一種氣浮軸套設(shè)計(jì)

林治宇，陳留杰，王 強(qiáng)*，周清明

（1.西華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610000；2.深圳市興旺達(dá)科技有限公司，廣東 深圳 518000）

1 市場(chǎng)背景

目前，在一些精密加工中，提高效率就會(huì)導(dǎo)致加工精度下降。在提高效率的同時(shí),又要提高加工精度，成了很多科技人員研究的內(nèi)容。精密高速鉆孔使用的機(jī)床，采用傳統(tǒng)的線(xiàn)性滑軌，這種滑軌安裝比較費(fèi)時(shí)，設(shè)計(jì)的機(jī)器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，相同的運(yùn)動(dòng)行程需要的空間大，快速移動(dòng)時(shí)摩擦力大，速度越快摩擦力越大，還會(huì)發(fā)熱，所以加工效率和精度無(wú)法提高。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一種氣浮軸套，分為外部殼體和內(nèi)襯套兩部分，其特征在于：所述外部殼體的上部為一法蘭盤(pán)，法蘭盤(pán)的外圓切有對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)小平面，每個(gè)小平面都設(shè)有至少一個(gè)進(jìn)氣口，該進(jìn)氣口與外殼內(nèi)部設(shè)有的內(nèi)部氣道相通；所述外部殼體的下部為一缸套，缸套內(nèi)壁設(shè)有有進(jìn)氣通道和排氣通道，內(nèi)襯套上設(shè)有節(jié)流小孔。

如圖1和2所示，本設(shè)計(jì)的涉及一種氣浮軸套結(jié)構(gòu)。該軸套分為外部殼體1和內(nèi)襯套2兩部分。外部殼體1上部為一法蘭盤(pán)3，法蘭盤(pán)3的外圓切有對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)小平面4，每個(gè)小平面都有一個(gè)進(jìn)氣口5，進(jìn)氣口5與內(nèi)部氣道相通。所述外部殼體的下部為一缸套，缸套內(nèi)壁有進(jìn)氣通道61和排氣通道62。內(nèi)襯套2上有三排節(jié)流小孔7，與高速電機(jī)的外殼形成微小的間歇，當(dāng)高壓氣體流入就形成截流，高速電機(jī)就浮在此氣浮軸套中間，作上下運(yùn)動(dòng)，由于軸套的剛性很好，又是氣體潤(rùn)滑，使高速電機(jī)在上下運(yùn)動(dòng)的時(shí)候沒(méi)有摩擦力，速度可以非常的快，也沒(méi)有發(fā)熱，可以保證加工精度的精準(zhǔn)度。

圖1 氣浮軸套結(jié)構(gòu)1

圖2 氣浮軸套結(jié)構(gòu)2

本設(shè)計(jì)采用了靜壓空氣軸承原理，支撐采用空氣，可以循環(huán)使用，資源取之不盡，實(shí)現(xiàn)了無(wú)污染、無(wú)摩擦，配合高速運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)的外殼，替代了傳統(tǒng)的線(xiàn)性滑軌，減小了在快速鉆孔時(shí)的摩擦力，實(shí)現(xiàn)了提高效率的同時(shí)又要提高加工精度。大大提高了電路板加工效率。

本設(shè)計(jì)的氣浮軸套配合現(xiàn)有數(shù)控加工中心，可以實(shí)現(xiàn)每分鐘鉆孔600～700孔數(shù)，并且加工精度非常高。

此氣浮軸套，在結(jié)構(gòu)上還有可能將內(nèi)襯套改為外套，進(jìn)氣和排氣在主殼體上。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

經(jīng)方案論證并設(shè)計(jì)如圖3所示的氣浮軸承。圖中所示，Pa為環(huán)境壓力，P0為節(jié)流器出口壓力，Ps為供氣壓力，dj為節(jié)流孔徑，d為軸徑，h0為間隙，B為軸承寬度，b為供氣孔位置。

圖3 氣浮軸承示意圖

3.1 確定壓力比

式中，P0為設(shè)計(jì)狀態(tài)（ε=0）下節(jié)流器的出口壓力。

使用空氣作為潤(rùn)滑劑時(shí)，壓縮指數(shù)k=1.401。則P0必須滿(mǎn)足：

3.2 確定節(jié)流器參數(shù)與間隙h0的關(guān)系

根據(jù)下式近似估算：

式中，Yp為壓力系數(shù)；Yη為氣體介質(zhì)系數(shù)；Yd為尺寸系數(shù)；Aj為節(jié)流面積，對(duì)小孔節(jié)流；α為流量系數(shù)。

當(dāng)Yp、Yη和軸承尺寸D、b已知時(shí)（通常α=0.8），即可確定孔數(shù)Z、節(jié)流孔數(shù)Z、節(jié)流孔徑dj和間隙h0之間的關(guān)系。

