夏歡，陶繼忠

(中國工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

自20世紀(jì)60年代以來，隨著原子能、航天、微電子、信息及生物工程等新興科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，加工精度越來越高，從毫米到微米、亞微米，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到納米水平，并向著原子晶格尺寸(亞納米)水平邁進(jìn)[1]。加工精度的高指標(biāo)，使得對加工機(jī)器和測量儀器的精度要求越來越高，進(jìn)而推動了高精度加工設(shè)備的發(fā)展。氣體靜壓軸承作為高精密加工、測量設(shè)備主軸系統(tǒng)的重要組成部分，得到了深入研究和廣泛應(yīng)用。

機(jī)床主軸是工件或刀具的位置基準(zhǔn)和運(yùn)動基準(zhǔn),其誤差直接影響著機(jī)床的整機(jī)性能和被加工工件的加工精度。試驗(yàn)結(jié)果表明[2]：精密車削的圓度誤差約有30%～70%是由主軸回轉(zhuǎn)誤差引起的，而且精密車削所用的機(jī)床精度越高，工件圓度誤差中由主軸回轉(zhuǎn)誤差所引起的比例越大。主軸的實(shí)際回轉(zhuǎn)中心線對其理想回轉(zhuǎn)軸線的偏離,廣義地稱為主軸的回轉(zhuǎn)誤差[3]。在理想情況下,主軸回轉(zhuǎn)軸線的空間位置,相對于某一參考系統(tǒng)(如刀架)而言,是不應(yīng)隨時間變化的。而在實(shí)際工作中,由于主軸部件制造精度和剛度的影響,主軸回轉(zhuǎn)軸線的空間位置總是在變動的,即總是存在著回轉(zhuǎn)誤差[4]。因此，對機(jī)床特別是精密機(jī)床的主軸回轉(zhuǎn)精度的研究具有重要意義。下文首先介紹了空氣靜壓球面軸承的結(jié)構(gòu)和提高性能的改進(jìn)方案，然后分別對徑向回轉(zhuǎn)誤差、軸向竄動誤差和角度擺動誤差進(jìn)行了測量。

1 氣體靜壓球面軸承主軸結(jié)構(gòu)

氣體靜壓球面軸承主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由殼體、節(jié)流器、球面半球、轉(zhuǎn)子、調(diào)整墊片和動平衡校正盤組成。為了保證密封，球面節(jié)流器與殼體之間采用圓錐面配合，再用壓緊端蓋將節(jié)流器壓緊在殼體上；安裝前預(yù)裝配轉(zhuǎn)動部件，即在轉(zhuǎn)子上安裝雙半球和調(diào)整墊片，采用螺母鎖緊，測量兩球心間距離，選擇適當(dāng)厚度的調(diào)整墊片；拆卸轉(zhuǎn)動部件更換合適的調(diào)整墊片后再與殼體安裝到一起，最后在半球上安裝動平衡校正盤，用以解決構(gòu)件的不平衡問題。主軸與試驗(yàn)臺連接時，以殼體的臺階面作為固定約束面，實(shí)現(xiàn)主軸系統(tǒng)和試驗(yàn)臺的剛性連接。

1—動平衡校正盤；2—半球；3—壓緊端蓋；4—球面節(jié)流器；5—調(diào)整墊片；6—進(jìn)氣孔；7—?dú)んw；8—主軸圖1 空氣靜壓球面軸承主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

空氣靜壓球面軸承主軸系統(tǒng)的工作原理為：壓縮氣體通過進(jìn)氣孔進(jìn)入環(huán)形氣腔，再通過球面節(jié)流器上均布的環(huán)形小孔進(jìn)入潤滑間隙，形成氣膜壓力，以支承轉(zhuǎn)子和其他負(fù)載。

