1、高精度高刚度静压轴承的设计毕业设计（论文）摘 要静压轴承是滑动轴承的一种，是利用压力泵将压力润滑剂强行泵入轴承和轴之间的微小间隙的滑动轴承。静压轴承和滚动轴承相比，它的振动小，加工工作表面精度要求高而且它回转轻巧，空气粘度低，摩擦小，发热和变形也小，适用于高速、高精度的场合。而且它耐寒耐热，具有独特的干净和方便特性，对环境无污染，其无需考虑密封问题。本文为了使主轴部件适合超精密切削加工的要求，研究了多种高精度高刚度流体静压轴承。首先，分析了超精密机床对主轴系统的要求，并根据超精密加工切削力的大小进行主轴刚度分析。同时研究了驱动电机类型和驱动方式的选择原则。其次，给出了小孔节流型液体静压和气体静
2、压轴承的工程计算方法，并分别计算液体静压径向和止推轴承以及气体静压径向和止推轴承的承载能力和刚度。同时简要介绍了新型多孔质气体静压轴承。最后，根据上述研究成果，给出了三种流体静压轴承的优缺点，为超精密机床主轴箱的选择提供了重要依据。关键词：静压轴承；高精度；高刚度；主轴AbstractHydrostatic bearing is a sliding bearing, is the use of a pressure pump pumps the pressure lubricant into the bearing and the shaft to force a small gap betw
3、een the sliding bearing. Hydrostatic bearing and the rolling bearing compare, its vibration small, the processing active face precision requests moreover it to rotate high dexterously, air viscosity low, rubs slightly, gives off heat and distorts also slightly, is suitable to is high speed, the high
4、 accuracy situation. Moreover it cold resistant heat-resisting, has unique is clean and the convenient characteristic, does not have the pollution to the environment, it does not need to consider the seal question. This article in order to cause the main axle part to suit the ultra precise machining
5、 the request, has studied the many kinds of high accuracy high rigidity hydrostatic pressure bearing.First, has analyzed the ultra precision machine tool to the main axle system request, and carries on the main axle rigidity analysis according to the ultra precise processing size. Simultaneously has
6、 studied the actuation electrical machinery type and the drive type selection principle. Next, has produced the eyelet reducing expenses liquid static pressure and the gas static pressure bearing engineering calculation method, and separately calculates the liquid static pressure radial direction an
