上海原創(chuàng)精密機床主軸有限公司 丁振乾

靜壓支承具有高精度、高剛度、長壽命等一系列優(yōu)點而得到人們的重視和廣泛應(yīng)用。最早的液體靜壓支承的雛形是在1878年巴黎國際博覽會上展出的能靈活浮動的展品。1938年美國加利福尼亞洲的帕羅馬爾山天文觀測站在200英寸天文望遠鏡上，首次成功地應(yīng)用液體靜壓推力軸承。該望遠鏡重量為500t，轉(zhuǎn)速為1轉(zhuǎn)/天，但驅(qū)動功率僅需70W。1945年法國工程師P.Gerard發(fā)明了向心靜壓軸承，并于1948年成功地應(yīng)用于Gendron磨床砂輪主軸上，在以后的幾十年中，靜壓技術(shù)迅速發(fā)展，應(yīng)用范圍不斷擴大，幾乎遍及于整個機械制造行業(yè)，包括儀器、冷軋機、雷達天線座等民用與軍工的設(shè)備上。

為制造精密磨床，國內(nèi)上海機床廠于1958年首先開展該技術(shù)的研究。隨后1959年廣州熱帶機床研究所成立，1962設(shè)立專業(yè)研究室。經(jīng)過五十多年的發(fā)展目前該技術(shù)已達世界先進水平，不但給新產(chǎn)品設(shè)計提供性能良好的軸承，提高了機床及設(shè)備的精度和效率，也為舊設(shè)備的精化改造提供了技術(shù)保證。以下本文略述我國機床靜壓技術(shù)的發(fā)展過程及現(xiàn)況。

一、原理驗證階段 (1958～1960)

當時毛細管節(jié)流及小孔節(jié)流靜壓軸承國外雖有理論公式，但在機床上的應(yīng)用實例不多，對于軸承及節(jié)流器的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)甚至缺少資料。因此只能根據(jù)已有的資料對靜壓軸承進行原理驗證，以探討在磨床上應(yīng)用的可能性。

第一套靜壓軸承是裝在一臺外圓磨床砂輪架上，通過試驗，初步驗證了計算公式。以后在上述試驗基礎(chǔ)上又制造了小孔節(jié)流靜壓軸承砂輪架，供三臺磨床 (M7120及M7150型臥軸矩臺平面磨床、Y7520W型萬能螺紋磨床)生產(chǎn)試用。如:M7120型平面磨床砂輪架軸承，以0.05～0.10mm的進給量磨削硬度為48HRC的45鋼，一次走刀，光潔度即達▽9。以0.01mm的進給量磨削HT200鑄鐵件時，可磨出▽10光潔度，比原動壓支承提高一大級。上述試驗證明，靜壓軸承應(yīng)用在磨床上是完全可行的，從而為靜壓支承的進一步試驗及應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

二、生產(chǎn)性試驗階段 (1961～1968)

由于當時沒有精密濾油器，在這個階段遇到的最大困難是節(jié)流器的阻塞而引起抱軸，使靜壓軸承無法正式用于商品，后來用180#細密銅絲外繞6層絨布及2層稠布制成的濾油器勉強解決阻塞問題，節(jié)流形式方面除小孔外又引入了圓截面毛細管及滑閥節(jié)流等。

1959年廣州熱帶機床研究所成立，由上海機床廠調(diào)往該所的工程師在1962年組建靜壓研究室，此項技術(shù)的研究與應(yīng)用得到有力的推動。與此同時，國內(nèi)無錫機床廠等其他磨床廠也開始對靜壓軸承進行試驗，此項技術(shù)得到磨床制造業(yè)普遍重視。

1965年上海機床廠在H075型軸承環(huán)磨床的頭架上應(yīng)用靜壓軸承，使被磨工件的內(nèi)外圓的不圓度達0.5μm、光潔度達▽12作為第一臺商品跨出成功的一步。此時，廣州機床研究所進行小孔節(jié)流的研究，并將其用在機床改造上。1966年英國W.B.Rowe等發(fā)明了雙面薄膜節(jié)流器，由于其剛度明顯高于毛細管、小孔等節(jié)流器而得到重視，但當時理論公式未建立，只能用試湊法尋找最佳剛度，從而限制了生產(chǎn)上的應(yīng)用。

