摘 要：文章從多孔質(zhì)氣體靜壓軸承剛度丹碑、主軸幾何剛度結(jié)構(gòu)設(shè)計原則等方面論述了高精度氣體靜壓軸系剛度的分析方法，并進行了相應(yīng)的實驗。實驗表明石墨高精廢氣體靜壓軸系不僅精度高而且剛度高基恩。
關(guān)鍵詞：氣體靜壓軸系 高剛度 高精度
目前不狮，汽車户痒、閥和泵類等精密零件的制造精度已達(dá)微米和亞微米級屿帕，而光學(xué)、集成電路夏岩、慣性器件质教、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。因此矩粒，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)提高瓦陡。如精密切削應(yīng)達(dá)到目前磨削的精度，超精密切削達(dá)到納米和亞納米級精度歧蛾，這樣可以更經(jīng)濟更高效的手段滿足當(dāng)前和未來精密超精密零件的加工要求厘赤。而加工設(shè)備的核心問題是應(yīng)具有高剛度和高精度回轉(zhuǎn)軸系和運動機構(gòu)辱矮。目前，精度較高的軸系是氣體靜壓軸系和液體靜壓軸系妻铲，但其剛度不及滾動軸承軸系愿瘫，而精密滾動軸承軸系的剛度較好，但其精度不及氣體和液體靜壓軸系吞杭。本文就對如何提高氣體靜壓軸系剛度的問題進行初步探討盏浇。
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氣體可壓縮性芽狗、速度滑移绢掰、慣性流動進行修正的二維分析和三維有限元分析模型等方面進行了許多研究工作。由于氣膜的均化作用童擎，多孔質(zhì)氣體靜壓軸承具有回轉(zhuǎn)精度高滴劲、摩擦損耗小、結(jié)構(gòu)簡單柔昼、壽命長和無污染等優(yōu)點哑芹，多孔質(zhì)氣體靜壓軸承廣泛應(yīng)用于高精度機床和儀器上炎辨。德國捕透、法國、日本碴萧、美國和我國學(xué)者對其進行了大量研究乙嘀，以期在其精度、穩(wěn)定性勤消、剛度等方面有更大突破美丝。
氣體在多孔質(zhì)體中的流動一般假設(shè)為層流流動，多孔質(zhì)軸承氣膜的流場可根據(jù)Reynolds公式進行計算源糖，氣體在多孔質(zhì)體中的流動遵守Darcy定律替塑。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师晨，由于加工制造等原因看卦，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狀態(tài)復(fù)雜化研神。為此惩凉，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題。多孔質(zhì)軸承氣膜的流場可采用改進的Reynolds公式進行分析纫益，其改進是依據(jù)多孔質(zhì)流場中的Darcy公式而進行的恒襟。在多孔質(zhì)軸承有限元分析的總體考慮中，考慮了氣膜的切線滑移揍忍、多孔質(zhì)界面和多孔質(zhì)體中3維流動問題弯疾，源于氣流場公式的一個有限元非線性公式解決了兩個氣流場中壓力分布問題贾虽。對經(jīng)典的三維流體模型，若計算多孔質(zhì)氣體靜壓軸承的潤滑性能則需將采用修正的Reyn01ds公式計算氣膜結(jié)果和用Darcy公式計算的多孔質(zhì)體內(nèi)流體運動的結(jié)果同時給出吼鱼。用有限元分析方法可以得出氣體靜壓軸承剛度[1]為
式中榄鉴，入*、入分別為無量綱的靜剛度和靜剛度(N／m)蛉抓，ho庆尘、B、L和Pa巷送。分別為氣膜參考厚度(m)驶忌、X向軸承寬度(m)、軸承長度(m)和空氣壓力(Pa)笑跛。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付魔，氣體通過此薄層的流動猶如通過無數(shù)并列的小于L節(jié)流器，服從小孔流動規(guī)律飞蹂。多孔質(zhì)層其余部分的流動仍服從Darcy定律几苍，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
式中陈哑，入φ妻坝、K、k轿南、W折扮、Ro、Pa和Ps分別為滲透參數(shù)耀即、無量綱剛度竭豺、透氣系數(shù)比、載荷藻着、止推板半徑裤魔、空氣壓力和供氣壓力。由式(2)可知猩僧，滲透系數(shù)入φ對軸承剛度有顯著影響赖巴，其主要取決于材料的透氣系數(shù)φ。因此袄洁，在多孔質(zhì)氣體靜壓軸承的設(shè)計和制造過程中员漩，需選擇滿足透氣系數(shù)φ要求的透氣材料。
