超精密机床气浮导轨的气体润滑研究

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Research on Gas Lubrication Based on Aerostatic Slideway ofUltra.precision M achine ToolZhou Huanwei(Guangzhou Institute of Railway Technology，Guangzhou Guangdong 510430，China)Abstract：When the ultra-precision machine tool machining micro·structure of the V grooves，the aerostatic slideway isone of the key components，which ensures the high accuracy and surface smoothness in the ultra-precision machining.Thechoice of lubrication method and structure of aerostatic Slideway were introduced，and the topology structure of aerostaticslideway was designed.The affection factors on carrying capacity and stiffness were researched，and the aerostatic mathe-matical model was set up.The one-dimensional and three-dimensional lubrication mathematical models were establishedbased on the theories of Reynolds equation and the DarcyS law.The design of aerostatic guideway for V groove machiningof ultra-precision machine tool was considered synthetically in aspect of the temperature，gas pressure and foundation，which can ensure aerostatic slideway to have a good lubrication performance，in order to get high machining accuracy ofmachine too1。

Keywords：gas lubrication；aerostatic slideway；ultra-precision machine tool；stiffness微V槽 (V.Groove)阵列、LCD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-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-般采用气浮导轨 。美国Moore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(201001G0104781202)。

收稿日期：2013-01-13作者简介：周欢伟 (1977-)，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-mail：howardzhw###63.tom。

本身的径向回转精度达到0.075 m，轴向为 0.05txm，车削加工后的零件表面粗糙度达RaO.015 m。

德国FAG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。

Karkoub Mansour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。Mohamed Fourka等 研究了凶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、刚度与凶数目、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孝加速度高、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，2013年第8期 周欢伟：超精密机床气浮导轨的气体润滑研究 1112 2 2、P3 √p r- -Pa气浮导轨对应的刚度方程为：kd F w2 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 -斯托克斯方程的建立在黏性气流中建立笛卡尔坐标系，设-微元体中边长分别为d ，d ，d2，根据纳维 -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 1，、"13、W，divv为速度的散度，可得气体润滑的流动达西模型 J：du -au au塑 au 0y-au-az-au -audf a a a a'，af a a a aW (3) --十 -- t j，a 、dv： -av ua yv 加 (4) --十U 十 --十 -- 斗d d d ay ddw -aw M -aw -Ow -aw (5) --十M--十 --十 -- Jd d d dy设散度 div ava Ew， 当气体的动力黏度d oy dz为常数时：pdupX- 叼△ 了1 (div ) (6)p pl，- 了1 (div ) (7)pdwpZ- 叩 丁1 (div ) (8)其中：△ 为拉普拉斯 (Laplace)算d oy dz子；Au为速度在 轴上二阶偏微分之和。

2.2 -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 -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-维气体润滑方程 ]。

( ) ( )12(p2，(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 [1O]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，-部分是气体通过多孔材料的区域，-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 )6ntL (p )12tqp 。 (10)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-，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，表面粗糙度越校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 [12]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 (21±0.5)oC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-维和三维数学模型；从温112 润滑与密封 第38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 了基矗目前 V沟槽超精密加工机床的实验室建设已经完成。