本發(fā)明涉及圓臺型氣腔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，適用于氣浮軸承的氣膜波動分析。

背景技術(shù)：

氣浮工作臺由于在工作過程中，工作臺與溜板無直接接觸，摩擦力小等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于精密超精密加工中，作為超精密加工的關(guān)鍵運行部件，工作臺的穩(wěn)定性對機床加工精度起者非常關(guān)鍵的作用。氣浮軸承是工作臺運動部件的基礎(chǔ)，氣浮軸承的不穩(wěn)定性直接影響到工作臺的精度。氣浮軸承的工作介質(zhì)是具有可壓縮性的氣體,容易引起微小的自激振動,這將導(dǎo)致工作臺的導(dǎo)向和定位精度的降低，這對于精度要求達(dá)到納米級的運動系統(tǒng)是極為有害的，所以說采取措施減小氣浮工作臺的氣膜波動的是非常重要的。

氣浮式工作臺引起氣膜波動的原因尚未明確，氣膜波動也并非是傳統(tǒng)意義上的氣錘現(xiàn)象，而是工作臺在發(fā)生氣膜波動時仍處于正常的工作狀態(tài)。這種振動的一個顯著特點是只有在氣浮軸承通氣時才出現(xiàn),因此顯然是一種流體引發(fā)的振動，但這種波動產(chǎn)生的具體原因并沒有給出合理的解釋，目前研究發(fā)現(xiàn)影響因素有壓力源壓力、節(jié)流孔孔徑、氣腔直徑和深度、氣膜厚度等原因,但并未找到完全能抑制氣膜波動的方法與措施。矩形結(jié)構(gòu)的氣腔相比較其他形狀的氣腔，工作臺的承載能力和穩(wěn)定性相對較好，然而氣膜波動并未完全抑制，因此本研究從改變氣腔形狀入手,對氣浮式工作臺自激振動的抑制進(jìn)行設(shè)計分析。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對抑制氣膜波動的問題，本發(fā)明設(shè)計一種氣腔結(jié)構(gòu)。根據(jù)微尺度下氣體的流動特性，同時結(jié)合氣浮工作臺的承載力、剛度等性能參數(shù)，通過利用CFX軟件對設(shè)計的結(jié)構(gòu)氣腔進(jìn)行仿真分析，得到一種能減小氣膜波動的氣腔結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明是涉及一種內(nèi)槽式圓臺型氣腔的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在圓臺型的氣腔內(nèi)部采用內(nèi)槽式阻尼的設(shè)計，從而減小氣膜的波動。通過流體的仿真技術(shù)，發(fā)現(xiàn)此種結(jié)構(gòu)相比較傳統(tǒng)的矩形腔，能極大減弱氣體的氣旋現(xiàn)象，尤其是在拐角處，并且減小了氣體的流速。

一種弱化氣膜波動的氣腔結(jié)構(gòu)，該氣腔結(jié)構(gòu)形狀主要基于一圓臺氣腔結(jié)構(gòu)，在上端部設(shè)計一倒小圓臺結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)見圖1。該氣腔結(jié)構(gòu)包括內(nèi)槽1、圓臺型氣腔2、節(jié)流孔3、氣膜4；圓臺型氣腔2設(shè)置在氣膜4上，圓臺型氣腔2的中間為內(nèi)槽1，節(jié)流孔3設(shè)置在內(nèi)槽1內(nèi)。

對該弱化氣膜波動的氣腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，仿真步驟包括以下步驟：

(1)根據(jù)氣浮工作臺的工況，建立內(nèi)槽式圓臺型氣腔的仿真模型和傳統(tǒng)的矩形氣腔仿真模型。模型分別見圖2和圖3。仿真模型包括節(jié)流孔結(jié)構(gòu)、氣腔結(jié)構(gòu)和氣膜結(jié)構(gòu)，節(jié)流孔結(jié)構(gòu)設(shè)置在氣腔結(jié)構(gòu)中間，氣膜結(jié)構(gòu)設(shè)置在氣腔結(jié)構(gòu)的外側(cè)。其中，節(jié)流孔結(jié)構(gòu)中的節(jié)流孔直徑為d＝0.4mm，節(jié)流孔的高度為h＝0.5mm，氣膜結(jié)構(gòu)中的氣膜厚度為h₁＝0.01mm。

(2)利用CFX仿真軟件，通過網(wǎng)格劃分，建立氣流的邊界模型，為保證計算精度，該模型的網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格劃分，減少網(wǎng)格數(shù)量。

