毛细管节流式气压止推轴承的研制成中平

李羊林

摘 要：在高精度的止推轴承中，軸承制作成本高且负载能力不足，本文设计了一种毛细管节流式气压止推轴承，采用高分子ABS材料，并通过其参数试验，得出其负载能力和刚性较好的结构参数，其性能均高于现有气压轴承，为今后提供设计依据。

关键词：毛细管；节流孔；气压止推轴承

1.前言

随着高精密与高性能产业快速发展，测量仪器的加工技术仰赖精密驱动及定位之技术，半导体、光电通讯及等需高精密加工与无污染环境之相关产业，亦需定位精度高、快速驱动及低摩擦、无污染之机械相关设备的需求越来越高，使得气静压轴承成为高精度应用上的重要机械组件。

目前气体轴承以金属为轴承本体，制作成本比较高以及负载能力不足，希望透过改变轴承材料以及更改设计使气体轴承的制作成本降低，负载能力提升的效果。

2.轴承设计与架构

如图1所示，为设计的气静压轴承的结构，设计关键在于节流器。节流器介于气源与气膜之间，作用是使外部的加压体进入轴承间隙前产生节流效果。当轴承负载产生变化时，节流器以流动阻力实时调整间隙内压力，使轴承能获得较大之承载力及刚性。

将高分子材料（ABS）应用于整个环状轴承也包含其节流器，利用高分子的弹性使毛细管膨胀、流道扩张以增加流量，当轴承负载产生变化时，ABS 毛细管节流器与整个底部变形（图1下部曲线）可以形成一凹型气隙以保持空气压力和补偿外部负载的变化，使轴承能获得较大之承载力及刚性。

由于轴承表面粗糙会影响空气流动因此轴承表面贴上厚度 0.2mm 表面粗糙度较佳的不锈钢片，不仅增加表面亮度也可以防止负载过大时高分子与平台直接接触造成磨耗。

不锈钢片厚度相当薄因此不适合用于传统加工，故选用放电加工可以避免薄片在加工过程中变形以及应力残留，加工完成后用胶将不锈钢片黏在轴承表面。

3.实验步骤

1.开启空压机与冷冻干燥机。

2.铝合金上盖有四个通孔，ABS 轴承本体有加工出四个 M6 螺纹，实验上使用两支 M6螺丝将铝合金上盖、轴承本体、荷重元锁上确保各部件不会移动。

3.连接通气管，并将气压控制在 5 bar。

4.将荷重元调整至接近零。

5.使汽缸活塞杆缓慢下降，轻压住荷重元与轴承。

6.慢慢增加荷重，并使用千分表分别在三点上量测，取其平均值得到不同荷重下气膜厚度的变化。

4.实验数据

研究主要是探讨轴承结构对轴承负载能力的变化趋势，首先制作一个上半部轴承（铝合金 A6061）与五个同一高分子材料（ABS）的下半部环状轴承，而五个轴承是改变环状支撑位置的尺寸，如图2红框所示，五个尺寸分别为半径 23mm、23.5mm、24mm、24.5mm、25mm。

图 3为五个高分子轴承进行相同的实验步骤所测得的数据，可以看到随着半径由23mm 增加至 24.5mm，能承受的荷重是增大的，荷重最高达到 420（N），而气膜厚度在汽缸活塞轻压的状态下是减少的，在荷重增加的过程中气膜厚度减小的速度却是越趋缓慢，看出往后之尺寸有较佳刚性，但实验至半径25mm 的轴承时，其荷重与气膜厚度有明显降低，已超过轴承变形的负荷，所以此设计之环状气静压止推轴承至半径 24.5mm 是较为适合之尺寸。

可是从曲线中可以看出轴承受到负载之后气膜厚度下降比例比传统型还要高。

在同材质与同尺寸 0.2mm 毛细管下，每个轴承自身流量变化不大，但每个流量之间都有差，最小与最大差距从 0cc/min 到210cc/min，可以藉由显微镜放大毛细管观察，发现每个孔径大小（图 4）并不相同，较大的孔径使流量增加，而孔壁的不平整也会影响气流的流动，导致流量的变化。

5.结论

利用传统车床、CNC 铣床与高速主轴加工出环状支撑气静压止推轴承，成功做出实验数据，五组的实验数据可以看出设计的方向是正确的，环状支撑半径由 23mm 到 24.5mm越往后曲线越平缓，可以支撑较大的荷重，支撑的最小与最大荷重从 161（N）到 486（N），而气膜厚度变小的速度也相对较慢，实验环状支撑至半径 24.5mm 时，其是最具刚性之尺。

由于 ABS 属于高分子材料，如果后续的实验结果是好的可以考虑射出成形取代目前使用的机台切削，能够稳定尺寸，使生产成本降低。

毛细管的精度也很重要，使用高速主轴加工可能会产生震刀而导致扩孔，还有毛细管较细不容易做到想要的精度，上述原因会导致流量有变化。

参考文献

[1]许尚贤；陈宝生；液体静压和动静压滑动轴承动态特性分析计算[A]；摩擦学第四届全国学术交流会论文集（第一册）[C]；1987年

[2]于雪梅；局部多孔质气体静压轴承关键技术的研究[D]；哈尔滨工业大学；2007年

[3] 许毅；气浮主轴动静压特性分析及结构设计[D]；天津大学；2005年

作者简介：

成中平，男，1965年生，副教授，从事机电教学与研究。