7、d the thrust bearing as well as the gas static pressure radial direction and the thrust bearing capacity and the rigidity. Simultaneously, the new porous nature gas static pressure bearing is introduced briefly. Finally, according to the above research results, has produced three kind of hydrostatic
8、 pressures bearing good and bad points, has provided the important basis for the ultra precision machine tool headstock choice.Keywords: static pressure bearing，high accuracy，high rigidity，main axle目 录1 绪论11.1 课题背景11.1.1 概述11.1.2 国外超精密机床的发展情况11.1.3 国内超精密机床的发展情况21.2 超精密加工机床的主轴部件技术31.3 论文选题的技术指标42 超精密
9、复合加工机床主轴设计52.1 主轴系统的基本要求52.2 超精密机床主轴的研究62.2.1 主轴刚度分析62.2.2 主轴结构及其驱动系统73 液体静压轴承的性能分析113.1 引言113.2 液体静压轴承简介123.2.1 液体静压轴承的工作原理123.2.2 液体静压轴承的优缺点163.2.3 液体静压轴承的分类173.2.4 液体静压轴承的应用183.3 小孔节流液体静压轴承的工程计算193.3.1 径向轴承的计算193.3.2 止推轴承的计算233.4 液体静压轴承技术的展望264 气体静压轴承的性能分析284.1 气体轴承的发展概况284.1.1 国外气体润滑轴承的发展概况284.1
10、.2 国内气体润滑轴承的发展概况294.2 气体轴承简介294.2.1 气体轴承的现状294.2.2 气体轴承的特征304.2.3 气体静压轴承的分类314.3 小孔节流气体静压轴承的工程计算344.3.1 径向轴承的计算344.3.2 止推轴承的计算414.4 多孔质材料轴承简介444.4.1 多孔质材料及其主要性能444.4.2 多孔质材料加工方法454.5 气体轴承目前存在的问题47结 论48经济性分析49参考文献50致 谢52511 绪论1.1 课题背景1.1.1 概述精密和超精密加工技术的发展，直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研
11、究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。目前国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密加工和精密测量技术。 我国目前已是一个“制造大国”，制造业规模名列世界第四位，仅次于美国、日本和德国，近年来在精密加工技术和精密机床设备制造方面也取得了不小进展。但我国还不是一个“制造强国”，与发达国外相比仍有较大差距。我国每年虽有大量机电产品出口，但多数是技术含量较低、价格亦较便宜的中低档产品；而从国外进
12、口的则大多是技术含量高、价格昂贵的高档产品。目前我国每年需进口大量国内尚不能生产的精密数控机床设备和仪器，例如，2003年我国进口了价值41.6亿美元的机床，而出口机床仅为3.8亿美元，且主要为低精度的普通机床。2004年我国进口机床为57.8亿美元，出口机床仅为5.2亿美元。2005年我国机床总产值约为50亿美元，出口机床为8亿美元，而进口机床则达到67亿美元。 由于国外一些重要的高精度机床设备和仪器对我国实行封锁禁运，而这些精密设备仪器正是我国发展国防工业和尖端技术所迫切需要的，因此，为了使我国的国防和科技发展不受制于人，我们必须投入必要的人力物力，自主发展精密和超精密加工技术，争取尽快将
13、我国的精密和超精密加工技术水平提升到世界先进水平。1.1.2 国外超精密机床的发展情况 研发超精密机床是发展超精密加工的重要前提条件。近年来发达国家已成功开发了多种先进的超精密加工机床。超精密机床的发展方向是：进一步提高超精密机床的精度，发展大型超精密机床，发展多功能和高效专用超精密机床。美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在20世纪50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术， 称为“SPDT 技术”（Single point diamond turning）或“微英寸技术”（1 微英寸0.025 m），并发展了相应
