CN112091648A - 一种具有气体静压卸荷功能的气液混合式导轨系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有气体静压卸荷功能的气液混合式导轨系统，以间歇供油滑动导轨为基础，在滑台导轨面上纵向分割出在两个区域，内区为油膜区，外区为气垫区，油膜区与气垫区的交界处沿运动方向开设有溢散槽，溢散槽将油膜区与气垫区隔开，工作时，在油膜区加入润滑油，形成常压油膜，在气垫区通入压力气体，形成气垫，并设定气体产生的静压力始终小于负载的重力。本发明具有减少摩擦阻力，降低驱动功率的效果，同时能够消除爬行现象，以改善表面质量，提高加工精度，由于减轻了滑台和滑台导轨结合面的摩擦，导轨寿命明显延长，相较于静压导轨，本发明的导轨系统结构更加简单，成本更低，经济效应显著，适用于大规模的推广使用。

Description

一种具有气体静压卸荷功能的气液混合式导轨系统

技术领域

本发明涉及机床设备的技术领域，尤其是涉及一种具有气体静压卸荷功能的气液混合式导轨系统。

背景技术

机床导轨作为机床的基础件之一，在各类机床上有着广泛的应用，机床导轨的形式也是多种多样的，滑动导轨作为一种基础的机床导轨，目前在各类机床上依然有着广泛的应用，由于滑动导轨属于金属对金属式，滑台和导轨之间的静摩擦系数大，同时动摩擦系数也会随着推进速度变化而变化，尤其是在低速重载时，极容易产生爬行现象，严重影响加工精度。

滑动导轨的润滑方式主要包括流体润滑和边界润滑，流体润滑是指摩擦表面物理吸附分子形成薄膜完全隔开摩擦表面并承担负载的润滑方式，边界润滑是指摩擦表面由物理吸附膜（比如油膜）和化学反应膜（比如氧化膜）隔开摩擦表面的润滑方式。

由于表面粗糙度、变形及负载值等因素，纯流体润滑的工况很少，多数滑动导轨的润滑方式都属于边界润滑，同时在机床实际生产加工的过程中，纯流体润滑并不全是优点，由于阻力极小，反而使得运动方向的振动不被抑制甚至被放大，极容易在加工零件的表面产生振纹。

在滑动导轨使用的过程中，为了提高导轨的耐磨性，改善摩擦特性，减轻爬行现象，可选用合适的导轨材料、热处理等方式，传统的是采用常压滴油的润滑方式，通过油泵间断向滑台和导轨的结合面之间注入润滑油，以此降低摩擦系数，减轻爬行现象，这种润滑方式属于典型的边界润滑，但受到推进位移，负载及推进速度等众多因素的影响，供油间隔和供油量难以控制，从而导致在实际使用中，依然存在较大的摩擦阻力，爬行现象和使用寿命低的缺点难以克服，特别是在重型机床上，这些缺点体现尤为明显。

因此在中大型机床上，为进一步减少运动部件之间的摩擦，一般都采用静压导轨结构，现有的静压导轨结构按结构形式主要分为开式静压导轨和闭式静压导轨，按供油情况可分为恒压供油静压导轨和恒流供油静压导轨，其工作原理都是由油泵提供高压油，经节流阀后进入油腔，利用油的压力使两个结合面之间保持纯液体摩擦，利用较高的油膜刚度和高精度的油垫支撑来保证导轨具有良好的运动精度，静压导轨有着摩擦系数小，效率高，工作运动平稳，不易出现爬行现象的优点，同时长期使用无磨损，显著的提高导轨的使用寿命，但同时，在实际使用过程中，静压导轨存在以下几个方面的缺陷：第一，静压导轨的结构复杂，需要在机床上单独增加一套完整的供油系统，其使用成本和后期维护成本较高，不适合大规模推广使用；第二，静压轨道对使用的润滑油的品质要求较高，增加了使用成本，同时在两部件的结合面之间形成的油膜厚度难以控制，受到油品粘度的影响，在运转启动的初期是没有油膜行程的，即冷启动干磨状态，当达到相对速度后，才可在结合面上形成油膜；第三，静压导轨依然采用的是间歇式供油的方式，容易造成油压不稳定的问题，导致导轨各处的油压高低不等。

