空气轴承的优点及应用范围介绍

发布时间:2018-11-24 10:16:44      阅读次数:877

Sulli小苏:今天详细介绍下空气轴承。空气轴承又称为气浮轴承,指的是用气体(通常是空气,但也有可能是其它气体)作为润滑剂的滑动轴承。是利用空气弹性势能来起支承作用的一种新型轴承。

空气轴承的优点及应用范围介绍

 

空气轴承又称为气浮轴承,指的是用气体(通常是空气,但也有可能是其它气体)作为润滑剂的滑动轴承。由轴承内圈和外圈,外圈上有空气的进出口孔,内圈上有喷嘴。空气比油粘滞性小,耐高温,无污染,因而可用于高速机器、仪器及放射性装置中,但其负荷能力比油低。 空气轴承是利用空气弹性势能来起支承作用的一种新型轴承。

空气轴承的优点及应用范围介绍

 

空气轴承分为三大类:空气静压轴承、空气动压轴承和挤压膜轴承。在一般工业中,空气静压轴承用得较广泛。

空气静压轴承,是以压缩空气通过节流器进入轴承形成压力气膜来起支承作用的。其承载原理与液体静压轴承基本类同。基于润滑剂性能方面的差异(液体是不可压缩流体,粘度一般比空气的大2~3个数量级),两者的设计理论、结构、应用场合自然各不相同。

空气轴承的优点及应用范围介绍

 

空气静压轴承的特点

空气静压轴承与液体膜轴承相似,空气静压轴承气膜形成与轴转速无关,而空气动压轴承则气膜形成完全靠轴转速。它与其它类型轴承比具有如下的特点:

(1)空气的粘度很低,因此摩擦损耗小,发热与变形也极小,这对精密机床是特殊重要的,因为机床的热变形对加工精度的影响极为有害。在空气静压轴承中,空气通过轴承的压力降引起的冷却效应,以及空气粘度极低,无论工作间隙如何小,封气面如何大.也能保持很小的温升。这对于高速磨床主轴轴承,高速透平机来说,特别有价值。

空气静压轴承在超精密和超高速主轴中的应用大有前途。除空气的粘度几乎可忽略不计外,它的清洁,化学上的惰性和稳定性,以及在地球上取之不尽的优点,使它成为十分诱人的润滑剂。

(2)与滚动轴承相比,空气静压轴承振动小,如用于砂轮主轴,砂轮形状保持性好,砂轮的修正次数和磨损可减少1/3~1/4:加工工件的表面粗糙度也低。

(3)其缺点主要是承载能力低,刚性差。

空气轴承的优点及应用范围介绍

 

空气轴承的优点

更高精度

空气轴承提供极高的径向和轴向旋转精度。由于没有机械接触,磨损程度降到了最低,从而确保精度始终保持稳定。

由于制造结构的不同,空气主轴旋转时的精确性是天生具备的。特殊的制造技术提高了这一精确性,能够提供极高的旋转和轴向精度。空气主轴的设计是,能够在轴向和径向同时获得小于0.1微米TIR的旋转精确性。由于旋转的转子和静态支撑部分之间没有机械接触,所以没有磨损产生,从而确保精度始终保持稳定——制造商使用统计学加工控制的一个重要特性。

典型的同步径向偏摆值:<10微米(PCB钻孔主轴,高速)

典型的非同步径向偏摆值:<0.025微米(磁盘测试主轴,低速)

D1787高端PCB主轴的动态偏摆与转子速度之间的关系

D1640-05磁盘测试主轴的非同步径向偏摆与转子速度之间的关系

高速

空气轴承内部的低剪切力,能够在提供极高转速的同时,将动力损失降到最低,并使产生的热量非常小。转速可以超过300,000转/分钟。

空气轴承阻力较低,允许较高的速度,并能同时保持较低的振动水平。摩擦对空气轴承旋转的阻碍非常小,并且,因此使得动力损失和热量产生也非常小。这使得转子能够以极高的表面速度运行。有些主轴中,较高的旋转速度会导致轴承硬度的增加——由空气动力学和回转加劲的特点导致的。

各个市场领域中目前最高速西风空气主轴。

增加刀具寿命

使用空气轴承意味着能够大大延长刀具的寿命。

较低的振动和较高的旋转精度,意味着钻头、刀具、砂轮、和钻探工具都会有更长的寿命——降低了保养和运行成本。特别地,在PCB钻孔行业中,目前使用的钻针直径更小至50微米,只有空气主轴才能以所需的速度运行,以确保刀具的寿命达到要求

