四川長征機床集團有限公司生產(chǎn)的首臺GLDC4000 動梁龍門移動復合加工中心為重型機床，其滑板靜壓導軌采用的是黃銅導軌板結構，在實際加工及裝配調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)黃銅導軌板加工復雜，刮研工作量大；滑板反復吊裝困難；生產(chǎn)周期長等問題。于是在接下來的GLF4000 雙龍門加工中心設計中，決定將滑板靜壓導軌結構改進設計為耐磨涂層和貼塑相結合的方式。
導軌耐磨涂層是以環(huán)氧樹脂和二硫化鉬為基體，加入增塑劑，混合成液狀或膏狀為一組份和固化劑為另一組份的雙組分塑料涂層。為增加耐磨涂層的接觸面積，需將動導軌面進行粗加工，一般用梳刨刀在接觸面加工出鋸齒形。減磨涂層具有以下特點：
（1）復印成型，精度好；
（2）制造周期短；
（3）良好的摩擦性，摩擦系數(shù)成正斜率——防爬行好；
（4）耐磨性好，摩擦副合理，軟硬相配，抗擦傷性好；
（5）涂層與金屬的結合力強，附著性好；
（6）良好的加工性，可經(jīng)車、銑、刨、鉆、磨削和刮削。
導軌貼塑是將聚四氟乙烯導軌軟帶等特制的復合工程塑料帶直接粘貼在動導軌上，動導軌在貼塑前貼合面須精加工平整，以使貼塑帶與導軌粘貼更好。導軌貼塑具有以下特點：
（1）摩擦性能好；
（2）耐磨特性好；
（3）減振性好；
（4）工藝性能好。
1 改進方案
滑板底部承重面黃銅導軌板及一邊內(nèi)側面定位黃銅導軌板不起調(diào)整作用，與滑板是固定連接在一起的，故這幾處的黃銅導軌板可以去掉，在相應位置采用減磨涂層替代，而側面的鑲條黃銅導軌板及背面的扣壓黃銅導軌板因需要調(diào)整間隙，相對于滑板來說需要能夠移動調(diào)整，以使導軌間隙達到最佳要求，故這幾處的黃銅導軌板改為鑄鐵板貼塑的方式（如圖1、圖2 所示）。這樣改進的好處是減少了刮研量和反復起吊滑板的工作量。滑板底部承重面和內(nèi)側定位面減磨涂層一次成型，若成型得好，幾乎不用刮研（即時局部需再刮研也是很少的刮研量），尤其是滑板底部承重面接觸面積大，采用黃銅導軌板刮研量相當大，且刮研時需吊起滑板。外側調(diào)整鑲條和背面扣壓板改為貼塑之后，也使得刮研工作強度大大降低，塑料刮研比起銅板刮研要輕松許多。
2 導軌減磨涂層的工藝
（1）導軌涂層的工件制備：在涂敷前將滑板需涂層的導軌面進行粗加工，用梳刨刀在基面加工出（圖3）所示的形式，兩側留有支撐邊，支撐邊用以承受滑板壓合時支撐重力的作用和控制涂層厚度的作用；床身導軌精加工好后，將其水平調(diào)整到裝配精度要求，并將床身與地腳固定好。
（2）涂層前工件的清洗及準備：將加工好的滑板導軌面去除毛刺，并用清洗劑（如丙酮）清洗滑板和床身導軌面上的污物，清洗至擦不出任何污物為止。然后在床身導軌上涂敷1%的脫模劑（如有機玻璃丙酮溶液），要求涂敷均勻光整。在床身和滑板上涂層有可能溢到的地方也涂上脫模劑，但切忌將脫模劑涂到滑板待涂層的面上。
（3）涂層施工與定位：計算需要涂層的體積，以此確定出涂層用量，并將涂層料按一定比例混合并調(diào)和均勻。將滑板吊至地面并使其導軌面朝上。逐層用減磨涂料涂敷到導軌面上，涂層的兩端要高出支撐邊約0.5 mm，涂層應刷成微弧型面，以便于壓緊時涂層的流淌（如圖4 所示）。控制壓合前涂料的時間不超過1 小時。減磨涂層涂好后，在滑板承重面的支撐邊和內(nèi)側定位面支撐邊均布放置1 mm 厚等高塊（如圖5 所示），可以用粘結劑使其與支撐邊粘貼好，然后將滑板翻轉吊過來，放到床身導軌上扣合。滑板自身重力可保證承重面充分壓緊，而內(nèi)側定位面則需另外用工裝將滑板往床身外側頂拉，使側定位面也與床身導軌側面充分壓緊。扣合好后，固化時間不低于24 小時。在等高塊的作用下，固化好后的涂層導軌面高于支撐金屬面1 mm，可以保證運行時無金屬接觸摩擦。