14、的空气轴承主轴的超精密机床，用于加工激光核聚变反射镜、 战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件等。美、英、德等国在上世纪七十年代（日本在八十年代）即开始生产超精密机床产品，并可批量供货。在大型超精密机床方面，美国的LLL国家实验室于1986年研制成功两台大型超精金刚石车床：一台为加工直径2.1m的卧式DTM-3金刚石车床，另一台为加工直径1.65m的LODTM立式大型光学金刚石车床。其中，LODTM立式大型光学金刚石车床被公认为世界上精度最高的超精密机床。美国后来又研制出大型6轴数控精密研磨机，用于大型光学反射镜的精密研磨加工。英国的Cranfield精密加工中心于1991年研制成功OAGM-
15、2500多功能三坐标联动数控磨床（工作台面积2500mm2500mm），可加工（磨削、车削）和测量精密自由曲面。该机床采用加工件拼合方法，还可加工出天文望远镜中直径7.5m的大型反射镜。日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚，但却是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本的研究重点不同于美国，前者是以民品应用为主要对象，后者则是以发展国防尖端技术为主要目标。因此，日本在用于声、 光、图像、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国。1.1.3 国内超精密机床的发展情况 在过去相当长一段时期，由于受到西方国家的禁运限制，我国
16、进口国外超精密机床严重受限。但当1998年我国自己的数控超精密机床研制成功后，西方国家马上对我国开禁，我国现在已经进口了多台超精密机床。 我国北京机床研究所、航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学等单位现在已能生产若干种超精密数控金刚石机床，如北京机床研究所研制的加工直径800mm的超精密车床和哈尔滨工业大学研制的超精密车床，这两台机床均有两坐标精密数控系统和两坐标激光在线测量系统，可以加工非球回转曲面；还有哈尔滨工业大学研制了加工KDP晶体大平面的超精密铣床。KDP晶体可用于光学倍频，是大功率激光系统中的重要元件。必须承认，在超精密机床技术方面，我们与国外先进水平相比还有相当大的差距，国产超精密
17、机床的质量水平尚待进一步提高。在大型超精密机床方面，目前美、英、俄等国都拥有自行开发的大型超精密机床，而我国由于没有大型超精密机床，因此无法加工大直径曲面反射镜等大型超精密零件，国外对这些大型超精密零件的出口有严格限制，从而严重影响了我国国防尖端技术的发展。现在我国正在加紧研制加工直径1m以上的立式超精密机床。在多功能和高效专用超精密机床方面，目前我国基本上仍是空白。1.2 超精密加工机床的主轴部件技术超精密加工机床的主轴在加工过程中直接支持工件或刀具的运动，故主轴的回转精度直接影响到工件的加工精度，因此可以说主轴是超精密加工机床中最重要的一个部件，通过机床主轴的精度和特性可以评价机床本身的精
18、度。传统的方法是应用液体静压轴承，因其具有精度高、承载能力大、刚性好等优点，液体静压轴承技术至今已经发展的比较成熟，但是其本身固有的缺点（如污染大、对温升敏感等）仍无法克服。目前研制开发的超精密加工机床的主轴精度最高的是空气静压轴承主轴，（磁悬浮轴承主轴也越来越受到人们的重视，其精度在迅速的提高），空气轴承主轴具有良好的振摆回转精度。目前高精度空气轴承主轴回转精度可达0.05m，最高可达0.03m。由于轴承中支承回转轴的压力膜的均化作用，空气轴承主轴能够得到高于轴承零件本身的精度，例如主轴的回转精度大约可以达到轴和轴套等轴承部件圆度的1/151/20。另外，空气轴承主轴还具有动特性良好、精度寿
19、命长、不产生振动、刚性/载荷量具有与使用条件相称的值等优点。但是在主轴刚度、发热量与维护等方面需要做细致的工作，纳米级回转精度的空气轴承主轴，除空气轴承的轴及轴套的形状精度达到0.150.2m，再通过空气膜实现的均化作用外，还需要保持供气空流出的气体的均匀性，供气空数量、分布精度、对轴心的倾角、轴承的凸凹、圆柱度、表面粗糙度等不同，均会影响轴承面空气流动的均匀性，而气流的不均匀是产生微小振动的直接原因，从而影响回转精度。要改善供气系统的状况，轴承材料宜选用多孔质材料，这是因为多孔质轴承是通过无数小孔供气的，能够改善压力分布，在提高承载能力的同时，改善空气流动的均匀性。多孔质材料的均匀性是很重要
