CN114576269A - 一种节流气浮轴承及其制备方法和应用 - Google Patents

一种节流气浮轴承及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种节流气浮轴承及其制备方法和应用，它包括：外支撑体，所述外支撑体的任一端面上开设有内凹的容置空间且其内开设有与所述容置空间相通的气流通道；所述外支撑体的周面上设置有与所述气流通道相配合的进气口；多孔介质，所述多孔介质安装在所述容置空间内，其为多孔石墨烯材质。通过采用特定结构的外支撑体和多孔介质进行配合，并且多孔介质采用多孔石墨烯材质，由于多孔石墨烯内均匀分布着纳米级的小孔使得每个小孔都能够起到节流的效果，可以使多孔介质在有效供气面积和供气压力不变的情况下，大幅地提高气浮轴承的刚度、承载力及阻尼特性。

Description

一种节流气浮轴承及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于气浮轴承技术领域，涉及一种节流气浮轴承，具体涉及一种多孔石墨烯多孔介质节流气浮轴承及其制备方法和应用。
背景技术
利用气体润滑技术制成的气浮轴承具有众多的优点：1、气体粘度极低，摩擦阻力很小，气浮轴承可以达到很高的旋转速度并且摩擦损耗小；2、精度高，气膜具有均化作用，精度至少提高两个等级；3、寿命长，振动小及噪音低；4、无污染。因此气浮轴承能够满足超精密主轴或导轨等高回转精度、高速度、低损耗等要求。基于此，气体润滑技术在超精密加工及超精密测量技术领域中有着广泛运用并且气浮轴承在高速支撑、低摩擦低功耗支撑、高精密支撑和特殊工况支撑领域中有着绝对的优势！
尽管气浮轴承有诸多优点，它也有如下的一些缺点：1、承载力较低，刚性较差，承载能力主要取决于润滑剂的粘性，刚度取决于润滑剂的可压缩性；2、气浮轴承的表面的制造精度高，由于气体粘度很低且为提高承载力和刚度，气浮轴承的气膜间隙要很小，润滑面的制造精度和粗糙度必须很高；3、气体的压缩性容易引起不稳定性，有必要设法控制气浮轴承的稳定性；这些缺点限制着气浮轴承的在超精密机床及测量设备中的进一步运用。因此，需要研发在有效节流面积和供气压力不变的情况下，能大幅度提高刚性、承载力和阻尼性的气浮轴承。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种多孔石墨烯多孔介质节流气浮轴承。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种节流气浮轴承，它包括：
外支撑体，所述外支撑体的任一端面上开设有内凹的容置空间且其内开设有与所述容置空间相通的气流通道；所述外支撑体的周面上设置有与所述气流通道相配合的进气口；
多孔介质，所述多孔介质安装在所述容置空间内，其为多孔石墨烯材质。
优化地，所述多孔介质内具有纳米级微孔且为三维均匀排列的结构。
优化地，所述多孔介质的孔径大小为小孔、中孔或大孔，所述小孔的尺寸为1-20纳米，所述中孔的尺寸为21-100纳米，所述大孔的尺寸为101-2000纳米。
优化地，所述外支撑体的内壁上还开设有与所述气流通道相连通的多道引流槽。
优化地，所述外支撑体的另一端面上开设有球头卡槽。
优化地，所述外支撑体为金属材质。
优化地，所述节流气浮轴承为平面型气浮轴承、轴套类气浮轴承或球类气浮轴承，所述平面型气浮轴承包括圆形气浮轴承和矩形气浮轴承。
本发明的又一目的在于提供一种上述节流气浮轴承的制备方法，它包括以下步骤：
(a)将金属材料加工成所需的外支撑体的形状和尺寸；
(b)将多孔石墨烯材料毛坯加工成与所述外支撑体相配合的多孔介质的形状和尺寸；
(c)将所述多孔介质与所述外支撑体进行粘合组装；
(d)对所述多孔介质表面进行精密研磨，使其平面度粗糙度达到要求；
(e)对步骤(d)得到的产品进行超声波清洗、通气检测和承载力检测即可。
优化地，步骤(d)中，所述平面度粗糙度达到纳米级。
本发明的再一目的在于提供一种上述节流气浮轴承的应用，它作为轴承零件用于检测或测试设备、亚微米坐标测量机、空气轴承旋转台、光盘控制设备、高分辨率成像设备、平板显示设备、内外滚筒扫绘图仪、磁头和光学制造设备、引线接合机、焊线机、固晶机、太阳能光伏印刷机械设备、成像设备、涡轮机械、直线平台、医疗设备、精密磨削和切削设备、精密旋转扫描设备、编码器以及玻璃基板输送设备，所述精密计量仪器包括高度、圆度、垂直度、平面度、同心度和圆柱度的计量仪器以及平面和圆度测量系统；所述检测或测试设备包括视觉和光学检测设备、液晶面板检测设备、显微镜平面检测设备、晶片探针检测设备和磁盘和磁头检测设备；所述磁头和光学制造设备包括磁头制造机床、磁存储器和光存储器制造设备、磁盘驱动器读写头制造机床、光学磨削机床、镜头和金刚石镜面车削机床、金刚石飞切机床、隐性眼镜镜片车床、AOI机器视觉设备、感光底层涂敷设备、光栅刻线设备和存储器修补激光直接记录设备
