｜油液靜壓導螺桿技術探討

摘要：液靜壓導螺桿系統的油腔製作於螺母上，螺母的油腔使用孔口、毛細管的定常節流器或等流量補償壓力以及使用單向薄膜型式、單向滑桿型式的可變節流器，本文探討液靜壓導螺桿技術的理論及實務，介紹此系統(與軸承)設計、分析及製作方法、系統之測試方法，以及介紹液靜壓導螺桿系統驗證方案的規劃。

Abstract: The recesses of hydrostatic screw system are manufactured on the nut, which use constant restrictors such as orifices, capillaries, or constant flow to compensate their pressures. Also, variable restrictors such as single-action membrane-type or spool-type can be used. This article introduces the theory and practice of hydrostatic screw technology which involves design, analysis, manufacture, test, and verified plan of system performances.

關鍵詞：液靜壓螺母、導螺桿、毛細管節流器、孔口節流器、薄膜節流器、滑桿節流器、節流參數、順從係數、伺服承載、伺服剛度、液靜壓錐面軸承

Keywords：hydrostatic nut, lead screw, capillary restriction, orifice restrictor, membrane-type restrictor, spool-type restrictor, restriction parameter, compliance coefficient, servo capacity, servo stiffness, conical hydrostatic bearing

前言
液靜壓潤滑的軸承，不論運用在主軸、導軌、以及導螺桿等傳動元件上面時，均能展現出高承載（每單位面積可達數百萬Newtons）、高剛度（可超過109 N/m）、高阻尼抗震能力、高精度（主軸迴轉精度、導軌及導螺桿真直度及重複精度0.1μm以下）的性能，同時在接近零速時的加減速時沒有膠著滑動（stick slip），以及其低摩擦特性使得進給可以被高速化，且靜壓的完全油膜保護金屬表面在起動及停止時避免磨耗，提供長效的使用壽命，因此可以廣泛的被應用在精密的量測儀器或工具機上。

大型工具機的迴轉工作台或平移工作台的導軌更適於採用油靜壓止推軸承，大型迴轉台通常直徑超過時5μm，本身重量連同加工件從數十噸至數百噸，因此需使用兩排繞圓周排列，每排至少十個的油腔，迴轉台在0.1~10 rpm的速度下旋轉，其傳動採用油靜壓蝸桿及蝸輪，平移傳動則使用靜壓螺桿齒條，生產大型工具機的公司例如日本東芝、美國Ingersol，特別的是中國大陸的一些大型工具機廠，近年來取代了世界上某些先進工廠從1960、70年代起建立的油靜壓市場地位。

在較小型的精密加工機上，球面、非球面、圓柱面加工車床均有採用了靜壓軸承的型式，其中選配若主軸和頂心軸均採用了靜壓軸承時，使工件由靜止加速至2500 rpm只需2秒，除了完工表面可以達到鏡面的效果之外，更可以縮短一半的加工時間。各種型式的外圓磨床、平面磨床、無心磨床的砂輪主軸及導軌採用油靜壓軸承時，因為高的線速度（高轉速及大直徑砂輪）、重磨削（雙頭加工如圖1所示、大進給）的達成，得以磨完全取代了車削的前置作業，以及得到鏡面的效果，此外，其加裝的迴轉平台亦可以採用油靜壓軸承。

台灣有些工具機廠或磨床專業製造廠這些年來也具有了國際水準的技術，同時也供應少量規格的油靜壓軸承及其主軸或導軌的產品，給工具機製造廠作為配套模組之用，例如台中的邁斯公司不但供應外圓、無心及平面磨床的標準油靜壓主軸及導軌產品（如圖2所示），並且具有世界級例如日本TOYODA，瑞士KELLENGERBER、STUDER，以及德國TSCHUDIN、ELB等磨床、大型立銑、大型車床（如圖3所示）等工具機的舊品翻修改造能力，翻造過後的產品媲美於原廠的性平移伺服傳動則可以採用靜壓導螺桿，在伺服方向具有靜壓軸承所有的優點，除了對於顫振的抵抗有無以倫比的能力，並且具有高速進給的特性。高速進給使用的三種型式，其一之滾珠導螺桿有先天上剛度不足，低速時膠著滑動、重覆精度差的缺點;另一的線性馬達具有控制系統複雜、自鎖能力差的缺點，因此第三種型式的油靜壓導螺桿是可被期望的，只是靜壓導螺桿也有其天生的缺點，如螺母油腔難以加工，螺紋精度影響承載能力、剛度及阻尼等性能，德國的Hyprostatik公司生產導螺桿模組，並提供設計服務搭配工具機廠使用其產品，協助國內工具機廠開發全靜壓系統的工具機，日本不二越公司也供應標準化了的靜壓螺母及其導螺桿。此外，靜壓軸承及主軸產品除了這兩家之外，另有瑞典的SKF公司、德國的FAG公司等有標準化了的商品供應。

油靜壓導螺桿的油腔一律製作在螺母上面，將螺母的螺紋兩側表面加工成凹槽的油腔，用來蓄滿經由外部加壓過的潤滑油，以供給潤滑油通過螺母與導螺桿兩螺紋表面之間的間隙，形成完全油膜，然後流出此間隙回到油箱，繼續其靜壓潤滑油的循環。
潤滑油被加壓供給至螺母油腔，在進入油腔之前，需要經過螺母之外管及內孔，才能到達，加壓潤滑油供給螺母油腔的型式有兩種，第一種型式如圖4（a）所示，使用於孔口節流器或短的毛細管節流器，將節流器直接安裝在橫向支流內孔的中段被作出的內螺孔上，加壓油經外管進入縱向及周向的主流內孔，再分支到橫向的支流內孔，分支後的加壓油在橫向內孔中通過節流器調節壓力，然後經橫向內孔支流的最後一段進入油腔。

第二種型式使用於較長的毛細管或各種型式的可變節流器，如圖4（b）所示，以外管將加壓油供應到節流器之入口處，節流器作成總成閥式裝置，毛細管可以一部分進入支流的橫向內孔中，一部分在總成閥體內，閥體具有毛細管有效節流長度的調節機構（閥體總成及其調節機構請閱參考文獻1至7之專利），加壓的潤滑油經節流器調節壓力之後，再經過支流的橫向內孔到達油腔。