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高精度高刚度静压轴承的设计

2022-04-17 作者:火狐体育官网   来源:火狐体育官方网站app

  静压轴承是滑动轴承的一种, 是利用压力泵将压力润滑剂强行泵入轴承和轴之间 的微小间隙的滑动轴承。静压轴承和滚动轴承相比,它的振动小,加工工作表面精度 要求高而且它回转轻巧,空气粘度低,摩擦小,发热和变形也小,适用于高速、高精 度的场合。而且它耐寒耐热,具有独特的干净和方便特性,对环境无污染,其无需考 虑密封问题。 本文为了使主轴部件适合超精密切削加工的要求, 研究了多种高精度高刚度流体 静压轴承。 首先,分析了超精密机床对主轴系统的要求,并根据超精密加工切削力的大小进 行主轴刚度分析。同时研究了驱动电机类型和驱动方式的选择原则。其次,给出了小 孔节流型液体静压和气体静压轴承的工程计算方法, 并分别计算液体静压径向和止推 轴承以及气体静压径向和止推轴承的承载能力和刚度。 同时简要介绍了新型多孔质气 体静压轴承。最后,根据上述研究成果,给出了三种流体静压轴承的优缺点,为超精 密机床主轴箱的选择提供了重要依据。

  精密和超精密加工技术的发展,直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发 展, 因此世界各国对此都极为重视, 投入很大力量进行研究开发, 同时实行技术保密, 控制关键加工技术及设备出口。随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和 激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用,对各种高精度复杂零件、光学零件、高 精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。目前国外已开发了多种精密和超精 密车削、磨削、抛光等机床设备,发展了新的精密加工和精密测量技术。 我国目前已是一个“制造大国”,制造业规模名列世界第四位,仅次于美国、日本 和德国,近年来在精密加工技术和精密机床设备制造方面也取得了不小进展。但我国 还不是一个“制造强国”,与发达国外相比仍有较大差距。我国每年虽有大量机电产品 出口,但多数是技术含量较低、价格亦较便宜的中低档产品;而从国外进口的则大多 是技术含量高、价格昂贵的高档产品。目前我国每年需进口大量国内尚不能生产的精 密数控机床设备和仪器,例如,2003 年我国进口了价值 41.6 亿美元的机床,而出口 机床仅为 3.8 亿美元,且主要为低精度的普通机床。2004 年我国进口机床为 57.8 亿 美元,出口机床仅为 5.2 亿美元。2005 年我国机床总产值约为 50 亿美元,出口机床 为 8 亿美元,而进口机床则达到 67 亿美元。 由于国外一些重要的高精度机床设备和仪器对我国实行封锁禁运, 而这些精密设 备仪器正是我国发展国防工业和尖端技术所迫切需要的,因此,为了使我国的国防和 科技发展不受制于人,我们必须投入必要的人力物力,自主发展精密和超精密加工技 术,争取尽快将我国的精密和超精密加工技术水平提升到世界先进水平。

  研发超精密机床是发展超精密加工的重要前提条件。 近年来发达国家已成功开发

  了多种先进的超精密加工机床。超精密机床的发展方向是:进一步提高超精密机床的 精度,发展大型超精密机床,发展多功能和高效专用超精密机床。美国是开展超精密 加工技术研究最早的国家,也是迄今处于世界领先地位的国家。早在 20 世纪 50 年代 末, 由于航天等尖端技术发展的需要, 美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术, 称为“SPDT 技术”(Single point diamond turning)或“微英寸技术”(1 微英寸=0.025 μm) 并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床, , 用于加工激光核聚变反射镜、 战 术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件等。美、英、德等国在上世纪七十年代(日 本在八十年代) 即开始生产超精密机床产品, 并可批量供货。 在大型超精密机床方面, 美国的 LLL 国家实验室于 1986 年研制成功两台大型超精金刚石车床: 一台为加工直 径 2.1m 的卧式 DTM-3 金刚石车床,另一台为加工直径 1.65m 的 LODTM 立式大型 光学金刚石车床。其中,LODTM 立式大型光学金刚石车床被公认为世界上精度最高的 超精密机床。美国后来又研制出大型 6 轴数控精密研磨机,用于大型光学反射镜的精 密研磨加工。英国的 Cranfield 精密加工中心于 1991 年研制成功 OAGM-2500 多功能 三坐标联动数控磨床(工作台面积 2500mm×2500mm),可加工(磨削、车削)和测 量精密自由曲面。该机床采用加工件拼合方法,还可加工出天文望远镜中直径 7.5m 的大型反射镜。日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚,但却是当 今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本的研究重点不同于美国,前者是以民 品应用为主要对象, 后者则是以发展国防尖端技术为主要目标。 因此, 日本在用于声、 光、图像、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面,是更 加先进和具有优势的,甚至超过了美国。 1.1.3 国内超精密机床的发展情况 在过去相当长一段时期,由于受到西方国家的禁运限制,我国进口国外超精密机 床严重受限。但当 1998 年我国自己的数控超精密机床研制成功后,西方国家马上对 我国开禁,我国现在已经进口了多台超精密机床。 我国北京机床研究所、航空精密 机械研究所、哈尔滨工业大学等单位现在已能生产若干种超精密数控金刚石机床,如 北京机床研究所研制的加工直径 800mm 的超精密车床和哈尔滨工业大学研制的超精 密车床,这两台机床均有两坐标精密数控系统和两坐标激光在线测量系统,可以加工

  非球回转曲面; 还有哈尔滨工业大学研制了加工 KDP 晶体大平面的超精密铣床。 KDP 晶体可用于光学倍频,是大功率激光系统中的重要元件。必须承认,在超精密机床技 术方面,我们与国外先进水平相比还有相当大的差距,国产超精密机床的质量水平尚 待进一步提高。在大型超精密机床方面,目前美、英、俄等国都拥有自行开发的大型 超精密机床,而我国由于没有大型超精密机床,因此无法加工大直径曲面反射镜等大 型超精密零件,国外对这些大型超精密零件的出口有严格限制,从而严重影响了我国 国防尖端技术的发展。现在我国正在加紧研制加工直径 1m 以上的立式超精密机床。 在多功能和高效专用超精密机床方面,目前我国基本上仍是空白。