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明节流气浮轴承，通过采用特定结构的外支撑体和多孔介质进行配合，并且多孔介质采用多孔石墨烯材质(即市售的石墨烯筛)，由于多孔石墨烯内均匀分布着纳米级的小孔使得每个小孔都能够起到节流的效果，可以使多孔介质在有效供气面积和供气压力不变的情况下，大幅地提高气浮轴承的刚度、承载力及阻尼特性。
本发明节流气浮轴承的制备方法工艺简单，大大简化了常规气浮轴承的制造难度，有利于降低成本、促进轴承的标准化并提高节流气浮轴承的工艺水平的生产效率。
本发明节流气浮轴承能够应用于超精密加工和测量等领域的发展，对我国的精密制造水平的提高有着深远的影响。
附图说明
图1为本发明节流气浮轴承的结构示意图；
图2为图1的B-B剖视图。
具体实施方式
有关本发明之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图之一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
实施例1
本实施例提供一种节流气浮轴承，如图1和图2所示，它主要包括外支撑体1(即外壳体)和多孔介质3等。
其中，外支撑体1整体呈厚度小的立体结构，其任一端面上(在图2中是下端面)开设有内凹的容置空间12且其内开设有与容置空间12相通的气流通道14；该外支撑体1的周面上设置有与气流通道14相配合的进气口2，这样可以通过进气口2向外支撑体1内通入气体 (用于润滑并形成气膜)。多孔介质3安装在容置空间12内，其为多孔石墨烯材质(即市售的石墨烯筛)，其内具有纳米级微孔且为三维均匀排列的结构。在本实施例中，多孔介质3和外支撑体1之间可以利用胶水粘结以保证气浮轴承的密封性和组装强度。在本实施例中，多孔介质3的孔径大小为小孔，小孔的尺寸为1-20纳米(适合用于高精度，高刚性，高阻尼的气浮轴承；气膜悬浮高度3-5微米，适合超高精度应用场景)。
在本实施例中，外支撑体1的内壁上还开设有与气流通道14相连通的多道引流槽13，用于保证气流压力的稳定。外支撑体1的另一端面(上端面)上开设有球头卡槽11，用于与装有万向球头的底座安装配合。外支撑体1优选为铝合金材质。节流气浮轴承可以为平面型气浮轴承、轴套类气浮轴承或球类气浮轴承，具体地平面型气浮轴承包括圆形气浮轴承和矩形气浮轴承；在本实施例中，节流气浮轴承具体为圆形气浮轴承。
上述节流气浮轴承的制备方法，它包括以下步骤：
(a)将金属材料加工成所需的外支撑体的形状和尺寸；
(b)将多孔石墨烯材料毛坯加工成与所述外支撑体相配合的多孔介质的形状和尺寸；
(c)将所述多孔介质与所述外支撑体进行粘合组装；
(d)对所述多孔介质表面进行精密研磨，使其平面度粗糙度达到纳米级；
(e)对步骤(d)得到的产品进行超声波清洗、通气检测和承载力检测即可。
上述节流气浮轴承主要应用于以下设备：1.三坐标测量仪、CMM坐标测量机；2.光掩膜修复∶铬版掩膜版和干版掩膜版；3.晶圆厚度检测设备；4.高速应用设备；5.存储器修复设备； 6.扫描仪；7.高速伺服机床；8.加工中心；9.金刚石车床；10.材质测试仪；11.拉力测试机；12. 运送平台。具体地，它作为轴承零件用于检测或测试设备、亚微米坐标测量机、空气轴承旋转台、光盘控制设备、高分辨率成像设备、平板显示设备、内外滚筒扫绘图仪、磁头和光学制造设备、引线接合机、焊线机、固晶机、太阳能光伏印刷机械设备、成像设备、涡轮机械、直线平台、医疗设备、精密磨削和切削设备、精密旋转扫描设备、编码器以及玻璃基板输送设备，所述精密计量仪器包括高度、圆度、垂直度、平面度、同心度和圆柱度的计量仪器以及平面和圆度测量系统；所述检测或测试设备包括视觉和光学检测设备、液晶面板检测设备、显微镜平面检测设备、晶片探针检测设备和磁盘和磁头检测设备；所述磁头和光学制造设备包括磁头制造机床、磁存储器和光存储器制造设备、磁盘驱动器读写头制造机床、光学磨削机床、镜头和金刚石镜面车削机床、金刚石飞切机床、隐性眼镜镜片车床、AOI机器视觉设备、感光底层涂敷设备、光栅刻线设备和存储器修补激光直接记录设备。
实施例2
本实施例提供一种节流气浮轴承，它与实施例1中的基本一致，不同的是：多孔介质3 的孔径为中孔，中孔的尺寸为21-100纳米，其气浮阻尼性低于实施例1中的(适用于高承载，高速度，中等阻尼的气浮轴承；气膜悬浮高度6-15微米，适合高精度高承载应用场景)。
