摘 要：文章從多孔質(zhì)氣體靜壓軸承剛度、主軸幾何剛度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則等方面論述了高精度氣體靜壓軸系剛度的分析方法，并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明石墨高精廢氣體靜壓軸系不僅精度高而且剛度高。
關(guān)鍵詞：氣體靜壓軸系 高剛度 高精度
目前，汽車(chē)、閥和泵類(lèi)等精密零件的制造精度已達(dá)微米和亞微米級(jí)，而光學(xué)、集成電路、慣性器件、光通訊等超精密零件的制造精度則已達(dá)納米和亞納米級(jí)。因此，制造裝備的精度和加工能力必須隨著零件制造精度要求的提高而相應(yīng)提高。如精密切削應(yīng)達(dá)到目前磨削的精度，超精密切削達(dá)到納米和亞納米級(jí)精度，這樣可以更經(jīng)濟(jì)更高效的手段滿(mǎn)足當(dāng)前和未來(lái)精密超精密零件的加工要求。而加工設(shè)備的核心問(wèn)題是應(yīng)具有高剛度和高精度回轉(zhuǎn)軸系和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。目前，精度較高的軸系是氣體靜壓軸系和液體靜壓軸系，但其剛度不及滾動(dòng)軸承軸系，而精密滾動(dòng)軸承軸系的剛度較好，但其精度不及氣體和液體靜壓軸系。本文就對(duì)如何提高氣體靜壓軸系剛度的問(wèn)題進(jìn)行初步探討。
1 氣體靜壓軸承剛度
多孔質(zhì)氣體靜壓軸承理論文獻(xiàn)較多，在一維分析模型及對(duì)氣體可壓縮性、速度滑移、慣性流動(dòng)進(jìn)行修正的二維分析和三維有限元分析模型等方面進(jìn)行了許多研究工作。由于氣膜的均化作用，多孔質(zhì)氣體靜壓軸承具有回轉(zhuǎn)精度高、摩擦損耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，多孔質(zhì)氣體靜壓軸承廣泛應(yīng)用于高精度機(jī)床和儀器上。德國(guó)、法國(guó)、日本、美國(guó)和我國(guó)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究，以期在其精度、穩(wěn)定性、剛度等方面有更大突破。
氣體在多孔質(zhì)體中的流動(dòng)一般假設(shè)為層流流動(dòng)，多孔質(zhì)軸承氣膜的流場(chǎng)可根據(jù)Reynolds公式進(jìn)行計(jì)算，氣體在多孔質(zhì)體中的流動(dòng)遵守Darcy定律。作為氣體靜壓軸承的多孔質(zhì)材料，除了自身各向異性之外，由于加工制造等原因，其還可能存在材料孔隙的變形和局部堵塞，造成其中流體的流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜化。為此，文獻(xiàn)[1]提出了關(guān)于多孔質(zhì)體氣體靜壓的有限元分析問(wèn)題。多孔質(zhì)軸承氣膜的流場(chǎng)可采用改進(jìn)的Reynolds公式進(jìn)行分析，其改進(jìn)是依據(jù)多孔質(zhì)流場(chǎng)中的Darcy公式而進(jìn)行的。在多孔質(zhì)軸承有限元分析的總體考慮中，考慮了氣膜的切線(xiàn)滑移、多孔質(zhì)界面和多孔質(zhì)體中3維流動(dòng)問(wèn)題，源于氣流場(chǎng)公式的一個(gè)有限元非線(xiàn)性公式解決了兩個(gè)氣流場(chǎng)中壓力分布問(wèn)題。對(duì)經(jīng)典的三維流體模型，若計(jì)算多孔質(zhì)氣體靜壓軸承的潤(rùn)滑性能則需將采用修正的Reyn01ds公式計(jì)算氣膜結(jié)果和用Darcy公式計(jì)算的多孔質(zhì)體內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的結(jié)果同時(shí)給出。用有限元分析方法可以得出氣體靜壓軸承剛度[1]為
式中，入*、入分別為無(wú)量綱的靜剛度和靜剛度(N／m)，ho、B、L和Pa。分別為氣膜參考厚度(m)、X向軸承寬度(m)、軸承長(zhǎng)度(m)和空氣壓力(Pa)。文獻(xiàn)[2]提出了另一種表面小孔物理模型：假設(shè)在多孔質(zhì)體表面均布一層密布的小孔，氣體通過(guò)此薄層的流動(dòng)猶如通過(guò)無(wú)數(shù)并列的小于L節(jié)流器，服從小孔流動(dòng)規(guī)律。多孔質(zhì)層其余部分的流動(dòng)仍服從Darcy定律，在其接合部則形成復(fù)雜的銜接條件。以圓平板止推軸承為例得出氣體靜壓軸承剛度為
式中，入φ、K、k、W、Ro、Pa和Ps分別為滲透參數(shù)、無(wú)量綱剛度、透氣系數(shù)比、載荷、止推板半徑、空氣壓力和供氣壓力。由式(2)可知，滲透系數(shù)入φ對(duì)軸承剛度有顯著影響，其主要取決于材料的透氣系數(shù)φ。因此，在多孔質(zhì)氣體靜壓軸承的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，需選擇滿(mǎn)足透氣系數(shù)φ要求的透氣材料。
2 設(shè)計(jì)與制造工藝對(duì)剛度的影響
