CN106563950B - 基于液压预紧的重载液体静压转台及液压预紧控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于液压预紧的重载液体静压转台及液压预紧控制方法。转台包括底座、工作台组件和主轴，所述主轴固定于底座上，所述工作台组件和主轴之间装设有定心轴承和卸荷轴承，所述工作台组件沿周向设均匀设置有多个支承油垫，所述主轴顶端装设有液压预紧端盖，所述液压预紧端盖、工作台组件和主轴三者围合形成环绕主轴的液压预紧油腔。方法提供了一种在工作台组件的自重载荷已知时，以工件载荷为主变量，计算适当的液压预紧载荷的方式，并调整液压预紧油腔内油压，使实际预紧载荷与计算预紧载荷相等。该基于液压预紧的重载液体静压转台及液压预紧控制方法具有主动调控预紧力、提高加工精度、延长使用寿命的优点。

Description

基于液压预紧的重载液体静压转台及液压预紧控制方法
技术领域
本发明涉及重载液体静压转台的预紧技术，尤其涉及基于液压预紧的重载液体静压转台及液压预紧控制方法。
背景技术
大型重载液体静压转台是重型立式机床的核心功能部件，由于具有高承载能力、高刚度、无磨损、长寿命等显著优点，在卫星大型铝合金件、核电高压泵体、大型阀门阀芯、风电基座等大型核心零件加工中具有广泛用途。
随着现代装备制造业的迅速发展，为满足国防军工、航空航天、船舶、能源、交通运输、冶金、工程机械等主要工业支柱产业以及国家重点工程项目的要求，需要对大型、特大型零件进行精密加工，如潜艇螺旋桨、水轮机转子支架等。重型数控机床也随之朝着高速、高精、智能化、超大型化方向发展。由此，对液体静压转台也提出了大型化、超大型化的要求。
相比于小型液体静压转台，大型重载液体静压转台的直径通常达8-12m，而油膜厚度仅 0.15mm左右，尺寸效应带来的力变形、热变形与油膜厚度的比值显著增大，严重影响转台的运行平稳性和加工精度。由于转台和工件自重、工件切削载荷、润滑油膜压力场和温度场等原因，工程上静压转台的上下静压导轨容易发生刮擦事故。
由于静压转台大型化的要求，转台的静压导轨很难做成闭式导轨形式(垂直方向双向限位)，工程上的重载液体静压转台普遍采用开式静压导轨，并采用定量泵供油的形式，即通油后，转台在静压导轨油垫的油膜力作用下浮起，浮起来的高度主要由转台和工件的重量决定。
为了保证开式静压导轨的正常起浮和运转的平稳性，大型重载液体静压转台普遍采用了预紧结构，工作台主轴中心配置了三组高精度、高刚度的滚动轴承，以保证工作台的轴向跳动精度和径向跳动精度，三组轴承按功能作用分别称为定心轴承、卸荷轴承和预紧轴承。工作台径向由高精度双列圆柱滚子轴承定心，工作台轴向工作精度由中心卸荷轴承配合导轨静压技术来保证，卸荷轴承可以减少工件放置在工作台导轨内侧对工作台产生的内凹变形和导轨发热引起的工作台导轨内侧变形。主轴上部装配有高刚度的预紧轴承，主要用在转台空载或轻载时给静压导轨提供预载荷，防止油膜厚度过厚影响静压导轨的油膜刚度。通常情况下，液体静压导轨的油膜保持在0.12-0.15mm。
但是这种结构在实际使用中，存在着严重的局限性：
1、预紧轴承一旦安装完毕后，它对静压转台的预紧力就已经确定，无法调整。
2、当静压转台空载或承受不同重量的工件后起浮时，连接螺栓会发生不同程度的拉伸变形，螺栓拉伸变形后，通过预紧轴承传递给转台的预紧力将发生变化。预紧力最后究竟是多少，机床设计人员和现场人员都难以判断。
3、由于静压转台承载工件重量的范围较大，而轴承预紧力在转台工作过程中又无法预知，导致实际应用中，预紧载荷要么过小，导致静压导轨油膜刚度不足；或者预紧载荷过大，导致工作台发生不必要的变形，最终导致导轨刮擦事故。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可主动调控预紧力、提高加工精度、延长使用寿命的基于液压预紧的重载液体静压转台及液压预紧控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于液压预紧的重载液体静压转台，包括底座、工作台组件和主轴，所述主轴固定于底座上，所述工作台组件和主轴之间装设有定心轴承和卸荷轴承，所述工作台组件沿周向均匀设置有多个支承油垫，所述主轴顶端装设有液压预紧端盖，所述液压预紧端盖、工作台组件和主轴三者围合形成环绕主轴的液压预紧油腔。
