压导轨导轨块 2
(b)
图 4 闭式静压导轨结构图
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精密制造与自动化
2011 年第 4 期
双矩形导轨主支撑面有很大的承载刚性，且双 矩形组合导轨制造、调整简单，又因为采用闭式静 压导轨形式，所以对矩形导轨面的磨损较小，当导 轨间隙超差时可以通过适当的调节油压保证导轨 刚性。图 4 中，A、B、C 三个方向油腔为闭式静压 导轨油腔。A、B 静压油腔用于导轨的上下浮起量 的控制，C 静压油腔用于双矩形导轨的导向。