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超精密加工中心靜壓氣浮導(dǎo)軌表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
伯特利數(shù)控 加工中心 鉆攻中心
前言:
超精密加工中心靜壓氣浮導(dǎo)軌由高精度靜導(dǎo)軌、動(dòng)導(dǎo)軌和氣浮軸承等組件組成。在導(dǎo)軌移動(dòng)過(guò)程中,動(dòng)靜導(dǎo)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(dòng)形成潤(rùn)滑膜,此潤(rùn)滑膜的存在,使得動(dòng)靜導(dǎo)軌面不直接接觸。與液壓導(dǎo)軌相比,氣浮導(dǎo)軌明顯具有摩擦阻力小、無(wú)粘滯和高運(yùn)動(dòng)精度的特點(diǎn),而被廣泛的應(yīng)用于超精密加工中心和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等高精密儀器和設(shè)備中[1]。在氣浮軸承數(shù)目確定,供氣壓力、外負(fù)載保持恒定,動(dòng)靜導(dǎo)軌間隙氣膜厚度不發(fā)生變化的前提下,由于空氣運(yùn)動(dòng)黏度、動(dòng)靜導(dǎo)軌接觸面面積是定值,靜壓氣浮導(dǎo)軌所受到的摩擦力與動(dòng)導(dǎo)軌相對(duì)于靜導(dǎo)軌的速度正相關(guān)。由氣浮軸承排出進(jìn)入導(dǎo)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(cè)量機(jī)測(cè)量精度的不斷提高,導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)速度也在不斷提高,氣浮導(dǎo)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(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度[3]。而超精密加工中心的定位精度和運(yùn)動(dòng)速度的研究一直是一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題[4_6]。
減阻是一個(gè)獲得了持續(xù)關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題[7],許多學(xué)者對(duì)減阻本身和應(yīng)用做了大量的研究。其中,微結(jié)構(gòu)功能表面減阻是一個(gè)被廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)。具有某些特定功能的微小拓?fù)錁?gòu)型的非光滑表面被稱為微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)等,其特征尺寸一般為1?1〇〇微米的量級(jí)、亞毫米級(jí),能夠改善機(jī)械產(chǎn)品/零部件的某些特性。通常這些微結(jié)構(gòu)功能表面分布于尺寸為10?1000毫米量級(jí)的跨尺度機(jī)械表面上,能夠通過(guò)改變零件的界面效應(yīng),改變表面的摩擦[1<)]、潤(rùn)滑、粘附、耐磨性以及流體力學(xué)性能[11]等物理特性,從而顯著提高機(jī)械產(chǎn)品和零部件的功能特性[12],如:工作噪聲、能耗、密封、潤(rùn)滑、使用壽命等。微結(jié)構(gòu)功能表面已經(jīng)廣泛的用于航天器[13],仿生結(jié)構(gòu)[14],船舶工程[15]等多種行業(yè)中。
從微結(jié)構(gòu)的功能而言,將其用于超精密加工中心動(dòng)靜導(dǎo)軌表面,減小氣浮導(dǎo)軌間隙中髙速氣體的流動(dòng)阻力,提高加工中心的定位精度和系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度具有可行性。本文基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法(Computational fluid dynamics, CFD),以減少超精密加工中心氣浮導(dǎo)軌高速運(yùn)動(dòng)時(shí)氣體阻力為設(shè)計(jì)目標(biāo),應(yīng)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(dǎo)軌微結(jié)構(gòu)功能表面流體動(dòng)力學(xué)減阻分析模型,并結(jié)合流場(chǎng)分析和阻力分析,尋找適合氣浮導(dǎo)軌功能需求的微結(jié)構(gòu)表面。通過(guò)研究導(dǎo)軌表面微溝槽形貌及幾何特征參數(shù)對(duì)減阻效應(yīng)的作用規(guī)律,辨識(shí)各個(gè)因素對(duì)減阻效應(yīng)的影響規(guī)律,分析矩形溝槽、V形溝槽、U形溝槽、Space-V溝槽等四種微結(jié)構(gòu)表面構(gòu)型,超精密加工中心氣浮導(dǎo)軌表面減阻需求的表面微溝槽形貌。繼而探討導(dǎo)軌氣浮表面微結(jié)構(gòu)減阻功能表面的幾何特征(構(gòu)型、尺寸、形狀、位置等)對(duì)減阻的影響規(guī)律,對(duì)氣浮導(dǎo)軌進(jìn)行微結(jié)構(gòu)功能表面參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1微結(jié)構(gòu)功能表面減阻特性分析模型
1.1氣浮導(dǎo)軌表面微結(jié)構(gòu)區(qū)域設(shè)計(jì)
如圖1所示,氣浮導(dǎo)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)氣浮支撐產(chǎn)生破壞,減阻微結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)在氣孔2 mm之外[16_19]。考慮微結(jié)構(gòu)加工成本和導(dǎo)軌寬度,微結(jié)構(gòu)布局區(qū)域長(zhǎng)度設(shè)定為5mm,微結(jié)構(gòu)布局區(qū)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(jù)導(dǎo)軌氣浮氣體出口為大氣這一實(shí)際情況,選用壓力出口為出口邊界條件。分析采用導(dǎo)軌單邊寬度為9 mm,前后的緩沖過(guò)渡區(qū)域長(zhǎng)度都設(shè)定為2 mm。整個(gè)物理模型的計(jì)算域大小為2 mmX 9 mm。在微結(jié)構(gòu)布局區(qū)域,可設(shè)置不同的構(gòu)型(圖1中給出了一種V形溝槽構(gòu)型),尺寸,形狀,位置與分布密度的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何參數(shù)的減阻特性研究。
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