实施例3
本实施例提供一种节流气浮轴承，它与实施例1中的基本一致，不同的是：多孔介质3 的孔径为大孔，中孔的尺寸为101-2000纳米(适用于高承载，高速度，低阻尼的气浮轴承。气膜悬浮高度10-30微米，适合高速度高承载应用场景)。
对比例1
本例提供一种流气浮轴承，它与实施例1中的基本一致，不同的是：多孔介质3为市售内部气路打通的不锈钢金属，其上开设8个节流孔，节流孔直径为0.1-0.5mm。
对比例2
本例提供一种流气浮轴承，它与实施例1中的基本一致，不同的是：多孔介质3为市售的多孔陶瓷材质。
对比例3
本例提供一种流气浮轴承，它与实施例1中的基本一致，不同的是：多孔介质3的孔径过大，≥3000纳米；其性能与市售的多孔陶瓷材质性能接近。
将实施例1-3、对比例1-2中的流气浮轴承进行性能检测，其结果列于表1中。
表1实施例1-3、对比例1-2中流气浮轴承的性能表
实施例1 对比例1 对比例2
气浮承载力(N，气压0.4mpa) 1775 1538 1100
气浮刚性(N/μm，气压0.4mpa) 177 140 110
空气流量(NLPM，气压0.4mpa) 1.8-3.2 1.5-2.6 4.8-6.5
产品精度(μm) ＜1 2 2
气膜高度(气压0.4mpa) 3-5μm 8-15μm 8-15μm
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种节流气浮轴承，其特征在于，它包括：
外支撑体(1)，所述外支撑体(1)的任一端面上开设有内凹的容置空间(12)且其内开设有与所述容置空间(12)相通的气流通道(14)；所述外支撑体(1)的周面上设置有与所述气流通道(14)相配合的进气口(2)；
多孔介质(3)，所述多孔介质(3)安装在所述容置空间(12)内，其为多孔石墨烯材质。
2.根据权利要求1所述的节流气浮轴承，其特征在于：所述多孔介质(3)内具有纳米级微孔且为三维均匀排列的结构。
3.根据权利要求1所述的节流气浮轴承，其特征在于：所述多孔介质(3)的孔径大小为小孔、中孔或大孔，所述小孔的尺寸为1-20纳米，所述中孔的尺寸为21-100纳米，所述大孔的尺寸为101-2000纳米。
4.根据权利要求1所述的节流气浮轴承，其特征在于：所述外支撑体(1)的内壁上还开设有与所述气流通道(14)相连通的多道引流槽(13)。
5.根据权利要求1所述的节流气浮轴承，其特征在于：所述外支撑体(1)的另一端面上开设有球头卡槽(11)。
6.根据权利要求1所述的节流气浮轴承，其特征在于：所述外支撑体(1)为金属材质。
7.根据权利要求1所述的节流气浮轴承，其特征在于：所述节流气浮轴承为平面型气浮轴承、轴套类气浮轴承或球类气浮轴承，所述平面型气浮轴承包括圆形气浮轴承和矩形气浮轴承。
8.权利要求1至7中任一所述节流气浮轴承的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：
(a)将金属材料加工成所需的外支撑体的形状和尺寸；
(b)将多孔石墨烯材料毛坯加工成与所述外支撑体相配合的多孔介质的形状和尺寸；
(c)将所述多孔介质与所述外支撑体进行粘合组装；
(d)对所述多孔介质表面进行精密研磨，使其平面度粗糙度达到要求；
(e)对步骤(d)得到的产品进行超声波清洗、通气检测和承载力检测即可。
9.根据权利要求8所述节流气浮轴承的制备方法，其特征在于：步骤(d)中，所述平面度粗糙度达到纳米级。
10.权利要求1至7中任一所述节流气浮轴承的应用，其特征在于：它作为轴承零件用于检测或测试设备、亚微米坐标测量机、空气轴承旋转台、光盘控制设备、高分辨率成像设备、平板显示设备、内外滚筒扫绘图仪、磁头和光学制造设备、引线接合机、焊线机、固晶机、太阳能光伏印刷机械设备、成像设备、涡轮机械、直线平台、医疗设备、精密磨削和切削设备、精密旋转扫描设备、编码器以及玻璃基板输送设备，所述精密计量仪器包括高度、圆度、垂直度、平面度、同心度和圆柱度的计量仪器以及平面和圆度测量系统；所述检测或测试设备包括视觉和光学检测设备、液晶面板检测设备、显微镜平面检测设备、晶片探针检测设备和磁盘和磁头检测设备；所述磁头和光学制造设备包括磁头制造机床、磁存储器和光存储器制造设备、磁盘驱动器读写头制造机床、光学磨削机床、镜头和金刚石镜面车削机床、金刚石飞切机床、隐性眼镜镜片车床、AOI机器视觉设备、感光底层涂敷设备、光栅刻线设备和存储器修补激光直接记录设备。
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