CN219605837U - 精密球凹面气浮轴承 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供一种精密球凹面气浮轴承，包括轴承主体及贴片，轴承主体包括进气口、第一出气口及气流通道，贴片包括与至少一个第二出气口，贴片还包括具有一内凹球弧面的端面，当第二出气口有一个时，第二出气口布置在球弧面中心，当第二出气口有若干个时，若干第二出气口形成出口区，出口区布置在球弧面中心，气流自第二出气口出气并在端面处形成气膜，一方面气流能够快速在球弧面内进行充盈，并形成稳定的气膜，增加承载能力，二方面，球弧面具有自动对心作用，使得气膜的稳定性上升；三方面球弧面加工容易，加工难度大幅降低；四方面，当端面意外的接触或触碰到承台面时，大幅降低对承台面的损伤或同时降低端面损伤。

Description

精密球凹面气浮轴承

技术领域

本发明涉及一种精密球凹面气浮轴承。

背景技术

气浮轴承具有均化效应、振动小、运动精度高、空气粘度低、摩擦损耗小、发热变形小与使用寿命长等诸多优点，广泛应用于精密运动平台，如三坐标测量仪、超精密机床、光刻机等设备中。

常规的平面气浮轴承仍然存在有承压低，耗气量大，稳定性差等问题，为此，已经有通过将气浮轴承的端面设置呈凹面的技术方案来解决前述问题，比如，文献号为CN115342125A，名称为，一种工作面中部内凹的圆形静压气浮轴承的专利文献揭示一种工作面中部内凹的气浮轴承，通过在工作面中部设置内凹使得中心区域的气压更大，高气压区域的面积也更大，提高了气膜的承载力和静刚度，以及使得气压分布也更为均匀，可使静压气浮轴承的推力更为稳定，俯仰和偏摆的程度也更小，但是实践中发现这种类型的气浮轴承仍然存在下列问题：

一、现有技术中的端面及内凹面的曲线需要特别设计，以形成稳定气膜，这些曲线形成的内凹曲面为以轴承中心线旋转一周构成旋转自由曲面，但是，这些曲面却给加工造成极大困扰，即常规的设备难以加工或加工精度无法满足需求。

二、由于内凹面的存在使得气浮轴承在意外的接触或触碰到承台面时，气浮轴承端面与承台面的接触面积减小，使得在这种情形下气浮轴承端面或承台面容易受到更大的损伤，特别是端面还设置有硬质涂层时，更容易出现硬质涂层自身损伤或对承台面造成损伤。

发明内容

为此，本发明提供一种精密球凹面气浮轴承以解决上述技术问题。

一种精密球凹面气浮轴承，包括具有圆形底面的轴承主体及贴附在底面上的贴片，所述轴承主体包括用于通入气流的进气口、设置在底面的第一出气口及连通进气口与第一出气口的气流通道，所述的贴片包括与第一出气口连通的至少一个第二出气口，所述的贴片还包括具有一内凹球弧面的端面，当所述的第二出气口有一个时，所述第二出气口布置在球弧面中心，当所述的第二出气口有若干个时，若干第二出气口形成出口区，所述的出口区布置在球弧面中心，所述的气流自第二出气口出气并在端面处形成气膜。

其中，所述的贴片为弹性体，且弹性模量为1.0～5.0GPa。

其中，所述的贴片为PET贴片。

其中，所述的端面还包括位于球弧面外侧的环平面，所述的球弧面包括与环平面相接的边缘线，定义边缘线的直径为d，环平面的外径为D，则有，d/D=0.6-0.95，且40mm≥D-d≥18mm。

其中，定义贴片的厚度为h，则h=0.3-0.8mm。

其中，所述的贴片可拆卸的贴附在底面上。

其中，所述的轴承主体包括主体部及盖板部，所述的主体部包括侧面，所述的进气口设置在侧面上，所述的气流通道包括设置在主体部上的横向孔及纵向孔，其中，所述的横向孔自进气口沿水平方向向中心延伸，所述的纵向孔设置主体部的中心，并沿垂直于底面的方向向主体部中心延伸，横向孔与纵向孔在主体部内部连通，且横向孔孔径大于纵向孔孔径。

