空气轴承

空气轴承

空气轴承（又称为气浮轴承）指的是用气体（通常是空气，但也有可能是其它气体）作为润滑剂的滑动轴承。空气比油粘滞性小，耐高温，无污染，因而可用于高速机器、仪器及放射性装置中，但其负荷能力比油低。空气轴承分为三大类：空气静压轴承、空气动压轴承和挤压膜轴承。在一般工业中，空气静压轴承用得较广泛。

1 结构

由轴承内圈和外圈，外圈上有空气的进出口空，内圈上有喷嘴。具体见附图：

2 工作原理

空气轴承是利用空气弹性势来起支承作用的一种新型轴承。

3 优点

3.1.更高精度

空气轴承提供极高的径向和轴向旋转精度。由于没有机械接触，磨损程度降到了最低，从而确保精度始终保持稳定。

由于制造结构的不同，空气主轴旋转时的精确性是天生具备的。特殊的制造技术提高了这一精确性，能够提供极高的旋转和轴向精度。空气主轴的设计是，能够在轴向和径向同时获得小于0.1微米TIR的旋转精确性。由于旋转的转子和静态支撑部分之间没有机械接触，所以没有磨损产生，从而确保精度始终保持稳定——制造商使用统计学加工控制的一个重要特性。

典型的同步径向偏摆值：<10微米（PCB钻孔主轴，高速）

典型的非同步径向偏摆值：<0.025微米（磁盘测试主轴，低速）

D1787高端PCB主轴的动态偏摆与转子速度之间的关系

D1640-05磁盘测试主轴的非同步径向偏摆与转子速度之间的关系

3.2. 高速

空气轴承内部的低剪切力，能够在提供极高转速的同时，将动力损失降到最低，并使产生的热量非常小。转速可以超过300,000转/分钟。

空气轴承阻力较低，允许较高的速度，并能同时保持较低的振动水平。摩擦对空气轴承旋转的阻碍非常小，并且，因此使得动力损失和热量产生也非常小。这使得转子能够以极高的表面速度运行。有些主轴中，较高的旋转速度会导致轴承硬度的增加——由空气动力学和回转加劲的特点导致的。

各个市场领域中目前最高速西风空气主轴的图示

3.3.增加刀具寿命

使用空气轴承意味着能够大大延长刀具的寿命。

较低的振动和较高的旋转精度，意味着钻头、刀具、砂轮、和钻探工具都会有更长的寿命——降低了保养和运行成本。特别地，在PCB钻孔行业中，目前使用的钻针直径更小至50微米，只有空气主轴才能以所需的速度运行，以确保刀具的寿命达到要求

砂轮寿命的典型增长：1.5倍～4倍，取决于应用领域和砂轮类型

直径0.01的PCB钻孔工具寿命与旋转速度之间的关系

3.4.提高表面光度

空气主轴精确的、可重复的运动，使得表明光度达到了非常出色的程度。

空气主轴的应用（如：半导体加工）提供了流畅的、精确的、可重复的运动——使得表面光度更佳。与滚珠轴承主轴不同，空气轴承提供了稳定的轴承硬度，能够确保所加工的硬质材料表面以下部分的破损程度最小。由于硬度是由贯穿轴承的、始终如一的空气流提供的，转子所经受的、来

自外负载的作用力，在其旋转时稳定的分布在所有点上。这一特性与研磨时产生良好的表面光度息息相关。

: 典型的表面光度：

表面研磨——<0.05微米（2微英寸）CLA

菱形转动、或者飞刀切削丙烯酸树脂和软性材料——<0.012微米（0.5微因存）CLA，达到稳定的光学品质

空气轴承硬度值：

——轴向：达到250牛顿/微米（1,400,000磅/英寸）

——径向：达到580牛顿/微米（3,300,000磅/英寸）

空气主轴精确的、可重复的运动，使得表明光度达到了非常出色的程度。

C滚动元件轴承和空气轴承的硬度比较

3.5.延长轴承寿命

由于没有机械接触、并且供给清洁的空气（没有油和水），因此轴承的寿命大大延长了。

轴承内部没有任何金属与金属之间的接触，如果供给的空气清洁、且没有油和水，将确保实际上无限的寿命，此外，由于运行的性质，空气轴承会从轴承尾部不断排除空气，这就形成了阻碍外部有害污染物（如：原料碎片、或者切割液）进入的天然屏障。这增加了机器的利用率，减少了停机时间，从而提高了整体的效率。

滚珠轴承和空气轴承寿命的比较

3.6.温度上升缓慢

低摩擦，稳定的空气流、和有效的动力传送，使温度上升幅度降到最低。

由于多种因素（如：低摩擦，稳定的空气流、和有效的动力传送），主轴转子的热效应非常小。此外，特殊材料和结构方法的选择，以及内部的液体冷却管道，几乎完全消除了温度的上升，因此，无需预热阶段。

水冷却PCB钻孔主轴在200,000转/分钟的速度时的热成像

3.7.减少保养

只需要极少的保养。对空气供给和冷却系统的定期检查，就是确保完全可靠性所需完成的全部工作。

通常，对空气供给进行定期检查就足以确保完全的轴承可靠性。如果主轴是在设计规范限定的条件下运行的，主轴拥有很长的运转寿命。一般保养通常包括：确保空气和水供给保持清洁，并达到正确的标准。

注意：将夹头或者其他支撑装置安装到主轴上，必须遵循特定的保养规定。

典型的空气过滤要求：0.1微米

3.8.增大负载能力

空气轴承能够支撑很大的负载，所以使得它们能够被应用于很多行业的机械工具中。

空气轴承设计能够具备较高的负载能力、较高的硬度能力、或者两者同时兼备。在很多空气轴承的应用中，主轴速度相对较低，因此能够组成径向和轴向半径较大的轴承。

径向轴承的负载可达500千克。

轴向轴承的负载可达500千克。

3.9.降低震动

空气主轴运行时，只产生最小幅度的振动和可闻噪音。

由于达到了高度的平衡标准、而且没有机械接触，西风空气主轴产生的振动幅度和可闻噪音都是最小的。

典型的平衡标准：G0.4或者更高。

典型的振动幅度：<0.2毫米/秒（低速主轴）。<1.0毫米/秒（高速主轴）。

典型的噪音水平：70～80调整分贝

D1733PCB主轴径向振动与转子速度之间的关系

3.10.清洁

唯一使用的润滑剂是空气；因此，对于必须要求无污染的工件、或者工作环境来说，空气轴承技术是理想的。

在从空作环境中去除脂、油、和油雾后，使用空气主轴的条件将保持更加清洁。空气轴承对环境不产生反作用，因此，是无尘环境（如：磁盘驱动器制造）的理想应用产品。事实上，特殊设计的西风空气主轴还能在高度真空的条件下使用，如：已经在半导体硅晶片制造方面的应用。

主轴可以运行的、典型的无尘室标准：100级，绝对无尘环境。

4 应用