空气静压主轴宏微尺度研究进展综述_陈东菊.pdf

第 卷 第 期 年 月北京工业大学学报 空气静压主轴宏微尺度研究进展综述陈东菊，张 璇，孙 锟，李天宝，陈 芳（北京工业大学材料与制造学部，北京；北京工业大学机械工业重型机床数字化设计与测试技术重点实验室，北京；北京市第九中学，北京）摘 要：空气静压主轴作为精密超精密机床的关键部件，其回转精度高，运转平稳，振动及噪声较传统轴承小，高速回转时的温升较小 但其存在刚度和承载力较差的问题 因而，有必要对现有的空气静压主轴重要研究成果进行系统的总结及分析 回顾空气静压主轴的历史发展及研究成果，空气静压主轴的主要研究目的在于提高其承载力和刚度，改善动 静压特性以及稳定性等，并通过改进雷诺方程以及优化结构参数进行实现 同时其微尺度特性也成为研究的热点，研究结果表明，微尺度特性对于主轴的承载力以及刚度等具有重要影响 该研究从空气静压主轴的发展历程、静 动力学性能以及微尺度领域的黏度、速度滑移和稀薄效应等对空气静压主轴性能产生重要影响的因素进行综述和分析 结合现有的数值模拟方法，对主轴回转精度的测量和主轴运动状态进行了分析 最后，对空气静压主轴的研究发展趋势进行了预测关键词：空气静压主轴；微尺度效应；气体润滑；动静态特性；数值模拟；回转精度中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）作者简介：陈东菊（），女，教授，博士生导师，主要从事精密超精密加工方面的研究，：，（，；，；，）：，北 京 工 业 大 学 学 报 年，：；空气静压轴承是滑动轴承的一个分支，被越来越多地运用于精密超精密主轴，转子系统受气膜作用进行悬浮旋转，因此其所受的摩擦较小，高速回转时产生的温升较小，不易产生热形变，具有高回转精度，运行平稳 在不断追求超精密加工的行业发展趋势下，空气轴承的研究发展决定了精密超精密技术的发展 为了进一步提升其在精密超精密领域的战略地位，还需继续提升其刚度、承载力以及稳定性等性能 因而对其历史研究成果进行回顾、总结，以及分析最新研究进展，对于指导进一步的研究及预测未来发展形势具有十分重要的意义 我国在研究超精密加工的方面已经取得了部分成果，但是起步较晚，与国外先进技术差距仍然较大本文通过梳理空气静压轴承的发展历史，回顾国内外超精密空气静压轴承关键技术的研究进展，总结出国内外在微尺度领域内的理论研究以及数值模拟成果，分析空气静压轴承实现关键突破、提升性能的关键技术问题，最后总结介绍空气静压主轴回转误差测量方法及误差信号分离方法 空气静压主轴历史回顾及性能研究.空气静压主轴的发展历程受近代工业革命的启蒙，为了满足军工业的发展需要，气体润滑技术应运而生 世纪 年代英国的 发表一篇题为平板上的压力与平面上孔口气流相反的论文，首次使用了空气润滑的方法，并且设计出了相应的实验设备，测量了小孔气流压力，拉开了气体润滑技术的序幕 世纪 年代法国的 进一步论述了气体润滑的可行性，年代美国的 研制了第一个空气静压径向轴承，气体润滑技术得到了实际应用 年，在研究空气润滑理论时，考虑了气体的可压缩性，引入一系列适用于轴承的假设整理出了可压缩性雷诺方程，对气体润滑可行性进行了理论上的分析 世纪中期以来，随着计算机有限元分析和各种数值模拟方法的发展，气浮轴承技术取得了突破，形成了完善的设计理论 在美国曼哈顿计划中，博士提出并评价了气体轴承技术，自此气体静压轴承技术兴起 年代，在大型硬盘驱动器中应用了气体轴承 图 为 公司的一款采用了空气静压主轴 的 超 精 密 加 工 系 统，车 削 的 表 面 粗 糙 度 图 多轴超精密加工系统 气体轴承技术从理论研究及加工生产，到结构设计、新型轴承材料开发、对轴承动刚度进行补偿、气体润滑热力学问题等不断发展 杜金名等对多种节流类型空气静压轴承的静特性进行了分析，发现多孔质类型轴承的承载能力及刚度较高，并且摩擦更小，回转精度更高 