（4）起模加工：經(jīng)扣合24 小時固化后，吊起滑板翻轉過來，檢查涂層面有無空洞等缺陷，并將涂層導軌周邊扣合時滲出的殘留余料清理干凈。然后將滑板運至龍門銑床按設計圖紙加工出靜壓油槽。
（5）刮研：油槽加工好后，將滑板再放到床身上與床身導軌進行合研，用鏟刀輕刮涂層面即可，不需多大力氣。經(jīng)實踐證明，滑板涂層導軌面起模后光潔度較高，少量的刮研后即可合研至精度要求。
3 導軌貼塑的工藝
（1）貼塑前的工件制備：貼塑前將貼塑面精加工至要求尺寸，表面粗糙度應達到Ra 6.3以上，以使貼塑塊與金屬面粘貼更牢固。因貼塑塊在貼合好后表面需加工一刀使其平整，加工量約為0.2 mm，最后刮研的時候又需刮去約0.1 mm 的厚度。故若采用2 mm 的貼塑塊，最后經(jīng)加工刮研后貼塑塊剩余厚約為2 mm－0.2mm－0.1 mm＝1.7 mm；導軌貼塑前厚度尺寸＝導軌最終厚度－貼塑塊剩余厚度。如滑板側面鑲條導軌和背面扣壓導軌大端尺寸為30 mm，則貼塑前應加工至30 mm－1.7 mm＝28.3 mm。
（2）貼塑塊粘貼：在粘貼貼塑塊之前同樣需對導軌粘貼金屬面進行清理和清洗，然后用強力粘結劑將貼塑塊粘貼到金屬面上，粘貼好后用工裝將貼塑塊壓緊在導軌面上并保持固化時間24 小時以上。
（3）貼塑塊表面加工與開油槽：先將導軌貼塑塊表面用磨床磨去0.2 mm，使其平整，然后用銑床加工出油槽，油槽深度為0.8 mm。加工油槽的時候，切忌將油槽銑穿至金屬面，因油槽銑穿后，在長期使用中會使油慢慢浸入貼塑塊粘貼面，造成貼塑塊的脫落。
（4）刮研：將加工好的貼塑導軌與床身合研，因貼塑導軌板屬于可調(diào)整的鑲條導軌板，與滑板能夠拆離，故合研時不需頻繁翻轉起吊滑板，只需將鑲條嵌入滑板與床身導軌之間合研，然后取出刮研，貼塑塊刮研也比銅導軌板輕松容易得多，反復多次輕刮至合研精度要求為止。
4 靜壓油槽結構設計
（1）等效油腔
靜壓導軌的油腔分為油腔式及油槽式兩種。具有同樣輪廓尺寸B、L 的油墊支撐，只要油腔外圍的輪廓尺寸b、l 相同，則油腔具有等效的有效承載面積（如圖6 所示）。
（2）油腔形式及尺寸的設計
①油腔應有足夠的初始托舉力所謂初始托舉力，是指油泵剛啟動而支撐尚未浮起時的靜壓推力。如果導軌面之間貼合非常緊密，則油液只能充滿油腔的挖空部分，此時的承載面積遠小于有效承載面積Ae：
Ae＝
(L＋l)(B＋b) （1）
式中：L 為每個油墊支撐的長度，cm；l 為每個油腔的長度，cm；B 為每個油墊的寬度，cm；b 為每個油腔的寬度，cm。
一般由于導軌面并非貼合得十分緊密，油液總有一部分滲入結合面之間，因此，實際的初始承載面積，大致介于有效承載面積與油腔挖空部分面積之間：
Ae'＝
(Ae＋Ar) （2）
式中：Ae'為實際的油腔承載面積，cm2，初始承載面積；Ae 為油腔有效承載面積cm2；Ar 為油腔挖空部分面積，cm2。油腔的初始托舉力為：
Fro＝Ps×Ae' （3）
式中：Fro 為初始托距力，kgf；Ps 為油泵供油壓力，kgf/cm2。要使移動件浮起，必須使初始托舉力大于移動件的自重及其上的最大工件重量：
Fro≥Fg＋Fgmax
式中：Fg 為移動件重量，kgf；Fgmax 為工件最大的重量，kgf。顯然，為使有足夠的初始托舉力，必須要有足夠的油槽寬度及油槽數(shù)量。但油槽也不能太寬，否則導軌接觸面積小，比壓增大，當偶然斷油時，會損壞導軌面，因此必須合理選擇。