這個階段對理論的研究只限于消化國外的有關(guān)資料，因此只限于節(jié)流器結(jié)構(gòu)形式的試驗及磨床產(chǎn)品試驗階段，未能大量應(yīng)用于生產(chǎn)。

三、重視理論研究和大量推廣階段(1969～1984)

為了解決生產(chǎn)中存在的參數(shù)選擇而推動對靜壓軸承可變節(jié)流器 (薄膜、滑伐節(jié)流)的設(shè)計參數(shù)的理論研究，六十年代末原廣州熱帶機床所推導出滑伐節(jié)流及薄膜節(jié)流的參數(shù)選擇公式，與此同時上海機床廠提出薄膜節(jié)流的參數(shù)選擇的簡化公式和薄膜制造工藝，這些理論公式的建立給推廣帶來很大方便。

廣州機床研究所在研究和推廣的熱潮中起到組織帶頭作用，幫助國內(nèi)機械制造業(yè) (包括機床、工具等)許多企業(yè)推廣靜壓技術(shù)并在許多工程項目上應(yīng)用，取得良好成果。如:幫助武漢重型機床廠將滑閥節(jié)流靜壓軸承應(yīng)用于重型車床，將小孔節(jié)流靜壓軸承應(yīng)用于廣州機床廠生產(chǎn)的外圓磨床等機床產(chǎn)品中，同時還在成都量具刃具廠和洛陽拖拉機廠大量進行技術(shù)改造，作為推廣的樣板。

上海機床廠用自己的研究成果陸續(xù)開發(fā)了六十余種應(yīng)用靜壓技術(shù)的新產(chǎn)品，如MG1432A外園磨床光潔度穩(wěn)定達▽14，S7450絲桿磨床上應(yīng)用了靜壓軸承，靜壓絲桿螺母、靜壓導軌，M82100大曲軸磨床在砂輪架及頭架上應(yīng)用靜壓軸承等產(chǎn)品，同時在磨床等行業(yè)中推廣薄膜節(jié)流靜壓軸承。

1973年6月在廣州召開的全國靜壓技術(shù)會議上，對于靜壓軸承的理論計算、推廣及應(yīng)用進行了交流，帶動了全國靜壓軸承技術(shù)的研究及推廣應(yīng)用，使這項由當時一機部范圍內(nèi)的研究及應(yīng)用成果推廣到其他部門，全國形成靜壓軸承研究和推廣的熱潮。在其他行業(yè)的推廣應(yīng)用中，原三機部利用一機部的經(jīng)驗，在北航組建了流體原理與應(yīng)用研究室為靜壓技術(shù)推廣的技術(shù)指導單位，在原三機部系統(tǒng)內(nèi)改造舊設(shè)備取得良好成效。

這是一次影響深遠的盛會，由于靜壓技術(shù)的推廣應(yīng)用使我國機床的水平有了明顯的提高，會后制造出許多新產(chǎn)品。沈陽第一機床廠用薄膜節(jié)流靜壓軸承制造出高精度磁盤車床;航空部六二五所用薄膜節(jié)流靜壓軸承研制成功高精度球面車床;無錫機床廠制造出高精度無心磨床;上海儀表機床廠用小孔節(jié)流靜壓軸承制造出高精度車床;廣州機床所的M8240曲軸磨床;上海機床廠的高精度軸承環(huán)磨床及硒鼓車床等產(chǎn)品，此后這種交流活動頻繁開展。

在生產(chǎn)中的擴大應(yīng)用給理論研究提出的新課題，使理論計算方面取得很大進展，如:廣州所的大位移承載能力及剛度計算;上海機床廠建立任意油腔數(shù)各種節(jié)流器所通用的動靜態(tài)普遍公式，此公式體現(xiàn)了靜壓軸承各種結(jié)構(gòu)形式與節(jié)流形式的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律性，并對W.B.Rowe的“液體靜壓軸承的設(shè)計步驟”中的計算公式的錯誤作了修改。當時對于動態(tài)特性問題的研究給于特別的重視，廣州所與華師大合作對于階躍載荷及頻率特性、穩(wěn)定性等進行研究;上海機床廠與上海師大合作對薄膜節(jié)流的動態(tài)特性進行研究，得到有用的結(jié)論，尤其是認識到油液中殘留空氣對軸承性能的嚴重影響，將原來裝在油腔的壓力表取消，大大提高動態(tài)性能。由于認識到以往研究靜壓支承的主要工作放在節(jié)流器上，將靜壓軸承與動壓軸承人為地遠遠分開是不利于靜壓軸承發(fā)展的，因此開始重視對油腔結(jié)構(gòu)的研究。電子計算機的發(fā)展使得在計算方法上從解析開始進入用差分法和有限元素法進行數(shù)值解，從而提高計算的精確度，并能較精確地解決以前用簡化計算所難于解決的問題。