  超精密加工机床的主轴在加工过程中直接支持工件或刀具的运动, 故主轴的回转 精度直接影响到工件的加工精度, 因此可以说主轴是超精密加工机床中最重要的一个 部件,通过机床主轴的精度和特性可以评价机床本身的精度。传统的方法是应用液体 静压轴承,因其具有精度高、承载能力大、刚性好等优点,液体静压轴承技术至今已 经发展的比较成熟, 但是其本身固有的缺点 (如污染大、 对温升敏感等) 仍无法克服。 目前研制开发的超精密加工机床的主轴精度最高的是空气静压轴承主轴, (磁悬浮轴 承主轴也越来越受到人们的重视,其精度在迅速的提高),空气轴承主轴具有良好的 振摆回转精度。目前高精度空气轴承主轴回转精度可达 0.05μm,最高可达 0.03μm。 由于轴承中支承回转轴的压力膜的均化作用, 空气轴承主轴能够得到高于轴承零件本 身的精度,例如主轴的回转精度大约可以达到轴和轴套等轴承部件圆度的 1/15— 1/20。另外,空气轴承主轴还具有动特性良好、精度寿命长、不产生振动、刚性/载荷 量具有与使用条件相称的值等优点。但是在主轴刚度、发热量与维护等方面需要做细 致的工作,纳米级回转精度的空气轴承主轴,除空气轴承的轴及轴套的形状精度达到 0.15—0.2μm,再通过空气膜实现的均化作用外,还需要保持供气空流出的气体的均 匀性,供气空数量、分布精度、对轴心的倾角、轴承的凸凹、圆柱度、表面粗糙度等 不同,均会影响轴承面空气流动的均匀性,而气流的不均匀是产生微小振动的直接原 因,从而影响回转精度。要改善供气系统的状况,轴承材料宜选用多孔质材料,这是 因为多孔质轴承是通过无数小孔供气的, 能够改善压力分布, 在提高承载能力的同时, 改善空气流动的均匀性。多孔质材料的均匀性是很重要的,因为多孔质供气轴承材料

  内部的空洞会形成气腔,如不加以控制会引起气锤振动,为此必须对表面进行堵塞加 工。

  根据机床总体论证方案及精度分配要求, 对支承主轴的滑动轴承的工作性能及结 构参数技术指标要求如下: 径向圆柱轴承: 径向跳动:≤0.05μm 径向刚度:≥300 N/μm 转速范围:0~3000 r/min 轴向止推轴承: 轴向跳动:≤0.05μm 轴向刚度:≥300 N/μm

  1.回转精度高 评价机床本身的精度的一个重要指标是机床主轴的精度。 超精密切削机床主轴的 回转精度直接影响到被加工工件的面形精度和表面精糙度。为了使面形精度达到 0.1~0.3μm,表面精糙度达到 0.01μm,要求主轴的回转精度应达到 0.05μm。可以考虑 采用的主轴形式有空气静压轴承、液体静压或动静压轴承以及磁悬浮轴承等,液体静 压轴承的回转精度一般为 0.1μm, 高精度的可达 0.05μm, 而当主轴圆度达到 0.1~0.2μm 时由于气浮误差的均化效应,气浮主轴的回转精度可以达到 0.05μm,从精度方面考 虑空气静压轴承更容易满足需要。 驱动系统的精度及驱动方式对主轴的精度也有很大的影响。 超精密切削机床主轴 驱动系统就应具有以下特点:驱动电机的振动、噪音和发热应消除、减小或隔离,主 轴只受纯力偶作用,而不受径向力、轴向力和弯矩等干扰。 2.具有合适的刚性和承载能力 作为超精密加工机床的主轴,总的原则是应具有高刚性和一定的承载能力,但是 对于不同的超精密机床,应分别对待。例如超精密车床,负载相对较小,使用一般结 构的空气静压轴承,其刚性和承载力完全能满足使用要求。 3.动态特性良好,不产生振动 当静压轴承高速回转时,由于动压效果,轴承内气膜或油膜的压力会出现不稳定 现象,产生与静态振摆完全不同的回转振摆现象,产生振动的频率为:

  I——回转轴惯性矩。 所以设计主轴转速时,首先应避免这一转速,同时有研究表明:空气轴承转速达 到 fp 的二倍时,由于气膜的动压效果,轴会丧失其稳定性从而卡死,这时轴的回转速 度称涡动危险速度,所以设计时应保证砂轮主轴实际速度低于涡动危险速度。 同时由于回转轴质量分布不匀,转动时也会产生振动。除此之外,主轴驱动系统 的振动也必须避免。为了 减小或避免以上不利影响,首先所有回转部件需经过精密 动平衡,其次在主轴驱动方式上也可以采取一定的措施。 4.发热量小,精度寿命长 作为超精密机床的主轴,其热变形必须充分加以考虑。采用空气轴承和液体轴承 进行切削加工,均应考虑发热对加工精度的影响。要控制其发热,一可以严格控制静 压介质温度,二可以采用低膨胀系数材料,同时轴和轴套的膨胀系数相近,避免轴承 间隙发生变化。轴承材料可选择铟钢、花岗岩或 ZeroDur 制作主轴,三可以合理安排 止推轴承的位置。

  超精密机床切削加工时,工件的尺寸精度、表面形貌精度和生产率很大程度上取 决于主轴部件的刚度。影响主轴的刚度有三部分;主轴本身的刚度;流体静压轴承的 刚度;支承部分的接触刚度。(这里着重分析流体静压轴承的刚度) 流体静压轴承有旋转精度高,发热小及噪音低等优点,但刚度一般较低。然而超 精密加工的切削力远远小于精密加工,例如用金刚石超精密单点切削有色金属,当切 削深度只有数微米时,切削力仅为几克力到几十克力。超精密切削硬脆光学材料时, 以单晶硅为例,有试验表明在临界切削深度大约 100nm 以下时,切削力为 15g,长度 225mm,直径 200mm 的空气轴承的径向刚度可以做到 300 N/μm,所以由于切削力所 引起的变形量比切削深度小两个数量级。 从上面初步分析可以看出, 在超精密切削时, 利用流体静压主轴的方案基本是可行的。

  由于高精度的恒温控制系统在技术上还存在一定难度,而且势必会增加成本,所 以为了减小轴承发热对切削加工精度的影响,就必须从主轴的根本结构上进行改进。 主轴电机伺服驱动部件是数控系统中与机械直接有关的部分, 它们的性能决定机床主 轴的基本控制特性,它们的价格也占整个数控系统的很大部分,所以正确、合理地选 择可靠的伺服驱动部件对提高产品的功能价格比起着重要的作用。 驱动方式直接影响 超精密机床的主轴回转精度, 因此主轴电机和驱动方式的选择是一个必须给予充分重 视的问题。 1.主轴结构的设计 空气静压轴承在高速转动时,温升相对于液体静压轴承小的多,造成的热变形误 差很小。为了减少热变形对加工精度产生的影响,一方面选用热膨胀系数低的材料制 作空气静压轴承;另一方面要合理确定止推轴承的布置位置。在超精密空气轴承支承 的主轴设计中,对径向静压轴承,要特别注意轴承支承结构的合理性。否则,即使轴 承本身性能优越,轴承的布置不合理也会对加工精度产生严重影响。主轴刚度对于气 体轴承支承的同心度非常敏感,如同心度差,主轴刚度成倍下降。止推轴承的布置, 要尽可能减小定位长度,并要设置在一个合适位置,以确保定位精度。此外,在结构 上要保证推力轴承中心线与径向轴承的性能。为了减少温度的影响,可以将推力轴承 设置在两个支承的一侧,这样布置对刚度略低,但轴向定位精度高、稳定,几乎不受 温度变化的影响。 流体静压轴承主轴的结构如图 2-1

