设计与制造
・机械研究与应用・
ＣＫＭ６４３３０静压导轨的设计
陈海霞 （天水星火机床有限责任公司，甘肃天水７４１０２４）
摘要：重点介绍ＣＫＭ６４３３０液体静压导轨的设计。通过分析液体静压导轨特点及ＣＫＭ６４３３０机床的结构特点，选用 开式静压导轨，通过静压导轨的设计计算可以得出，由于油膜具有误差均化作用，可提高导轨运动精度，使其 运动平稳，从原理上可作到无间隙配合，从而达到高的位移分辨率、定位精度，并长期保持制造精度的目的。 关键词：平稳；精度；寿命 中图分类号：ＴＨ１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７－４４１４（２０１２）０１－００９０－０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＣＫＭ６４３３Ｏ ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ｇｕｉｄｅｗａｙ Ｃｈｅｎ Ｈａｉ—ｘｉａ （Ｔｉａｎｓｈｕｉ ｓｐａｒｋ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｔｉａｎｓｈｕｉ Ｇａｎｓｕ ７４１０２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＣＫＭ６４３３０ ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ｇｕｉｄｅｗａｙ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ－ ｉｓｆｉｅｓ ｏｆ ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ｇｎｉｄｅｗａｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＣＫＭ６４３３０ ｌａｔｈｅ，Ｔｈｅ ｏｐｅｎ－ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ｇｎｉｄｅｗａｙｓ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ．Ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｓｅｅｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ｇｕｉｄｅｗａｙｓ，ａｓ ｔｈｅ ｆｉｌｍ ｈａｓ ｔｈｅ ｈｏｍｏｇｅｎｉｚａｔｉｏｎ ｅｌ＇Ｆｏｒ，ｉｔ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａ－ ｃｙ ｏｆ ｒａｉｌ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｍｏｖｅ ｓｍｏｏｔｈｌｙ，ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｎｏ ｇａｐ ｗｈｅｎ ｉｔ ｉｓ ｍａｔｃｈｅｄ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒ ｐａｒｔｓ，ｓｏ ｉｔ ｈａｓ ａ ｈｉｓｈ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｒｅｓ－ ｏｌｕｔｉｏｎ，ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ，ａｎｄ ｃａｎ ｋｅｅｐ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｎ ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｍｏｏｔｈ；ａｃｃｕｒａｃｙ；ｌｉｆｅ
１液体静压导轨的结构特点
液体静压导轨是在两个相对运动的导轨面间通
入压力油使运动件浮起，在工作过程中，导轨面上油 腔中的油压可随外载荷的变化自动调节，以平衡外载
荷，保证导轨面间始终处于纯液体摩擦状态及油膜厚 度为一定值。其特点如下：①由于导轨面间是纯液体
摩擦，其摩擦系数极小（约为０．００５左右），故驱动功 率可大大降低；②因系纯液体摩擦，故导轨不会磨损，
寿命长，能长期保持制造精度，减少了维修工作量；③ 油膜厚度几乎不受速度影响，即使在极低速时，也不
会产生爬行；④油膜具有误差均化作用，可提高导轨 运动精度；⑤油膜承载能力大，刚度高，吸振性良好，
导轨运动平稳。 具有良好过滤效果的液体静压导轨适用于各种 大型、重型机床、数控机床、精密机床的工作台及其它
运动件上。 ２液体静压导轨的应用
精密导轨是超精密机床的直线性基础，对其基本
要求为：运动平稳、动作灵活、无爬行、有极高的直线
运动精度，与使用条件相适应的刚度。液体静压导 轨，是现行超精密机床常采用的方法。 ２．１静压导轨的选择
根据ＣＫＭ６４３３０超精密菲涅尔透镜的模板车床
横向导轨形式的结构特点，选用开式静压导轨。常用 开式静压导轨的基本形式：矩形导轨、Ｖ一平形导轨、 回转平导轨和双Ｖ形导轨。所以加工ＣＫＭ６４３３０超
精密菲涅尔透镜的模板车床，横向行程长，纵向行程 短，切削力对导轨的承载能力影响很小，载荷力主要
以重量为主。根据其加工特点，采用开式Ｖ一平形导 轨，并将Ｖ形面设置在滚珠丝杠一侧，以防止移动时
Ｖ形导轨产生扭转。 ２．２静压导轨的设计计算
已知，拖板总重量Ｇ ＝６０００ｋｇ，拖板总长三 ＝ １２００ｍｍ，其结构如图１所示。计算步骤如以下叙述。
图１横向静压导轨结构图
２．２．１确定导轨宽度
根据公式：
高可 （ ）
假定平导轨和Ｖ形导轨对称分布，则两者受力
收稿日期：２０１１—１２—１２ 作者简介：陈海霞（１９７０一），女，甘肃天水人，助理工程师，主要从事机械制造与自动化方面的工作。
・９Ｏ－
・机械研究与应用・
相等，即：
Ｆ ＝ ＝３０００ｋｇ＝２９４００（Ｎ）
式中：口为比压系数； 为导轨总长度；［Ｐ］为导轨材
料许用比压。 代人式（１），可得平导轨的宽度Ｂ：
拈 商 ８０（ｍｍ）
取Ｂ＝１００（ｍｍ），Ｖ形导轨宽度Ｂ ：
Ｆ 因为ＦｖⅢ ２１２１・３２（ｋｇ）＝２０７８９（Ｎ）
所以Ｂ ＝５７（ｍｍ） 取Ｂｖ＝６０（ｍｍ）。
２．２．２确定导轨油腔结构 在导轨全长上，平导轨和Ｖ形导轨两侧各取一