所述液压预紧端盖构成液压预紧油腔的上侧壁，所述工作台组件构成液压预紧油腔的外侧壁与下侧壁，所述主轴构成液压预紧油腔内侧壁。
所述主轴设有与液压预紧油腔连通的供油通道。
一种基于液压预紧的重载液体静压转台液压预紧控制方法，按以下步骤进行：
S1：设工件载荷、工作台组件的自重载荷和液压预紧油腔施加的预紧载荷之和为总载荷，所述重载液体静压转台在理想工作状态下，所述总载荷分散至各支承油垫的荷载与各支承油垫内液压油膜提供的支承力相等；
S2：设工作台组件的自重载荷为G0，工件载荷为W，预紧载荷为F0，支承油垫总数为n，单个油垫的供油量为Q，油粘度为μ，油膜厚度为h，油膜等效载荷面积为Ae，油垫周向封油边厚度为a，径向封油边长度为b，油垫对应夹角为工作台组件的转速为ω，根据 S1的设定则有：
其中，
以上等式中，R1 为静压转台扇形油垫内侧封油边内径，R2 为静压转台扇形油垫内侧封油边外径，R3 为静压转台扇形油垫外侧封油边内径，R4 为静压转台扇形油垫外侧封油边外径，φe为为静压转台扇形油垫等效夹角，ρ为润滑油的密度，
计算预紧载荷F0：
S3：调整液压预紧油腔内油压，使实际预紧载荷与计算预紧载荷F0相等。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的基于液压预紧的重载液体静压转台，采用液压预紧结构实现对静压转台施加预紧力，从而可以根据转台的承重大小主动调节控制预紧力大小，避免了传统预紧装置预紧力无法调整的固有缺陷；当静压转台空载或承受不同重量的工件后起浮时，可以实现预紧力大小在线实时显示，机床设计人员和现场操作人员可以根据显示的预紧力大小判断预紧是否正常，是否需要调整；根据承载工件重量的变化，操作人员可以通过调整预紧力对转台的油膜厚度和刚度进行主动调控，从而扩大静压转台承载工件重量的范围。本发明的基于液压预紧的重载液体静压转台液压预紧控制方法，提供了一种在工作台组件的自重载荷已知时，以工件载荷为主变量，计算适当的液压预紧载荷的方式，并调整液压预紧油腔内油压，使实际预紧载荷与计算预紧载荷相等，从而优化预紧力大小的设置，消除了由于预紧力大小设置不科学导致的转台变形，提高加工精度与设备使用寿命。
附图说明
图1是本发明的基于液压预紧的重载液体静压转台实施例的结构示意图。
图2是本发明重载液体静压转台的支承油垫结构示意图。
图3是本发明基于液压预紧的重载液体静压转台液压预紧控制方法实施例的流程图。
图中各标号标示：
1、底座；2、工作台组件；20、支承油垫；3、主轴；31、供油通道；4、定心轴承；5、卸荷轴承；6、液压预紧端盖；7、液压预紧油腔。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的基于液压预紧的重载液体静压转台实施例，包括底座1、工作台组件2和主轴3，主轴3固定于底座1上，工作台组件2和主轴3之间装设有定心轴承4和卸荷轴承5，工作台组件2沿周向均匀设置有多个支承油垫20，主轴3顶端装设有液压预紧端盖6，液压预紧端盖6、工作台组件2和主轴3三者围合形成环绕主轴3的液压预紧油腔7。本发明的基于液压预紧的重载液体静压转台，采用液压预紧结构实现对静压转台施加预紧力，从而可以根据转台的承重大小主动调节控制预紧力大小，避免了传统预紧装置预紧力无法调整的固有缺陷；当静压转台空载或承受不同重量的工件后起浮时，可以实现预紧力大小在线实时显示，机床设计人员和现场操作人员可以根据显示的预紧力大小判断预紧是否正常，是否需要调整；根据承载工件重量的变化，操作人员可以通过调整预紧力对转台的油膜厚度和刚度进行主动调控，从而扩大静压转台承载工件重量的范围。
