CN102109011B

CN102109011B - 均压腔气浮止推轴承

Info

Publication number: CN102109011B
Application number: CN 200910200941
Authority: CN
Inventors: 王茜; 袁志扬
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2029-12-25
Also published as: CN102109011A

Abstract

本发明涉及一种气浮轴承，尤其涉及一种均压腔气浮止推轴承。这种均压腔气浮止推轴承，包括至少一个气浮滑块，每个气浮滑块的支撑面上至少开设有一个棱锥均压腔，所述支撑面与基座相对，所述棱锥均压腔的锥底面与所述支撑面齐平，所述棱锥均压腔的顶点处设有一节流孔，所述节流孔与设于所述气浮滑块内部的供气管路相通，所述供气管路与外部加压气源相通。本发明采用了渐扩的棱锥均压腔腔形，使高压气体经节流孔流入轴承间隙过程中更易沿平行流线流出，从而抑制节流孔附近涡流引发的轴承振动现象，降低微振动对整个运动系统的静态和动态性能的危害。

Description

均压腔气浮止推轴承

技术领域

本发明涉及一种气浮轴承，尤其涉及一种均压腔气浮止推轴承。

背景技术

气浮止推轴承是超精密测量与加工系统的关键部件，它具有清洁、无摩擦等优点。随着纳米技术、先进光学器件及集成电路等气浮止推轴承应用领域的发展，对气浮止推轴承的静态性能及定位精度提出了更高的要求。均压腔(槽)气浮止推轴承以其承载大、刚度高、耗气量小的特点，成为近年来研究的热点问题，但均压腔(槽)气室体积所引发的轴承微振动危害其运动系统静态和动态性能，因而，制约了气浮止推轴承精度。

传统均压腔(槽)气浮止推轴承，沿气浮滑块工作面(支撑面)法线方向的均压腔(槽)截面为矩形，轴承工作过程中，气体由节流孔射入轴承间隙，在均压腔(槽)内流体并非延平行流线流出，而是以涡流形式存在，涡流作用在轴承结构时，在结构表面产生表面压力波动，是引发轴承振动的重要因素。

发明专利“多环联结形均压槽气体静压导轨”(专利号：200710164643.X)提出一种精密气体静压导轨，在导轨(即基座)工作面(即支撑面)上，开设2个或3个相切的等径的圆环形均压槽，提高止推轴承刚度，降低气膜振幅。

发明专利“混合式螺旋动静压气体复合止推轴承”(专利号：200510009632.5)涉及一种高速、高刚度、大载荷超精密螺旋槽动静压气体复合止推轴承，在止推轴承工作面上，静压气浮供气点分布圆两侧分别开有人字形动压沟槽，在不增加气浮轴承耗气量的情况下，轴承承载力比传统静压气浮轴承提高30％以上，轴承刚度比传统静压气浮轴承提高15％以上。

发明专利“Mechanical assembly of shaft and static pressure bearing”(专利号：US5800066)提出了一种多孔质、均压槽及小孔节流相结合的复合节流形式，提高轴承的稳定性及静态性能。然而多孔质材料加工工艺复杂，多孔质节流气浮轴承制造难度大，国内应用较为罕见。

以上三篇专利所述均压腔(槽)截面均为矩形，无法解决均压腔(槽)内涡流引发的轴承微振动问题，使气浮轴承精度受限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种均压腔气浮止推轴承，采用了渐扩的棱锥均压腔腔形，使高压气体经节流孔流入轴承间隙过程中更易沿平行流线流出，抑制节流孔附近涡流引发的轴承振动现象，降低微振动对整个运动系统的静态和动态性能的危害。

为了达到上述的目的，本发明采用如下技术方案：

一种均压腔气浮止推轴承，包括至少一个气浮滑块，每个气浮滑块的支撑面上至少开设有一个棱锥均压腔，所述支撑面与基座相对，所述棱锥均压腔的锥底面与所述支撑面齐平，所述棱锥均压腔的顶点处设有一节流孔，所述节流孔与设于所述气浮滑块内部的供气管路相通，所述供气管路与外部加压气源相通。

