静压空气主轴的高效高精加工应用

单　杰，丰　坤，张翰乾，赖燕根

（广州市昊志机电股份有限公司，广东广州510000）

静压空气主轴的高效高精加工应用

单杰，丰坤，张翰乾，赖燕根

（广州市昊志机电股份有限公司，广东广州510000）

通过介绍高效率、高精密加工的主要要求和静压空气主轴的主要特点，阐述静压空气主轴在高效高精加工方面的应用。

高效、高精加工；静压空气主轴

近十年来，我国制造业持续快速发展，不仅对国内经济和社会发展做出了重要贡献，而且成为支撑世界经济的重要力量。但也存在自主创新能力弱，关键核心技术与高端装备对外依存度高，产品档次不够高，能源利用率低等问题。为了提高制造领域的生产效率和产品性能，高效率、高精密加工具有重要意义。

从国防、航空航天等高精技术领域，到与普通消费者息息相关的3C产业，对产品高质量、小型化、高可靠性、高性能的追求，促进了高效高精加工的发展［1］，主要要求包括：产品高精度、高加工质量，加工过程高可靠性，加工高效率、低能耗等。而静压空气主轴的高回转精度、低运转振动、高稳定性、高转速、高寿命、低摩擦损耗等特点，很好的契合了高效高精加工的要求。本文通过分析高效高精加工的要求，对比静压空气主轴性能，阐述静压空气主轴在高效高精加工方面的应用。

1　静压空气主轴的特点

静压空气轴承主要具有以下优点：

（1）如图1所示，压缩空气在旋转件（滑动件）与轴承之间形成的气膜，高压气膜起到支承作用，而气膜具有均化效应，使主轴的回转精度达到轴承部件的1/15～1/20［2］，因而在相同的零件加工精度的情况下，可以有效地提高主轴的回转精度。

图1　静压空气轴承原理图

（2）采用均匀的气膜支承，避免了滚珠轴承运转时的周期扰动，可有效控制主轴的振动。

（3）静压空气主轴在运转时，仅存在气膜的空气摩擦，而空气的粘度很低，相比滚珠主轴的摩擦小，能耗低，寿命长，发热更小因而热形变更小；同时能够突破滚珠轴承的转速限制，达到更高的转速。

（4）输入为压缩空气，排出为空气，对环境无污染。

2　静压空气主轴在高效高精加工方面的应用举例

2.1高硬度、高脆性材料加工

随着现代科学技术的发展，各种非金属材料如蓝宝石、工程陶瓷等，由于其各方面的优异性能，在能源、航天、计算机等领域日益显示出越来越广阔的应用前景。但是，由于此类材料硬度高、脆性高等特点，加工过程易出现裂纹、烧伤、崩缺等现象，对精加工的要求也非常高［3］。高速与精磨相结合，可以提高这些材料精磨后的表面粗糙度。

静压空气主轴，由于高转速、高回转精度等特点，在保证了精磨要求的同时，可实现高速、精磨相结合的要求，在此类高硬度、高脆性材料加工中体现出较大的优势。

根据目前的切削实验数据，采用静压空气主轴加工陶瓷孔、蓝宝石槽等，相比采用滚珠轴承主轴，不仅具有减少加工崩边，提高加工表面精度等加工质量优势，而且可延长刀具使用寿命并将加工效率提高30%以上。

2.2高表面精度加工

产品性能的提升，对零件表面精度提出了进一步的高要求［4］。零件的表面精度与机床的运动精度、加工过程中刀具的振动、跳动等息息相关。静压空气主轴的低形变特点，首先从加工尺寸方面更容易保证零件的表面尺寸精度；其次，气浮主轴的低振动、高回转精度等特点，保证了加工过程中刀具的准确性、可重复性。

静压空气主轴的这些特点，极大地降低了零件表面粗糙度，达到接近镜面的效果。如美国Omega采用静压空气主轴的毫微米车床，采用金刚石刀具作微量切削，可获得工件轮廓精度＜0.075μm，表面粗糙度＜0.0012μm.

2.3高效率加工

高效加工是机械加工发展趋势中重要的一项，高效加工带来的经济效益、社会效益也非常巨大。

静压空气主轴对转速的提高，能够显著提升加工效率。目前，广州市昊志机电股份有限公司已开发出可用于工业生产的40万转的静压空气主轴，相比目前PCB板小、微孔加工中主要采用的30万转主轴可大幅提高生产效率。

由于静压空气主轴的高精度、低振动以及可达到的高刚度，进而实现以车代磨等工艺，这种整合大大提高了加工效率［5］。例如摩尔纳米技术公司（Moore Nanotechnology Systems）的250UPL超精密数控金刚石加工机床，专门用于加工光学镜头、模具等，表面光洁度可达到纳米级别，外形精度可达到亚微米级，加工精度完全可以比肩磨削加工。

2.4绿色化加工

《中国制造二零二五》中指出了我国目前资源利用效率低、环境污染问题突出等问题，并要求坚持绿色发展，节约资源、能源，提高资源、能源利用效率，凸显了绿色化加工的重要意义。

静压空气主轴所需要的附加设备少，降低了使用成本；寿命长，保证了机床加工的持续性，减少了重复启停造成的浪费；采用空气作为润滑介质，不产生废气；气浮轴承低摩擦等特点，确保了静压空气主轴更高的能量转化效率，满足更节能的要求。

3　结束语

静压空气主轴在高效高精加工方面具有显著优势，更好的利用静压空气主轴，促进高效高精加工的发展，对制造业的发展，对实施创新驱动发展战略、加快经济转型升级，都具有非常重要的意义。

［1］袁巨龙，王志伟，文东辉，等.超精密加工现状综述［J］.机械工程学报，2007，43（1）:35-48.

［2］刘家豪，傅建中，陈子辰.超精密加工的关键技术及发展趋势［J］.机电工程，2001，18（5）:19-21.

［3］袁巨龙，张飞虎，戴一帆.超精密加工领域科学技术发展研究［J］.机械工程学报，2010，46（15）:161-177.

［4］吴起，王扬，袁俊哲.超精加工机床静压空气轴承的主轴部件［J］.机械工程师，1994，（04）:22-24.

［5］钟先信.空气静压轴承在精密磨削和超精密加工方面的应用［J］.磨床与磨削，1980，（04）:27-33.

App lication of Static Pressure Air Spindle in High Efficiency and High Precision Machining

SHAN Jie，FENG Kun，ZHANG Han-qian，LAIYan-gen
（Guangzhou Haozhi Industrial Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510000，China）

This paper introduces the main requirements of high efficiency and high precision machining，and the main features of static pressure air spindle.In this paper，the application of static pressure air spindle in high efficiency and high precisionmachining is described.

high efficiency and high precision machining；static pressure air spindle

TH13

B

1672-545X（2016）05-0158-02

2016-02-28

单杰（1987-），男，广东广州人，研究生，工程师，研究方向：气浮电主轴设计。