空气主轴/气体轴承国内外研究综述

2010-08-08 20:18阅读：

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主轴是机床中最重要的部件，主轴的运动精度将直接影响工件的加工精度和表面光洁度，刀具的磨损和寿命等。随着加工精度的不断提高，对机床主轴的性能提出了更高的要求。如何合理的选择和设计主轴的结构，是机床和主轴制造商所面临的重要问题之一。液体滑动轴承和滚动轴承已经在工业中得到了成功的应用。滚动轴承已实现标准化、系列化生产，使用维护方便，承载能力大，但运动精度较差；液体滑动轴承具有大刚度、大阻尼等特点，相比于滚动轴承又具有振动小、噪声低、寿命长等优点。但无论是液体润滑轴承还是滚动轴承都具有摩擦磨损大，发热量大等致命缺陷，不适合高转速、超精密等应用场合。此外，液体滑动轴承和滚动轴承在旋转过程中，轴承润滑介质由于发热将不可避免地发生蒸发，造成对环境的污染，不适合高清洁的应用场合^[1]。
由于液体滑动轴承和滚动轴承的局限性，已经不能满足诸如半导体制造，超精密加工，以及高速机械等领域的应用要求。气体轴承采用气体作为润滑介质，有着传统的滚动轴承和滑动轴承所无法比拟的优点。滚动轴承、液体滑动轴承和气体轴承的性能比较如表1-1^[2]。
表1-1 滚动轴承、液体滑动轴承和气体轴承的性能比较

	滚动轴承	液体动压轴承	液体静压轴承	空气静压轴承
高转速	★★★

★★

★★	★★★★
高耐久性	★★★	★★★	★★★★	★★★★
高承载能力	★★★	★★	★★★★	★★★
高精度	★★★	★★★	★★★★	★★★★
高刚度	★★★	★★★	★★★★	★★
高阻尼	★	★★★	★★★	★★
润滑简易程度	★★★★	★★	★	★★
低摩擦性	★★	★	★	★★★★
经济性	★★★★	★★	★★	★★
★★★★ 非常好 ★★★ 好 ★★ 一般 ★ 不好