在結(jié)構(gòu)方面，英國的溝槽節(jié)流首先由漢江機床廠應(yīng)用，蘇聯(lián)的內(nèi)部節(jié)流形式也曾引起注意。上海機床廠將其進行改進并應(yīng)用于M84160軋輥磨床等產(chǎn)品。日本豐田工機的腔內(nèi)回油也曾引起重視，對其回油孔的布局、動壓效應(yīng)等做深入的研究也應(yīng)用于產(chǎn)品上。廣州所和武重對靜壓技術(shù)的另一分支定量供油式靜壓支承的研究也取得良好成效，并成功應(yīng)用于重型機床上。另一方面作為靜壓支承應(yīng)用的擴大，利用靜壓油腔在受力時的壓力變化作為信號用于測量上也在進行試驗，如:漢江機床廠在螺紋磨床對刀裝置，陜西機床廠用于試驗微進給裝置。

這些研究的成果豐富了靜壓技術(shù)的理論:在70年代中期由部局組織編寫的《機械工程手冊》中的靜壓技術(shù)的有關(guān)章節(jié)由廣州機床研究所主筆;《機床設(shè)計手冊》的有關(guān)靜壓技術(shù)的章節(jié)，由上海機床廠主筆;廣州機床研究所改版了《液體靜壓軸承原理及應(yīng)用》;八十年代初北航編寫了教材“液體靜壓支承原理與設(shè)計”。這期間在《機床與液壓》、《潤滑與密封》、《磨床與磨削》、《設(shè)備維修》等雜志上發(fā)表有許多靜壓技術(shù)的文章。為了推廣技術(shù)曾召開許多全國性的靜壓技術(shù)交流會，規(guī)模一次比一次大，水平一次比一次高。值得一提的有，1973年6月在廣州召開的全國靜壓技術(shù)會議，其影響極為深遠，對于靜壓軸承的理論計算、推廣及應(yīng)用進行了交流，帶動了全國靜壓軸承技術(shù)的研究及推廣應(yīng)用;1980年由摩擦學會、設(shè)備維修學會聯(lián)合在成都召開全國靜壓技術(shù)交流會，總結(jié)了七十年代靜壓技術(shù)推廣應(yīng)用的經(jīng)驗和教訓，提出了動靜壓技術(shù)研究和專業(yè)化生產(chǎn)的方向。

四、動靜壓軸承、靜壓軸承應(yīng)用的擴大和商品化 (1985～)

隨著靜壓軸承的應(yīng)用和研究的深入，對靜壓軸承在高轉(zhuǎn)速時的動壓效應(yīng)引起重視，如何更有效地利用動壓力節(jié)省能源是個值得重視的問題。國外大型冷軋機及大型立車等重型設(shè)備上應(yīng)用靜壓啟動，動壓工作的動靜壓混合軸承。七十年代中期起廣州機床所研究動靜壓軸承用于球磨機、軋機、發(fā)電機等重型設(shè)備上。對磨床而言，高的轉(zhuǎn)速所帶來的動壓效應(yīng)不可忽視，并在動態(tài)特性的研究中得到的不同節(jié)流器，雖然靜態(tài)油膜剛度不同，但在高頻下具有幾乎相同的動剛度，而油腔的結(jié)構(gòu)卻是決定動剛度的主要因素，于是在上海機床廠開展了磨床動靜壓軸承的研究。