本实施例中，液压预紧端盖6构成液压预紧油腔7的上侧壁，工作台组件2构成液压预紧油腔7的外侧壁与下侧壁，主轴3构成液压预紧油腔7内侧壁，主轴3设有与液压预紧油腔7连通的供油通道31。
如图3所示，本发明的一种基于液压预紧的重载液体静压转台液压预紧控制方法实施例流程，按以下步骤进行：
S1：设工件载荷、工作台组件2的自重载荷和液压预紧油腔7施加的预紧载荷之和为总载荷，重载液体静压转台在理想工作状态下，总载荷分散至各支承油垫20的荷载与各支承油垫20内液压油膜提供的支承力相等；
S2：设工作台组件2的自重载荷为G0，工件载荷为W，预紧载荷为F0，支承油垫20总数为n，单个油垫的供油量为Q，油粘度为μ，油膜厚度为h，油膜等效载荷面积为Ae，油垫周向封油边厚度为a，径向封油边长度为b，油垫对应夹角为工作台组件2的转速为ω，根据S1的设定则有：
其中，
以上等式中，R1 为静压转台扇形油垫内侧封油边内径，R2 为静压转台扇形油垫内侧封油边外径，R3 为静压转台扇形油垫外侧封油边内径，R4 为静压转台扇形油垫外侧封油边外径，φe为为静压转台扇形油垫等效夹角，ρ为润滑油的密度，
计算预紧载荷F0：
S3：调整液压预紧油腔7内油压，使实际预紧载荷与计算预紧载荷F0相等。
本发明的基于液压预紧的重载液体静压转台液压预紧控制方法，提供了一种在工作台组件2的自重载荷已知时，以工件载荷为主变量，计算适当的液压预紧载荷的方式，并调整液压预紧油腔7内油压，使实际预紧载荷与计算预紧载荷相等，从而优化预紧力大小的设置，消除了由于预紧力大小设置不科学导致的转台变形，提高加工精度与设备使用寿命。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (3)

1.一种基于液压预紧的重载液体静压转台，包括底座(1)、工作台组件(2)和主轴(3)，所述主轴(3)固定于底座(1)上，所述工作台组件(2)和主轴(3)之间装设有定心轴承(4)和卸荷轴承(5)，所述工作台组件(2)沿周向均匀设置有多个支承油垫(20)，其特征在于：所述主轴(3)顶端装设有液压预紧端盖(6)，所述液压预紧端盖(6)、工作台组件(2)和主轴(3)三者围合形成环绕主轴(3)的液压预紧油腔(7)，所述液压预紧端盖(6)构成液压预紧油腔(7)的上侧壁，所述工作台组件(2)构成液压预紧油腔(7)的外侧壁与下侧壁，所述主轴(3)构成液压预紧油腔(7)内侧壁。
2.根据权利要求1所述的基于液压预紧的重载液体静压转台，其特征在于：所述主轴(3)设有与液压预紧油腔(7)连通的供油通道(31)。
3.一种根据权利要求1-2任一项所述的基于液压预紧的重载液体静压转台液压预紧控制方法，其特征在于，按以下步骤进行：
S1：设工件载荷、工作台组件(2)的自重载荷和液压预紧油腔(7)施加的预紧载荷之和为总载荷，所述重载液体静压转台在理想工作状态下，所述总载荷分散至各支承油垫(20)的荷载与各支承油垫(20)内液压油膜提供的支承力相等；
S2：设工作台组件(2)的自重载荷为G0，工件载荷为W，预紧载荷为F0，支承油垫(20)总数为n，单个油垫的供油量为Q，油粘度为μ，油膜厚度为h，油膜等效载荷面积为Ae，油垫周向封油边厚度为a，径向封油边长度为b，油垫对应夹角为工作台组件(2)的转速为ω，根据S1的设定则有：
其中，
以上等式中，R1 为静压转台扇形油垫内侧封油边内径，R2 为静压转台扇形油垫内侧封油边外径，R3 为静压转台扇形油垫外侧封油边内径，R4 为静压转台扇形油垫外侧封油边外径，φe为静压转台扇形油垫等效夹角，ρ为润滑油的密度，
计算预紧载荷F0：
S3：调整液压预紧油腔(7)内油压，使实际预紧载荷与计算预紧载荷F0相等。
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