一种断电无泄漏平衡油缸

陈志兰

摘 要：根据现有龙门加工中心Z轴滑枕平衡油缸的设计缺陷，创新提出了一种断电无泄漏平衡油缸。详细介绍了断电无泄漏平衡油缸的结构及工作原理。断电无泄漏平衡油缸结构简单、成本低，且在江苏恒力组合机床有限公司VMC龙门系列加工中心设备上得到成功的应用。

关键词：龙门加工中心；断电无泄漏；平衡油缸

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.028

龙门加工中心广泛用于对大型复杂零件进行粗精加工，具有承重力强、行程大及精度高等特点，可以进行铣、镗、钻及攻等多种工序，只需一次装夹就可以顺序完成多道工序加工。龙门加工中心的主轴头安装在滑枕下端，滑枕安放于滑板内部，由伺服电机经滚珠丝杠传动沿导轨上下运动，完成Z轴切削加工进给。由于滑枕的Z轴进给为垂直向下方向，滑枕和主轴头及传动机构的自重与Z轴进给力方向相同，而与Z轴切削抗力方向相反，这样切削抗力大小的变化会导致进给力方向的变化，不利于保持进给力的相对稳定，对Z轴进给运动的平稳性产生较大影响。另外，该自重对伺服电机的运动负荷影响也很大，当滑枕向上运动时，电机需要克服该自重，会明显导致电机负荷过大甚至超负荷，同时也加剧Z轴传动丝杠及轴承的磨损。因此，必须对滑枕及主轴等的自重进行平衡，以消除对Z轴进给平稳性和电机负荷以及丝杠磨损的影响。Z轴滑枕平衡机构通常使用平衡油缸来进行平衡动作。目前常用的平衡油缸，由主要由油缸筒、活塞杆和油缸前、后盖组成，油缸筒重直方向固定在机床滑板上，活塞杆通过滑枕连接板与滑枕相联。机床工作时，压力油进入油缸筒中，推动活塞、带动滑枕相对油缸筒向上运动，油压力的大小与滑枕和主轴等自重的大小相当，方向相反，使得滑枕所受合力为零，以此抵消自重的影响，达到滑枕平衡的效果。当滑枕向上运动时，压力油及时充入油缸筒，维持油压不变，推动活塞杆仍然顶住滑枕连接板，继续将油压力作用在其上以平衡自重。当滑枕向下运动时，多余的压力油从油缸筒中回到液压站，但油压仍然维持不变，仍然顶住活塞杆和滑枕连接板，同样将油压力作用在其上以平衡自重。如果机床在工作中一旦断电，一方面Z轴伺服电机制动器立即抱紧电机轴及丝杠以防止滑枕下蹿，另一方面，平衡油路截止阀失电处于截止状态，阻断平衡油路，防止平衡油缸里的压力油流回油箱导致油缸失压，以此来保持油缸原有压力，这样仍然可以抵消滑枕自重，维持滑枕的位置不变。上述现有的平衡油缸，虽可对滑枕和主轴的自重进行抵消平衡，但当机床一旦断电时，由于油缸以及平衡油路、截止阀等均为液压控制，仍存在有下列不足：（1）由于机床断电后电机制动器抱紧电机轴需要一定的时间，而截止阀失电截止油路也需要一定的时间，在此过程中一部分油会回流到油箱中，油缸压力会有一定下降，使平衡力产生缺失，这样，当电机制动器抱紧电机轴时，滑枕仍会由于自重而已经产生一定量的下蹿，刀具会破坏工件表面；（2）当机床处于长期停电状态时，平衡油路中截止阀的结构决定了一直存在微量泄漏，这样平衡油缸的油压会不断地处于下降状态，平衡力会越来越小，这样就会导致滑枕不断地缓慢下滑，使得机床滑枕的原位改变，给机床的后续使用带来很大的不便和安全隐患。平衡油路中虽可增加蓄能器来补充液压油的压力，但仍不能从根本上解决问题。为此需要开发一种断电无泄漏油缸以解决上述问题。

