一种气浮轴套设计

林治宇，陈留杰，王 强*，周清明

（1.西华大学 机械工程学院，四川 成都 610000；2.深圳市兴旺达科技有限公司，广东 深圳 518000）

1 市场背景

目前，在一些精密加工中，提高效率就会导致加工精度下降。在提高效率的同时,又要提高加工精度，成了很多科技人员研究的内容。精密高速钻孔使用的机床，采用传统的线性滑轨，这种滑轨安装比较费时，设计的机器结构比较复杂，相同的运动行程需要的空间大，快速移动时摩擦力大，速度越快摩擦力越大，还会发热，所以加工效率和精度无法提高。

2 总体结构设计

一种气浮轴套，分为外部壳体和内衬套两部分，其特征在于：所述外部壳体的上部为一法兰盘，法兰盘的外圆切有对称的两个小平面，每个小平面都设有至少一个进气口，该进气口与外壳内部设有的内部气道相通；所述外部壳体的下部为一缸套，缸套内壁设有有进气通道和排气通道，内衬套上设有节流小孔。

如图1和2所示，本设计的涉及一种气浮轴套结构。该轴套分为外部壳体1和内衬套2两部分。外部壳体1上部为一法兰盘3，法兰盘3的外圆切有对称的两个小平面4，每个小平面都有一个进气口5，进气口5与内部气道相通。所述外部壳体的下部为一缸套，缸套内壁有进气通道61和排气通道62。内衬套2上有三排节流小孔7，与高速电机的外壳形成微小的间歇，当高压气体流入就形成截流，高速电机就浮在此气浮轴套中间，作上下运动，由于轴套的刚性很好，又是气体润滑，使高速电机在上下运动的时候没有摩擦力，速度可以非常的快，也没有发热，可以保证加工精度的精准度。

图1 气浮轴套结构1

图2 气浮轴套结构2

本设计采用了静压空气轴承原理，支撑采用空气，可以循环使用，资源取之不尽，实现了无污染、无摩擦，配合高速运转电机的外壳，替代了传统的线性滑轨，减小了在快速钻孔时的摩擦力，实现了提高效率的同时又要提高加工精度。大大提高了电路板加工效率。

本设计的气浮轴套配合现有数控加工中心，可以实现每分钟钻孔600～700孔数，并且加工精度非常高。

此气浮轴套，在结构上还有可能将内衬套改为外套，进气和排气在主壳体上。

3 设计计算

经方案论证并设计如图3所示的气浮轴承。图中所示，Pa为环境压力，P0为节流器出口压力，Ps为供气压力，dj为节流孔径，d为轴径，h0为间隙，B为轴承宽度，b为供气孔位置。

图3 气浮轴承示意图

3.1 确定压力比

式中，P0为设计状态（ε=0）下节流器的出口压力。

使用空气作为润滑剂时，压缩指数k=1.401。则P0必须满足：

3.2 确定节流器参数与间隙h0的关系

根据下式近似估算：

式中，Yp为压力系数；Yη为气体介质系数；Yd为尺寸系数；Aj为节流面积，对小孔节流；α为流量系数。

当Yp、Yη和轴承尺寸D、b已知时（通常α=0.8），即可确定孔数Z、节流孔数Z、节流孔径dj和间隙h0之间的关系。

当用钻头钻孔时，dj值应符合标准钻头直径；当用电火花穿孔时，dj值应符合标准铜丝直径。h0的选取一般有以下限制：

h0＞（3～5）δ（δ为零件误差，即轴承与轴颈表面的加工误差及轴承的变形之和）。

3.3 静态性能计算

主要是承载能力、刚度和流量的计算，在某些场合也要进行摩擦力矩和涡流力矩的计算。

3.3.1 承载能力

图4 孔式节流窄轴承的载荷系数

图5 载荷系数的修正系数

3.3.2 刚度

对大多数气体静压轴承来说，偏心率在0.5以内时，刚度近似为常量，可按下式计算：

3.3.3 流量

对于常态空气润滑的小孔节流轴承，其流量可按下式估算：

式中，f为流量系数，可取f=0.3～0.48（亚音速流）或f=0.484（超音速流）；T为绝对温度。

3.4 稳定性计算

为保证轴承稳定工作，对高速气体轴承，在计算静态性能后，应再校核稳定性，包括计算同步涡动的临界速度和气锤振动的气容比。

3.4.1 同步涡动临界转速

支撑在气体静压轴承上的转子，其同步涡动的临界转速（自然频率）按下式计算：

式中，m为转子质量；It为转子横向转动惯量；Ip为转子转动惯量；G1为轴承1的刚度；G2位轴承2的刚度。其他符号含义见图6。

图6 支撑在弹性气膜上的转子

图中，m为转子质量；L1为转子质量中心到轴承1中线的距离；L2为转子质量中心到轴承2中线的距离。

图7 高速气体静压轴承的稳定区（A-转子振幅；ω-转子的角速度）

上述避免涡动的极限速度的判断是保守的数据，使用中也可适当放宽。若出现的现象，说明结果设计不合理，应设法改进。

3.4.2 气容比

式中，Vc为供、排气腔或稳压气腔容积；Z为气腔数目。

3.5 实际计算

经评估现有常用的主轴外形尺寸，设计如表1尺寸的气浮轴套。由于该气浮轴套不存在高速运转，故不验证高速稳定性。

表1 气浮套设计计算

20 间隙h0 cm 1.50E-03 21 节流孔直径dj cm 0.01 22 凹穴深度hg cm 23 凹穴直径dg cm 24 最大偏心率ξmax 0.5 25 Fn' 0.42 26 修正系数kx 0.92 27 载荷系数F' 0.3864 28 承载能力F（按3个轴承算） N 904.106448 29 刚度G（一个轴承） N/cm 602737.632 30 节流孔出口压力p0 cm3/s 51.4 31 流量Qj（1个轴承） cm3/s 735.5970196

4 样品试验（实验分析）

通过WF10G-03培林气咀加深对比测试可知，

根据WF10G-03主轴轴芯测试其侧应力情况得出，在培林和轴承都无气槽的情况下结果为1.4kg×4；而在培林无气槽，轴承有气槽的情况下 其各向侧应力为3.8 4.0 3.6 3.8 。在同样的条件下改变转子的结构，其侧应力会增大2.0kg～2.5kg最大气压时主轴侧向力，静态时最大气压主轴侧方和平方时振动。

5 产品性价评估

本项目研究成果可应用于食品行业、高端电子行业及相关检测设备等，特别是检测设备的真圆度仪、三坐标的传动部位，亦可用于PCB、3C等快销行业，市场效应明显。