基于弹性薄板气浮垫的精密研抛机部件设计与分析

随着精密、超精密技术的日益进步，机器及检测仪器等的精度要求越来越高，对气浮垫的制造精度也提出更高的要求 J。目前由于气浮垫精密加工技术的研究还不够深入，因此研究气浮垫的精密制造技术是气浮垫领域亟需解决的课题。传统的气浮垫都采用喷嘴孔或环面节流器，其承载力和刚度较低，为了进-步提高气浮垫的刚度和承载能力，设计了-种新型有可变均压槽结构的气浮垫，它不仅可以均化承载面上的压力分布，又可以提高气浮垫的承载力和刚度。该种气浮垫具有很好的经济效益和广阔的应用前景，但其精密加工特别是研磨抛光设备-直困扰着该种气浮垫的生产和发展 J。因此在现有精密研抛设备的基础上对其局部关键部件进行 了设计和改造，重点对其连续加载装置和端面旋转密封装置进行了设计和分析 。

1 弹性气浮垫的结构及工作原理设计的气浮垫是-种具有可变均压槽结构的高刚度气浮垫，在气浮垫的承载面上设计了-种环形弹性卞结构，通过气膜压力反馈使环形弹性卞产生弹性变形而形成均压槽，引起均压槽深度的变化，达到提高气浮垫刚度的目的。这种结构在气浮垫的四角设置四个固有节流孔(喷嘴节流)，用环形均压槽将节流器出口与弹性均压槽连通。所研究的弹性卞气浮垫的结构示意图如图 1所示，其中图1a是其二维结构示意图，图 1b是其三维结构实体模型。

a) b11.进气孑L 2.气浮垫本体 3.弹性卞 4.气腔5.导轨工作平面 6.节流孔图1 弹性卞气浮垫的结构示意图收稿日期：2012-11-28基金项目：陕西侍育厅专项科研计划项 目(12JK0692)；国家级创新创业训练项 目(201210702031)作者简介：卢志伟(1979-)，男，河南新野人，讲师，硕士，主要从事流体润滑与数控加工技术的研究工作。

94 液压与气动 2013年第8期弹性卞气浮垫的工作原理：气体由进气孔 1输入气浮垫中，通过矩形带过渡圆角的槽型气腔 4，最后由节流孔6输出到导轨工作表面5形成压力气膜。当载荷增大或者减小时，弹性卞 3沿槽型气腔 4方向内凹或者外凸，改变了节流孔 6的环面节流面积，并形成了可变深度的可变截面积均压槽，从而提高气浮垫的刚度。

制造过程中气浮垫内的气腔中充满压力为 p 的气体，使承载面上弹性卞外凸。加工完成后的自然状态下，气浮垫承载面上的弹性变形部分就出现了凹下去的初始均压槽。槽宽与气浮垫内的气腔宽度-致，槽深与p 的大邪位置有关。设计上希望气浮垫的载荷 和气膜厚度 h的特性 W(h)的曲线越接近垂线越好，即希望 dw(h)/ -o。

这种气浮垫需要根据研磨的实际情况来对其进行实时连续加载，保持研磨的均匀性和-致性；其次由于弹性气浮垫的特殊结构和加工要求，需要在研磨抛光加工过程中对工件边研磨、边加载、边通气的情况下进行加工制造。因此需要对平面研抛机的现有机构局部关键部件进行重新改造和设计，本文重点对其连续加载装置和端面旋转密封装置进行了设计和分析。

2 研抛机的局部总体设计平面研磨机为精密研磨抛光设备，被研磨、抛光材料放在研磨盘上，研磨盘逆时钟旋转，修正轮带动工件盘自转，重力加压的方式对工件施加压力，工件盘与研磨盘作相对摩擦运动来达到加工的效果。图2为现有的-台单平面研抛机原有的结构示意图。其工作原理是研磨盘由电机通过减速机构带动旋转，为了在工件上得到均匀不重复的研磨抛光轨迹，工件盘保持架制成行星轮式，行星轮对工件盘起定位和旋转导向作用。