(3)設(shè)置仿真的初始值和邊界條件如下：①溫度為293.15K；②參考壓強為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1atm；③入射壓強為0.5MPa；④氣體密度為1.205kg/m³；⑤空氣的動力學(xué)粘度為1.82Ns/m²；⑥出口邊界截面壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；⑦壁面為流場的邊界；⑧整個過程沒有熱量的傳遞和化學(xué)變化。在此條件下對兩種氣腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，獲得氣膜內(nèi)部的氣體流動狀態(tài)圖，如圖4和圖5所示。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明主要應(yīng)用于精密超精密氣浮工作臺，本發(fā)明的內(nèi)槽式圓臺型結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的矩形結(jié)構(gòu)仿真進(jìn)行對比，本發(fā)明的氣腔結(jié)構(gòu)能極大的弱化氣膜產(chǎn)生的氣旋現(xiàn)象，減小氣體波動，減小氣體在微尺度間隙的流動速度，從而提高工作臺的運動精度。另外，本發(fā)明的氣腔結(jié)構(gòu)通用性強，為實際機床加工中提高加工精度提供依據(jù)。

附圖說明

圖1內(nèi)槽式圓臺型氣腔的結(jié)構(gòu)。

圖2內(nèi)槽式圓臺型氣腔仿真模型。

圖3傳統(tǒng)矩形氣腔的仿真模型。

圖4內(nèi)槽式圓臺型氣腔內(nèi)氣體的流動狀態(tài)圖。

圖5傳統(tǒng)的矩形腔內(nèi)氣體的流動狀態(tài)圖。

圖中：1、內(nèi)槽，2、圓臺型氣腔，3、節(jié)流孔，4、氣膜，5、傳統(tǒng)矩形氣腔。

具體實施方式

如圖1-5所示，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有點更加明確，下邊結(jié)合附圖對本發(fā)明的工作原理、結(jié)構(gòu)及具體實施方式進(jìn)一步介紹。氣體經(jīng)節(jié)流孔流入氣腔結(jié)構(gòu)，由于氣腔是空氣經(jīng)過壓縮機壓縮后通過節(jié)流孔的形成穩(wěn)定壓力區(qū)域，氣腔結(jié)構(gòu)的設(shè)計直接影響空氣靜壓導(dǎo)軌的承載力、剛度等力學(xué)特性，是設(shè)計空氣靜壓導(dǎo)軌的關(guān)鍵之一。本發(fā)明的核心技術(shù)是氣腔結(jié)構(gòu)采用內(nèi)槽式圓臺氣腔結(jié)構(gòu)，這樣可以減弱氣體在流動時產(chǎn)生的氣旋現(xiàn)象。

一種內(nèi)槽式阻尼的圓錐臺式的氣腔結(jié)構(gòu)，其主要應(yīng)用在氣浮軸承，對軸承間隙提供加壓氣體，從而實現(xiàn)氣體潤滑。

所設(shè)計的氣腔結(jié)構(gòu)含有節(jié)流孔3、圓臺型氣腔2、內(nèi)槽1。其中：

節(jié)流孔3的直徑為d＝0.4mm，節(jié)流孔的高度為h＝0.5mm。

圓臺型氣腔2為主氣腔結(jié)構(gòu)，主氣腔結(jié)構(gòu)為一圓錐臺氣腔結(jié)構(gòu)?；驹O(shè)計尺寸如下：上口直徑＝2mm，下口直徑＝3mm，斜邊角度＝45°。

內(nèi)槽1為一倒放的圓錐臺結(jié)構(gòu)?；驹O(shè)計尺寸如下：上口直徑＝0.6mm，下口直徑＝0.8mm，斜邊角度＝45°。

氣膜結(jié)構(gòu)4的厚度為0.01mm。

本發(fā)明的模型仿真由安裝在計算機上的軟件程序?qū)崿F(xiàn)。應(yīng)用軟件為CFX軟件。具體包括以下步驟：

步驟1，根據(jù)氣浮工作臺的工況，建立內(nèi)槽式圓臺型氣腔的仿真模型和傳統(tǒng)矩形氣腔的仿真模型。

步驟2，通過CFX的仿真軟件，對模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，得到氣體的有限元模型。

步驟3，通過CFX的仿真，模擬出氣膜流場中發(fā)生的變化。

空氣經(jīng)過壓縮機壓縮后經(jīng)節(jié)流孔流入氣腔結(jié)構(gòu)，形成穩(wěn)定的壓力區(qū)域，在氣腔與氣膜的連接處由于氣腔的高度遠(yuǎn)大于氣膜厚度，在此處氣體的流動方向又會發(fā)生90度改變，所以在氣腔與氣膜的交界處會出現(xiàn)氣旋現(xiàn)象。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征是在圓錐臺型的氣腔結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置內(nèi)槽結(jié)構(gòu)，來減弱氣體的氣旋現(xiàn)象。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定、可靠性高，進(jìn)一步提高了靜壓軸承的應(yīng)用精度和氣浮工作臺的加工精度。