科技的飞跃不断推动生产力的进步,制造业,尤其是机械制造领域正不断自我更新以适应社会越来越高的生产要求。高速高精度加工也已成为机械工业不断追求的目标,尤其是高转速超精密机床的速度和精度一直是衡量机床先进水平的重要指标。机床的加工水平在其核心部件——机床主轴的性能上得到重要体现,随着制造水平的不断提高,气体润滑技术已在高速主轴系统乃至电主轴系统中得到广泛使用,气体轴承的支撑使得机床主轴的转速、精度、能耗和寿命等各方面得到了极大提升。气体球轴承因其径向 – 轴向的双向承载和较高的回转精度不断得到推广,但较低的承载力和刚度也一直是制约其在重载场合应用的软肋。
众多学者为提高气体球轴承的承载性能进行了大量研究, Tipei 等 提出利用球坐标系研究气体润滑球轴承的雷诺式,并从球轴承的气膜特性入手分析了轴承的承载性能。Yacout 等研究了气体球轴承节流尺寸与表面质量对轴承承载性能的影响关系,给出了轴承设计的合理尺寸。Choi 等运用田口法对气体球轴承进行了参数化研究,分析出了轴承的开槽深度、半径间隙等对轴承承载力和刚度的影响规律。贾晨辉等通过对球面动压气体轴承增设螺旋槽,研究了螺旋槽深度和宽度对承载的影响,找到了提高承载的最佳数值。郭良斌等分析了球轴承特征参数与轴承承载特性的影响关系,并给出推荐的参数范围。解鹏等研究了不同小孔节流形式对静压气体球轴承承载性能的影响,提出了适于承载、刚度和流量优先的结构选择方法。前人对球轴承的研究层出不穷,但针对静压气体球轴承进行开槽处理的研究相对较少。
为改善气体球轴承在机床主轴支承中较低的承载性能,将气体球轴承设为小孔节流式全球型结构,并在节流孔间开设纬线槽或经线槽,基于 CFD 理论分析轴承在轴向和径向复合偏心时的轴向承载力和刚度,研究槽的布置方式及几何参数对气体球轴承轴向承载的影响规律。
1 轴承结构设计
本文基于高速精密车床主轴的承载需求,将主轴支撑设计为前球面后柱面的结构形式,如图 1 所示,主轴前端采用全球型静压气体球轴承,直接承载前方因切削所产生的轴向力和径向力,后端采用径向气体轴承与气体球轴承共同承受径向力和力矩。为确保主轴具有较高的承载特性,前后轴承均采用承载力和刚度较高的小孔节流静压气体轴承。静压气体球轴承的两个球缺形球窝相互扣合在球形转子上,两个球窝上均有双排供气孔,以确保轴承具有较高的承载能力,因为关于径向静压气体轴承的承载特性已有了较多的研究,本文将只对开槽静压气体球轴承做出讨论。
全球型静压气体球轴承的结构参数如图 2 所示,两个同心的球窝结构对称,球窝内外包角分别为,在球窝上设有两排共 12 个节流孔,每排 6 个节流孔均匀排布,节流孔锥角分别为 供气孔直径为 ,气室直径为 ,深度为 。球窝中心为 ,半径为,球头中心为,球窝和球头之间的平均间隙为 , 和 分别是球头沿轴向和径向的偏心距。轴向偏心率 和径向偏心率 分别是 和 与 之比。由于根据不同的轴承设计准则存在结构参数的差异性,基于高速精密车床主轴的性能要求,对各个参数设计如表 1 所示。
为提高气体球轴承承载能力,在球窝上各气室之间开设通槽,研究槽对轴承间隙内的气膜压力以及轴承承载性能的影响情况,但如果将较多的气室连通等同于大幅增加了气室体积,由于气体存在可压缩性,在轴承工作过程中会产生明显的气锤自激现象。为避免影响轴承稳定性,每条通槽最多连通两个气室,并与气室保持深度和宽度一致。通槽的深度 和宽度 应满足式(1)和式(2),
为了研究通槽的不同开设形式对静压气体球轴承承载性能的影响规律,鉴于每个球窝设有双排供气孔,类似于地球经纬线的分布方式,将通槽设计为绕回转轴线方向的纬线槽以及与之垂直方向的经线槽。根据通槽开设方向、开设数量以及布置方位的不同,将纬线槽和经线槽分别设计为图 3 所示的布置方式。