图2 平面研磨抛光机结构示意图研磨盘上有三个加工工位，并在工件盘上放置加载砝码，这样研磨盘在旋转，由于摩擦力矩的作用带动工件盘的也在旋转，在砝码加压的情况下两者的相互转动摩擦起到材料去除的作用，达到研磨的效果。

为了实现对工件边研磨边连续加载边通气的情况下进行研磨抛光加工，对图2所示的机构进行了重新设计，其设计后的其中-个加工工位的总体结构设计如3所示。图3中主要是在图2的基础上对其中-个工位进行了加载装置和旋转供气装置的总体设计。利用气缸加压机构装置对弹性气浮垫进行连续实时加载，端面旋转密封件装置可以解决研磨抛光过程中气管缠绕的问题。平面研磨抛光机上的该气浮垫在气缸加载的作用下，通过旋转密封件解决了气管 1和气管2旋转缠绕的问题，在结构方案上使得弹性气浮垫充气研抛得以实现。

磨盘图 3 -工位 的研抛设计结构3 加载装置部件设计现有的研磨抛光机的加载方式为人工砝码加载，如图2中的砝码加载，在操作的过程中要不断地更换砝码，且不同的工序加载大小也不同，需要组合不同重量的砝码，操作繁烦。加工效率较低。为了实现研磨抛光加工的自动化程度和产品的批量化生产，把人工砝码式加载改造成气缸 自动加载方式，加载的大小只需调节压力表就能实现，现对气缸加载的结构进行设计，如图4所示。气缸加载的实现方式是气缸带动加载轴杆在垂直方向对工件盘施加压力，加载轴杆在气缸内只做轴向运动，径向无旋转运动，在转向滚动球节的作用下工件盘带动加载压盘-起旋转。

采用的气动加载系统主要由气源装置、控制元件、执行元件和驱动元件组成，如图 5所示。图中气体设备和气源净化元件属于气源装置，而润滑元件和传感2013年第8期 液压与气动 95器属于辅助元件-类，所以基本上是由四部分组成。

我们采用外控式精密调压阀加普通减压阀方案来综合设计设计气动加载回路及其气动原理图，如图6所示。

图4 气缸加载方式结构示意图图5 气动加载系统结构图1.气源 2.普通减压闭 3.精 密调 压闽 4.气缸5.气管 6.压力表 7.气管接口图6 气动加载系统原理图由气缸带动的负载、运动状态及工作压力，对所需的气缸进行计算和选型。经查表缸径取 32 mm，由于上下行程是 350 mm，最终确定选择的气缸为机械结合式普通双作用气缸 MY3B32-350。双作用气缸的结构工作原理图如图7所示，在图7中只需改变气缸左右气室压力P 和P 之-，就可以利用它们的压力差很好地进行加载。通过压力表对气压的控制，在研磨抛光时就可以很方便精确地对工件盘施加压力。这样1.活塞杆 2.气缸 3.活塞 4.进气/排气孔图 7 气缸结构工作原理图工件盘带动加载压盘在滚动球的作用下-起旋转，实现了研磨盘旋转带动工件盘和加载压盘转动。

4 端面旋转密封装置设计传统结构气浮垫的研磨抛光在图2所示的平面研磨机上就可以直接进行研抛加工，而对于带有弹性薄板的气浮垫，要实现弹性卞上的均压槽，需要气浮垫在研磨抛光加工的过程中充人气压，实现气浮垫的充气”研磨抛光加工，根据现有的平面研磨抛光机原理可知，在研磨抛光的过程中研磨盘和气浮垫的工件盘都在旋转，如果给气浮垫充人气体，则充气气管必将绕轴缠绕，无法实现充气研磨抛光，为了实现气浮垫的充气研抛，必须解决气浮垫加工过程中气管随气浮垫旋转缠绕问题，因此需设计-种专用于气浮垫研抛加工中的连接气管的旋转密封装置。

