靜壓空氣主軸的高效高精加工應用

單　杰，豐　坤，張翰乾，賴燕根

（廣州市昊志機電股份有限公司，廣東廣州510000）

靜壓空氣主軸的高效高精加工應用

單杰，豐坤，張翰乾，賴燕根

（廣州市昊志機電股份有限公司，廣東廣州510000）

通過介紹高效率、高精密加工的主要要求和靜壓空氣主軸的主要特點，闡述靜壓空氣主軸在高效高精加工方面的應用。

高效、高精加工；靜壓空氣主軸

近十年來，我國制造業持續快速發展，不僅對國內經濟和社會發展做出了重要貢獻，而且成為支撐世界經濟的重要力量。但也存在自主創新能力弱，關鍵核心技術與高端裝備對外依存度高，產品檔次不夠高，能源利用率低等問題。為了提高制造領域的生產效率和產品性能，高效率、高精密加工具有重要意義。

從國防、航空航天等高精技術領域，到與普通消費者息息相關的3C產業，對產品高質量、小型化、高可靠性、高性能的追求，促進了高效高精加工的發展［1］，主要要求包括：產品高精度、高加工質量，加工過程高可靠性，加工高效率、低能耗等。而靜壓空氣主軸的高回轉精度、低運轉振動、高穩定性、高轉速、高壽命、低摩擦損耗等特點，很好的契合了高效高精加工的要求。本文通過分析高效高精加工的要求，對比靜壓空氣主軸性能，闡述靜壓空氣主軸在高效高精加工方面的應用。

1　靜壓空氣主軸的特點

靜壓空氣軸承主要具有以下優點：

（1）如圖1所示，壓縮空氣在旋轉件（滑動件）與軸承之間形成的氣膜，高壓氣膜起到支承作用，而氣膜具有均化效應，使主軸的回轉精度達到軸承部件的1/15～1/20［2］，因而在相同的零件加工精度的情況下，可以有效地提高主軸的回轉精度。

圖1　靜壓空氣軸承原理圖

（2）采用均勻的氣膜支承，避免了滾珠軸承運轉時的周期擾動，可有效控制主軸的振動。

（3）靜壓空氣主軸在運轉時，僅存在氣膜的空氣摩擦，而空氣的粘度很低，相比滾珠主軸的摩擦小，能耗低，壽命長，發熱更小因而熱形變更?。煌瑫r能夠突破滾珠軸承的轉速限制，達到更高的轉速。

（4）輸入為壓縮空氣，排出為空氣，對環境無污染。

2　靜壓空氣主軸在高效高精加工方面的應用舉例

2.1高硬度、高脆性材料加工

隨著現代科學技術的發展，各種非金屬材料如藍寶石、工程陶瓷等，由于其各方面的優異性能，在能源、航天、計算機等領域日益顯示出越來越廣闊的應用前景。但是，由于此類材料硬度高、脆性高等特點，加工過程易出現裂紋、燒傷、崩缺等現象，對精加工的要求也非常高［3］。高速與精磨相結合，可以提高這些材料精磨后的表面粗糙度。

靜壓空氣主軸，由于高轉速、高回轉精度等特點，在保證了精磨要求的同時，可實現高速、精磨相結合的要求，在此類高硬度、高脆性材料加工中體現出較大的優勢。

根據目前的切削實驗數據，采用靜壓空氣主軸加工陶瓷孔、藍寶石槽等，相比采用滾珠軸承主軸，不僅具有減少加工崩邊，提高加工表面精度等加工質量優勢，而且可延長刀具使用壽命并將加工效率提高30%以上。

2.2高表面精度加工

產品性能的提升，對零件表面精度提出了進一步的高要求［4］。零件的表面精度與機床的運動精度、加工過程中刀具的振動、跳動等息息相關。靜壓空氣主軸的低形變特點，首先從加工尺寸方面更容易保證零件的表面尺寸精度；其次，氣浮主軸的低振動、高回轉精度等特點，保證了加工過程中刀具的準確性、可重復性。

靜壓空氣主軸的這些特點，極大地降低了零件表面粗糙度，達到接近鏡面的效果。如美國Omega采用靜壓空氣主軸的毫微米車床，采用金剛石刀具作微量切削，可獲得工件輪廓精度＜0.075μm，表面粗糙度＜0.0012μm.

2.3高效率加工

高效加工是機械加工發展趨勢中重要的一項，高效加工帶來的經濟效益、社會效益也非常巨大。

靜壓空氣主軸對轉速的提高，能夠顯著提升加工效率。目前，廣州市昊志機電股份有限公司已開發出可用于工業生產的40萬轉的靜壓空氣主軸，相比目前PCB板小、微孔加工中主要采用的30萬轉主軸可大幅提高生產效率。

由于靜壓空氣主軸的高精度、低振動以及可達到的高剛度，進而實現以車代磨等工藝，這種整合大大提高了加工效率［5］。例如摩爾納米技術公司（Moore Nanotechnology Systems）的250UPL超精密數控金剛石加工機床，專門用于加工光學鏡頭、模具等，表面光潔度可達到納米級別，外形精度可達到亞微米級，加工精度完全可以比肩磨削加工。

2.4綠色化加工

《中國制造二零二五》中指出了我國目前資源利用效率低、環境污染問題突出等問題，并要求堅持綠色發展，節約資源、能源，提高資源、能源利用效率，凸顯了綠色化加工的重要意義。

靜壓空氣主軸所需要的附加設備少，降低了使用成本；壽命長，保證了機床加工的持續性，減少了重復啟停造成的浪費；采用空氣作為潤滑介質，不產生廢氣；氣浮軸承低摩擦等特點，確保了靜壓空氣主軸更高的能量轉化效率，滿足更節能的要求。

3　結束語

靜壓空氣主軸在高效高精加工方面具有顯著優勢，更好的利用靜壓空氣主軸，促進高效高精加工的發展，對制造業的發展，對實施創新驅動發展戰略、加快經濟轉型升級，都具有非常重要的意義。

［1］袁巨龍，王志偉，文東輝，等.超精密加工現狀綜述［J］.機械工程學報，2007，43（1）:35-48.

［2］劉家豪，傅建中，陳子辰.超精密加工的關鍵技術及發展趨勢［J］.機電工程，2001，18（5）:19-21.

［3］袁巨龍，張飛虎，戴一帆.超精密加工領域科學技術發展研究［J］.機械工程學報，2010，46（15）:161-177.

［4］吳起，王揚，袁俊哲.超精加工機床靜壓空氣軸承的主軸部件［J］.機械工程師，1994，（04）:22-24.

［5］鐘先信.空氣靜壓軸承在精密磨削和超精密加工方面的應用［J］.磨床與磨削，1980，（04）:27-33.

App lication of Static Pressure Air Spindle in High Efficiency and High Precision Machining

SHAN Jie，FENG Kun，ZHANG Han-qian，LAIYan-gen
（Guangzhou Haozhi Industrial Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510000，China）

This paper introduces the main requirements of high efficiency and high precision machining，and the main features of static pressure air spindle.In this paper，the application of static pressure air spindle in high efficiency and high precisionmachining is described.

high efficiency and high precision machining；static pressure air spindle

TH13

B

1672-545X（2016）05-0158-02

2016-02-28

單杰（1987-），男，廣東廣州人，研究生，工程師，研究方向：氣浮電主軸設計。