為進(jìn)一步提高球面軸承的性能，主要從以下3個方面改進(jìn)空氣靜壓主軸的結(jié)構(gòu)。

(1)在球面節(jié)流器上先加工直徑3 mm的小孔，再在小孔中低于節(jié)流器表面30～40 μm處粘接節(jié)流塞，節(jié)流塞上加工有直徑0.1 mm的小孔。這樣既減小了加工難度又可以在氣體進(jìn)入軸承間隙之前，先充滿直徑3 mm的氣腔，再流向工作間隙，起到二次節(jié)流的作用。為保證節(jié)流孔與氣膜間隙之間的匹配關(guān)系，一般采用直徑0.1～0.2 mm的小孔，氣膜間隙與小孔直徑相匹配取8～20 μm，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)尺寸，氣膜間隙有所不同。

(2)為消除零件在加工和裝配過程中產(chǎn)生的累計誤差，在其中一個半球底部設(shè)有調(diào)整墊片，這樣就可以在所有零件加工好后，裝配殼體和節(jié)流器，實(shí)測兩球面節(jié)流器球心間距離，再裝配主軸、調(diào)整墊片和半球，實(shí)測兩半球的球心間距離，確定調(diào)整墊片的厚度尺寸，以保證氣膜間隙的均勻性。

(3)為避免材料本身的不均勻性導(dǎo)致加工零件的重心不在其幾何中心上，從而影響主軸的回轉(zhuǎn)精度，在主軸的上下分別加上動平衡校正盤，盤上開有燕尾槽，通過在燕尾槽添加校正質(zhì)量塊，消除轉(zhuǎn)子的動不平衡量。

2 主軸回轉(zhuǎn)精度的測量方法及原理

2.1 主軸的徑向回轉(zhuǎn)誤差

為了更準(zhǔn)確地測量空氣主軸的徑向回轉(zhuǎn)誤差，盡量減小被測截面圓度誤差對測量結(jié)果的影響，采用標(biāo)準(zhǔn)球作為被測對象。將標(biāo)準(zhǔn)球及偏心調(diào)整工裝固定在空氣主軸上，調(diào)整偏心誤差在1 μm以內(nèi)，測量空氣主軸的回轉(zhuǎn)精度。

徑向回轉(zhuǎn)誤差測量方法如圖2所示，使球心與轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)軸線的偏心量小于1 μm；位移傳感器通過磁力表座固定在臺架上，并使傳感器的測頭在水平方向上通過標(biāo)準(zhǔn)球的球心。

圖2 徑向回轉(zhuǎn)誤差測試圖 圖3 軸向竄動誤差測試圖

測試所得信號中除了噪聲以外包含3種成分：偏心誤差、圓度誤差和回轉(zhuǎn)誤差。目前，消除偏心的方法主要有最小二乘法和消一次諧波法。最小二乘法的原理是先找出圖形的最小二乘擬合圓心，再將圖形平移至擬合圓心以達(dá)到消除偏心的目的。由于實(shí)際測得的圖形不是理想圓，而且平移并不改變圖形形貌，無法消除偏心引起的心形凹陷，因此采用最小二乘法來消除偏心的影響是不恰當(dāng)?shù)?；只有?dāng)主軸轉(zhuǎn)子軸線與實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線同軸，即e=0時，測量圖形為理想圓，最小二乘法消除偏心的方法才適用。由于偏心對誤差測試信號的影響是向測試信號中加入了較強(qiáng)的一次諧波成分和較弱的二次及高次諧波成分，當(dāng)偏心小于1 μm時，偏心引起的二次以上諧波幅值在10-5μm數(shù)量級，可以忽略不計，因此采用消一次諧波法消除測試信號中的偏心所產(chǎn)生的影響。而圓度誤差與主軸回轉(zhuǎn)誤差都具有比較寬的頻帶，不容易區(qū)分清楚。