目前在一些高精度的小型机床上，会使用到气轨作为机床导轨，气轨是一种高精密的仪器，其原理是利用小型气源将压缩空气送入导轨内腔，空气再由导轨表面上的小孔喷出，在导轨表面和滑行器内表面之间形成很薄的气垫层，滑行器悬浮在气垫层上，与导轨面脱离接触，滑行器几乎可以在导轨面上做无阻力的直线运动，极大的减少了导轨和滑行器之间的摩擦，但气轨的结构精密，造价高，使用环境和要求严格，严禁碰撞、重压，以免导致轨道变形，影响使用，同时目前气轨难以克服的问题是气轨只能呈承受重量较低的负载，加工重量较轻的工件，这也直接导致了气轨难以在大中型的机床上应用。

发明内容

针对以上现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种具有气体静压卸荷功能的气液混合式导轨系统，该导轨的应用能够有效地减小摩擦阻力，降低驱动功率，从而降低能耗，同时能够大幅度减轻导轨和滑台结合面之间的摩擦，以改善表面质量，消除爬行现象，提高加工精度，由于大幅度减轻结合面之间的摩擦，导轨的使用寿命也得到大的提高。相对于普通滑动导轨，本发明的导轨和滑台的直接接触面积小，明显地减小摩擦阻力，相对于动、静压导轨，本发明的导轨形成油膜更薄更稳定，同时结构更加简单，不需要安装节流器，成本低调整也更加方便，相对于气轨，本发明的导轨在保证加工精度的情况下能够承受更大的负载，能够广泛的运用在大中型机床上。本发明的润滑方式最终是在滑台和滑台导轨结合面之间形成一种介于常压润滑和纯流体润滑之间的润滑形式。

本发明的上述发明目的之一是通过以下技术方案得以实现的：

一种具有气体静压卸荷功能的气液混合式导轨系统，包括供油机构、供气机构和导轨机构，其特征在于：

导轨机构包括滑台和滑台导轨，滑台位于滑台导轨上方且滑台和滑台导轨滑动连接，滑台导轨与滑台的结合面沿运动方向分为内外两个区，内区为油膜区，外区为气垫区，油膜区的滑台导轨面上开设有油槽，油膜区的两端对称开设有油孔，气垫区的滑台导轨面上开设有气槽，气垫区的两端对称开设有进气孔，油膜区与气垫区的交界处沿运动方向开设有溢散槽，溢散槽将油膜区与气垫区隔开；

供油机构为间歇式供油机构，供油机构与油膜区的油孔相连通，以向油膜区的油槽中注油；

供气机构包括气泵和进气管，供气机构通过进气管与气垫区的进气孔连通，以向气垫区的气槽中压入气体。

通过采用上述技术方案，工作时，供油机构向油膜区的油槽中注入常压润滑油，同时供气机构向气垫区中通入气体，在油膜区形成油膜，气垫区形成气垫，通过溢散槽将油膜区和气垫区隔离，防止润滑油和气体相互交叉污染，之后机床先空载运行，待形成稳定的油膜和气垫后，将工件固定在滑台上进行加工即可。相对于普通滑轨，通过气垫的压力能够抵消负载的部分重力，从而减小滑台滑动时的阻力，有效地的消除爬行现象，同时由于滑台运行的阻力减少，驱动功率能够减小，降低能耗，导轨的使用寿命也得到了明显的提高，相对于动压、静压导轨,滑台和滑台导轨的结合面处形成的油膜更薄更稳定，阻尼更大，有利于提高加工精度，尤其是结构更加简单，不设节流器和流体回收装置，大大降低了成本，后期的维护保养也更加方便。

进一步地，油槽为连通密封的网格状油槽，气槽为相互连通的环状密封气槽，网格状的油槽有利于润滑油快速流动，能够迅速在油膜区中形成油膜，环状的密封气槽能够使压入气垫区的气体分布的更加均匀，使气垫各处的气体产生的静压力一致。