1976年上海機床廠研制成功兩類多油楔動靜壓軸承，即HSDB-R及HSDB-1，前者為帶外節(jié)流的將原靜壓軸承的深油腔改進為階梯或收斂曲線淺油楔的動靜壓軸承，后者為利用階梯節(jié)流及階梯油楔的無外節(jié)流的自節(jié)流動靜壓軸承。這兩種軸承的性能明顯超過靜壓軸承，并曾作為機密技術(shù)，大量在磨床新產(chǎn)品上應(yīng)用，取得了良好成效。三十多年來得到越來越多的應(yīng)用，迄今仍是性能最佳的應(yīng)用于精密機床的動靜壓軸承。例如用于外圓磨床上達到鏡面 (▽14)所需的時間比靜壓軸承節(jié)省一半以上，用于頭架上能磨出不圓度0.1μm以下的工件。這項技術(shù)直到1980年在成都召開的全國靜壓技術(shù)交流會上才對外發(fā)表，引起同行的重視，其后國內(nèi)轉(zhuǎn)向動靜壓軸承的研究。

在此以后出現(xiàn)的動靜壓軸承幾乎都類似于上述兩種動靜壓軸承，動壓油楔幾乎都是階梯油楔和靜壓的自節(jié)流形式，僅形成自節(jié)流形式有些改變，例如北航在八十年代中提出的孔式環(huán)面節(jié)流的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于磨床改造。北京第二機床廠在研究動壓軸承過程中對于階梯油楔的加工工藝的成果，對該類動靜壓軸承的推廣起了積極的作用。

在單油楔動靜壓軸承方面也有新的發(fā)展，例如:WALDRICH的三油腔動靜壓軸承應(yīng)用于軋輥磨床中效果良好。

八十年代中期，隨著國家體制改革的深入和動靜壓技術(shù)的成熟，設(shè)備改造的需求促使我國液體動靜壓軸承主軸部件出現(xiàn)專業(yè)化生產(chǎn):北航成立的北京中航設(shè)備改造研制廠，從對于航空系統(tǒng)的企業(yè)中的舊設(shè)備技術(shù)改造入手，逐步形成主軸單元商品化而進入小批生產(chǎn);岳陽機床廠主軸功能部件研究所的雙錐面靜壓軸承部件，作為專用部件增加機床的功能，加裝在如龍門刨等普通機床上磨削機床導軌、大型平面、內(nèi)孔、外圓，社會效益可觀;上海機床廠在七十年代末期開始對各類磨床進行改造，效果顯著;上海引進設(shè)備維修中心、得寶機床 (北京)有限公司對軋輥磨床等各類磨床及多軸鏜頭等進口設(shè)備進行改造收效良好;廣州機床研究所針對一些機床廠的需求也供應(yīng)部分主軸部件商品。

隨著大型機床的發(fā)展液體靜壓導軌的應(yīng)用也逐漸增多，尤其是國外商品化的定量供油裝置給靜壓導軌的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

1994年由以上幾家發(fā)起，得到中國機床工具工業(yè)協(xié)會批準，成立了滑動軸承主軸單元專業(yè)委員會。2003年2月，為使主軸功能部件行業(yè)進一步發(fā)展，適應(yīng)機床行業(yè)的需要，更名為主軸功能部件專業(yè)委員會，使此技術(shù)的交流日趨增多，使主軸功能部件行業(yè)逐步發(fā)展壯大。目前從事專門生產(chǎn)動靜壓混合油膜軸承及其主軸功能部件生產(chǎn)的主要廠家有:上海原創(chuàng)精密機床主軸有限公司、北京航空精研機電技術(shù)有限公司、北京北航精密機電有限公司，北京東方精益機械設(shè)備有限公司、岳陽科夢科技有限責任公司、湖南普來得機械技術(shù)有限公司、無錫市新風軸瓦廠等單位。

當前動靜壓軸承的商品化十分火熱，但也存在著忽視技術(shù)開發(fā)的傾向，以致于技術(shù)水平長期停滯不前，使進一步的應(yīng)用和推廣受到影響。為此專業(yè)委員會多次呼吁重視技術(shù)開發(fā)并組織交流，通過技術(shù)培訓等形式推廣成熟的結(jié)構(gòu)，使這項技術(shù)發(fā)展得更好。

五、世界領(lǐng)先的技術(shù)

