高精度气体静压轴系刚度分析 -

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-02 原文发表时间:2007-07-03 人气:1

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摘要：文章从多孔质气体静压轴承刚度、主轴几何刚度结构设计原则等方面论述了高精度气体静压轴系刚度的分析方法，并进行了相应的实验。实验表明石墨高精废气体静压轴系不仅精度高而且刚度高。
关键词：气体静压轴系高刚度高精度

目前，汽车、阀和泵类等精密零件的制造精度已达微米和亚微米级，而光学、集成电路、惯性器件、光通讯等超精密零件的制造精度则已达纳米和亚纳米级。因此，制造装备的精度和加工能力必须随着零件制造精度要求的提高而相应提高。如精密切削应达到目前磨削的精度，超精密切削达到纳米和亚纳米级精度，这样可以更经济更高效的手段满足当前和未来精密超精密零件的加工要求。而加工设备的核心问题是应具有高刚度和高精度回转轴系和运动机构。目前，精度较高的轴系是气体静压轴系和液体静压轴系，但其刚度不及滚动轴承轴系，而精密滚动轴承轴系的刚度较好，但其精度不及气体和液体静压轴系。本文就对如何提高气体静压轴系刚度的问题进行初步探讨。

1 气体静压轴承刚度

多孔质气体静压轴承理论文献较多，在一维分析模型及对气体可压缩性、速度滑移、惯性流动进行修正的二维分析和三维有限元分析模型等方面进行了许多研究工作。由于气膜的均化作用，多孔质气体静压轴承具有回转精度高、摩擦损耗小、结构简单、寿命长和无污染等优点，多孔质气体静压轴承广泛应用于高精度机床和仪器上。德国、法国、日本、美国和我国学者对其进行了大量研究，以期在其精度、稳定性、刚度等方面有更大突破。

气体在多孔质体中的流动一般假设为层流流动，多孔质轴承气膜的流场可根据Reynolds公式进行计算，气体在多孔质体中的流动遵守Darcy定律。作为气体静压轴承的多孔质材料，除了自身各向异性之外，由于加工制造等原因，其还可能存在材料孔隙的变形和局部堵塞，造成其中流体的流动状态复杂化。为此，文献[1]提出了关于多孔质体气体静压的有限元分析问题。多孔质轴承气膜的流场可采用改进的Reynolds公式进行分析，其改进是依据多孔质流场中的Darcy公式而进行的。在多孔质轴承有限元分析的总体考虑中，考虑了气膜的切线滑移、多孔质界面和多孔质体中3维流动问题，源于气流场公式的一个有限元非线性公式解决了两个气流场中压力分布问题。对经典的三维流体模型，若计算多孔质气体静压轴承的润滑性能则需将采用修正的Reyn01ds公式计算气膜结果和用Darcy公式计算的多孔质体内流体运动的结果同时给出。用有限元分析方法可以得出气体静压轴承刚度[1]为

式中，入*、入分别为无量纲的静刚度和静刚度(N／m)，ho、B、L和Pa。分别为气膜参考厚度(m)、X向轴承宽度(m)、轴承长度(m)和空气压力(Pa)。文献[2]提出了另一种表面小孔物理模型：假设在多孔质体表面均布一层密布的小孔，气体通过此薄层的流动犹如通过无数并列的小于L节流器，服从小孔流动规律。多孔质层其余部分的流动仍服从Darcy定律，在其接合部则形成复杂的衔接条件。以圆平板止推轴承为例得出气体静压轴承刚度为

式中，入φ、K、k、W、Ro、Pa和Ps分别为渗透参数、无量纲刚度、透气系数比、载荷、止推板半径、空气压力和供气压力。由式(2)可知，渗透系数入φ对轴承刚度有显著影响，其主要取决于材料的透气系数φ。因此，在多孔质气体静压轴承的设计和制造过程中，需选择满足透气系数φ要求的透气材料。

2 设计与制造工艺对刚度的影响

国内外超精密机床大多采用气体静压轴承作为主轴轴系，而多孔质气体静压轴承具有较高的刚度。气体静压轴系一般由一对空气静压轴承和主轴组成，其中P为切削力，y为主轴在受力状态下的总位移，X为变形示意曲线，Cl、C2为气体静压轴承的刚度(图1)。

图1 气体舒压轴系示意图