Rapid 6K大型轉(zhuǎn)軸加工機(jī)床在使用過(guò)程中，主軸經(jīng)常與靜壓軸承發(fā)生摩擦。根據(jù)對(duì)故障現(xiàn)象的綜合分析，將原有的恒壓靜壓徑向軸瓦改造為恒流靜壓結(jié)構(gòu)。在原有結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)了改造形式和靜壓參數(shù)，制定了合理的改造方案，對(duì)機(jī)床靜壓主軸系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1前言

Rapid 6K大型轉(zhuǎn)軸加工機(jī)床是1985年從德國(guó)Wadrich Coburg公司引進(jìn)的。經(jīng)過(guò)多年的使用，機(jī)床設(shè)備已經(jīng)老化，特別是主軸精度已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo)。靜壓主軸在使用過(guò)程中經(jīng)常與軸瓦發(fā)生磨損，維修周期長(zhǎng)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和使用。經(jīng)過(guò)調(diào)查分析，決定在機(jī)床原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)主軸徑向靜壓軸承襯套。

2靜壓軸承的改造形式

由于機(jī)床主軸性能直接影響零件的加工質(zhì)量和加工精度，主軸靜壓軸承的性能對(duì)機(jī)床的總體設(shè)計(jì)至關(guān)重要[1]。

Rapid 6K大型轉(zhuǎn)軸加工機(jī)床的主軸軸承過(guò)去是恒壓靜壓軸瓦結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)故障現(xiàn)象的綜合分析和主軸精度檢測(cè)，機(jī)床主軸和靜壓軸瓦在長(zhǎng)期使用后已經(jīng)磨損。當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，恒壓靜壓不能保證軸瓦的油膜厚度，導(dǎo)致軸瓦頻繁研磨損壞。初步計(jì)劃改造成滾動(dòng)軸承軸承結(jié)構(gòu)，但實(shí)際測(cè)繪后，所需軸承直徑大于軸瓦直徑。由于主軸箱空間有限，只能采用靜壓軸承支撐結(jié)構(gòu)。

靜壓軸承的原理如圖1所示。根據(jù)液壓系統(tǒng)供油形式的不同，可分為恒壓靜壓軸承和恒流靜壓軸承兩種類型[2]。兩種供油方式各有利弊。綜合比較，恒流靜壓軸承具有以下優(yōu)點(diǎn)[3，4]。

(1)恒流靜液壓系統(tǒng)壓力儲(chǔ)備大，過(guò)載能力強(qiáng)。機(jī)床主軸的工作負(fù)荷不平衡，所以恒壓靜壓軸承油腔壓力不一致。如果一個(gè)油腔達(dá)到或接近液壓泵的壓力，就不能建立靜壓油膜。但只要供油系統(tǒng)有足夠的流量，恒流靜壓軸承就能保證旋轉(zhuǎn)摩擦副不接觸，形成純液體油膜摩擦。

(2)良好的油膜剛度恒流靜壓系統(tǒng)形成的油膜剛度優(yōu)于帶節(jié)流裝置的恒壓系統(tǒng)。

(3)功耗低。恒壓靜液壓系統(tǒng)的液壓油通過(guò)節(jié)流閥會(huì)產(chǎn)生壓降消耗功率，溢流閥在調(diào)節(jié)壓力溢流時(shí)也會(huì)消耗功率和熱量，導(dǎo)致機(jī)床熱變形，降低機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度。

(4)抗油污能力強(qiáng)的阻氣門容易被潤(rùn)滑油中的雜質(zhì)堵塞。一旦節(jié)流器堵塞，恒壓系統(tǒng)就會(huì)失效。如果采用恒流靜壓軸承，就不會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題。

綜上所述，權(quán)衡利弊，本次機(jī)床主軸改造采用恒流靜壓軸承結(jié)構(gòu)。

3靜壓軸承和靜壓系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)機(jī)床數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)，Rapid 6K主軸加工機(jī)床主軸原徑向軸承尺寸如圖2所示，徑向軸瓦及其供油系統(tǒng)已知情況如下:銑軸尺寸為圖片；靜軸瓦與銑軸的間隙為0.05 ~ 0.06毫米；供油方式為閉式恒壓供油；節(jié)流方式為毛細(xì)管節(jié)流；毛細(xì)管直徑為1毫米；；靜態(tài)室的數(shù)量為4個(gè)；靜室供油壓力(入口壓力)為40kgf/cm (1kgf = 9.8n，下同)；靜壓室油壓(出口壓力)為8 kgf/cm；液壓泵的型號(hào)為Qt 3132-20-10f-a；液壓泵壓力為62k gf/cm；液壓泵的流量為42.2 l/min；；液壓泵馬達(dá)型號(hào)為Y132S-4，功率5.5kW，轉(zhuǎn)速1440 r/min；液壓油品牌為DI N51502 HLP10，動(dòng)力粘度為9.2×10-8 kgf·s/cm。

4支座改造的設(shè)計(jì)與計(jì)算

根據(jù)已知條件，靜壓軸承的流量系數(shù)為

B=(L-a)/(6b) (1)

式中，b為流量系數(shù)；l為軸承長(zhǎng)度(mm)；a是軸向油密封面長(zhǎng)度(mm)；b為周向油封表面的寬度(mm)。

根據(jù)平行間隙層流的流量公式，每個(gè)油腔的設(shè)計(jì)流量為

Q0= Bh03Pr0/ηt (2)

