李文鋒,杜彥亭,趙剛
(1.重慶交通科研設(shè)計(jì)院,重慶400067;2.西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院,陜西西安710049)
“精密數(shù)控車床”為“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)的子課題,其對數(shù)控車床的加工精度提出了微米級的要求。而靜壓導(dǎo)軌優(yōu)越的吸振能力能夠增強(qiáng)硬切削的功能和增加刀具的壽命,并能顯著改善車削圓度和表面粗糙度,能夠滿足機(jī)床工作臺(tái)的亞微米級重復(fù)定位精度及微進(jìn)給功能[1]。
常用普通數(shù)控機(jī)床的靜壓導(dǎo)軌多采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式,其油腔直接加工在導(dǎo)軌面上,文中研究的滑塊式導(dǎo)軌能夠解決油液回收,以及提高導(dǎo)軌可靠性、易加工性的問題,無疑能夠更好地滿足精密車床的要求。而結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理選擇,對靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)有較大影響,以前期靜壓導(dǎo)軌參數(shù)對性能影響的研究結(jié)果為基礎(chǔ)[2],能夠建立系統(tǒng)優(yōu)化模型以求解得到最佳設(shè)計(jì)參數(shù),同時(shí)基于FLUENT進(jìn)行流場數(shù)值計(jì)算,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),達(dá)到提高靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)整體性能的目的。
機(jī)床整體結(jié)構(gòu)采用斜床身斜滑板的結(jié)構(gòu)形式,文中以斜床身靜壓導(dǎo)軌為研究對象,研究精密機(jī)床設(shè)計(jì)條件下的靜壓導(dǎo)軌設(shè)計(jì)參數(shù),進(jìn)而設(shè)計(jì)新型的靜壓導(dǎo)軌,搭建靜壓導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)平臺(tái),研究導(dǎo)軌的性能。機(jī)床的具體的床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布置方案如圖1所示。
結(jié)合靜壓導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式與DLM系列精密車床的靜壓導(dǎo)軌工況及受載分析計(jì)算結(jié)果,確定精密車床的靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式如下[3]:
(1)由于存在較大的受載不均情況以及受傾覆力矩,采用閉式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu);
(2)結(jié)合導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)要求以及現(xiàn)有的技術(shù)經(jīng)驗(yàn),采用恒壓式靜壓導(dǎo)軌,節(jié)流器采用雙面反饋式薄膜節(jié)流器;
圖1 DLM精密車床整體結(jié)構(gòu)
(3)靜壓導(dǎo)軌的上下對置油腔采用不等面積油腔形式,平衡傾覆力矩及偏載,設(shè)計(jì)側(cè)面等面積油腔,以平衡水平方向側(cè)面受力;
(4)靜壓導(dǎo)軌的油腔形狀。導(dǎo)軌面的寬度較大,暫時(shí)選擇矩形油腔來進(jìn)行分析。
采用傳統(tǒng)的靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu),在應(yīng)對重載機(jī)床的時(shí)候可以較好地滿足要求,但是在以下幾個(gè)方面會(huì)有問題。首先是油液的回收問題,通常此種結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌需要設(shè)計(jì)回油槽,但是其回油油液長時(shí)間暴露于加工環(huán)境中,污染較大;其次是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不利于機(jī)床產(chǎn)品的批量化以及系列化生產(chǎn)。