与传统的滚动轴承和滑动轴承相比，气体润滑具有如下的优点^[3]：
1. 摩擦系数和摩擦力矩很小。气体的摩擦系数约为普通润滑油的1/1000，适宜高速工作。
2. 气体轴承可以在最清洁的状态下工作。气体可经过过滤、干燥而净化，不污染环境，不腐蚀元器件，适合需要超净的设备。
3. 具有冷态工作的特点。气体润滑剂摩擦损耗很小，产生的热量很小，并且热量还会被流动的气体带走，因此，气体轴承的温升很小。
4. 运动精度高。充满润滑间隙的气体是可压缩流体，它比油更有柔性，使之能够在间隙内平滑的运转。由于气膜的均化效应，可以使气体轴承达到很高的旋转精度。
5. 寿命长。处于悬浮状态的运转表面，磨损很小，可以达到很长的寿命。
6. 可以在很宽的温度范围和恶劣环境中工作。
7. 能够保持狭小的间隙。气体润滑间隙比油润滑间隙小得多，可以以非常小的间隙做无接触的相对运行。
由于气体轴承的上述优点，在超精密加工和超精密检测领域，气体润滑技术以其巨大的优势得到了广泛的应用^[^4]。随着硅片加工技术的发展，半导体硅片加工对机床精度提出了非常苛刻的要求，并且由于硅片在机械加工过程中不能被污染，因此，硅片超精密磨床的主轴都采用精密空气轴承支撑，采用内置的电机驱动。硅片超精密磨削对超精密磨削机床的主轴性能，尤其是对空气轴承的性能提出了非常高的要求。硅片超精密磨削机床空气电主轴的运动精度高，是集精密空气轴承，电机等系统于一体的机电一体化产品。
国外硅片超精密磨床制造技术起步较早，发展迅速，技术先进。其中美国、德国、日本等发达国家生产的硅片超精密磨床技术成熟，代表着磨床制造的最高水平。国外发达国家生产的硅片超精密磨床具有高精度化、集成化、自动化、加工硅片大尺寸化等特点。国内半导体专用设备在技术水平、稳定性、可靠性、自动化程度方面与国际水平相比有很大差距，导致了我国半导体设备市场成为进口成套设备占绝大部分市场份额的局面，从市场乃至技术完全控制在他人手中，甚至连最基本的零部件和消耗材料几乎都依赖进口^[5]。硅片超精密磨削对超精密磨削机床的性能提出了非常高的要求，由于设计制造技术的落后，国内至今没有任何一家企业或者单位能够设计制造出满足硅片超精密磨床使用要求的空气轴承电主轴，更无从谈起硅片超精密磨床。这直接导致了我国硅片加工成本的提高，制约了制造业、信息产业，乃至整个国民经济的发展。因此，设计和制造拥有自主产权的超精密磨削机床意义重大，而空气主轴作为机床中的核心部件，是超精密磨削机床能否研制成功的关键所在。
为了推动我国先进制造技术和装备的发展和应用，提高产品的质量和档次，我们必须研发具有自主产权的超精密机床，提高自身的设计和制造水平。考虑到我国硅片超精密磨削机床的空白和广阔的市场需求，迫切的需要对高精度空气电主轴的结构设计、气体轴承的设计计算方法展开详细的研究，为硅片超精密磨床的国产化打下坚实的基础。通过对高精度空气轴承电主轴系统的研究和探索，必然会提高我国的电主轴和机床的设计制造水平，发展我国的制造技术，缩短制造业和发达国家之间的差距，提升自身的国际竞争力，同时对信息、电子等产业，以及国家的经济发展和国防安全等有着积极的意义。
1854年，G.Hirn首次提出了空气作为润滑剂的可能性，如今气体轴承已经得到了广泛的应用。目前，就润滑技术与支承形式的总体分析来看，气体轴承在四个领域内占有绝对的应用优势，即高速支承、低摩擦低功耗支承、高精密支承和特殊工况下的支承^[6]。
近年来，国内外已经对气体轴承做了大量的研究工作。气体轴承的气膜内压力分布是气体轴承研究的最基本问题之一，许多学者研究了气体润滑雷诺方程的求解算法，采用的方法主要有：（1）工程简化算法；（2）有限元法；（3）有限差分法。
工程算法计算过程简洁，早期的研究较多的采用近似的工程简化算法^[7-10]。工程简化算法利用线性气源假设，将气膜中的气体二维流化为一维流动，从而使雷诺方程得到简单的解析解。J. P. Khatait等^[9]采用了简化的工程算法，研究了只有一个节流孔的静压平面止推气体轴承的承载力和刚度，分析了轴承间隙、节流孔直径、供气压力、轴承直径等对轴承承载力和刚度的影响。哈尔滨工业大学的刘暾教授等研究了静压径向气体轴承和静压平面止推气体轴承的工程算法，详细地推导了计算公式，并给出了气体轴承工程算法的设计曲线^[10]。工程算法简便易操作，已有的设计曲线大大简化了设计计算过程，但是对于小间隙的气体轴承，由于线性气源假设与气膜中气体实际流动情况偏差较大，工程算法会产生较大的误差。另外，工程算法只能用于计算处于静止状态下的轴承，当考虑轴承实际的工作转速时，工程算法将不再有效。
随着计算机的发展，有限元法^[10-15]和有限差分法^[3,