个油腔，平导轨每个油腔开两条油槽，Ｖ形导轨两侧
每个油腔开两条油槽，如图ｌ所示。 已知 ＝１００ｍｍ，Ｂｖ＝６０ｍｍ；取Ｌ＝１２００ｒａｍ，Ｌｖ＝
三＝１２００ｒａｍ；Ｚ＝１０００ｍｍ，ｌｖ＝１＝１０００ｍｍ。
查文献［１］得：６ｌ＝２０ｍｍ，ｂｌｖ＝１５ｍｍ；ｂ２＝１０ｍｍ， ｂ２ｖ＝８ｍｒｎ；ｚ＝５ｍｍ，：ｖ＝４ｍｍ；故ｂ＝Ｂ一２ｂ１＝６０ｍｍ，６ｖ ＝Ｂｖ－２ ｂｌｖ＝３０ｍｍｏ 式中：Ｂ、Ｂ 为平导轨和Ｖ形导轨一个支座的宽度；
ｂ 、ｂ 、，为平导轨和Ｖ形导轨周向封油面宽度；ｂ。、ｂ
为平导轨和Ｖ形导轨一个油腔的宽度；６、ｂ 为平导
轨和Ｖ形导轨油腔的宽度；Ｌ、Ｌ 为平导轨和Ｖ形导
轨一个支座的长度；Ｚ、Ｚ 为平导轨和Ｖ形导轨一个油
腔的长度； 、 为平导轨和Ｖ形导轨油腔的深度。 ２．２．３’选择导轨与拖架之间的间隙ｈ。
根据文献［１］，空载时导轨间隙取平导轨：
ｈ。＝０．０３ｍｍ Ｖ形导轨：
间隙按工作台浮起后保持水平的原则确定，即
ｈ。ｖ－－ｈ。・ｓｉｎ４５＝０．０２１ｍｍ ２．２．４确定支座载荷
由于拖板的总重量和切削力近似均匀分布，所以
认为每个支座承受的载荷相同。拖板的总重量Ｇ ＝ ６０００ｋｇ，切削力Ｆｚ＝２６４６（Ｎ）。 平导轨： ‘
Ｇ＝ Ｌｒｚ＝３０００ｋｇ＝２９４００（Ｎ）
Ｆ１＝ ＝１３２３（Ｎ）
Ｖ形导轨：
ｃｖ 志 ２１２１・３２（ｋｇ）＝￣ｏ７８９（Ｎ） 设计与制造
Ｆｌｖ ＝９３６（Ｎ）
每个支座上承受的最大重量和最大切削力的载
荷分别为： 平导轨：
Ｆ：Ｇ＋Ｆ１＝３０７２３（Ｎ） Ｖ形导轨：
Ｆｖ＝Ｇｖ＋Ｆｗ＝２１７２５（Ｎ） ２．２．５确定油腔压力Ｐ
根据公式： 、
Ｐ （２）
式中： 。为导轨一个支座油腔的有效承载面积。
Ａ 言（２×Ｌ×Ｂ＋Ｌ×ｂ＋２×ｆ×６＋ｚ×Ｂ） （３）
平导轨的油腔压力为：
Ａｃ 言（２×Ｌ×Ｂ＋Ｌ×ｂ＋２×Ｉｘｂ＋ｌｘＢ）
＝６７３３３（ｍｍ ） 故空载时油腔压力为：
茅 ０ ４５５（ＭＰａ）
载荷作用下的油腔压力为：
Ｐｉ＝ ０ ４６６（ＭＰａ）
Ｖ形导轨的油腔压力为：
Ａ。ｖ 言（２×Ｌ×Ｂ＋Ｌ×ｂ＋２ ×Ｂ）
＝５００００（ｍｍ ） 故空载时油腔的压力为：
ｐ０ｖ 若。。・４２４（ＭＰａ）
载荷作用下的油腔压力为：
Ｐｉｖ＝ ｒＶ＝０．４４３（ＭＰａ） ＡｃＶ ２．２．６选择供油压力Ｐ。 上面计算结果表明，空载和负载下的导轨的油腔 压力相差较大，根据文献［１］并按照Ｐ。一２ｐ 。选择供
油压力。 Ｐｉ ＋ＰｉｌＩｌｉｎ ｐｉｃｐ —— 一 （４）
式中：ｐＩｃｐ为空载和载荷作用下，导轨各油腔压力的平
均值；ｐ 为在总重量作用下，导轨各油腔中最大的 油腔压力；ｐ ｉ 为在载荷作用下，导轨各油腔中最小
的油腔压力。 故：
Ｐｓ Ｐｉｍａｘ＋Ｐｉｍｉｎ （５）
・９ｌ・
设计与制造
・机械研究与应用・
因此，平导轨有：ｐｉ＋ｐ。＝０．９２１ ＭＰａ；Ｖ形导轨有：
Ｐｉｖ＋Ｐ ＝Ｏ．８６７ ＭＰａ；根据计算结果，取Ｐ ＝１ ＭＰａ。 ２．２．７确定薄膜反馈节流器结构参数 从油泵输出的液压油，通过双面薄膜反馈节流
器，分别流进Ｖ型导轨对应油腔。当空载时，薄膜两 面所受的压力相等，使薄膜处于中间平直状态，即两