  2.主轴电机的选择 主轴的自动无级调速是超精密数控切削机床必备功能。 采用伺服电机实现主轴无 级变速,可以省去一些齿轮和传动机构,减少了发热、振动等影响加工精度的问题。 但是为了提高主轴低速运行时的功率,必须采用更大功率的伺服电机。主轴电机的选 择一般要求在某速度下为恒转矩,某速度以上为恒功率,这样在低速时可满足必要的 切削转矩。输出功率是主轴电机负载能力的指标。电机的功率特性为了满足主轴低速 时的功率要求,一般采用齿轮箱变速,使主轴低速时的电机速度也在基本速度以上, 此时机械结构较为复杂, 成本也相应增加。 在主轴与伺服电机直接连接的数控机床中, 有两种方法来提高主轴低速时的功率要求, 其一是选择基本速度低的主轴电机或额定 功率一档的主轴电机。其二是采用特种的绕组切换式主轴伺服电机,这种电机的三相 绕组在低速运行时接成星形,而在高速运行时接成三角形,从而提高了主轴电机的低 速功率特性,降低主轴机构部件的成本。 主轴伺服电机可以选择直流伺服电机和交流伺服电机, 但是对于这两种电机的特

  点一直存在不同看法,所以有必要对这两种电机做一下比较。 (1)直流伺服电机系统 直流伺服电机作为驱动器,可以采用脉冲编码器、旋转变压器、光栅、感应同步 器或测试发电机作为位置或速度检测器件,构成高精度、高性能的半闭环或闭环控制 系统,控制电路比较简单,价格较低,普通直流电机的主要缺点是直流伺服电机内部 具有机械换向装置,碳刷容易磨损,维修工作量大。运行时易起火花,给电的转速和 功率的提高带来较大的困难。目前直流无刷电机克服了电刷引起的摩擦振动,免除了 电刷磨损对电机转矩变化大致在 8%~10%。这使得主轴的转速有波动,主轴转速低 时,转速波动更明显。在要求主轴转速更平稳时,直流电动机可以采用正弦波动,这 时驱动转矩波动可以控制在 5%以内,但这时直流电动机的控制电路要复杂不少。 (2)交流伺服电机系统 采用交流伺服电机作为驱动器件,可以和直流伺服电机一样构成高精度、高性能 的半闭环或闭环控制系统,由于交流电机内是无刷结构,几乎不需维修,体积相对较 小,有利于转速和功率的提高。交流电机转子惯量较直流电机小,使得动态性能好; 交流电机理论上是无转矩脉动的,可以产生恒定的力矩,一般用于高精度的场合;另 外在同样体积下,交流电机的输出功率可比直流电机提高 10%~70%。交流伺服系统 具有共振抑制功能, 可涵盖机械的刚性不足, 并且系统内部具有频率解析机能 (FFT) , 可检测出机械的共振点,便于系统调整。随着全数字式交流伺服系统的出现,交流伺 服电机也越来越多地应用于数字控制系统中,但交流伺服电机价格较高。 3.主轴驱动方法 超精密轴系驱动方法的原则是:驱动源使主轴只受纯力偶作用,而不受其它径向 力、轴向力、弯矩等干扰力;驱动源的振动应消除,减小或隔离;驱动源的噪音应小; 驱动源的发热量应消除、减小或隔离等,目前超精密主轴的驱动方法主要有:皮带传 动,机械式纯力偶联轴节传动、磁性联轴节传动、电机与主轴一体化传动等。 (1)电动机通过带传动驱动 现在的超精密削机床大多数采用 T 总体布局,即主轴箱作 Z 向运动,刀架溜板 作 X 向运动。这时主轴箱成为运动部件,采用带驱动的主轴的方式,就十分不方便,

  电动机也不可能有单独的地基。 因此现在多数的超精密机床采用电动机和机床主轴直 接相连接的驱动方式。 (2)电动机通过柔性联轴器驱动 主轴采用这种驱动方式时电机和主轴在同一轴线上, 通过电磁联轴器或其它柔性 联轴和超精密机床的主轴相联,这时机床的主轴部件要比通过传动带动紧凑得多,这 种驱动方式现在在超精密机床中用得多。 (3)采用内装式电机驱动 机床主轴电动机是专制的内装式的,电动机轴即为机床的主轴。电动机的转子直 接装在机床主轴上,电动机的定子装在主轴箱内,而是依靠机床的高精度空气轴承支 承转子的转动。采用这种驱动方式时,电动机采用直流无刷电机,转子经过精密动平 衡。内装式同轴电动机驱动机床主轴存在一个问题是:电动机工作时发热量大,使主 轴的热变形变大。为减小热变形,电动机定子应采取强制通气冷却或定子外壳做成夹 层,通恒温油(或水)冷却。采取上述措施后,可以基本解决内装式电动机发热问题。 从转动精度要求方面考虑,主轴驱动方式以内装式最佳,但费用高和设计复杂; 通过柔性联轴器驱动主轴方式,回转精度可以达到 0.05μm,但对轴承零部件加工精 度和安装精度要求非常高,东芝公司在其机床上采用了这种驱动方式;由于带转动固 有缺点,目前在超精密机床上已不采用带驱动方式。 不论采用何种驱动方式,都应隔离一切振动、热源,最终保证砂轮主轴的旋转精 度由轴及轴套的精度决定,其它任何因素不会对主轴的精度产生影响。如采用柔性联 接驱动方式则选择交流伺服电机,如采用内装式电机驱动方式,则选择直流无刷电机 (考虑直流电机模型简单),精度都能达到 0.05μm,内装式设计复杂,价格区别不大。 综上所述,为了满足超精密削加工的要求,要合理选择主轴电机、主轴径向轴承 及止推轴承的类型和位置布置。然后优化设计轴承参数,并研究轴系精密动平衡、动 静特性、安装同心度保证方法等。

  主轴的液体滑动轴承,按其产生油膜压强的方式,可分为液体动压轴承和液体静 压轴承两类。 液体动压轴承是靠轴的转动形成油膜而具有承载能力的。 承载能力于滑动速度成 正比。低速时,承载能力低。因此液体动压轴承用于高速和转速变化不大的地方。液 体静压轴承的油膜压强是靠液压泵建立的,与主轴的转速关系不大,故常用于低速或 转速变化较大的地方。液体静压轴承的油膜较厚,对轴颈和轴瓦的圆度误差能起均化 作用(图 3-1),故液体静压轴承还用于精度要求较高的主轴。液体静压轴承需要一套 供油设备(液压泵、电动机、油箱),对油的洁净度要求也较高。所以能用液体动压轴 承应尽量用液体动压轴承,只有液体动压轴承不能满足要求(如低速,转速变化大, 高精度)时才用液体静压轴承。