进一步地，供气机构为可调压式供气机构，气槽中气体产生的静压力始终小于滑台和工件的总重力，通过调节气体的压力，从而改变抵消的负载重力，继而改变油膜厚度，最终实现调节导轨摩擦副阻尼的作用，能够提高加工精度，设定气体产生的静压力始终小于滑台和工件的总重力，从而实现形成的气垫厚度始终小于形成的油膜厚度，防止气压过大将负载完全托起，使油膜失去作用。

进一步地，气垫区上设有与溢散槽相连通的防尘槽，防尘槽的内端与溢散槽连通且防尘槽与溢散槽连接处的转角为90度，防尘槽设有三条，分别位于溢散槽的两端和中部，溢散槽和防尘槽中的压力气体能够防止微小颗粒进入到结合面中，减轻结合面的磨损，延长导轨的使用寿命。

进一步地，气槽中压入的气体内添加润滑油，润滑油通过气体以雾状的形式进入到气槽中，能够进一步起到润滑作用，减轻结合面之间的摩擦。

进一步地，该导轨系统在卸荷时包括以下步骤：

S1,启动油泵向油膜区的油槽中注入润滑油，同时启动气泵，向气垫区的气槽中通入压缩气体，根据工件和滑台的总重力，调节通入气体的压力，保证气槽中气体产生的静压力始终小于滑台和工件的总重力；

S2,机床进行空载运行，在油膜区逐渐形成稳定的油膜，气垫区形成一层薄的气垫；

S3,待S2中油膜和气垫的状态稳定后，将工件固定在滑台上，之后驱动丝杠推进滑台开始进行工件的加工。

综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

1.本发明的气液混合式导轨系统采用是在不改变普通滑动导轨摩擦性质的前提下，引入压力气体，形成混合润滑改善导轨性能的方法，将导轨平面沿运动方向划分为油膜区和气垫区，油膜区和气垫区工作时互不干扰，区别于常用润滑，由于气垫产生的静压力，即气垫的卸荷作用，能够抵消部分负载的重力，同时能够减少滑台和滑台导轨面的直接接触面积，从而减少摩擦阻力，降低驱动功率和能耗，同时由于减轻了结合面之间的摩擦，大大延长了导轨的使用寿命，不同于动压、静压润滑，其结合面形成的油膜更薄更稳定，阻尼更大，消除了纯流体润滑过程中运动方向的振动不被抑制反而放大的缺陷，有利于提高加工精度，尤其是结构简单，使用成本和维护成本远低动压、静压导轨，经济效果明显；

2.通过溢散槽和防尘槽的相互配合，能够防止微小颗粒进入摩擦面，减少滑台和滑台导轨结合面的磨损，延长导轨的使用寿命，同时在压入气垫区的气体中加入润滑剂，能够进一步的提高润滑效果，减轻摩擦。

附图说明

图1是滑台导轨的俯视图；

图2是凸显滑台导轨上油膜区和气垫区结构的局部放大示意图；

图3是凸显润滑方式的滑台和滑台导轨的剖面示意图；

图4是滑台和滑台导轨结合面的放大示意图。

图中，1、供油机构；2、供气机构；3、导轨机构；4、滑台；5、滑台导轨；6、油膜区；7、气垫区；8、油槽；9、油孔；10、气槽；11、进气孔；12、溢散槽；13、防尘槽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1-4所示，一种具有气体静压卸荷功能的气液混合式导轨系统，包括供油机构1、供气机构2和导轨机构3，本发明是以间歇式供油滑动导轨为基础，简化供油机构1，增设供气机构2和对滑台导轨5的端面进行改进，形成一种气液混合式导轨系统。

