液体静压、动静压技术在我国机床的发展历史及现况

上海原创精密机床主轴有限公司 丁振乾

静压支承具有高精度、高刚度、长寿命等一系列优点而得到人们的重视和广泛应用。最早的液体静压支承的雏形是在1878年巴黎国际博览会上展出的能灵活浮动的展品。1938年美国加利福尼亚洲的帕罗马尔山天文观测站在200英寸天文望远镜上，首次成功地应用液体静压推力轴承。该望远镜重量为500t，转速为1转/天，但驱动功率仅需70W。1945年法国工程师P.Gerard发明了向心静压轴承，并于1948年成功地应用于Gendron磨床砂轮主轴上，在以后的几十年中，静压技术迅速发展，应用范围不断扩大，几乎遍及于整个机械制造行业，包括仪器、冷轧机、雷达天线座等民用与军工的设备上。

为制造精密磨床，国内上海机床厂于1958年首先开展该技术的研究。随后1959年广州热带机床研究所成立，1962设立专业研究室。经过五十多年的发展目前该技术已达世界先进水平，不但给新产品设计提供性能良好的轴承，提高了机床及设备的精度和效率，也为旧设备的精化改造提供了技术保证。以下本文略述我国机床静压技术的发展过程及现况。

一、原理验证阶段 (1958～1960)

当时毛细管节流及小孔节流静压轴承国外虽有理论公式，但在机床上的应用实例不多，对于轴承及节流器的具体结构参数甚至缺少资料。因此只能根据已有的资料对静压轴承进行原理验证，以探讨在磨床上应用的可能性。

第一套静压轴承是装在一台外圆磨床砂轮架上，通过试验，初步验证了计算公式。以后在上述试验基础上又制造了小孔节流静压轴承砂轮架，供三台磨床 (M7120及M7150型卧轴矩台平面磨床、Y7520W型万能螺纹磨床)生产试用。如:M7120型平面磨床砂轮架轴承，以0.05～0.10mm的进给量磨削硬度为48HRC的45钢，一次走刀，光洁度即达▽9。以0.01mm的进给量磨削HT200铸铁件时，可磨出▽10光洁度，比原动压支承提高一大级。上述试验证明，静压轴承应用在磨床上是完全可行的，从而为静压支承的进一步试验及应用打下了基础。

二、生产性试验阶段 (1961～1968)

由于当时没有精密滤油器，在这个阶段遇到的最大困难是节流器的阻塞而引起抱轴，使静压轴承无法正式用于商品，后来用180#细密铜丝外绕6层绒布及2层稠布制成的滤油器勉强解决阻塞问题，节流形式方面除小孔外又引入了圆截面毛细管及滑阀节流等。

1959年广州热带机床研究所成立，由上海机床厂调往该所的工程师在1962年组建静压研究室，此项技术的研究与应用得到有力的推动。与此同时，国内无锡机床厂等其他磨床厂也开始对静压轴承进行试验，此项技术得到磨床制造业普遍重视。

1965年上海机床厂在H075型轴承环磨床的头架上应用静压轴承，使被磨工件的内外圆的不圆度达0.5μm、光洁度达▽12作为第一台商品跨出成功的一步。此时，广州机床研究所进行小孔节流的研究，并将其用在机床改造上。1966年英国W.B.Rowe等发明了双面薄膜节流器，由于其刚度明显高于毛细管、小孔等节流器而得到重视，但当时理论公式未建立，只能用试凑法寻找最佳刚度，从而限制了生产上的应用。

这个阶段对理论的研究只限于消化国外的有关资料，因此只限于节流器结构形式的试验及磨床产品试验阶段，未能大量应用于生产。

三、重视理论研究和大量推广阶段(1969～1984)

为了解决生产中存在的参数选择而推动对静压轴承可变节流器 (薄膜、滑伐节流)的设计参数的理论研究，六十年代末原广州热带机床所推导出滑伐节流及薄膜节流的参数选择公式，与此同时上海机床厂提出薄膜节流的参数选择的简化公式和薄膜制造工艺，这些理论公式的建立给推广带来很大方便。

