基于不同加工工艺的微孔节流空气静压轴承的特性研究

2024年4月第52卷第7期Vol.52No.7(7):123-128.Citeas:YUHechun,KOUXinjun,HOUWeijie,etal.Studyonthecharacteristicsofmicro-holedifferentprocessingmethods[J].MachineTool&Hydraulics,2024,52((1.中原工学院机电学院，河南郑州450007;2.天津航天机电设备研究所，天津300301;3.天津市微低重力环境模拟技术重点实验室，天津300301)摘要：随着超精密加工技术和地面微低重力仿真的发展，相关产业对空气静压轴承的性能要求越来越高。由于传统的孔式节流器其结构特点不能完全满足实际使用的需要，节流孔直径与气膜间隙同一数量级的微孔节流空气静压轴承因其良好的刚度和承载特性，越来越受到关注。但在微孔节流器的发展过程中，微孔的加工工艺却限制了其推广应用。针对目前常用的三类微孔加工工艺，进行了理论仿真研究，通过建立不同加工工艺轴承仿真模型，运用双向流固耦合仿真方法，对比分析了基于不同加工工艺的微孔节流空气静压轴承的动静态特性。研究结果表明：锥孔类轴承承载性能优于其他两类，但耗气量大且在小间隙时刚度较差；薄壁直孔类轴承承载性能稍逊，但在大间隙下轴承刚度较佳；嵌套类轴承承载性能较关键词：空气静压轴承；超精密加工；微低重力仿真；微孔节流；YUHechun¹,KOUXinjun¹,2,HOUWeijie²,3,LIUHaiteng²,3,LIGuangping²,3,ZHANG(1.SchoolofMechanical&ElectricalEngineering,ZhongyuanUniversityofTechnology,ZhengzhouHenan450007,China;2.TianjinInstituteofAerospaceMechanicalandElectricalEquipmen3.TianjinKeyLaboratoryofMicrogravityEnvironmentSimulationTechnology,Tianjinrequirementsforaerostaticbearingsaregettintorscannotfullymeettheneedsoftheactualuse,themicro-holethrottlingaerostaticbearingrestrictorswiththesameorderofmagni-tudeastheairmembranegaphasatdevelopmentofmicro-holethrottleaerostaticbearing,theprocessineachprocessandemployingbidirectionalfluid-solidcouplingsimulationmethodrestrictoraerostaticbearingsproducedbytheseprocesseswerecomparedandanalyzed.Theresultsindicatethattaperedholebeaclearances;thin-walledstraight-holebearingsdemonstratemarginallylowerload-caryingcapacity,yettheymainhigherclearances;mosaicbearings,whileexhibitinglessoptimalperformaKeywords:aerostaticbearing;ultra-precisionmachining;micro-lowgravitysim基金项目：国家自然科学基金面上项目(51875586)作者简介：于贺春(1982一),男，博士，教授，主要研究方向为气体润滑技术的研究与应用。E-mail:yuhechun1106@质节流、狭缝节流、环面节流以及毛细管节流等1。受材料特性限制且容易发生堵塞2-3]。针对上述不流器为通孔结构，节流孔直径在0.1mm以下，出口此轴承承载力大和稳定性较好4。随着研究的深入和结合的方法得到直径小于0.05mm节流孔的流量系数，并求解得到气体止推轴承的承载力、刚度和阻尼系数等特性，结果表明：适当减小节流孔直径和增加节流孔数量对轴承刚度有明显影响。NISHIO等6使用微钻孔工艺在黄铜轴承上加工了直径为0.03mm相对于小孔节流有较大的刚度和阻尼系数。BELFORTE等7使用激光打孔技术在阳极硬化的铝板加工出直径在0.05~0.1mm之间的节流孔，实验结同样适用于微孔。德国Aerolas公司使用激光钻孔技术制造了0.02~0.06mm的锥形微孔，通过实验验证公司认为锥型微孔空气轴承相较于普通的气体轴承具节流器，设计了微孔直径为0.1mm的止研究了轴承的动静态特性。易法兵"使用激光打孔的微孔并进行了对比分析，验证了相关理论计算结果。罗舒元²在0.5mm厚的钢板上使用紫外混合纳秒激光打孔技术加工直径为0.05mm的微孔，并通过实验分析了不同微孔数目下轴承承载力随压力的1轴承模型的建立1.1基于不同加工工艺的轴承结构于微孔止推轴承具有以下特征：微孔的直径在0.1mm以下；承载面会受力而变形，微孔深径比不宜过差；基体镶嵌采用模具烧结加工微孔插芯，微孔深径比大、精度较高，适用于大批量加工。为了便三类轴承，下文中使用A类轴承代指锥形孔轴承、B类轴承代指薄壁直孔轴承、C类轴承代指基体嵌套类轴承。不同加工工艺空气静压轴承如图1所示。Fig.1Schematicofbearingswithdifferentprocessingtechnologies:(a)taperedholeclass(typeA);(b)thin-walled锥形孔类直接在板上打孔，孔为上小下大的锥mm。