田富竟等将小孔节流器和多孔质节流器进行结合，测试了各种孔径的多孔气体轴承的静特性，发现加工处理方式和材料选取是影响轴承静态特性的主要因素 针对多孔质节流的多孔质层变形问题，等提出了 种供气方式（槽式、孔式），从理论上分析了不同供气模式对空气静压多孔轴承动静态性能的影响 针对轴承系统流量不稳定的特点，等通过微纳技术设计制成了一种新型多微孔式空气静压系统，如图 所示，该系统显著提高了轴承流动的稳定性 等实验研究了孔板节流模式下的流量系 第 期陈东菊，等：空气静压主轴宏微尺度研究进展综述数，分析了不同雷诺数及尺寸参数下的小孔流量系数 等研究了小孔口直径止推轴承流量系数，然后采用有限差分法和小扰动法结合分析其静动态特性图 多微孔静压系统气流流动分布 对于主轴处于不同运动状态时轴承性能的变化，研究了主轴转速对空气静压轴承摩擦特性的影响，得出结论：空气静压轴承的动摩擦包括与转速成比例的黏性阻力和独立于其速度绝对值的部分 由于摩擦产生的热量不可避免，等实验研究了高速主轴运行过程中的温度变化情况，发现热流分为径向和轴向热流，其中径向热流起主要作用，且温度与主轴转速的平方呈正相关 对于轴承气膜间隙对轴承性能的影响，等提出了一种新型狭缝节流轴承，由于其环向间隙是不均匀的，具备一定的动压效应且稳定性更高 等对空气静压轴承的气膜系数通过传递函数进行求解，有效提升求解效率压缩气体在空气静压轴承内流动时，已不再属于气体分子自由扩散，受轴承外壁的影响，气体与固体表面间的耦合作用不能忽视 卢泽生等发现将气体的惯性效应及压缩性进行耦合分析能够更加准确分析多孔质内部气流状态 柴辉等研究了空气静压轴承在气固耦合状态下的承载性能，发现耦合效应会使气膜内部发生不均匀膨胀和变形，进而改变轴承内的流场，结果更加符合实际情况，如图 所示 赵晓龙等考虑了薄板挠度理论，分析了具有变截面节流器的轴承性能，其刚度较固定截面节流器提高，承载力越高能获得越大的刚度图 不同气膜厚度下轴承承载特性 .空气静压轴承力学性能研究现状.静力学性能研究空气静压轴承的静力学性能主要包括气膜压力分布、轴承承载力和气膜静刚度等，其中承载力和静刚度是衡量轴承性能的重要标准 轴承的承载力体现为轴承抵抗外载荷的能力，轴承刚度对于主轴回转精度以及回转的稳定性影响极大，轴承的承载力和刚度不足不仅会降低超精密加工精度，还可能导致实践中发生各种事故，由于润滑介质是气体，因此空气静压轴承的静态特性相较于液体静压轴承要弱一些，静态特性会受到节流器类型、数量和布局、结构参数、几何尺寸以及表面波纹度等的影响，因此需要对空气静压轴承的承载力和刚度进行重点研究 等发现将均压槽引入到轴承中可以有效提高气膜的承载能力和刚度 等对多孔质节流的静态特性进行有限元分析，发现在小渗透率情况下，多孔质轴承的刚度较高 等建立北 京 工 业 大 学 学 报 年了一个计算模型，用于分析小孔节流时空气静压轴承的质量流出率，将分析结果与实验结果进行比较，两者得到的结果高度吻合，验证了计算模型的正确性，如图 所示图 不同直径节流孔的气体质量流量模拟曲线和实验对比 等研究发现狭缝节流的静态特性比小孔节流要更好 等通过开发的数值模型来模拟高速主轴在不同长径比及不同供气压力下的轴颈气膜刚度（见图），研究结果表明，轴承的几何形状会对轴承性能产生显著影响，该结果为改进高精度机床的气体主轴提供了设计指南 等通过建立数学模型来模拟滑动状态下轴颈微轴承的复杂流动行为，使用光谱搭配方法分析长径比和滑移对系统稳定性的影响（见图），并通过数值计算确定了相应的稳定性边界 结果表明，滑流边界条件增强了气润滑轴颈轴承转子系统平衡点的稳定性 等从理论上解释了气膜厚度、孔口直径、气体性质、供应压力和结构参数对轴承性能的影响，提出一种空气静压轴承性能计算方法，并将此方法与有限元法、计算流体动力学法进行比较，此方法简化了性能预测和参数优化的过程轴承的承载能力通过轴承间隙中的气膜压差来实现，因此提高供气压力可以提高轴承的静特性；轴承的静特性与偏心率关系较为密切，但偏心率过大会使轴承的承载力降低 供气压力过高将导致气锤振动的可能性增大，因而供气压力不宜过大 同时，节流器的形状将影响轴承的静态特性，节流孔的直径大小也影响空气静压轴承的承载力，节流孔直径图 不同供气压力下轴承量纲一的承载力随偏心率变化情况 变小，轴承的刚度和承载力也会随之提高 多孔质静压轴承较普通静压轴承具有较高的静特性.