小型精密空气静压轴承的研制

精密制造与自动化2009年第2期25试验与研究小型精密空气静压轴承的研制高岭陈闽鄂蒋晓刚九江职业技术学院（332000）摘要基于精密空气静压轴承是超精密加工设备、精密测试仪器等尖端产品中回转运动的核心部件，研制了径向气浮轴系和带止推板小型气浮轴系的空气静压轴承，分析了轴承的承载能力和装配工艺，解决了在保证高精度的前提下保持良好制造工艺性的难题。实际使用表明，它性能稳定、精度高、适应性好，有一定的推广价值。关键词空气静压轴承结构设计力矩惯性导航惯性导航仪器在现代航空、航海、航天和国防工业中得到广泛的使用，随着导航技术的发展，许多器件精度要求越来越高。微型电动机是惯性导航仪器的关键部件，其性能的好坏直接影响整个惯导系统的精度和稳定性。因此，在研制过程中必须进行各种严格检测，陀螺电动机的力矩特性检测分析是其中一个重要环节。由于力矩很小，而且一直在不停变化，所以要想对陀螺电动机的力矩特性进行精密检测分析在技术上有很大的难度。在微力矩分析测量仪器中，小型空气静压轴承是其中的关键部件。精密空气静压轴承属于非接触式轴承，其摩擦阻力和磨损率接近于零，运动平稳、精度高，不会产生爬行现象。但目前在市场中尚找不到可以满足这种使用要求的空气静压轴承产品。鉴于此，根据我们研制其他空气静压系统的经验，结合空气静压轴承工作原理，在分析空气静压轴承受力情况的基础上，研制了小型空气静压轴承，安装在某微力矩分析仪上取得了满意的效果。检测试验表明，小型静压空气轴承工作稳定，力矩分析仪的测量分辨率达到1×10-6N·m。1总体结构设计为保证微力矩分析仪的检测精密，要求采用的空气静压轴承不但自身摩擦阻力小而且还要具有足够的刚度和高的回转精度。图1是空气静压轴承结构图。压缩空气通过进口和圆周均布的节流器进入轴套和气浮轴间的间隙，形成一层具有一定刚度的均匀气膜，气浮轴就浮在这层气膜上。气浮轴与轴套间的摩擦力就是空气的粘滞阻力。由于空气的粘度非常小，因此气浮轴与轴套间的摩擦力也非常小，基本接近于零。图1径向气浮轴系图1所示的空气静压轴承气浮轴直径是φ90mm，节流器可以从内孔进行装配，装配后有足够的检测调整空间，如果气浮轴径减小到φ30mm甚至更小的时候，这种结构会给装配检测带来很大困难。这类空气静压轴承还有一个问题就是它只能承受径向负载，对于既有径向负载又有轴向负载的情形它也不能满足要求。针对这种情况，我们对空气静压轴承结构进行了改进设计。主要的改进：一是增加了止推板，它实际上是一种平面止推空气静压轴承，它与气浮轴组成复合气浮轴系，可以同时承受轴向和径向负载。二是改进轴套的结构。节流器数量较多且装配在轴套上有很高精度要求；气浮轴径小，从轴套内部检测调整比较困难。采用目前的结构可以方便地从外部进行检测调整。节流器装配合格后，轴套再外壳体轴套气浮轴节流器0型密封圈φ190φ90125压缩空气进口精密制造与自动化2009年第2期26试验与研究与轴座装配。这种结构还便于将来气浮轴系的调整和维修。轴套不但承担径向空气静压轴承的支撑作用，而且还是空气止推静压轴承的一部分。图2是改进后的带止推板小型气浮轴系。1-轴座2-0型密封圈3-节流器4-气浮轴5-调整环6-轴套7-止推板8-输出端图2带止推板小型气浮轴系2轴承的承载能力分析空气静压轴承的承载能力与轴径、节流孔径、节流器的数量及其分布方式、气浮轴和轴套的尺寸精度、空气压力等都有很大关系。设计小型空气静压轴承的要点在于把握轴承节流孔径和轴承间隙与气浮刚度的相互关系。空气静压轴承节流器分布在气浮轴两端。压缩空气经节流孔导入轴承间隙，使间隙中充满压缩空气，形成压力气膜支撑负载。一般认为把轴承间隙设计得尽可能小是提高气浮刚度的有效方法，但在10μm以内的小间隙范围内进行空气静压轴承的优化设计，同时通过节流器进入轴承的压缩空气量也要减少，则节流器的孔径大约是φ10μm以内。这样小孔径的孔，加工尺寸精度、表面粗糙度很难得到保证，各节流器小孔尺寸的一致性也很难保证，工作过程中小孔容易堵塞，影响空气静压轴承工作的可靠性。因此，这种方法有一定的局限性。空气静压轴承首先要确定承载能力，这就首先必须正确求出气膜的压力分布。压缩空气在空气静压轴承间隙中流动很复杂，由于轴承间隙很小，可以近似认为压缩空气在静压轴承间隙中的流动是平面二维流动，从而简化为二维雷诺方程求解，求出与实际情况接近的轴承工作特性。理论分析认为，节流孔径可以在φ0.1～φ0.6mm选用，采用φ0.2mm孔径时承载力刚度最大，综合考虑回转精度和承载刚度，经过几次优化试验，最后确定采用节流孔径φ0.15mm，气浮轴平均间隙12μm。此时实测轴向承载刚度达到7N/μm以上，径向承载刚度达到4N/μm以上（轴端），满足设计要求。3轴承制造装配工艺分析轴套、气浮轴的加工精度和配合精度都很高，采用普通加工很难达到，需要精磨后再研磨配作，同时材料的稳定性一定要好。因此，选择了3Cr13不锈钢，经合理锻压加工和退火后，再经过调质处理，硬度控制在30HRC左右，保证材料具有很好的力学性能、加工研磨性能和尺寸的稳定性能。轴套精车后内孔用精密小孔磨床精磨和研磨。气浮轴与轴套配作，研磨后保证轴套与气浮轴平均间隙12μm，表面粗糙度低于Ra0.2μm，同时轴套端面与轴线垂直度误差小于3μm。轴套上径向分布有两组共12个节流器，节流器与轴套间用环氧树脂粘结。为提高轴承刚度，节流器顶面必须低于轴套内表面约0.05mm。轴套内径只有φ30mm。为保证节流器装配质量，设计了一个特殊工装，放入轴套内孔，粘结节流器时恰好顶住节流器顶面，环氧树脂胶固化后再取出工装。我们研制的这套小型空气静压轴承，具有较好的制造工艺性能，调整简便，能满足小批量生产要求。可用于各种类型的精密仪器、精密机械中，对推广普及空气静压轴承的使用具有积极意义。参考文献[1]J.W.POWELL.空气静压轴承设计[M].丁维刚,译.北京:国防工业出版社.[2](波)W.泰拉林斯基.微型机械与精密仪器[M].北京:机械工业出版社.[3]姜复兴.惯导测试设备原理与设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.[4]李兴华.空气静压轴承的静特性计算及其实际应用[J].同济大学学报,1999(2).[5]张俊红.高速气浮静压轴承的结构设计[J].组合机床与自动化加工技术,2004(12).5678φ30φ48115压缩空气进口1234