其中，所述的盖板部包括贯通盖板部厚度方向的第一通孔，所述的第一通孔与纵向孔连通，所述的第一出气口为第一通孔在底面上的出口。

其中，所述的盖板部还包括一微孔区，所述的微孔区设置有若干贯通盖板部厚度方向的第一微孔，第一微孔在底面形成第一出气口。

其中，在贴片与微孔区对应的区域设置有若干第二微孔，所述的第二微孔在端面的第二出气口形成出口区，所述的出口区的面积大于等于微孔区。

有益效果：本实用新型实施例提供一种精密球凹面气浮轴承，包括具有圆形底面的轴承主体及贴附在底面上的贴片，所述轴承主体包括用于通入气流的进气口、设置在底面的第一出气口及连通进气口与第一出气口的气流通道，所述的贴片包括与第一出气口连通的至少一个第二出气口，所述的贴片还包括具有一内凹球弧面的端面，当所述的第二出气口有一个时，所述第二出气口布置在球弧面中心，当所述的第二出气口有若干个时，若干第二出气口形成出口区，所述的出口区布置在球弧面中心，所述的气流自第二出气口出气并在端面处形成气膜，一方面气流能够快速在球弧面内进行充盈，并形成稳定的气膜，增加承载能力，二方面，由于球弧面具有的自动对心作用，使得气膜的稳定性上升，发生侧摆、俯仰的几率降低；三方面采用球弧面相比现有需要特别设计的内凹曲面加工容易，加工难度大幅降低，四方面，当端面意外的接触或触碰到承台面时，大幅降低对承台面的损伤或同时降低端面损伤。

附图说明

图1 本实用新型第一实施例的精密球凹面气浮轴承示意图；

图2 为图1的左视图；

图3 为图2中A-A剖面示意图；

图4 为图2中B-B剖面示意图；

图5 为贴片正视图；

图6 为图5的中剖面示意图；

图7 为本实用新型第二实施例的精密球凹面气浮轴承在B-B处剖面示意图；

图8 为图7中E处放大示意图；

轴承主体 10；主体部 11；气流通道 111；进气口 1110；横向孔 1111；纵向孔1112，2112；稳定孔 112；盖板部 12，22；第一出气口120；第一通孔121；底面122；贴片14；第二出气口140；第二通孔141；端面142；边缘线1420；球弧面1421；环平面1422；第一微孔区220；第一微孔 221；出口区 240；第二微孔 241。

具体实施方式

请结合参考图1-图6，本实用新型第一实施例提供一种精密球凹面气浮轴承，用于与承台面配合并在精密球凹面气浮轴承与承台面之间形成气膜。

所述的精密球凹面气浮轴承包括轴承主体10及贴片14。

所述轴承主体10包括呈圆形的底面122，还包括用于通入气流的进气口1110、设置在底面122的第一出气口120及连通进气口1110与第一出气口120的气流通道111。

在本实施例中，所述的轴承主体10包括主体部11及盖板部12，所述的主体部11呈一圆柱状，包括圆形的顶面、第一结合面及连接顶面与第一结合面的侧面，所述的进气口1110设置在侧面上，所述的盖板部12同样呈圆柱状，包括朝向主体部11的第二结合面及与第二结合面向背的底面122。

所述的第一出气口120设置在底面122上，所述的盖板部12还贯通盖板部12厚度方向的第一通孔121，可以理解的，所述的第一出气口120为第一通孔121的末端，所述的气流通道111还包括设置在主体部11上的横向孔1111及纵向孔1112，其中，所述的横向孔1111自主体部11的侧面沿水平方向向中心延伸，所述的纵向孔1112设置主体部11的中心，且纵向孔1112的轴线与主体部11的轴线共线，所述的纵向孔1112与横向孔1111贯通，且第一通孔121与纵向孔1112连通，气流自进气口1110进入横向孔1111之后沿纵向孔1112及第一通孔121向第一出气口120方向流出，所述的横向孔1111孔径大于纵向孔1112孔径，且，纵向孔1112孔径与第一通孔121孔径相等。

可以理解的，第一通孔121轴线与纵向孔1112轴线共线，纵向孔1112轴线垂直于横向孔1111轴线。

所述的贴片14贴附在底面122上，包括与第一出气口120对应且连通第一出气口120的第二出气口140，所述的贴片14还包括具有一内凹球弧面1421的端面142，所述第二出气口140布置在球弧面1421中心，所述的气流自第二出气口140出气并在端面142处形成气膜。