所述棱锥均压腔均布在每个气浮滑块的支撑面上。

所述棱锥均压腔为正棱锥均压腔。

所述棱锥均压腔为三棱锥均压腔、四棱锥均压腔、五棱锥均压腔或六棱锥均压腔。

所述棱锥均压腔为四棱锥均压腔，所述四棱锥均压腔的锥底面为菱形，所述菱形的两条对角线的长度比在0.75-1之间。

所述棱锥均压腔的深度小于0.5mm。

所述气浮滑块的支撑面开有真空腔，所述真空腔上开有若干真空孔，所述真空孔与设于气浮滑块内的真空管路相通。

所述真空腔的深度为0.5mm～6mm。

所述气浮滑块的支撑面开有排气槽，所述排气槽开有排气孔，所述排气孔与设于气浮滑块内的排气管路相通。

所述气浮滑块的支撑面上设有硬质阳极氧化涂层。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

本发明采用了渐扩的棱锥均压腔腔形，使高压气体经节流孔流入轴承间隙过程中更易沿平行流线流出，从而抑制节流孔附近涡流引发的轴承振动现象，降低微振动对整个运动系统的静态和动态性能的危害。

附图说明

本发明的均压腔气浮止推轴承由以下的实施例及附图给出。

图1是实施例1带有两个气浮滑块的均压腔气浮止推轴承剖视图；

图2是实施例1带有单个均压腔的气浮滑块的支撑面示意图；

图3是实施例2带有单个气浮滑块的均压腔气浮止推轴承剖视图；

图4是实施例2带有四个均压腔的气浮滑块的支撑面示意图；

图5a是现有的矩形截面的均压腔气浮止推轴承流线图；

图5b是现有的矩形截面的均压腔气浮止推轴承流线细节图；

图6a是本发明棱锥截面的均压腔气浮止推轴承流线图；

图6b是本发明棱锥截面的均压腔气浮止推轴承流线细节图；

图中：1.气浮滑块的支撑面、2.棱锥均压腔、3.节流孔、4.真空腔、5.真空孔、6.排气槽、7.排气孔、8.气浮滑块、9.基座、10.矩形均压腔、11.真空管路、12.排气管路、13.供气管路。

具体实施方式

以下将对本发明的均压腔气浮止推轴承作进一步的详细描述。

下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例1

请参阅图1和图2，图1所示为实施例1带有两个气浮滑块的均压腔气浮止推轴承剖视图；图2所示为实施例1带有单个均压腔的气浮滑块的支撑面示意图。

这种均压腔气浮止推轴承，包括至少一个气浮滑块8，本实施例中包括两个气浮滑块8。所述每个气浮滑块的支撑面1上至少开设有一个内凹的棱锥均压腔2，即沿气浮滑块的支撑面1的法线方向的均压腔截面为棱锥形。本实施例中，每个气浮滑块8上设有一个棱锥均压腔2，所述棱锥均压腔2设置在所述气浮滑块8的中心部位。所述气浮滑块的支撑面1与基座相对。

所述棱锥均压腔2的锥底面与所述支撑面齐平，所述棱锥均压腔2的顶点处设有一节流孔3。所述节流孔3直径为0.1～0.25mm。所述节流孔3的加工方法为在铝合金材料上实施钻或激光打孔。所述节流孔3与设于所述气浮滑块8内部的供气管路13相通，所述供气管路13与外部加压气源相通。

所述棱锥均压腔2可以是正棱锥均压腔，也可以是其他型式的棱锥均压腔，如可以是三棱锥均压腔、四棱锥均压腔、五棱锥均压腔或六棱锥均压腔等等。本实施例中，所述棱锥均压腔2为四棱锥均压腔。所述四棱锥均压腔的锥底面为菱形，所述菱形的两条对角线的长度比优选在0.75-1之间，可以使高压气体经节流孔3流入轴承间隙过程中更易沿平行流线流出，从而抑制节流孔3附近涡流引发的轴承振动现象。

所述棱锥均压腔2的深度小于0.5mm(0.5mm＝500μm)，优选为15μm～25μm。本实例中，所述棱锥均压腔2的深度为20μm。所述棱锥均压腔2的加工方法为在铝合金材料上实施精密铣或激光消融。

所述气浮滑块8的主体材料为航空铝。所述基座9的主体材料为大理石或航空铝。另外，为确保气浮滑块的支撑面1拥有足够强的硬度及耐磨性，在气浮滑块的支撑面1上施加硬质阳极氧化涂层。

实施例2

请参阅图3和图4，图3所示为实施例2带有单个气浮滑块的均压腔气浮止推轴承剖视图；图4所示为实施例2带有四个均压腔的气浮滑块的支撑面示意图。这种均压腔气浮止推轴承，包括一个气浮滑块8和一个基座9，所述气浮滑块8是圆形的。所述气浮滑块的支撑面1沿圆周方向均设四个棱锥均压腔2，在每个棱锥均压腔2顶点处分别设置一个节流孔3。所述节流孔3分别与设于气浮滑块8内部供气管路13相通。