1 断电无泄漏油缸设计

为了克服现有油缸的不足，拟在现有平衡油缸的基础上，增加一个补偿装置，以确保机床在断电时，在弹簧力的作用下，一方面，立即封堵平衡油缸的油腔以防油压缺失；另一方面，同时再给平衡油缸的油腔补充一个附加的压缩力，保证平衡油缸拥有足够、稳定的液压力，使滑枕不下蹿。断电无泄漏油缸结构图如图1所示。图1中1-螺栓，2-挡圈，3-球面垫圈，4-活塞杆，5-油缸前盖，6-油缸筒，7-油缸后盖，8-连接盖，9-堵杆，10-推块，11-推环，12-推杆，13-大弹簧，14-中间筒体，15-补偿油缸体，16-環形活塞，17-端盖，18-挡圈，19-小弹簧，20-限位套，21-螺母，22-机床滑板，23-配合小环面，24-机床滑枕连接板，a-油路，b-油路，c-油路，E-平衡油腔，F-补偿油腔，G-弹簧腔。

结构主要由平衡油缸部分和补偿装置部分组成。

平衡油缸部分包括油缸筒6、活塞杆4、油缸前、后端盖5、7。油缸筒6与机床滑板22联接固定，活塞杆4与机床滑枕连接板24相联，油缸筒6的两端分别通过螺纹联接平衡油缸前、后盖5、7。活塞杆4与机床滑枕连接板24通过活塞杆4轴端的螺栓1、挡圈2和两个球面垫圈3固定联接。活塞杆4的端轴上带有配合小环面23，机床滑枕连接板24两侧又通过两组球面垫圈3使其联接在一起，活塞杆4上小轴的配合小环面23与机床滑枕连接板24的孔隙可以稍大，使活塞杆4运动中不会有别劲，活塞杆4的位置也不会有大的偏摆，以保证平衡油缸运动的平稳性和精度。

补偿装置包括补偿油缸体15、活塞16、推杆12、堵杆9、大弹簧13、小弹簧19、中间筒体14和限位套20。中间筒体14的前端固定联接有连接盖8，连接盖8与平衡油缸后盖7螺纹联接；中间筒体14的后端与补偿油缸体15固定联接，补偿油缸体15的后端固定联接有端盖17，使油缸筒6、中间筒体14和补偿油缸体15联接成一个整体缸体。

堵杆9套于推杆12上，并置于中间筒体14和补偿油缸体15内，并可相对其轴向运动。位于中间筒体14内的推杆12和堵杆9上套有大弹簧13、推环11和推块10，推环11和推块10由螺钉固定联接，大弹簧13压缩于推环11与补偿油缸体15之间；位于补偿油缸体15中的推杆12和堵杆9上套有活塞16，推杆12的尾部设有挡圈18、小弹簧19和限位套20，推杆12与限位套20螺纹联接。挡圈18和小弹簧19置于限位套20中并顶住堵杆9的尾部端面。

堵杆9上设有槽孔，推杆12上设有通孔，推块10在推杆12上的通孔和堵杆9上的槽孔中径向穿过，使推杆12与堵杆9活动相联。推杆12相对堵杆9只可轴向滑动，而不能相对转动。推杆12相对堵杆9轴向滑动的距离即为推块10在堵杆9两侧槽中的滑动距离。大弹簧13的最大作用力和有效作用行程大于小弹簧19。

中間筒体14、补偿油缸体15和端盖17上设有油路a、油路b和油路c，连接盖8上也设有油路b，a、b、c三个油路均设在各零件的内部，同一个油路在不同的零件间互相惯通。油路a外接平衡油路，并与液压站相通供油；油路b外接蓄能器；油路c外接补偿油路，并与液压站相通供油。a、b、c三个油路同时外接电控系统。