提出-种旋转密封件的设计方案，该旋转密封件的理论基础是端面气膜密封技术。端面气膜密封是基于现代流体润滑理论的-种新型非接触式机械密封，气膜密封动环或静环端面上通唱出微米级浅槽 ，主要依靠端面间形成-高压气膜对气腔的密封作用，同时密封端面为非接触式。端面气膜密封具有低泄漏，长寿命，其中阻塞气体压力-般比工艺气体高 0.2MPa左右，既可阻止工艺气体泄漏，又可使密封端面实现非接触旋转。设计出如图8所示的旋转密封件结构原理图。该种旋转密封件的工作原理是两端面为带有均压槽的刚性气体止推轴承3作为静环，气腔外壳4连同具有轴向窜动滚针轴承2作为动环，气体止推轴承-端固定，-端在导向键 8的作用下可沿轴向浮动。在不工作状态下，气体止推轴承端面和气腔的上下两端面被弹簧 6的作用力压在-起，当气体止推轴承通气工作时，在气体止推轴承工作面和气腔的端面之间形成-高压气膜，高压气膜对两端面起高压密封和气膜流体润滑作用。

1.套筒 2.滚针轴承 3.气体止推轴承(固定端) 4.气腔部件5.气体止推轴承(浮动端) 6.弹簧 7.端盖 8.导向键 9.圆柱销图8 端面旋转密封件装置96 液压与气动 2013年第8期DOI：10.11832/j.issn.1000-4858.2013.08.027大型客机机舱压力及气密检测设备研制与应用马敏剑 ，高泽普 ，陈永康 ，张吉凤、 Development and Application of Pressure and Air Tightness DetectionEquipment for Airliner CabinMA Min-jian ，GAO Ze.pu ，CHEN Yong.kang ，ZHANG Ji.feng(1.宁波星箭航天机械有限公司，浙江 宁波 315153；2.上海飞机制造有限公司，上海 200000)摘 要：通过企校合作模式，研制了大型客机机舱压力及气密检测设备，实现了客机机舱压力及气密检测的自动化、高精化。设备优化采用气动控制技术、计算机控制技术和流量法泄漏检测技术，满足了任务书提出的低压力、高精度压力和流量精确控制的指标要求，可完成机舱压力试验、气密性检测和升降速率模拟等功能。合理设置了多冗余的安全防护装置，可保证被试机舱的安全。设备经多架机舱的测试使用，工作安全、可靠、操作方便，提高了机舱检测的可靠性和效率，促进了大型客机总装、试验技术水平的提升。

关键词：大型客机；压力试验；气密性检测；升降速率模拟中图分类号：TH138 文献标志码：B 文章编号：10004858(2013)08-0096-04引言客机飞行时机舱内的压力由环控系统控制，高于环境气压并根据飞行高度 自动调节，以保证乘员具有舒适的环境，防护高空低压缺氧、低温、高速气流等不良因素的影响。因此，客机机舱又称气密座舱，需具有良好的密封性能，研制、生产中需进行压力试验和气密性检测。

以往的机舱压力及气密检测设备均采用手动控制，精度低，试验数据需人工采集和处理▲口测试设备外形庞大，结构复杂，占地面积大，不可移动；测试过收稿 日期：2013-01-30作者简介：马敏剑(1963-)，男，江西德兴人，工程师，长期从事高压气体应用系统设计、开发。

5 结论针对弹性卞气浮垫的精密加工中遇到的实际加工问题，提出了对现有精密研抛机机构进行重新改造和设计的方案，重点对其连续加载装置和端面旋转密封装置进行了设计和分析。根据弹性卞气浮垫在研磨的实际加工情况需要对其进行实时连续加载，保持研磨的均匀性和-致性，设计了气缸加载；其次由于弹性气浮垫的特殊结构和加工要求，需要在研磨抛光加工过程中对工件边研磨边加载边通气的情况下进行加工制造，设计了端面旋转密封装置。通过对现有精密研抛设备的改造设计，不仅可以实现弹性卞气浮垫在研磨抛光设备上自动研磨抛光，而且极大地提高了生产效率，具有很好的经济效益和广阔的应用前景。