液压回转油缸中的端面油膜密封技术研究

　　0　引言

　　以数控机床为代表的基础装备是制造各种机器的母机,是实现制造技术和装备现代化的基石,是保证高技术产业发展的战略装备,发展装备制造业,就要大力发展数控机床。我国国产高档数控机床在品种、数量和水平上远远不能满足国内发展的需要。我国工业发展需要的一些大型、高精度数控机床大部分依赖进口,在国内市场占有率高达60%,一旦没有进口,中国的工业竞争力将大受影响[1]。因此国内急需开发研制高水平、高技术含量的新型动力卡盘来装备机床行业。“十一五”国家科技支撑计划重点项目“关键基础件和通用部件”的课题之一是功能部件关键技术研究,研究内容是最高转速为7000r/min,重复夹持精度为20μm,夹持次数为12000次中空自定心液压动力卡盘的创新结构与优化设计技术、回转油缸高速高压配流技术、自锁技术和动态夹紧力检测技术。研制高速、高精度且具有良好动态特性的液压动力卡盘,必须解决以下几个关键问题:夹紧力损失[2, 3];液压回转油缸的配流和冷却;夹持精度;检测监视技术[4]。在液压回转油缸的配流和冷却关键问题中,配流副的温升是制约回转油缸转速提高的最重要因素。配流副间隙一般只有几十微米,配流元件过大的热变形会导致配流副粘附磨损,甚至抱轴咬死。国外的高速回转油缸产品种类繁多,Phillip公司等在2006年对一种转速为7000r/min液压回转油缸申请了专利[5];BUCK公司[6]和ITW公司[7]都有自己系列的液压回转油缸或气压回转气缸产品;德国GMN公司研究了迷宫和间隙密封技术[8]。但是其技术对我国是保密的,因此有关配流副的研究文献报道极少。所以,解决动力卡盘的关键技术,开发具有自主知识产权的国内产品具有重大意义。本文针对回转油缸中的非接触端面螺旋浅槽和圆弧深槽油膜密封技术进行研究,以便为解决配流和冷却问题提供一定的参考。

　　1　液压滑环在动力卡盘中的应用

　　图1是液压动力卡盘的结构示意图。回转油缸和动力卡盘分别安装在机床主轴的两端,拉杆(管)穿过机床主轴的通孔,连接油缸活塞杆和动力卡盘体的活塞套,油缸活塞通过拉管和活塞套驱动动力卡盘体内的传动机构,实现增力和卡爪径向同步运动,夹紧或松开工件。该方案结构简单,回转油缸性能稳定可靠,直线驱动的动力卡盘体传动机构种类多[9-11]。

　　从目前国内对液压动力卡盘的需求看,最高转速超过6000r/min的液压动力卡盘都需要从国外进口。主要原因是国内还没有生产与液压动力卡盘配套的中空旋转油缸的技术。旋转油缸中固定部件和旋转部件之间的密封是限制此技术发展的瓶颈,鉴于其密封处于高界面滑速、高边界压差及高温度环境的工况,普通的接触式机械端面密封,因高的压力速度值而难于胜任[13, 14],因而这些部位的密封,应采用非接触型的螺旋浅槽和圆弧深槽端面密封形式。液压滑环则能够满足这个应用要求。使用液压滑环为液压回转油缸配油,压力油通过液压滑环从液压动力卡盘的外壳(固定不动)引入到旋转油缸中去,使活塞在压力油的作用下克服弹簧力以及阻力运动,带动楔块驱动卡爪松开工件。回程时将压力油卸荷,靠弹簧复位作用,带动楔块驱动卡爪径向卡紧工件[15]。