薄壁直孔类采用激光或微钻头在薄板上打出微孔，再将薄板粘接或焊接在轴承基体上，壁厚约为0.5mm,微孔孔径0.06mm;基体镶嵌加工轴承采用制造模具烧结加工微孔插芯，微孔孔径为0.06~0.1mm,轴承基体钻小孔，在轴承基体上通过过盈配合、粘接等方式装配嵌入体。轴承相关结构如图2所示，节流孔分布圆半径R₁、R₂、R₃/mmC类轴承节流孔深度H₁/mm2锥型孔进气端直径D₁/μm节流孔直径D₂、D₃、D₄/μm压轴承为24孔止推轴承，其余参数如表1所示。使型和层流模型。流动模型可由公式(1)计算的局部由公式(1)可以计算得出流体局部区域的雷诺的传递，基本耦合方程如公式(3)一(6)。2仿真计算2.1边界条件的设置(1)流经系统的空气是一种理想气体，过程绝(3)所有壁面都是理想光滑平面，不考虑形状126·机床与液压第52卷NY如图6所示。图4操作步骤Fig.4Operation3.1静态特性分析真分析。将微孔轴承进气口压力分别设置为0.3、0.4、0.5MPa,对比不同加工工艺微孔轴承的承载轴承的耗气量基本相同且均有上升趋势；在8～14Q/(10⁵Q/(10⁵kg.s)0C型承载力图5轴承承载力和耗气量随气膜厚度的变化Fig.5Bearingcapacityandairconsumptionchangewiththethicknesso(b)supplypressureis0.4MPa;(c)supplypresh/μmh/h/μmh/图6轴承刚度随气膜厚度的变化Fig.6Bearingstiffnesschangeswithgasfilmthickness:(a)supplypressis0.4MPa;(c)supplypress第7期于贺春等：基于不同加工工艺的微孔节流空气静压轴承的特性研究·127·始承载力为静态下轴承承载力，进气孔压力设置与静如图7所示。图7轴承动态响应位移-时间曲线Fig.7Bearingdynamicallyrespondstothe承载力小于载荷，轴承气膜厚度减小；当t=t,时，t=t时，轴承振荡速度降低为0,轴承气膜厚度达到气膜厚度变化峰值越来越小直至达到稳态；当t>t。t/mst/ms图8不同供气压力轴承气膜厚度变化曲线Fig.8Changecurvesofairfilmthicknessofbearingswithdifferentairsupplypressures:(a)typeAbearing;C类轴承气膜变化量最大。表2稳态时间与稳态气膜厚度变化量稳态时间t,/ms稳态气膜变化量s/μm气膜厚度变化量。随着供气压力的增加，三类轴承达短，C类轴承所需时间最长，B类轴承所需时间介于两者之间；随着供气压力的增加，三类轴承峰值气膜厚度变化量s。呈线性递减，其中C类轴承气膜厚度变化量最大，A类轴承和B类轴承气膜厚度变化量峰值时间t/ms峰值气膜厚度量s/μm图9为最大不同供气压力下轴承位移最大超调量在供气压力为0.5MPa时达到最大值，为65.2%;A类轴承位移最大超调量M,最小，在供气压力为0.52.2%,小于B类轴承6.7%的变化量和C类轴承6%的变化量。本文作者通过分析微孔节流空气静压轴承的加工工艺，总结了目前常用的微孔加工工艺，根据不同加工工艺的差异建立了三类不同加工工艺的微孔轴承模型，通过仿真计算，得出以下结论：(1)通过对不同加工工艺轴承的静态仿真分析发现：在小间隙气膜厚度时，薄壁直孔类轴承承载力最大、锥形孔类轴承刚度最大、基体嵌套类轴承耗气量最小；在大间隙气膜厚度时，锥形孔类轴承承载力最大、薄壁直孔类轴承刚度最大、基体嵌套类轴承耗气量最小。(2)通过对不同加工工艺轴承的动态仿真分析发现：轴承系统受到阶跃力作用后轴承气膜厚度变化曲线为二阶欠阻尼振动曲线；随着供气压力的增加轴承系统稳定性降低；在一定的供气压力范围内，减小供气压力可降低轴承气膜厚度变化最大超调量和稳态时间，提高系统稳定性；增大供气压力可降低系统峰值位移量和稳态位移量。(3)锥形孔类轴承相较于其他两类轴承具有优良动态性能，在动态响应中表现出较短的稳定时间、较小的参考文献ing:state-of-the-artandInternational,2019,135:1-17.aerostaticthrustbearings[Shock,2019,38(16):224-232.2018,46(13):130-133.bearingsbasedonfluent2018,46(13):130-133.2010,43(8):1353-1359.holes[J].TribologyInternational,2011,44(12):1790-Transactions,2013,56(2):169-177.[8]MUTHM,SLOTTAG.Piston/cylindercharacteristicsofnewtypemicro-orificerestrictorthrustaerostaticbearings[J].MachineTool&Hydr46(5):59-63.(下转第133页)第7期周凯红等：对置端曲面齿轮柱塞泵动态特性仿真研究·133characteristicsofaxialpistonpumpslipperpair[J].JournalofAerospacePower,2016,31(8):1913-1920.processofintenselywearworkingcondition[J].ChineseHydraulics&Pneumatics,2017(2):5-10.过程承载特性的影响[J].润滑与密封，2018,43(11):loadonload-bearingcharacteristicsofslipperpairinwearprocess[J].LubricationEngineering,2018,43(11):12-18.CHENFF,WUXF,ZHAPY,etal.Numericalsimulationof[J].MachineTool&Hydraulics,2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