20、的，因为多孔质供气轴承材料内部的空洞会形成气腔，如不加以控制会引起气锤振动，为此必须对表面进行堵塞加工。1.3 论文选题的技术指标根据机床总体论证方案及精度分配要求，对支承主轴的滑动轴承的工作性能及结构参数技术指标要求如下：径向圆柱轴承：径向跳动：0.05m径向刚度：300 N/m转速范围：03000 r/min轴向止推轴承：轴向跳动：0.05m轴向刚度：300 N/m2 超精密复合加工机床主轴设计2.1 主轴系统的基本要求1.回转精度高 评价机床本身的精度的一个重要指标是机床主轴的精度。超精密切削机床主轴的回转精度直接影响到被加工工件的面形精度和表面精糙度。为了使面形精度达到0.10.3m，
21、表面精糙度达到0.01m，要求主轴的回转精度应达到0.05m。可以考虑采用的主轴形式有空气静压轴承、液体静压或动静压轴承以及磁悬浮轴承等，液体静压轴承的回转精度一般为0.1m，高精度的可达0.05m，而当主轴圆度达到0.10.2m时由于气浮误差的均化效应，气浮主轴的回转精度可以达到0.05m，从精度方面考虑空气静压轴承更容易满足需要。驱动系统的精度及驱动方式对主轴的精度也有很大的影响。超精密切削机床主轴驱动系统就应具有以下特点：驱动电机的振动、噪音和发热应消除、减小或隔离，主轴只受纯力偶作用，而不受径向力、轴向力和弯矩等干扰。 2.具有合适的刚性和承载能力作为超精密加工机床的主轴，总的原则是应
22、具有高刚性和一定的承载能力，但是对于不同的超精密机床，应分别对待。例如超精密车床，负载相对较小，使用一般结构的空气静压轴承，其刚性和承载力完全能满足使用要求。3.动态特性良好，不产生振动当静压轴承高速回转时，由于动压效果，轴承内气膜或油膜的压力会出现不稳定现象，产生与静态振摆完全不同的回转振摆现象，产生振动的频率为： (2-1)式中 k每一静压轴承的刚性； l静压轴承跨距； I回转轴惯性矩。所以设计主轴转速时，首先应避免这一转速，同时有研究表明：空气轴承转速达到fp的二倍时，由于气膜的动压效果，轴会丧失其稳定性从而卡死，这时轴的回转速度称涡动危险速度，所以设计时应保证砂轮主轴实际速度低于涡动危
23、险速度。同时由于回转轴质量分布不匀，转动时也会产生振动。除此之外，主轴驱动系统的振动也必须避免。为了 减小或避免以上不利影响，首先所有回转部件需经过精密动平衡，其次在主轴驱动方式上也可以采取一定的措施。4.发热量小，精度寿命长作为超精密机床的主轴，其热变形必须充分加以考虑。采用空气轴承和液体轴承进行切削加工，均应考虑发热对加工精度的影响。要控制其发热，一可以严格控制静压介质温度，二可以采用低膨胀系数材料，同时轴和轴套的膨胀系数相近，避免轴承间隙发生变化。轴承材料可选择铟钢、花岗岩或ZeroDur制作主轴，三可以合理安排止推轴承的位置。2.2 超精密机床主轴的研究2.2.1 主轴刚度分析超精密机
24、床切削加工时，工件的尺寸精度、表面形貌精度和生产率很大程度上取决于主轴部件的刚度。影响主轴的刚度有三部分；主轴本身的刚度；流体静压轴承的刚度；支承部分的接触刚度。（这里着重分析流体静压轴承的刚度）流体静压轴承有旋转精度高，发热小及噪音低等优点，但刚度一般较低。然而超精密加工的切削力远远小于精密加工，例如用金刚石超精密单点切削有色金属，当切削深度只有数微米时，切削力仅为几克力到几十克力。超精密切削硬脆光学材料时，以单晶硅为例，有试验表明在临界切削深度大约100nm以下时，切削力为15g，长度225mm，直径200mm的空气轴承的径向刚度可以做到300 N/m，所以由于切削力所引起的变形量比切削深
25、度小两个数量级。从上面初步分析可以看出，在超精密切削时，利用流体静压主轴的方案基本是可行的。2.2.2 主轴结构及其驱动系统由于高精度的恒温控制系统在技术上还存在一定难度，而且势必会增加成本，所以为了减小轴承发热对切削加工精度的影响，就必须从主轴的根本结构上进行改进。主轴电机伺服驱动部件是数控系统中与机械直接有关的部分，它们的性能决定机床主轴的基本控制特性，它们的价格也占整个数控系统的很大部分，所以正确、合理地选择可靠的伺服驱动部件对提高产品的功能价格比起着重要的作用。驱动方式直接影响超精密机床的主轴回转精度，因此主轴电机和驱动方式的选择是一个必须给予充分重视的问题。1.主轴结构的设计空气静压
