圆柱度测量仪用多孔质气体静压导轨的设计

　　圆柱度测量仪是测量精密机械零件的专用仪器,如测量机床主轴零件、发动机活塞的圆柱度、轮廓度和精密轴承垂直差等,是制造业精密零件加工中不可缺少的测量仪器。以前我单位的测量仪器中,立柱导轨使用的接触滑动导轨副,是在与静导轨配合方向的动导轨面上安装一些小直径半球体,这些半球体的顶部与静导轨始终接触,从而以点接触代替面接触来实现动导轨与静导轨之间的定位。点接触代替面接触虽然减少了摩擦面积,但是这种接触摩擦振动和摩擦力大、磨损快,严重影响使用寿命和使用精度。针对这种情况我单位设计了一种高精度多孔质气体静压导轨,以气体润滑代替接触摩擦,从而解决了上述缺点。

　　气体静压导轨运动平稳、运行精度高、高速运动时温升和振动小、噪声低。一般常用的气体静压滑动导轨类型有小孔型和多孔质节流型。多孔质节流承载能力高、刚度和流量大,最主要的是稳定性好和涡流力矩小[1],极大地提高了仪器的测量精度,因此在这里采用多孔质节流型。

　　1 多孔质静压导轨的设计原理

　　假设不考虑速度滑移及惯性的影响,气体在多孔质内部的流动是等温粘性流动,研究过程中可以选定“表面小孔型”作为流动模型,这是由于机加工等原因,在多孔质材料的表面形成一层极薄的致密层,就好像在多孔质表面均布一层密集的小孔,空气通过此薄层的流动,犹如通过无数并列的“小孔节流器”,这种模型比较符合实际情况,其承载力和刚度的计算也是基于此模型。

　　在研究时对导轨作以下假定:

　　(1)在多孔质层内气体流动遵从Darcy定律,即

　　流速u'与压力梯度dp'/dt成正比,与粘度η成反比,其中Φ是多孔质介质的渗透率。

　　(2)在多孔质层和导轨间隙内的气体流动为等温流。

　　(3)导轨间隙表面存在滑流影响。

　　(4)多孔质衬层具有透气均匀、各向同性、表面无阻塞的特性。则可按照多孔质静压轴承双向推力轴承设计方法进行计算[2]。

　　此时,多孔质气体静压导轨的载荷F、刚度K计算公式分别为

　　式中:?F为载荷数;R0为多孔质材料的直径;ps为供气压力;n为每个单面节流孔个数;K为刚度数;pa为工作环境压力。

　　多孔质材料的渗透率是描述孔隙导通能力的一个重要参数,取决于孔隙介质的孔隙结构。研究表明,由于孔隙结构的复杂性,形成了复杂的气流。多孔质材料的渗透率减小会使对应的导轨间隙减小,由于机加工精度的限制,加工出的多孔质材料的渗透率被限制在10^-19~10^-9m²内。因此加工完成后需要测算多孔质材料的渗透率,此时需把多孔质层看成是由无数毛细管按同一方向紧密无间地并列排成的,计算模型为