基于微结构强化节流的静压气体轴承刚度增强机理研究

With advantages of high precision and cleanliness, orifice compensated aerostatic bearings, one kind of aerostatic bearing, have been widely used as the main-shaft bearings in the ultra-precision cutting machines for machining optical components. However, the stiffness of orifice compensated aerostatic bearings with traditional structures is usually low, which affects the machining accuracy of optical components. In order to solve the key problem, the project presents a new idea to improve the stiffness by using the micro-structures to enhance the restriction effect in the aerostatic bearings. Based on the idea, the micro-structure enhancing restriction aerostatic bearing has been presented. In the project, taking advantage of numerical and experimental methods, the mechanism of enhancing restriction effect with the micro-structure will be revealed by investigating the air flow process in the micro-structure. A numerical model for the micro-structure enhancing restriction aerostatic bearing will also be established to analyze the static and dynamic performances of the bearing. Moreover, the mechanisms for the improvement of the stiffness will be explained. The experimental studies on the micro-structure enhancing restriction aerostatic bearing will also be carried out for validating the established model. This project aims to explore a new method for improving the stiffness characteristic of the orifice compensated aerostatic bearings. The results and findings of the project will benefit developing the technology of aerostatic bearing and ultra-precision machining equipment.

作为静压气体轴承的主要形式之一，小孔节流静压气体轴承，因兼具高精度和高洁净度优点，常作为光学元件超精密切削加工机床的主轴轴承使用。然而，传统结构的小孔节流静压气体轴承刚度较低，限制光学元件加工精度的提高。针对这一关键问题，本申请提出利用微结构强化节流效应提高静压气体轴承刚度的思想，并在此基础上提出微结构强化节流的静压气体轴承。项目将采用实验和模拟方法研究微结构中的空气流动过程，从流体力学原理上揭示微结构强化节流的作用机理；同时，建立微结构强化节流静压气体轴承的数学模型，基于数值模拟研究微结构强化节流静压气体轴承的静动态力学性能，及其刚度增强机理，并结合实验研究结果对模拟结果进行验证。本项目旨在通过理论与实验研究，从机理上探索一种提高小孔节流静压气体轴承刚度的新方法，解决目前小孔节流静压气体轴承刚度较低的问题。该研究成果对发展静压气体轴承技术和超精密加工工艺装备技术具有积极意义。

静压气体轴承以其高精度、低摩擦、超洁净等性能优势广泛的应用于超精密加工机床中，是超精密机床的关键功能部件。然而，静压气体轴承存在刚度较低的关键问题，这制约了超精密加工机床的性能，因此迫切需要提高静压气体轴承的刚度。本研究针对提升静压气体轴承刚度的关键问题，提出了微结构强化节流的创新学术思想，并系统的开展了理论分析、优化设计和实验研究工作。首先，利用数值模拟研究了微结构强化节流对于小孔节流效应提升的机理，发现微结构强化节流通过多次节流来提升节流效应；研究了微结构腔数量对于小孔节流效应的影响，发现随着微结构腔数量的增加，微结构强化节流的效果得到明显加强，4个微结构腔时，小孔节流效应提高接近一倍；随后，研究了微结构强化节流对于提升轴承刚度的作用，基于建立的微结构强化节流静压止推轴承的数学模型开展了数值模拟研究，研究发现通过增强小孔节流效应的确能够提高轴承刚度，并且微结构对于小孔节流效应的加强效果越好，使轴承获得最大刚度的越高，但最大刚度对应的气膜间隙越小。然后，提出了利用多个子小孔串联实现微结构强化节流小孔的结构设计方案，并设计和制造了微结构强化节流的小孔节流静压气体轴承的原理样机，搭建了刚度测试平台，基于原理样机和测试平台针对微结构强化节流静压气体止推轴承开展了实现研究，研究表明采用微结构强化节流可以提高小孔节流静压气体轴承的刚度，证实了本项目微结构强化节流提升小孔节流静压气体轴承刚度的学术思想；最后，针对小孔节流静压气体轴承稳定性差而制约刚度提升的问题，开展了基于理论和实验的机理研究，从机理上揭示了静压气体轴承内容的均压腔结构是造成静压气体轴承稳定性较差而易发气锤振动的主要原因，并进一步指出均压腔引起轴承系统稳定性差的机理是均压腔内部的压力延迟效应会给系统引入“负阻尼”从而导致系统稳定性差。以上研究为静压气体轴承的刚度提升研究提供了理论基础。