具体的，所述的贴片14采用弹性体，更具体的，所述的贴片14的弹性模量为1.0～5.0GPa，所述的端面142包括内凹的球弧面1421及环绕在球弧面1421周边的环平面1422，所述的球弧面1421是指该弧面为一球面的一部分，当在端面142下方设置有承台面时，气流自第二出气口140流出后进入球弧面1421内并向周边扩散及沿环平面1422下方排出，并在端面142与承台面之间形成4-7μm的间隙，所述的环平面1422为一空心圆环状，且环平面1422的内圆与外圆同心。

申请人研究发现，当在底面122贴附设置贴片14，并在贴片14上形成内凹球弧面1421时，一方面气流能够快速在球弧面1421内进行充盈，并形成稳定的气膜，同时，由于中部具有更大的气膜厚度，从而增加承载能力，在进气压力为0.7-0.9MPa的情况下，直径100mm的精密球凹面气浮轴承的承载能力可以达到1000N，远高于常规的平面气浮轴承；二方面，由于球弧面1421具有的自动对心作用，使得气膜的稳定性上升，发生侧摆、俯仰的几率降低；三方面采用球弧面1421相比现有需要特别设计的内凹曲面加工容易，加工难度大幅降低。

同时，进一步研究发现，当采用弹性体，特别是弹性模量处于1.0～5.0GPa的贴片14时，气流进入球弧面1421内时，贴片14能够产生轻微的形变，一方面降低气流对贴片14及承台面的冲击作用，特别是在开始通入气流时，作用在承台面上产生的反向气流导致轴承侧摆或俯仰，另一方面由于贴片14能够产生轻微的形变使得贴片14在球弧面1421内部各处的作用力均匀分布，而不用特别设计内凹面的曲线，同时，当采用弹性体时，当端面142意外的接触或触碰到承台面时，大幅降低对承台面的损伤或同时降低端面142损伤，经过统计，相比于常规的刚性涂层端面142，本申请的气浮轴承对承台面造成损伤几率降低20%以上，同时自身寿命长5%以上。

进一步的，所述的贴片14为PET贴片14。

进一步的，所述的球弧面1421包括边缘线1420，可以理解的，所述的边缘线1420为球弧面1421与环平面1422相接的圆形线，该边缘线1420也即为环平面1422的内径，若定义边缘线1420的直径为d，环平面1422的外径为D，则有，d/D=0.6-0.95，且40mm≥D-d≥18mm，在这种情形下，一方面使得球弧面1421及环平面1422具有足够的面积，在球弧面1421周边形成稳定气膜；二方面使得气流从球弧面1421内流出端面142的距离，降低气流阻力。

进一步的，D=40-150mm。

进一步的，若定义贴片14的厚度为h，则h=0.3-0.8mm，以能够一方面容易的在贴片14上加工形成内凹的球弧面1421，另一方面防止贴片14产生过大的弹性形变。

进一步的，若定义第二出气口140与环平面1422之间的距离为k，则k=2-4μm，可以理解的k也即为在垂直于环平面1422的方向上，球弧面1421与环平面1422之间的最大间隔距离。

可以理解的，所述的第二通孔141与第一通孔121正对设置，所述的正对设置是指第二通孔141的轴线与第一通孔121的轴线共线，且，第二通孔141的孔径与第一通孔121的孔径相等，第二通孔141的进口与第一通孔121的出口抵接，所述的第一通孔121的出口即为第一出气口120。

进一步的，所述的贴片14可拆卸的贴附在底面122上，当贴片14非预期的抵接承台面发生损伤时，通过更换贴片14可以快速的恢复气浮轴承性能，同时相比于涂层修复，修复难度大幅降低。

进一步的，在主体部11上还设置有稳定孔112，所述的稳定孔112贯通主体部11的厚度方向，申请人研究发现，当精密球凹面气浮轴承设置到预定装备上后，如精密球凹面气浮轴承安装在三坐标测量仪上后，在装备运行受到惯性压力或如震动压力时，所述的稳定孔112可以排解主体部11、盖板部12和贴片14之间的压力，具体来说，如盖板部12和贴片14因受到惯性压力或震动压力时，产生轻微形变时，稳定孔112可以根据主体部11与盖板部12之间的间隙，稳定孔112产生轻微形变而将压力进行适时的释放，从而能保证贴片14的形态保持稳定，即当设置有稳定孔112时，设备运行过程中受到惯性压力或震动压力时，球弧面1421的形态能始终保持稳定。

