林治宇,陳留杰,王 強*,周清明
(1.西華大學 機械工程學院,四川 成都 610000;2.深圳市興旺達科技有限公司,廣東 深圳 518000)
目前,在一些精密加工中,提高效率就會導致加工精度下降。在提高效率的同時,又要提高加工精度,成了很多科技人員研究的內容。精密高速鉆孔使用的機床,采用傳統(tǒng)的線性滑軌,這種滑軌安裝比較費時,設計的機器結構比較復雜,相同的運動行程需要的空間大,快速移動時摩擦力大,速度越快摩擦力越大,還會發(fā)熱,所以加工效率和精度無法提高。
一種氣浮軸套,分為外部殼體和內襯套兩部分,其特征在于:所述外部殼體的上部為一法蘭盤,法蘭盤的外圓切有對稱的兩個小平面,每個小平面都設有至少一個進氣口,該進氣口與外殼內部設有的內部氣道相通;所述外部殼體的下部為一缸套,缸套內壁設有有進氣通道和排氣通道,內襯套上設有節(jié)流小孔。
如圖1和2所示,本設計的涉及一種氣浮軸套結構。該軸套分為外部殼體1和內襯套2兩部分。外部殼體1上部為一法蘭盤3,法蘭盤3的外圓切有對稱的兩個小平面4,每個小平面都有一個進氣口5,進氣口5與內部氣道相通。所述外部殼體的下部為一缸套,缸套內壁有進氣通道61和排氣通道62。內襯套2上有三排節(jié)流小孔7,與高速電機的外殼形成微小的間歇,當高壓氣體流入就形成截流,高速電機就浮在此氣浮軸套中間,作上下運動,由于軸套的剛性很好,又是氣體潤滑,使高速電機在上下運動的時候沒有摩擦力,速度可以非常的快,也沒有發(fā)熱,可以保證加工精度的精準度。
圖1 氣浮軸套結構1
圖2 氣浮軸套結構2
本設計采用了靜壓空氣軸承原理,支撐采用空氣,可以循環(huán)使用,資源取之不盡,實現(xiàn)了無污染、無摩擦,配合高速運轉電機的外殼,替代了傳統(tǒng)的線性滑軌,減小了在快速鉆孔時的摩擦力,實現(xiàn)了提高效率的同時又要提高加工精度。大大提高了電路板加工效率。
本設計的氣浮軸套配合現(xiàn)有數(shù)控加工中心,可以實現(xiàn)每分鐘鉆孔600~700孔數(shù),并且加工精度非常高。
此氣浮軸套,在結構上還有可能將內襯套改為外套,進氣和排氣在主殼體上。
經(jīng)方案論證并設計如圖3所示的氣浮軸承。圖中所示,Pa為環(huán)境壓力,P0為節(jié)流器出口壓力,Ps為供氣壓力,dj為節(jié)流孔徑,d為軸徑,h0為間隙,B為軸承寬度,b為供氣孔位置。
圖3 氣浮軸承示意圖
式中,P0為設計狀態(tài)(ε=0)下節(jié)流器的出口壓力。
使用空氣作為潤滑劑時,壓縮指數(shù)k=1.401。則P0必須滿足:
根據(jù)下式近似估算:
式中,Yp為壓力系數(shù);Yη為氣體介質系數(shù);Yd為尺寸系數(shù);Aj為節(jié)流面積,對小孔節(jié)流;α為流量系數(shù)。
當Yp、Yη和軸承尺寸D、b已知時(通常α=0.8),即可確定孔數(shù)Z、節(jié)流孔數(shù)Z、節(jié)流孔徑dj和間隙h0之間的關系。
當用鉆頭鉆孔時,dj值應符合標準鉆頭直徑;當用電火花穿孔時,dj值應符合標準銅絲直徑。h0的選取一般有以下限制:
h0>(3~5)δ(δ為零件誤差,即軸承與軸頸表面的加工誤差及軸承的變形之和)。
主要是承載能力、剛度和流量的計算,在某些場合也要進行摩擦力矩和渦流力矩的計算。
3.3.1 承載能力
圖4 孔式節(jié)流窄軸承的載荷系數(shù)
圖5 載荷系數(shù)的修正系數(shù)
3.3.2 剛度
對大多數(shù)氣體靜壓軸承來說,偏心率在0.5以內時,剛度近似為常量,可按下式計算:
3.3.3 流量
對于常態(tài)空氣潤滑的小孔節(jié)流軸承,其流量可按下式估算:
式中,f為流量系數(shù),可取f=0.3~0.48(亞音速流)或f=0.484(超音速流);T為絕對溫度。
為保證軸承穩(wěn)定工作,對高速氣體軸承,在計算靜態(tài)性能后,應再校核穩(wěn)定性,包括計算同步渦動的臨界速度和氣錘振動的氣容比。
3.4.1 同步渦動臨界轉速
支撐在氣體靜壓軸承上的轉子,其同步渦動的臨界轉速(自然頻率)按下式計算:
式中,m為轉子質量;It為轉子橫向轉動慣量;Ip為轉子轉動慣量;G1為軸承1的剛度;G2位軸承2的剛度。其他符號含義見圖6。
圖6 支撐在彈性氣膜上的轉子
圖中,m為轉子質量;L1為轉子質量中心到軸承1中線的距離;L2為轉子質量中心到軸承2中線的距離。
圖7 高速氣體靜壓軸承的穩(wěn)定區(qū)(A-轉子振幅;ω-轉子的角速度)
上述避免渦動的極限速度的判斷是保守的數(shù)據(jù),使用中也可適當放寬。若出現(xiàn)的現(xiàn)象,說明結果設計不合理,應設法改進。
3.4.2 氣容比
式中,Vc為供、排氣腔或穩(wěn)壓氣腔容積;Z為氣腔數(shù)目。
經(jīng)評估現(xiàn)有常用的主軸外形尺寸,設計如表1尺寸的氣浮軸套。由于該氣浮軸套不存在高速運轉,故不驗證高速穩(wěn)定性。
表1 氣浮套設計計算
20 間隙h0 cm 1.50E-03 21 節(jié)流孔直徑dj cm 0.01 22 凹穴深度hg cm 23 凹穴直徑dg cm 24 最大偏心率ξmax 0.5 25 Fn' 0.42 26 修正系數(shù)kx 0.92 27 載荷系數(shù)F' 0.3864 28 承載能力F(按3個軸承算) N 904.106448 29 剛度G(一個軸承) N/cm 602737.632 30 節(jié)流孔出口壓力p0 cm3/s 51.4 31 流量Qj(1個軸承) cm3/s 735.5970196
通過WF10G-03培林氣咀加深對比測試可知,
根據(jù)WF10G-03主軸軸芯測試其側應力情況得出,在培林和軸承都無氣槽的情況下結果為1.4kg×4;而在培林無氣槽,軸承有氣槽的情況下 其各向側應力為3.8 4.0 3.6 3.8 。在同樣的條件下改變轉子的結構,其側應力會增大2.0kg~2.5kg最大氣壓時主軸側向力,靜態(tài)時最大氣壓主軸側方和平方時振動。
本項目研究成果可應用于食品行業(yè)、高端電子行業(yè)及相關檢測設備等,特別是檢測設備的真圓度儀、三坐標的傳動部位,亦可用于PCB、3C等快銷行業(yè),市場效應明顯。