毛細管節流式氣壓止推軸承的研制成中平

李羊林

摘 要：在高精度的止推軸承中，軸承制作成本高且負載能力不足，本文設計了一種毛細管節流式氣壓止推軸承，采用高分子ABS材料，并通過其參數試驗，得出其負載能力和剛性較好的結構參數，其性能均高于現有氣壓軸承，為今后提供設計依據。

關鍵詞：毛細管；節流孔；氣壓止推軸承

1.前言

隨著高精密與高性能產業快速發展，測量儀器的加工技術仰賴精密驅動及定位之技術，半導體、光電通訊及等需高精密加工與無污染環境之相關產業，亦需定位精度高、快速驅動及低摩擦、無污染之機械相關設備的需求越來越高，使得氣靜壓軸承成為高精度應用上的重要機械組件。

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

2.軸承設計與架構

如圖1所示，為設計的氣靜壓軸承的結構，設計關鍵在于節流器。節流器介于氣源與氣膜之間，作用是使外部的加壓體進入軸承間隙前產生節流效果。當軸承負載產生變化時，節流器以流動阻力實時調整間隙內壓力，使軸承能獲得較大之承載力及剛性。

將高分子材料（ABS）應用于整個環狀軸承也包含其節流器，利用高分子的彈性使毛細管膨脹、流道擴張以增加流量，當軸承負載產生變化時，ABS 毛細管節流器與整個底部變形（圖1下部曲線）可以形成一凹型氣隙以保持空氣壓力和補償外部負載的變化，使軸承能獲得較大之承載力及剛性。

由于軸承表面粗糙會影響空氣流動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載過大時高分子與平臺直接接觸造成磨耗。

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

3.實驗步驟

1.開啟空壓機與冷凍干燥機。

2.鋁合金上蓋有四個通孔，ABS 軸承本體有加工出四個 M6 螺紋，實驗上使用兩支 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移動。

3.連接通氣管，并將氣壓控制在 5 bar。

4.將荷重元調整至接近零。

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上量測，取其平均值得到不同荷重下氣膜厚度的變化。

4.實驗數據

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

圖 3為五個高分子軸承進行相同的實驗步驟所測得的數據，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，荷重最高達到 420（N），而氣膜厚度在汽缸活塞輕壓的狀態下是減少的，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，但實驗至半徑25mm 的軸承時，其荷重與氣膜厚度有明顯降低，已超過軸承變形的負荷，所以此設計之環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載之后氣膜厚度下降比例比傳統型還要高。

在同材質與同尺寸 0.2mm 毛細管下，每個軸承自身流量變化不大，但每個流量之間都有差，最小與最大差距從 0cc/min 到210cc/min，可以藉由顯微鏡放大毛細管觀察，發現每個孔徑大小（圖 4）并不相同，較大的孔徑使流量增加，而孔壁的不平整也會影響氣流的流動，導致流量的變化。

5.結論

利用傳統車床、CNC 銑床與高速主軸加工出環狀支撐氣靜壓止推軸承，成功做出實驗數據，五組的實驗數據可以看出設計的方向是正確的，環狀支撐半徑由 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較慢，實驗環狀支撐至半徑 24.5mm 時，其是最具剛性之尺。

由于 ABS 屬于高分子材料，如果后續的實驗結果是好的可以考慮射出成形取代目前使用的機臺切削，能夠穩定尺寸，使生產成本降低。

毛細管的精度也很重要，使用高速主軸加工可能會產生震刀而導致擴孔，還有毛細管較細不容易做到想要的精度，上述原因會導致流量有變化。

參考文獻

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作者簡介：

成中平，男，1965年生，副教授，從事機電教學與研究。