CN114251361A - 一种微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承装置，其特征在于：气浮圆锥轴承内表面分布多个微纳多孔节流器，即气浮圆锥轴承内表面分布单排或多排微纳多孔节流器，且每排周向均匀分布多个微纳多孔节流器。微纳多孔节流器为薄片结构，厚度为0.1‑10mm，直径为1‑100mm，薄片结构上开有微纳多孔，微纳多孔直径为微米级和纳米级尺度，不同直径大小的多孔可以根据设计自由组合，然后通过优化进行合理布局。本发明不仅可以显著提高气浮圆锥轴承的稳定性和力学特性，而且可以有效降低气浮圆锥轴承的自激振动。此外，按照本发明的微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承具有高速度和高精度等优点，因此尤其适用于超精密半导体设备和微/纳机电系统等领域。

Description

一种微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承
技术领域
本发明涉及一种微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承，能够显著提高气浮圆锥轴承的稳定性，同时可以降低气浮圆锥轴承自激振动，主要应用于集成电路制造和精密光学等领域。
背景技术
气浮圆锥轴承具有高速度、高精度、无摩擦发热和超洁净等优点，广泛应用于微纳加工与制造等领域。 然而，气体轴承存在承载力低、刚度弱和微振动等问题：一方面高速气体的湍流流动引发的微振动会影响超精密运动系统的动力学特性；另一方面，传统气浮支承阻尼弱，难以快速衰减外界扰动。 传统气浮圆锥轴承节流方式主要包括小孔节流，狭缝节流和多孔介质节流。狭缝节流对加工要求精度高，价格昂贵；多孔节流中的多孔材料小孔大小及分布均不理想，材料的差异性会导致气浮圆锥轴承的稳定性不一致。由此可见，小孔节流是传统气浮圆锥轴承的主要节流方式。 但是，随着超精密加工和超精密定位要求越来越苛刻，小孔节流存在的湍流自激振动逐渐制约超紧密加工和超精密定位的提升。因此，需要设计一种高稳定性且自激振动小的气体圆锥轴承。
发明内容
本发明的目的是在于解决上述技术上的不足，改善上述气浮圆锥轴承自激振动的缺点，该气浮圆锥轴承内表面分布多个微纳多孔节流器，即气浮圆锥轴承内表面分布单排或者多排微纳多孔节流器（每排周向均匀分布多个微纳多孔节流器），微纳多孔直径大小为微米级和纳米级尺度，不同直径大小的多孔可以根据设计自由组合（微米级多孔组合、纳米级多孔组合或者微米级和纳米级混合多孔组合），通过优化设计进行合理布局（包括均匀分布和非均匀分布），因此，该气浮圆锥轴承更具有更高稳定性和良好的动力学特性。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是一种微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承，气浮圆锥轴承内表面分布多个微纳多孔节流器，即气浮圆锥轴承内表面分布单排或多排微纳多孔节流器（每排周向均匀分布多个微纳多孔节流器），该微纳多孔节流器为薄片结构，厚度为0.1-10mm，直径为1-100mm，薄片结构上开有微纳多孔，微纳多孔的直径为微米级或者纳米级尺度，不同直径大小的多孔可以根据设计自由组合（微米级多孔组合、纳米级多孔组合或者微米级和纳米级混合多孔组合），对其进行优化设计和合理布局。
本发明提供的一种微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承具有很多优点，微纳多孔直径大小为微米级和纳米级，不同直径大小的多孔可以自由组合，然后优化设计进行合理布局。这样可以克服多孔介质易堵塞的问题，气流更均匀和更稳定。因此，能够显著改善气浮圆锥轴承动力学特性，并实现气浮圆锥轴承的更高稳定性，适用于微/纳机电系统、纳米加工与制造技术等超精密制造领域。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术手段实现的： 提供了一种微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承，包括气浮圆锥轴承本体、微纳多孔节流器和圆锥状支承部件，其中：气浮圆锥轴承本体开设有气体通道，高压气体由进气口进入气体通道，先后流经气体通道、气腔、微纳多孔，扩散至气浮圆锥轴承本体内表面和圆锥状支承部件侧面之间的间隙，最终排放至大气环境，构成了静压气体润滑支承，实现被支承物体的悬浮。
所述的微纳多孔节流器的微纳多孔直径大小为微米级和纳米级尺度，微纳多孔数目在几十到几百万之间，不同直径大小的多孔可以根据设计自由组合（微米级多孔组合、纳米级多孔组合或者微米级和纳米级混合多孔组合），然后通过优化进行合理布局（包括均匀分布和非均匀分布）。
所述的微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承内表面分布多个微纳多孔节流器，即气浮圆锥轴承内表面分布单排或多排微纳多孔节流器（每排周向均匀分布多个微纳多孔节流器）。
所述的微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承内表面分布的微纳多孔为通孔。
本发明所提供的一种微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承采用微米级和纳米级多孔自由组合，并优化设计进行合理布局，能够显著改善气浮圆锥轴承动力学特性，实现气浮圆锥轴承的更高的稳定性。
按照本发明的微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承不仅可以改善气浮圆锥轴承动力学特性，而且可以有效的降低气浮圆锥轴承的自激振动，因此尤其适用于纳米制造与加工、高速主轴等领域。
附图说明
图1为本发明所述的微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承结构示意图。
图2为本发明所述的微纳多孔节流器俯视放大示意图。微米级多孔组合或者纳米级多孔组合，且均匀分布。
图3为本发明所述的微纳多孔节流器截面放大示意图。微纳多孔为直孔。
图4为本发明所述的微纳多孔分布放大示意图。微纳多孔布局分别为放射状型、田字型、米字形、矩形。
图5为本发明所述的微纳多孔节流器俯视放大示意图。微米级多孔和纳米级多孔混合，且均匀分布。
图6为本发明所述的微纳多孔节流器俯视放大示意图。微米级多孔和纳米级多孔混合，且非均匀分布。 1、气浮圆锥轴承本体；2、微纳多孔节流器；3、气腔；4、微纳多孔；5、气体通道；6、进气口；7、气膜；8、圆锥状支承部件。
具体实施方式
为了更详细的阐述本发明的技术手段及优点，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。此处所描述的实施例仅是说明性，非限定性的，本发明的保护范围不受这些实施例的限制。
图1是按照本发明优选实施例一所构建的微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承结构示意图。
如图1所示，该微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承包括气浮圆锥轴承本体（1）、微纳多孔节流器（2）和圆锥状支承部件（7）三部分。
如图1所示，高压气体沿进气口（6）流入气体通道（5），经过气腔（3）和微纳多孔（4），然后进入气浮圆锥轴承本体（1）内表面和圆锥状支承部件（8）侧面之间的间隙，然后向四周扩散流动，最后经外边界排至大气环境，此过程形成具有特定压力的气体薄膜（7），实现气浮圆锥轴承本体（1）与圆锥状支承部件（8）之间的无接触悬浮。
如图1所示，本实施案例中的气浮圆锥轴承本体（1）内表面形状和圆锥状支承部件（8）的侧面拟采用圆锥面。
如图1所示，本实施案例中的气浮圆锥轴承本体（1）拟采用双排微纳多孔节流器（每排周向均匀分布4个微纳多孔节流器）。
如图2所示，本实施案例中的气浮圆锥轴承的微纳多孔节流器拟采用的是圆形。如图2所示，本实施案例中微纳多孔节流器（2）中的微纳多孔拟采用放射状型，微米级或纳米级多孔（4）均匀分布在圆内。
如图3所示，本实施案例中微纳多孔（4）拟采用为直孔。
如图4所示，本实施案例中微纳多孔节流器（2）拟采用放射状型（a）、米字形（b）、矩形（c）、田字型（d）。
如图5所示，本实施案例中微纳多孔节流器（2）拟采用微米级多孔（4a）和纳米级多孔（4b）混合，且均匀分布。
如图6所示，本实施案例中微纳多孔节流器（2）拟采用微米级多孔（4a）和纳米级多孔（4b）混合，且非均匀分布。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护范围。