机床正常工作状态中，见图1中的左半部所示。压力油由油路c进入补偿油缸的油腔F，活塞16向下运动，推动限位套20、推杆12向下运动，同时通过推块10带动堵杆9和推环11向下运动，堵杆9的上端面与连接盖8分离，平衡油缸的油腔E与弹簧腔G相通，大弹簧13处于压缩状态。来自平衡油路的压力油经油路a、弹簧腔G进入油腔E中，将向上的油压力作用在活塞杆4的底部，并通过活塞杆4和机床滑枕连接板24作用在机床滑枕上，平衡油缸油压力的大小与机床滑枕和主轴等自重的大小相当，方向相反，使得滑枕所受合力为零，以此抵消机床滑枕和主轴等的自重，达到滑枕平衡的效果。当机床滑枕向上运动时，压力油及时充入油腔E中，维持油压不变，推动活塞杆4仍然顶住机床滑枕连接板24，继续将油压力作用在其上以平衡自重。当机床滑枕向下运动时，多余的压力油从平衡油缸油腔E中回到液压站，油压仍然维持不变，推动活塞杆4顶住机床滑枕连接板24，同样将油压力作用在其上以平衡自重。机床正常工作状态中，大弹簧13一直处于压缩状态。

当机床在工作中一旦断电时，见附图中的右半部所示。Z轴伺服电机制动器抱紧电机轴及丝杠以防止滑枕下蹿，液压站补偿油路失去压力，油腔F处于卸荷状态，此时大弹簧13在弹簧力的作用下迅速向上伸展，推动推环11、推块10、推杆12向上运动，推杆12再通过限位套20带动小弹簧19推动挡圈18和堵杆9一起向上运动，堵杆9的上端面紧贴到连接盖8后停止运动，使油腔E封闭；与此同时，推杆12在大弹簧13的作用下，仍继续向上运动并伸进连接盖8中，对密闭的平衡油缸油腔E的空间进行压缩，使平衡油缸获得一个额外的压力补偿，以弥补油路的压力损失，从而保持平衡油缸的原有压力不变，保证机床不会因断电而引起滑枕下蹿。

机床在断电过程中，虽然从机床断电到电机制动器抱紧电机轴需要一定的时间，但由于大弹簧13的弹簧力很大，且堵杆9的上端面带有密封圈，机床一断电，大弹簧13就迅速带动堵杆9将连接盖8中油腔E的进油口堵死，反映时间远小于液压控制系统中的截止阀，平衡油缸中压力油的压力损失很小，不会因机床断电而引起滑枕下蹿。大弹簧13对堵杆9的压力是持久不变的弹簧力，在大弹簧13的压力作用下，堵杆9与连接盖8的端面贴合非常紧密，完全做到了无泄漏，可以将平衡油缸中的油长久封闭。再加之，推杆12还可对平衡油缸增加一个额外的压力补偿，以弥补机床断电瞬间的压力损失，进一步增强平衡油缸保压的可靠性。这样即使机床长期停电，平衡油缸中也会保持有足够的液压力，使滑枕不会有任何下滑。推杆12伸进连接盖8中的行程，等于限位套20和挡圈18之间的间隙，可通过即位套20和螺母21来进行调整。

压力补偿机构与平衡油缸之间可通过上述方式刚性联接，也可通过油管进行柔性联接。即在连接盖8与油缸后盖7之间用一个柔性的油管进行联接，使压力补偿机构可作为一个整体部件灵活地放置在别处，这样可以减少平衡油缸直接作用于滑枕部分的尺寸。

2 结论

在现有平衡油缸的基础上，创新增加一个补偿装置，以确保机床在断电时，在弹簧力的作用下，一方面，立即封堵平衡油缸的油腔以防油压缺失；另一方面，同时再给平衡油缸的油腔补充一个附加的压缩力，保证平衡油缸拥有足够、稳定的液压力，使滑枕不下蹿。该设计较好地克服了现有龙门加工中心Z轴滑枕平衡油缸的不足，设计方案已经在江苏恒力组合机床有限公司VMC龙门系列加工中心设备上得到成功的应用。

参考文献：

[1]王少怀.机械设计师手册[M].电子工业出版社，2006（08）.

[2]杨培元，朱福元.液压系统设计简明手册[M].机械工业出版社， 2003（07）.