导轨机构3包括滑台4和滑台导轨5，滑台导轨5为凹字形的导轨体，滑台导轨5设有两条，两条滑台导轨5固定安装在机床上且两条滑台导轨5平行，滑台4横架在滑台导轨5上方且滑台4下端对应安装在滑台导轨5中，滑台4与滑台导轨5滑动连接，滑台导轨5的端面沿滑台4运动方向分为两个纵向区，内区为油膜区6，外区为气垫区7，油膜区6与气垫区7之间设有溢散槽12，溢散槽12向滑台导轨5内部凹陷，通过溢散槽12将油膜区6和气垫区7分隔开，同时溢散槽12将气垫区7中泄露的气体排出，保证无气体进入油膜区6，以免影响油膜区6的润滑作用，在油膜区6上开设有油槽8，油槽8为内部相互连通的网格状密封油槽，油膜区6的沿长度方向开设有对称的油孔9，油孔9位于网格状油槽8的内部，在气垫区7上开设有气槽10，气槽10为内部相互连通的环状密封气槽，气垫区7沿长度方向开设有对称的进气孔11，进气孔11与气槽10相连通。

供油机构1为间歇式供油机构，供油机构1包括油泵，油腔和油管，供油机构1通过油管与油膜区6的油孔9连通，通过供油机构1间隙向油膜区6的油槽8中注油，相对于静压导轨，供油机构1不设节流器和流体回收装置，直接注入常压油，结构简单，调整维护更加的方便，同时降低了成本。

供气机构2为可调压式供气机构，包括气泵、气管和气体压力调节阀，供气机构2通过气管与气垫区7的进气孔11相连通，向气垫区7中压入不同压力的气体，同时在压气垫区7的气体中加入润滑油，使润滑油以雾状的形式进入到气垫区7中，能够进一步的降低滑台4和滑台导轨5结合面的摩擦，提升润滑效果，通过调节气体压力能够改变抵消的负载重力的大小，从而改变油膜厚度，最终实现调节导轨摩擦副阻尼大小。

工作时，油膜区6的油膜和气垫区7的气垫相互配合，对滑台导轨5上的负载起到卸荷润滑的作用，首先在油膜区6中加入润滑油，在油膜区6形成常压的油膜，同时向气垫区7中通入压力气体，根据滑台4和工件的总重力调节气体压力，设定气体产生静压力小于滑台4和工件的总重力，在气垫区7形成气垫，气垫的厚度略小于油膜的厚度，待机床空运建立稳定的油膜和气垫后，将工件固定在滑台4上，形成的气垫虽不能完全托起负载，但相对普通滑动导轨而言，气垫能够起到良好的卸荷作用，能够抵消负载的部分重力，从而使得滑台4和滑台导轨5的直接接触面积减小，以减小摩擦阻力，降低电机驱动功率，从而减少能耗，相对于静压导轨而言，结合面之间形成的油膜和气垫虽无法形成纯流体润滑状态，但该导轨系统的结构更为简单，成本远低于静压导轨，同时由于气垫的卸荷作用，能够以更小的油膜厚度实现同等的润滑作用，从而使得阻尼加大，有效地避免了静压导轨中纯流体润滑方式中容易产生振纹的缺陷。

气垫区7上开设有与溢散槽12相连通的防尘槽13，防尘槽13的内端与溢散槽12相连通，防尘槽13设有三条，各防尘槽13均与溢散槽12连通处的转角为90度，防尘槽13分别设置于溢散槽12的两端部和中部，压力气体通过溢散槽12进入到防尘槽13中，形成保护气膜，防止加工过程中产生的切削颗粒及空气中的灰尘进入到滑台4和滑台导轨5的结合面，进一步的减轻结合面的磨损。

本发明的气液混合式导轨系统进行负载量的检测，检测结果如下表，

由上表的检测结构得出，本发明的气液混合式导轨系统能够显著地抵消负载的部分重力，具体表现为气浮通气前人力无法盘动驱动丝杠，气浮通气后人力轻松盘动驱动丝杠，检测驱动电流，功率减少。微进给加工操作，表面质量提高，刀具损耗减少。滑台往复运动设定长度后验看导轨面，油膜均匀，以滤纸擦拭设定长度，在显微镜下计量颗粒物数量，颗粒物数量减少。