  液体静压轴承的原理见图 3-2,在轴承内圆柱面上等间隔地开几个油腔(通常为 4 个)。各油腔之间开有回油槽。用过的油一部分从这些回油槽回油箱(径向回油),另一 部分则由两端回油箱(轴向回油)。油箱与回油槽之间以及油箱的两端为封油面。液压 泵供给的一定压强 Ps 的油,经节流器 T 降压后进入各油腔,将轴颈推向中央。然后 油经封油面,油压降低到零,流回油箱。这样,不论轴颈是否转动,在轴颈与轴承之 间,都由具有油压的润滑油充满,使两摩擦面分隔开,得到液体摩擦。

  当轴上不受载荷时,如忽略轴的自重,则各油腔的油压相同,保持平衡,轴在正 中央了。这时各油腔封油面与轴颈间的间隙均为 h0。如轴上受径向载荷 F(包括轴的 自重),轴颈将产生偏心量 e。这时轴颈与轴承间在油腔 3 处的间隙减小 h0 -e 为,在 油腔 1 处增大到 h0+e。在油腔 3 处,由于油流往间隙小的地方阻力大,流量减小,因 而流过节流器 T3 的压降减小。供油压 Ps 是一定的,所以油腔 3 内的油压 P3 就升高。 反之,在油腔 1 处,由于油流经间隙大的地方阻力小,流量增大,因而流经节流器 T1 的压降增大。所以油腔 1 内的油压 P1 就降低。这种压差变化就可以平衡外载荷 F。 如油腔向油的有效承载面积为 A,则

  油压的分布见图 3-3。油腔内油压为均匀分布,油封面为三角形分布。所以,有 效承载面积可按图 3-3 中的点划线所包括的面积计算。

  从静压轴承的原理可以看出,如果各腔由同一个液压泵供油,则每一油腔必须有 一个节流器,否则各油腔油压相同,互相抵消,就不能平衡外载荷了。 1.节流器 节流器对静压轴承的性能,影响很大,静压轴承的刚度

  位偏心位移,引起相对两油腔油压的差值。这主要是由节流器决定的。节流器有固定 节流器和可变节流器两大类。

  (1)固定节流器 固定节流器是一个固定的液阻,在一定流量下能产生一定的压降,就象是一个固 定的节流阀。常用的有小孔节流器和毛细管节流器两种。

  1)小孔(Orifice)节流器, 3-4a 为一薄壁小孔。 图 油通过小孔时为湍流(Turbulentflow) 状态。节流器对液流的阻力与油的粘度无关。为避免堵塞,常取 d 0 ? 0.45mm 。 2)毛细管(Capillory)节流器图 3-4b 为一医用注射针管,孔径从 0.46 至 1.07 mm。 长度应大于孔径的 20 倍。油流过毛细管时为层流(Laminar flow),液阻与油的粘度有 关。应保证在最高油温下,雷诺数(Renoults number) Re ? 2000。 (2)可变节流器 可变节流器的液阻随油腔压强而变化。常见的是薄膜(Membrane)节流器。图 3-5 为配有双向薄膜可变节流器(常称为双向薄膜反馈节流器) 的液体静压轴承原理图。

  从液压泵输出的压强为 Ps 的压力油,分两路进入节流器,分别经过薄膜 5 上、 下形成的两个节流口 T1 和 T3, 进入轴承相对的两油腔 1 和 3 (压力油还经另一个双向 薄膜节流器去油腔 2 和 4,图中未表示)。T1 和 T3 的节流作用是靠薄膜上、下面与壳 体圆台间的环形缝隙来实现的。当轴受有外载荷 F 时,轴颈向下移动距离 e。这时 P3 升高,P1 降低。P3 和 P1 同时作用于薄膜的下方和上方,使薄膜产生弹性变形而向上 凸起,如图中虚线所示。这就使薄膜上方的间隙变小,液阻 T1 变大,下方的间隙变 大,液阻 T3 变小。这种反馈作用使 P1 进一步减小,P3 进一步增大。上、下油腔的压 差 P3-P1 进一步增大,直至与载荷 F 平衡为止。同样的位移,可变节流器引起的压 差 P3-P1 比固定节流器大,也可以说装可变节流器后,刚度提高了。适当地选择膜 片的刚度和其他参数,可以得到很高的油膜刚度。即可以承受很大的载荷而轴颈只有 很小的位移。选择参数时要注意这种节流器存在着一个稳定性的问题。如果参数选择 不当,例如薄膜的刚度太低,反馈过分强烈,则当轴颈有一个很小的位移 e 时,产生 的 P3-P1 过大,以致使轴颈产生负位移(中心移至原点之上)。接着, P1>P3,使薄 膜向下凸出,又使轴颈向下移,这就发生了振荡。装有可变节流器的液体静压轴承是 一个有反馈的自动调节系统。灵敏度(此时即油膜刚度)越高,则稳定性越差。设计时 并不是要求刚度越高越好,而是在保证稳定性的条件下尽量提高油膜的刚度。 (3)节流器的选择 固定节流器的构造比可变节流器简单。但是同样的轴承,用固定节流器时的刚度

  低于用可变节流器时的刚度。因此,固定节流器宜用于轻载或载荷变化不大的地方; 可变节流器则宜用于重载或载荷变化较大的地方。 在固定节流器中, 小孔节流器的液阻对油的温升不敏感, 故多用于转速较高的中、 小型精密机床主轴。因高速主轴轴承发热较多,毛细管节流器的液阻对温升敏感,故 多用于转速较低的中、小型精密机床主轴。 2.轴承 液体静压轴承的间隙只影响润滑的流量,对承载能力影响较小,因此液体静压轴 承可以不必调整间隙。如用双向可变节流器,则油控数必须为偶数;否则奇偶均可。 通常油腔数为 4。 液体静压轴承既然在任何转速下(包括不转)都能保证液体润滑,理论上说对轴颈 与轴瓦的材料无任何要求。事实上,为了防止因偶然事故而供油停止(如停电、堵塞 等),磨床轴承、轴颈仍然用 45 刚淬硬至 40~50HRC。轴瓦也用青铜(如 ZQSn6-6-3), 也有用耐磨铸铁或球墨铸铁的, 轴瓦表面粗糙度不超过 Ra0.2~0.8μm,轴颈的 Ra 值还 应小一些。轴颈和轴瓦的形状误差应小于( 1 3 ~ 1 10 )h0。h0 为轴承半径上的间隙。 近来, 把滚动轴承的一些类型推广到了液体静压轴承, 出现了推力、 球面、 锥面、 双锥面等液体静压轴承。

  液体静压轴承的优缺点如下: * * 纯液体摩擦,摩擦阻力小,功率消耗小,传动效率高; 正常运转和频繁启动时,都不会发生金属之间的直接接触造成的磨损,精度

  保持性好,寿命长; * 由于轴径的浮起是依靠外来油的压力来实现的,因此,在各种相对运动速度

  下,都具有较高的承载能力,速度变化对油膜刚度影响小; * 油膜具有补偿误差作用,能减少轴与轴承本身制造误差的影响,轴的回族转

  供油压力、节流比等,就能使轴承的承载能力,油膜刚度,温升等满足轻载到重载、 低速到高速、小型到大型的各种机械设备的要求; * * 需要一套可靠的供油装置,增加了设备、空间和重量; 在不同转速时液压油温度升高值不等,因此要控制恒温较难。温度升高将造

