机床阻尼气浮轴承的应用
在这篇技术论文中，我们研究了气浮轴承和 Porous Media Technology™ 在金属切削和加工应用中的应用。讨论了比较气浮轴承与滚动元件的直线度、刚度和动态响应的结果，以及理想的安装配置、产品和经过验证的测试案例。
机器运动问题
机床一直需要一种运动方式，并且长期以来一直致力于减少摩擦并提高机械效率。最早的机床依赖于滑动轴承。从滑动轴承到滚动元件轴承的传送带来了一个数量级的摩擦减少，从摩擦系数 1 下降到 0.001。此外，滚动元件实现了更高的速度并大大减少了背隙，创造了精密工程的第一次重大飞跃。
现在，从滑轨到直线导轨的传送开始了，并在未来使用基于流体薄膜轴承的系统。与几乎所有其他轴承技术相比，油膜轴承具有显着优势。当流体层上发生运动时，如气浮，磨损和摩擦被消除，精度得到提高，因为表面缺陷在薄膜梯度上得到平均。
多孔碳解决方案
多孔碳介质是我们所有 New Way® 产品的基础，具有众多优势，并将其作为流体薄膜轴承的下一代发展而脱颖而出。对于机加工应用，刚度、稳定性和阻尼都是最重要的，并且彼此交织在一起。动态刚度（由我们的 Bently Bearings 合作伙伴在此详细解释）定义为力与其观察到的振动或响应的比率。
抗振性是任何精密加工设置的重要特性，对于表面精加工应用、工具寿命和减少磨削陶瓷时的亚表面损伤至关重要。此外，高动态刚度对于控制在高性能机床上正常运行至关重要。
虽然阻尼本身是一个
无量纲量，但它描述了系统如何响应干扰而振荡。从广义上讲，过阻尼阻尼系统比欠阻尼系统更可取，因为欠阻尼会导致共振行为，并且如果受到扰动，系统将永远不会恢复平衡。
传统上，气浮轴承（最长的时间是纯孔板轴承）被认为是具有低刚度、低稳定性和低阻尼功能的技术——主要是由于轴承在负载下的不稳定性以及孔板轴承易受“气动锤”效应（参见稳定性和多孔补偿部分）。
随着 Porous Media™ 和 New Way 内部测试的出现，我们已经证明气浮轴承表现出与其孔轴承兄弟相反的行为。
图一：孔板与多孔介质刚度曲线
在图一中，如上所示，我们比较了多孔介质轴承与传统孔板轴承的刚度曲线。由于不均匀的压力分布和塌陷趋势（当该区域缺乏流动和压力时），孔板轴承在气隙减小的情况下失去刚度，下降到零并塌陷。
相比之下，较小的气隙实际上会增加多孔介质的刚度，这主要是由于挤压膜效应。刚度和阻尼之间的这种正相关性在机器设计中几乎是闻所未闻的，这使得它们特别适合加工应用。
测试多孔碳的极限
虽然我们很自豪能够在 New Way 进行我们自己的内部测试，但我们也很自豪能够支持我们的工业和学术界同事，因为他们探索多孔介质气浮轴承的全部潜力。以下测试和结果来自 麻省理工学院的 Michael Chiu 与 New Way 的 Drew Devitt 和国家研究所的 Bradley Damzo 合作的论文
Low-Cost, High Damped, Precision Linear Motion, Using Porous Carbon Air Bearings and Epoxy Replication 标准和技术。
Chiu 的研究目的是开发和设计高精度直线轴承系统的制造方法，然后将这些系统与基于传统滚动元件的系统进行测试。
测试设置
Chiu 承认，构建更好的精密运动系统的第一步始于其安装系统。匹配磨削和旋转虽然可用，但通常不适用于长的线性应用。因此，人们追求了一种称为真空复制的全新技术。
真空复制过程（受专利保护）包括将单个气浮轴承安装在导向表面上以真空。轴承现在真空固定在导轨上，轴承座位于轴承上方，在轴承座和轴承之间留有小间隙。
然后将复制剂（环氧树脂）注入该间隙并在持续真空下固化。固化过程完成后，整个组件现在准确地固定在导向表面上。来自气浮轴承的压力会产生足够薄的流体膜以进行运动，而固化的环氧树脂粘合剂消除了弯曲和球窝设计中的刚度和不稳定性（参见第 41 页）。
如下图二所示，完成的测试装置展示了轴承导轨、轴承表面和环氧树脂固定滑座之间的关系。
图二：测试设置
静态刚度测试
对于静态刚度，开发了一种测试装置，其中使用气缸施加已知的可变负载，由电容探头测量。这些测试是在膝铣床的床身上进行的，气缸安装在主轴卡盘中，刀架由气浮轴承垫支撑，如下图三所示。
