张广为
沈阳机床（集团）有限责任公司 辽宁沈阳 110142
摘要：数控机床的导轨性能对数控机床的加工中心有着直接的影响，常规材料制造的机床导轨产生的动力学与热力学无法满足现代的高精度零件加工，为了提高数控机床的加工精准度，采用液体静压导轨并对导轨进行了改进。本文以某型号数控机床加工中心的液体静压导轨为研究对象，并对液体静压导轨进行了改进，通过合理的数据假设进行设计，从而增加数控机床加工的精准性。首先强化液体静态导轨的内部结构，其次对数控机床液体静压导轨的性能进行分析，最后针对液体静压导轨表面进行设计，将U-V形沟槽与V形沟槽进行减阻对比。实验模拟结果表明：液体静压导轨的静压变形最大值较小，导轨油垫进行了完善设计；U-V形沟槽在减阻上面有着显著的效果，可以有效地改善液体静压的综合性能，并对数控机床的导轨设计提供参考意见。
关键词：数控机床；液体静压导轨；结构设计
引文：随着现代化发展越来越快，人们对生活和工作的现代化产品要求越来越便利，导致现在产品的做工需要更加精密，因此各行各业对精密数据机床的需求更加地迫切。在这样的大环境下，我国科研人员研究出了具有独立产权的精密数控机床，并以此为基础进行了改进和完善，本文以液体静态导轨作为研究对象，通过对导轨的改进提高切削功能与刀具的寿命，并在导体表面进行了合理的设计和完善，采用对比手段进行对照，得出最佳的液体静态导轨设计方案，从而提高数控机床中心加工技术的精准性，为推进现代化科技发展奠定基础[1]。
1液体静压导轨的分析与结构设计
1.1液体静压导轨分析
液体静压导轨是一种卧式加工中心，其导轨表面能有效地减阻。图1显示了卧式加工中心的结构图。在机床加工时，采用液体静压导轨对立柱进行支撑、固定和引导，以减少立柱和床身之间的摩擦，从而传导刀具与工件的作用力，使数控机床加工更加的精准[2]。
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例如，在一个经典的车床加工过程中，其主要的加工程序中：切削量 f=0.5mm/r，则切削速度 vc=150 m/min，其它的参数都是通过参考相关的设计手册得到的。切削力Fc，背向力Fp，切削力Ff计算公式如下：Fc=9.81;Fp=9.81;=9.81；在公式中、、分别表示加工条件系数，xFc、xFp、xFf表示刀具材料；yFc、yFp、yFf代表加工形式；nF、nFp、nFf代表切削力的影响指数、背向力影响指数与进给力的影响指数；KFc、KFp、KFf代表各种因素的修正系数。在经过计算得到Fc=2799.1N，Fp=671.77N，Ff=1074.9N。液体静压导轨的重量月8000N，立体柱的重量为17500N，其液体静压导轨承受的总重量为25500N，进给液静压力Ff=1074.9N。体液静压导轨的受力如图2[3]。
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1.2液体静压导轨油垫结构设计。
根据水平加工中心的正常使用，对液静压导轨的结构进行了改进，使整个机床在加工过程中，液静压导轨产生的压力大于导轨所承受的负荷，从而导致导轨升降、导轨油膜形成，从而使矩形平面油垫具有较高的稳定性，并具有较大的静态刚性，可承受一定的倾覆负荷，因此在液静压导轨上采用双向矩形平面油垫，如图3[4]。
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在满足上述条件后，为了求解矩形油垫的液阻，需要满足一下公式条件：，h油膜厚度取30m，液压油密度取8.58,a流量系数取0.65；液压油动力粘度取5.75。在经过计算得出大于0.41mm，因此小孔节流器的孔径取0.5mm。为了验证参数设计精准性，采用对比法，将计算得到的数值与标准数值作比较，标准液阻比为。液阻比值计算公式为；在经过计算得出=0.691，液阻比值比较接近标准值，这有效的证明设计的合理[5]。
2液体静压导轨的特性
2.1液体静压导轨的主要性能参数
在分析液体静压导轨在工作时的特性，应从静态特性与动态特性出发，静态液压导轨的静态特性，即导轨在稳定状态下的物理特性，主要分析静压导轨的刚度、静压导轨的承载能力与静液体流量。当油膜厚度一定时，液体静压导轨能够承受外部负载的能力，对液体静压导轨内部压力差积分的计算公式为，为液体静压导轨的承载能力，A是液体静压导轨的油膜外表面的区域面积，p是油膜压力，为空气压力。当液体静压导轨的承载能力随着导轨油膜厚度变化而产生变化，这种变化被称为液体静压导轨的刚度，而液体静压导轨承载能力的变化量与油膜变化量的比值是刚度计算公式，K0为静刚度，、为外载作用下不同厚度油膜承载能力，与为外载作用下不同厚度油膜厚度。在液体静态导轨正常运行状态下，导轨上的润滑油消耗称为流量。目前，流量有两种形式，即体积流量和质量流量，其中质量流量是比较常见的分析方法。积分流体进口或出口的流速可获得润滑油的流量，其计算公式如下：,在公式中，Q代表的是润滑油的流量，p代表的是润滑油的密度，v代表润滑油的流速，A代表流出边界的面积。液体静压导轨在动态特性时受到外在作用，液体静压导轨运动部件不能瞬间改变，平衡位置也不能立即改变，这需要一定时间地进行内部调整，在调整的过程中以导轨动力学与液体静压稳定性等。液体静压导轨的动态特性对机床的工作的稳定性和精准度有着直接的影响。液体静态导轨的动态特征和静态相比有两个方面的不同，即刚度和阻尼。刚度是受外力的变化而产生的变化，这个变化是静态导轨的承受能力。阻尼是由润滑液粘度在液体内部速度梯度以及液体相对于壁面的速度而引起的能量损失和减振[6]。
