超精密靜壓支承部件及其在超精密加工機床的應用

胡秋，夏仰球，米良，李夢陽

(1.中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽621900;2.中國工程物理研究院超精密加工技術重點實驗室，四川綿陽 621900)

航空航天、精密儀器、光學和激光技術的迅速發展促進了超精密加工技術的應用，近年來，超精密加工更是開始走向消費品生產領域［1－3］。

超精密加工機床是超精密加工的物質基礎，它可以直接加工出具有納米級表面光潔度和亞微米級面形精度的表面。靜壓支承部件作為高精度的運動部件，具有運動平穩和運行精度高的優點，已成為超精密加工裝備支承元器件的首選。超精密加工裝備方面，靜壓技術被廣泛應用于主軸、導軌和轉臺等關鍵功能部件中［4］。

1 超精密靜壓部件

傳統的機械接觸式運動副之間不可避免地產生摩擦和發熱，制約了這類機械結構的運動精度。在超精密運動副設計中，非接觸式的靜壓支承取代機械接觸式的運動副，可有效避免傳統機械接觸帶來的摩擦損耗、發熱、變形和振動等問題［5－6］。

靜壓支承是指通過液/氣源向支承內部供給具有一定壓力的流體，流體通過節流器后充滿壓力腔，并流入底面與支承平面之間，形成壓力薄膜，從而實現承載和潤滑作用的一種非接觸式支承方式。圖1為氣體靜壓平面支承原理圖，其中pS為靜壓支承外部供氣壓力，W為靜壓支承所受外載荷，h1、h2分別為靜壓支承受外載荷前、后氣膜間隙，p1、p2分別為靜壓支承受外載荷前、后氣膜面壓力分布。

圖1 靜壓支承原理圖

靜壓支承之所以能獲得很高的精度，在于其氣/油膜誤差均化作用，實踐經驗證明:靜壓支承元件誤差均化作用系數可達4～5倍，這大大降低了主軸零部件的制造精度。

1.1 超精密靜壓主軸

超精密主軸是超精密加工機床關鍵功能部件之一。一臺超精密加工設備的精度高低，很大程度上由其主軸回轉精度決定。

基于靜壓支承技術的主軸部件幾乎是超精密主軸的唯一選擇。靜壓主軸部件包括氣體靜壓主軸部件和液體靜壓主軸部件 (見圖2)。由于氣/油膜的誤差均化作用，故其可以獲得極高的回轉精度［4，7］。

圖2 超精密靜壓主軸

氣體靜壓主軸部件的主要特點在于摩擦功耗極小，主軸可以獲得極高的轉速，這是液體靜壓主軸不具有的優點。一般超精密氣體靜壓主軸最高轉速可達數萬轉每分鐘，其全速域動態回轉精度達到50 nm，但剛度和承載能力相對較低。

液體靜壓軸承一般使用的液體是液壓油，其黏度為空氣的5 000～10 000倍，供給壓力大，液體靜壓主軸則可獲得大的剛度和承載能力，重載靜壓主軸剛度可達1 000 N/μm以上。但由于受高速運轉時油膜的剪切作用，高速時摩擦發熱較大，故主軸最高轉速相對受到限制。它主要用于高剛度、重載場合，例如超精密磨削主軸、車床主軸等［8－10］。

1.2 靜壓導軌技術

導軌用于支承并引導運動部件使之沿規定的軌跡作準確運動，也是機床安裝的基礎，導軌是超精密加工機床另一個關鍵部件。導軌的基本要求為導向精度及精度保持性、剛度與承載能力、低速運動平穩性、無爬行［5－6］。

從支承元件介質來分，靜壓導軌有氣體靜壓導軌(圖3)和液體靜壓導軌 (圖4)之分。與主軸一樣，氣體靜壓導軌可以獲得較大的運行速度，且環境清潔，多用于超精密儀器或者輕載機床。當今氣體靜壓導軌運動直線度可以達到0.1 μm/300 mm亞微米級的水平，由于空氣摩擦因數極低，故可以獲得很高的運行速度［8－9］。