动力学性能研究方面空气静压轴承依靠压缩空气等气体在轴承间隙内形成极薄的气膜来润滑和支撑转子，由于气膜具有可压缩性，主轴在高速运转时气膜并非静止不动的，而是随着主轴的运转加速扩散流动 气膜在本质上属于流体，在流动时各流层的流速并非一致，因而转子在高速运转时，气膜性能将呈现出动态特性 第 期陈东菊，等：空气静压主轴宏微尺度研究进展综述图 气体润滑轴承转子系统的稳定性边界 实际工作过程中，气膜相当于弹簧阻尼系统对主轴起着支撑和润滑作用，一般采用气膜的动态刚度和动态阻尼系数来对其进行描述 空气静压轴承应用在超精密场合，在主轴运转过程中可能会存在微扰动，并且动刚度以及动阻尼具有明显的非线性特性，主轴的稳定性会受到一定的影响，因此研究气膜的动态特性对轴承系统的动力学特性和系统的稳定性起着决定性作用为了研究主轴在运动中动态性能的变化规律，等建立了一个基于小振幅扰动的模型，分析了空气静压轴承动态稳定性，并进行了实验验证 运用传递矩阵法并考虑弹性支承因素分析转子的动态特性，结果表明这种方法能更加合理有效地分析转子的动态特性 发现转子在高于临界转速下工作会导致与机床产生共振，稳定性会下降 日本的 等对空气静压电主轴铣削过程动态特性进行研究，发现铣削切削力可以通过主轴位移进行识别 通过识别气体轴承的线性和非线性刚度以及阻尼系数，对气流通过进料系统的数学模型进行描述，发现阻尼系数同时受主轴转速、外载荷及轴承自身结构等的影响考虑到表面不光滑的主轴转子会对主轴运动产生较大的影响，理论上分析了表面粗糙度对液压阶梯式推力轴承的动态刚度和阻尼特性的影响，推导出具有旋转惯性效应的随机雷诺方程和具有凹陷体积流体可压缩性的凹陷流连续性方程，实现对轴承动态系数的评估 通过分析转子的粗糙度模式和粗糙度高度，发现与光滑轴承相比，周向粗糙度的影响增加了平均轴承刚度和阻尼特性 等通过搭建的轴承气锤测试平台进行实验，发现小节流孔直径和供气压力能够有效缓解气锤振动 等设计了一种装有高分辨率的油润滑挤压膜阻尼器（见图），能够快速响应控制系统驱动的空气轴承滑架，实验结果表明：阻尼器可以显著改善空气静压轴承的动态刚度，并且可以获得足够的驱动刚度，从而可以用在某些精密加工中图 带有直接驱动马达的空气轴承滑轨和挤压薄膜阻尼器 等通过如图 所示实验装置研究发现，空气静压轴承在膜厚小、供气压力高的情况下具有显著的非线性动力学特性图 动态系数测量装置 等研究发现外部扰动对于轴承的稳定性的影响很大 随着扰动频率的增大，刚度系数增大，如图 所示；阻尼系数减小，如图 所示由于转子在运动过程中的回转轨迹存在运动误差，因而当转子出现运动偏心时，其动态特性将发生剧烈变化 等和 等研究了空气静压主轴承受偏心载荷时的振动误差，发现静压主轴承系统动态特性与轴承结构参数以及节流孔的布局等有关 等仿真分析了多排孔径向北 京 工 业 大 学 学 报 年图 刚度系数随扰动频率的变化情况 图 阻尼系数随扰动频率的变化情况 气体轴承的承载力特性，结果表明偏心率的变化对其影响较明显，如图 所示 等模拟发现随着转速和偏心率的增加，气膜承载力随其逐渐由线性转为非线性 等建立了预加载铣床模型并对其振动模态进行了仿真分析，基于固有频率和幅频响应特性对空气静压主轴的动态特性进行分析，对主轴的优化设计和稳定性有着重要作用 当考虑主轴转子的动力学稳定时，等通过实验评估空气静压主轴的低阶振型，发现气体的组成成分会影响空气轴承的刚度进而影响主轴振动 等在对转子动态特性进行分析时考虑了具有时间项的非线性模型，能够更准确地进行分析预测 等采用理论和实验相结合的方式求取了混合轴承的刚度及阻尼系数现有加工手段和设备精度有限，在制备轴承转子时不可避免地存在