气体静压电主轴

1.气体静压电主轴的结构特点

目前气体静压电主轴的结构基本大同小异，其结构的差别主要体现在轴承对主轴的支撑位置不同，按照支撑位置的不同，气体静压强主轴大体可分为两类：全支撑式和两端支撑式。

典型的全支撑式气体静压电主轴结构如图1.1所示，该结构的电主轴其电机部分从承压面伸出，形成了悬臂结构，悬臂的质量对整个主轴产生了力矩作用，对主轴的精度会带来一定的影响。

随着对供气方式的深入研究和不断改进，气体静压轴承的承载力也得到不断提升，因此，不再需要密集排布供气孔以满足承载力需要，同时也为了克服全支撑式的缺点，两端支撑式气体静压电主轴得到大规模应用，其典型结构如图1.2所示，分别是气体流道和冷却液流道的剖视图。

2.国内外应用情况

随着加工精度要求越来越高，传统机床的车、铣、镗、磨及钻削已经不适应各种精密元件的加工，所以新的机械装备得到推广。气体静压电主轴精度高，适用于微小孔钻削、精密光学镜片的磨削、精密半导体元件的磨削等，其转速极高，使加工效率成倍提高。因此，目前气体静压电主轴广泛应用于精密加工领域，其加工的零件也多用在要求精密、高效及微型化的高科技领域。

美国AMETEK Precitech公司研制的Nanoform 250ultragind机床，可用于单点金刚石车削、刀具正交金刚石车削、精密磨削、铣削和自由曲面铣削、磨削，该机床上用于高速铣削和磨削的主轴采用气体静压轴承支承，其轴向与径向运动误差均小于0.05μm，该公司的Nanoform 700ultra机床可用于微铣削，其轴向与径向运动误差也都小于0.05μm，安装在这些机床上气体静压电主轴主要是HS、SP和HD系列电主轴，其中HS-75高速电主轴最大速度达到18000rpm，其轴向径向运动精度达到了20nm以内，而SP-150高性能电主轴转速虽然不高，但其轴向径向运动精度都达到了15nm以内，HD-160系列电主轴是重载电主轴，其轴向与径向刚度分别达到了350N／μm和175N／μm，主轴头部处的径向承载能力达到102kg，其轴向径向运动精度也在50nm以内。这三个系列的电主轴都需要冷却液对其主轴壳体进行冷却，主轴采用硬化的440系列不锈钢轴和青铜轴颈，这样在主轴无空气旋转的意外情况下不会造成永久损坏。

美国PMT集团下属的Moore Nanotechnology公司生产的Nanotech 250UPL 和450UPL高精度金刚石车床的定位夹紧主轴和回转主轴都采用了气体静压主轴，电机直接驱动，主轴径向和轴向运动精度达到了12.5nm以内，而其轴向与径向刚度也分别达到260N/μm和140N/μm，该公司的Nanotech 350UPM高精度微磨床的磨削主轴也采用了气体静压主轴，其径向与轴向运动精度也都在50nm以内。

英国Loadpoint公司专业生产空气静压轴承和精密机床，该公司的切割用系列主轴可与φ50mm~φ101mm全系列刀片相配使用。对于配置φ50mm刀片的主

轴转速最高可达到60,000rpm，功率1.2kw；对于配置φ101mm刀片的大型主轴最高转速40,000rpm，功率2.5kw；另外，该公司的金刚石刀具车削用主轴回转精度也小于0.05μm。

英国Westwind公司研制空气静压主轴已有四十多年，其产品广泛用于印刷电路板钻削、半导体加工、芯片磨削、抛光等精密加工。其中的D1733型PCB 钻削主轴转速为30,000~250,000 r／min，最高转速时主轴动态回转误差小于5μm，能够钻削φ0.075~φ3.17mm微小孔。

在国内，研制气体静压电主轴的单位主要有洛阳轴承研究所、北京机床研究所、航空部303所，生产出的气体静压电主轴主要用于印刷电路板钻孔、小孔磨削、硅片切割机、超精密机床等。其主轴采用的空气静压轴承，回转精度达到0.05μm。

3．研究现状与发展方向

国内对气体静压电主轴的研究水平整体上要远远落后于国外。国外电主轴公司或研究机构主要进行气体静压电主轴的设计、研发、装配及测试等工作，而在其关键零部件上则采购其他更具有研发和技术优势的零部件生产商的产品，这样产业分工与合作更加细化和有组织性，在此产业环境下，国外气体静压电主轴行业的各生产商可以专攻各自专业领域，从而推动了该行业的整体技术进步。而在国内，对于气体静压电主轴的研究相对分散，技术力量薄弱。零部件生产商基本都是在仿制国外产品，产品性能较差，这些领域基本都被国外产品垄断，制约了国产气体静压电主轴的发展。