  成热变形,影响主轴精度; * 静压油回油时将空气带入油源,形成微小气泡悬浮在油中,不易排出,因此

  按照不同的标准,液体静压轴承可以有不同的分类,图 3-6 给出了一些分类标准 和具体分类

  一般而言,液体静压轴承的转速范围限于 d*N=0~ 2 ? 106 (N 为每分钟转速;d 为轴颈直径,单位毫米),机床静压主轴绝大多数都是采用这类主轴。液体静压轴承 由于具有高刚度和高精度的特点,广泛的用于各类精密机床;而随着磨床向高精度和 高效率方向发展,磨床主轴中采用液体静压轴承的场合越来越多。 M1080 无心外圆磨床砂轮主轴由动压油膜轴承改为静压油膜轴承后,性能大幅 度提高。主轴旋转精度提高了 20 倍,磨削效率提高了 6 倍以上,使用寿命提高了 10 倍。 M7130 平面磨床砂轮主轴从单楔动压轴承改为液体静压轴承后,效果良好。主 轴旋转精度大幅提高,加工工件可获得镜面而无明显振纹。生产效率高,进给量可达

  0.25mm。而且主轴寿命长、精度保持性好、温升低。 在超高精度磨床中,除砂轮架主轴采用液体静压轴承外,头架主轴也采用液体静 压轴承,甚至尾架也采用液体静压轴承。 像万能外圆磨床、专用外圆磨床(如端面外圆磨床)上运用了液体静压轴承后,精 度和效率都有明显提高,使用多年效果理想,使旧机床焕发了青春。像高精度磁盘车 床、 丝杠车床、 铣床、 高精度车床上均采用液体静压轴承。 日本丰田公司的 AHP50-32 超 精 密 车 床 上 采 用 了 液 体 静 压 轴 承 , 加 工 表 面 粗 糙 度 Ra < 0.02μm , 直 线μm。另外,圆度仪、丝杠螺母、镗床、轴承试验机、测力 计、液压马达、火箭发动机枢轴、天文望远镜上都运用了液体静压轴承技术。 特别值得指出的是,美国 Denver Colorado 的 Mile High 体育场中的浮动大看台, 重 4500 T,21000 个座位,支撑在 46 个水润滑的静压垫上,每个静压垫直径 1.2m, 加水压后整个大看台能移动 44.2m。 我国上海机床厂从 1958 年开始研究静压轴承,目前已用于各类精密机床,可以 磨出表面粗糙度 Ra<0.063mm 的工件。

  这里只对小孔节流型液体静压轴承(矩形油腔、有周向回油)进行计算分析,包括 具体轴承参数的选择和油膜刚度的校验。

  相关参数符号见图 3-7。 2.刚度校验 (1)一个油腔的有效承载面积 Ae (cm2)

  p s ——供油压力 (Pa); p0 ——径向轴承空载时的油腔压力 (Pa);

  在轴承结构尺寸已定的条件下,当 ? ? 0.71 , ? ? 1.71 时,轴承具有最佳刚度, 即 ? ? 1.71为其最佳节流比。 又

  这里针对具有环形油腔的液体静压止推轴承进行计算分析, 包括具体轴承参数的 选择和油膜刚度的校验。 止推轴承的结构如图 3-8

  1.初选参数 油腔内端半径 R1 油腔外端半径 R2 推力静压轴承半径 R3 推力静压轴承轴向间隙 h? 油腔深度 Ze 相关参数符号见图 3-8b。 2.刚度校验 (1)环形油腔的有效承载面积 Ae (cm2)

  试中 p? ——止推轴承空载时的油腔压力 (Pa) 在轴承结构尺寸已定的条件下,当 ? ? 0.71 , ? ? 1.71 时,轴承具有最佳刚度, 即 ? ? 1.71为其最佳节流比。 又

  随着机器向高效、精密的方向发展,静压轴承技术也面临挑战。 对于液体静压轴承,温度的影响严重地存在,必须采取降温措施。设计时应考虑 由于材料热膨胀系数的差异引起轴承间隙的变化。为进一步提高轴系的动态刚性,目

  前机床的液体静压轴承正向提高供油压力方向发展,以适用于加工的需要。 在高速、重载下工作的液体静压主轴,要综合考虑动压效应、热效应、挤压膜效 应、油可压缩性效应,以及轴与轴承弹性变形的影响。尽管液体静压轴承的制造已不 困难,但轴承和主轴的制造工艺还有很大的改进余地。其基本要求是如何保证和提高 前、后径向轴承的同心度和推力轴承与径向轴承内孔的垂直度。 液体静压轴承材料目前有向合金球墨铸铁方向发展的趋势, 以期提高轴承材料的 强度、耐磨性以及尺寸的稳定性。液体静压轴承供油系统中,过滤器还有进一步改进 研制的必要。过滤器精度如能控制在 5μm 以下,就能确保液体静压主轴的性能和使 用寿命。

  法国人赫恩早在 1854 年就提出了用气体作为润滑剂的可能性,后来在 1897 年 Kingsbarg 发表了他对空气轴承的试验研究结果,随后于 1913 年 Harrison 首先发布 了考虑流体压缩性的润滑理论,从而使气体轴承走上了研究发展的道路。但是由于当 时加工精度的限制,致使在相当一段时间里,气体轴承在实际应用方面没有取得什么 进展。 一直到 1939 年前后,随着军事科学的发展,德国人为了提高导弹的精度,在 W.Von.Brown 的领导下开始研究将气体轴承应用于惯性导航仪表当中,不久,日本 和美国也都相继开展了气体润滑的研究。二次大战后,美国人较好地继承了战前德国 人的研究成果,在以 W.Von.Brown 为首的美国陆军弹道局一部分专家的努力下,很 快将气体轴承应用于火箭技术中去,在美国第一颗人造卫星中很好地发挥了作用。在 英国,气体轴承技术也成功地应用于原子能反应堆的气体冷却循环器中。气体轴承在 两大尖端领域中得到的很好应用,大大地促进了气体润滑技术的发展。 1959 年在富兰克林研究所的主持下,于华盛顿召开了第一次国际气体轴承会议, 会议之后,接连发表了许多有价值的论文,使气体轴承在基础理论和设计方法上日臻 成熟。从 1963 年开始,各国专家学者定期在英国南安普敦大学召开国际气体轴承讨 论会,这对推动气体轴承的发展起到了巨大的作用。到 1965 年,从各国研究动向中 便可以看出气体轴承的重点已由基础研究方向向应用研究方向移动, 便涌现了许多成 功地应用气体轴承的实例, 据此已有理由认为气体轴承已进入了一个应用研究的新阶 段。 随着对气体润滑理论的深入探索和结构的逐步改进, 使空气轴承的性能得到了不 断地提高,进入了实用化的阶段。例如:在惯性导航的陀螺、氦循环泵、原子能反应 堆的循环泵、磁鼓、磁头、高速分离机、制冷用的透平膨胀机、精密机床、精密测量

