超精密机床气浮导轨的气体润滑研究.pdf

2 0 1 3年 8月 第 3 8卷 第 8期 润滑与密封 L UBRI CATI ON ENGI NEERI NG Au g ． 2 01 3 Vo 1 ． 3 8 No ． 8 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 4 0 1 5 0 ． 2 0 1 3 ． 0 8 ． 0 2 3 超 精密机床气 浮导轨的气体 润滑研 究 周欢伟 广州铁路职业技术学 院广东广 州 5 1 0 4 3 0 摘要在用超精密机床加工 V沟槽等微结构时，气浮导轨是保证超精密加工精度和表面光洁度的关键部件之一。 介绍气浮导轨结构及润滑方式的选择 ，对其拓扑结构进行设计 ，研究影 响承载能力 、刚度的因素 ，建立气体静态数学模 型，在雷诺方程和达西定律等理论基础上，建立一维和三维润滑数学模型。从温度、气压、地基等方面综合考虑了V 沟槽超精密加工机床气浮导轨的设计 ，可确保气浮导轨 良好的润滑性能 ，从而确保机床 良好 的加工精度 。 关键词气体润滑；气浮导轨；超精密机床；刚度 中图分 类号 T H1 1 7 ． 2 文献标识码 B 文章编号 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 3 81 0 9 4 Re s e a r c h o n Ga s Lu b r i c a t i o n Ba s e d o n Ae r o s t a t i c S l i d e wa y o f Ul t r a ． pr e c i s i o n M a c h i n e To o l Zh o u Hu an we i G u a n g z h o u I n s t i t u t e o f R a i l w a y T e c h n o l o g y ， G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 4 3 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Wh e n t h e u l t r a p r e c i s i o n ma c h i n e t o o l ma c h i n i n g mi c r o s t r u c t u r e o f t h e V g r o o v e s ， t h e a e r o s t a t i c s l i d e wa y i s o n e o f t he k e y c o mp o n e n t s ， wh i c h e n s u r e s t h e h i g h a c c u r a c y a n d s u r f a c e s mo o t h n e s s i n t h e u l t r a - p r e c i s i o n ma c h i n i n g ． Th e c h o i c e o f l u b ric a t i o n me t h o d a n d s t ruc t u r e o f a e r o s t a t i c S l i d e wa y we r e i n t r o d u c e d， a n d t h e t o p o l o gy s t ruc t u r e o f a e r o s t a t i c s l i d e wa y wa s d e s i g n e d． Th e a f f e c t i o n f a c t o r s o n c a r r y i n g c a p a c i t y a n d s t i f f n e s s we r e r e s e a r c h e d， a n d t h e a e r o s t a t i c ma t h e ma t i c a l mo d e l wa s s e t u p． Th e o n e d i me n s i o n a l a n d t h r e e d i me n s i o n a l l u b ric a t i o n ma t h e ma t i c a l mo d e l s we r e e s t a b l i s h e d b a s e d o n t h e t h e o rie s o f Re y n o l d s e q u a t i o n a n d t h e Da r c y ’ S l a w． T h e d e s i g n o f a e r o s t a t i c g u i d