機床靜壓技術的發(fā)展與應用

機床靜壓技術的發(fā)展與應用

靜壓支架具有高精度、高端、長壽等優(yōu)點，受到人們的高度重視和廣泛應用。最早的液體靜壓支承的雛形是在1878年巴黎國際博覽會上展出的能靈活浮動的展品。1938年美國加利福尼亞洲的帕羅馬爾山天文觀測站在200英寸天文望遠鏡上，首次成功地應用液體靜壓推力軸承。該望遠鏡重量為500t，轉(zhuǎn)速為1轉(zhuǎn)/天，但驅(qū)動功率僅需70W。1945年法國工程師P.Gerard發(fā)明了向心靜壓軸承，并于1948年成功地應用于Gendron磨床砂輪主軸上，在以后的幾十年中，靜壓技術迅速發(fā)展，應用范圍不斷擴大，幾乎遍及于整個機械制造行業(yè)，包括儀器\冷軋機、雷達天線座等民用與軍工的設備上。為制造精密磨床，上海機床廠于1958年首先開展該技術的研究。隨后1959年廣州熱帶機床研究所成立，1962設立專業(yè)研究室。目前該技術已成熟，不但給新產(chǎn)品設計提供性能良好的新型支承，提高了機床及設備的精度和效率，也為舊設備的精化改造，恢復青春提供了技術保證；本文略述我國機床靜壓技術的發(fā)展過程及現(xiàn)況。一、靜壓軸承的應用當時毛細管節(jié)流及小孔節(jié)流靜壓軸承國外雖有理論公式，但在機床上的應用實例不多，對于軸承及節(jié)流器的具體結(jié)構參數(shù)甚缺資料。因此只能根據(jù)已有的資料對靜壓軸承進行原理驗證，以探討在磨床上應用的可能性。我國第一套靜壓軸承是裝在上海機床廠一臺3г12M型萬能外圓磨床砂輪架上。通過試驗，初步驗證了設計計算公式。以后在上述試驗基礎上又制造了小孔節(jié)流靜壓軸承砂輪架，供三臺磨床（M7120及M7150型臥軸矩臺平面磨床、Y7520W型萬能螺紋磨床）生產(chǎn)試用。上述試驗證明靜壓軸承應用在磨床上是完全可行的，從而為靜壓支承的進一步試驗及應用打下了基礎。二、靜壓軸的加工由于當時沒有精密濾油器，使這個階段遇到的最大困難是節(jié)流器的阻塞而引起抱軸，使靜壓軸承無法正式用于商品，后來用180#細密銅絲外繞6層絨布及2層稠布制成的濾油器勉強解決阻塞問題，節(jié)流形式方面除小孔外又引入了圓截面毛細管及滑閥節(jié)流等。1959年廣州熱帶機床研所成立，由上海機床廠調(diào)往該所的工程師在1962年組建靜壓研究室，對此項技術的研究與應用得到有力的推動。與此同時無錫機床廠等其它磨床廠也開始對靜壓軸承進行試驗，此項技術得到磨床制造業(yè)普遍重視。1963年上海機床廠用毛細管節(jié)流靜壓軸承改裝了鏡面磨削內(nèi)孔用的頭架，使磨削直徑φ120mm內(nèi)孔的光潔度達▽12，不圓度達0.3μm,1965年在H075型軸承環(huán)磨床的頭架上應用靜壓軸承使被磨工件的內(nèi)外圓的不圓度達0.5μm、光潔度達▽12，作為第一臺商品跨出成功的一步。在此時廣州機床研究小孔節(jié)流的研究，并將其用在機床改造上。這個階段對理論的研究只停留于消化國外的有關資料，因此只限于節(jié)流器結(jié)構形式的試驗，未能大量應用于生產(chǎn)。三、靜壓技術的應用為了解決生產(chǎn)中存在的參數(shù)選擇而推動對靜壓軸承可變節(jié)流器（薄膜、滑伐節(jié)流）的設計參數(shù)的理論研究，六十年代末廣州熱帶機床所推導出滑伐節(jié)流及薄膜節(jié)流的參數(shù)選擇公式，與此同時上海機床廠提出薄膜節(jié)流的參數(shù)選擇的簡化公式和薄膜制造工藝這些理論公式的建立給推廣帶來很大方便。廣州機床研究所在這研究和推廣的熱潮中起到了領導和帶頭作用。幫助國內(nèi)機械制造業(yè)許多企業(yè)推廣靜壓技術并在許多工程項目上應用，取得良好成果，如:幫助武漢重型機床廠將滑閥節(jié)流靜壓軸承應用于重型車床，將小孔節(jié)流靜壓軸承應用于廣州機床廠生產(chǎn)的外圓磨床等機床行業(yè)中，同時還在成都量具刃具廠及洛陽拖拉機廠大量進行技術改造，作為推廣的樣板。