边的ｈ 相等，如载荷发生变化，导轨产生偏移，所对 应油腔压力发生变化，其变化值通过液压油反馈至
双面薄膜反馈节流器所对的油腔，使薄膜发生变形， 即两边的＾ 不相等，输出的液压油压力发生变化，此 压力反馈至Ｖ型导轨对应油腔，在反馈后油压的作
用下，纠正导轨偏移量，消除误差。此反馈为正反馈。 根据文献［２］的推荐，采用如下结构尺寸：ｒ。＝１６
（Ｉ砌），ｒ。１＝２（ｍｍ），Ｆｅ２＝６（ｍｍ）。 式中：ｒｃ为薄膜工作范围半径；ｒ。，为圆台进油孔半
径；ｒｃ２为圆台半径。 薄膜的间隙ｈ
ｈ。ｖ＝ｈ。 （６）
ｈ。ｖ＝０．０６８８（ＩｎｌＴ１） 计算结果表明， 。 大于推荐数值，故符合推荐的 节流器最小节流尺寸的要求。
确定薄膜厚度 ；薄膜采用６５Ｍｎ弹簧钢。 根据公式：
艿＝ （７）
式中：Ｅ为材料弹性模数，Ｅ＝２．１ｘｌ０ （ｋｇ／ｃｍ ）； 为 泊松比，（／ｚ＝０．２８）；６＝Ｏ．８２１ｍｍ现取６＝０．９ ｍｍ。
薄膜的平均变形量：
一３・Ｇ・（１一 ）・（ｒ 一 ） Ｕ＝———————■————————— ———一 １６・Ｅ・Ａ ・
＝０．０２２５（ｍｍ） （８）
薄膜的间隙 ：
ｈ。＝ 。ｖ一 ｈ。＝Ｏ．０４６３（ｍｍ） ２．２．８确定小孔节流器的结构参数
对于小孔节流器只有两个参数，直径ｄ。和长度
。。根据文献［ｔ］的推荐，取小孔直径ｄ ≥０．５５ ｍｍ
・９２・ （取０．６ ｎｌｌＴ１）。 节流器长度：
。： ：２３０（ｍｍ） （９）１２８ Ｑ 一。 ・ ’ｎ …一
２．２．９确定导轨流量Ｑ 由于载荷变化范围较大，故确定导轨流量时，按 最大载荷作用下润滑油温度在５Ｏ℃的粘度为条件进
行计算。其系统原理图如图３所示。
Ｑ＝ （ 名） （１０）
式中： 为润滑油动力粘度，田５。＝１９．７×１０ （ｋｇ・ｓ／
ｃｍ。）；平导轨一个油腔向外流出的流量为：Ｑ＝０．３２３
（Ｌ／ｍｉｎ）；Ｖ形导轨一个油腔向外流出的流量为：Ｑ ＝０．１３９（Ｌ／ｍｉｎ）；由于平导轨有一个支座，Ｖ形导轨
有两个支座，故两条导轨的总流量为：ｑ总＝Ｑ＋２ ｑ ＝
０．６（Ｌ／ｍｉｎ）（取５Ｌ／ｍｉｎ，标准）。 ２．２．１Ｏ供油系统的设计 供油系统由比例溢流阀、比例减压阀与控制系统 构成闭环调节回路，根据载荷变化，自动调节供油系
统各点的压力，保证导轨的精度、刚度。系统中的蓄 能器是为了防止突然停电造成轴承因缺油而损坏。 压力继电器与控制主轴电器构成保护回路，以防止主 轴缺油而造成损坏。
油泵参数：ｐ ＝４ ＭＰａ（压力可调）；ｑ总＝１０ Ｌ／ｍｉｎ
流量可调；选用ＹＢＮ一２０Ｎ—ＪＢ型变量叶片泵。 电动机参数功率：
Ｐ： （１１）１＾ 、 一， ｕ上二’ Ｄ 式中：．，７。为油泵效率，取０．９５；Ｐ＝０．０６９ ｋＷ，取０．
７５ｋＷ；ｒ／Ｄ＝１４５０ ｒ／ｍｉｎ ３ 结语
通过对液体静压导轨的结构特点和设计参数进 行分析可以看出：由于油膜具有误差均化作用，可提
高导轨运动精度，使其运动平稳，从原理上可作到无 间隙配合，从而具有较高的位移分辨率、定位精度以 及精度稳定性，能长期保持制造精度。
参考资料：
［１］广州机床研究所．液体静压技术原理及应用［Ｍ］．北京：机械工 业出版社，１９７８． ［２］机床设计手册编写组．机械设计手册（第三册）［Ｍ］．北京：机械 工业出版社。１９８６．