  仪器等方面,应用空气静压、动压和动静压轴承已取得较好的效果,特别是近十年来 由于航空、宇航、原子能、电子计算机及半导体等尖端技术的飞速发展,对于零件的 精度要求越来越高,从而大大促进了空气轴承的发展。

  国内对气体润滑轴承的研究工作起步并不算晚, 早在二十世纪六十年代初期便有 一些单位开展了这项工作,并取得了比较满意的结果。过去我国一直把研究工作目标 放在应用研究方面,对基础理论的探讨几乎没有。后来一度出现了几年空白;到了二 十世纪七十年代初期,由于国防科学和工业的需要,对轴承精度的要求越来越高,因 而对气体轴承的研究成为科研工作中的重要课题。1974 年在北京召开了全国气体润 滑年会,成立了全国性的学术组织。会后,气体轴承的研究工作便在全国迅速开展起 来,气体轴承已经进入了更多的单位和领域。 1983 年至 1990 年分别召开了第一届至第五届全国气体润滑学术交流会,会议交 流了有关设计计算方面的理论、具体课题的试验研究及应用中的经验体会,会议发表 了许多有使用价值的论文,既有设计计算、理解分析、试验研究,又有新的结构和应 用实例。北京机床研究所、航空部三零三所分别成功地研制了超精密车床、超精密镗 床,其主轴采用空气静压主轴,径向跳动达到 0.05μm,北京机床研究所所研制的空 气静压轴承的径向跳动达 0.025μm。

  1.承载和刚度 通过对气体润滑理论研究的深入和设计的改造, 已经使气体轴承的承载能力和刚 度达到能够满足精密和超精密加工的要求。如美国的 Professional Instruments 公司制 造的 10B 型气体静压轴承直径 10mm,间隙为 5.5μm,径向承载能力为 880N,轴向 承载能力为 5290N,径向刚度为 347N/μm,轴向刚度为 1736N/μm;英国 Cranfield 大

  学附属精密工程研究所(CPA)研制的超精密加工立式车床所用的气体轴承其径向刚度 已达到了 876N/μm,轴向刚度达到了 2630N/μm。

  2.回转精度 由于气膜的均化效应,使气体轴承的回转精度达到了较高的水平。如美国 POPE Machinery 公司已经能达到回转精度仅为轴颈精度的 1/7,回转精度为 0.0125μm,国 内 机 床 上 用 的 空 气 主 轴 径 向 振 摆 为 0.2μm , 仪 器 上 用 的 空 气 主 轴 径 向 振 摆 为 0.03~0.06μm。 3.稳定性 在高速机械中,气体轴承的涡动不稳定性已成为推广气体轴承应用的一个障碍。 为了抑制这种涡动,国外进行了多方面的研究。例如:英国牛津大学 Sir.Smith 教授 提出在轴承工作面上开压力腔, 捷克的 A.Tondl 提出以逆着轴承旋转的方向作切向斜 喷嘴供气, J.W.Powell 提出将轴套挠性地支承在 O 性橡胶皮圈上用以吸收轴颈涡动的 能量,从而提高涡动起始速度,但是径向轴承的涡动问题是比较复杂的,还不能说已 经得到较好的解决。

  * 场合; * * * 寿命长,没有金属间的直接接触,理论上认为没有磨损; 空气轴承中的压力气膜具有“均化效应”,因而振动小,旋转精度高; 耐寒耐热,空气轴承具有独特的干净和方便特性,对环境无污染,期无需考 回转轻巧,空气粘度低,摩擦小,发热和变形也小,适用于高速、高精度的

  虑密封问题; * * * 和滚动轴承相比,它的振动小,加工工作表面精度要求高; 可在辐射场中运转,能够保持狭小的间隙; 由于气体本身特性决定了它的承载能力低,刚度差,使用条件苛刻、严格,

  1.按压力的建立形式分类 根据气体轴承压力产生的原理, 气体轴承大致可以分为动压型、 静压型、 压膜型、 和混合型四种,如图 4-1 所示。

  (1)动压型 气体动压轴承的机理和液体润滑轴承相同,如图 4-1a 所示两个面相对移动,且 间隙呈楔状,沿移动方向间隙逐渐变小,气体因粘性作用,被拖带压入楔形间隙中, 从而产生压力构成动压悬浮。由于低速下动压膜根本建立不起来,因此,在启动和停 车时需格外注意,避免擦伤现象。另外,气体动压轴承还有自激涡动现象,应尽量使 涡动起始速度处于工作速度上限之外。 (2)静压型 气体静压轴承如图 4-1b 所示,利用了压缩气体经过节流小孔节流后导入轴承间 隙中, 借助其静压使轴浮起来。 与气体动压轴承相比, 它具有较大的承载能力和刚度, 稳定性也更容易控制一些,可在各种速度下使用,特别是利于起动和停车。静压轴承 有时会出现静压不稳定现象,俗称“气锤”现象或“啸叫”,需要在设计时加以考虑。

  (3)压膜型 压膜型轴承如图 4-1c 所示,利用了相互接触的面沿垂直方向的振动,使间隙内 压力的平均值高于环境压力这一原理,即由于气体有粘性,间隙内的气体不能快速出 入,从而压力增高。 (4)混合型 混合型轴承即动、静压混合气体轴承,它是有外部气源提供外压,又有两工作表 面间的动压效应, 从而提高了承载能力和刚度。 但是这时要求轴承的间隙要适当小些, 在动压轴承的间隙范围以内。 虽然气体轴承从概念上可以分成这几种形式,但同一轴承一般能以三种模式工 作,那就是纯静压式,纯动压式和混合式。如果静压轴承内表面不开气腔,那么当主 轴转速达到一定程度时,就会产生动压效应,形成自然的混合轴承。仅当主轴不转或 转速极低的场合才算是纯静压轴承。 2.按结构形式分 按轴承副零件的结构形式,大体可分为四类 (1)平面轴承 由两个平行平面组成轴承副工作表面,用来实现精密平面运动和直线运动。可以 实现高低速精密微进给,无爬行,无死区,灵敏度高,几乎无磨损发热现象,是高精 度测量和加工的有力手段。如平面止推轴承,平面导轨和山型导轨。 (2)圆柱轴承 轴承工作表面为圆柱面,提供一个绕平均轴线的高速回转运动。承受径向载荷, 通常用于径向轴承,有时也作封闭形的圆柱导轨。 (3)圆锥轴承 工作表面为圆锥面, 提供一个绕平均轴线的回转运动和一个垂直于轴线的平面运 动。同时可以承受轴、径向载荷,作为径向止推使用。 (4)球轴承