26、轴承在高速转动时，温升相对于液体静压轴承小的多，造成的热变形误差很小。为了减少热变形对加工精度产生的影响，一方面选用热膨胀系数低的材料制作空气静压轴承；另一方面要合理确定止推轴承的布置位置。在超精密空气轴承支承的主轴设计中，对径向静压轴承，要特别注意轴承支承结构的合理性。否则，即使轴承本身性能优越，轴承的布置不合理也会对加工精度产生严重影响。主轴刚度对于气体轴承支承的同心度非常敏感，如同心度差，主轴刚度成倍下降。止推轴承的布置，要尽可能减小定位长度，并要设置在一个合适位置，以确保定位精度。此外，在结构上要保证推力轴承中心线与径向轴承的性能。为了减少温度的影响，可以将推力轴承设置在两个支承的一侧
27、，这样布置对刚度略低，但轴向定位精度高、稳定，几乎不受温度变化的影响。流体静压轴承主轴的结构如图2-1图2.1 流体静压轴承主轴结构图2.主轴电机的选择主轴的自动无级调速是超精密数控切削机床必备功能。采用伺服电机实现主轴无级变速，可以省去一些齿轮和传动机构，减少了发热、振动等影响加工精度的问题。但是为了提高主轴低速运行时的功率，必须采用更大功率的伺服电机。主轴电机的选择一般要求在某速度下为恒转矩，某速度以上为恒功率，这样在低速时可满足必要的切削转矩。输出功率是主轴电机负载能力的指标。电机的功率特性为了满足主轴低速时的功率要求，一般采用齿轮箱变速，使主轴低速时的电机速度也在基本速度以上，此时机械
28、结构较为复杂，成本也相应增加。在主轴与伺服电机直接连接的数控机床中，有两种方法来提高主轴低速时的功率要求，其一是选择基本速度低的主轴电机或额定功率一档的主轴电机。其二是采用特种的绕组切换式主轴伺服电机，这种电机的三相绕组在低速运行时接成星形，而在高速运行时接成三角形，从而提高了主轴电机的低速功率特性，降低主轴机构部件的成本。主轴伺服电机可以选择直流伺服电机和交流伺服电机，但是对于这两种电机的特点一直存在不同看法，所以有必要对这两种电机做一下比较。(1)直流伺服电机系统直流伺服电机作为驱动器，可以采用脉冲编码器、旋转变压器、光栅、感应同步器或测试发电机作为位置或速度检测器件，构成高精度、高性能的
29、半闭环或闭环控制系统，控制电路比较简单，价格较低，普通直流电机的主要缺点是直流伺服电机内部具有机械换向装置，碳刷容易磨损，维修工作量大。运行时易起火花，给电的转速和功率的提高带来较大的困难。目前直流无刷电机克服了电刷引起的摩擦振动，免除了电刷磨损对电机转矩变化大致在8%10%。这使得主轴的转速有波动，主轴转速低时，转速波动更明显。在要求主轴转速更平稳时，直流电动机可以采用正弦波动，这时驱动转矩波动可以控制在5%以内，但这时直流电动机的控制电路要复杂不少。(2)交流伺服电机系统采用交流伺服电机作为驱动器件，可以和直流伺服电机一样构成高精度、高性能的半闭环或闭环控制系统，由于交流电机内是无刷结构，
30、几乎不需维修，体积相对较小，有利于转速和功率的提高。交流电机转子惯量较直流电机小，使得动态性能好；交流电机理论上是无转矩脉动的，可以产生恒定的力矩，一般用于高精度的场合；另外在同样体积下，交流电机的输出功率可比直流电机提高10%70%。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中，但交流伺服电机价格较高。3.主轴驱动方法超精密轴系驱动方法的原则是：驱动源使主轴只受纯力偶作用，而不受其它径向力、轴向力、弯矩等干扰力；驱动源的振动应消除，减
31、小或隔离；驱动源的噪音应小；驱动源的发热量应消除、减小或隔离等，目前超精密主轴的驱动方法主要有：皮带传动，机械式纯力偶联轴节传动、磁性联轴节传动、电机与主轴一体化传动等。(1)电动机通过带传动驱动现在的超精密削机床大多数采用T总体布局，即主轴箱作Z向运动，刀架溜板作X向运动。这时主轴箱成为运动部件，采用带驱动的主轴的方式，就十分不方便，电动机也不可能有单独的地基。因此现在多数的超精密机床采用电动机和机床主轴直接相连接的驱动方式。(2)电动机通过柔性联轴器驱动主轴采用这种驱动方式时电机和主轴在同一轴线上，通过电磁联轴器或其它柔性联轴和超精密机床的主轴相联，这时机床的主轴部件要比通过传动带动紧凑得
32、多，这种驱动方式现在在超精密机床中用得多。(3)采用内装式电机驱动机床主轴电动机是专制的内装式的，电动机轴即为机床的主轴。电动机的转子直接装在机床主轴上，电动机的定子装在主轴箱内，而是依靠机床的高精度空气轴承支承转子的转动。采用这种驱动方式时，电动机采用直流无刷电机，转子经过精密动平衡。内装式同轴电动机驱动机床主轴存在一个问题是：电动机工作时发热量大，使主轴的热变形变大。为减小热变形，电动机定子应采取强制通气冷却或定子外壳做成夹层，通恒温油（或水）冷却。采取上述措施后，可以基本解决内装式电动机发热问题。从转动精度要求方面考虑，主轴驱动方式以内装式最佳，但费用高和设计复杂；通过柔性联轴器驱动主轴方式，回转精度可以达到0.0