針對這些問題,結(jié)合國外先進(jìn)產(chǎn)品,提出滑塊式靜壓導(dǎo)軌?;瑝K式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)如圖2所示,將傳統(tǒng)靜壓導(dǎo)軌設(shè)計(jì)成模塊化產(chǎn)品,可以單獨(dú)裝配到床身之上,每一個(gè)滑塊獨(dú)立供油。
圖2 滑塊式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)示意圖
導(dǎo)軌塊3各個(gè)面都與滑塊油腔形成15 μm厚度的油膜,所以各面都要求較高的加工精度,如果設(shè)計(jì)成整體結(jié)構(gòu),導(dǎo)軌的頂面和側(cè)面易于加工,而底面則難以保證與另外幾個(gè)面的平行度和垂直度。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,首先以頂面和右側(cè)面為加工基準(zhǔn)面,精磨另外幾個(gè)面,然后通過螺釘連接導(dǎo)軌塊3與導(dǎo)軌底座4,完成裝配之后,以其整體來進(jìn)行底座底部的裝配精磨加工,保證底座與頂面的平行度和與側(cè)面的垂直度。這樣設(shè)計(jì)既能夠保證加工工藝性,又能夠滿足精度要求。
導(dǎo)軌整體設(shè)計(jì)如圖3所示,利用螺紋3連接來固定連接導(dǎo)軌與機(jī)床床身,其上每隔固定距離設(shè)計(jì)螺紋連接,能夠保證其連接強(qiáng)度。
滑塊則通過精密連接螺紋孔4與機(jī)床溜板連接,保證溜板與滑塊穩(wěn)定連接。該新型滑塊式靜壓導(dǎo)軌,從結(jié)構(gòu)工藝性上面解決了加工精度難以保證的問題,其結(jié)構(gòu)簡單,便于制造,易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化生產(chǎn),該設(shè)計(jì)已申請相關(guān)專利。
圖3 滑塊式靜壓導(dǎo)軌裝配示意圖
確定導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)方案以后,根據(jù)導(dǎo)軌的工作性能要求,確定受載以及油腔尺寸、節(jié)流器參數(shù)等靜壓導(dǎo)軌設(shè)計(jì)參數(shù)[4]。
導(dǎo)軌的受載總計(jì)約4 000 N,結(jié)合導(dǎo)軌的性能要求,其設(shè)計(jì)指標(biāo)為:
導(dǎo)軌正壓剛度:1 300 N/μm;
油膜厚度:15 μm;
導(dǎo)軌側(cè)壓剛度:1 200 N/μm;
導(dǎo)軌拉壓剛度:1 000 N/μm;
導(dǎo)軌位移:<3 μm
溜板的運(yùn)動(dòng)加速度:1.5g
溜板最大運(yùn)動(dòng)速度vmax:42 m/min
切削力:F切=3 000 N,垂直X軸向下
根據(jù)靜壓支承設(shè)計(jì)理論,首先計(jì)算確定油腔參數(shù)、節(jié)流參數(shù)、流量參數(shù)等,進(jìn)而依據(jù)設(shè)計(jì)要求,進(jìn)行剛度驗(yàn)算,以確定設(shè)計(jì)導(dǎo)軌剛度足夠。經(jīng)過計(jì)算得到滑塊式靜壓導(dǎo)軌的油腔尺寸以及設(shè)計(jì)參數(shù)如表1、表2所示。
表1 油腔設(shè)計(jì)尺寸
表2 靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)參數(shù)
(1)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的選擇
靜壓導(dǎo)軌的基本設(shè)計(jì)參數(shù)主要是靜壓導(dǎo)軌的承載載荷、油腔尺寸、油膜厚度以及節(jié)流器參數(shù)等,承載載荷是根據(jù)實(shí)際工況來確定的,需要選擇確定的導(dǎo)軌基本參數(shù)為油膜厚度h0、供油壓力ps、油液黏度μ,其他參數(shù)可基于這3個(gè)參數(shù)及導(dǎo)軌工況計(jì)算確定[5]。所以靜壓導(dǎo)軌的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量主要為:
在所研究的系統(tǒng)中,根據(jù)前述的結(jié)果,實(shí)際上,導(dǎo)軌的油膜厚度h0與供油壓力ps是需要預(yù)先確定下來的參數(shù),然后根據(jù)確定的參數(shù)選擇油液黏度μ為設(shè)計(jì)變量。
(2)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)
靜壓導(dǎo)軌在實(shí)際工作中,所損耗的功率Nz主要包括油泵的輸出功率Np和油膜與導(dǎo)軌面間的摩擦功率Nf兩部分,液壓泵的輸出功率多消耗于壓力下流經(jīng)各管路以及間隙等損耗功率。則系統(tǒng)的液壓泵的輸出功率為:
式中:ps為供油壓力,MPa;
Q為靜壓導(dǎo)軌各個(gè)油腔的總流量與溢流閥等回流流量之和,L/min;
Kq為流量系數(shù),一般取1.52。
摩擦功率Nf用以克服油腔油膜在導(dǎo)軌移動(dòng)中的黏性阻力Ff,按照牛頓流體摩擦定理得:
式中:As為油腔四周的封油邊的面積,m2;
Ar為所開鑿的油腔的面積,m2;
ht為油腔深度,mm;
v為導(dǎo)軌滑動(dòng)最大速度,m/s。
則得到其摩擦損耗功率為:
綜上可得到靜壓導(dǎo)軌的總功耗為:
由于系統(tǒng)確定了供油壓力與油膜厚度值,故而據(jù)上所分析,靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為在確定的基礎(chǔ)參數(shù)下,系統(tǒng)的總的功率損耗最低,即為:
(3)約束條件
針對上述優(yōu)化問題,有以下等式約束條件和不等式約束條件:
①靜壓導(dǎo)軌供油壓力、油膜厚度、油腔尺寸及油腔深度已經(jīng)確定,油腔尺寸如圖4所示。
圖4 油腔設(shè)計(jì)尺寸示意圖
②靜壓導(dǎo)軌的滑動(dòng)的最大速度已經(jīng)確定,vmax= 0.7 m/s。
③靜壓導(dǎo)軌油液黏度范圍確定,選擇的液壓油的運(yùn)動(dòng)黏度應(yīng)當(dāng)從10、15、22、32、46、68、100這幾個(gè)等級中選取。
其約束條件為:
(4)優(yōu)化方法
由功率目標(biāo)函數(shù)可以得到,系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為求解一維目標(biāo)函數(shù)F(X)=(Nz)min的極小值問題,為線性規(guī)劃問題,采用一維搜索來進(jìn)行求解。優(yōu)化方法可以采用黃金分割法或者拋物線插值法進(jìn)行求解極小值,利用Matlab優(yōu)化工具箱,調(diào)用約束極值函數(shù)Fminbnd求解該系統(tǒng)的優(yōu)化問題[6]。
(5)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果及分析
利用Matlab優(yōu)化工具箱求解得到上述目標(biāo)函數(shù)的最低功耗值對應(yīng)的油液黏度為μ=0.109 75 Pa·s,據(jù)此選擇油液黏度μ=0.1 Pa·s的液壓油VG100。
優(yōu)化前與優(yōu)化后對應(yīng)系統(tǒng)的功耗對比如表所示。
表3 黏度優(yōu)化參數(shù)結(jié)果比較
在設(shè)計(jì)之初,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇VG46液壓油,但是經(jīng)過優(yōu)化之后可知選擇VG100液壓油后,靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)減少約30%的功率損耗,減小了發(fā)熱,能夠減緩液壓油因發(fā)熱而導(dǎo)致的油液變質(zhì)。
對于普通數(shù)控機(jī)床靜壓導(dǎo)軌,其油膜厚度約為3060 μm,油膜厚度足夠大,供油壓力較小。對于DLM系列精密車床的靜壓導(dǎo)軌,油膜厚度僅為15 μm,供油壓力達(dá)到約10 MPa,根據(jù)流體力學(xué)理論可以推測,油腔的內(nèi)部溫度較高,尤其在油腔邊與封油邊相交邊上,油液分子流速和壓力變化急劇,溫升較高。
根據(jù)文獻(xiàn),液壓油基礎(chǔ)油主要采用酯類油、聚α-烯烴和聚醚三類合成油,黏度越大,其分子量越大分子鏈越長。而油液的變質(zhì)主要是油液中混入外部顆粒物及氣體,以及內(nèi)部油溫上升和外力作用導(dǎo)致的分子鏈的斷裂,包括氧化和受到外力作用產(chǎn)生的分子鏈氧化斷裂。氧化變質(zhì)之后的油液會(huì)產(chǎn)生泥垢狀沉淀物,這是堵塞液壓系統(tǒng)元件的重要原因[7]。
對于油腔的直角截面,相當(dāng)于是在高溫高速高壓下,切割刀具作用于油液的分子鏈,加劇油液分子鏈的氧化斷裂,致使油液加速變質(zhì)[8]。
通過仿真研究矩形油腔內(nèi)部流場特點(diǎn),提出優(yōu)化方案優(yōu)化油腔結(jié)構(gòu),以改變油腔內(nèi)部流場特性,探討減緩油液變質(zhì)導(dǎo)致節(jié)流器堵塞問題的方法。
(1)矩形截面油腔流場分析
油腔為矩形油腔,如圖5所示。由于油腔截面對稱,建立二維模型就能夠分析油腔實(shí)際流場分布。利用流體力學(xué)仿真軟件FLUENT分析油腔的內(nèi)部流場,得到油腔內(nèi)部的壓力分布以及流速圖。
圖5 矩形油腔的結(jié)構(gòu)示意圖