  其工作表面为两个球面或半球面,提供一个绕平均球心的定点运动。这种轴承有 很多优点,既可承受径向载荷,又可承受轴向载荷。它能够提供三个方向的高精度回 转,定心精度十分高,是高精度伺服转台极好的轴承。 3.按节流形式分 对于气体静压轴承来说,主要靠节流器的节流形成压力膜来支承主轴,按其节流 形式可以分为以下几类。 (1)小孔节流型 气体经过节流器的小孔进入轴承间隙内, 以达到节流的目的。 对于径向轴承来说, 根据开孔方向分为切向和径向小孔节流。前者的动态稳定性非常好,而后者更容易加 工,是较常用的一种。从小孔排列数目说又有单排供气、双排供气和多排供气之分。 多排供气的失稳转速较高,承载能力和刚度都好,但却必须以增加轴承尺寸,加工量 和排气量为代价。 (2)狭缝节流型 狭缝节流轴承可以看成小孔节流的供气孔在轴承面上向圆周方向拉伸成细长形 状,由点状供气变成线状供气的一种节流形式。由于流入轴承的气体几乎一致变成轴 向流动,不存在供气孔扩散,所以承载能力高。 (3)多孔质节流型 它是用多孔质材料制成,由多孔质材料的流体阻抗得到节流的效果。因为材料上 的微孔近似于均匀分布,所以承载能力和刚度都较高,并且高速稳定性也好。但多孔 质材料由金属烧结而成,很难使它们的通气一致性,因此容易使轴承间隙内的气流沿 某个方向流动形成“涡流”。另外,多孔质材料节流对气源的要求更高。 (4)表面节流型 表面节流是利用表面形状有规则的凹凸不平产生节流效果。 它是为实现轴承间隙 非常小而创造出来的。在有些情况下,表面节流会使加工容易些,并具有一定的容尘 能力,主要用于高精度主轴支承或精密导轨。

  本计算涉及空气静压轴承的一般性能如轴承最佳平均间隙、 承载能力和刚度等的 初步计算,没有进行轴承的静动特性分析。

  1.求最佳间隙 hop: (1)计算气流通道系数 f1: 根据预计的可能范围,选取 h 由 0 到 0.05mm,其增量为 0.005mm,对于每一 h 值由公式:

  计算出 f1 列于表 4-1 中。 式中 A——节流孔横截面积, A ?

  计算 k 结果同样列于表 4-3 中。 式中参数同前。 (7)绘制 k~h 关系曲线 所示。 由 k~h 关系曲线mm,就是空气轴承最佳工作平均间隙。

  k~h 关系曲线.在 h=hop 时承载能力和刚度的计算 节流孔编号如图 4-3 所示,承载能力系数的计算公式:

  其他参数同前。 从图 4-3 中可以看出,轴承左右对称,因此只考虑一半就可以了。又因 ? 4 =π /2, cos ? 4 =0,第四节流孔和该等分可以不计算。 (1)求节流孔处对应的 ? i 角:

  重复上述各步,可计算出不同ε 下的承载能力,计算结果列于表 4-4。用不同的 ε 值求出的 W 值可画出一条当 h=hop 时的 W-ε 关系曲线

  中相邻ε 点的 W 差值除以偏心 e 的变化量,就可以求出刚度值 KW=Δ W/Δ e,计算 值列于表 4-5,将其绘制成 KW-ε 曲线 空气静压轴承刚度计算表

  上述结果是经修正的,考虑扩散效应和环流效应的影响,W 值乘以 fw=0.664,就 接近了线 止推轴承的计算

  本计算涉及圆盘止推轴承的一般性能如轴承最佳平均间隙、 承载能力和刚度等的 初步计算,没有进行轴承的静动特性分析。 原始数据: 圆柱空气静压轴承 R2=60 mm R1=100 mm

  1.计算气流通道系数 f1: 根据预计的可能范围,选取 h 由 0 到 0.05mm,其增量为 0.005mm,对于每一 h 值由公式:

  2.工作介质常数 f2: 由于轴承是在空气中工作,故 f2=268*10-6 (mm)。 3.计算轴承结构系数 f3:

  把多孔质材料作为节流器已经有很多报道, 多孔质材料节流器和传统的节流器相 比有具很多优点,如设计制造简单、很高的承载能力和刚度、优越的阻尼特性等。气 体轴承用多孔质材料主要是粉末冶金材料,是由金属、陶瓷、石墨等粉末,经高温烧

  结而成。材料的主要特点是具有均匀分布的连通空隙,因而具有透气性。 气体轴承对多孔质材料的主要要求是: (1) 孔隙度要高 (如 40%以上),但透气系数要小。换句话说,就是要求材料连通 孔隙多而小,材料致密度高,通气性又好。但是,孔隙度高,透气系数也高,上述要 求是相互矛盾的,故实际上综合两者取适中的值。 (2) 材料均匀,各向、各处的透气性不能相差过大,即连通孔隙的分布要均匀, 孔隙大小要均匀。 (3) 具有一定的强度和硬度。 (4) 加工性能好,能应用普通加工方法加工,且能保证达到一定的精度。 (5) 耐腐蚀性好。 根据基材不同,目前有:多孔质青铜、石墨、不锈钢、陶瓷等材料。其中以多孔 质青铜和多孔质石墨应用于气体轴承最多。多孔质青铜易于烧结,价格低,是目前国 内应用的主要气体轴承材料,但它质软,强度低。多孔质石墨具有自润滑性,容易加 工,是较好的气体轴承材料,但烧结工艺复杂,烧结温度高,因而价格贵,国内目前 还很少使用。 高强度多孔质塑料具有耐腐蚀、易加工、价格低等优点,是多孔质气体轴承材料 今后的发展方向。

  1.材料制备工艺 (1)选粉末 要求粉末呈球状 (粉末中球状颗粒应占 75%以上)。粒度为 150 目到 400 目。要 求纯度高、无杂质、未被氧化。 (2)配料、压制成形 加入添加剂和粘结剂以调制孔隙度和强度。然后加压,在模具中成形。 (3)烧结

  关键在于烧结温度, 它对烧结材料性能影响极大, 温度过高或过低将使材料报废, 故通常要求严格控制烧结温度的变化范围 (青铜是 800~850℃)。此外,还要求炉温 均匀,通入惰性气体以防氧化。 (4)整形 烧结好的毛坯通过压力整形来提高强度,调制孔隙度。 2.机械加工工艺 机械加工会使多孔质材料表层孔隙被堵住,早期,人们曾着眼探求不堵塞或少堵 塞的加工方法,以使材料透气性能不改变。近年来,转向通过机械加工实现一定程度 的表层堵塞,以满足轴承对节流的要求。因此,可以选用较粗粒度的粉末,烧结出高 透气性材料,然后通过机械加工获得满足要求的透气性,以降低材料成本。 对多孔质材料,原则上普通车、铣、磨、研加工都可采用。但是磨削加工堵塞表 层过于严重,不易控制,故常采用精车后研的加工工艺。像青铜类有色金属多孔质材 料,普遍采用金刚石刀具精密车削,是控制堵塞的较理想工艺。但对石墨、不锈钢类 多孔质材料,不能用金刚石刀具。 3.腐蚀与涂覆 经机械加工, 材料表层堵塞严重时, 可采用表面腐蚀方法溶解堵塞, 增加孔隙度。 按多孔质材料选择腐蚀剂,由透气性要求和表面粗糙度要求决定腐蚀深度。 当多孔质材料孔隙度过大时采用涂覆法降低其透气性,常用的涂覆材料有:水玻 璃、塑料等。要注意控制浸入深度及均匀性。 4.特殊加工方法 (1)通气磨削和研磨 将被加工件置于专门装置中,通以高压气体,进行磨削或研磨。这种加工方法不 会过分堵塞材料孔隙,同时,可在加工中随时测量材料的透气性,便于监控,故可确 保所需的透气性。而且,这样加工后的轴承表面具有一定的微量弹性变形,总体尺寸 精度高。 (2)挤压加工