图三：静态刚度测试设置
Chiu 表明，气浮轴承的行为及其相关的结构特性可以像许多现象一样通过分压器电流的类比来建模，其中电压类似于压力、流动的电流和随着间隙减小的电阻（第 24 页） . 因此，刚度测量为串联电阻，如下图四所示。
图四：静态刚度电路模拟
刚度的结果是通过对力-位移曲线求导来计算的，如下图五所示。
图五：气浮轴承与滚珠轴承刚度曲线
正如我们在上面的曲线中看到的，滚珠轴承产生线性刚度，导致大约 30,000 磅/英寸的 K 值，而气浮轴承表现出非线性、几乎指数响应，真正的 K 值接近160,000 磅/英寸，创建的系统比现有的接触设计刚度高五倍。
此外，Chiu 注意到在装载和卸载滚子轴承系统时存在较大的滞后曲线（第 67 页），从而在切割轴承时可能会出现重大错误。
直线度测试
对于直线度测试，使用了下图六所示的配置。采用恒压源电位器测量轴向位置，电容探头测量横向位移。
图六：直线度测试设置
图七：直线度测试数据
结果（如上图 7 所示）展示了多孔碳气浮轴承与滚子轴承系统的直线度数据。在一英寸的长度上，气浮轴承产生大约 10 微英寸的误差运动，而滚珠轴承系统产生的峰谷误差几乎是该误差的 10 倍，从 -50 到 50 不等，可能会导致许多峰值由于材料缺陷。
除了总体上产生更少的误差运动外，气浮轴承系统还产生更平滑的曲线，从而实现更一致的行为和可预测的运动，最终允许生产精密加工的部件。
Chiu 还对 12 英寸距离的气浮轴承系统进行了更大规模的测试，其结果如下图八所示。原始轴承表面产生的平均直线度为每英寸 20 微英寸，峰谷误差为 150 微英寸。
由于气浮轴承技术提供的气膜平均效果，我们看到平均直线度为每英寸 70 微英寸，工作直线度提高了三倍
图八：气浮轴承直线度
动态响应测试
对于动态响应测试，使用了驱动点脉冲法，加速度计安装在与工具安装位置相对应的点上。使用校准的脉冲锤施加已知的脉冲，并用信号分析仪收集结果（如下图九和十所示）。
图九：气浮轴承动态响应
图十：气浮轴承与滚子轴承动态响应
如图 9 所示，我们看到气浮轴承系统在 250 到 3750 Hz 之间产生了极其平滑的增益。虽然相位曲线在 1250-1750 区域显示出共振的可能性，但曲线的平滑度和平坦的峰值表明系统的阻尼非常好，共振行为的风险很小。
将此与图 10 中的滚子轴承结果进行对比，我们可以看到接触运动系统的阻尼确实有多差。滚子轴承系统产生许多尖锐、狭窄的峰值，如果适当激发，每个峰值都能引起共振。
从理论到实践
New Way 非常感谢 Chiu 在证明气浮轴承是精密加工的优越平台方面所做的工作。然而，对我们来说，理论是不够的。在 New Way，我们相信以身作则，这就是为什么我们
已经将气浮轴承产品用于我们的内部加工能力和气浮轴承产品线的生产。
干式金刚石加工
虽然这曾经是一种理论上的应用，但 New Way 已经使用
径向气浮轴承和
扁平圆形气浮轴承的组合来构建能够处理直径为 3 米的工件的
干式金刚石车床。径向气浮轴承允许工作台旋转并承受来自铣刀的径向载荷，而工作台边缘的扁平圆形气浮轴承则支持来自工件重量的轴向载荷。在没有摩擦的情况下，工件可以平稳旋转，从而实现更精确的配合和更光滑的光洁度。
浮动千分尺
Frictionless Motion® 还允许我们以高保真度
检查和验证我们的产品。 在这里，我们开发了一种
浮动千分尺，它使用三个
扁平矩形气浮轴承将 Starrett 千分尺放在花岗岩工作台上。因为气浮轴承从不接触工作台，所以任何表面偏差都会被平均化，检测技术人员会感觉到的唯一摩擦来自工具与被测物体的接触。
气浮转向生产
我们还在我们自己的气浮轴承的直接生产中使用气浮轴承，例如用于
加工气浮转弯的设置。在这里，轴和驱动电机由
径向气浮轴承支撑，为组件提供轴向和径向约束。砂轮本身安装在一个
气浮主轴组件上，而整个砂轮组件安装在一个
矩形气浮轴承上，允许它以功能无限的分辨率沿着授权工作台平移。
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