另外，所述气浮滑块的支撑面1开设有一个圆形的真空腔4，所述真空腔4开设一个真空孔5，所述真空孔5位于所述气浮滑块8的中心位置。所述真空孔5与真空管路11相通，所述真空管路11设于所述气浮滑块8的内部。所述真空腔4深度为0.5mm～6mm。所述真空腔4的加工方法为铣或镗。通过增设真空腔4及其真空管路11可以增加气浮止推轴承的预载力，从而增加气浮止推轴承的刚度。

另外，所述气浮滑块的支撑面1开设有环形的排气槽6，所述排气槽6均设有四个排气孔7，所述排气孔7与排气管路12相通，所述排气管路12设于所述气浮滑块8的内部。所述排气槽6深度为0.5mm～6mm。所述排气槽6的加工方法为铣或车。通过增设排气槽6及其排气管路12可以使得由节流孔3流出的气体更加顺利排出，从而进一步使得高压气体经节流孔3流入轴承间隙过程中更易沿平行流线流出。

所述气浮滑块8的主体材料为航空铝；基座9的主体材料为大理石或航空铝。节流孔3的加工方法为在铝合金材料上实施钻或激光打孔。棱锥均压腔2的加工方法为在铝合金材料上实施精密铣或激光消融。为确保气浮滑块的支撑面1拥有足够强的硬度及耐磨性，在气浮滑块的支撑面上1施加硬质阳极氧化涂层。棱锥均压腔2深度小于50μm。节流孔3直径为0.1～0.25mm。

运用CFD(计算流体力学)软件对现有的矩形截面的均压腔气浮止推轴承的流场进行仿真，得到的气膜流线如图5a所示，图中，矩形均压腔10设置于气浮滑块的支撑面1。均压槽内流线的细节如图5b所示。从图5a和图5b可见现有的矩形截面的均压腔气浮止推轴承的流场内存在大范围涡流。而运用CFD软件对本发明棱锥截面的均压腔气浮止推轴承的流场进行仿真，得到气膜流线如图6a所示，均压腔内流线细节如图6b所示。从图6a和图5b可见本发明棱锥截面的均压腔气浮止推轴承内，气体基本按平行流线流出。对比现有的矩形截面的均压腔气浮止推轴承，本发明棱锥截面的均压腔气浮止推轴承流孔及均压腔(槽)内的涡流得到显著抑制，从而降低微振动对整个运动系统的静态和动态性能的危害，有效提高了气浮止推轴承的精度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种均压腔气浮止推轴承，其特征在于，包括至少一个气浮滑块，每个气浮滑块的支撑面上至少开设有一个棱锥均压腔，所述支撑面与基座相对，所述棱锥均压腔的锥底面与所述支撑面齐平，所述棱锥均压腔的顶点处设有节流孔，所述节流孔与设于所述气浮滑块内部的供气管路相通，所述供气管路与外部加压气源相通。

2.如权利要求1所述的均压腔气浮止推轴承，其特征在于，所述棱锥均压腔均布在每个气浮滑块的支撑面上。

3.如权利要求1所述的均压腔气浮止推轴承，其特征在于，所述棱锥均压腔为正棱锥均压腔。

4.如权利要求1所述的均压腔气浮止推轴承，其特征在于，所述棱锥均压腔为三棱锥均压腔、四棱锥均压腔、五棱锥均压腔或六棱锥均压腔。

5.如权利要求4所述的均压腔气浮止推轴承，其特征在于，所述棱锥均压腔为四棱锥均压腔，所述四棱锥均压腔的锥底面为菱形，所述菱形的两条对角线的长度比在0.75-1之间。

6.如权利要求1所述的均压腔气浮止推轴承，其特征在于，所述棱锥均压腔的深度小于0.5mm。

7.如权利要求1所述的均压腔气浮止推轴承，其特征在于，所述气浮滑块的支撑面开有真空腔，所述真空腔上开有若干真空孔，所述真空孔与设于气浮滑块内的真空管路相通。

8.如权利要求7所述的均压腔气浮止推轴承，其特征在于，所述真空腔的深度为0.5mm～6mm。

9.如权利要求1所述的均压腔气浮止推轴承，其特征在于，所述气浮滑块的支撑面开有排气槽，所述排气槽开有排气孔，所述排气孔与设于气浮滑块内的排气管路相通。

10.如权利要求1所述的均压腔气浮止推轴承，其特征在于，所述气浮滑块的支撑面上设有硬质阳极氧化涂层。