2.2液体静压导轨的结构模型
液体静压导轨结构形式分为开式静压导轨和闭式静压导轨，本文采用的计算模型是数控机床的静压导轨的开式静压导轨，在不考虑负载与热效应的情况下建立物理模型，由于油腔内部润滑油的油膜比封油外边的油膜厚度大，故而采用恒流静压导轨系统（图4），用牛顿流体进行计算[7]。
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上图为开式液体静压导轨系统，在图中可以看到油罐内的润滑剂通过油泵流经节流器到导轨的油腔，形成抗压外力压力油膜，由于油泵持续供油，润滑剂通过封油侧流经溢流阀流回油箱（图5）[8]。
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3 液体静压导轨优化设计
3.1 液体静压导轨减阻微结构计算区域设计
为避免减阻微结构对油膜的影响，减阻微结构距矩形油垫2 mm处加减阻微结构后导轨面仍为光滑面。由于微细结构的加工成本和导轨宽度较高，因此在液体静压导轨上加工一长6 mm的微细结构前后各有一长3 mm的缓冲区，最后计算出2.5 mm×12 mm的微细结构，建立了减阻模型。图6显示了一种 V型沟槽微结构的计算区域。
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采用 ICEMCFD对减阻模型进行网格化划分，在微结构上进行网格化细化，保证了模型的正确性。因为油膜为30微米，而减阻微结构只有6微米长，因此要用宏观流体力学分析模型来分析减阻微结构，就必须保证 Knusen数<0.001，即
，在中，为分子平均程，与a与m分别代表液压油粘性系数与运动粘度与相对粘性质量；和k分别代表圆周率和玻尔兹曼常数；H和T分别代表单个微结构的深度与温度。经过精准地计算得出H＞1.29μm才能有效的使用流体力学来减阻微结构。
3.2 减阻微结构的性能分析
在液体静压导轨的使用中,V形沟槽的降阻效果最好，但是出口压力较大，U形沟槽的降阻效果一般，但是入口压力值较小，因此在结合两个沟槽的优点设计出U-V性沟槽，其形状如图7所示。其U-V形沟槽的入口深度为5μm，之后的每个V形沟槽的深度为10μm，V形沟槽的宽度为15μm，使U-V形沟槽在液体静压导轨上的减阻效果比V形导轨的减阻效果更好。
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在液体静压导轨的减阻跟导轨的总压力成正比，压力越小其通道内阻力越小，因为通道的总压力的计算从进出口压力计算出发，因此应该做出合理的降压措施，在进出口作出合理的设计。在公式中，、、、分别是液体静压导轨中的通道总压力、进口压力、出口压力、光滑通道内的总压降。而代表减阻率，通过计算越大其减阻效果越好。在采用 ANSYSCFX软件对U-V型沟槽、 V型沟槽、无沟(光滑槽槽)区域进行了求解，得到了如图8所示的压力分布云图。
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从图8可以看出，U-V在降压小于V形和无沟槽。在液体静压导轨中降压和减阻率如表1所示，从表1中可以看出U-V形沟槽的减阻率大于V形和无沟槽，这表明U-V形具有良好的减阻效果，因此在设计液体静态导轨时应该以U-V形为基础。
表1 微结构区域的压降和减阻率对比
微结构 无 V形沟槽 U-V形沟槽
压降/Pa 1.91 1.83 1.37
减阻率/% 0.0 4.1 28.2
结束语：数控机床的导轨采用内嵌钢结构的液体静压导轨，并对其表面进行了减阻设计，使数控机床导轨的各方面性能得到了大幅度的提高，在上诉仿真实验中得出了相应的结论，外在条件相同的情况下，液体静态导轨的稳定性和刚度更好，其双层油垫带来良好的热能，可以极大的减少温差引起的导轨变形，从而有效的提高数控机床的精准度，其次U-V形沟槽的导轨设计可以大幅的减阻，减阻率具体数值为28.2%，他结合了U与V形两种导轨设计的优点，可有效降低滑块与导轨之间的阻力，提高液体静压导轨的综合性能，并对数控机床加工的精准度有着良好的提升，希望本次研究对今后的液体静态导轨完善起着参考作用。
参考文献：
[1] 董甫豹. 数控机床静压导轨油膜厚度控制建模方法研究[D]. 安徽工程大学, 2017.
[2] 赵建华, 高殿荣, 毋少峰,等. 重型数控机床液体静压导轨性能测试液压试验台:, CN106015134B[P]. 2017.
[3] 刘佳源. 液体静压导轨静动态特性研究[D]. 西安理工大学, 2020.
[4] 武鹏飞. 闭式液体静压导轨设计研究[J]. 液压气动与密封, 2018, 038(007):23-25,28.
[5] 刘震, 刘强, 周富林,等. 基于UMAC的液体静压导轨定位精度补偿技术研究[J]. 机械, 2018, 045(007):72-76.
[6] 董凤阳. 一种数控机床静压导轨:, CN209078262U[P]. 2019.
[7] 吴斌, 陈亚兴, 牛成诚,等. 一种超精密车床用液体静压导轨: CN, CN2082655 U[P]. 2017.
[8] 武鹏飞, 高峰, 李艳. 液体静压导轨初始液阻比的最优设计分析[J]. 机床与液压, 2019, 047(007):76-79.
作者简介：张广为（1983.12）,男,汉,全日制工学学士,工程师,沈阳机床（集团）有限责任公司,精密加工与测试,110142