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超精密加工中心靜壓氣浮導軌表面微結構設計

伯特利數控 加工中心 鉆攻中心

前言：

超精密加工中心靜壓氣浮導軌由高精度靜導軌、動導軌和氣浮軸承等組件組成。在導軌移動過程中，動靜導軌之間存在著有氣浮軸承排出的高速高壓氣體，并因氣體流動形成潤滑膜，此潤滑膜的存在,使得動靜導軌面不直接接觸。與液壓導軌相比，氣浮導軌明顯具有摩擦阻力小、無粘滯和高運動精度的特點，而被廣泛的應用于超精密加工中心和坐標測量機等高精密儀器和設備中[1]。在氣浮軸承數目確定，供氣壓力、外負載保持恒定，動靜導軌間隙氣膜厚度不發生變化的前提下，由于空氣運動黏度、動靜導軌接觸面面積是定值，靜壓氣浮導軌所受到的摩擦力與動導軌相對于靜導軌的速度正相關。由氣浮軸承排出進入導軌間隙的氣體，其粘性力大于慣性力[2]，隨著加工中心加工精度測量機測量精度的不斷提高，導軌運動精度和運動速度也在不斷提高，氣浮導軌的摩擦力將不可忽略地降低超精密加工中心的定位精度、影響系統運動速度[3]。而超精密加工中心的定位精度和運動速度的研究一直是一個熱點問題[4_6]。

減阻是一個獲得了持續關注的科學問題[7]，許多學者對減阻本身和應用做了大量的研究。其中，微結構功能表面減阻是一個被廣泛關注的熱點。具有某些特定功能的微小拓撲構型的非光滑表面被稱為微結構功能表面[8]，如微溝槽/肋板(Riblet)陣列[9]、微凹坑(Dimple)/凸包陣列、微金字塔(Pyramid)陣列結構等，其特征尺寸一般為1?1〇〇微米的量級、亞毫米級，能夠改善機械產品/零部件的某些特性。通常這些微結構功能表面分布于尺寸為10?1000毫米量級的跨尺度機械表面上，能夠通過改變零件的界面效應，改變表面的摩擦[1<)]、潤滑、粘附、耐磨性以及流體力學性能[11]等物理特性，從而顯著提高機械產品和零部件的功能特性[12]，如：工作噪聲、能耗、密封、潤滑、使用壽命等。微結構功能表面已經廣泛的用于航天器[13]，仿生結構[14]，船舶工程[15]等多種行業中。

從微結構的功能而言，將其用于超精密加工中心動靜導軌表面，減小氣浮導軌間隙中髙速氣體的流動阻力，提高加工中心的定位精度和系統的運動速度具有可行性。本文基于計算流體動力學方法(Computational fluid dynamics, CFD),以減少超精密加工中心氣浮導軌高速運動時氣體阻力為設計目標，應用雷諾平均方程(Reynolds-averaged Navier-Stokesequations，RANS)和帶旋流修正的揣流型，建

立導軌微結構功能表面流體動力學減阻分析模型，并結合流場分析和阻力分析，尋找適合氣浮導軌功能需求的微結構表面。通過研究導軌表面微溝槽形貌及幾何特征參數對減阻效應的作用規律，辨識各個因素對減阻效應的影響規律，分析矩形溝槽、V形溝槽、U形溝槽、Space-V溝槽等四種微結構表面構型，確定最適合超精密加工中心氣浮導軌表面減阻需求的表面微溝槽形貌。繼而探討導軌氣浮表面微結構減阻功能表面的幾何特征(構型、尺寸、形狀、位置等)對減阻的影響規律，對氣浮導軌進行微結構功能表面參數優化設計。

1微結構功能表面減阻特性分析模型

1.1氣浮導軌表面微結構區域設計

如圖1所示，氣浮導軌表面可描述為平板表面，在平板上橫置微溝槽，建立減阻分析的模型。為/避免微結構的設計對氣浮支撐產生破壞，減阻微結構應設計在氣孔2 mm之外[16_19]?？紤]微結構加工成本和導軌寬度，微結構布局區域長度設定為5mm，微結構布局區域之后，仍為原光滑表面。選用速度入口作為入口邊界條件，根據導軌氣浮氣體出口為大氣這一實際情況，選用壓力出口為出口邊界條件。分析采用導軌單邊寬度為9 mm，前后的緩沖過渡區域長度都設定為2 mm。整個物理模型的計算域大小為2 mmX 9 mm。在微結構布局區域，可設置不同的構型(圖1中給出了一種V形溝槽構型)，尺寸，形狀，位置與分布密度的微結構進行幾何參數的減阻特性研究。

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結束語：

本文采用雷諾平均方程(RANS)和帶旋流修正的女-e湍流模型建立超精密加工中心氣浮導軌減阻微結構功能表面分析模型?；谒⒌哪Ｐ?，首先分析了矩形、U形、V形和Space-V形四種構型的微溝槽表面的減阻特性，獲得了在導軌表面加工V形溝槽和U形溝槽有利于減阻的分析結果。

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