伯特利数控 加工中心 钻攻中心
前言：
超精密加工中心静压气浮导轨由高精度静导轨、动导轨和气浮轴承等组件组成。在导轨移动过程中，动静导轨之间存在着有气浮轴承排出的高速高压气体，并因气体流动形成润滑膜，此润滑膜的存在,使得动静导轨面不直接接触。与液压导轨相比，气浮导轨明显具有摩擦阻力小、无粘滞和高运动精度的特点，而被广泛的应用于超精密加工中心和坐标测量机等高精密仪器和设备中[1]。在气浮轴承数目确定，供气压力、外负载保持恒定，动静导轨间隙气膜厚度不发生变化的前提下，由于空气运动黏度、动静导轨接触面面积是定值，静压气浮导轨所受到的摩擦力与动导轨相对于静导轨的速度正相关。由气浮轴承排出进入导轨间隙的气体，其粘性力大于惯性力[2]，随着加工中心加工精度测量机测量精度的不断提高，导轨运动精度和运动速度也在不断提高，气浮导轨的摩擦力将不可忽略地降低超精密加工中心的定位精度、影响系统运动速度[3]。而超精密加工中心的定位精度和运动速度的研究一直是一个热点问题[4_6]。
减阻是一个获得了持续关注的科学问题[7]，许多学者对减阻本身和应用做了大量的研究。其中，微结构功能表面减阻是一个被广泛关注的热点。具有某些特定功能的微小拓扑构型的非光滑表面被称为微结构功能表面[8]，如微沟槽/肋板(riblet)阵列[9]、微凹坑(dimple)/凸包阵列、微金字塔(pyramid)阵列结构等，其特征尺寸一般为1?1〇〇微米的量级、亚毫米级，能够改善机械产品/零部件的某些特性。通常这些微结构功能表面分布于尺寸为10?1000毫米量级的跨尺度机械表面上，能够通过改变零件的界面效应，改变表面的摩擦[1<)]、润滑、粘附、耐磨性以及流体力学性能[11]等物理特性，从而显著提高机械产品和零部件的功能特性[12]，如：工作噪声、能耗、密封、润滑、使用寿命等。微结构功能表面已经广泛的用于航天器[13]，仿生结构[14]，船舶工程[15]等多种行业中。
从微结构的功能而言，将其用于超精密加工中心动静导轨表面，减小气浮导轨间隙中髙速气体的流动阻力，提高加工中心的定位精度和系统的运动速度具有可行性。本文基于计算流体动力学方法(computational fluid dynamics, cfd),以减少超精密加工中心气浮导轨高速运动时气体阻力为设计目标，应用雷诺平均方程(reynolds-averaged navier-stokesequations，rans)和带旋流修正的揣流型，建
立导轨微结构功能表面流体动力学减阻分析模型，并结合流场分析和阻力分析，寻找适合气浮导轨功能需求的微结构表面。通过研究导轨表面微沟槽形貌及几何特征参数对减阻效应的作用规律，辨识各个因素对减阻效应的影响规律，分析矩形沟槽、v形沟槽、u形沟槽、space-v沟槽等四种微结构表面构型，超精密加工中心气浮导轨表面减阻需求的表面微沟槽形貌。继而探讨导轨气浮表面微结构减阻功能表面的几何特征(构型、尺寸、形状、位置等)对减阻的影响规律，对气浮导轨进行微结构功能表面参数优化设计。
1微结构功能表面减阻特性分析模型
1.1气浮导轨表面微结构区域设计
如图1所示，气浮导轨表面可描述为平板表面，在平板上横置微沟槽，建立减阻分析的模型。为/避免微结构的设计对气浮支撑产生破坏，减阻微结构应设计在气孔2 mm之外[16_19]。考虑微结构加工成本和导轨宽度，微结构布局区域长度设定为5mm，微结构布局区域之后，仍为原光滑表面。选用速度入口作为入口边界条件，根据导轨气浮气体出口为大气这一实际情况，选用压力出口为出口边界条件。分析采用导轨单边宽度为9 mm，前后的缓冲过渡区域长度都设定为2 mm。整个物理模型的计算域大小为2 mmx 9 mm。在微结构布局区域，可设置不同的构型(图1中给出了一种v形沟槽构型)，尺寸，形状，位置与分布密度的微结构进行几何参数的减阻特性研究。