圆柱气体静压轴承在高速转轴上的设计开发

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设计高速转轴时，其刚度与承载能力的高低是相对的，在乎设计应用于什么诚。由于本转轴设计使用诚为受力很小的钻削诚，因此强度-般都足够。为了提高钻削的精度，轴必须有足够的刚度以防止轴弯曲而引起孔的偏差。因此本转轴按刚度要求对空气静压轴承进行设计，并定义此转轴用于钻削 lmm以下的孔。

2本转轴的相关参数选取2.1高速转轴最小直径的估算选用不锈钢作为轴的材料，利用刚度估算轴的最小直径。根据轴的支承情况，确定轴的承载系数 8.05则有 FcF×-q363。

5N，其中钻削时转轴所受的轴向力 FCFd。 r (取 CF310，zF 1.0，Y 0.8，kF1，dOln-m，f0.09nr)。另外钻削时主轴所受的扭矩为 T d。 fy kT。初定两轴承之间的距离 1为 2(Dmm，则Fc l二 ，其中不锈钢的弹性模量E：206×109Pa，截面惯性矩 LInin1rd /64，I.L1从而求得直径 d3.5rmao考虑到此尺寸较小，而主轴的刚度越大，钻出的孔越精密，在整个轴系尺寸允许的情况下，应尽量加大轴的刚度，因此在本设计中，取的 d30rmlo强度显然是非常足够的。

2.2电机 的选择本设计考虑到高转速需求，选用 a 型电机 ，额定电压 200V，转速 80，000-200，000r/m通过变频电源调速，功率 95～250W，采用水冷。转子直接套在轴上，定子套在轴套上。

3圆柱气体静压轴承的设计本设计采用凶节流方式，因为圆形进气孔是空气静压轴承常见的节流器，它最容易加工，且简单而实用，刚度高。

童图 1.1 径向轴承的机构32最佳间隙h先确定在相对偏心率 s0时使刚度达到最大值的最佳间隙hopt。此时各节流孔处间隙相等且为hO，预计其可能范围，选取h00.005～o.orm其增量为0.f)5nan，对于每- h0的各参数的计算值列于表 1-1。

(1)计算气体通道系数 ，它与气膜刚度和节流孔尺寸有关 ，dAnm； ，A为凶的面积，0为流量系数 ，取 00.8(2)工作介质系数 ，对常温下取 f2268×10(3)计算轴承结构系数，它与轴承主要结构参数有关，21/D05(4)根据计算出的毛(∈ 丘)，查气体轴承设计通用曲线得出1/pi值，其中毫Po/p。02(5)计 算 0 时 的 无 量 纲 系 数 Kc (1/p；)[ c ]表 1.1 在 80计算数值表h。 O-005 0-010 O015 0 O 0n 0n O.035 0O4of，(mm ) 3.6191 0 24 0.134l 0o567 0JD29O O0l68 00l06 0-0 1 485.0 6o62 17 7.578 3.880 2245 l414 0-9p 1 l 1 0.818 0J638 05l7 OI420 O383K 0.84 0.84 O.84 0 5 0548 O.449 0972 O342轴的直径 D3Orano为使轴承的刚度较大 ，选用两排凶，每排n个，n8'孑L深h1.Smm，孔径dO03mm，D/Ll，即L30nm；1/L025，所以1'-75ram；d取 0.4ram；S取0.1mm，供气压力P。5×- · - - 107 ---(7)绘制I(c.h0曲线(图 1-2)K图 1.2 Ke.h0曲线 由图 1-2可以看出，曲线的拐点在 0.020～0.025之间，插值求得 h O.0022rrn，圆整为0.002nmo故 h 0DI0.025.0.1Xr20.023mm33计算h：ho呲时的承载能力0i为第 i个凶与载荷作用线的夹角，由于设计-个圆周上有8个孑L所 以Oi分别为O。，45。，90。，135。，180，225。，270。，3l5 分别计算在相对偏心率 ：0.1～0.6时，位于 0i的气孔对应的 h，， ，f2，f3，∈以及无因次系数 。，其中 h.ho(1ecos0 )，然后计算无量纲承载系数 c啸0.sin I(c。cos0.，得 cw0l0.104，c 0.206，c 0。

314，c们40-375，c 0.404，c 0.397。根据经验数据，由于该种静压空气轴承的偏心率s-般都小于0.5，而且合理的8也不应该大于 0.5。故数值表列到 80.6为止。

最后，计算不同 e下的承载能力和刚度。其中，轴承承载能力F：I/)P Cw。，而轴承的实际承载能力比计算值小，这是因为存在扩散效应和环向流的影响。扩散效应的载荷扩散系数为fw0.89×( )。2，1×( )。.42×( )。喈 3 0.74。故其实际承载力 F实 fw F；然后计算刚度 K ，而 K宴 K×fw。相关数值如表 1-2所示。

表 1.2 轴承承载能力和刚度表 0l 02 03 04 O-5 0.6Cm 0.104 O206 O314 0375 0.404 0397F(N) 46.8 92.7 1413 168.8 181.8 178.7F窭(N) 33 66 10o 120 129 127K(N/wm) 21 2l l2 6 3K实(N/win) 15 l5 8 4 2由此可见 ，该轴承的承载能力随着 e的增大而增大，但是承载刚度随之而减校所以-般来讲，偏心率控制在0.5以内，该轴承的承载能力和刚度都是足够的。

4结语相关研究表明，只要工件材料与刀具选择合适，高速切削是可行的。在此种高速钻削中，空气轴承的应用可以说是最为适合的。

据结果数据而言，该转轴配合圆柱形空气轴承能很好地满足电路板上微细孔加工的要求；比起其他的常用加工工艺 ，无论从效率、能耗还是环境保护的角度来说，都显得特别有优势。