广州机床研究所在研究和推广的热潮中起到组织带头作用，帮助国内机械制造业 (包括机床、工具等)许多企业推广静压技术并在许多工程项目上应用，取得良好成果。如:帮助武汉重型机床厂将滑阀节流静压轴承应用于重型车床，将小孔节流静压轴承应用于广州机床厂生产的外圆磨床等机床产品中，同时还在成都量具刃具厂和洛阳拖拉机厂大量进行技术改造，作为推广的样板。

上海机床厂用自己的研究成果陆续开发了六十余种应用静压技术的新产品，如MG1432A外园磨床光洁度稳定达▽14，S7450丝杆磨床上应用了静压轴承，静压丝杆螺母、静压导轨，M82100大曲轴磨床在砂轮架及头架上应用静压轴承等产品，同时在磨床等行业中推广薄膜节流静压轴承。

1973年6月在广州召开的全国静压技术会议上，对于静压轴承的理论计算、推广及应用进行了交流，带动了全国静压轴承技术的研究及推广应用，使这项由当时一机部范围内的研究及应用成果推广到其他部门，全国形成静压轴承研究和推广的热潮。在其他行业的推广应用中，原三机部利用一机部的经验，在北航组建了流体原理与应用研究室为静压技术推广的技术指导单位，在原三机部系统内改造旧设备取得良好成效。

这是一次影响深远的盛会，由于静压技术的推广应用使我国机床的水平有了明显的提高，会后制造出许多新产品。沈阳第一机床厂用薄膜节流静压轴承制造出高精度磁盘车床;航空部六二五所用薄膜节流静压轴承研制成功高精度球面车床;无锡机床厂制造出高精度无心磨床;上海仪表机床厂用小孔节流静压轴承制造出高精度车床;广州机床所的M8240曲轴磨床;上海机床厂的高精度轴承环磨床及硒鼓车床等产品，此后这种交流活动频繁开展。

在生产中的扩大应用给理论研究提出的新课题，使理论计算方面取得很大进展，如:广州所的大位移承载能力及刚度计算;上海机床厂建立任意油腔数各种节流器所通用的动静态普遍公式，此公式体现了静压轴承各种结构形式与节流形式的内在联系和规律性，并对W.B.Rowe的“液体静压轴承的设计步骤”中的计算公式的错误作了修改。当时对于动态特性问题的研究给于特别的重视，广州所与华师大合作对于阶跃载荷及频率特性、稳定性等进行研究;上海机床厂与上海师大合作对薄膜节流的动态特性进行研究，得到有用的结论，尤其是认识到油液中残留空气对轴承性能的严重影响，将原来装在油腔的压力表取消，大大提高动态性能。由于认识到以往研究静压支承的主要工作放在节流器上，将静压轴承与动压轴承人为地远远分开是不利于静压轴承发展的，因此开始重视对油腔结构的研究。电子计算机的发展使得在计算方法上从解析开始进入用差分法和有限元素法进行数值解，从而提高计算的精确度，并能较精确地解决以前用简化计算所难于解决的问题。

在结构方面，英国的沟槽节流首先由汉江机床厂应用，苏联的内部节流形式也曾引起注意。上海机床厂将其进行改进并应用于M84160轧辊磨床等产品。日本丰田工机的腔内回油也曾引起重视，对其回油孔的布局、动压效应等做深入的研究也应用于产品上。广州所和武重对静压技术的另一分支定量供油式静压支承的研究也取得良好成效，并成功应用于重型机床上。另一方面作为静压支承应用的扩大，利用静压油腔在受力时的压力变化作为信号用于测量上也在进行试验，如:汉江机床厂在螺纹磨床对刀装置，陕西机床厂用于试验微进给装置。

