靜壓空氣主軸的高效高精加工應(yīng)用

單　杰，豐　坤，張翰乾，賴燕根

（廣州市昊志機(jī)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(yīng)用

單杰，豐坤，張翰乾，賴燕根

（廣州市昊志機(jī)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(yīng)用。

高效、高精加工；靜壓空氣主軸

近十年來，我國制造業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，不僅對國內(nèi)經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，而且成為支撐世界經(jīng)濟(jì)的重要力量。但也存在自主創(chuàng)新能力弱，關(guān)鍵核心技術(shù)與高端裝備對外依存度高，產(chǎn)品檔次不夠高，能源利用率低等問題。為了提高制造領(lǐng)域的生產(chǎn)效率和產(chǎn)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(shù)領(lǐng)域，到與普通消費(fèi)者息息相關(guān)的3C產(chǎn)業(yè)，對產(chǎn)品高質(zhì)量、小型化、高可靠性、高性能的追求，促進(jìn)了高效高精加工的發(fā)展［1］，主要要求包括：產(chǎn)品高精度、高加工質(zhì)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(zhuǎn)精度、低運(yùn)轉(zhuǎn)振動、高穩(wěn)定性、高轉(zhuǎn)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(yīng)用。

1　靜壓空氣主軸的特點

靜壓空氣軸承主要具有以下優(yōu)點：

（1）如圖1所示，壓縮空氣在旋轉(zhuǎn)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(yīng)，使主軸的回轉(zhuǎn)精度達(dá)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(zhuǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)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(fā)熱更小因而熱形變更小；同時能夠突破滾珠軸承的轉(zhuǎn)速限制，達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速。

（4）輸入為壓縮空氣，排出為空氣，對環(huán)境無污染。

2　靜壓空氣主軸在高效高精加工方面的應(yīng)用舉例

2.1高硬度、高脆性材料加工

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種非金屬材料如藍(lán)寶石、工程陶瓷等，由于其各方面的優(yōu)異性能，在能源、航天、計算機(jī)等領(lǐng)域日益顯示出越來越廣闊的應(yīng)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(xiàn)裂紋、燒傷、崩缺等現(xiàn)象，對精加工的要求也非常高［3］。高速與精磨相結(jié)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(zhuǎn)速、高回轉(zhuǎn)精度等特點，在保證了精磨要求的同時，可實現(xiàn)高速、精磨相結(jié)合的要求，在此類高硬度、高脆性材料加工中體現(xiàn)出較大的優(yōu)勢。

根據(jù)目前的切削實驗數(shù)據(jù)，采用靜壓空氣主軸加工陶瓷孔、藍(lán)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(zhì)量優(yōu)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(chǎn)品性能的提升，對零件表面精度提出了進(jìn)一步的高要求［4］。零件的表面精度與機(jī)床的運(yùn)動精度、加工過程中刀具的振動、跳動等息息相關(guān)。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(zhuǎn)精度等特點，保證了加工過程中刀具的準(zhǔn)確性、可重復(fù)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(dá)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(jī)械加工發(fā)展趨勢中重要的一項，高效加工帶來的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益也非常巨大。

靜壓空氣主軸對轉(zhuǎn)速的提高，能夠顯著提升加工效率。目前，廣州市昊志機(jī)電股份有限公司已開發(fā)出可用于工業(yè)生產(chǎn)的40萬轉(zhuǎn)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(zhuǎn)主軸可大幅提高生產(chǎn)效率。

由于靜壓空氣主軸的高精度、低振動以及可達(dá)到的高剛度，進(jìn)而實現(xiàn)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(shù)公司（Moore Nanotechnology Systems）的250UPL超精密數(shù)控金剛石加工機(jī)床，專門用于加工光學(xué)鏡頭、模具等，表面光潔度可達(dá)到納米級別，外形精度可達(dá)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(huán)境污染問題突出等問題，并要求堅持綠色發(fā)展，節(jié)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(shè)備少，降低了使用成本；壽命長，保證了機(jī)床加工的持續(xù)性，減少了重復(fù)啟停造成的浪費(fèi)；采用空氣作為潤滑介質(zhì)，不產(chǎn)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(zhuǎn)化效率，滿足更節(jié)能的要求。

3　結(jié)束語

靜壓空氣主軸在高效高精加工方面具有顯著優(yōu)勢，更好的利用靜壓空氣主軸，促進(jìn)高效高精加工的發(fā)展，對制造業(yè)的發(fā)展，對實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略、加快經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)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(xiàn)狀綜述［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2007，43（1）:35-48.

［2］劉家豪，傅建中，陳子辰.超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢［J］.機(jī)電工程，2001，18（5）:19-21.

［3］袁巨龍，張飛虎，戴一帆.超精密加工領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)發(fā)展研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2010，46（15）:161-177.

［4］吳起，王揚(yáng)，袁俊哲.超精加工機(jī)床靜壓空氣軸承的主軸部件［J］.機(jī)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(yīng)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，F(xiàn)ENG 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(shè)計。