圖3 超精密氣浮導軌

圖4 超精密液體靜壓導軌

液體靜壓導軌則能獲得較大的剛度和承載能力，同時液體靜壓導軌所用介質為油，黏度大，可以獲得良好的阻尼特性。圖4展示了液體靜壓導軌和直線導軌抗振性對比，可以明顯看出:液體靜壓導軌抗振性明顯優于氣體靜壓導軌［10－12］。

1.3 靜壓轉臺技術

超精密液體靜壓轉臺是超精密加工裝備與儀器關鍵功能部件之一，靜壓轉臺采用靜壓支承技術，支承處于純流體潤滑條件下工作，靜摩擦因數極小，啟動轉矩小，運轉靈敏，無爬行;承載能力大，剛度高;零磨損，使用壽命長;承載介質的誤差均化作用使得靜壓轉臺具有極高的回轉精度。由于具有上述一系列優點，靜壓轉臺得到人們的重視和應用［13］。

靜壓轉臺分為空氣靜壓轉臺和液體靜壓轉臺，由于二者在剛度和承載能力等方面的差別，空氣靜壓轉臺更多用于各種高端儀器中。圓度儀是機械加工行業最常見的檢測儀器之一，超精密氣體靜壓轉臺則是其關鍵功能部件之一，其回轉精度可達25 nm。如圖5(a)為一個配合使用多維調整裝置的超精密空氣靜壓轉臺。

如果把這種超精密空氣靜壓轉臺再配以超精密反饋元件，則這種轉臺本身就是一臺超精密儀器。瑞士KUNZ公司RT300超精密轉臺 (圖5(b))分度精度可達0.5″，分辨率可達 0.01″，重復性誤差可達0.02″。它可用于實驗室角度基準計量測試［14］。

圖5 超精密氣體靜壓轉臺

超精密液體靜壓轉臺由于其極高的動態回轉精度和高剛度、高承載能力和良好的阻尼特性，因而在超精密加工設備中得到良好的應用［10］。

2 靜壓部件在超精密加工機床中的應用

超微細結構加工是當前超精密加工領域的熱點，應用非常廣泛，如各種顯示器件 (電視機、筆記本電腦、手機等顯示單元)、印刷品、燈具及其他光學器件等。微結構形狀有V型、金字塔型、球型、棱柱等多種形式。其加工深度一般約為結構深度5～50 μm左右，表面粗糙度控制在10 nm以下，加工精度很大程度由加工機床決定。

這種微結構主要采用超精密多軸金剛車進行加工，目前這種機床國際上生產廠家有美國MOORE、德國KUGLER、日本東芝等少數幾個廠家［8－10］。圖6為微結構及其加工示意圖。

圖6 微結構結構及加工示意圖

圖7為美國MOORE公司的HDL2000型超精密數控鼓形車床，機床最大加工直徑達600 mm，最大加工長度為2 000 mm，工件最大質量為3 000 kg。在MOORE這臺超精密數控鼓形車床中，靜壓支承技術發揮得淋漓盡致［15］。

圖7 MOORE公司的HDL2000型超精密數控鼓形車床

該機床頭架主軸、尾座主軸均采用超精密液體靜壓支承技術，其徑向剛度達到875 N/μm，動態回轉精度達到100 nm以下;B軸采用液體靜壓轉臺，其定位分辨率為0.02弧度秒;重復定位精度為±2弧度秒;3根線性進給軸均采用重型液體靜壓導軌，其中X軸直線度達到0.5 μm/350 mm，Z軸直線度達到1 μm/500 mm。機床極高的幾何精度和位置精度保證了微結構加工精度。

圖8 HDL2000金剛車各種靜壓部件

3 展望

靜壓支承技術是一門古老的學科，但由于其制造系統復雜，相對成本較高，在相當長的時間并非機床功能部件主流支承方式。近年來，隨著超精密加工技術與裝備的發展，由于靜壓支承能達到極高精度，故靜壓主軸、靜壓導軌和靜壓轉臺幾乎成了超精密加工機床關鍵功能部件支承方式的首選。

隨著航空航天、精密儀器、光學和激光技術等先進技術的發展，超精密加工技術將會得到更迅速的發展，與之相適應的，靜壓技術及與之相應的超精密靜壓部件也將得到新的發展。

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