國(guó)內(nèi)外超精密機(jī)床大多采用氣體靜壓軸承作為主軸軸系，而多孔質(zhì)氣體靜壓軸承具有較高的剛度。氣體靜壓軸系一般由一對(duì)空氣靜壓軸承和主軸組成，其中P為切削力，y為主軸在受力狀態(tài)下的總位移，X為變形示意曲線(xiàn)，Cl、C2為氣體靜壓軸承的剛度(圖1)。
圖1 氣體舒壓軸系示意圖
氣體靜壓軸系的剛度由兩個(gè)氣體靜壓軸承剛度、主軸的抗彎剛度以及各部分的接觸剛度組成。軸系剛度的計(jì)算只考慮主軸撓度yl和靜壓氣膜變形引起的主軸位移y2兩部分，則主軸總位移為
式中，C為主軸材料的彈性模量(N／mm2)，I為主軸兩支承內(nèi)截面平均抗彎慣性(mm4)。
由式(8)可知，除了兩個(gè)氣體靜壓軸承要求較高剛度之外，為保證軸系的剛度，在軸系設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行以下考慮：(1)選擇彈性模量較高的材料作為主軸材料，同時(shí)注意在冷、熱加工過(guò)程中表面淬硬層的深度和硬度；(2)對(duì)主軸支承跨距2和主軸伸出長(zhǎng)度“要進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，文獻(xiàn)[4][5]對(duì)此給出了計(jì)算公式。
3 實(shí)驗(yàn)與分析
多孔質(zhì)氣體靜壓軸承材料多選用石墨材料。石墨是六角形網(wǎng)格層面規(guī)則堆積的晶體，且是多孔材料。一般石墨材料孔的直徑范圍如下：大孔為Φ．4—2μm；過(guò)渡孔為Φ0．02—0．4μm；毛細(xì)孔為Φ1—l0nm o個(gè)別孔有時(shí)直徑達(dá)100μm，在選用時(shí)要注意剔除這種材料。滲透系數(shù)入φ對(duì)氣體靜壓軸承剛度有顯著影響。滲透系數(shù)入φ主要取決于材料的透氣系數(shù)φ。對(duì)于石墨這種材料，無(wú)論材料孔的直徑過(guò)大或過(guò)小，都將形成復(fù)雜的氣流，影響氣體靜壓特性的穩(wěn)定性。因此，依據(jù)式(2)，采用石墨材料微孔控制技術(shù)對(duì)石墨材料過(guò)大和過(guò)小的孔加以控制。
式(1)和(2)是針對(duì)氣體靜壓止推軸承的兩種數(shù)學(xué)模型。式(1)是在對(duì)多孔質(zhì)軸承氣膜的流場(chǎng)采用修正的Reynolds公式得到的，而式(2)則是采用有限元分析方法得出的。依據(jù)式(1)和式(2)對(duì)氣體靜壓軸承剛度與相關(guān)參數(shù)進(jìn)行理論分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)氣膜厚度和承載的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)件采用石墨材料氣浮塊，材料直徑60mm，厚度15mm，透氣系數(shù)φ選用1．2xl0-12m2，供氣壓力0．5MPa。圖2為承載與氣膜厚度試驗(yàn)曲線(xiàn)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)的曲線(xiàn)曲率分析，氣膜厚度在15—30μm時(shí)承載為160—280N，該氣體靜壓軸承試件的剛度為14±4N/μm。
圖2 承載與氣膜厚度試驗(yàn)
圖3 剛度與主軸跨距的關(guān)系曲線(xiàn)
根據(jù)式（8）和文獻(xiàn)[4][5]，對(duì)氣體靜壓軸系的剛度進(jìn)行了模擬分析，選用材料E=230x103N/mm2 ，氣膜厚度為20μm，得出剛度與主軸支承跨距的關(guān)系曲線(xiàn)。
對(duì)主軸材料、結(jié)構(gòu)、支承跨距、伸出長(zhǎng)度和冷熱加工工藝進(jìn)行了分析試驗(yàn)。氣體靜壓鈾承材料采用石墨材料，主軸材料采用GCrl5，試制了一套軸系。主軸結(jié)構(gòu)主要參數(shù)為：支承跨距l(xiāng)＝450mm，伸出長(zhǎng)度a＝240mm。經(jīng)試驗(yàn)該氣體靜壓軸系的剛度可以達(dá)到280N／μm。此外在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，還將根據(jù)加工工藝對(duì)剛度的要求和其他技術(shù)要求進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。
4.結(jié)語(yǔ)
多孔質(zhì)氣體靜壓軸承具有高精度、高剛度、摩擦力小、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，是微米級(jí)和納米級(jí)加工和檢測(cè)設(shè)備的優(yōu)選軸承。本文從多孔質(zhì)氣體靜壓軸承剛度、主軸幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則等方面論述7高精度氣體靜壓軸系剛度的分析方法，并在工程中得到了應(yīng)用。證明石墨高精度氣體靜壓軸系不僅精度高而且剛度高。在高精度高剛度軸系方面仍有許多工作要做，如多孔質(zhì)氣體靜壓軸承新材料的研發(fā)、內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)的氣體靜壓軸系標(biāo)準(zhǔn)系列化、高精度高剛度磁力氣體靜壓軸系、先進(jìn)的節(jié)流方式等，這些工作的進(jìn)行將有助于精密工程制造。
