李羊林

摘 要：在高精度的止推軸承中，軸承制作成本高且負(fù)載能力不足，本文設(shè)計(jì)了一種毛細(xì)管節(jié)流式氣壓止推軸承，采用高分子ABS材料，并通過其參數(shù)試驗(yàn)，得出其負(fù)載能力和剛性較好的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其性能均高于現(xiàn)有氣壓軸承，為今后提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：毛細(xì)管；節(jié)流孔；氣壓止推軸承

1.前言

隨著高精密與高性能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，測(cè)量?jī)x器的加工技術(shù)仰賴精密驅(qū)動(dòng)及定位之技術(shù)，半導(dǎo)體、光電通訊及等需高精密加工與無污染環(huán)境之相關(guān)產(chǎn)業(yè)，亦需定位精度高、快速驅(qū)動(dòng)及低摩擦、無污染之機(jī)械相關(guān)設(shè)備的需求越來越高，使得氣靜壓軸承成為高精度應(yīng)用上的重要機(jī)械組件。

目前氣體軸承以金屬為軸承本體，制作成本比較高以及負(fù)載能力不足，希望透過改變軸承材料以及更改設(shè)計(jì)使氣體軸承的制作成本降低，負(fù)載能力提升的效果。

2.軸承設(shè)計(jì)與架構(gòu)

如圖1所示，為設(shè)計(jì)的氣靜壓軸承的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于節(jié)流器。節(jié)流器介于氣源與氣膜之間，作用是使外部的加壓體進(jìn)入軸承間隙前產(chǎn)生節(jié)流效果。當(dāng)軸承負(fù)載產(chǎn)生變化時(shí)，節(jié)流器以流動(dòng)阻力實(shí)時(shí)調(diào)整間隙內(nèi)壓力，使軸承能獲得較大之承載力及剛性。

將高分子材料（ABS）應(yīng)用于整個(gè)環(huán)狀軸承也包含其節(jié)流器，利用高分子的彈性使毛細(xì)管膨脹、流道擴(kuò)張以增加流量，當(dāng)軸承負(fù)載產(chǎn)生變化時(shí)，ABS 毛細(xì)管節(jié)流器與整個(gè)底部變形（圖1下部曲線）可以形成一凹型氣隙以保持空氣壓力和補(bǔ)償外部負(fù)載的變化，使軸承能獲得較大之承載力及剛性。

由于軸承表面粗糙會(huì)影響空氣流動(dòng)因此軸承表面貼上厚度 0.2mm 表面粗糙度較佳的不銹鋼片，不僅增加表面亮度也可以防止負(fù)載過大時(shí)高分子與平臺(tái)直接接觸造成磨耗。

不銹鋼片厚度相當(dāng)薄因此不適合用于傳統(tǒng)加工，故選用放電加工可以避免薄片在加工過程中變形以及應(yīng)力殘留，加工完成后用膠將不銹鋼片黏在軸承表面。

3.實(shí)驗(yàn)步驟

1.開啟空壓機(jī)與冷凍干燥機(jī)。

2.鋁合金上蓋有四個(gè)通孔，ABS 軸承本體有加工出四個(gè) M6 螺紋，實(shí)驗(yàn)上使用兩支 M6螺絲將鋁合金上蓋、軸承本體、荷重元鎖上確保各部件不會(huì)移動(dòng)。

3.連接通氣管，并將氣壓控制在 5 bar。

4.將荷重元調(diào)整至接近零。

5.使汽缸活塞桿緩慢下降，輕壓住荷重元與軸承。

6.慢慢增加荷重，并使用千分表分別在三點(diǎn)上量測(cè)，取其平均值得到不同荷重下氣膜厚度的變化。

4.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

研究主要是探討軸承結(jié)構(gòu)對(duì)軸承負(fù)載能力的變化趨勢(shì)，首先制作一個(gè)上半部軸承（鋁合金 A6061）與五個(gè)同一高分子材料（ABS）的下半部環(huán)狀軸承，而五個(gè)軸承是改變環(huán)狀支撐位置的尺寸，如圖2紅框所示，五個(gè)尺寸分別為半徑 23mm、23.5mm、24mm、24.5mm、25mm。

圖 3為五個(gè)高分子軸承進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)步驟所測(cè)得的數(shù)據(jù)，可以看到隨著半徑由23mm 增加至 24.5mm，能承受的荷重是增大的，荷重最高達(dá)到 420（N），而氣膜厚度在汽缸活塞輕壓的狀態(tài)下是減少的，在荷重增加的過程中氣膜厚度減小的速度卻是越趨緩慢，看出往后之尺寸有較佳剛性，但實(shí)驗(yàn)至半徑25mm 的軸承時(shí)，其荷重與氣膜厚度有明顯降低，已超過軸承變形的負(fù)荷，所以此設(shè)計(jì)之環(huán)狀氣靜壓止推軸承至半徑 24.5mm 是較為適合之尺寸。

可是從曲線中可以看出軸承受到負(fù)載之后氣膜厚度下降比例比傳統(tǒng)型還要高。

在同材質(zhì)與同尺寸 0.2mm 毛細(xì)管下，每個(gè)軸承自身流量變化不大，但每個(gè)流量之間都有差，最小與最大差距從 0cc/min 到210cc/min，可以藉由顯微鏡放大毛細(xì)管觀察，發(fā)現(xiàn)每個(gè)孔徑大?。▓D 4）并不相同，較大的孔徑使流量增加，而孔壁的不平整也會(huì)影響氣流的流動(dòng)，導(dǎo)致流量的變化。

5.結(jié)論

利用傳統(tǒng)車床、CNC 銑床與高速主軸加工出環(huán)狀支撐氣靜壓止推軸承，成功做出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，五組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出設(shè)計(jì)的方向是正確的，環(huán)狀支撐半徑由 23mm 到 24.5mm越往后曲線越平緩，可以支撐較大的荷重，支撐的最小與最大荷重從 161（N）到 486（N），而氣膜厚度變小的速度也相對(duì)較慢，實(shí)驗(yàn)環(huán)狀支撐至半徑 24.5mm 時(shí)，其是最具剛性之尺。

由于 ABS 屬于高分子材料，如果后續(xù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是好的可以考慮射出成形取代目前使用的機(jī)臺(tái)切削，能夠穩(wěn)定尺寸，使生產(chǎn)成本降低。

毛細(xì)管的精度也很重要，使用高速主軸加工可能會(huì)產(chǎn)生震刀而導(dǎo)致擴(kuò)孔，還有毛細(xì)管較細(xì)不容易做到想要的精度，上述原因會(huì)導(dǎo)致流量有變化。

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作者簡(jiǎn)介：

成中平，男，1965年生，副教授，從事機(jī)電教學(xué)與研究。