上海機床廠據(jù)此陸續(xù)開發(fā)了六十余種應用靜壓技術的新產(chǎn)品，如MG1432A光潔度穩(wěn)定達▽14,S7450絲桿磨床上應用了靜壓軸承、靜壓絲桿螺母、靜壓導軌，M82100大曲軸磨床在砂輪架及頭架上應用靜壓軸承等產(chǎn)品同時在磨床等行業(yè)中推廣薄膜節(jié)流靜壓軸承。1973年6月在廣州召開的全國靜壓技術會議。會上對于靜壓軸承的理論計算、推廣及應用進行了交流，帶動了全國靜壓軸承技術的研究及推廣應用，使這項由當時一機部范圍內(nèi)的研究及應用推廣到其它部門，全國形成靜壓軸承研究和推廣的熱潮。在其他部門的推廣應用中，原三機部仿效機械部的經(jīng)驗，利用北京航空學院的技術力量，在北航組建了流體原理與應用研究室為靜壓技術推廣的技術指導單位，改造舊設備取得良好成效。這是一次影響深遠的盛會，由于靜壓技術的推廣應用使我國機床的水平有了明顯的提高，會后制造出許多新產(chǎn)品。在生產(chǎn)中的擴大應用給理論研究提出的新課題，使理論計算方面取得很大進展，如：廣州所的大位移承載能力及剛度計算；上海機床廠建立任意油腔數(shù)各種節(jié)流器所通用的動靜態(tài)普遍公式；此公式體現(xiàn)了靜壓軸承各種結(jié)構形式與節(jié)流形式的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律性，與此同時還對國外的有關文章計算公式的錯誤進行修改，如對W.B.Rowe的“液體靜壓軸承的設計步驟”中的計算公式的錯誤作了修改。當時對于動態(tài)特性問題的研究給于特別的重視，廣州所與華師大合作對于階躍載荷及頻率特性、穩(wěn)定性等進行研究；上海機床廠與上海師大合作對薄膜節(jié)流的動態(tài)特性進行研究，得到有用的結(jié)論；尤其是認識到油液中殘留空氣對軸承性能的嚴重影響，將原來裝在油腔的壓力表取消，大大提高動態(tài)性能。同時也認識到各種節(jié)流器雖然有不同的靜壓油膜剛度，但在高頻時有幾乎相同的動剛度，認識到以往研究靜壓支承的主要工作放在節(jié)流器上將靜壓軸承與動壓軸承人為地遠遠分開是不利于靜壓軸承發(fā)展的，開始重視對油腔結(jié)構的研究。電子計算機的發(fā)展使得在計算方法上從求解析解開始進入用差分法和有限元素法求數(shù)值解，提高計算的精確度并能較精確地解決以前用簡化計算難于解決的問題。在結(jié)構方面，英國1969年的專利溝槽節(jié)流首先由漢江機床廠應用，前蘇聯(lián)的內(nèi)部節(jié)流形式也曾引起注意。上海機床廠將其作改進并應用于M84160軋輥磨床等產(chǎn)品，其優(yōu)點是節(jié)流比穩(wěn)定，缺點是發(fā)熱大，應用于低速較合適。日本豐田工機的腔內(nèi)回油也曾引起重視，對其回油孔的布局，動壓效應等作深入的研究也應用于產(chǎn)品上。廣州所和武重對靜壓技術的另一分支定量供油式靜壓支承的研究也取得良好成效，成功應用于重型機床上。另一方面作為靜壓支承應用的擴大，利用靜壓油腔在受力時的壓力變化作為信號用于測量上也在進行試驗，如:漢江機床廠在螺紋磨床對刀裝置，陜西機床廠用于試驗微進給裝置。這些研究的成果豐富了靜壓技術的理論，在七十年代中期由部局組織編寫的《機械工程手冊》中的靜壓技術的有關章節(jié)由廣州機床研究所主筆，《機床設計手冊》的有關靜壓技術的章節(jié)，由上海機床廠主筆。廣州機床研究所改版了《液體靜壓軸承原理及應用》，這期間在《機床與液壓》《潤滑與密封》《磨床與磨削》等雜志上發(fā)表有許多靜壓技術的文章，八十年代初出現(xiàn)的第一本教材是北航編寫的“液體靜壓支承原理與設計”在1973年6月在廣州召開的全國靜壓技術會議后又有許多靜壓軸承的交流會，1974年在成都召開的工具行業(yè)技術交流會；1976年在沅陵召開的航空系統(tǒng)技術交流會；1978年在陜西召開的磨床行業(yè)技術交流會，1979年摩擦學會年會和摩擦學會組織的英國W.B.Rowe來華講學；1980年由摩擦學會、設備維修學會聯(lián)合在成都召開全國靜技術交流會等。