这些研究的成果丰富了静压技术的理论:在70年代中期由部局组织编写的《机械工程手册》中的静压技术的有关章节由广州机床研究所主笔;《机床设计手册》的有关静压技术的章节，由上海机床厂主笔;广州机床研究所改版了《液体静压轴承原理及应用》;八十年代初北航编写了教材“液体静压支承原理与设计”。这期间在《机床与液压》、《润滑与密封》、《磨床与磨削》、《设备维修》等杂志上发表有许多静压技术的文章。为了推广技术曾召开许多全国性的静压技术交流会，规模一次比一次大，水平一次比一次高。值得一提的有，1973年6月在广州召开的全国静压技术会议，其影响极为深远，对于静压轴承的理论计算、推广及应用进行了交流，带动了全国静压轴承技术的研究及推广应用;1980年由摩擦学会、设备维修学会联合在成都召开全国静压技术交流会，总结了七十年代静压技术推广应用的经验和教训，提出了动静压技术研究和专业化生产的方向。

四、动静压轴承、静压轴承应用的扩大和商品化 (1985～)

随着静压轴承的应用和研究的深入，对静压轴承在高转速时的动压效应引起重视，如何更有效地利用动压力节省能源是个值得重视的问题。国外大型冷轧机及大型立车等重型设备上应用静压启动，动压工作的动静压混合轴承。七十年代中期起广州机床所研究动静压轴承用于球磨机、轧机、发电机等重型设备上。对磨床而言，高的转速所带来的动压效应不可忽视，并在动态特性的研究中得到的不同节流器，虽然静态油膜刚度不同，但在高频下具有几乎相同的动刚度，而油腔的结构却是决定动刚度的主要因素，于是在上海机床厂开展了磨床动静压轴承的研究。

1976年上海机床厂研制成功两类多油楔动静压轴承，即HSDB-R及HSDB-1，前者为带外节流的将原静压轴承的深油腔改进为阶梯或收敛曲线浅油楔的动静压轴承，后者为利用阶梯节流及阶梯油楔的无外节流的自节流动静压轴承。这两种轴承的性能明显超过静压轴承，并曾作为机密技术，大量在磨床新产品上应用，取得了良好成效。三十多年来得到越来越多的应用，迄今仍是性能最佳的应用于精密机床的动静压轴承。例如用于外圆磨床上达到镜面 (▽14)所需的时间比静压轴承节省一半以上，用于头架上能磨出不圆度0.1μm以下的工件。这项技术直到1980年在成都召开的全国静压技术交流会上才对外发表，引起同行的重视，其后国内转向动静压轴承的研究。

在此以后出现的动静压轴承几乎都类似于上述两种动静压轴承，动压油楔几乎都是阶梯油楔和静压的自节流形式，仅形成自节流形式有些改变，例如北航在八十年代中提出的孔式环面节流的结构，应用于磨床改造。北京第二机床厂在研究动压轴承过程中对于阶梯油楔的加工工艺的成果，对该类动静压轴承的推广起了积极的作用。

在单油楔动静压轴承方面也有新的发展，例如:WALDRICH的三油腔动静压轴承应用于轧辊磨床中效果良好。

八十年代中期，随着国家体制改革的深入和动静压技术的成熟，设备改造的需求促使我国液体动静压轴承主轴部件出现专业化生产:北航成立的北京中航设备改造研制厂，从对于航空系统的企业中的旧设备技术改造入手，逐步形成主轴单元商品化而进入小批生产;岳阳机床厂主轴功能部件研究所的双锥面静压轴承部件，作为专用部件增加机床的功能，加装在如龙门刨等普通机床上磨削机床导轨、大型平面、内孔、外圆，社会效益可观;上海机床厂在七十年代末期开始对各类磨床进行改造，效果显著;上海引进设备维修中心、得宝机床 (北京)有限公司对轧辊磨床等各类磨床及多轴镗头等进口设备进行改造收效良好;广州机床研究所针对一些机床厂的需求也供应部分主轴部件商品。