Claims (7)

1.一种微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承，包括气浮圆锥轴承本体（1）、微纳多孔节流器（2）和圆锥状支承部件（8），其特征在于：气浮圆锥轴承的本体（1）内表面和圆锥状支承部件（8）侧面均为圆锥面，气浮圆锥轴承本体（1）设有气体通道（5），高压气体由进气口（6）通过气体通道（5）进入气腔（3），再通过微纳多孔节流器（2）中的微纳多孔（4），然后扩散到气浮圆锥轴承本体（1）内表面和圆锥状支承部件（6）侧面之间的间隙（7），形成一层具有一定压力的气体润滑薄膜（8），气膜内的气体最后经外部边界排出，从而构成了静压气体润滑锥面支承，实现被支承物体无刚性接触地悬浮。
2.根据权利要求1所述的微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承，其特征在于：气浮圆锥轴承本体（1）内表面形状和圆锥状支承部件（7）的侧面均为圆锥面。
3.根据权利要求1所述的微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承，其特征在于：气浮圆锥轴承本体（1）的微纳多孔（4）的分布可以为放射状型、十字型、米字形、井型、口字型、H型、环形、矩形、圆形、三角形等。
4.根据权利要求1所述的微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承，其特征在于：气浮圆锥轴承本体（1）的微纳多孔节流器（2）的横截面积可以为圆形、矩形、三角形、正方形等。
5.根据权利要求1所述的微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承，其特征在于：气浮圆锥轴承本体（1）内表面分布多个微纳多孔节流器（2），即气浮圆锥轴承本体（1）内表面分布单排或多排微纳多孔节流器（2），且每排周向均匀分布多个微纳多孔节流器（2）。
6.根据权利要求1所述的微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承，其特征在于：气浮圆锥轴承本体（1）内表面分布的微纳多孔（4）可以为直孔、锥孔和斜孔等。
7.根据权利要求1所述的微纳多孔节流静压气浮圆锥轴承，其特征在于：气浮圆锥轴承本体（1）的微纳多孔（4）直径大小为微米尺度和纳米级尺度，微纳多孔（4）数目在几十到几百万之间，不同直径大小的多孔可以根据设计自由组合（微米级多孔组合、纳米级多孔组合或者微米级和纳米级混合多孔组合），然后通过优化进行合理布局（包括均匀分布和非均匀分布）。
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