  采用粗粒度、大孔隙度材料,利用挤压法加工出所需透气性的成品。它经济、高 效;缺点是使用中透气性容易改变,寿命较低。加工时应保证挤压层的深度,以克服 上述缺点。 (3)双层迭加烧结 通过特殊模具,使不同粒度的粉末分层迭加烧结成一体,使毛坯的透气性达到要 求,只对工作面稍作精加工即得成品。此法可实现批量生产。

  凡事总有优点也有缺点,气体轴承也是一样,虽然它具有其他轴承所不具有的一 些优越性,但由于气体轴承本身特点及目前研究深度的限制,气体轴承除了承载能力 低、 刚度差、 加工成本高、 稳定性差等缺点外, 它还具有许多急待研究和解决的问题。 这里介绍它的缺点,以便我们在充分的了解之后,能很好地加以解决,更好地利用气 体轴承为我们的各行各业服务。 (1)随着超精技术的发展,目前轴承行业对高速、高精度气体轴承的需要很强烈, 如磨床的高速磨头等,而目前气体轴承的承载刚度还远远不能满足更大范围的应用。 (2)现今已有的计算结果与工程实际有很大的不符,主要表现在理论计算的刚度 一般均高出工程实际结果较多,间隙参数出现振荡,影响精度等问题。同时由于一般 的计算方法计算量非常大,所以应用起来很困难。 (3)工程上轴承一旦加工出来,成为产品,很难再改变它的参数,仅仅靠简化计 算还很难精确地定量分析轴承各个参数对高精度气体轴承的影响。 例如供气压力的变 化及加工精度对轴承性能的影响,以及不同精度条件下对轴承压力变化的要求,供气 温度及结构尺寸的变化对精度的影响规律等。 (4)高速气体轴承动、静压综合效应对轴承刚度和承载能力的影响几乎不能用计 算的方法得到,以及如何寻找提高轴承刚度和承载的方法等。

  精密主轴部件是超精密机床保证加工精度的核心。主轴要求达到极高的回转精 度,转动平稳,无振动,且热变形非常小。本文在了解了国内外超精密主轴技术发展 状况的基础上,提出了采用流体静压轴承支承主轴的方案。本文主要完成的工作有: (1)研究分析了流体静压轴承主轴的结构形式、驱动方式、刚度、振动、热变形 等因素对主轴回转精度的影响,比较了交流伺服电机驱动和直流伺服电机驱动的特 点; (2)介绍了液体静压轴承的工作原理、发展状况、特点、分类及应用,给出了小 孔节流型液体静压轴承刚度和承载能力的工程计算方法, 为超精密复合加工机床主轴 箱方案设计提供了依据; (3)介绍了气体静压轴承的发展概况、特点和分类,给出了小孔节流型气体静压 轴承刚度和承载能力的工程计算方法, 为超精密复合加工机床主轴箱方案设计提供了 依据;还对一种新型的气体轴承――多孔质气体静压轴承作了简要的介绍。 比较几种方案, 液体静压轴承具有刚度大、 承载能力高等优良特性, 工作范围宽, 但是要实现主轴的回转精度为 0.05μm,与气体静压轴承相较而言要困难一些,势必 要增加设计和制造的成本。气体静压轴承虽然刚度和承载能力稍差一些,但是它具有 回转精度高、发热和变形小、对环境无污染等独特的优点,是目前比较常用的一种超 精密机床主轴设计方案。实验表明多孔质气体静压轴承具有更大的刚度和承载能力, 这使气体静压轴承更加趋于完美,只是在加工上给工程人员提出了更高的要求。

  本课题研发的是集金刚石车削、磨削、抛光于一体的超精密主轴。它的主轴部件 应用流体静压轴承,使加工和制造精度达到了很高的等级,如加工零件的面形精度达 到 0.3~0.5μm,表面粗糙度为 0.01μm 等,工件最大加工直径为φ 300mm。 此主轴主要是针对材料为硬脆玻璃的非球曲面加工和有色金属加工而设计的。 非 球面光学零件具有球面光学零件无可比拟的良好的成像质量, 它广泛的应用于各个领 域,尤其在遥感卫星光学系统,巡航导弹视镜,图像制导用的透镜、反射镜中有着不 可替代的作用。 目前国内非球面光学零件的加工, 主要是采用研磨, 甚至于手工研磨抛光的方法, 这不但难以保证质量,而且也不适应现代战争批量生产的需求,这严重影响我国武器 精确打击能力和批量生产能力。 此种精度等级超精密加工机床主轴的设计研制, 满足了国防和航天航空等尖端领 域对加工精度越来越高的要求,尤其它在美国对中国禁售范围之内,可见它的研制对 我国有着不可估量的重要经济、社会意义以及战略意义。

  [1] 4月 [2] 1-2 [3] 吴起,精密主轴气体静压轴承静、动态特性的研究,工学博士学位论文, 盖玉先, 董申, 超精密加工机床的关键部件技术, 机械设计与制造, 1999, 10: 刘暾,刘育华,陈世杰,静压气体润滑,哈尔滨工业大学出版社,1990 年

  [10]杨福兴,空气静压轴承静态性能的有限元计算及参数优化设计,工学硕士学 位论文,1993, 3: 1-11 [11] 郭连桥,气体静压轴承性能的数值计算及试验研究,工学硕士学位论文,

  杨福兴,非球面零件超精密加工技术,中国航空精密机械研究所 余鸿钧, 流体静压主轴,机械工业出版社, 1985 年 液体静压技术原理及应用,广州机床研究所, 1978 年

  经过三个多月的毕业设计,我完成了对高精度高刚度静压轴承的设计,我不仅对 曾学过的画法几何和机械设计知识有了更深刻的了解, 也熟练掌握了 AutoCAD 作图软 件,可以说,整个毕业设计是对我大学四年所学知识的应用和验证,是我进入社会前 的最后一堂大课。而外文翻译,让我增添了对英语的理解,同时也让我学到了更多的 机械专业英语。 这次毕业设计的完成, 我得到了许多人的帮助。 首先对老师表示我最衷心的感谢, 在本次毕业设计的过程中,他给了我很多的帮助和关心。在设计过程中,导师严谨求 实的治学态度、孜孜不倦的进取精神、温文尔雅的学者风范将会激励着学生去奋发开 拓、 进取; 导师在精密工程制造领域丰富的理论知识和实践经验, 永远值得学生学习!


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