②考慮動壓力對油膜厚度的影響，在靜壓導軌面上應設縱向的支撐s1 和s2（見圖6）。
③油槽要便于加工。
（3）油腔數(shù)及其布置
為了使油膜均勻，每條導軌面在其長度方向的油腔數(shù)不得少于2 個，油腔之間設置回油槽，各個油腔的壓力互不干擾。一般推薦：導軌長度在2 m 以下時，取2～4 個油腔；導軌長度在2 m 以上時，一般不要超過5～6 個油腔，每個油腔的長度為0.5～1.5 m。油腔不要開得太長，否則不利于調(diào)整。
下面以滑板為例設計其底部承重面靜壓導軌油槽尺寸及確定靜壓供油壓力。滑板底面涂層靜壓導軌長度為2790 mm，單個滑板自重約6000 kg，滑板上有立柱，操作站，橫梁，液壓站等總計重量約為68000 kg，這些力設為由兩個滑板均勻支撐，于是單個滑板底面導軌承受重力為68000/2＋6000＝40000 kg。
定導軌的油腔數(shù)及油腔尺寸
由于導軌較長，決定分成四段油腔，每段油腔長690 mm，油腔油槽及油腔之間的回油槽的寬度均取10 mm。考慮結構條件，取平導軌尺寸為：B＝220 mm，L＝690mm，b＝140mm，l＝600mm。如圖7 所示。
②確定油泵供油壓力Ps每個滑板底面靜壓油腔數(shù)為8 個，故每個油腔承受的初始托力Fro＝40000 kg/8＝5000kg；將平導軌尺寸代入式（1），算出油腔有效承載面積Ae＝1161 CM2，另根據(jù)油腔尺寸算出每個油腔挖空部分面積Ar＝658.5 CM2；根據(jù)式
（3），算出油腔需要的供油壓力Ps＝Fro/Ae'＝7.6 kgf/CM2，滑板托起后在運動過程中油腔的有效承載面積Ae 比初始承載面積Ae'更大，此時需要的供油壓力反而比初始托起時壓力更小，可算得工作時油腔壓力為Fro/Ae＝4.3 kgf/CM2。因此保證滑板能正常運行的油泵壓力至少應大于于或等于7.6 kgf/CM2。若算出所需的油泵壓力超出額定值，則可通過調(diào)整油腔B、L、b、l 的尺寸，改變所需靜壓力，使油泵工作在正常壓力范圍內(nèi)。
定量供油式靜壓導軌由于每個油腔的留量為常數(shù)，因此油腔壓力Pr、油膜厚度h 與潤滑油粘度ηt 存在以下關系：
可見油腔壓力與油膜厚度立方成反比，這也說明了為什么在初始時油腔壓力大于運行時油腔壓力，因為初始時滑板未托起的油膜厚度小于工作時油膜厚度，工作時油膜厚度約為0.05 mm。
同理可以算出滑板其余靜壓導軌面的壓力，因滑板內(nèi)側定位面導軌與鑲條導軌及底部的扣壓導軌板只是改成了涂層或貼塑導軌形式，而外形尺寸并沒有改變，故油槽形式可以保持不變。
5 效益分析
滑板靜壓導軌采用減磨涂層和貼塑改進后，在材料、加工、裝配各方面都比原來有明顯優(yōu)勢，下面用表1 比較分析各項費用。
對比可發(fā)現(xiàn)由此帶來的經(jīng)濟效益是非常可觀的。
6 結語
靜壓導軌采用涂層和貼塑相結合的方式，不僅大大提高了導軌的配合要求，而且在提高導軌性能的基礎上還減少了成本和顯著提高了生產(chǎn)效率。導軌涂層這項技術，約上世紀60 年代起源于德國，1970 年后，伴隨著機床合作引入我國，2002 年后，這項技術在國內(nèi)有了較快的發(fā)展，目前廣泛應用于機床、國防軍工、機械、能源等行業(yè)的復雜重要部件上，對國家重大裝備制造業(yè)及機電行業(yè)的發(fā)展有重要意義。
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