2 設(shè)計與制造工藝對剛度的影響
國內(nèi)外超精密機床大多采用氣體靜壓軸承作為主軸軸系晤泌，而多孔質(zhì)氣體靜壓軸承具有較高的剛度逝淹。氣體靜壓軸系一般由一對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)下的總位移栅葡，X為變形示意曲線茉兰，Cl、C2為氣體靜壓軸承的剛度(圖1)欣簇。
圖1 氣體舒壓軸系示意圖
氣體靜壓軸系的剛度由兩個氣體靜壓軸承剛度规脸、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y2兩部分熊咽，則主軸總位移為
式中莫鸭，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)横殴。
由式(8)可知被因，除了兩個氣體靜壓軸承要求較高剛度之外，為保證軸系的剛度衫仑，在軸系設(shè)計時需進行以下考慮：(1)選擇彈性模量較高的材料作為主軸材料梨与，同時注意在冷、熱加工過程中表面淬硬層的深度和硬度满戒；(2)對主軸支承跨距2和主軸伸出長度“要進行相應(yīng)的計算枚从，文獻(xiàn)[4][5]對此給出了計算公式。
3 實驗與分析
多孔質(zhì)氣體靜壓軸承材料多選用石墨材料蕴黎。石墨是六角形網(wǎng)格層面規(guī)則堆積的晶體榛狮，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瞻坊；過渡孔為Φ0．02—0．4μm者侄；毛細(xì)孔為Φ1—l0nm o個別孔有時直徑達(dá)100μm愧棋，在選用時要注意剔除這種材料兼峻。滲透系數(shù)入φ對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罗和。對于石墨這種材料神深，無論材料孔的直徑過大或過小，都將形成復(fù)雜的氣流功哮，影響氣體靜壓特性的穩(wěn)定性仅谍。因此，依據(jù)式(2)援奢，采用石墨材料微孔控制技術(shù)對石墨材料過大和過小的孔加以控制兼犯。
式(1)和(2)是針對氣體靜壓止推軸承的兩種數(shù)學(xué)模型。式(1)是在對多孔質(zhì)軸承氣膜的流場采用修正的Reynolds公式得到的集漾，而式(2)則是采用有限元分析方法得出的切黔。依據(jù)式(1)和式(2)對氣體靜壓軸承剛度與相關(guān)參數(shù)進行理論分析，在此基礎(chǔ)上具篇，對氣膜厚度和承載的關(guān)系進行了實驗纬霞。試驗件采用石墨材料氣浮塊凌埂，材料直徑60mm，厚度15mm诗芜，透氣系數(shù)φ選用1．2xl0-12m2瞳抓，供氣壓力0．5MPa。圖2為承載與氣膜厚度試驗曲線伏恐。通過對試驗的曲線曲率分析孩哑，氣膜厚度在15—30μm時承載為160—280N，該氣體靜壓軸承試件的剛度為14±4N/μm翠桦。
圖2 承載與氣膜厚度試驗
圖3 剛度與主軸跨距的關(guān)系曲線
根據(jù)式（8）和文獻(xiàn)[4][5]臭笆，對氣體靜壓軸系的剛度進行了模擬分析，選用材料E=230x103N/mm2 隶秒，氣膜厚度為20μm持沛，得出剛度與主軸支承跨距的關(guān)系曲線。
對主軸材料媒敲、結(jié)構(gòu)汇凌、支承跨距、伸出長度和冷熱加工工藝進行了分析試驗透鹊。氣體靜壓鈾承材料采用石墨材料蚪教，主軸材料采用GCrl5，試制了一套軸系召期。主軸結(jié)構(gòu)主要參數(shù)為：支承跨距l(xiāng)＝450mm畅镐，伸出長度a＝240mm。經(jīng)試驗該氣體靜壓軸系的剛度可以達(dá)到280N／μm编漆。此外在實際設(shè)計時践桂，還將根據(jù)加工工藝對剛度的要求和其他技術(shù)要求進行綜合設(shè)計。
4.結(jié)語
多孔質(zhì)氣體靜壓軸承具有高精度跌蛔、高剛度级汹、摩擦力小、無污染等優(yōu)點盒卸，是微米級和納米級加工和檢測設(shè)備的優(yōu)選軸承骗爆。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)計原則等方面論述7高精度氣體靜壓軸系剛度的分析方法蔽介，并在工程中得到了應(yīng)用摘投。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虹蓄，如多孔質(zhì)氣體靜壓軸承新材料的研發(fā)犀呼、內(nèi)裝電動機的氣體靜壓軸系標(biāo)準(zhǔn)系列化、高精度高剛度磁力氣體靜壓軸系、先進的節(jié)流方式等圆凰，這些工作的進行將有助于精密工程制造杈帐。