規(guī)模一次比一次大，水平一次比一次高。值得一提的有1973年6月在廣州召開的全國靜壓技術會議，其影響極為深遠，對于靜壓軸承的理論計算、推廣及應用進行了交流，帶動了全國靜壓軸承技術的研究及推廣應用以1980年由摩擦學會、設備維修學會聯(lián)合在成都召開全國靜技術交流會，總結(jié)了七十年代靜壓技術推廣應用的經(jīng)驗和教訓，提出了動靜壓技術研究和專業(yè)化生產(chǎn)的方向。四、單油世界主要類型的靜壓軸承隨著靜壓軸承的應用和研究的深入，對靜壓軸承在高轉(zhuǎn)速時的動壓效應，引起重視如何更有效利用動壓力節(jié)省能源是個值得重視的問題，對磨床而言高轉(zhuǎn)速所帶來的動壓效應不可忽視，并在動態(tài)特性的研究中得到的不同節(jié)流器雖然靜態(tài)油膜剛度不同，但在高頻下有幾乎相同的動剛度，而油腔的結(jié)構卻是決定動剛度的主要因素，于是開展了磨床動靜壓軸承的研究。1976年上海機床廠研制成功兩類動靜壓軸承，即HSDB-R及HSDB-l，前者為帶外節(jié)流的將原靜壓深油腔改進為階梯或阿基米得螺線淺油楔的動靜壓軸承，后者為利用階梯節(jié)流及階梯油楔的無外節(jié)流的自節(jié)流動靜壓軸承，這兩種軸承的性能明顯超過靜壓軸承而曾作為機密技術，迄今在五.六十種產(chǎn)品上應用，取得良好成效。這兩類主要的多油楔動靜壓軸承的形式中，自節(jié)流形（HSDB-l類）具有良好的工藝性，但靜壓效應較差，適用于中小型精密機床，外節(jié)流形（HSDB-R類）具有良好的動靜壓綜合效應而將會得到更多的應用。在單油楔動靜壓軸承方面也有新的發(fā)展例如：WALDRICH的三油腔動靜壓軸承應用于軋輥磨床中甚有效果。機械科學研究院曾研究彈性變形靜壓支承應用于軍工產(chǎn)品效果良好。八十年代中期，隨著國家體制改革的深入和動靜壓技術的成熟，設備改造的需求促使我國液體動靜壓軸承主軸部件出現(xiàn)專業(yè)化生產(chǎn)：北航成立的北京中航設備改造研制廠從對于航空系統(tǒng)的企業(yè)中的舊設備技術改造人手，逐步形成磨床、金剛鏜床主軸軸承和主軸單元商品化進入小批生產(chǎn)。上海機床廠在七十年代末期起對各類磨床進行改造，效果顯著，上海引進設備維修中心、得寶機床（北京）有限公司對軋輥磨床等各類磨床及多軸鏜頭等進口設備進行改造收效良好；廣州機床研究所針對一些機床廠的需求也供應部分主軸部件商品。1994年由北京中航設備改造研制廠、廣州機床研究所、岳陽機床廠主軸功能部件研究所、上海引進設備維修中心等幾家發(fā)起，得到中國機床工具工業(yè)協(xié)會批準成立了滑動軸承主軸單元專業(yè)委員會，2003年2月為使主軸功能部件行業(yè)進一步發(fā)展，適應機床行業(yè)的需要，更名為主軸功能部件專業(yè)委員會。使此技術的交流日趨增多，使主軸功能部件行業(yè)逐步發(fā)展壯大。目前從事專門生產(chǎn)動靜壓混合油膜軸承及其主軸功能部件生產(chǎn)、研制、開發(fā)廠家有：北京中航設備改造研制廠，岳陽科夢科技有限責任公司（原岳陽機床廠主軸功能部件研究所）；廣東機械科學院（原廣州機床研究所）；上海引進設備維修中心；北京東方精益機械設備有限公司；北京曾來得而機電技術有限公司；北京環(huán)島機電技術公司；杭州求精機床研究所、上海機床廠有限公司和美國得寶機床（北京）有限公司等單位。編后言：我國的機床靜壓支承的現(xiàn)況與世界水平相比較如從動靜壓軸承來看應屬先進水平，這可以從各國的動靜壓軸承發(fā)表的文章及應用情況中看出，如對于外節(jié)流的多抽楔動靜壓類來說：無論從日本的豐田、琦玉大學的結(jié)構及美國專利，雖然有些類似于HSDB-R類中的有腔內(nèi)回油等某些結(jié)構，但其發(fā)表的時間要比HSDB-R遲得多，結(jié)構布局上存在許多不到之處。在應用上也比國外多得多。由于對機床主軸轉(zhuǎn)速和精度的要求日趨提高，例如切