e wa y f o r V gro o v e ma c h i n i n g o f u l t r a p r e c i s i o n ma c h i n e t o o l wa s c o n s i d e r e d s y n t h e t i c a l l y i n a s pe c t o f t h e t e mp e r a t u r e， g a s p r e s s u r e a n d f o u n d a t i o n， wh i c h c a n e n s u r e a e r o s t a t i c s l i d e wa y t o h a v e a g o o d l u b ric a t i o n p e rfo r ma n c e， i n o r d e r t o g e t h i g h ma c h i n i n g a c c u r a c y o f ma c h i n e t o o 1 ． Ke y wo r d s g a s l u b ric a t i o n； a e r o s t a t i c s l i d e wa y； u l t r a p r e c i s i o n ma c h i n e t o o l ； s t i f f n e s s 微 V槽 V ． G r o o v e 阵列、L C D背光板、超精密 显微镜等超精密零件表面有较多的阵列结构和 自由曲 面结构等 ，这些零件大多可用超精密机械加工法进行 生产。超精密机床的气浮导轨 ，是将气体从外部气源 设备经过小孑 L 引入润滑间隙，在导轨和气浮轴承间形 成具有一定承载能力和刚性的薄膜。气浮导轨具有较 大的承载能力和刚度 ，并具有无摩擦及无磨损 的特 性，由于匀差效应 ，运动的局部直线度及角度摆动较 小 ，精度较高的测量机一般采用气浮导轨 。美 国 Mo o r e 公司采用气浮导轨支承钻石车床主轴，使机床 基 金 项 目广 东 省 引 进 创 新 科 研 团 队 计 划 资 助 项 目 2 0 1 0 0 1 G 0 1 0 4 7 8 1 2 0 2 ． 收稿日期2 0 1 3 0 1 1 3 作者简介周欢伟 1 9 7 7 一 ，男 ，硕士，研究方 向为快速伺服 刀架、微 纳 加工 技术 、机 械加 工工 艺．E m a i l h o w a r d z h w 】 6 3 ． t o m． 本身的径 向回转精度达到 0 ． 0 7 5 m，轴 向为 0 ． 0 5 tx m，车削加工后的零件表面粗糙度达 R a O ． 0 1 5 m。 德国 F A G轴承公司采用气浮导轨支承大型测量仪器 和工作台，实现了高精度的定位。 K a r k o u b M a n s o u r 等 从原理上对气浮导轨内气 体压力分布的理论模型进行了设计和分析 ，建立了基 于神经网络的方法来预测导轨内气体压力分布和承载 能力 。Mo h a m e d F o u r k a 等 研 究了小 孔节流与多孔 质 节流的静压止推轴承的承载能力、刚度等特性 ，并用 有限元仿真方法进行对比研究 ，建立了承载能力 、刚 度与小孔数目、位置和多孔质材料的渗透等系数之间 关系的数学模型。 本文作者在前人的研究基础上，针对超精密机床 加工零件时要求导轨本身摩擦力小 、加速度高、重复 定位精度高的特点，对气浮导轨的自身润滑能力进行 研究 ，探索气体刚度、黏度与气体润滑之 间的关系， 2 0 1 3年第 8期 周欢伟 超精密机床气浮导轨的气体润滑研究 1 1 1 | 2 2 2 、 P 3 √ p r 一 P a 气浮导轨对应的刚度方程为k d_ F _w 2 气体润滑方程的建立 在完成气浮导轨的拓扑结构设计后，建立气体润 滑方程 ，根据雷诺方程建立气体润滑的数学模型，确 定气体润滑的程度。 2 ． 1 纳维 一斯托 克斯 方程 的建立 在黏性气流中建立笛卡尔坐标系，设一微元体中 边长分别为 d ，d ，d 2 ，根据纳维 一斯托克斯方程原 理 ，建立黏性不可压缩流体动量守恒的运动方程。设 气体在坐标点 、Y 、。 处的密度为 P ，节流器内压力 为 P ， ，叼为气体 的动力黏度 ，速度在 、Y 、 坐标方 向上的分量分别为 11 , 、“13 、W，d i v v 为速度的散度 ，可 得气体润滑的流动达西模型 J _ du 一 a u a u塑 au 0 y一a ua z一a u a u d f a a a a ，af a a a a W 3 十 t j ， a 、 _ d v 一a v u a _ y _v 加 4 _ 十U 十 十加 斗 d￡ d d a y d _ d w 一 a w M a w 一 O w 一 a w 5 _ 十M 十 十 J d￡ d ￡ d dy 设散度 d i v _a v a_ _ Ew ，当气体的动力黏度 d oy d z 为常数时 p du p X一 叼 △ 了 1 d i v 6 p p l ， 一 了 1 d i v 7 p d w p Z一 叩 丁 1 d i v 8 其中△ 为拉普拉斯 L a p l a c e 算 d oy d z 子；A u 为速度在 轴上二阶偏微分之和。 