為便于比較,仿真計(jì)算時(shí),進(jìn)油口壓力設(shè)為5 MPa,分別建立矩形油腔結(jié)構(gòu),油膜厚度為15 μm和0.2 mm油膜厚度的CFD分析模型,進(jìn)行仿真計(jì)算,圖7—8分別為對應(yīng)的油膜間隙的油腔內(nèi)部壓力分布及油液流速計(jì)算結(jié)果[9]。
圖6 油膜厚度0.2 mm的矩形截面油腔油液壓力和流速分布圖
圖7 油膜厚度15 μm的矩形截面油腔油液壓力和流速分布圖
圖8 油膜厚度15 μm的矩形截面油腔轉(zhuǎn)角處油液壓力和流速分布圖
由上述計(jì)算比較可得到以下結(jié)果:
①油膜厚度為0.2 mm油腔的最大流速較油膜厚度為15 μm的油腔大很多;
②15 μm油膜厚度的油腔內(nèi)部渦旋現(xiàn)象更嚴(yán)重;
③矩形截面油腔的四角處壓力出現(xiàn)畸變現(xiàn)象;
④矩形截面油腔兩側(cè)底角轉(zhuǎn)角處壓力急劇降低,流速急劇增大,兩側(cè)泄油間隙中,油壓逐漸減小,為平流層泄流。
從分析結(jié)果可以得知,矩形油腔的直角處的流速和壓力降都很大,而在油腔深度相同條件下,油液內(nèi)部流場渦旋現(xiàn)象隨著油膜厚度減小而增大,造成內(nèi)部油液的壓力脈動(dòng)和流速波動(dòng)都遠(yuǎn)高于較厚油膜厚度的油腔。
應(yīng)當(dāng)看到,在設(shè)計(jì)計(jì)算中,靜壓導(dǎo)軌的靜壓支承理論均假設(shè)導(dǎo)軌油腔內(nèi)部為層流的條件下來計(jì)算,但是現(xiàn)在分析其內(nèi)部有渦旋形成,其實(shí)際影響未可知。對于精密機(jī)床導(dǎo)軌而言,由于油膜厚度在微米級,所以應(yīng)當(dāng)考慮油腔內(nèi)部的渦旋現(xiàn)象對導(dǎo)軌精度是否會(huì)造成影響。盡管不清楚渦旋現(xiàn)象對導(dǎo)軌的實(shí)際影響,但是應(yīng)當(dāng)盡量減小渦旋現(xiàn)象,減小油液脈動(dòng)對導(dǎo)軌的影響。
同時(shí),油腔直角處的流速和壓力降都很大,長時(shí)間工作時(shí)此處溫升最高,其直角相當(dāng)于切割刀具,切割經(jīng)過此處的液壓油分子,加速油液變質(zhì)。
根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)知識(shí),分析造成渦旋的原因可能是矩形油腔內(nèi)部的幾個(gè)角處的結(jié)構(gòu)形狀。油液流線突然產(chǎn)生的轉(zhuǎn)折,使得液流流股急劇收縮,會(huì)出現(xiàn)局部分離和脫流,產(chǎn)生渦旋。所以設(shè)計(jì)中,應(yīng)當(dāng)采用流線過渡截面[10]。
綜合上述仿真結(jié)果,提出下面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。
(2)優(yōu)化截面油腔流場分析
根據(jù)矩形油腔流場分析結(jié)果,提出去掉油腔的幾個(gè)直角,同時(shí)能夠保證同樣的有效承載面積的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。對于靜壓導(dǎo)軌的油腔承載面積而言,只需要回油槽以及封油面的內(nèi)部尺寸相同,就具有相同的有效承載面積。
現(xiàn)提出二種截面優(yōu)化的油腔截面,如圖9所示,原直角油腔由圖中的二次曲線截面代替,同樣地,建立油膜厚度為15 μm和0.2 mm油膜厚度的CFD分析模型,以該截面來進(jìn)行流場分析,分析在5 MPa進(jìn)口壓力條件下的油腔壓力流速分布,其結(jié)果如圖10—12所示。
圖9 靜壓導(dǎo)軌兩種優(yōu)化油腔截面示意圖
此優(yōu)化的油腔壓力流速分布曲線與矩形截面相比,沒有了直角的切割作用,且內(nèi)部的液體壓力流速分布更為均勻,而且經(jīng)過優(yōu)化的結(jié)構(gòu),內(nèi)部渦旋現(xiàn)象程度減輕,油腔內(nèi)部流速,而且去掉其直角之后,油液被切割程度減輕,油液變質(zhì)問題得到一定程度的解決。而另外一種優(yōu)化截面油腔形狀如圖9中圖 (b)所示,由于有效承載面積僅僅在于封油邊尺寸和油腔腔體尺寸,所以優(yōu)化后的油腔有效承載面積不變,其CFD分析結(jié)果如圖13和圖14所示。
圖10 油膜厚度0.2 mm時(shí)第一種優(yōu)化油腔截面壓力和流速分布圖
圖11 油膜厚度15 μm時(shí)第一種優(yōu)化油腔截面壓力分布圖
圖12 油膜厚度15 μm時(shí)第一種優(yōu)化油腔截面流速分布圖
圖13 油膜厚度15 μm時(shí)第二種優(yōu)化油腔截面壓力分布圖
圖14 油膜厚度15 μm時(shí)第二種優(yōu)化油腔截面流速分布圖