本实施例的实施原理为：以普通的间歇式供油滑动导轨为基础，对滑台导轨5的端面进行改造和增加可调压式的供气机构2，将滑台导轨5的端面沿运动方向分为纵向的两个区，分别为油膜区6和气垫区7，同时油膜区6和气垫区7之间设置有溢散槽12，避免油膜区6和气垫区7的气体和润滑油交叉污染，工作时，在油膜区6形成油膜，气垫区7形成气垫，并调节通入气体压力，保证通入气体产生的静压力小于负载的重力，待机床空载运行形成稳定的油膜和气垫后，将工件固定在滑台4上进行加工即可，多余的气体通过溢散槽12排出，避免进入油膜区6中对油膜产生干扰。相对于普通导轨而言，气垫区的气体产生静压力能够抵消负载的部分重力，起到卸荷作用，使得滑台导轨5和滑台4的接触面减少，直接表现为摩擦阻力减小，从而能够有效地降低驱动功率，降低能耗，相对于静压导轨而言，本发明的导轨系统虽仍然属于边界润滑的方式，但由于气垫的卸荷作用，其形成的油膜厚度更薄，阻尼更大，而结构更加简单，使用成本和维护成本远低于静压导轨。本发明的导轨系统的润滑方法实际上是在不改变普通滑动导轨摩擦性质的前提下，引入压力气体，形成混合润滑改善导轨性能的方法。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有气体静压卸荷功能的气液混合式导轨系统，包括供油机构(1)、供气机构(2)和导轨机构(3)，其特征在于：

导轨机构(3)包括滑台(4)和滑台导轨(5)，滑台(4)位于滑台导轨(5)上方且滑台(4)和滑台导轨(5)滑动连接，所述滑台导轨(5)与滑台(4)的结合面沿运动方向分为内外两个区，内区为油膜区(6)，外区为气垫区(7)，所述油膜区(6)的滑台导轨(5)面上开设有油槽(8)，油膜区(6)的两端对称开设有油孔(9)，所述气垫区(7)的滑台导轨(5)面上开设有气槽(10)，气垫区(7)的两端对称开设有进气孔(11)，所述油膜区(6)与气垫区(7)的交界处沿运动方向开设有溢散槽(12)，溢散槽(12)将油膜区(6)与气垫区(7)隔开；

供油机构(1)为间歇式供油机构，供油机构(1)与油膜区(6)的油孔(9)相连通，以向油膜区(6)的油槽(8)中注油；

供气机构(2)包括气泵和进气管，供气机构(2)通过进气管与气垫区(7)的进气孔(11)连通，以向气垫区(7)的气槽(10)中压入气体。

2.根据权利要求1所述的一种具有气体静压卸荷功能的气液混合式导轨系统，其特征在于：所述油槽(8)为连通密封的网格状油槽，所述气槽(10)为相互连通的环状密封气槽。

3.根据权利要求1所述的一种具有气体静压卸荷功能的气液混合式导轨系统，其特征在于：所述供气机构(2)为可调压式供气机构，气槽(10)中气体产生的静压力始终小于滑台(4)和工件的总重力。

4.根据权利要求2所述的一种具有气体静压卸荷功能的气液混合式导轨系统，其特征在于：所述气垫区(7)上设有与溢散槽(12)相连通的防尘槽(13)，防尘槽(13)的内端与溢散槽(12)连通且防尘槽(13)与溢散槽(12)连接处的转角为90度，防尘槽(13)设有三条，分别位于溢散槽(12)的两端和中部。

5.根据权利要求3所述的一种具有气体静压卸荷功能的气液混合式导轨系统，其特征在于：气槽(10)中压入的气体内添加润滑油，润滑油通过气体以雾状的形式进入到气槽(10)中。

6.根据权利要求1所述的一种具有气体静压卸荷功能的气液混合式导轨系统，其特征在于：该导轨系统在卸荷时包括以下步骤：

S1,启动油泵向油膜区(6)的油槽(8)中注入润滑油，同时启动气泵，向气垫区(7)的气槽(10)中通入压缩气体，根据工件和滑台(4)的总重力，调节通入气体的压力，保证气槽(10)中气体产生的静压力始终小于滑台(4)和工件的总重力；

S2,机床进行空载运行，在油膜区(6)逐渐形成稳定的油膜，气垫区(7)形成一层薄的气垫；

S3,待S2中油膜和气垫的状态稳定后，将工件固定在滑台(4)上，之后驱动丝杠推进滑台(4)开始进行工件的加工。

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