请一并参考图7及图8，在本申请的第二实施例中，所述的盖板部22还包括一微孔区220，所述的微孔区220设置有若干贯通盖板部22厚度方向的第一微孔221，第一微孔221在底面形成第一出气口，可以理解的，在这种情形下，第一出气口有若干个，气流自纵向孔2112流出后，经若干第一微孔221向端面方向流出，可以理解的，通过在微孔区220设置若干第一微孔221，扩大气流流出的面积，能够使得球弧面内更快和更均匀的充盈气体并形成稳定气膜。

可以理解的，在贴片24与微孔区220对应的区域设置有若干第二微孔241，这些第二微孔241在端面的第二出气口形成出口区240，气流在经过第一微孔221、第二微孔241后从这些第二出气口流入至球弧面，充盈球弧面及环平面形成气膜。

可以理解的，所述的出口区240布置在球弧面的中心。

进一步的，第一微孔221与第二微孔241的孔径小于等于0.1mm。

在一些其他实施例例中，所述的贴片可以选用多孔材料制备，以直接利用这些多孔材料的孔隙形成第二微孔。

进一步的，出口区240的面积大于等于微孔区220，相当于贴片相对于盖板部22具有更多孔隙，实现气流均布，实现气流更均匀分布，及使得气膜更稳定。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种精密球凹面气浮轴承，包括具有圆形底面的轴承主体及贴附在底面上的贴片，其特征在于，所述轴承主体包括用于通入气流的进气口、设置在底面的第一出气口及连通进气口与第一出气口的气流通道，所述的贴片包括与第一出气口连通的至少一个第二出气口，所述的贴片还包括具有一内凹球弧面的端面，当所述的第二出气口有一个时，所述第二出气口布置在球弧面中心，当所述的第二出气口有若干个时，若干第二出气口形成出口区，所述的出口区布置在球弧面中心，所述的气流自第二出气口出气并在端面处形成气膜。

2.如权利要求1所述的精密球凹面气浮轴承，其特征在于，所述的贴片为弹性体，且弹性模量为1.0～5.0GPa。

3.如权利要求2所述的精密球凹面气浮轴承，其特征在于，所述的贴片为PET贴片。

4.如权利要求2所述的精密球凹面气浮轴承，其特征在于，所述的端面还包括位于球弧面外侧的环平面，所述的球弧面包括与环平面相接的边缘线，定义边缘线的直径为d，环平面的外径为D，则有，d/D=0.6-0.95，且40mm≥D-d≥18mm。

5.如权利要求2所述的精密球凹面气浮轴承，其特征在于，定义贴片的厚度为h，则h=0.3-0.8mm。

6.如权利要求2所述的精密球凹面气浮轴承，其特征在于，所述的贴片可拆卸的贴附在底面上。

7.如权利要求3-6中任一权利要求所述的精密球凹面气浮轴承，其特征在于，所述的轴承主体包括主体部及盖板部，所述的主体部包括侧面，所述的进气口设置在侧面上，所述的气流通道包括设置在主体部上的横向孔及纵向孔，其中，所述的横向孔自进气口沿水平方向向中心延伸，所述的纵向孔设置主体部的中心，并沿垂直于底面的方向向主体部中心延伸，横向孔与纵向孔在主体部内部连通，且横向孔孔径大于纵向孔孔径。

8.如权利要求7所述的精密球凹面气浮轴承，其特征在于，所述的盖板部包括贯通盖板部厚度方向的第一通孔，所述的第一通孔与纵向孔连通，所述的第一出气口为第一通孔在底面上的出口。

9.如权利要求7所述的精密球凹面气浮轴承，其特征在于，所述的盖板部还包括一微孔区，所述的微孔区设置有若干贯通盖板部厚度方向的第一微孔，第一微孔在底面形成第一出气口。

10.如权利要求9所述的精密球凹面气浮轴承，其特征在于，在贴片与微孔区对应的区域设置有若干第二微孔，所述的第二微孔在端面的第二出气口形成出口区，所述的出口区的面积大于等于微孔区。