比較此優(yōu)化油腔截面與前一種優(yōu)化油腔截面CFD計(jì)算結(jié)果可知,油腔內(nèi)部的渦旋現(xiàn)象得到了進(jìn)一步的減小,壓力分布基本均勻,液壓油內(nèi)部流動(dòng)減緩,油腔兩側(cè)的斜面一定程度上使得兩側(cè)的液流產(chǎn)生向油腔中心的擠壓作用,其內(nèi)部力和運(yùn)動(dòng)在一定程度上得到抵消。
上述油腔截面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,均去掉其轉(zhuǎn)角處的直角,減輕此處對油液分子鏈的切割作用,其內(nèi)部流速與優(yōu)化前大小基本相同,優(yōu)化沒有影響其內(nèi)部流速,僅是改變了其內(nèi)部的流場特性。
針對DLM系列精密數(shù)控車床的床身結(jié)構(gòu)及導(dǎo)軌受載特點(diǎn),設(shè)計(jì)滑塊式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu),應(yīng)用油環(huán)泵產(chǎn)生負(fù)壓解決油液回收與除氣泡的問題。設(shè)計(jì)的新型滑塊式靜壓導(dǎo)軌,解決了現(xiàn)有加工條件下導(dǎo)軌加工精度難以保證的問題。該新型滑塊式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)加工工藝性能良好,能夠滿足精密車床對導(dǎo)軌的性能要求,已申請相關(guān)專利[11]。而基于性能分析結(jié)果和新型滑塊式靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu),建立的基于最小功耗為目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化選擇的油液黏度參數(shù),提高了系統(tǒng)的靜態(tài)動(dòng)態(tài)性能,且使系統(tǒng)總功耗減少了約30%。
同時(shí),基于FLUENT進(jìn)行油腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究發(fā)現(xiàn),對于精密機(jī)床靜壓導(dǎo)軌,因其油膜間隙小,油液供油壓力大,油液溢出液阻大,現(xiàn)有矩形油腔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致油液流線突然發(fā)生轉(zhuǎn)折,油腔內(nèi)部壓力和流速分布不均,產(chǎn)生較大的渦旋現(xiàn)象,與靜壓支承理論的層流假設(shè)并不吻合,推測其可能對導(dǎo)軌精度產(chǎn)生影響,而基于流場分析結(jié)果提出的二種減小油腔內(nèi)部渦旋現(xiàn)象的結(jié)構(gòu),使油腔內(nèi)部流場更穩(wěn)定均勻,且減輕了油腔結(jié)構(gòu)對油液分子鏈的切割作用,減緩油液變質(zhì),提高了系統(tǒng)的可靠性。
【1】邱智湧.哈挺的靜壓導(dǎo)軌技術(shù)[J].現(xiàn)代零部件,2007 (7):34-35.
【2】李文鋒,杜彥亭,賈廣輝.精密數(shù)控車床靜壓導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2011,39(23):87-90.
【3】陳燕生.液體靜壓支承原理和設(shè)計(jì)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1980.
【4】龐志成.液體氣體靜壓技術(shù)[M].哈爾濱:黑龍江人民出版社,1981.
【5】許尚賢.液體靜壓和動(dòng)靜壓滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)[M].南京:東南大學(xué)出版社,1989.
【6】張毅.基于Matlab的汽輪機(jī)流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].軸承,2009(1):4-7.
【7】莫宇飛.全合成無灰抗磨液壓油的研制[D].南寧:廣西大學(xué),2006.
【8】張雪華.液壓系統(tǒng)污染的分析與對策[J].液壓與氣動(dòng),2003(9):59-61.
【9】李進(jìn)良.精通FLUENT 6.3流場分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.
【10】高殿榮.液壓技術(shù)中復(fù)雜流道流場的數(shù)值模擬與可視化研究[D].秦皇島:燕山大學(xué),2001.
【11】杜彥亭,李文鋒.一種組合結(jié)構(gòu)的精密機(jī)床靜壓導(dǎo)向裝置:中國,201010617390.9[P].2011-08-03.