氣靜壓磨削主軸之多孔質軸承技術
摘要：氣靜壓磨削主軸為精密機械的關鍵元件，在超精密磨削工具機與半導體設備等產業應用甚廣。有別於國內先前的開發案採用微孔式氣靜壓軸承，我們選用承載能力更高的多孔質氣靜壓軸承，欲了解多孔質軸承的性能，我們以單一柱塞之簡化模型來研究局部多孔質軸承的氣隙壓力，應用有限體積法及壓力與速度耦合之技術，藉由計算流力軟體分析在不同氣隙厚度及邊長的情況下的氣隙壓力分佈及平均壓力，以瞭解該等參數之變化對軸承性能之影響。
Abstract：Aerostatic grinding spindle, one of the key components of precision machinery, is widely applied in ultra-precision grinding machine tools and semiconductor manufacturing equipment, etc. Different from the previous domestic development using micro-hole aerostatic bearings, we use porous media aerostatic bearings to offer higher carrying capacity. In order to understand the porous media bearings, we use a simplified model with one single plunger to study local air gap pressure in the porous media radial bearing. The finite volume method as well as the pressure and velocity coupling technologies are used to calculate the air pressure. Through the computational fluid mechanics analysis with various air gap, pressure distribution and the average pressure, we may understand the impact of the parameters changes in the bearing performance.
關鍵詞：多孔質, 氣靜壓軸承, 磨削主軸
Keywords：Porous media, Aerostatic bearing, Grinding spindle
前言
隨著現代科學技術的發展和要求的提高，在需要高精度高速的技術領域，如PCB生產設備、高精度測量、高速運動，滾動軸承難以達到要求。但是空氣軸承潤滑介質是空氣，無摩擦力的產生，對精度影響甚小，並且應用範圍也越來越廣。
空氣軸承可分為氣動壓軸承及氣靜壓軸承。氣動壓軸承利用高速度旋轉帶動氣膜產生，不需外界壓力氣源，由於獨特的空氣動力學方面的設計，在高速相對運動中，產生壓力氣膜，形成承載能力；氣靜壓軸承利用壓力空氣從節流器噴出，在氣膜處形成穩定的壓力氣流，使得軸承氣膜保持一定的壓力，形成承載能力。
國內氣靜壓主軸軸承通常以微孔進行節流，高轉速時，微孔節流式之氣靜壓軸承容易因為動壓效應產生不穩定現象；對於要求表面精度達到鏡面加工之氣靜壓主軸，此不穩定現象將造成加工表面之振紋，因而無法達成鏡面與超精密加工之效果，甚至造成主軸損壞。為此我們導入以多孔質材料製作氣靜壓主軸軸承，提升氣靜壓主軸軸承之承載能力與穩定性。
多孔質氣靜壓主軸為精密機械產業中的關鍵元件，除可應用於高階工具機，也應用於其他高精密加工產業如半導體工業之晶圓切割、發光二極體晶粒切割、晶片薄化研磨加工、印刷電路板鑽孔以及玻璃基板循邊切割等，因此多孔質氣靜壓主軸技術於高精密之工具機產業應用甚廣。
磨削主軸技術
傳統氣靜壓主軸之氣靜壓軸承大多使用微孔節流，微孔節流之軸承剛性太小，無法滿足於切削加工高剛性之需求，若要提高剛性，微孔節流之氣靜壓軸承則會加入氣袋或溝槽，但在高速運轉時，氣袋與氣隙之壓力差所造成的氣槌振動現象，會影響切削品質與穩定性；為了提高剛性與避免氣槌振動，使氣靜壓主軸可以進行磨削加工，世界知名的氣靜壓磨削主軸製造廠如TOSHIBA、NSK等之氣靜壓軸承皆利用多孔質材料節流；因此本所開發之氣靜壓主軸軸承是以多孔質陶瓷節流，並搭配至高精度CNC綜合加工機，如圖1所示；氣靜壓主軸之規格與相關技術詳述如下：
圖1 超精密氣靜壓磨削主軸之實品與分析模型
a.內藏式馬達-功率：5 kW，最高轉速：30,000 rpm
b.軸頸軸承-軸承內徑：ψ60 mm，6列多孔質氧化鋁柱塞，每列8顆。
c.止推軸承-環狀多孔質氧化鋁柱塞，外徑：ψ60 mm，內徑：ψ60 mm。
d.剛性：徑向≧50N/μm，軸向≧90N/μm (供氣壓力：4bar，氣隙約10 μm)。
e.迴轉精度≦0.5 μm。
d.刀把形式：HSK-40E
f.自動拉鬆刀系統
g.冷卻位置：軸頸軸承外套/止推軸承端面/馬達定子座。
h.感應裝置：溫度-熱電偶、振動-加速規。
多孔質材料製作技術：多孔質氣靜壓軸承之規格需求為孔洞直徑≦1 μm，孔隙率≦30%，透氣率≦10-14 m2，多孔質材料選擇氧化鋁與石墨，粉體材料製備，透過粉體高速研磨分散技術，將粉體粒徑微細化≦500 nm，以適當之結合劑將粉體結合並產生孔洞等向性，以冷均壓成型技術(Cold Isostatic Pressing, CIP)成型後進行高溫燒結，最後以精密切削加工氣靜壓軸承表面。
氣靜壓軸承性能分析：以商用套裝軟體FLUENT為分析工具，利用有限體積法分析多孔質氣靜壓軸承之負荷能力、壓力分布與氣隙之關係，決定節流器之尺寸參數、個數與配置，以做為主軸軸承模組設計之參考。多孔質邊界條件以Darcy condition設定，邊界條件中之透氣率以實驗裝置進行修正。目前模擬分析與實證結果誤差約為10%。
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