根据式 3 一 8 可求解未知量 u 、 、W、P 、P 的值 。 2 ． 2一维 气体润滑方程 英 国物理学家雷诺认 为 ，黏性不可压缩 流体作 湍 流运动时，流场中的压力和速度分量满足纳维 一 斯托 克斯方程 3 ，并可将该瞬时参量分解为时间平均 值和在时间平均值上下涨落的脉动值 ，将其代入上述 方程并取时间平均后 ，采用时间平均法得到湍流运动 方程式 ，即为雷诺方程 。 将雷诺方程进行修改 ，获得多孔节流区域的一维 气体润滑方程 ] 。 1 2 p 2， 9 式中 H为多孔材 料厚度 ； ，z 为气膜 各方 向坐标 ； 为多孔材料渗透率。 2 ． 3三维气体润 滑方程 文献 [ 1 O ]指出，当气体沿平行于节流表面的 流动不可忽 略时 ，达西定律表述为三维形式 ，通常称 为三维流动模型。这样多孔质节流器可以分为 2部 分 ，一部分是气体通过多孔材料的区域，一部分是气 体通过轴承间隙流向外界的区域。气体在气膜间隙中 的流动可以由修改后 的雷诺方程 描述 击 p p 6 n tL p 1 2 t q p 。 1 0 式中 p 为多孔材料 内压力 ； ，Y为气膜各方 向坐 标 ；z 为垂直气膜方 向坐标 ；卵为气体黏性系数； 为轴承上下表面相对速度 ； 为多孔材料垂直气膜 方向渗透率。 3 气 浮导轨在超精密机床 中的应 用探讨 在 V沟槽超精密加工机床中，由于被加工零件 表面微结构尺寸精度要求达到亚微米级，对机床主轴 刚度 、机床振动及气 浮导轨稳 定性 要求达 到纳 米级 。 气浮导轨的气体刚度是保持气浮导轨平衡、稳定地运 动的关键因素之一，气体刚度越好，气浮导轨运动越 平稳，超精密机床加工的零件尺寸精度越高，表面粗 糙度越小。气体润滑的效果除与气体的密度、工作环 境有关外 ，与气体的黏度也密切相关。气体黏度越 大，物体运动过程中产生的摩擦转矩越大，产生的阻 尼就越大。在设计时采用文献 [ 1 2 ]对气体动态刚 度与动态阻尼的研究成果，求解出动态气体轴承的动 态刚度和动态阻尼系数之 间的关系 。 为了获得高质量的气体润滑效果，在上述理论研 究的基础上，采用了以下主要技术 1 恒温技术， 保证气体在 2 1 0 ． 5 o C工作环境下运行 ； 2 高 压气体通过 3次过滤进入气浮导轨，保证气体的清洁 性； 3 高压气源来 自功率大、气压稳定的气压泵， 保证气浮导轨压力稳定及气体润滑效果 良好 ； 4 地基采用沙石基地，天然大理石隔振，将气浮导轨放 在大理石上，有效保证气浮导轨有效平稳地工作。 4结束语 对气浮导轨进行了理论研究，分析了气浮导轨结 构及润滑方式的选择；建立了气浮导轨承载能力的数 学模型，结合工程运用实际，对气体刚度进行 了分 析 ，建立了气体润滑 的一维和三维数学模型；从温 1 1 2 润滑与密封 第 3 8卷 度 、气压、地基等方面综合考虑 了 V沟槽超精密加 工机床中的实际应用 ，提出了保障气浮导轨良好润滑 性 能的措 施 ，为获 得 良好 的机械 加工 精度 打下 了基 础。目前 V沟槽超精密加工机床的实验室建设 已经 完成 。 参考文献 【 1 】张从鹏， 刘强． 基于静压气浮导轨的直线电机高性能工作台 的研制[ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 5 ， 2 5 1 0 1 2 1 2 1 2 1 6 ． Z h a n g C o n g p e n g ， L i u Q i a n g． D e v e l o p m e n t o f h i g h p e rf o r m a n c e l i n e a r mo t o r s t a g e b a s e d o n s t a t i c --pr e s s u r e a i r -- b e a r i n g s l i d e r [ J ] ． M e c h a n i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 5 ， 2 5 1 0 1 21 21 21 6． 【 2 】K a r k o u b M a n s o u r ， E l k a m e l A l i ． M o d e l i n g p r e s s u r e 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