我國對靜壓技術(shù)的研究及應(yīng)用已有五十年歷史，對基礎(chǔ)理論的研究相當深入，應(yīng)用也十分廣泛，品種俱全，靜壓主軸、動靜壓主軸、靜壓絲桿、靜壓導軌都有成熟的產(chǎn)品，在技術(shù)上已打下了堅實的基礎(chǔ)。如以下例子可以證明本領(lǐng)域的現(xiàn)狀已達到世界先進水平:

(1)國外機床廠規(guī)模小，開發(fā)能力有限，研究、設(shè)計多依靠大學，所用的靜壓軸承大都是毛細管或小孔節(jié)流的四油腔的結(jié)構(gòu)，有些甚至于不符合基本理論，然而進口靜壓主軸的售價驚人，往往要幾萬甚至十幾萬美元1套，但在性能上也未見優(yōu)越。作者長期從事進口機床主軸的國產(chǎn)化改造，幾乎對世界各國名牌機床廠的靜壓主軸都用自主開發(fā)的HSDB動靜壓軸承進行國產(chǎn)化改造，其性能都能達到或超過原裝新主軸水平。

(2)我國開發(fā)的多油楔動靜壓軸承在1983年英國召開的“24屆國際機床設(shè)計研究會” (24th、M、T、D、R、)上發(fā)表，雖然后來國外也有類似的結(jié)構(gòu)，但無論是日本的豐田、琦玉大學的結(jié)構(gòu)及美國專利，從發(fā)表的時間上都比我們遲，結(jié)構(gòu)布局上也有許多不到之處。筆者發(fā)表的動靜壓軸承，靜壓導軌的文章被譯成外文在雜志上發(fā)表。

(3)在應(yīng)用方面，無論是從精度、承載能力上都能達到世界先進水平并具有相當?shù)拈_發(fā)能力。例如:風電行業(yè)及軸承行業(yè)所需的大型立式內(nèi)外圓磨床的轉(zhuǎn)臺是國內(nèi)空白，進口價約為轉(zhuǎn)臺直徑每厘米1萬歐元 (例如轉(zhuǎn)臺直徑1600mm的售價為170萬左右歐元)，尤其是大尺寸 (1.5m以上)轉(zhuǎn)臺 (要求回轉(zhuǎn)精度1μm左右)用滾動軸承不能滿足要求，自主開發(fā)的靜壓轉(zhuǎn)臺其精度及承載力均不低于進口設(shè)備，可滿足這一類機床實現(xiàn)國產(chǎn)化大量生產(chǎn)的要求，替代進口。SKF現(xiàn)在也購買中國的該類機床產(chǎn)品。

(4)閉式靜壓導軌功能部件在國外機床上也被作為新鮮的事說得非常神秘，國人也跟著宣傳盲目崇拜，其實國內(nèi)早已有應(yīng)用，又如國外靜壓支承的節(jié)流器PM閥，其原理類似于單面薄膜節(jié)流器，這種技術(shù)國內(nèi)在六十年代就有深入的研究與應(yīng)用，而他們只有二十年的歷史。

以上幾例足以證明在本領(lǐng)域我們并不落后，因此筆者常在文章中強調(diào):雖然從總體上來看我國的機床工業(yè)水平落后于發(fā)達國家，但在精密機床靜壓、動靜壓技術(shù)方面卻占領(lǐng)先地位。

最近高檔數(shù)控機床專項的技術(shù)要求中許多關(guān)于靜壓軸承、靜壓導軌的性能要求，有相當一部分在以往的研究及應(yīng)用中已達到，還有一些尚待開發(fā)，由于我們有扎實基礎(chǔ)，只要國外能達到的我們一定能達到，國外未達到的通過我們積極開發(fā)也能達到。

六、結(jié)語

本屆專業(yè)委員會以“競爭、交流、共謀發(fā)展”的主題思想促進行業(yè)技術(shù)發(fā)展，加強技術(shù)推廣和普及工作，將優(yōu)質(zhì)可靠的主軸功能部件產(chǎn)品供給主機廠，為我國機床產(chǎn)品的升級換代增強國際市場上的競爭力，提供有力的技術(shù)保障，為民族爭光。

由于收集的資料有限，不到之處在所難免，敬請批評指正。