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落地铣镗床X轴静压导轨设计有那些呢?

2019-06-24 10:45:29
       近年来,随着科技持续进步,对高速 、 精密 、 高效的数 控机床的需求不断增加 。 静压导轨因其显著的性能特点, 成为大重型落地铣镗床导轨形式的最佳选择 。 液体静压导 轨具有以下优点:
   ① 摩擦系数小,一般约为  0.0005~0.001 ,因此驱动功 率可以大大降低;
   ② 相对运动速度的变化对油膜厚度和刚度的影响小;
   ③ 消除了运动部件低速运动的 “ 爬行 ” 现象,且可降低 对导轨材料的要求;
   ④ 油膜具有误差均化作用,可提高导轨运动精度 。 但是,静压支撑系统从原理 、 设计是一个纷繁复杂的 过程,对结构 、 工艺和控制的配合要求较高,是使用静压支 撑系统必须攻克的难题 。 下面以某型落地铣镗床  X  轴静 压导轨为例,简要介绍静压导轨的设计计算步骤 。


1  设计流程


     静压导轨分为定压式和恒流式两种,相对于定压式静 压导轨,恒流式多头泵结构具有每个油腔流量恒定,油膜 厚度不受外部压力变化的影响,油膜厚度均匀,调整 、 维护 比较简便 、 人为影响因素小等特点,两种静压导轨形式都 有开式和闭式两种,闭式静压导轨相对于开式静压导轨有 着油膜刚度高,承载能力强,外载荷影响小的特点,因此本 机床选用恒流闭式静压导轨 。
多头泵形式的闭式静压结构设计具体流程 如下:
     ① 承载条件油腔布局;
     ② 油腔受载情况分 析;
     ③ 各极端情况下受力分析;
     ④ 多头泵初步计 算选型;
     ⑤ 核算各油腔油膜厚度及压力;
     ⑥ 核算 油膜刚度 。 核算完成后,根据计算结果调整合理调整油 腔布局 。


2  初定油腔布局


 已知条件:立柱组件总重  1100 ,000N ,滑座重 量为  200 ,000N ,立柱滑座机构总重  1 ,300 ,000N , 铣轴扭矩  27200Nm , Y  轴丝杠轴向力  60000N ,设计油膜厚度  0.03mm。 设计油腔如图  1  所示,共计  24  腔 。

            
其中 ,8、9、10、11、12、15、16、17、18、19  号 为 正 面 油 腔, 1、2、3、4、5、20、21、22、23、24 号为压板油腔, 6、7、13、14 号为  90° 面和镶条面油腔 。


3 静压油腔计算


3.1 受力分析
     在立柱机构及滑座重力 、 铣轴扭矩  Mz  共同作用下, 分别考虑滑枕伸长三种长度时,正面油腔的支反力如表  1 所示 。
    油腔结构简图如图 2。
               
                               .
 
   由表  1  可得出最大正向力  Fmax=306418.5N ,最大反 向力  17389.9N。
 
3.2  设计计算
3.2.1  每对油腔设计状态时的承载能力  F0= Fmax+Fmin/2=161904.2N
3.2.2 主副导轨面积计算
    导轨有效承载面积公式为:
    由公式( 1 )可得到主导轨  A e1 =254705mm 2 , 副导轨有效承载面积  A e2 =46175mm 2 。
3.2.3  油腔初始压力  
    
3.2.4  油泵供油压力  p s :

   
3.2.5  确定每个油腔的流量
 Qp  ( 46  号抗磨液压油, 20o C  时  ηt=46×10 -3 Pa S ) 。

     

选取  ZM1002/S2  型号的多头泵,流量为  Qp=0.2l/min。 正向及反向油腔在Qp=0.2l/min , h0=0.03mm  油膜间 隙下的  Pr0
           

  此时由公式( 2 )可得到  P r02 =25.16bar。
  根据公式( 2 )( 3 )可以计算出正面各个油腔油膜厚度 与压力值 。 经过计算后发现滑座前端两腔第  8、15  号和压 板腔第  1、20  号油压过大,可以适当减小前两腔主导轨的 流量,达到减小副导轨的压力过大的情况,现对  8、15  取 0.1L/min , 1、20  腔仍取  0.2L/min ,此时这两腔的平衡方程 ( 3 )变为:

       
此时根据公式( 2 )计算得  P r03 =5.59bar 根据公式( 2 )( 3 )可算出空载及受力平衡后,滑枕位于 零位 、 滑枕伸出  600mm、 滑枕伸出  1800mm  等位置的油膜 厚度及压力 。

3.2.6  计算油膜刚度
      

  计算第  6 , 7 , 13 , 14  号油腔:
  由公式( 1 )得到主导轨有效承载面积  A e1 =72275mm 2 , 副导轨有效承载面积  A e3 =72275mm 2 。



6、7  油腔主要是滑枕的轴向切削力,受力如表  2  所示 。
             

此时根据公式( 2 )计算得  P r04 =11.6bar 由此可计算出各腔空载及受切削力时的压力 。 通过对滑枕各种状态下机床  X  轴静压导轨的油膜厚 度及压力的计算,可验证本机床  X  向静压导轨的油腔数 量以及布局形式合理,选择的多头泵流量合适 。


4  总结


      本文通过分析  X  轴滑座在滑枕伸出不同长度,考虑 空载与加工状态的不同,对滑座各个位置的受力状态进 行计算,并通过修正,得到较准确的  X  轴静压导轨副的结 构和相关参数,实现了静压支承系统的优化匹配设计,提 高了静压支承系统的设计精度 、 静压导轨副的运动平稳 性和精度保持性 。 通过实际产品生产验证,该方法的计算 结果与实际测量结果具有很高的吻合度,具有一定的参 考意义 。





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