16-20]成为求解气体润滑雷诺方程的两种主要方法。刘暾等^[10-11]详尽地给出了静压径向气体轴承和静压平面止推气体轴承的气膜内压力分布的有限元算法，并利用“比例分割法”来修正每次迭代过程中供气口的出口压力，提高了算法的稳定性和收敛性，并计算了轴承的承载力，采用的有限元法忽略了轴承转速的影响，并且“比例分割法”算法复杂。李树森等^[14]采用了泛函求极值法将二阶偏微分方程离散化，用有限元法对精密离心机静压气体轴承进行了承载能力和刚度的数值求解。把描述静压气体轴承工作的偏微分方程式（雷诺方程）与建立的静压气体轴承主轴系统的动力学数学模型合并直接数值求解，提高了计算精度和可靠性。M.T. Neves等^[15]采用了三角形有限单元体求解了静压径向气体轴承的雷诺润滑方程，并计算了轴承的承载力和流量等。有限元法计算精度高，能够适应复杂的轴承结构，然而，有限元法的网格划分复杂，并且计算过程繁琐，迭代算法复杂，不易编制通用的计算程序。
和有限元法相比，有限差分法的主要优点有：计算网格简单，用差分近似微分，计算过程简便，易于编程。然而，计算效率低、收敛性差，以及对计算初值要求高是当前有限差分法所遇到的主要问题。张静文^[16]采用了五点差分格式的有限差分法计算了气体轴承的压力场分布，但是，由于采用的是定步长的迭代算法，迭代过程中，需要依次反复调整节流孔的出口压力，算法冗繁，收敛性差，计算效率低，不适合小间隙气体轴承的气膜内压力场的分布计算。Cheng-Ying Lo等^[17]同样采用了有限差分法计算了径向静压气体轴承的气膜内压力场分布，分析了节流孔直径、供气压力等对轴承承载力和刚度的影响，同时引入了“比例分割法”^[10]来修正迭代过程中供气口的出口压力，提高了有限差分法的稳定性和收敛性，并且可以用于计算小间隙的气体轴承。然而，该算法的计算效率低，迭代次数多，并且“比例分割法”非常复杂。
另外，还有一些研究者采用计算流体动力学软件FLUENT（基于有限体积法）对气体轴承的流场进行数值模拟^[21-22]。例如，乔江东^[22]利用FLUENT软件建立了摆角铣头静压气体轴承的模型，研究了气膜厚度、轴承的偏心距对轴承刚度、承载力和空气流量等的影响，并分析了动压效应对轴承性能的影响。FLUENT功能强大，无需编程，易操作，后处理方便，但是每修改一次轴承的参数，需要对轴承重新建模。
为了能够更精确的描述静压气体轴承的气膜内压力分布、承载力和气体流量等，许多学者采用数值或者实验的方法研究了静压气体轴承小孔节流器的流量系数^[15,
23-24]。M.T. Neves等^[15]从理论上研究了流量系数对静压径向气体轴承性能的影响，并采用有限元法求解了气体润滑雷诺方程，借助于ANSYS-CFX模拟，得到了流量系数与压力比的关系：在超音速流动情况下，流量系数为定值0.880；在亚音速流动情况下，流量系数随着压力比的增大而近似线性减小。仿真结果表明，与传统的定值流量系数相比，当考虑流量系数是压力比的函数时，静压气体轴承的流量将会出现大约8%的偏差，但是轴承的承载力所受的影响很小。G. Belforte等^[23]采用实验的方法，分别对简单孔式节流器和环形孔节流器的流量系数进行了系统的研究，根据大量的实验数据，给出了流量系数与雷诺数以及节流器结构参数之间的关系。Jyh-Chyang Renn等^[24]采用数值和实验的方法，研究了小孔节流器的临界压力比和流量系数，结果表明，流量系数介于0.8~0.85，临界压力比应在0.35~0.4之间取值，以替代经典模型所得的值0.528。
由于气体的可压缩性，气体主轴如果设计不好，则容易产生不稳定的现象。气体轴承的不稳定现象大致可以分为三种：气锤自激振动，由转子不平衡引起的同步振动，以及高速回转时动压效应所引起的振摆回转振动^[25]。国内外很多学者针对气体轴承的稳定性展开了研究^[25-29]。十合晋一的《气体轴承——设计、制作与应用》^[25]一书里给出了静压径向气体轴承和静压止推气体轴承的气锤稳定界限，当静压气体轴承采用环形孔节流，且供气压力小于一定的值时，静压气体轴承很容易避免气锤不稳定现象。H.M. Talukder等^[26]采用实验的方法研究了小孔节流径向静压气体轴承的气锤稳定性，指出了气锤效应与轴承的供气压力、气腔深度、节流孔直径，以及轴承质量等有关。候予等^[27]探讨了小孔供气径向静压气体轴承稳定性的提高方法，介绍了橡胶“O”形圈加稳轴承、Sixsmith式气体轴承、双气膜气体轴承、切向小孔供气气体轴承，以及复合形式的外加阻尼小孔供气气体轴承等稳定性好的气体轴承结构，并对这几种轴承的结构型式、研究发展、应用范围和优缺点进行了详细的描述。

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