2.2 主軸的軸向竄動誤差

軸向竄動誤差測量方法如圖3所示，同樣采用標(biāo)準(zhǔn)球作為被測對象。將陶瓷標(biāo)準(zhǔn)球及偏心調(diào)整工裝固定在空氣主軸上，調(diào)整偏心誤差在1 μm以內(nèi)，豎直放置位移傳感器并保證測頭通過標(biāo)準(zhǔn)球球心，移動傳感器測頭同時觀察讀數(shù)，找到讀數(shù)最大點(diǎn)。這樣就使位移傳感器的測頭接觸到標(biāo)準(zhǔn)球的最高點(diǎn)。進(jìn)行測量并采集數(shù)據(jù)，采用消一次諧波法消除測試信號中的偏心所產(chǎn)生的影響，得到軸向竄動誤差。

2.3 主軸的角度擺動誤差

角度擺動誤差的測量方法如圖4所示，采用直徑60 mm的平晶作為被測對象。將按120°粘有3個標(biāo)準(zhǔn)球的三爪卡盤放置在空氣主軸上，調(diào)整偏心誤差在1 μm以內(nèi)；調(diào)節(jié)三爪卡盤，使3個標(biāo)準(zhǔn)球最高點(diǎn)的高度差在1 μm以內(nèi)；再將平晶放置在標(biāo)準(zhǔn)球上，用三爪卡盤輕輕鎖緊，進(jìn)行測量并采集數(shù)據(jù)，采用消一次諧波法消除測試信號中的偏心所產(chǎn)生的影響，得到軸向竄動誤差。

圖4 角度擺動誤差測試圖

3 測量結(jié)果

試驗(yàn)采用的氣浮主軸主要應(yīng)用在轉(zhuǎn)臺方面，氣浮轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速一般為每分鐘幾轉(zhuǎn)，相對較低，相當(dāng)于主軸的靜態(tài)性能。

采用瑞士TT80接觸式電感測微儀，其分辨率為0.01 μm，要求主軸的轉(zhuǎn)速≤10 r/min，將傳感器的測頭接觸主軸上的標(biāo)準(zhǔn)球或平晶進(jìn)行測量。選用美國Quatech公司的DAQP-12型數(shù)據(jù)采集卡，其具有12位分辨率，采樣率可達(dá)100 kHz。陶瓷標(biāo)準(zhǔn)球誤差為0.07 μm，將標(biāo)準(zhǔn)球固定于標(biāo)準(zhǔn)球座上。再通過偏心調(diào)整工裝將標(biāo)準(zhǔn)球座與主軸相連接，并利用偏心調(diào)整工裝調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)球球心與主軸回轉(zhuǎn)軸心的偏心量。

半球半徑50 mm，球面節(jié)流器采用每排8個進(jìn)氣孔的雙排環(huán)形氣腔，小孔直徑d取0.2 mm，氣腔邊長3 mm，供氣壓力0.5 MPa，環(huán)境溫度為20 ℃時主軸勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為6 r/min情況下，空氣主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差的測量處理結(jié)果如圖5所示。圖中，虛線代表原始測量結(jié)果，有明顯的一次諧波成分；實(shí)線為經(jīng)過一次諧波分離后的結(jié)果。

圖5 徑向回轉(zhuǎn)誤差測量結(jié)果

采用同樣的方法，在同樣的試驗(yàn)環(huán)境下，測量空氣主軸軸向竄動誤差和角度擺動誤差。經(jīng)過消除一次諧波處理后得到的3種誤差結(jié)果見表1。

表1 主軸的回轉(zhuǎn)誤差 μm

從表1可以看出，采用文中方法得到的主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差、軸向竄動誤差和角度擺動誤差均比較小，其中一次分量的偏心影響可通過消一次諧波法來消除，軸向竄動誤差和角度擺動誤差經(jīng)過消一次諧波法消除安裝偏心后也得到了比較理想的結(jié)果。

4 結(jié)束語

對設(shè)計的空氣靜壓球面軸承主軸進(jìn)行了徑向回轉(zhuǎn)誤差、軸向竄動誤差和角度擺動誤差的測試，并采用消一次諧波法消除安裝偏心，得到了比較理想的測試結(jié)果，同時也驗(yàn)證了該主軸設(shè)計的合理性。