砂轮寿命的典型增长:1.5倍~4倍,取决于应用领域和砂轮类型

直径0.01的PCB钻孔工具寿命与旋转速度之间的关系

提高表面光度

空气主轴精确的、可重复的运动,使得表明光度达到了非常出色的程度。

空气主轴的应用(如:半导体加工)提供了流畅的、精确的、可重复的运动——使得表面光度更佳。与滚珠轴承主轴不同,空气轴承提供了稳定的轴承硬度,能够确保所加工的硬质材料表面以下部分的破损程度最小。由于硬度是由贯穿轴承的、始终如一的空气流提供的,转子所经受的、来自外负载的作用力,在其旋转时稳定的分布在所有点上。这一特性与研磨时产生良好的表面光度息息相关。

典型的表面光度:

表面研磨——<0.05微米(2微英寸)CLA

菱形转动、或者飞刀切削丙烯酸树脂和软性材料——<0.012微米(0.5微英寸)CLA,达到稳定的光学品质

空气轴承硬度值:

——轴向:达到250牛顿/微米(1,400,000磅/英寸)

——径向:达到580牛顿/微米(3,300,000磅/英寸)

空气主轴精确的、可重复的运动,使得表明光度达到了非常出色的程度。

C滚动元件轴承和空气轴承的硬度比较

延长轴承寿命

由于没有机械接触、并且供给清洁的空气(没有油和水),因此轴承的寿命大大延长了。

轴承内部没有任何金属与金属之间的接触,如果供给的空气清洁、且没有油和水,将确保实际上无限的寿命,此外,由于运行的性质,空气轴承会从轴承尾部不断排除空气,这就形成了阻碍外部有害污染物(如:原料碎片、或者切割液)进入的天然屏障。这增加了机器的利用率,减少了停机时间,从而提高了整体的效率。

滚珠轴承和空气轴承寿命的比较

温度上升缓慢

低摩擦,稳定的空气流、和有效的动力传送,使温度上升幅度降到最低。

由于多种因素(如:低摩擦,稳定的空气流、和有效的动力传送),主轴转子的热效应非常小。此外,特殊材料和结构方法的选择,以及内部的液体冷却管道,几乎完全消除了温度的上升,因此,无需预热阶段。

水冷却PCB钻孔主轴在200,000转/分钟的速度时的热成像

增大负载能力

空气轴承能够支撑很大的负载,所以使得它们能够被应用于很多行业的机械工具中。

空气轴承设计能够具备较高的负载能力、较高的硬度能力、或者两者同时兼备。在很多空气轴承的应用中,主轴速度相对较低,因此能够组成径向和轴向半径较大的轴承。

径向轴承的负载可达500千克。

轴向轴承的负载可达500千克。

降低震动

空气主轴运行时,只产生最小幅度的振动和可闻噪音。

由于达到了高度的平衡标准、而且没有机械接触,西风空气主轴产生的振动幅度和可闻噪音都是最小的。

典型的平衡标准:G0.4或者更高。

典型的振动幅度:<0.2毫米/秒(低速主轴)。<1.0毫米/秒(高速主轴)。

典型的噪音水平:70~80调整分贝

D1733PCB主轴径向振动与转子速度之间的关系

空气轴承的优点及应用范围介绍

 

空气的轴承保养与清洁

清洁

唯一使用的润滑剂是空气;因此,对于必须要求无污染的工件、或者工作环境来说,空气轴承技术是理想的。

在从空作环境中去除脂、油、和油雾后,使用空气主轴的条件将保持更加清洁。空气轴承对环境不产生反作用,因此,是无尘环境(如:磁盘驱动器制造)的理想应用产品。事实上,特殊设计的西风空气主轴还能在高度真空的条件下使用,如:已经在半导体硅晶片制造方面的应用。

主轴可以运行的、典型的无尘室标准:100级,绝对无尘环境。

保养

只需要极少的保养。对空气供给和冷却系统的定期检查,就是确保完全可靠性所需完成的全部工作。

通常,对空气供给进行定期检查就足以确保完全的轴承可靠性。如果主轴是在设计规范限定的条件下运行的,主轴拥有很长的运转寿命。一般保养通常包括:确保空气和水供给保持清洁,并达到正确的标准。

注意:将夹头或者其他支撑装置安装到主轴上,必须遵循特定的保养规定。

典型的空气过滤要求:0.1微米

空气轴承的优点及应用范围介绍

 

空气轴承的应用

基于空气的固有属性(粘度低且随温度变化小、耐辐射等),空气轴承在高速、低摩擦、高温、低温及有辐射性的场合,显示了独具的优越性。如在高速磨头、高速离心分离器、陀螺仪表、原子反应堆冷却用压缩机、高速鼓风机、电子计算机记忆装置等技术上,由于采用了空气轴承,突破了使用滚动轴承或油膜轴承所不能解决的困难。

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