式中，Q0為軸承各油室的設(shè)計(jì)流量(cm3/s)；H0是油膜的厚度(厘米)；Pr0為軸承各油室的設(shè)計(jì)壓力(kgf/cm2)；η是油的動(dòng)力粘度(kgf·s/cm2)。

已知供油泵的壓力為62kgf/cm2。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，Pr0≈30kgf/cm2，液壓油的動(dòng)力粘度ηt = 9.2×10-8 kgf s/cm2，經(jīng)計(jì)算，分別取B=0.482，h0=0.0015cm，0.0020cm……0.0050cm，計(jì)算軸承各油腔的流量。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，當(dāng)油膜厚度為0.0025 ~ 0.0030厘米時(shí)，液壓系統(tǒng)的總供油流量為

總q = kqσ Q0 (3)

式中，q總是液壓系統(tǒng)的總供油流量(l/min)；KQ是供油流量系數(shù)(根據(jù)系數(shù)表取1.8)。

徑向靜壓軸承有四個(gè)靜壓油室，因此系統(tǒng)最大總供油流量經(jīng)計(jì)算為1.82L/min。

目前，機(jī)床主軸的一個(gè)徑向軸承和兩個(gè)端軸承油泵的總供油流量為42.2L/min。假設(shè)每個(gè)軸承的供油流量為14L/min，是靜壓軸承的7.7倍。因?yàn)榱髁刻?，靜壓油室內(nèi)的壓力會(huì)很高。為了降低油壓，必須使用溢流閥來(lái)降低流量，這樣會(huì)造成大量的油從溢流閥溢出，引起油溫升高，進(jìn)而導(dǎo)致靜壓軸承和主軸的研磨和損壞[5]。

根據(jù)每個(gè)軸承的供油流量14L/min(即每個(gè)靜壓油室的流量為3.5L/min)，計(jì)算供油室壓力隨油膜厚度的變化。油室壓力為

Pr0= Q0ηt/(Bh03) (4)

分別取h0=0.0020cm，0.0025cm……0.0045cm，計(jì)算軸承各靜壓油腔的壓力值，如表2所示。

綜合考慮供油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力，考慮機(jī)床原供油系統(tǒng)溢流閥的設(shè)定壓力為

7bar (1bar = 0.1mpa，下同)，45bar時(shí)系統(tǒng)會(huì)報(bào)警。根據(jù)數(shù)值分析的實(shí)際情況，初步?jīng)Q定對(duì)徑向靜壓軸承采取以下改進(jìn)措施[6]。

1)徑向靜壓軸承的油膜厚度增加到0.0040～0.0045厘米

2)由于靜壓軸承系統(tǒng)采用恒流壓力供給系統(tǒng)，供油流量宜取Q total =20L/min。

3)參考現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，采用大節(jié)流比。

5驗(yàn)算和處理意見(jiàn)

當(dāng)系統(tǒng)供油總量為QTotal =20L/min時(shí)，徑向軸承的流量約為6.67L/min。根據(jù)公式(2)，改進(jìn)后的軸承單油室流量和靜壓油膜厚度的相應(yīng)值如表3所示。

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，當(dāng)油膜厚度為0.0040~0.0045cm時(shí)，液壓系統(tǒng)的供油流量為q total = 0.215×4×2.5 = 2.15(L/min)< 6.67 L/min(取KQ=2.5)，因此靜壓系統(tǒng)的供油流量滿足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)對(duì)油膜剛度的計(jì)算和驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在主軸靜壓位移較大的情況下，靜壓油膜仍具有足夠的剛度和承載能力，滿足機(jī)床的生產(chǎn)需要。

根據(jù)以上分析和驗(yàn)算，結(jié)果與Rapid 6K轉(zhuǎn)軸加工專機(jī)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試情況基本一致，因此對(duì)徑向靜壓軸承的處理意見(jiàn)如下[7，8]。

1)重新設(shè)計(jì)制造徑向靜壓軸承，軸承內(nèi)孔徑向油膜間隙為0.0040~0.0045cm

2)油膜間隙增大后，考慮節(jié)流比的增大，靜壓軸承供油流量為20 ~ 25 L/min。

3)由于靜壓軸承沒(méi)有軸向回油槽結(jié)構(gòu)，徑向節(jié)流邊的大小會(huì)影響內(nèi)部流量系數(shù)和節(jié)流比的提高，所以減小了周向油封面的寬度，設(shè)計(jì)為b=20mm。

4)軸承內(nèi)孔與350mm外圓的同軸度為0.005mm，以保證其旋轉(zhuǎn)精度。

5)軸承兩端面對(duì)內(nèi)孔的垂直度為0.005mm，需要研究檢查。

6結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)快速6K主軸加工機(jī)床主軸靜壓軸承的故障現(xiàn)象，確定將其改造為恒流靜壓軸承結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和計(jì)算。確定了油膜厚度、供油系統(tǒng)壓力、流量等關(guān)鍵參數(shù)，并給出了具體的處理建議。根據(jù)處理建議對(duì)靜壓軸瓦進(jìn)行改造后，機(jī)床主軸通過(guò)了幾何精度試驗(yàn)、高速試驗(yàn)和切削試驗(yàn)，徹底解決了主軸磨削故障。機(jī)床運(yùn)行良好，改造取得了圓滿成功。