随着大型机床的发展液体静压导轨的应用也逐渐增多，尤其是国外商品化的定量供油装置给静压导轨的应用创造了条件。

1994年由以上几家发起，得到中国机床工具工业协会批准，成立了滑动轴承主轴单元专业委员会。2003年2月，为使主轴功能部件行业进一步发展，适应机床行业的需要，更名为主轴功能部件专业委员会，使此技术的交流日趋增多，使主轴功能部件行业逐步发展壮大。目前从事专门生产动静压混合油膜轴承及其主轴功能部件生产的主要厂家有:上海原创精密机床主轴有限公司、北京航空精研机电技术有限公司、北京北航精密机电有限公司，北京东方精益机械设备有限公司、岳阳科梦科技有限责任公司、湖南普来得机械技术有限公司、无锡市新风轴瓦厂等单位。

当前动静压轴承的商品化十分火热，但也存在着忽视技术开发的倾向，以致于技术水平长期停滞不前，使进一步的应用和推广受到影响。为此专业委员会多次呼吁重视技术开发并组织交流，通过技术培训等形式推广成熟的结构，使这项技术发展得更好。

五、世界领先的技术

我国对静压技术的研究及应用已有五十年历史，对基础理论的研究相当深入，应用也十分广泛，品种俱全，静压主轴、动静压主轴、静压丝杆、静压导轨都有成熟的产品，在技术上已打下了坚实的基础。如以下例子可以证明本领域的现状已达到世界先进水平:

(1)国外机床厂规模小，开发能力有限，研究、设计多依靠大学，所用的静压轴承大都是毛细管或小孔节流的四油腔的结构，有些甚至于不符合基本理论，然而进口静压主轴的售价惊人，往往要几万甚至十几万美元1套，但在性能上也未见优越。作者长期从事进口机床主轴的国产化改造，几乎对世界各国名牌机床厂的静压主轴都用自主开发的HSDB动静压轴承进行国产化改造，其性能都能达到或超过原装新主轴水平。

(2)我国开发的多油楔动静压轴承在1983年英国召开的“24届国际机床设计研究会” (24th、M、T、D、R、)上发表，虽然后来国外也有类似的结构，但无论是日本的丰田、琦玉大学的结构及美国专利，从发表的时间上都比我们迟，结构布局上也有许多不到之处。笔者发表的动静压轴承，静压导轨的文章被译成外文在杂志上发表。

(3)在应用方面，无论是从精度、承载能力上都能达到世界先进水平并具有相当的开发能力。例如:风电行业及轴承行业所需的大型立式内外圆磨床的转台是国内空白，进口价约为转台直径每厘米1万欧元 (例如转台直径1600mm的售价为170万左右欧元)，尤其是大尺寸 (1.5m以上)转台 (要求回转精度1μm左右)用滚动轴承不能满足要求，自主开发的静压转台其精度及承载力均不低于进口设备，可满足这一类机床实现国产化大量生产的要求，替代进口。SKF现在也购买中国的该类机床产品。

(4)闭式静压导轨功能部件在国外机床上也被作为新鲜的事说得非常神秘，国人也跟着宣传盲目崇拜，其实国内早已有应用，又如国外静压支承的节流器PM阀，其原理类似于单面薄膜节流器，这种技术国内在六十年代就有深入的研究与应用，而他们只有二十年的历史。

以上几例足以证明在本领域我们并不落后，因此笔者常在文章中强调:虽然从总体上来看我国的机床工业水平落后于发达国家，但在精密机床静压、动静压技术方面却占领先地位。

最近高档数控机床专项的技术要求中许多关于静压轴承、静压导轨的性能要求，有相当一部分在以往的研究及应用中已达到，还有一些尚待开发，由于我们有扎实基础，只要国外能达到的我们一定能达到，国外未达到的通过我们积极开发也能达到。

六、结语

本届专业委员会以“竞争、交流、共谋发展”的主题思想促进行业技术发展，加强技术推广和普及工作，将优质可靠的主轴功能部件产品供给主机厂，为我国机床产品的升级换代增强国际市场上的竞争力，提供有力的技术保障，为民族争光。

由于收集的资料有限，不到之处在所难免，敬请批评指正。