當(dāng)用鉆頭鉆孔時(shí)，dj值應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)鉆頭直徑；當(dāng)用電火花穿孔時(shí)，dj值應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)銅絲直徑。h0的選取一般有以下限制：

h0＞（3～5）δ（δ為零件誤差，即軸承與軸頸表面的加工誤差及軸承的變形之和）。

3.3 靜態(tài)性能計(jì)算

主要是承載能力、剛度和流量的計(jì)算，在某些場(chǎng)合也要進(jìn)行摩擦力矩和渦流力矩的計(jì)算。

3.3.1 承載能力

圖4 孔式節(jié)流窄軸承的載荷系數(shù)

圖5 載荷系數(shù)的修正系數(shù)

3.3.2 剛度

對(duì)大多數(shù)氣體靜壓軸承來(lái)說(shuō)，偏心率在0.5以?xún)?nèi)時(shí)，剛度近似為常量，可按下式計(jì)算：

3.3.3 流量

對(duì)于常態(tài)空氣潤(rùn)滑的小孔節(jié)流軸承，其流量可按下式估算：

式中，f為流量系數(shù)，可取f=0.3～0.48（亞音速流）或f=0.484（超音速流）；T為絕對(duì)溫度。

3.4 穩(wěn)定性計(jì)算

為保證軸承穩(wěn)定工作，對(duì)高速氣體軸承，在計(jì)算靜態(tài)性能后，應(yīng)再校核穩(wěn)定性，包括計(jì)算同步渦動(dòng)的臨界速度和氣錘振動(dòng)的氣容比。

3.4.1 同步渦動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速

支撐在氣體靜壓軸承上的轉(zhuǎn)子，其同步渦動(dòng)的臨界轉(zhuǎn)速（自然頻率）按下式計(jì)算：

式中，m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量；It為轉(zhuǎn)子橫向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ip為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；G1為軸承1的剛度；G2位軸承2的剛度。其他符號(hào)含義見(jiàn)圖6。

圖6 支撐在彈性氣膜上的轉(zhuǎn)子

圖中，m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量；L1為轉(zhuǎn)子質(zhì)量中心到軸承1中線(xiàn)的距離；L2為轉(zhuǎn)子質(zhì)量中心到軸承2中線(xiàn)的距離。

圖7 高速氣體靜壓軸承的穩(wěn)定區(qū)（A-轉(zhuǎn)子振幅；ω-轉(zhuǎn)子的角速度）

上述避免渦動(dòng)的極限速度的判斷是保守的數(shù)據(jù)，使用中也可適當(dāng)放寬。若出現(xiàn)的現(xiàn)象，說(shuō)明結(jié)果設(shè)計(jì)不合理，應(yīng)設(shè)法改進(jìn)。

3.4.2 氣容比

式中，Vc為供、排氣腔或穩(wěn)壓氣腔容積；Z為氣腔數(shù)目。

3.5 實(shí)際計(jì)算

經(jīng)評(píng)估現(xiàn)有常用的主軸外形尺寸，設(shè)計(jì)如表1尺寸的氣浮軸套。由于該氣浮軸套不存在高速運(yùn)轉(zhuǎn)，故不驗(yàn)證高速穩(wěn)定性。

表1 氣浮套設(shè)計(jì)計(jì)算

20 間隙h0 cm 1.50E-03 21 節(jié)流孔直徑dj cm 0.01 22 凹穴深度hg cm 23 凹穴直徑dg cm 24 最大偏心率ξmax 0.5 25 Fn' 0.42 26 修正系數(shù)kx 0.92 27 載荷系數(shù)F' 0.3864 28 承載能力F（按3個(gè)軸承算） N 904.106448 29 剛度G（一個(gè)軸承） N/cm 602737.632 30 節(jié)流孔出口壓力p0 cm3/s 51.4 31 流量Qj（1個(gè)軸承） cm3/s 735.5970196

4 樣品試驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)分析）

通過(guò)WF10G-03培林氣咀加深對(duì)比測(cè)試可知，

根據(jù)WF10G-03主軸軸芯測(cè)試其側(cè)應(yīng)力情況得出，在培林和軸承都無(wú)氣槽的情況下結(jié)果為1.4kg×4；而在培林無(wú)氣槽，軸承有氣槽的情況下 其各向側(cè)應(yīng)力為3.8 4.0 3.6 3.8 。在同樣的條件下改變轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，其側(cè)應(yīng)力會(huì)增大2.0kg～2.5kg最大氣壓時(shí)主軸側(cè)向力，靜態(tài)時(shí)最大氣壓主軸側(cè)方和平方時(shí)振動(dòng)。

5 產(chǎn)品性?xún)r(jià)評(píng)估

本項(xiàng)目研究成果可應(yīng)用于食品行業(yè)、高端電子行業(yè)及相關(guān)檢測(cè)設(shè)備等，特別是檢測(cè)設(shè)備的真圓度儀、三坐標(biāo)的傳動(dòng)部位，亦可用于PCB、3C等快銷(xiāo)行業(yè)，市場(chǎng)效應(yīng)明顯。